劉海東

(江蘇省電力公司 檢修分公司南通分部，江蘇 南通　226000)

超導(dǎo)電纜空載合閘對距離保護方向性的影響

劉海東

(江蘇省電力公司 檢修分公司南通分部，江蘇 南通226000)

摘要：將超導(dǎo)電纜引入電網(wǎng)，在有效減少電能傳輸損耗的同時，對常規(guī)輸電線路的距離保護會產(chǎn)生一定的影響。從距離保護的方向性出發(fā)，分別對姆歐繼電器和工頻變化量阻抗繼電器在反方向超導(dǎo)電纜空載合閘時的動作特性進行了理論分析，指出超導(dǎo)電纜特殊的電氣參數(shù)會改變保護測量阻抗的性質(zhì)，極有可能引起保護誤動。采用PSCAD/EMTDC與MATLAB接口聯(lián)合建立含有微機距離保護的系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果驗證了保護誤動的可能性。最后，分別針對兩種保護誤動情況提出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)電纜；距離保護；方向性；PSCAD/EMTDC；MATLAB接口

高溫超導(dǎo)電纜可降低電能傳輸損耗，且對于線路增容和減少占地等具有實際意義，并初步應(yīng)用于輸電工程中[1-3]。鑒于超導(dǎo)電纜的電氣參數(shù)有別于常規(guī)線路，在電網(wǎng)中投入運行時會使其他線路距離保護安裝處的測量阻抗發(fā)生改變，因而對距離保護的方向性提出了更高的要求。

在常規(guī)輸電線路的距離保護中，姆歐繼電器一般以正序電壓為極化電壓，能保證反向線路故障時故障相不發(fā)生誤動；而工頻變化量阻抗繼電器通過反應(yīng)工頻故障分量而工作，反向線路故障時故障相不會誤動[4-6]。這兩種阻抗繼電器都具有良好的方向性，在常規(guī)高壓及超高壓的復(fù)雜電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[7]。

本文針對超導(dǎo)電纜的應(yīng)用對距離保護方向性的影響，具體研究了在反方向超導(dǎo)電纜空載合閘時，姆歐繼電器及工頻變化量阻抗繼電器由于測量阻抗的改變而發(fā)生誤動的可能性，并提出相應(yīng)的解決方案，對提高距離保護的安全性有著重要的意義。

1距離保護反向故障時的動作特性

1.1姆歐繼電器

為防止出口發(fā)生各種類型短路故障時保護不能準(zhǔn)確動作，姆歐繼電器一般以正序電壓為參考電壓，應(yīng)用方式有兩種：一種是令參考電壓為相應(yīng)相或相間的正序電壓，另一種是令參考電壓為其負(fù)值。但在這兩種方式下，姆歐繼電器完全可以實現(xiàn)相同的動作特性，可任選一種方式進行分析。接地阻抗繼電器的動作方程為：

(1)

K——零序電流補償系數(shù)；

Zset——保護的整定阻抗；

相間阻抗繼電器的動作方程為：

圖1　反方向故障系統(tǒng)圖

結(jié)合圖1及M側(cè)姆歐繼電器的動作方程，當(dāng)反方向發(fā)生不同類型短路故障時，可推導(dǎo)得出此繼電器的動作特性如圖2所示。

圖2　姆歐繼電器反向故障動作特性

圖2中，Zdx是在發(fā)生短路故障時為確定阻抗繼電器的動作區(qū)域而折算得出的等效阻抗，具體推導(dǎo)過程見參考文獻[8]的第三章：單相短路時，Zdx=(ZN0+ZN1)/(3+3K)；兩相短路時，Zdx=ZN1/2；兩相接地短路時，Zdx=ZN1×ZN0/(ZN1+2ZN0)。

由圖2(a)可見，在反方向線路發(fā)生對稱短路故障時，姆歐繼電器的動作特性為直徑是|Zset|的過原點的方向圓；而圖2 (b)表明在反方向線路發(fā)生不對稱短路故障時，姆歐繼電器的動作特性為直徑是|Zdx-Zset|的上拋圓。保護的測量阻抗通常位于阻抗平面的第三象限，這是由常規(guī)線路的電氣參數(shù)特性決定的。綜上，在反方向常規(guī)線路發(fā)生故障時，姆歐繼電器可確保不發(fā)生誤動。

1.2工頻變化量阻抗繼電器

工頻變化量阻抗繼電器僅作用于工頻故障分量，能反應(yīng)各種類型的短路故障。其動作方程為：

(2)

對于接地阻抗繼電器有

(3)

對于相間阻抗繼電器有

(4)

圖3　反方向故障系統(tǒng)故障分量圖

圖4　工頻變化量繼電器反向故障動作特性

圖4中，Zdg的物理含義與圖2(b)的Zdx相同[8]：單相短路時，Zdg=(ZN0+2ZN1)/(3+3K)；其他類型短路時，Zdg=ZN1。

由圖4可見，在反方向常規(guī)線路發(fā)生故障時，工頻變化量阻抗繼電器的動作特性始終為半徑是|Zdg-Zset|的上拋圓，所以此繼電器也具備良好的方向性。

2反方向超導(dǎo)電纜空載合閘對距離保護的影響

2.1超導(dǎo)電纜與常規(guī)線路的差異

超導(dǎo)電纜由于其零電阻特性及特殊的電纜結(jié)構(gòu)，電氣參數(shù)與常規(guī)線路差異較大。參照我國昆明普吉變電站高溫超導(dǎo)電力電纜系統(tǒng)并網(wǎng)運行的情況[9，10]，表1為35 kV下常規(guī)電力電纜(截面為220 mm2)與高溫超導(dǎo)電纜的電氣參數(shù)的比較如表1所示。

表1　35 kV下兩種電纜的電氣參數(shù)

由表1可看出，與常規(guī)電力電纜相比，高溫超導(dǎo)電纜單位長度的電阻要小很多；單位長度的電抗較大，這是由其相間距離大于常規(guī)電纜的相間距離決定的(電抗與三相間距離的對數(shù)近似成正比)；單位長度的電容遠大于常規(guī)電纜，這是由其導(dǎo)電線芯等效半徑?jīng)Q定的，而超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)中帶有冷卻通道，等效半徑比常規(guī)電纜大。

此外，高溫超導(dǎo)電纜的運行方式與常規(guī)電纜差異較大，冷卻系統(tǒng)故障、電纜內(nèi)部故障、短路故障等均會導(dǎo)致超導(dǎo)電纜失超無法正常運行，需要為其設(shè)計特定的失超保護方案。常規(guī)的失超保護主要依靠檢測超導(dǎo)電纜的溫度、液氮壓力及液氮流量等非電氣量信號來進行判定，但由于非電氣量信號變化較為緩慢，普及變電站的高溫超導(dǎo)電纜檢測與保護系統(tǒng)綜合考慮了超導(dǎo)電纜運行過程中所檢測到的電氣量信號和非電氣量信號，采用的保護方案包括過電流速斷保護、溫升越域速斷保護、壓力差越域速斷保護及流量差越域速斷保護等14條基本保護判據(jù)[11]。

2.2距離保護誤動分析

結(jié)合超導(dǎo)電纜的電氣參數(shù)特點，考慮距離保護反向超導(dǎo)電纜空載合閘時的系統(tǒng)如圖5所示。

圖5　反向超導(dǎo)電纜空載合閘系統(tǒng)圖

超導(dǎo)電纜因其單位長度電容較大，不能將其忽略，故圖5(a)中保護反方向的超導(dǎo)電纜線路采用考慮分布電容的π型等值模型。而由于超導(dǎo)電纜單位長度電阻幾乎為零，可將超導(dǎo)電纜線路模型進一步簡化等效見圖5(b)。圖5中，XSL和XSC分別為超導(dǎo)電纜線路的等值感抗及等值容抗。

當(dāng)斷路器SM閉合將超導(dǎo)電纜投入電力系統(tǒng)時，通過分析圖5(b)可將其歸入距離保護反向經(jīng)阻容元件三相短路的情況(合閘同期)，從而兩種阻抗繼電器的動作特性與反向發(fā)生對稱故障時相同。為簡化分析，忽略系統(tǒng)電阻分量，則保護安裝處測量電流為：

(5)

保護安裝處的測量電壓為：

(6)

當(dāng)XSLXN1+XSL，可知此時會發(fā)生電流反向。分析超導(dǎo)電纜的電氣參數(shù)得知，這兩種情況均很有可能發(fā)生，而且都會使測量阻抗的性質(zhì)發(fā)生改變。其零電阻特性使得測量阻抗在第四象限向電抗軸靠近，如圖2(a)及圖4中的虛線軌跡1所示；其單位長度容抗值較大使得空載合閘時的測量阻抗落入阻抗平面的第二象限-Zm，如圖2(a)及圖4中的虛線軌跡2所示。從而保護的測量阻抗從第三象限的變?yōu)榈诙笙薜?Zms，極有可能落入兩種阻抗繼電器的動作區(qū)域中，導(dǎo)致保護誤動。

3PSCAD與MATLAB聯(lián)合仿真驗證

3.1模型搭建

PSCAD/EMTDC是一種電磁暫態(tài)仿真軟件，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[12]。MATLAB是一種可擴展性強的數(shù)值分析軟件，具備強大的圖形處理能力。在搭建圖5(a)所示系統(tǒng)模型時，PSCAD自帶的保護模塊無法實現(xiàn)相對復(fù)雜的距離保護算法，可通過自定義元件模型功能來解決這個問題[13-14]：通過兩者的接口調(diào)用MATLAB中的M文件對PSCAD仿真計算得出的電路數(shù)據(jù)進行處理，在實現(xiàn)保護算法的同時將控制觸發(fā)信號返回到PSCAD模型中控制保護的動作，并將仿真結(jié)果通過MATLAB繪圖輸出。模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　仿真結(jié)構(gòu)圖

雖然利用PSCAD與MATLAB的接口聯(lián)合仿真會耗費更多的時間，但這種方式充分發(fā)揮了兩種軟件各自的優(yōu)勢，可以清晰、準(zhǔn)確地得出仿真結(jié)果。

考慮到兩種阻抗繼電器的應(yīng)用場合，需構(gòu)建較高電壓等級的系統(tǒng)模型。仿真系統(tǒng)設(shè)定為220 kV等級，目前國內(nèi)外并網(wǎng)的超導(dǎo)電纜電壓等級都不高，而為了觀察較高電壓等級下超導(dǎo)電纜的運行特性，需要在結(jié)合不同電壓等級電纜電氣參數(shù)變化特點的基礎(chǔ)上，參照普及變電站35 kV并網(wǎng)超導(dǎo)電纜來構(gòu)建模型中超導(dǎo)電纜的電氣參數(shù)[15]。受保護的常規(guī)線路采用220 kV等級輸電線路典型參數(shù)。具體線路的參數(shù)設(shè)定見表2。

表2　模型中線路的電氣參數(shù)

此外，設(shè)定N側(cè)背后系統(tǒng)的等效正序電阻為1.233 Ω，正序電抗為10.262 Ω，零序電阻為0.477 5 Ω，零序電抗為10.48 Ω。

3.2仿真結(jié)果

為驗證姆歐繼電器在反向超導(dǎo)電纜空載合閘時誤動的可能性，首先設(shè)定常規(guī)線路LR的長度為100 km，保護按常規(guī)線路的80%來整定，設(shè)定超導(dǎo)電纜LS的長度為160 km。

在t=0.5 s時M側(cè)背后的斷路器SM三相同期合閘，將超導(dǎo)電纜LS投入系統(tǒng)運行，觀察到保護安裝處的姆歐繼電器在39 ms后發(fā)生誤動。分別記錄此過程中A相阻抗繼電器和BC相間阻抗繼電器的測量阻抗軌跡如圖7所示。

圖7　姆歐繼電器測量阻抗軌跡圖

圖7中，整定圓為按照設(shè)定參數(shù)及理論分析計算得出的阻抗繼電器動作區(qū)域。觀察到保護的測量阻抗軌跡最終落入阻抗繼電器動作區(qū)域內(nèi)，與圖2(a)中的-Zms相吻合，驗證了姆歐繼電器誤動的可能性。

同樣，設(shè)定常規(guī)線路LR的長度為100 km，保護仍按常規(guī)線路的80%來整定；將背后超導(dǎo)電纜LS的長度改為80 km。 在t=0.5 s時，斷路器SM三相同期合閘，將超導(dǎo)電纜LS投入系統(tǒng)，觀察到保護安裝處的工頻變化量阻抗繼電器在13 ms后發(fā)生誤動。分別記錄此過程中的A相阻抗繼電器和BC相間阻抗距離繼電器的測量阻抗軌跡如圖8所示。

圖8　工頻變化量阻抗繼電器測量阻抗軌跡圖

為判定誤動情況，在圖中作出按設(shè)定參數(shù)計算得出的工頻變化量阻抗繼電器動作區(qū)域。接地和相間阻抗繼電器的測量阻抗軌跡最終進入理論計算的動作區(qū)域中，與圖4中的-Zms相吻合，驗證了工頻變化量阻抗繼電器誤動的可能性。

4解決方案

對于姆歐繼電器，為區(qū)分保護區(qū)內(nèi)動作與超導(dǎo)電纜空載合閘情況，可改用正序電壓的記憶值作為極化電壓，如圖9所示。

圖9　姆歐繼電器誤動解決方案

圖9中參數(shù)定義與圖2相同，在采用記憶值時阻抗繼電器的動作特性變?yōu)樯蠏亪A1，隨著記憶效應(yīng)的消失才變?yōu)榉较驁A2，此時才發(fā)生誤動。可設(shè)置兩個記憶時間不同的姆歐繼電器，這樣在正方向故障時兩個繼電器能同時動作，而反方向超導(dǎo)電纜空載合閘時記憶時間短的繼電器必然先誤動，可通過兩繼電器動作的先后邏輯來閉鎖反方向超導(dǎo)電纜空載合閘時發(fā)生的誤動。

對于工頻變化量阻抗繼電器，則可設(shè)置一個整定值約為ZN1的工頻變化量阻抗繼電器，使其與正常整定的工頻變化量阻抗繼電器相與，如圖10所示。

圖10　工頻變化量阻抗繼電器誤動解決方案

圖10中主要參數(shù)定義與圖4相同，Zdz為正向區(qū)內(nèi)故障時圖1中M側(cè)背后系統(tǒng)的等效阻抗，Zset1為附加阻抗繼電器的整定阻抗(與ZN1相近)。通過設(shè)置，正方向故障時仍能夠保持原來的動作區(qū)域，反向超導(dǎo)電纜空載合閘時動作區(qū)域會變?yōu)槲挥诘谝幌笙薜男A，可有效防止此類誤動。

5結(jié)語

本文通過理論分析與仿真驗證，表明在反方向超導(dǎo)電纜三相同期空載合閘時，常規(guī)線路距離保護的姆歐繼電器及工頻變化量阻抗繼電器均有可能發(fā)生誤動，不能保證保護的方向性。但發(fā)生此類誤動是有條件的，可在一次系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計時通過考慮誤動條件來避免；如未能避免則可采用本文提出的解決方案，理論上可有效防止此類誤動。在背后超導(dǎo)電纜三相不同期合閘時，這兩種繼電器的動作情況如何是進一步研究工作的重點。

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(本文編輯：嚴(yán)加)

Influence of No-load Superconducting Cable Switching-in on Distance Protection Directivity

LIU Hai-dong

(Nantong Maintenance Branch，Jiangsu Electric Power Company, Nantong 226000, China)

Abstract:The introduction of superconducting cables to power system, while can effectively reduce the loss of power transmission, could affect distance protection of conventional lines. Based on distance protection directivity, this paper makes theoretical analysis on action characteristics of Ohm impedance relay as well as that of industrial frequency variation impedance relay respectively when no-load superconducting cables are switching in from the opposite direction of regular lines′ protection. And it is pointed out that the special electrical parameters of superconducting cable could change the measured impedance of relays, therefore, the impedance relays on conventional lines could trip off incorrectly under such circumstance. A system model with computer distance protection is built up through the interface between PSCAD/EMTDC and MATLAB, and simulation results prove the probability of that malfunction. To avoid such maloperation, this paper finally puts forward the corresponding solutions.

Key words:superconducting cables; distance protection; directivity; PSCAD/EMTDC; MATLAB interface

DOI：10.11973/dlyny201601028

作者簡介：劉海東(1988)，男，碩士，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。

中圖分類號：TM771

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：2095-1256(2016)01-0133-06

收稿日期：2015-11-12