带串联电抗器输电线路距离保护整定改进方法

朱晓彤， 陆金凤， 谢 华， 赵青春， 王 忠

(南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京 211102)

0 引言

随着电网规模的不断扩大和直流换流站的不断接入，短路电流超标已成为影响电力系统安全稳定运行的关键问题。为限制短路电流，避免对断路器进行大量更换，可以在输电线路上安装串联电抗器[1-3]。

输电线路上安装串联电抗器，将改变原线路的阻抗特性，对输电线路继电保护尤其是距离保护将产生很大的影响。国内外学者针对带串联电抗器的输电线路距离保护开展了大量研究[4-11]，取得了一些有益效果。文献[4]在距离保护原整定值的基础上，叠加串联电抗器的阻抗，但此方法只适用于相间距离继电器，不适用于接地距离继电器。文献[5—7]重新推导了带串联电抗器的输电线路接地距离继电器的计算电压和计算电流的表达式，但这在实际应用中需要重新编写保护装置的内部代码，实现起来较为麻烦。

本文从输电线路距离保护最基本原理出发，提出一种带串联电抗器的输电线路距离保护整定改进方法。该算法重新整定距离继电器阻抗定值和输电线路零序补偿系数，无需改变距离保护算法的代码。电磁暂态仿真软件(EMTDC)仿真结果验证了本文所提出的距离保护算法在带串联电抗器的输电线路上的可靠性和灵敏性。

1 串联电抗器对距离保护的影响

如图1所示，当输电线路距离保护的继电器安装在串联电抗器的上游时，阻抗继电器的测量阻抗不再只是故障点到继电器安装点的线路阻抗。

图1 输电线路故障网络图Fig.1 Transmission line fault network diagram

考虑输电线路上发生短路故障的两种极端情况。图2中，Zk1是在串联电抗器出口处k1点发生短路时的测量阻抗；Zk2是在输电线路距离保护Ⅰ段末端k2点发生短路时的测量阻抗；ZCK为串联电抗器阻抗；Zzd,Ⅰ为不带串联电抗器的输电线路距离保护Ⅰ段整定阻抗定值[11-12]。

串联电抗器的接入，使得输电线路距离保护的测量阻抗增大，距离保护容易拒动，必须重新整定保护定值。

图2 输电线路阻抗圆Fig.2 Transmission line impedance circle

以图1所示网络中k点发生短路故障时的情况为例。按照对称分量法，可以求出M母线各相的电压为：

(1)

(2)

(3)

2 带串联电抗器的距离保护

2.1 零序电流补偿系数的整定

为使串联电抗器接入后，输电线路距离保护的测量阻抗仍有明确的物理意义，这里重新定义零序电流补偿系数。

(4)

式中：K′为带串联电抗器的零序电流补偿系数，K′=(z0-z1)Lk/3(z1Lk+ZCK)；Lk为故障点到保护安装处的长度。

(5)

(6)

此时测量阻抗反映的是保护安装处到故障点之间的真实阻抗。

K′也不是常数，故障点位置距保护安装处越远，K′越大。本文将故障点位于输电线路末端时的零序电流补偿系数K′作为整定值，如此做的原因将在下文结合距离保护阻抗定值的整定进行说明。即Lk为线路全长LM-N，零序补偿系数整定值为：

(7)

2.2 接地距离保护阻抗定值的整定

距离保护Ⅰ段为无延时的速动段。输电线路接入串联电抗器后，应尽可能保证距离保护Ⅰ段的保护范围不变。输电线路距离保护Ⅰ段末端k2点发生A相接地短路时，有：

(8)

(9)

(10)

式中：LM-k2为接地距离保护Ⅰ段保护范围长度。

距离保护Ⅱ段应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。不带串联电抗器的接地距离保护Ⅱ段灵敏度系数满足：

(11)

式中：Zzd,Ⅱ为不带串联电抗器的接地距离保护Ⅱ段阻抗定值；ZM-N为线路总阻抗。

(12)

距离保护Ⅲ段需要作为本线路Ⅰ、Ⅱ段保护的近后备，按本线路末端短路校验，应满足：

(13)

(14)

2.3 相间距离保护阻抗定值的整定

(15)

(16)

带串联电抗器的输电线路相间距离保护仍与零序补偿系数无关。则根据之前的分析，可以按式(16)整定相间距离保护阻抗定值，时间定值不变。

综上所述，带串联电抗器的输电线路距离保护按式(7)整定零序补偿系数，按式(10)、(12)、(14)、(16)整定阻抗定值，时间定值不变。

3 仿真验证

基于EMTDC搭建了如图1所示的750 kV输电线路仿真模型。线路长度为58.4 km，故障点位置可调。仿真系统PT变比为765 kV/100 V，CT变比为2500 A/1 A。串联电抗器电阻为0，电感为30 Ω，如表1所示。

表1 仿真系统线路参数Tab.1 Simulation system line parameterTable

根据前面的理论分析重新整定距离保护相关定值，如表2所示。

表2 保护定值单Tab.2 Protection settingTable

图3 线路短路故障测量阻抗Fig.3 Measurement impedance for short circuit

线路中接入串联电抗器后，若不重新整定距离保护定值，即使故障发生在线路中点处，接地距离测量阻抗和相间距离测量阻抗均位于距离保护Ⅰ段阻抗圆外，甚至位于距离保护Ⅲ段阻抗圆外，距离保护拒动。

按照本文理论分析重新整定距离保护定值后：当故障发生在线路中点处时，接地距离测量阻抗和相间距离测量阻抗均位于距离保护Ⅰ段阻抗圆内，距离保护可靠动作；当故障发生在距首端70%处时，接地距离测量阻抗和相间距离测量阻抗均落在距离保护Ⅰ段阻抗圆的圆周上，从而验证了本文提出的带串联电抗器的输电线路距离保护改进算法不改变距离保护Ⅰ段的保护范围，即距离保护Ⅰ段不会拒动，也不会误动；当故障发生在线路末端时，接地距离测量阻抗和相间距离测量阻抗均落在距离保护Ⅰ段阻抗圆外，Ⅱ段阻抗圆内，距离保护Ⅰ段可靠不动作，距离保护Ⅱ段和距离保护Ⅲ段可靠动作，且具有足够的灵敏性。

EMTDC仿真验证总体结论如下：输电线路接入串联电抗器后，若不重新整定距离保护定值，距离保护极有可能会发生拒动。根据本文理论方法重新整定零序电流补偿系数和距离保护定值，可保证距离Ⅰ段保护范围不变，不拒动不误动，也可保证距离Ⅱ段和距离Ⅲ段的保护灵敏性。

4 结语

综合串联电抗器阻抗和输电线路全长阻抗，重新整定零序电流补偿系数。在输电线路原阻抗定值的基础上，综合串联电抗器阻抗和零序电流补偿系数，重新整定接地距离Ⅰ段保护定值； 综合串联电抗器阻抗和灵敏度系数，重新整定接地距离Ⅱ段、Ⅲ段保护定值和相间距离Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段保护定值。带串联电抗器的输电线路距离保护改进算法可以保证距离Ⅰ段保护的可靠性以及距离Ⅱ段、Ⅲ段保护的灵敏性。四边形等其他特性阻抗继电器在实际工程中应用较少，且各厂家实现原理和定值整定原则不同，本文未涉及。后续将针对串联电抗器对其他特性阻抗继电器的影响做进一步研究。