输电线路继电保护装置运行稳定性研究

刘保平

(国网丽水供电公司)

0 引言

继电保护装置是电力系统中一种重要的安全保护装置, 它能通过对电力系统的监测和检测, 检测系统中可能出现的各种异常情况, 并及时采取措施进行保护。输电线路继电保护装置的运行稳定性是指在实际应用中, 该装置能否稳定地发挥其应有的保护功能,以避免由于保护动作不当而导致的电力系统故障及事故发生。因此, 保障输电线路继电保护装置运行稳定性非常关键。包括, 定期检测和维护: 对线路继电保护装置进行定期的检测和维护, 及时发现并处理可能存在的故障。合理的操作管理: 建立完善的管理制度, 对继电保护装置进行规范的操作和管理, 防止误操作。技术创新: 不断引进和应用新的技术手段, 提高装置的功能和性能, 确保其稳定可靠地运行[1-2]。厂家质量保证: 选用具有良好声誉和质量保证的厂家生产的设备, 确保设备的可靠性和稳定性。定期检测和维护: 对线路继电保护装置进行定期的检测和维护, 及时发现并处理可能存在的故障。

通过以上措施的实施, 可以有效地保障输电线路继电保护装置的运行稳定性, 最大程度地避免电力系统中由于保护动作不当而引起的故障和事故, 保证输电线路的安全稳定运行。

目前, 基于行波的继电保护装置有以下几种类型: (a) 基于电流和电压行波参数测量的入射波传播方向评估, 这些原则允许实现POTT (允许超越转换跳闸) 型保护[3]; (b) 入射行波幅度测量[4]; (c) 测量不同时间点的纯电流电磁波参数, 这些时间点取决于受保护波的传播行驶的时间; (d) 在不同的时间点, 仅在受保护电磁波的一个终端测量传输线参数(所谓的“行波距离保护”); (e) 基于在传输线端子上测量电流和电压电磁波的差动电流计算[5];

继电保护实现方法运用(a) 及(c), 运用的继电保护装置是最新的继电保护装置之一, 是目前最具发展前景的行波继电保护装置之一。这两种方法的使用可以组成基于选择性行波的继电保护装置, 该装置工作原理依据开关动作切换而来。

因此, 在本文的研究领域中, 有必要对基于继电保护装置的 (a) 和 (c) 算法的运行稳定性进行评估。

1 超高压电网行波继电保护装置运行稳定性分析

一个500 -750kV 的超高压电力网络及其参数是进行运算的基本依据。以实际电力系统(输电线路,作为中央电力系统综合调度控制的一部分) 为基础,构建了研究网络方案。所研究的网络方案如图1所示。

网络的供电由五个相邻的电力系统(S1 - S5)进行, 它们以电感阻抗为代表。在模拟研究传输线行波的传播过程时, 必须同时考虑传输线的分布参数和参数对电流频率的依赖性(特别是零序电感和传输线电阻)。传输线参数对沿保护线行驶的波的传播速度有影响。

这样, 在“相对地”信道中, 电磁波谐波分量的传播速度可以在0.62km/ms 的范围内。然而, 在“相间”信道中, 行进波的传播的速度并不依赖于频率, 相当于0.99km/ms。该模型没有考虑变压器和自耦变压器绕组的分布阻抗和短路部位的非线性电弧电阻。

根据研究, 雷击电流方程有如下形式:

式中,IM雷击电流大小,δT闪电脉冲阻尼常数,δF前缘阻尼常数,k系数, 由此,iM(t) =IM条件的实现成为可能。

在设备测试期间使用的标准雷击脉冲, 持续时间为50μs, 前缘为1 -2μs, 这种脉冲形状对超高压输电线路中85 -90%的直接雷击过程有重要意义。传输线模型的参数定义为50 赫兹的频率, 这种模型使用传输线模型的频率参数定义, 与电磁波传播速度相对应, 较为合理, 但也与过电压幅值误差有关。

2 基于不同时间点的电磁波参数测量的运行稳定性

为了实现该装置继电保护作用, 该装置基于在不同时间点的纯电流电磁波参数测量, 这取决于沿受保护波的传播的时间, 该装置使用了对传输线相导体中电流高频成分的分析, 对于设备灵敏度增加的信息承载信号被过滤和区分。

本文研究的算法分析了传输线相导体中电流导数的高频分量的值。保护装置计算所谓的“操作”信息量i′Δ和“限制”信息量i′RT。“操作”量等于在电磁波到达测量装置时, 在被保护线路的终端(图1,“L”和“R”装置) 的电流导数高频分量之和的绝对量:

式中,t是电磁波到达时间到达“L”和“R”设备之间的转换。“L”和“R”器件的“抑制”量按照下列公式分别计算:

式中,τ是沿受保护线路的电磁波传播时间(也称为“传播时间延迟”), 使用下面的公式可以找到“限制”数量的最终值:

研究算法的条件可以用一种特定的方式写出:

式中,k=1, 0, 5 为偏移系数。

这种算法的工作原理可以在传输线“3 号线”的实际保护装置上演示。

外部单相短路(适用于传输线“3 号线”), 距离“1 号线”上的“L”器件100km 的传输线, 如图2a所示; 内部单相短路(适用于传输线“3 号线”), 距离“L”器件100km, 如图2b 所示;

图2 电流导数高频分量的示波图

目前, 当电磁波到达“L”和“R”器件(图2上的点1 和点2) 时, 测量电流导数的大小以计算“运行”量。在等于τ的时间段内, 电磁波到达“L”器件后, 测量“R”器件中的电流导数(方程式(3) 中的diR/dt(t)), 此值用于公式(3) 计算“约束”量。同样地, 这个数量也可以根据公式(4) 计算传输线的另一端的。利用“运行”和“限制”量之间的关系, 可以确定短路的位置, 例如在受保护的线路或邻近的电力设施(变压器, 输电线路, 母线等)。

3 基于入射电磁波相关极性的运行稳定性

为了实现一种基于电流、电压入射电磁波相关极性分析的算法, 与早期研究的算法相比, 需要从电压测量传感器获得信号, 这无疑降低了保护装置的可靠性。该算法的工作原理是以判据为基础的, 即电流和电压的高频分量在内部短路时极性不同, 而在外部故障时极性相同。

图3 显示了研究算法的结构-功能框图(适用于A 相传输线的阶段)。

图3 该算法的结构-功能框图

设计用于电流和电压导数极性定义的高频分量的阈值元件。反转块“1”反转这个脉冲类型的信号。交叉块“XOR”的输出是反向的; 如果输入信号的极性相同, 则该块的输出等于逻辑“1”, 反之亦然。

该设备将电磁波固定到一个传输线终端, 其跳闸允许通过二进制“AND”块进行保护操作。释放延迟块“dT”增加电磁波到达的持续时间, 以提高保护操作的稳定性。一般而言, 保护跳闸所需的条件是传输线两个保护子系统同时跳闸。因此, 上述装置实现了纵联保护装置(允许过距传输跳闸) 的POTT方案。

在图4 示波图的基础上, 分析了不同条件下电流和电压极性入射电磁波的特点, 阐明了基于行波的继电保护算法的功能。从图4 的示波图中可得到, 无论故障位置何处, 算法在内部短路期间稳定运行, 主要原因是关于短路位置的信息不是通过电流导数大小的分析接收的, 而是通过分析高频电流和电压分量极性得到的。因此, 该算法的原理可以用于后续新算法的研究。本文提出的算法在暂态过程中不会出现由于切换动作而产生的虚假响应。这些过程被算法解释为外部短路。当此类设备从瞬变期间直接被闪电击中; 为了偏离这种模式, 会使用一些额外的跳闸或阻塞标准。

图4 继电保护装置在不同条件下的动作

4 结果分析

本文对现有的行波继电保护装置进行了简要的分析研究。为了进一步评价操作稳定性, 选择了两种算法。它们是基于对不同时间点的纯电流电磁波参数的测量, 以及对电流和电压入射电磁波的相关极性的分析。制定了行波继电保护装置运行稳定性评估对架空传输线模型的精确要求。据估计, 最适合研究电磁波传播过程的模型是具有分布参数的传输线的频率相关模型, 这个模型可以在使用pSCAD 软件时获得。

结合所研究的行波继电保护算法的工作原理, 对其进行了描述, 并建立了仿真模型。利用这些模型,我们评估了所研究的算法在切换受保护传输线内部和外部短路以及直接雷击时的运行稳定性。

据估计, 在长距离(超过100 -200km) 的输电线路附近发生故障时, 该算法是基于当前在不同时间点测量的电磁波参数, 对于保护装置遭遇直接雷击时运行稳定性良好。

5 结束语

在分析电流、电压入射电磁波的相关极性的基础上, 利用该算法可以实现设备在附近短路时的运行备份, 这种装置的使用还可以实现阻断直接雷击时的非操作。针对这两种装置都不能提供故障相位识别, 本文采用附加的故障相位检测算法, 例如, 基于行波分量的传输线相位导线幅值比较。这项研究的结果可以为架空超高压输电线路行驶波的传播过程的研究建立一个仿真模型, 并根据所收到的仿真研究结果, 更新现有的基于行驶波的继电保护装置, 对未来创建新的算法提供了基础。