共接地極線模式下的接地故障分析

0活動網(wǎng)絡(luò)接地極直流電壓系統(tǒng)中不可或缺的一部分。直流系統(tǒng)換流站一般距離接地點幾十千米,其間通常架設(shè)雙導線并聯(lián)的接地極引線。接地極選址要求較高,若2個或多個直流系統(tǒng)能采用共用接地極,將具有較好的前景。共用接地極在工程中已有應用,云南—廣東與貴州—廣東Ⅱ回直流系統(tǒng)的接地極采用了共用接地極極體方式。如共用接地極在選用共用接地極極體基礎(chǔ)上,接地極引線也采用部分共用,將使工程優(yōu)勢更明顯,但因可靠性和保護設(shè)計兩大問題,該方式一直未應用于工程。傳統(tǒng)接地極保護分析及相互影響特性已有報道,但對共用接地極線保護分析的相關(guān)文獻較少。本文以共用接地極線工程應用困難點之一的保護設(shè)計方法作為研究對象,根據(jù)共用接地極的各直流系統(tǒng)相互影響特性,對接地極線接地、斷線等常見故障進行分析,得出保護動作特性并對電流不平衡保護進行改進,以滿足相應的功能要求。1接地極保護特性共用接地極在接線形式上可分為:共用接地極極體、共用接地極極址和共用接地極線路。第1種共用接地極極體模式已在國內(nèi)實際工程中采用,各系統(tǒng)間的相互影響較小,保護設(shè)計與傳統(tǒng)保護設(shè)計一致。第2種共用接地極極址模式是用各自的接地極導線引至接地極終端塔,并在終端塔前裝設(shè)各自的電氣測量裝置,使終端塔前的接地極部分獨立,因此保護特性與傳統(tǒng)接地極保護特性類似。第3種共用接地極線路模式為共有一部分或全部的接地極線路,如圖1所示。由于共用接地極線路存在公共部分,各自的運行方式及故障方式變化都會產(chǎn)生相互影響,保護應用存在難點,本文將以此類保護特性作為主要研究對象。2中性點接地極保護不失一般性,設(shè)共用接地極的直流系統(tǒng)為2個,一次接線如圖2所示。多個系統(tǒng)共用接地極時也可采用本文類似分析方法。圖2中:K1至K5為開關(guān)設(shè)備;RG為接地極共用部分的電阻(第1種和第2種模式只計入接地極體部分,第3種模式還應計入共用接地極引線部分);UIdN1和UIdN2為系統(tǒng)1的中性母線電壓(下文用U1表示);UIdN3和UIdN4為系統(tǒng)2的中性母線電壓(下文用U2表示);IG,IG1和IG2分別為共用接地極處、系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的接地極引線電流;Id1和Id2為系統(tǒng)1接地極單引線電流;Id3和Id4為系統(tǒng)2接地極單引線電流。以逆變側(cè)共用接地極為例,接地極電流為:IG=IG1+IG2(1)當2個系統(tǒng)均雙極對稱運行時,IG=0,UIdN1=UIdN2=0。當一個直流系統(tǒng)單極運行(設(shè)系統(tǒng)2為單極大地返回方式)時,有式中:R2L為系統(tǒng)2接地極獨立部分單引線電阻。由式(2)可知:系統(tǒng)2單極運行會使系統(tǒng)1中性母線電壓偏移;接地極各自引線對稱使引線間無差電流。各直流系統(tǒng)均雙極運行時,接地極故障對各系統(tǒng)影響小;當一個及以上系統(tǒng)為單極運行時,相互影響變大。工程中,共用接地極的各系統(tǒng)中一般只允許一個系統(tǒng)長時間采用單極非金屬返回方式運行,因此本文主要以不平衡運行方式中單個系統(tǒng)采用單極大地返回方式,其余系統(tǒng)采用雙極運行方式(包括平衡和不平衡方式)這種最常見的運行模式作為分析的典型工況。本文假設(shè)系統(tǒng)2為單極大地回線方式,系統(tǒng)1為雙極運行方式。接地極的各類保護根據(jù)運行方式變化會有不同的動作策略。過電壓保護及電流不平衡保護在共接地極線模式時,因其接線形式較復雜,保護也會較復雜,本文將進行重點分析。3聯(lián)合接地極線模式的故障分析3.1聯(lián)合接地極線接地故障分析3.1.1共極線條內(nèi)各分區(qū)點電壓積分反應當共用接地極引線同時發(fā)生接地故障時,由于引線對稱,對保護影響不大。本文主要考察單接地極線故障情況。設(shè)接地故障電阻為RM;系統(tǒng)1部分的單引線電阻和共引線電阻分別為R1L和RLT;單極、雙極運行系統(tǒng)流入接地極地的電流分別為IS和IU(IS為單極運行時的額定電流,IU為雙極運行時的不平衡電流),兩者方向可以相反。在共極線處、系統(tǒng)2和系統(tǒng)1非共極線處發(fā)生單線接地故障時的等效電路如圖3所示。假設(shè)在各自區(qū)內(nèi)故障點相對于圖1中分區(qū)點的距離比例為k(0<k<1),該部分的電阻為RX,在各自區(qū)內(nèi)剩余電阻為RY。RX和RY分別為:式中:RLT/1L/2L為各自區(qū)內(nèi)的單引線電阻,若在A區(qū)時,RLT/1L/2L取R1L;若在B區(qū)時,RLT/1L/2L取R2L;若在C區(qū)時,RLT/1L/2L取RLT。分析時按雙極運行系統(tǒng)是否平衡運行,分為:平衡運行方式(IU=0)、不平衡運行方式(IU≠0)和其他系統(tǒng)組成異極性返回方式(IU=-IS)。3.1.2在雙極運營系統(tǒng)的平衡運行中分析接地故障1接地極不平衡電流在共接地極線處(C區(qū))發(fā)生接地故障,此時系統(tǒng)2接地極雙線不平衡電流如式(4)所示。其中:fi為關(guān)于所有變量的函數(shù);gi為關(guān)于RG,k,RM,RLT的子函數(shù)。Ιd34=|Ιd3-Ιd4|=ΙSf3(R1L,R2L,g3)=ΙSR1LRLΤk2-2R1L(RLΤ+RG)k+R1L(RLΤ+2RG)-(R1L+R2L)RLΤk2-2R1LR2Lk+2R1LR2L(1+RG+RΜRLΤ)+(RLΤ+2RG+2RΜ)(R1L+R2L)(4)Id34=|Id3?Id4|=ISf3(R1L,R2L,g3)=ISR1LRLTk2?2R1L(RLT+RG)k+R1L(RLT+2RG)?(R1L+R2L)RLTk2?2R1LR2Lk+2R1LR2L(1+RG+RMRLT)+(RLT+2RG+2RM)(R1L+R2L)(4)由電路可得:Ιd12=|Ιd1-Ιd2|=R2L|Ιd3-Ιd4|R1L=Id12=|Id1?Id2|=R2L|Id3?Id4|R1L=ISf4(R1L,R2L,g4)(5)因為?Id34/?k<0,?Id12/?k<0,?Id34/?RM<0,故隨著k和RM的增大,各系統(tǒng)接地極不平衡電流均減小。這也可從電路對稱性獲得,當k和RM增大時,接地極電路結(jié)構(gòu)趨于對稱,不平衡電流減少。在分析系統(tǒng)2中性母線電壓U2時,對電路進行簡化,忽略R1L,可得:U2=IS((RX+RA)//(RLT+RB)+RC+0.5R2L)(6)各電阻參數(shù)均不大于幾歐姆,因此U2不超過幾千伏,同理U1值也不大。2u2009d3-id12考察在單極運行的系統(tǒng)2接地極引線上(B區(qū))發(fā)生的故障情況。由圖3(b)可得系統(tǒng)2接地極不平衡電流為:式(8)在關(guān)于k的二次函數(shù)中,α和β(RM)均為大于0的常數(shù)項,且β(RM)為關(guān)于RM的一次函數(shù)?？傻??Id34/?k>0,?Id34/?RM<0。隨著k的增大,單極運行的接地極不平衡電流增大;隨著RM的增大,不平衡電流減小。式(8)可以表示為:Id34=|Id3-Id4|=ISf1(R1L,R2L,g1)(10)這里不再詳細推導雙極運行系統(tǒng)的不平衡電流Id12。在圖3(b)中,當RX→R2L時,由電路原理得,電路的橋臂趨于平衡,因此Id12是減小的。設(shè)不平衡電流表達式為:Id12=|Id1-Id2|=ISf2(R1L,R2L,g2)(11)忽略R2L,可得:U2=IS(RM//(RG+0.5RLT))(12)由此可得U2數(shù)值不大,同理U1值也不大。3id3id4密度s1在雙極系統(tǒng)運行的獨立接地極線處發(fā)生故障時,對分析進行簡化,令RG=RM≈0,得{Ιd34=|Ιd3-Ιd4|=ΙSf5(R1L,R2L,g5)=ΙS(RY+R1L)(RX+RLΤ)-RX(RY+R1L+RLΤ)(RY+R1L)(RX+RLΤ)+RX(RY+R1L+RLΤ)+FF=2RLΤ(RY+R1L)(RY+R1L+RLΤ)R2L(13)?????????Id34=|Id3?Id4|=ISf5(R1L,R2L,g5)=IS(RY+R1L)(RX+RLT)?RX(RY+R1L+RLT)(RY+R1L)(RX+RLT)+RX(RY+R1L+RLT)+FF=2RLT(RY+R1L)(RY+R1L+RLT)R2L(13)Ιd12=|Ιd1-Ιd2|=ΙSf6(R1L,R2L,g6)=ΙS-|Ιd3-Ιd4|2RLΤ2R1L+RLΤ-R1Lk(14)Id12=|Id1?Id2|=ISf6(R1L,R2L,g6)=IS?|Id3?Id4|2RLT2R1L+RLT?R1Lk(14)令R2L≈0,可得Ιd34=|Ιd3-Ιd4|=ΙS-kRLΤ+RLΤ-R1Lk2+2R1Lk+RLΤ(15)Id34=|Id3?Id4|=IS?kRLT+RLT?R1Lk2+2R1Lk+RLT(15)此時?Id34/?k<0,?Id12/?k>0。若計及RG和RM,則結(jié)果一致。忽略R2L,可得U2=IS((RM+((R1L+RY)//RX))//(RG+0.5RLT))(16)由此可得值U2不大,同理U1值也不大。3.1.3雙極不對稱運行雙極運行系統(tǒng)在實際運行中可能存在不平衡電流,該不平衡電流將流入接地極中,并產(chǎn)生影響。首先分析故障發(fā)生在共極線處(C區(qū))時的情況。利用電路疊加原理可得系統(tǒng)2差電流為:Id34″=Id34±Id34′(17)式(17)中,Id34由只考慮一個系統(tǒng)單極運行(其他系統(tǒng)雙極平衡運行)故障時求得,Id34′由單極運行系統(tǒng)閉鎖(其他系統(tǒng)雙極運行并存在不平衡電流)時發(fā)生故障求得。由式(4)、式(5)、式(17)和電網(wǎng)絡(luò)理論可得:Id34″=ISf3(R1L,R2L,g3)±IUf4(R2L,R1L,g4)(18)Id12″=ISf4(R1L,R2L,g4)±IUf3(R2L,R1L,g3)(19)在接地極各區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時,可歸納為:{Ιd34?=ΙSfΤ(R1L,R2L,gΤ)±ΙUf7-Τ(R2L,R1L,g7-Τ)Ιd12?=ΙSfΤ+1(R1L,R2L,gΤ+1)±ΙUf6-Τ(R2L,R1L,g6-Τ)(20)故障發(fā)生在B,C,A區(qū)時,T分別取1,3,5。雙極不對稱運行時,不平衡電流IU較大,故障對差電流影響也較大。但工程中若一個系統(tǒng)已運行于單極大地返回方式時,其他系統(tǒng)一般只處于雙極對稱運行狀態(tài)。雙極對稱運行時,不平衡電流IU一般允許為額定電流IS的1%,因此IU對接地極差電流大小的影響是有限的。同理,雙極不平衡運行方式對各系統(tǒng)接地極電壓的影響也不大。3.1.4中性點接地設(shè)計方案2個系統(tǒng)的異極性大地返回方式可以理解為一個系統(tǒng)單極大地運行,另一個系統(tǒng)雙極不平衡運行的極限情況(即雙極不對稱電流為額定電流的-100%)。設(shè)系統(tǒng)1、系統(tǒng)2流入接地極電流分別為-IS′和IS,則接地故障時接地極差電流為:{Ιd34?=ΙSfΤ(R1L,R2L,gΤ)-ΙS′f7-Τ(R2L,R1L,g7-Τ)Ιd12?=ΙSfΤ+1(R1L,R2L,gΤ+1)-ΙS′f6-Τ(R2L,R1L,g6-Τ)(21)A,B區(qū)故障時,各函數(shù)fi不同,說明各系統(tǒng)的接地極中均存在差電流,因IS與IS′異極性,使得兩系統(tǒng)的影響為線性相減,總體差電流水平降低。C區(qū)故障時,當兩系統(tǒng)接地極參數(shù)一致(R1L=R2L)時,由式(5)得出:g3與g4相同,各系統(tǒng)接地極差電流為0,保護感受不到C區(qū)接地故障。3.2第2種工況分析當接地極雙線同時發(fā)生斷線故障時,失去相應接地點會引起過電壓保護動作。單極線斷線故障分析較復雜,結(jié)果如表1所示。表1中,工況1表示一個系統(tǒng)單極大地運行,另一個系統(tǒng)雙極對稱運行;工況2表示2個系統(tǒng)以異極性大地返回方式運行。第2種工況分析與式(21)推導類似。由表1可知,部分方式下,斷線故障會引起過大的差電流。單接地極線發(fā)生斷線故障時,因為另一條接地極引線的電壓置零作用,系統(tǒng)不會過電壓。4聯(lián)合測距極線保護操作的分析和改進4.1共接地極線方式下內(nèi)涵本節(jié)主要分析傳統(tǒng)保護是否能應用于共用接地極線模式。設(shè)在分區(qū)點發(fā)生金屬性接地故障時,系統(tǒng)1和系統(tǒng)2測得的不平衡電流分別為Im1和Im2,且Im1>Im2,傳統(tǒng)接地極電流不平衡保護動作定值為Idz。Idz值固定,Im1和Im2視接地極參數(shù)而定。為分析方便,接地極線路參數(shù)選取滿足以下2種分析工況:①Idz=Im1>Im2(參數(shù)1);②Im1>Im2=Idz(參數(shù)2)。根據(jù)上節(jié)分析,動作結(jié)果如表2所示。由表2可知,在共接地極線方式下,接地極電流不平衡保護選擇性差,動作結(jié)果受保護定值、接地極參數(shù)、故障點參數(shù)變化的影響大。以表2中C區(qū)在接地故障(參數(shù)2)的情況為例,根據(jù)式(4)和式(5),該區(qū)內(nèi)各系統(tǒng)的不平衡電流是k的遞減函數(shù),C區(qū)內(nèi)系統(tǒng)2的不平衡電流為:Im2=Idz>Id34(22)系統(tǒng)1不平衡電流可能出現(xiàn)以下2種情況:由式(22)和式(23)可知,系統(tǒng)2不平衡電流保護不會動作,系統(tǒng)1保護動作情況視故障點參數(shù)而定。表中其他部分同理可得。4.2反時限保護的改進根據(jù)4.1節(jié)分析可知,傳統(tǒng)接地極保護應用于共接地極線方式下最不匹配的是不平衡電流保護,非區(qū)內(nèi)故障可能引起保護動作。這里對保護進行如下改進。1)在保護中加入故障測距模塊。工程常用接地極阻抗監(jiān)視設(shè)備(ELIS)來監(jiān)視故障,但以A區(qū)裝設(shè)的ELIS為例,注入高頻電流并不能有效區(qū)分B區(qū)和C區(qū)故障。而各系統(tǒng)接地極引線的接合點可以為行波提供反射點,因此可采用行波反射匹配法來區(qū)分故障區(qū)。但當分區(qū)點上阻抗變化不明顯導致行波反射系數(shù)過小時,則另需裝設(shè)電抗。2)因為在B區(qū)接地故障時入地電流大,對接地極運行有較大的影響;在C區(qū)接地故障時,對運行影響較小。傳統(tǒng)保護不能對故障程度有較好反映。本文對不平衡電流保護進行反時限功能改進,使保護能有較好的靈敏度。動作方程為:t(Ι)=h1(ΙΙz)q-h2+h3(24)式中:h1,h2和h3為常數(shù);q根據(jù)反時限特性曲線取值;Iz為保護參考值;I為接地極不平衡電流輸入值。為了與常規(guī)電流不平衡保護匹配,設(shè)I1和T1分別為常規(guī)保護啟動定值及動作時間,則整定動作方程的參數(shù)時需滿足t(I1)=T1。5不平衡電流保護特性仿真系統(tǒng)采用葛南直流模型,接地極模式如圖1所示。系統(tǒng)1的獨立接地極引線電阻為0.5Ω,系統(tǒng)2獨立接地極引線電阻為1Ω,共引線電阻為0.5Ω,接地電阻為0.2Ω。按一個系統(tǒng)單極運行、另一個系統(tǒng)雙極運行時系統(tǒng)是否平衡運行分為2種工況。工況1為雙極運行系統(tǒng)平衡運行。仿真得出如下結(jié)論。①接地極線上單線故障時,測得的最大電壓為2.56kV,過電壓保護不會動作。②接地極線上發(fā)生接地故障時,系統(tǒng)1和系統(tǒng)2接地極不平衡電流見附錄A圖A1(a)。在C區(qū)發(fā)生故障時,2個系統(tǒng)的差電流變化趨勢一致;在A區(qū)和B區(qū)發(fā)生故障時,2個系統(tǒng)的差電流變化趨勢相反。③改變2個系統(tǒng)共接地極線部分的比例,即改變RLT的大小,系統(tǒng)1的差電流情況見附錄A圖A1(b),隨著共接地極引線部分電阻的增大,差電流整體呈現(xiàn)增大趨勢。④在各區(qū)中點位置發(fā)生接地故障時,不平衡電流見附錄A圖A1(c)。在任何位置增大接地電阻,差電流均相對減少。⑤在各區(qū)內(nèi)發(fā)生斷線故障時,改變斷線故障區(qū)內(nèi)另一條線路的電阻以模擬接地極參數(shù)的改變,2個系統(tǒng)測量的差電流見附錄A圖A1(d),差電流不變。工況2為雙極運行時系統(tǒng)不對稱運行,