帶并聯(lián)電抗器的超特高壓輸電線路單相自適應(yīng)重合閘故障性質(zhì)識(shí)別判據(jù)

0高效運(yùn)行監(jiān)控故障性質(zhì)充分考慮回報(bào)應(yīng)炮是確?？煽啃阅茉闯渥氵\(yùn)行的重要措施之一。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,超高壓輸電線路故障中70%以上是單相接地短路,而單相故障中約有80%為瞬時(shí)性故障。俄羅斯電力部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,特高壓輸電線路上的單相接地故障率高達(dá)90%以上,且大多數(shù)絕緣閃絡(luò)具有瞬時(shí)性的特點(diǎn)。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定和供電的連續(xù)性,超/特高壓輸電線路廣泛采用單相自適應(yīng)重合閘技術(shù)。但若重合于永久性故障,則不僅會(huì)使電力系統(tǒng)再次受到短路電流的沖擊,還會(huì)使電氣設(shè)備的工作條件惡化。因此單相自適應(yīng)重合閘技術(shù)對于超/特高壓輸電系統(tǒng)至關(guān)重要。單相自適應(yīng)重合閘的關(guān)鍵技術(shù)之一是對故障性質(zhì)的識(shí)別,目前已有很多科研人員做了大量的研究工作[5,6,7,8,9,10,11,12,13]。在超/特高壓長距離輸電線路中,為限制工頻過電壓,補(bǔ)償線路容性無功,抑制潛供電流,一般應(yīng)裝設(shè)并聯(lián)電抗器。若裝設(shè)中性點(diǎn)小電抗則可部分或全部補(bǔ)償相間耦合電容,使斷開相電容耦合電壓幅值很小。由于并聯(lián)電抗器的存在,瞬時(shí)性故障時(shí)斷開相恢復(fù)電壓中存在由于儲(chǔ)能元件初始儲(chǔ)能引起的自由分量,該自由分量幅值接近或高于其穩(wěn)態(tài)基波分量幅值,頻率低于且接近于工頻,因此斷開相恢復(fù)電壓呈拍頻性質(zhì);而永久性故障時(shí)斷開相電壓中僅含基波量。據(jù)此文獻(xiàn)提出了識(shí)別故障性質(zhì)的電壓拍頻判據(jù),該判據(jù)原理清晰,判斷結(jié)果無交叉模糊區(qū),判斷時(shí)間約為半個(gè)拍頻周期。本文將提出一種新的拍頻判據(jù),該判據(jù)靈敏度高,且判斷時(shí)間遠(yuǎn)小于半個(gè)拍頻周期,這將更有利于捕捉最佳重合時(shí)刻。1自由分量的相量和幅值裝設(shè)并聯(lián)電抗器的輸電系統(tǒng)如圖1所示。圖中系統(tǒng)和線路參數(shù)如下:m側(cè)系統(tǒng)Xm1=49.34?,Xm0=41.34?;n側(cè)系統(tǒng)Xn1=46.03?,Xn0=103.36?;線路參數(shù)r1=0.0195?/km,r0=0.1675?/km,l1=0.9134mH/km,l0=2.7190mH/km,c1=14.00nF/km,c0=8.34nF/km;電抗器參數(shù)XL=1680.56?,XN=434?。對于確定的超/特高壓輸電線路,自由分量頻率ω0隨并聯(lián)補(bǔ)償度k的變化而變化。對于兩側(cè)裝設(shè)并聯(lián)電抗器的輸電線路其關(guān)系如下:式中:R、L、C分別為線路等效正序電阻、電感和電容。圖1所示系統(tǒng)ω0與k的關(guān)系曲線如圖2所示,由圖2可知,自由分量頻率隨并聯(lián)補(bǔ)償度的增大而升高。電壓等級(jí)為330～500kV、750～1150kV的輸電線路并聯(lián)補(bǔ)償度一般為60%～80%和90%～100%。因此可推斷330～500kV輸電線路的自由分量頻率一般低于45Hz,大量現(xiàn)場試驗(yàn)資料也表明其自由振蕩的頻率一般為30～45Hz。為避免諧振,750～1150kV線路的并聯(lián)補(bǔ)償度一般低于100%,其自由分量頻率一般應(yīng)低于49Hz。由于潛供電流為容性電流,而二次電弧熄弧時(shí)刻通常為電弧電流過零點(diǎn),因此可近似認(rèn)為熄弧時(shí)刻斷開相電壓為最大值,即二次電弧熄滅后斷開相電壓中自由分量幅值較大。大量現(xiàn)場試驗(yàn)資料表明,瞬時(shí)性故障情況下超高壓輸電系統(tǒng)的恢復(fù)電壓中自由分量的幅值一般接近或高于穩(wěn)態(tài)基波分量的幅值,而穩(wěn)態(tài)基波分量的幅值可由圖3所示的等效電路近似求出。永久性故障時(shí)斷開相電壓中基本只含有基波分量,因此可通過檢測恢復(fù)電壓中是否存在自由分量來判斷故障性質(zhì)。圖3中C0、Cm分別為線路的等效相對地電容和相間電容;uA、uB、uC分別為A、B、C相線路端電壓;L0、Lm分別為并聯(lián)電抗器的等效相對地電感和等效相間電感,其關(guān)系如下:式中LR、LN分別為并聯(lián)電抗器和中性點(diǎn)小電抗的電感值。由于自由分量頻率與基頻比較接近,利用傅里葉變換較精確地分離基波與自由分量需要較長數(shù)據(jù)窗,使得不能快速判斷故障性質(zhì)。為此,本文提出了一種利用較短數(shù)據(jù)窗檢測自由分量的方法。該方法本質(zhì)是依據(jù)自由分量與基波分量頻率的不同,在經(jīng)過基波周期整數(shù)倍長的時(shí)間后基波分量相位不變,而自由分量的相位會(huì)有變化,采用相隔數(shù)個(gè)基波周波的兩基波周波的數(shù)據(jù)相減即可將該時(shí)段中的基波分量基本消除,而自由分量的計(jì)算相當(dāng)于是幅值相同、具有一定相位差的兩自由分量相減。斷開相恢復(fù)電壓可表示為式中:U0和U1、T0和T1、θ0和θ1分別為自由分量與基波分量的幅值、周期和初相位。第n個(gè)基波周波與第1個(gè)基波周波的差值可用?u(t)表示:式中δ為兩相減的自由分量的相位差,可表示為式中f0和f1分別為自由分量與基波分量的頻率。自由分量的相量圖如圖4所示。由相量圖可得:因此理論上,對于任意頻率的自由分量,利用二次電弧熄滅后兩基波周波的斷開相電壓數(shù)據(jù)都可求出自由分量幅值,但考慮到采樣率及計(jì)算精度,若保證該判據(jù)的靈敏度,δ應(yīng)足夠大。對于一定的δ值,所需經(jīng)過的基波周波數(shù)n與自由分量頻率的關(guān)系為式中Int表示取大于或等于括號(hào)內(nèi)數(shù)值的最小整數(shù)。此判據(jù)的性能與電力系統(tǒng)頻率和自由分量頻率密切相關(guān)。其中電力系統(tǒng)頻率在線計(jì)算已比較成熟,故在此假定系統(tǒng)頻率計(jì)算誤差為0,頻率為50Hz。由于線路實(shí)際參數(shù)受運(yùn)行情況及環(huán)境的影響會(huì)發(fā)生變化,因此不可避免地會(huì)造成所計(jì)算的自由分量頻率可能偏離實(shí)際頻率,這會(huì)影響本文所提出的拍頻判據(jù)性能;實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行頻率也會(huì)有波動(dòng)。以下先討論自由分量頻率計(jì)算誤差對該判據(jù)的影響,然后討論系統(tǒng)頻率波動(dòng)的影響。設(shè)自由分量計(jì)算頻率為f0j,其真實(shí)頻率為f0,若計(jì)算誤差在10%范圍內(nèi)則有設(shè)所設(shè)定的相位差為δ,則計(jì)算所得的周期數(shù)nj為此時(shí)計(jì)算的自由分量幅值為k值大小與所設(shè)定的相位差δ、自由分量頻率及其計(jì)算誤差有關(guān)。2自由分量幅值補(bǔ)償算法若設(shè)自由分量頻率計(jì)算誤差在10%范圍內(nèi),則不同的相位差定值δ下的k值與自由分量頻率之間的關(guān)系曲線如圖5所示。δ<20°與δ=20°時(shí)的曲線基本相同。由圖5可知,當(dāng)自由分量頻率低于45Hz時(shí),若頻率計(jì)算誤差在10%范圍內(nèi),則當(dāng)δ在10°～60°范圍內(nèi)取值時(shí)k值最小值為0.55。特高壓輸電線路與超高壓輸電線路相比,其分布電容更大,且由于其電壓等級(jí)更高,過電壓與絕緣成為突出問題。為更有效地抑制過電壓,特高壓中長距離輸電線路上一般會(huì)裝設(shè)并聯(lián)電抗器,且有時(shí)補(bǔ)償度較大,因此在其單相重合閘期間斷開相恢復(fù)電壓中自由分量的頻率可能很高,但一般不會(huì)超過49Hz。由圖5可知,若設(shè)自由分量頻率計(jì)算誤差小于10%,則當(dāng)所設(shè)定的相位差δ較大時(shí),按該算法計(jì)算的自由分量幅值可能會(huì)很小,這是因?yàn)楫?dāng)頻率計(jì)算存在正誤差時(shí),隨著所設(shè)定相位差的增大,頻率計(jì)算誤差使得實(shí)際相位差可能接近360°。自由分量頻率越高越容易出現(xiàn)這種情況。圖6為計(jì)算頻率為49Hz、頻率計(jì)算誤差為+10%時(shí)實(shí)際相位差與設(shè)定相位差的關(guān)系曲線。由圖6可知,此時(shí)若取相位差角度δ小于50°,則可保證在頻率計(jì)算誤差為+10%時(shí)所計(jì)算的自由分量幅值具有較高數(shù)值,從而準(zhǔn)確判斷故障性質(zhì)。由圖5可知,當(dāng)自由分量頻率高于45Hz時(shí),若計(jì)算頻率具有-10%誤差,則所計(jì)算的自由頻率分量幅值會(huì)很小。如自由分量頻率為49Hz時(shí),自由分量幅值計(jì)算值僅為實(shí)際值的0.20倍左右,這是因?yàn)樽杂煞至繉?shí)際頻率高于其計(jì)算值,致使在第nj個(gè)工頻周期內(nèi)實(shí)際相位差達(dá)不到設(shè)定值。為此本文提出了頻率計(jì)算誤差的補(bǔ)償算法。該補(bǔ)償算法是按1.1f0j和0.9f0j各計(jì)算一次自由分量幅值,然后取代數(shù)平均值作為自由分量幅值的計(jì)算值?？紤]最不利情況,即計(jì)算頻率本身已有+10%或-10%誤差,則補(bǔ)償后各自由分量頻率下的k值如圖5中曲線所示,可見,采用補(bǔ)償算法所計(jì)算的自由分量幅值都大于其真實(shí)值的0.55倍。按與圖6類似分析方法可知,采用補(bǔ)償算法時(shí)δ取20°～30°較為適宜。根據(jù)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2Hz,當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)偏差值可以放寬到0.5Hz。分析該判據(jù)的性能時(shí)按最不利情況考慮,即假定系統(tǒng)頻率偏差為0.5Hz,圖7與圖8分別給出了系統(tǒng)頻率偏差對該判據(jù)及其補(bǔ)償算法性能的影響。圖7中曲線11、12和13與曲線21、22和23分別為自由分量頻率計(jì)算誤差為+10%與-10%時(shí)系統(tǒng)頻率為50Hz、50.5Hz和49.5Hz時(shí)比例系數(shù)k隨自由分量頻率的變化曲線。圖8中曲線11、12和13與曲線21、22和23分別為自由分量頻率計(jì)算誤差為+10%與-10%時(shí)系統(tǒng)頻率為50Hz、50.5Hz和49.5Hz時(shí)按補(bǔ)償算法計(jì)算的比例系數(shù)k隨自由分量頻率的變化曲線。由圖7可知,系統(tǒng)頻率偏差對于自由分量頻率低于45Hz時(shí)判據(jù)的性能影響不大,但當(dāng)自由分量頻率較高且計(jì)算誤差為-10%時(shí)判據(jù)性能更差,自由分量幅值計(jì)算值僅為其真實(shí)值的0.0544倍。圖8表明采用補(bǔ)償算法后最不利情況下自由分量幅值計(jì)算值為其真實(shí)值的0.5倍,即該判據(jù)仍具有足夠的靈敏度。因此若在自由分量頻率較高時(shí)采用補(bǔ)償算法則判據(jù)的性能基本不受系統(tǒng)頻率偏移的影響。考慮到系統(tǒng)內(nèi)噪聲等各種不利因素及計(jì)算誤差的影響,該判據(jù)可按式(13)計(jì)算其定值(單位為kV):式中UP為按圖3近似計(jì)算得出的穩(wěn)態(tài)分量幅值,由于瞬時(shí)性故障時(shí)自由分量幅值一般接近或高于其穩(wěn)態(tài)分量幅值,因此可近似認(rèn)為UP即為該情況下的自由分量幅值。當(dāng)自由分量幅值計(jì)算值大于定值US時(shí)可確定故障為瞬時(shí)性故障,否則為永久性故障。由于超高壓輸電線路自由分量頻率一般低于45Hz,因此將該判據(jù)應(yīng)用于超高壓輸電線路及自由分量頻率低于45Hz的特高壓輸電線路時(shí)可準(zhǔn)確識(shí)別故障性質(zhì),且具有較高的靈敏度,無需采取補(bǔ)償措施。對于自由分量頻率高于45Hz的特高壓輸電線路采用補(bǔ)償算法后該判據(jù)可靈敏識(shí)別故障性質(zhì)。理論上,在相間電容被并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)小電抗完全補(bǔ)償后,瞬時(shí)性故障情況下穩(wěn)態(tài)基波分量幅值為零,相應(yīng)的自由分量幅值也近似為零。事實(shí)上,中性點(diǎn)小電抗按一定阻抗生產(chǎn)并分級(jí)調(diào)整,此外輸電線路換位通常不是完全的,其分布電容還隨著系統(tǒng)運(yùn)行而波動(dòng),因此實(shí)際運(yùn)行中精確完全地補(bǔ)償相間電容幾乎不可能。仿真結(jié)果表明,其值略偏離諧振點(diǎn)(mH級(jí))時(shí)自由分量幅值會(huì)較大。當(dāng)按圖3進(jìn)行計(jì)算使中性點(diǎn)小電抗完全補(bǔ)償相間電容時(shí),仿真得出的自由分量幅值按非補(bǔ)償算法的計(jì)算結(jié)果為22.7252kV,按補(bǔ)償算法的計(jì)算結(jié)果為29.5714kV。而該情況下發(fā)生永久性單相故障時(shí),斷開相電壓的不平衡分量使得按該算法計(jì)算所得的結(jié)果不會(huì)超過3kV。因此按式(13)進(jìn)行整定可確保在線路相間電容幾乎被完全補(bǔ)償時(shí)仍能準(zhǔn)確識(shí)別故障性質(zhì)。3判斷結(jié)果對比采用圖1所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真,δ取20°,自由分量頻率計(jì)算值為42.83Hz,仿真時(shí)采樣率為1kHz。根據(jù)圖3估算的穩(wěn)態(tài)分量幅值為46.08kV。仿真表明該系統(tǒng)瞬時(shí)性故障時(shí)自由分量幅值約為44.11kV,因此取定值為14kV。表1給出了不同負(fù)荷電流時(shí)永久性故障情況下自由分量計(jì)算幅值U0j及相應(yīng)的補(bǔ)償算法計(jì)算結(jié)果U0jb。表中Rg=300?,L=200km,其中Rg為過渡電阻,L為故障距離,θ為兩側(cè)電源相位差。不同故障過渡電阻及不同故障距離時(shí)的永久性故障仿真結(jié)果與此類似,本文不再列出。表2給出了不同負(fù)荷電流時(shí)瞬時(shí)性故障情況下的自由分量計(jì)算幅值,表中L=200km。不同故障距離時(shí)瞬時(shí)性故障情況下的仿真結(jié)果與此類似。大量仿真數(shù)據(jù)表明,該算法的計(jì)算結(jié)果在瞬時(shí)性故障時(shí)比永久性故障時(shí)大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。表中自由分量幅值計(jì)算值均大于其真實(shí)幅值,這是因?yàn)樽杂煞至坑?jì)算頻率大于其真實(shí)數(shù)值,但這種計(jì)算誤差并不影響判斷結(jié)果的正確性。仿真結(jié)果表明該判據(jù)可準(zhǔn)確判斷出故障