西门子及ABB直流线路行波保护对比和改进研究.pdf

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西门子及ABB直流线路行波保护对比和改进研究1 西门子及ABB直流线路行波保护对比和改进研究2 西门子及ABB直流线路行波保护对比和改进研究3 西门子及ABB直流线路行波保护对比和改进研究4 西门子及ABB直流线路行波保护对比和改进研究5 西门子及ABB直流线路行波保护对比和改进研究6
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第43卷第24期2015年12月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl0l_43No.24Dec.16,2015西门子及ABB直流线路行波保护对比和改进研究郑伟,张楠,杨光源(中国南方电网超高压输电公司检修试验中心,广东广州510663)摘要:西门子和ABB的直流线路行波保护方案在国内外应用最为广泛,存在过渡电阻耐受能力低,区内外故障区分度不高等问题。介绍了西门子和ABB行波保护的原理和判据。采用云广特高压直流工程参数搭建跟现场一致的西门子和ABB行波保护模型,通过仿真从过渡电阻、故障距离、区内外故障、线路耦合方面对西门子和ABB行波保护性能进行分析和对比。结果表明,ABB行波保护过渡电阻耐受能力高于西门子行波保护,西门子和ABB行波保护均可以利用变化率判据提高区内外故障的区分度,西门子行波保护可以利用变化量、ABB行波保护可以利用地模波变化率进行故障选线。针对现有行波保护方案存在的缺陷,在现有判据量的基础上提出改进方案。关键词:直流线路;行波保护;西门子;ABB;对比研究;改进方案ComparativeandimprovementinvestigationontheDCtransmissionlinetravelingwaveprotectionsofSiemensandABBZHENGWei,ZHANGNan,YANGGuangyuan(Test&MaintenanceCenter,EHVPowerTransmissionCompanyofCSG,Guangzhou510663,China)Abstract:TheDCtransmissionlinetravelingwaveprotectionschemesofSiemensandABBarethemostwidelyusedathomeandabroadwhichhavelowtransitionresistancetoleranceabilityandinternalandexternalareafaultdistinguishdegree.TheprinciplesandcriteriaoftravelingwaveprotectionofSiemensandABBareintroduced.ThetwoprotectionmodelsarebuiltusingtheYun-GuangUHVDCprojectparameters.Theperformancesofbothprotectionsareanalyzedandcomparedthroughsimulationfromthetransitionresistance,faultdistance,internalandexternalareafault,linecoupling.Theresultsshowthat,thefaultresistanceenduranceabilityofABBprotectionishigherthanthatofSiemens.BothSiemensandABBprotectionsCanincreasethedistinguishdegreeofinternalandexternalareafaultbyusingchangeratecriteria.SiemensprotectionCanusethevariationsforfaultlineselection.ABBprotectionCanusethegroundwavechangerateforfaultlineselection.Aimingattheexistingdefectsoftravelingwaveprotectionschemes,theimprovedschemeisputforwardbasedontheexistingcriteria.Keywords:DCtransmissionline;travelingwaveprotection;Siemens;ABB;comparativeinvestigation;improvedscheme中图分类号:TM770引言根据电磁场理论,电能以波的形式传播。正常运行和发生故障时,输电线路上都存在运动的电压和电流行波。当线路发生故障时,会从故障点产生向两侧以接近光速传播的暂态电流行波和电压行波,而行波信号中包含着丰富的故障信息,对于继电保护来说,充分利用线路故障时产生的暂态故障行波,即行波的故障分量,可构成超高速行波保护,能够满足直流输电线路保护速动性要求。】。目前,在国内外直流输电工程中,西门子公司和ABB公———文章编号:16743415(2015)24014906司的直流线路行波保护方案应用最为广泛[4-51。一般情况下保护定值来自厂家,事故后依据经验进行适当的调整,其性能有待进一步提高,具体表现为过渡电阻耐受能力有限、区内区外故障的区分度不高、故障选线效果不佳J。对西门子及ABB技术路线的直流线路行波保护进行对比研究。介绍西门子及ABB直流线路行波保护的原理和判据,通过仿真从过渡电阻、故障距离、区内外故障、线路耦合等方面对西门子及ABB行波保护性能进行分析和对比J,有助于运行维护人员对现场直流线路行波保护技术的理解,并对直流线路行波保护的改进-150-电力系统保护与控制有一定的参考价值。1西门子及ABB直流线路行波保护判据直流线路发生接地故障时,故障行波向线路两端传播,线路中许多参量会迅速发生变化,例如直流电压下降、整流侧直流电流急剧增大、逆变侧直流电流急剧减小等【】¨J。根据以上所描述的特点,西门子行波保护通过检测电压变化率(d./dt)、电压△变化量()和电流变化量( ̄0--个量来判断线路故障的发生,构成电压行波保护的判据,如式f1所示。d/出>4Au>△f>整流侧)()△f<4(逆变侧)直流线路发生接地故障时,携带故障信息的行波会从故障点向线路两端传播,换流站对极波尸进行检测,通过极波的变化判断线路故障。另一方面,线路故障时两极中性母线的冲击电容器上会分Ⅳ别产生一个冲击电流cl1和ICN2,利用该冲击电流以及两极直流电压量即可构成地模波G,根据地模波的极性就能正确判断出故障极【1。其中,—.UDL,,式中7代表直流线路极波阻抗,IDL和UDL代表直流线路电流和电压,下标i值为1或2,代表极1或极2。Gwav=Z(IEL+ICNI+ICN2)/2一(UDL,+己)2)/2,式中:为直流线路地模波阻抗;IEL为接地极线路电流;ICNI为极1中性母线冲击电流;ICN2为∞极2中性母线冲击电流;£为极1直流线路电压;UDL:为极2直流线路电压。ABB行波保护通过检测极波变化率(dP/dt)、地△模波变化率(dGav/dt)、极波变化量(P)和地模波变△化量(Ga)四个量来判断线路故障的发生,构成极波行波保护的判据,如式(2)所示。2仿真模型>4/dt>4AGwa>4dGw./dt>4直流系统模型采用云广特高压直流工程PSCAD/EMTDC模型。为方便进行对比,采用相同的云广特高压直流工程参数搭建跟现场一致的西门子电压行波保护模型如图1所示,ABB极波行波保护模型如图2所示。图1西门子行波保护模型Fig.1TravelingwaveprotectionmodelofSiemens图2ABB行波保护模型Fig.2TravelingwaveprotectionmodelofABB3西门子及ABB直流线路行波保护性能分析通过仿真从过渡电阻、故障距离、区内外故障、线路耦合等方面对西门子及ABB直流线路行波保护动作性能进行分析和对比。3.1过渡电阻现有行波保护过渡电阻耐受能力不高、直流线路发生高阻接地故障时往往由差动保护动作消除故障,延时较长,给系统安全运行造成不良的影响。西门子及ABB直流线路行波保护过渡电阻耐受能力存在一定的差异。设云广直流线路在2S时刻在中点发生接地故障,过渡电阻取0、100Q和300Q三种情况。录得西门子行波保护判据量如图3所示,ABB行波保护判据量如图4所示,其中横线为保护定值。随着过渡电阻增加,西门子及ABB行波保护各个判据量的幅值随之降低,但并不影响波形。ABB行波保护过渡电阻耐受能力高于西门子行波保护。通过测试获取了西门子和ABB行波保护在不同故障点保护动作的临界过渡电阻,如表l~表4所示。郑伟,等西门子及ABB直流线路行波保护对比和改进研究02Ol00.1o.60.4O.201OO.502.ooo2.00420082.0122.0162.020du/dt百-—.———一~rn{h._.——一一。。n==.:__.2.00020042.0082.0122叭62.020△“20002.0042.00820122.0162.020Ai图3西门子行波保护判据量Fig.3ValuesofSiemenstravelingwaveprotectioncriteria600400200OdP/dt200220042006APdGfm图4ABB行波保护判据量Fig.4ValuesofABBtravelingwaveprotectioncriteria表1整流侧西门子行波保护耐受过渡电阻分析Table1TransitionresistanceanalysisofSiemenstravelingwaveprotectioninrectifierstation故障点临界过渡电阻/整流侧出口线路中点逆变侧出口1575641表2逆变侧西门子行波保护耐受过渡电阻分析Table2TransitionresistanceanalysisofSiemenstravelingwaveprotectionininverterstation故障点临界过渡电阻/Q整流侧出口线路中点逆变侧出口245O59表3整流侧ABB行波保护耐受过渡电阻分析Table3TransitionresistanceanalysisofABBtravelingwaveprotectioninrectifierstation故障点临界过渡电阻整流侧出口线路中点逆变侧出口17314278表4逆变侧ABB行波保护耐受过渡电阻分析Table4TransitionresistanceanalysisofABBtravelingwaveprotectionininverterstation故障点临界过渡电阻/Q整流侧出口线路中点逆变侧出口391O1135由表1~表4可知:离保护测点越远,行波保护临界过渡电阻越低;整流侧行波保护过渡电阻耐受能力高于逆变侧行波保护;ABB行波保护过渡电阻耐受能力高于西门子行波保护。3.2故障距离故障距离对行波保护产生的主要影响是行波在线路传播过程中幅值的衰减以及传播时间的增加。设云广输电线路在2s时刻在线路距整流侧100km、400km、700km(700km相当于云广直流输电线路中点)处发生接地故障,过渡电阻均为100Q。录得西门子行波保护判据量如图5所示,ABB行波保护判据量如图6所示,其中横线为保护定值。随着故障距离的增加,行波的到达时间变晚,行波保护各个判据量幅值降低。0.4O20O6O.402OO.60.4020l00km—=一400km70nkm:_2.0002.0052.0102.0152020du/dt—r二二一』厂鹄二广2.00020052.0102O152.020“A2.0002.00520102.Ol52.020△图5西门子行波保护判据量Fig.5ValuesofSiemenstravelingwaveprotectioncriteria电力系统保护与控制图6ABB行波保护判据量Fig.6ValuesofABBtravelingwaveprotectioncriteria在距离整流侧700km处发生过渡电阻为100Q的接地故障时,西门子行波保护电压变化率、电流变化量判据处在定值附近,未能保证保护可靠动作;ABB行波保护各个判据量均明显高于定值,可以保证保护可靠动作。3.3区内外故障直流线路发生区内区外故障的主要区别在于,当发生区外故障时,故障行波经过平波电抗器和直流滤波器的作用后传播到保护测点。设云广输电线路在2S时刻在线路平波电抗器前后发生故障,为了便于分析,本极线路区内故障时过渡电阻为44Q,本极线路区外故障时为金属性接地(区外故障时的最严重情况)。录得西门子行波保护判据量如图7所示,ABB行波保护判据量如图8所示,其中横线为保护定值。———————一,20002.0052.0102015AM200020052.0102.015△图7西门子行波保护判据量Fig.7ValuesofSiemenstravelingwaveprotectioncriteria200420062008dP{m200420062008dG/df图8ABB行波保护判据量Fig.8ValuesofABBtravelingwaveprotectioncriteria区内故障过渡电阻为44Q时,西门子行波保护无法利用电压变化量和电流变化量区分区内和区外故障,ABB行波保护无法利用极波变化量、地模波变化量区分区内和区外故障。但也可以发现区内和区外故障时,西门子行波保护的电压变化率,ABB行波保护的极波变化率、地模波变化率,特别是波头阶段,还是有很大的差别。这是因为在区外故障时,行波经过了直流滤波器和平波电抗器,导致了行波波头相比区内故障更加的平缓,这种差别主要体现在变化率判据上。西门子行波保护和ABB行波保护均可以利用变化率判据提高区内外故障的区分度。3.4线路耦合由于双极线路同塔并架,会造成线路之间产生耦合,某极线路故障会造成非故障极线路产生电压、电流波动,实际工程运行经验表明可能造成非故障极误动。因此有必要分析线路耦合对行波保护产生的影响。设云广输电线路在2S时刻在正极线路中点发生接地故障,接地电阻88Q,本极测得的西门子行波保护判据量如图9的虚线所示,本极测得的ABB行波保护判据量如图10的虚线所示;云广输电线路在2S时刻在负极线路中点发生金属性接地故障,正极测得的西门子行波保护判据量如图9的实线所示,正极测得的ABB行波保护判据量如图10的实线所示。其中横线为保护定值。对于西门子行波保护,对极故障耦合出来的电压变化率明显大于本极故障,这是由于两极线路中的线模相同,电压变化率主要取决于线模的波头,而本极故障过渡电阻较大,导致本极故障时电压变化率反而变小,因此电压变化率不足以作为故障选O51O郑伟,等西门子及ABB直流线路行波保护对比和改进研究.153.2.00020052.0102.0152020du/dt2.0002005201020152.020Au—辱,。一20002.0052.0l020152.020Ai图9西门子行波保护判据量Fig.9ValuesofSiemenstravelingwaveprotectioncriterial500l0005000—500——:本极故障rI20022.0042006dG}dt图10ABB行波保护判据量Fig.10ValuesofABBtravelingwaveprotectioncriteria线的依据。对极金属性故障耦合出来的电压变化量及电流变化量和本极88Q接地故障的差异较大,可以作为故障选线的依据。对于ABB行波保护,本极和对极故障的情况下,极波变化率、极波变化量和地模波变化量几乎一样,不可以作为故障选线的依据。而地模波变化率的极性相反,可以作为故障选线的依据,具有绝对的选择性。4直流线路行波保护改进方案总体而言,ABB直流线路行波保护方案在耐受过渡电阻、区分本极对极故障等方面优于西门子直流线路行波保护方案。西门子及ABB直流线路行波保护方案存在的一个共同缺陷在于判断一个线路故障的发生需要式(1)或式(2)所有判据量都必须满足,必然降低行波保护的区分度。如图8,区内外故障时,ABB行波保护变化率判据的区分度大,而变化量判据的区分度极小。如图l0,本极对极故障时,ABB行波保护地模波变化率具有绝对的区分度,其他三个判据量没有区分度。鉴于ABB直流线路行波保护方案相比西门子直流线路行波保护方案有一定的优势,在ABB现有判据量的基础上提出改进方案如图11所示。图11直流线路行波保护改进方案Fig.11Improvedschemeoftravelingwaveprotection图11的方案中,采用地模波变化率区分本极对极故障,具有绝对的选择性,在判断发生本极故障后采用极波变化率区分本极线路区内区外故障,提高了过渡电阻耐受能力。5结论通过仿真从过渡电阻、故障距离、区内外故障、线路耦合等方面对西门子及ABB行波保护性能进行分析和对比。结果表明,ABB行波保护过渡电阻耐受能力高于西门子行波保护,西门子及ABB行波保护均可以利用变化率判据提高区内外故障的区分度,西门子行波保护可以利用电压变化量及电流变化量作为故障选线的依据,ABB行波保护可以利用地模波变化率作为故障选线的依据。并针对西门子及ABB直流线路行波保护方案存在的缺陷,在现有判据量的基础上提出改进方案。研究成果有助于运行维护人员对现场直流线路行波保护技术的理解,并对直流线路行波保护的改进有一定的参考价值。o㈨¨o0.154.电力系统保护与控制参考文献[1]叶猛,曹海艳,马国鹏.高压直流输电线路保护分析—[J】.南方电网技术,2008,2(6):4346.YEMeng,CAOHaiyan,MAGuopeng.AnalysisofthelineprotectionforHVDCpowertransmissionsystems[J].—SouthernPowerSystemTechnology,2008,2(6):4346.[2]高本锋,张学伟,刘辛晔,等.高压直流输电保护定值整定流程的研究[J】.电工技术学报,201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