超导电缆空载合闸对距离保护方向性的影响
2016-07-05刘海东
刘海东
(江苏省电力公司 检修分公司南通分部，江苏 南通 226000)
超导电缆空载合闸对距离保护方向性的影响
刘海东
(江苏省电力公司 检修分公司南通分部，江苏 南通226000)
摘要：将超导电缆引入电网，在有效减少电能传输损耗的同时，对常规输电线路的距离保护会产生一定的影响。从距离保护的方向性出发，分别对姆欧继电器和工频变化量阻抗继电器在反方向超导电缆空载合闸时的动作特性进行了理论分析，指出超导电缆特殊的电气参数会改变保护测量阻抗的性质，极有可能引起保护误动。采用PSCAD/EMTDC与MATLAB接口联合建立含有微机距离保护的系统模型，仿真结果验证了保护误动的可能性。最后，分别针对两种保护误动情况提出了相应的解决方案。
关键词：超导电缆；距离保护；方向性；PSCAD/EMTDC；MATLAB接口
高温超导电缆可降低电能传输损耗，且对于线路增容和减少占地等具有实际意义，并初步应用于输电工程中[1-3]。鉴于超导电缆的电气参数有别于常规线路，在电网中投入运行时会使其他线路距离保护安装处的测量阻抗发生改变，因而对距离保护的方向性提出了更高的要求。
在常规输电线路的距离保护中，姆欧继电器一般以正序电压为极化电压，能保证反向线路故障时故障相不发生误动；而工频变化量阻抗继电器通过反应工频故障分量而工作，反向线路故障时故障相不会误动[4-6]。这两种阻抗继电器都具有良好的方向性，在常规高压及超高压的复杂电力系统中得到了广泛应用[7]。
本文针对超导电缆的应用对距离保护方向性的影响，具体研究了在反方向超导电缆空载合闸时，姆欧继电器及工频变化量阻抗继电器由于测量阻抗的改变而发生误动的可能性，并提出相应的解决方案，对提高距离保护的安全性有着重要的意义。
1距离保护反向故障时的动作特性
1.1姆欧继电器
为防止出口发生各种类型短路故障时保护不能准确动作，姆欧继电器一般以正序电压为参考电压，应用方式有两种：一种是令参考电压为相应相或相间的正序电压，另一种是令参考电压为其负值。但在这两种方式下，姆欧继电器完全可以实现相同的动作特性，可任选一种方式进行分析。接地阻抗继电器的动作方程为：
(1)
K——零序电流补偿系数；
Zset——保护的整定阻抗；
相间阻抗继电器的动作方程为：
图1 反方向故障系统图
结合图1及M侧姆欧继电器的动作方程，当反方向发生不同类型短路故障时，可推导得出此继电器的动作特性如图2所示。
图2 姆欧继电器反向故障动作特性
图2中，Zdx是在发生短路故障时为确定阻抗继电器的动作区域而折算得出的等效阻抗，具体推导过程见参考文献[8]的第三章：单相短路时，Zdx=(ZN0+ZN1)/(3+3K)；两相短路时，Zdx=ZN1/2；两相接地短路时，Zdx=ZN1×ZN0/(ZN1+2ZN0)。
由图2(a)可见，在反方向线路发生对称短路故障时，姆欧继电器的动作特性为直径是|Zset|的过原点的方向圆；而图2 (b)表明在反方向线路发生不对称短路故障时，姆欧继电器的动作特性为直径是|Zdx-Zset|的上抛圆。保护的测量阻抗通常位于阻抗平面的第三象限，这是由常规线路的电气参数特性决定的。综上，在反方向常规线路发生故障时，姆欧继电器可确保不发生误动。
1.2工频变化量阻抗继电器
工频变化量阻抗继电器仅作用于工频故障分量，能反应各种类型的短路故障。其动作方程为：
(2)
对于接地阻抗继电器有
(3)
对于相间阻抗继电器有
(4)
图3 反方向故障系统故障分量图
图4 工频变化量继电器反向故障动作特性
图4中，Zdg的物理含义与图2(b)的Zdx相同[8]：单相短路时，Zdg=(ZN0+2ZN1)/(3+3K)；其他类型短路时，Zdg=ZN1。
由图4可见，在反方向常规线路发生故障时，工频变化量阻抗继电器的动作特性始终为半径是|Zdg-Zset|的上抛圆，所以此继电器也具备良好的方向性。
2反方向超导电缆空载合闸对距离保护的影响
2.1超导电缆与常规线路的差异
超导电缆由于其零电阻特性及特殊的电缆结构，电气参数与常规线路差异较大。参照我国昆明普吉变电站高温超导电力电缆系统并网运行的情况[9，10]，表1为35 kV下常规电力电缆(截面为220 mm2)与高温超导电缆的电气参数的比较如表1所示。
表1 35 kV下两种电缆的电气参数
由表1可看出，与常规电力电缆相比，高温超导电缆单位长度的电阻要小很多；单位长度的电抗较大，这是由其相间距离大于常规电缆的相间距离决定的(电抗与三相间距离的对数近似成正比)；单位长度的电容远大于常规电缆，这是由其导电线芯等效半径决定的，而超导电缆结构中带有冷却通道，等效半径比常规电缆大。
此外，高温超导电缆的运行方式与常规电缆差异较大，冷却系统故障、电缆内部故障、短路故障等均会导致超导电缆失超无法正常运行，需要为其设计特定的失超保护方案。常规的失超保护主要依靠检测超导电缆的温度、液氮压力及液氮流量等非电气量信号来进行判定，但由于非电气量信号变化较为缓慢，普及变电站的高温超导电缆检测与保护系统综合考虑了超导电缆运行过程中所检测到的电气量信号和非电气量信号，采用的保护方案包括过电流速断保护、温升越域速断保护、压力差越域速断保护及流量差越域速断保护等14条基本保护判据[11]。
2.2距离保护误动分析
结合超导电缆的电气参数特点，考虑距离保护反向超导电缆空载合闸时的系统如图5所示。
图5 反向超导电缆空载合闸系统图
超导电缆因其单位长度电容较大，不能将其忽略，故图5(a)中保护反方向的超导电缆线路采用考虑分布电容的π型等值模型。而由于超导电缆单位长度电阻几乎为零，可将超导电缆线路模型进一步简化等效见图5(b)。图5中，XSL和XSC分别为超导电缆线路的等值感抗及等值容抗。
当断路器SM闭合将超导电缆投入电力系统时，通过分析图5(b)可将其归入距离保护反向经阻容元件三相短路的情况(合闸同期)，从而两种阻抗继电器的动作特性与反向发生对称故障时相同。为简化分析，忽略系统电阻分量，则保护安装处测量电流为：
(5)
保护安装处的测量电压为：
(6)
当XSL
3PSCAD与MATLAB联合仿真验证
3.1模型搭建
PSCAD/EMTDC是一种电磁暂态仿真软件，在电力系统中得到了广泛应用[12]。MATLAB是一种可扩展性强的数值分析软件，具备强大的图形处理能力。在搭建图5(a)所示系统模型时，PSCAD自带的保护模块无法实现相对复杂的距离保护算法，可通过自定义元件模型功能来解决这个问题[13-14]：通过两者的接口调用MATLAB中的M文件对PSCAD仿真计算得出的电路数据进行处理，在实现保护算法的同时将控制触发信号返回到PSCAD模型中控制保护的动作，并将仿真结果通过MATLAB绘图输出。模型结构如图6所示。
图6 仿真结构图
虽然利用PSCAD与MATLAB的接口联合仿真会耗费更多的时间，但这种方式充分发挥了两种软件各自的优势，可以清晰、准确地得出仿真结果。
考虑到两种阻抗继电器的应用场合，需构建较高电压等级的系统模型。仿真系统设定为220 kV等级，目前国内外并网的超导电缆电压等级都不高，而为了观察较高电压等级下超导电缆的运行特性，需要在结合不同电压等级电缆电气参数变化特点的基础上，参照普及变电站35 kV并网超导电缆来构建模型中超导电缆的电气参数[15]。受保护的常规线路采用220 kV等级输电线路典型参数。具体线路的参数设定见表2。
表2 模型中线路的电气参数
此外，设定N侧背后系统的等效正序电阻为1.233 Ω，正序电抗为10.262 Ω，零序电阻为0.477 5 Ω，零序电抗为10.48 Ω。
3.2仿真结果
为验证姆欧继电器在反向超导电缆空载合闸时误动的可能性，首先设定常规线路LR的长度为100 km，保护按常规线路的80%来整定，设定超导电缆LS的长度为160 km。
在t=0.5 s时M侧背后的断路器SM三相同期合闸，将超导电缆LS投入系统运行，观察到保护安装处的姆欧继电器在39 ms后发生误动。分别记录此过程中A相阻抗继电器和BC相间阻抗继电器的测量阻抗轨迹如图7所示。
图7 姆欧继电器测量阻抗轨迹图
图7中，整定圆为按照设定参数及理论分析计算得出的阻抗继电器动作区域。观察到保护的测量阻抗轨迹最终落入阻抗继电器动作区域内，与图2(a)中的-Zms相吻合，验证了姆欧继电器误动的可能性。
同样，设定常规线路LR的长度为100 km，保护仍按常规线路的80%来整定；将背后超导电缆LS的长度改为80 km。 在t=0.5 s时，断路器SM三相同期合闸，将超导电缆LS投入系统，观察到保护安装处的工频变化量阻抗继电器在13 ms后发生误动。分别记录此过程中的A相阻抗继电器和BC相间阻抗距离继电器的测量阻抗轨迹如图8所示。
图8 工频变化量阻抗继电器测量阻抗轨迹图
为判定误动情况，在图中作出按设定参数计算得出的工频变化量阻抗继电器动作区域。接地和相间阻抗继电器的测量阻抗轨迹最终进入理论计算的动作区域中，与图4中的-Zms相吻合，验证了工频变化量阻抗继电器误动的可能性。
4解决方案
对于姆欧继电器，为区分保护区内动作与超导电缆空载合闸情况，可改用正序电压的记忆值作为极化电压，如图9所示。
图9 姆欧继电器误动解决方案
图9中参数定义与图2相同，在采用记忆值时阻抗继电器的动作特性变为上抛圆1，随着记忆效应的消失才变为方向圆2，此时才发生误动。可设置两个记忆时间不同的姆欧继电器，这样在正方向故障时两个继电器能同时动作，而反方向超导电缆空载合闸时记忆时间短的继电器必然先误动，可通过两继电器动作的先后逻辑来闭锁反方向超导电缆空载合闸时发生的误动。
对于工频变化量阻抗继电器，则可设置一个整定值约为ZN1的工频变化量阻抗继电器，使其与正常整定的工频变化量阻抗继电器相与，如图10所示。
图10 工频变化量阻抗继电器误动解决方案
图10中主要参数定义与图4相同，Zdz为正向区内故障时图1中M侧背后系统的等效阻抗，Zset1为附加阻抗继电器的整定阻抗(与ZN1相近)。通过设置，正方向故障时仍能够保持原来的动作区域，反向超导电缆空载合闸时动作区域会变为位于第一象限的小圆，可有效防止此类误动。
5结语
本文通过理论分析与仿真验证，表明在反方向超导电缆三相同期空载合闸时，常规线路距离保护的姆欧继电器及工频变化量阻抗继电器均有可能发生误动，不能保证保护的方向性。但发生此类误动是有条件的，可在一次系统参数设计时通过考虑误动条件来避免；如未能避免则可采用本文提出的解决方案，理论上可有效防止此类误动。在背后超导电缆三相不同期合闸时，这两种继电器的动作情况如何是进一步研究工作的重点。
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(本文编辑：严加)
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
作者简介：刘海东(1988)，男，硕士，主要研究方向为电力系统继电保护。
中图分类号：TM771
文献标志码：B
文章编号：2095-1256(2016)01-0133-06
收稿日期：2015-11-12
