适用于GIL-架空混合线路距离保护的整定方法

洪巧章

(南方电网能源发展研究院有限责任公司，广东 广州 510530)

0 引 言

气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated line，GIL)是一种采用SF6气体或SF6和N2混合气体绝缘、金属外壳与导体同轴布置的高电压大电流电力传输设备。由于GIL输电具有输电容量大、受环境影响小、安全可靠性高等优良性能，成为复杂地形高压大容量输电的首选方案[1-5]。

考虑到GIL的成本较高，所以仅在复杂地形处采用GIL线路，其余部分采用均匀架空线路的混合送电方案在现阶段具有更高的经济指标和实用价值。

将GIL段引入架空线路后，线路阻抗特性会发生变化，对于距离保护，其保护范围也会发生变化[6-8]。为了使原有架空线路保护装置能够可靠保护混合线路，下面在理论分析的基础上，修改距离保护定值计算方法，维持保护装置保护范围不变，并在PSCAD仿真中对该方法进行了验证。

1 GIL-架空混合线路建模仿真

首先，针对GIL输电线路的建模方法进行研究，在建立准确描述GIL几何及电气特性的等效模型后，进一步对GIL-架空混合线路的故障特性进行仿真与分析。这里以500 kV输电线路为例进行分析研究。

1.1 GIL线路建模

GIL的几何结构如图 1所示，由内到外分别为芯线、绝缘气体以及外壳。其中，芯线为高电导率的铝合金材质，考虑集肤效应，芯线按中空设计；外壳为铝合金材质，与芯线同轴布置，芯线与外壳间填充SF6气体。各层的厚度随其电压等级的提升而增大。

图1 GIL结构

500 kV GIL通用的结构参数见表 1。

表 1 GIL通用结构参数

为实现对芯线的电磁屏蔽和保障故障时人身和设备的安全，GIL的金属外壳会进行接地处理。在GIL的沿线装设接地铜排，每隔一段距离用接引线将三相GIL外壳接到接地铜排上，然后接地铜排的两端分别接地。典型GIL外壳接地方式如图2所示。

图2 GIL外壳接地方式

GIL段采用PSCAD仿真软件中的Cable模块进行模拟，设置为C1丨I1丨C1类型，与GIL对应的结构即为：金属芯线丨气体绝缘层丨金属外壳，同时该模型的芯线可设置为中空的形式，与GIL的芯线保持一致。各层通过电气参数来体现其电气特性，其模型截面如图 3所示。

图3 PSCAD中GIL线路参数设置

1.2 GIL-架空混合线路建模

架空线采用PSCAD中的Transmission Lines模块，该模型可详细模拟架空输电线路的杆塔、导线和底线的参数。采用频率模型搭建GIL-架空混合线路中架空线路段的模型，架空线的几何参数根据实际参数进行设定。

2 GIL-架空混合线路故障仿真

GIL段对线路阻抗的影响与GIL段占整条线路的比例有关，GIL比例越大，混合线路的阻抗特性与原架空线路的参数差距就越大，对继电保护功能的影响也就越大，需要结合工程参数具体分析。下面以某实际工程参数为例进行分析。

双回线GIL-架空混合线路如图 4所示，GIL段离终端站1的母线15 km，终端站2母线的9.5 km，长6 km，分析安装在终端站1处的距离保护，将故障点设置在距离终端2母线4.5 km处(线路全长的85%处)。

图4 双回线GIL-架空混合线路

2.1 阻抗测量

距离保护测量保护安装点至故障点之间的阻抗，并根据阻抗的大小判断保护是否动作，包括相间距离元件和接地距离元件。在不同故障类型条件下，距离元件的测量阻抗值与故障距离成正比，从而实现具有一定保护长度范围的线路保护。

对于三相短路、两相(如A、B两相)短路和两相(如A、B两相)接地短路，故障点至保护安装点的测量阻抗均按照式(1)计算。

(1)

式中：Zm为测量阻抗；Vmab为保护安装处AB相间测量电压；Imab为保护安装处AB相测量电流差；ZL1为单位长度正序阻抗；m为保护安装处到故障点的线路长度。

对于单相接地短路(如A相)，故障点至保护安装点的测量阻抗按照式(2)计算。

(2)

式中：Vma为保护安装处A相测量电压；Ima为保护安装处A相测量电流；Ima0为保护安装处零序测量电流；k为零序电流补偿系数，k=(Z0-Z1)/3Z1。

故障类型不同时，保护安装处的测量阻抗计算公式有所不同。保护装置首先需要判断故障相别，然后根据相应故障相的测量阻抗计算公式计算出测量阻抗。

分别就均匀架空线路以及GIL-架空混合线路进行PSCAD仿真，对于距离保护I段范围临界处(离终端站2电源母线4.5 km)，模拟4种不同类型的故障，分别得到保护测量处的故障电压电流并计算得到测量阻抗值，如表 2所示。

表2 故障阻抗测量 单位：Ω

通过搭建的阻抗测量模型计算结果显示，相比于原有均匀架空线路，GIL-架空混合线路的阻抗更小，如采用原有保护定值，会造成保护范围扩大。

2.2 动作特性

常见的阻抗继电器动作特性包括阻抗圆动作特性和多边形阻抗动作特性。在500 kV电压等级中，输电线路的负荷电流往往很大，采用躲避故障负荷能力较强的多边形阻抗继电器更为适合。阻抗继电器多边形动作特性如图5所示。

图5中多边形为阻抗继电器的动作特性边界，如果测量阻抗落在多边形内部则保护动作，落在外部则不动作。为防止阻抗偏移造成保护拒动，多边形阻抗继电器在第二、第四象限需进行修正。

图5中：Xs和Rs通过阻抗整定值和设定的角度求得；α4的设置是为了防止区外经过渡电阻短路时出现稳态超越造成误动；ZLmin为系统最小负荷阻抗；φL为负荷阻抗角；Zop为负荷阻抗角时多边形阻抗继电器的阻抗整定值，它比ZLmin小，以防止系统在最小负荷阻抗情况下保护误动；Zset为线路阻抗的整定值；φd为线路的阻抗角，距离I段的线路阻抗整定值应能保护线路全长的80%～85%，动作出口不设时延，时限为保护固有时限；距离Ⅱ段与下一段线路的距离Ⅰ段配合以保护本段线路全长，动作时限与相邻线路距离Ⅰ段配合；距离Ⅲ段按照躲开正常运行时的最小负荷阻抗来整定，动作时限与下一段线路的距离Ⅲ段配合。

图5 多边形阻抗继电器动作特性

2.3 定值校验

根据均匀架空线正序参数和线路长度可以计算出距离保护I段和II段的均匀架空线路阻抗整定值。最小负荷阻抗ZLmin按20°～30°核算，线路保护定值如表 3所示。

表 3 均匀架空线距离保护定值 单位：Ω

通过表 3定值及表 2阻抗测量值，可以计算图 5的特性边界条件，均匀架空线路及GIL-架空混合线路的动作判别边界条件分别见表 4和表 5。

表 4 均匀架空线路距离保护判定边界条件 单位：Ω

表 5 GIL-架空混合线路距离保护判定边界条件 单位：Ω

离终端站2母线4.5 km处，对于安装于终端站1的距离保护，约为线路全长的85%。从表 4可以看出，若此处发现各类短路故障，距离保护Ⅰ段不动作、距离保护Ⅱ段动作。这是由于在设计保护定值时，将Ⅰ段距离保护的保护范围按85%整定，此处在保护范围外，因此距离Ⅰ段不动作、距离Ⅱ段动作。

GIL-架空混合线路通过表 5可以看到，距离Ⅰ段动作，说明距离Ⅰ段保护范围扩大。如果GIL短路比重较大，Ⅰ段保护范围甚至可以超过线路全长，距离保护丧失选择性。因此，对于GIL-架空混合线路，距离Ⅰ段保护定值需重新设计。

2.4 GIL-架空混合线路Ⅰ段定值设计

计及GIL段的混合架空线路距离I段定值计算如式(3)或式(4)。

(3)

ZsetI=Zo·lo1+ZGIL·(0.85l-lo1)

(4)

式中：ZsetI为Ⅰ段阻抗整定值；Zo为架空线单位长度正序阻抗；ZGIL为GIL线路单位长度正序阻抗；l为线路全长；lo1为第一段架空长度；lo2为第二段架空长度；lGIL为GIL线路长度。

式(3)用于85%线路中已包含全部GIL线路的工况，式(4)用于85%线路外仍设置有GIL线路的工况。所仿真案例可利用式(3)计算得到进行GIL改造后的距离保护定值，如表6所示。

表6 适用于GIL-架空混合线路的距离Ⅰ段定值 单位：Ω

通过PSCAD仿真，采用修正的距离保护Ⅰ段定值，寻找各类保护动作的临界距离，可以得到表7。通过表7不难发现，修正的距离保护定值能满足距离Ⅰ段保护本线路全长85%的基本需求。

表7 GIL-架空混合线路距离保护判定边界条件 单位：Ω

2.5 仿真结果分析

可以将第3.3节、第3.4节的分析用阻抗继电器动作特性图进行总结，采用原距离保护定值的均匀架空线路、GIL-架空混合线路的继电器动作特性如图 6、图7所示。采用改进距离保护定值的GIL-架空混合线路的继电器动作特性如图8所示。

图6 采用原定值的均匀架空线路继电器动作特性

图7 采用原定值的GIL-架空混合线路继电器动作特性

图8 采用改进定值的GIL-架空混合线路继电器动作特性

可以看到，将GIL段引入到架空线路后，无论是单相、两相、两相接地还是三相故障的测量阻抗均发生不同程度的减小，从距离保护Ⅱ段动作区移动到距离保护Ⅰ段动作区。改进定值保护算法后，距离保护Ⅰ、Ⅱ段定值区域发生不同程度的缩小，故障测量阻抗重新移动回距离保护Ⅱ段动作区。验证了该保护整定方法的有效性。

3 结 语

将GIL段引入架空线路后，线路阻抗特性会发生变化，对于阻抗参数敏感的距离保护，其保护范围也会发生变化。为了使原有架空线路保护装置能够可靠保护混合线路，在理论分析的基础上，通过修改距离保护定值来维持保护装置保护范围，使得原架空线路保护装置在GIL-架空混合线路工况仍然适用。所提计算方法在PSCAD仿真模型中得到了验证。仿真结果表明，定值修正方法准确可靠，能满足工程实施要求。