高压直流线路低电压保护判据定值调整研究.pdf

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第39卷第9期电力系统保护与控制2011年5月1日’PowerSystemProtectionandControl、b1.39No.9May1.2011高压直流线路低电压保护判据定值调整研究陈锡磊,朱韬析,周浩(1.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;2.南方电网超高压输电公司广州局,广东广州510405)摘要:依托国内某±500kV高压直流输电工程,对直流线路高阻接地故障进行理论建模和PSCAD/EMTDC仿真研究。分析结果表明,在线路低电压保护判据定值固定时,高负荷下的接地阻抗检测范围过小,可能出现保护拒动;低负荷下的接地阻抗检测范围过大,可能出现保护误动。以交流电网的相关规程为参考,提出了改进建议。根据不同负荷状况对线路低电压保护判据定值进行调整,调整的标准是检测出不高于300Q的高阻接地故障。仿真结果证明这样的调整是有效的。关键词:线路高阻接地;直流线路低电压保护;高压直流输电;PSCAD/EMTDCResearchonadjustmentofcriterionsettingsofDClineunder-voltageprotectionCHENXi。lei,ZHUTanxi,ZHOUHao(1.CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.GZBureauofCSGEHVPowerTransmissionCo.,Guangzhou510405,China)Abstract:Basedonadomestic士50OkVHVDCproject,thetheoreticequivalentmodelandPSCAD/EMTDCsimulationofDClinehigh-impedanceearthfaultareevaluated.Theresultsshowthatonconditionoffixedcriterionsettingsoflinelow-voltageprotection,——thedetectedscopeofhighimpedanceistoosmallwhenthesystemoperatingathighload,anditmaycausemisstrip;whenthesystemoperatingatlowload,thescopeistoowide,whichmaycauseprotectionmaloperation.BasedonrelevantstandardofAC-system,thesuggestionofadjustingthecriterionsettingsaccordingtodifferentloadsituationsisproposedandthestandardofadjustmentisthat—theearthfaultwithhighimpedancelessthan300Qshouldbedetected.Simulationresultsshowtheeffectivenessoftheadjustment.Keywords:high-impedanceearthfault;DClineunder-voltageprotection;HVDC;PSCAD/EMTDC中图分类号:TM77文献标识码:A文章编号:1674-3415(2011)09.0125.06O引言高压直流输电(HVDC)具有输送容量大、线路造价低、控制调节性能迅速准确的优点,且采用直流输电联网不增加系统的短路容量,因而被认为是理想的大容量、远距离输电方式,近年来在我国得到快速发展,天广、三常、贵广等多项高压直流输电工程陆续投入运行¨。J。但是,直流输电线路距离较长,跨越地区的情况复杂,容易因雷击、污秽或树木等环境因素而发生接地故障,此时如果不采取措施切除直流电流源,则熄弧是非常困难的,将对一次设备安全运行带来极大危害,并且如果传输功率较低而且不稳定,安稳装置将无法识别出该问题,对整个电网造成较大冲击。因此,在线路瞬时故障后迅速检测到故障、清除故障、恢复送电,最大限度保证直流系统的正常运行,对提高整个电网的安全稳定运行能力具有重大意义【4J。直流线路经阻抗接地时,直流电压将以比较慢的速度下降,目前各直流输电工程中采用的线路故障主保护行波保护和电压突变量保护往往无法检测到此类故障,但由于线路电容放电和定电流控制器的调节作用,将使最终直流电压水平降低,很多直流输电工程中根据这一原理设置了直流低电压保护(27DCL)作为监测直流线路高阻接地故障的主保护【11钔。然而,各直流输电工程中采用的直流低电压保护均采用了固定电压判据,这可能引起直流系统在高负荷时保护拒动,在低负荷下出现保护误动的情况,不利于高阻接地故障的判定。针对这一情况,本文首先结合直流系统发生线路接地故障的等效模型,从理论上分析不同负荷下逆变侧换流器的等值阻抗不同对高阻接地故障判断的影响,然后采用基于实际直流输电工程的PSCAD/EMTDC仿真模型,对于目前线路低电压保护采用固定定值的情况进行了仿真,并提出改进建议,根据不同的系统..126..电力系统保护与控制负荷状况对该判据定值进行调整,以更快速、准确地检测高阻接地故障,为直流线路高阻接地低电压保护的研究提供了有益的参考,对工程现场也具有很大的实际意义。1线路低电压保护介绍线路低电压保护(27DcL)用来检测直流线路上的金属性接地故障和高阻接地故障,动作判据为:<0.5p.u.(1)式中,为整流侧直流线路电压。其整定原理是:当直流线路发生故障时,会造成直流电压无法维持,通过对直流电压的检测,如果发现直流电压持续一定的时间低,同时没有发生交流系统故障、也没有发生换相失败,判断为直流线路故障,动作后果为直流线路故障重启动顺序(DCLineFaultRecoverySequence,DFRS)。该功能主要用于直流架空输电线路瞬时性故障后迅速清除故障、恢复送电,最大限度地确保直流系统的正常运行。在通信正常时,接收对站是否有交流系统故障和换相失败的信号。当通信中断后,如果是单极运行方式,保护动作延时加长,与对站交流故障切除时间配合;如果是双极运行方式,则同时检测另一极直流电压,如果也低说明是交流系统故障,否则为线路故障。线路低电压保护的判断逻辑流程如图1所示。+\N:苎竺!i一卤Y其他保护II其他保护l2直流系统接地故障等效模型直流输电系统的接线方式主要有双极接线方式、单极大地回线方式、单极金属回线方式等。其中双极方式是直流工程普遍采用的接线方式,当采用双极两端中性线接地方式时,就可以将其视为两个独立的单极大地回路方式。为了简化分析,下面以单极大地回线方式为例进行分析,接线如图2所示,并假设接地故障发生在直流线路上任意F点处。图2单极大地方式接线图Fig.2Connectionofmonopolargroundretummode在分析过程中,认为直流侧平波电抗器电感值足够大,使直流电流经过平波电抗器后波形平直,没有纹波;直流线路电阻和故障点接地电阻不考虑环境温度、发热及风力等因素的影响,保持恒定。正常运行时,整流侧可以等效为电压源,其控制方式为定电流控制;而逆变侧可以看作通过调节等值阻抗,实现定电压控制方式,等效模型如图3所示。整流侧至线路F点阻抗R1线路F点至逆变侧阻抗R,图3直流线路接地故障等效模型Fig-3EquivalentmodelofDClinehigh-impedanceearthfault文献[5]对该接地故障建模后,详细分析了故障发展过程,指出了各特征量的变化情况:发生线路接地故障瞬间,整流侧直流电流升高,直流电压降低;逆变侧直流电压和电流都出现一定程度的下降。由于线路低电压保护检测的是整流侧直流电压,故在此主要分析该电压情况::Iz+[足//(R+R2)】}(2)式中,和分别为故障后整流侧直流电压和直流电流。逆变侧等值阻抗R可近似由式(3)估算::(3)P由于可以取为系统额定电压500kv,故逆变侧等值阻抗的大小取决于直流系统输送功率P的大小。根据式(3),其逆变侧等值阻抗尺会随着系统负荷的增大而减小。采用标么值计算,取基准电压为故障前直流系统整流侧电压:陈锡磊,等高压直流线路低电压保护判据定值调整研究Uz=,Z(墨++R)(4)幅波形从上至下依次为整流侧直流电压、直流电流式中,为故障前整流侧直流电流。那么有:和触发角。一zz{R,+[//(R+)】}(Rl++R)垒墨!墨±墨±2±墨!墨±2(5),Z(足++)(++)由于整流侧在定电流控制方式作用下,根据电流的偏差情况,通过增大触发角来迅速将调为厶,因此可认为有,7;又由于线路低电压保护判据定值为O.5p.u.,即当/,=0.5并且满延时条件后,保护将动作,故可在式(5)中令/:O.5,以此来分析达到保护动作定值时,逆变侧等值阻抗与高阻接地的阻抗值尺。之间的关系:0.5:!±墨±±墨±(6)(R】++)(R+Re+)对式(6)进行化简,得到:R:±二鱼±2:。++R,'D2——R+_二!一一2冠+兄(7)置+十通常,高压直流输电线路阻抗(1+2)约为十来欧,而逆变侧等值阻抗高达数百欧至数千欧,故有:’102——R>>兰一一2尺,+R(8)‘‘R++R因此式(7)所表示的接地阻抗R。与线路接地故障位置影响不大,而主要取决于逆变侧等值阻抗尺,并随着的增大而增大。所以,根据理论分析,线路低电压保护判据定值取为0.5p.u.时,随着直流系统负荷的减小,逆变侧等值阻抗增大,所能检测到的最大接地阻抗将增大。3固定定值的仿真分析利用PSCAD/EMTDC程序,建立基于实际控制保护策略的国内某+500kV高压直流输电模型,其中线路低电压保护的动作判据为定值0.5P.U.。由前述讨论知,接地故障位置对计算结果影响很小,故仿真中选取直流线路中点处为接地故障点,故障持续时间5Oms。通过调整该接地电阻的大小,分别计算系统运行于单极900MW、450MW和9OMw三个不同负荷下所能检出的最大接地电阻值。图4 ̄图6所示分别为直流系统处于三个不同负荷运行时线路中点发生接地故障后的波形,其中每以直流系统900MW运行时发生故障为例说明故障发展过程。在该工况下所能检测到的最大接地电阻为150Q,由图4可知在故障发生瞬间整流侧直流电流出现较大过冲,在极控系统定电流控制作用下,整流侧触发角迅速增大;与此同时,整流侧直流电压大幅下降,约30ms后降低到线路低电压保护的启动判据0.5P.U.,满足延时要求(120ms)后,线路低电压保护动作,启动线路重启动,此时约为故障发生后150ms,再经过约150ms的去游离时间后,线路一次全压启动成功,直流系统恢复正常运行。而在直流系统运行于450MW和90MW时,故障发展过程基本与前述情况相似,区别是故障后瞬间整流侧直流电流过冲减小,整流侧直流电压下降速度减慢。图4负荷900删时整流侧故障波形Fig.4Waveforminrectifierundertheloadof900MW图5负荷450删时整流侧故障波形Fig.5Waveforminrectifierundertheloadof450MW..128..电力系统保护与控制图8负荷90Mw时整流侧故障波形Fig.6Waveforminrectifierundertheloadof90MW表1给出了三个不同负荷下,线路低电压保护能检测到的最大接地阻抗值。可以看出,随着直流系统负荷的减小,逆变侧等值阻抗增大,所能检测到的最大接地阻抗也增大,这与上节中理论分析的结果相一致。在单极最小输送功率90MW的工况下,线路低电压保护能检测到的接地阻抗范围很大,达到近1400Q,由于在实际中很难发生1000来欧姆的接地故障,因此如此宽的检测范围并无多大实际意义,反而有可能在某些情况下造成保护误动;在单极满功率900MW的工况下,最大只能检测到l50Q的接地故障,而实际中发生数百欧姆的接地故障也并不少见L7J,因此很有可能在高阻接地故障时发生保护拒动,没有及时清除故障。表1不同负荷时的计算结果Tab.1Resultsunderdifferentloads另一方面,假如直流线路发生200Q的接地故障,在负荷为90Mw的情况下,线路低电压保护能快速动作,清除故障:在负荷为900MW时,将躲过线路低电压保护,最终只能依靠延时更长的线路差动保护动作,或者由其他保护动作,直接闭锁直流系统,从而失去了通过重启动功能使系统从故障中恢复的机会。所以,线路低电压保护判据定值固定,会使系统在不同负荷状况下能检测到的高阻接地范围差距较大,有可能导致在直流系统大负荷时保护发生拒动,在小负荷下保护发生误动。4低电压保护定值调整4.1定值调整原则根据上两节的理论分析与仿真结果,建议按照直流系统不同负荷状况对线路低电压保护的判据定值进行调整。—DL/T55994《220~500kV电网继电保护装置运行整定规程》[15】中规定:对于500kV交流线路,接地故障保护最末一段应以适应300Q短路点接地电阻值的接地故障为整定条件。鉴于目前还没有针对高压直流线路接地故障整定条件的标准,故可以参考该交流电网继电保护规程,建议500kV高压直流输电线路保护也应当检测出不高于300Q的高阻接地故障。根据此建议,调整低电压保护的判据,使其在直流系统不同负荷运行时,均能检测出不高于300Q的高阻接地故障。4.2定值调整结果为详细分析在不同负荷状况下,线路低电压保护定值的调整情况,对直流系统负荷每隔100MW进行一次仿真计算,给出调整后的保护判据定值,如表2所示。仿真中高阻接地故障位置仍位于线路中点,接地电阻值300,故障持续时间250ms。表2调整后的线路低电压保护定值Tab.2TheadjustedcriterionsettingsofDClineunder-voltageprotection从表2可知,当直流系统负荷小于500MW时,每增加100MW负荷,低电压保护判据定值就约增加O.1P.U.,而系统负荷大于500MW后,该定值的增加逐渐减缓,如图7所示,这是因为:在直流系统负荷小于500Mw时,由于逆变侧等值阻抗与接地阻抗300Q相比较大,因此可近似认为故障后系统内大部分电流通过接地电阻入地。这样,每增大100MW负荷(相当于0.2kA电流),整流侧电压定值就约增加0.2kAx300f ̄=60kV,即0.12P.U.,事实.130.电力系统保护与控制4)在直流系统负荷较小时,每增加100Mw负荷,保护定值增加约0.1p.u.;随着负荷的增大,保护定值的增加逐渐减缓。5)根据系统不同负荷调整保护判据,有利于保护在故障后快速、准确动作,并通过线路重启动恢复送电。参考文献[1]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电【M】.北京:电力工业出版社,1982.[2]戴熙杰.直流输电基础[M1.北京:水利电力出版社,1990.[3]赵畹君.高压直流输电技术【M】.北京:中国电力出版社,2004.[4]丁钊,韩伟强.天广直流输电系统双极运行情况总结[J】.电网技术,2003,27(9):49.54.DINGZhao,HANWei-qiang.SummaryofbipolaroperationsituationofTian-GuangDCpowertransmissionsystem[J].PowerSystemTechnology,2003,27(9):49.54.[5]朱韬析,欧开健.高压直流输电系统线路接地故障过程研究[J].广东电力,2008,21(10):53.57.ZHUTao-xi,OUKai-jian.Researchonearthfaultprocessofhigh・・voltagedirect--currenttransmissionlines[J].GuangdongElectricPower,2008,21(10):53.57.[6]刘东,吴泽辉.天广直流线路高阻抗接地故障保护分析[J].南方电网技术研究,2005,l(5):57.60.LIUDONG,WUZe-hui.AnalysisontheTian-GuangDClineprotectionagainsthi一impedancegroundaults[J】.SouthernPowerSystemTechnologyResearch,2005,1(5):57.60.“”[7]黄佳胤,周红阳,余江.3・2l天广直流线路高阻抗接地故障的分析与仿真[J].广东电力,2005,18(11):15-17.HUANGJia-yin,ZHOUHong-yang,YUJiang.Analysis“”andsimulmionon3・21highimpedenceearthfaultofTian-GuangHVDCproject[J].GuangdongElectricPower,2005,18(11):15.i7.[8]朱韬析,彭武.天广主流输电系统线路高阻接地故障研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(23):137.140.ZHUTao-xi,PENGWu.ResearchonhighimpedanceearthfaultofTian-GuangHVDCtransmissionproject[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(23):137.140.[9]田庆,原敏宏,王志平.葛南直流线路高阻接地故障保护分析[J].电力系统及其自动化学报,2008,2O(6):60.63.TIANQing,YUANMin-hong,WANGZhi-ping.AnalysisofGe-Nanlineprotectionagainsthigh-impedancegroundfault[J].ProceedingsoftheCSU.EPSA,2008,20(6):60.63.[10]陶瑜,龙英,韩伟.高压直流输电控制保护技术的发展与现状[J].高电压技术,2004,30(11):8-10.TAOYu,LONGYing,HANWei.StatusanddevelopmentofHVDCcontrolandprotection[J].HighVoltageEngineering,2004,30(11):8-10.[11]高锡明,张鹏,贺智.直流输电线路保护行为分析[J].电力系统自动化,2005,29(14):96.99.GAOXi-ming,ZHANGPeng,HEZhi.AnalysisoftheHVDCDClineprotection[J[.AutomationofElectricPowerSystems.2005,29(14):96-99.[12]艾琳,陈为化.高压直流输电线路保护的探讨[J].继电器,2004,32(4):61.63.AILin.CHENWei-hua.DiscussiononlineprotectionofHVDCtransmissionline[J].Relay,2004,32(4):61-63,[13]NaidooN, 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