输电网分布电容对负序方向元件的影响及对策研究

2018-03-19国网天津城西供电分公司天津300113

四川电力技术 2018年1期

，， (国网天津城西供电分公司，天津 300113)

0 引言

根据电压等级的不同，电网一般分为配电网和输电网。现阶段研究表明，无论是输电网还是配电网，相与相、相与地之间都存在分布电容。由于配电网电压等级较低，分布电容较小，因此配电网中一般不考虑分布电容的影响。但随着电压等级的升高，分布电容越来越大，分布电容就不能忽略[1]。

经典继电保护原理一般基于工频量，特别是正序工频量。但随着电力网络的不断发展，基于正序量保护存在灵敏度不足问题。因此基于其他序分量的保护得到了大量的应用[2]。

为了增强特高压输电能力，一般在线路上接入串补装置，因此相关学者研究了串补装置对相应保护的影响[3-5]。事实上，特高压本身较大的分布电容，同样会对继电保护产生影响[6]。文献[7]从线路两侧负序电流相位的角度研究了特高压分布电容对负序方向保护的影响，并提出了一种基于精准贝瑞龙模型的解决措施。文献[8]基于仿真验证的手段分析了特高压分布电容对负序方向元件的影响，但并未提出应对措施。

下面从负序方向保护的工作原理出发，详细分析了分布电容对负序方向元件的影响。分析表明，在考虑分布电容的输电网中，随着电压等级的提高，分布电容对负序方向元件的影响就会降低。针对分布电容可能导致负序保护误动的工况，提出了一种基于正序电流幅值变化趋势的解决措施。仿真结果验证了分析结论的正确性。

1 分布电容对负序方向元件的影响机理研究

1.1 负序方向元件工作原理

图1是典型的输电网双端电源系统示意图，其中：EM、EN表示两端系统电动势；ZM2、ZN2分别表示两侧系统的负序阻抗；L表示输电线路；im2、in2、um2、un2分别表示流过M、N两侧保护安装处的负序电流和电压；k表示内部故障；k1表示外部故障。

图1 典型双侧电源系统图

当k点发生故障时，M侧负序电压和电流存在如下关系：

(1)

当k1点发生故障时，M侧负序电压和电流存在如下关系：

(2)

式中，ZL2表示线路L的负序阻抗。

由式(1)、式(2)可以得出M侧在区内、外部故障时电压和电流的相量关系图，如图2所示。图2中，φK表示线路阻抗角，一般约为80°[1]，因此在一般分析中，认为电抗值远大于电阻值，即φK≈90°。

由图2可以看出，内部故障时，保护安装处的负序电压滞后负序电流约90°；而外部故障时，负序电压超前负序电流约90°。考虑测量误差、过渡电阻等因素影响时的负序方向元件的判别式为

(3)

下面将重点分析考虑分布电容时对负序方向保护的影响。

1.2 分布电容对负序方向元件的影响机理

在输电网中，分布电容较大，一般不能忽略，为此将图1中线路L进行T型等值，同时假定线路发生了外部故障，图3给出了在此工况下等效负序网络图，图中：k1表示故障点；C表示分布电容；ic2表示流过分布电容的负序电流；Uk2表示故障点处负序电压源。

由图3可知，对于M侧负序方向元件存在

(4)

显然此时M侧负序方向元件根据式(3)，判为正方向，但对于N侧，存在

图3 负序网络图

(5)

为了便于分析，假定全系统中电抗分量远大于电阻分量，并令1/ωc=Xc，则式(5)进一步化简为

(6)

随着电压等级的升高，分布电容容抗值XC不断下降，此时情形1)更容易满足；但随着电压等级的下降，容抗值XC增大，则情形2)更容易满足。因此在输电网中，电压等级越低，分布电容对负序方向元件的影响就越大。为此需要寻求一种防止负序方向元件误动的措施。

2 基于正序电流幅值变化趋势的预防措施

以图3为例，当发生外部故障(k1)时，线路两侧正序电流之和为流过分布电容的正序电流，即Im1+In1=Ic1(下标1表示正序分量)。但是，由于外部故障造成线路全线电压下降，因此Ic1一般将变小。而发生内部故障(k)时，显然存在Im1+In1=Ic1+Ik1，Ik1表示流过故障k点的正序电流，此时虽然Ic1降低，但由于短路电流的急剧增大，所以Im1+In1的幅值也增大。系统正常运行时，Im1+In1幅值几乎不变，为电容电流。因此可以利用线路两侧保护安装处正序电流幅值之和的变化趋势来识别区内、外部故障：当Im1+In1下降时，即使两侧负序方向元件都判为正方向，保护也不能动作；反之，保护可靠动作。

图4给出了不同工况下保护安装处两侧正序电流幅值之和的变化趋势。由图4可以看出，保护安装处两侧正序电流幅值之和正常运行时不变，内部故障时呈现上升趋势，而外部故障时呈现下降趋势。因此可以利用此特征来进一步区分区内、外故障，确保负序方向保护不误动：当负序方向元件感受到的方向即使都为正方向时，如果两侧正序电流幅值之和呈现降低的趋势，要将负序方向元件退出运行。