邰能靈,郭培育,于仲安,夏 溢,范春菊
(1.江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,江西 贛州 341000;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)
近年來(lái),為緩解提高電力輸送容量與輸電走廊匱乏間的矛盾,同塔4回輸電線路越來(lái)越多的得到應(yīng)用[1].同塔4回輸電線路的一個(gè)顯著特點(diǎn)是各回線線間及相間均存在復(fù)雜的電磁耦合.接地距離保護(hù)是目前高壓輸電線路中的主要后備保護(hù)之一,但受電磁耦合的影響,接地電抗繼電器在4回線中的效果均不理想.如何消除同塔4回線零序互感影響是目前多回路輸電線路距離保護(hù)亟待解決的問(wèn)題.
筆者借鑒單回線路零序接地電抗器的基本工作原理[2-6],以同塔4回線Ⅰ回線發(fā)生單相接地短路為例,應(yīng)用12序分量法[7]對(duì)同塔4回線進(jìn)行解耦,推導(dǎo)出保護(hù)安裝處和故障點(diǎn)相電壓間的關(guān)系,提出以f序零序電流作為極化量的接地電抗繼電器動(dòng)作判據(jù).EMTP仿真并分析該繼電器在送電側(cè)、受電側(cè)以及線路空載運(yùn)行時(shí)的動(dòng)作性能,結(jié)果表明該繼電器能夠準(zhǔn)確而快速地動(dòng)作.
如圖1所示,同塔4回線由上到下依次為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ回線,其長(zhǎng)度設(shè)為l.假設(shè)該系統(tǒng)中同塔4回線線路參數(shù)均相應(yīng)對(duì)稱(chēng),即線路的自阻抗為Zs,線路的相互阻抗均為Zm,不同回線間的互阻抗也相等記為Zx.同桿四回線單位長(zhǎng)度正序阻抗均記為Z1.
圖 系統(tǒng)接線示意Figure 1 System structure
同塔4回線路導(dǎo)線間存在非常復(fù)雜的互感.為了消除導(dǎo)線間互感的影響,便于對(duì)其進(jìn)行研究,該文采用12序分量法對(duì)線路進(jìn)行解耦.文獻(xiàn)[7]對(duì)12序分量法進(jìn)行了詳細(xì)的論述,本文在此僅做簡(jiǎn)要的說(shuō)明.首先對(duì)同塔4回線的相電壓和相電流進(jìn)行線間解耦,分解為e,f,g,h分量,其中e向量為4回線的同向量,g,g,h向量為環(huán)流量.經(jīng)過(guò)P矩陣變換后,e,f,g,h分量之間不再存在互感.然后進(jìn)行相間解耦,利用對(duì)稱(chēng)分量法將同向分量和環(huán)流分量的三相電壓、電流分解成相應(yīng)的正、負(fù)、零序分量,分別表示為e1,e2,e0,f1,f2,f0,g1,g2,g0,h1,h2,h0.通 過(guò) 變換矩陣M,可以完成ABC向量和12序分量之間的轉(zhuǎn)換:
經(jīng)過(guò)變換后線路的阻抗矩陣為對(duì)角陣,說(shuō)明各電氣量已經(jīng)完全解耦不存在互感.12序分量法阻抗參數(shù)如表1所示.
表1 12序分量法阻抗參數(shù)Table 1 Impedance of 12-sequence components
表1中,Zs表示同塔4回線單位長(zhǎng)度自阻抗;Zm表示同塔4回線單位長(zhǎng)度相間互阻抗;Zx表示同塔4回線單位長(zhǎng)度線間互阻抗.
經(jīng)過(guò)12序分量法分解后可以發(fā)現(xiàn):第Ⅰ回線上的各相電氣量等于同向量e加上環(huán)流量f;第Ⅱ回線上的各相電氣量等于同向量e減去環(huán)流量f再加上環(huán)流量g;第Ⅲ回線上的各相電氣量等于同向量e減去環(huán)流量g再加上環(huán)流量h;第Ⅳ回線上的各相電氣量則等于同向量e減去環(huán)流量h.
單回線輸電線路發(fā)生短路故障時(shí),故障點(diǎn)電壓和保護(hù)安裝處電壓關(guān)系:
采用12序分量法對(duì)4回線解耦后可得到類(lèi)似的表達(dá)式.如圖1所示,當(dāng)同塔4回線發(fā)生短路故障時(shí),保護(hù)安裝處和故障點(diǎn)相電壓間的關(guān)系推導(dǎo)如下.
1)第Ⅰ回線上發(fā)生單相接地短路時(shí),保護(hù)安裝處和故障點(diǎn)相電壓間的關(guān)系為
2)第Ⅱ回線上發(fā)生單相接地短路時(shí),保護(hù)安裝處和故障點(diǎn)電壓間的關(guān)系為
3)第Ⅲ回線上發(fā)生單相接地短路時(shí),保護(hù)安裝處和故障點(diǎn)電壓間的關(guān)系為
4)第Ⅳ回線上發(fā)生單相接地短路時(shí),保護(hù)安裝處和故障點(diǎn)電壓間的關(guān)系為
對(duì)單回線接地距離保護(hù),當(dāng)不考慮相鄰線補(bǔ)償和保護(hù)極化時(shí),其保護(hù)測(cè)量阻抗一般為[8]
定義零序電抗繼電器的補(bǔ)償電壓為[9]
對(duì)同塔4回線輸電系統(tǒng),以Ⅰ回線路發(fā)生A相接地故障為例,由式(4)可得
定義適用于同塔4回線Ⅰ回線零序電抗繼電器的補(bǔ)償電壓為
當(dāng)Ⅰ回線A相接地短路時(shí),由文獻(xiàn)[10]可知其故障特征為Ⅰ回線A相對(duì)地電壓為0,除Ⅰ回線A相以外的其他所有相對(duì)地電流均為零,將初始邊界條件轉(zhuǎn)換為e,f,g,h序分量,則有
可見(jiàn),當(dāng)Ⅰ回線A相發(fā)生單相接地短路時(shí),I·f0與I·Ⅰ0基本相位相同,其他故障有類(lèi)似的結(jié)論.因此,筆者提出以I·f0為極化量與補(bǔ)償電壓U·opφ進(jìn)行比相,構(gòu)成適用于同塔4回線Ⅰ回線零序電抗繼電器的動(dòng)作判據(jù):
相似地,可得到適用于同塔4回線Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ回線零序電抗繼電器動(dòng)作判據(jù)依次為
限于篇幅,筆者只給出Ⅰ回線路故障后接地電抗繼電器的動(dòng)作分析.系統(tǒng)模型如圖1所示,系統(tǒng)參數(shù)如下:系統(tǒng)電壓等級(jí)為330kV,同塔4回線線路長(zhǎng)度l為200km,X和Y側(cè)系統(tǒng)正序阻抗分別為1.85+j54,1.85+j90Ω,零序阻抗分別為1.85+j54,1.85+j90Ω;同桿4回線單位長(zhǎng)度自阻抗、相間互阻抗、線間互阻抗分別為j0.137 5,j0.025 2,j0.018 8Ω/km.ATP仿真中,每周期采樣40個(gè)點(diǎn).整定值取Zset=0.85Zl,其中Zl為同塔4回線總阻抗,Zl=Z1l.Z1為同塔4回線單位長(zhǎng)度正序阻抗.
考慮兩側(cè)電源夾角為60°送電端、受電端以及系統(tǒng)空載時(shí)3種運(yùn)行方式下,不同故障距離處經(jīng)不同過(guò)渡電阻時(shí)的動(dòng)作情況,仿真結(jié)果分別如圖2~4所示(圖中橫坐標(biāo)為保護(hù)安裝處與故障點(diǎn)之間的距離,縱坐標(biāo)為線路各故障點(diǎn)過(guò)渡電阻值,實(shí)線為動(dòng)作線,空白部分為不動(dòng)作區(qū)域).
1)由仿真結(jié)果圖2可以看出,當(dāng)零序電抗接地繼電器安裝在送電端時(shí),其具有較高的耐受過(guò)渡電阻能力,尤其是在距離保護(hù)安裝處40%的范圍內(nèi),其可承受過(guò)渡電阻達(dá)到400Ω,并且動(dòng)作區(qū)末端的情況也較好,臨近末端線路70%的地方仍可以反應(yīng)70Ω電阻;
2)當(dāng)零序電抗接地繼電器安裝在受電端時(shí),從圖3仿真結(jié)果可看出,其抗過(guò)渡電阻的能力降低,基本是從保護(hù)安裝處到線路末端線性下降的,但其總體效果仍然優(yōu)良,能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)范圍內(nèi)可靠動(dòng)作;
3)圖4所示為系統(tǒng)處于空載運(yùn)行時(shí),在線路首端20%處過(guò)渡電阻可達(dá)到400Ω,在距離保護(hù)170 km處過(guò)渡電阻為24Ω時(shí)仍然能夠可靠動(dòng)作.
由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,適用于同塔4回線輸電線路接地電抗繼電器在各種運(yùn)行方式下均具有較高的性能.
圖2 60°送電端仿真結(jié)果Figure 2 Simulation result of 60°sending side
筆者利用12序分量法完成對(duì)具有復(fù)雜耦合的同塔4回線進(jìn)行解耦,根據(jù)解耦得到的電氣量,提出了適用于同塔4回輸電線路接地電抗繼電器,利用補(bǔ)償電壓為極化量形成其動(dòng)作判據(jù),大量的EMTP仿真實(shí)驗(yàn)表明該接地繼電器在保護(hù)區(qū)內(nèi)能夠準(zhǔn)確而快速動(dòng)作,提高了同塔4回線距離保護(hù)的性能.
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