用于1000 kV特高压输电线路的距离保护继电器外文翻译资料

用于1000 kV特高压输电线路的距离保护继电器

摘要：传统的距离保护继电器采用传输线路的集中参数模型。 对于1000kV的UHV线路大的分布电容，这种简化的线路模型是不够的，并且可能导致继电器的故障，由于阻抗测量中存在大的误差。 本文提出了一种新的线路模型的距离继电器和可靠的故障阻抗测量和继电器设置的程序。它描述了用于目前在中国正在建造的645公里1000kV特高压输电线路（包括并联电抗器补偿）的继电保护装置的配置建议。在RTDS（实时动态系统）上进行测试以评估继电器性能，与更传统的距离继电器相比显示出显着的改进。 新的距离继电器显示满足1000 kV特高压输电线路保护的要求。

关键词 距离继电器，保护，传输线等效，1000kV特高压传输线

一 介绍

自从1969年洛克菲勒等的开创性工作[1]以来，微处理器距离继电器已广泛应用于输电线路。距离继电器使用测量的本地电压和电流计算故障的阻抗。计算已在差分方程[2]，[3]或使用傅立叶算法获得的相量进行[4]，[5]。还提出了利用行波组件实现超高速保护的方法[6，7]，而它们的性能需要进一步评估，并在必要时改进[8]。要设置距离继电器，需要确定其设置的范围。距离继电器的目的不是定位故障，而是确定故障是在预期保护区内还是外。对于距离保护一段，通常期望其阻抗的瞬态测量误差在其设置的范围内小于5％。因此，线模型的精度对于距离继电器也是重要的，尽管其与故障定位装置不同。模型精度（如阻抗计算）对于接近保护区边界的故障尤其重要，特别是对于一段保护。传统的距离继电器通常采用集中参数线模型，并且总线阻抗基本上是阻抗百分比乘以长度。由继电器捕获的故障阻抗也基于这样的简化模型进行解释。集中参数线模型在许多情况下已经足够，但是其适用性对于长的UHV传输线是可疑的，其中分布式分流电容可能导致大的误差，降低继电器性能。 1000 kV特高压输电线路的总长度通常超过600公里。为了增加自然功率以及限制导体表面的电场强度和电晕损耗，线路设计通常会降低特性阻抗，有意增加分布式分流电容[9]，[10]。因此，在距离中继方案中将需要更准确的模型而不是UHV传输线的集中参数表示。

本文提出了一种基于稳态传输线方程的分布参数线模型，与集中参数模型进行比较。 所提出的模型被集中到距离中继方案中，直接指示故障是在保护区内还是在保护区外。 实验测试在RTDS（实时动态系统）上进行，其实际上模拟了中国目前正在构建的645km，1000kVUHV传输线。 结果表明集中参数模型关于故障距离估计的误差高达17%，而建议的线模型相关的误差只有大约3％，远低于相应的中国规定设置的5％限制[13]。 使用所述线路模型开发的距离继电器，之前已经采用了这些保护方案，以包括在实际保护策略中。

基于稳态传输线方程的这种模型的先决条件是线主要均匀分布。 最初，人们担心整个地理范围内的地电阻率的变化，这将影响在涉及零相序电流的任何不对称故障期间继电器的性能。巧合的是，在中国开发的所有1000 kVUHV输电线路，尽管这将略微增加正常操作期间的循环电流损耗，但是这种方法需要在整个塔中进行固体地接地。 总的接地电阻应该是5 [10]。在这种情况下，我们可以忽略沿着线路长度的地电阻率的变化。 对偶数传输线假设的不连续的唯一主要原因是开关站的存在打开了可以安装的反应器。这在本文中被考虑。

图1 均匀传输线上的任意两点

本文的其余部分安排如下。 第二节描述了用于在断路器中损坏的故障阻抗。这些阻抗由测量的电压和电流导出，可以线性地表示对称或不对称故障的距离; 由分布式分流电容引起的非线性关系以定义的阻抗的方式得到补偿。 在第三节中提出了阻抗的实际计算方法，以避免任何数值迭代并允许实时计算。 第四节比较了提出的遗传距离继电器的偏差。 故障路径电阻和负载电流的影响在第五节中分析。在第六节中描述了关于分流反应器补偿的传输的实际应用。最后，第VII节展示了RTDS的实验结果，模拟了645公里，1000千伏，特高压传输线。

二基于距离保护的线路模型

三相传输线的两个任意点处的基波电压和电流之间的稳态关系可以根据传输线方程[14]在双曲线函数中表示。 图1表示线段; 线段两端的电压和电流的基波相量表示为Um，Un，Im和In

其中Z是传输线的特性阻抗，gamma;传播常数，l是m和n之间的长度。

如果在计算中使用适当的特性阻抗和传播常数，则可以将相同的关系应用于电压和电流的正，负和零相序分量。 正序和负序参数通常相等。 在下面的描述中，下标“1”，“2”和“0”与变量一起使用，以分别表示它是正相序，负相或零相序：

上述计算固有地包括沿着传输线的分布式电容电流。 可以从序列组分获得的电流和电压的相位数量（a，borc）。两相数量和序列组分以基频的相量表示。 对于当前作为示例，这在下面给出了运算符a=e^j2pi;/3

在末端n，我们可以测量线路电压，其是相应的相电压之间的差; 该线路电压表示为V_nphi;phi;（phi;phi;=ab，bc，ca）。 我们还可以人为地定义被测量为相电流之间的差的电流; 这被表示为I_nphi;phi;。 这种电压和电流不包含任何串联组分。 因此，当它们从n传播到端m时，相应的量可以计算如下：

对于在末端n处的固相到相位故障，U_nphi;phi;=0,然后，

结果，类似于传统阻抗继电器中定义的相位失谐阻抗m，如下所示。 显然，可以从测量计算出的阻抗根据线性的双曲线函数和大的传播常数或分布电容的距离和传输线的长度的非线性不成比例而改变到故障（根据情况）。

首先介绍以下两个系数，以得出单相对地故障的待测量的阻抗，可以扩展到三相故障：

在末端n的单相接地故障期间，故障相的电压为U=U_nphi;1 U_nphi;2 U_nphi;0=0。 随着每个分量从n向端m传播，在末端m处测量的相应相电压为

其中使用零相序电压获得的，而不是指代正向的正序的电流，而是指相同的网络。

在末端m处测量的故障相的电流为

其中Irsquo;_mphi;0是虚拟电流，因为零相序电流，并且端n处的电压通过正向而非零相序序列网络称为端m。 那是

根据传输线方程，U_nphi;0也可以作为端m计算端n的零相序电压。 或者，它可以衍生自（18）和（20）。 然后获得以下关系：

因此

从 (17), (19),和(23)，可得

然后可以定义在与故障（端点n）和测量点（末端m）之间的距离有关的电压和目标信号之间的可测量比。在传统阻抗继电器中使用的阻抗也类似于下面给出：

显然，由（14）和（27）定义的阻抗可以用于使距离继电器动作。在故障之前，测量的负载阻抗很大。在故障期间，阻抗将显着下降。故障点越接近测量点，测量到的阻抗越低。故障点阻抗的精确测量对于区分内部和外部故障对于期望的保护区是必要的。对于相对较短的传输线。因此，测量的阻抗将线性地指示故障距离。然而，在1000kV-kVUHV传输线上，通常将显示出显着的分布参数效应，对应于（14）和（27）中的双曲线函数的线性特性。有必要求解方程式以设定距离继电器。为了模拟传统继电器，定义与故障距离成比例的Bergeron阻抗来驱动继电器。等式（28）和（29）分别对应于相间和相对地元件

图2 k（l）的振幅

图3 k（l）的相位角

其中Z₁(Omega;/km)是传输线路的的单位阻抗（km）。phi;phi;可以表示ab，bc或ca，同时可以表示相a，b或c。 在固体故障期间，（28）或（29）或两者将给出每相阻抗值乘以从测量点到故障的距离; 其用于距离继电器中。 标准的反向双折射函数可以存储到微处理器中。

三 K1和K2的值的选择

系数K₁和K₂定义在（15）和（16）中; K_U和K₁是从它们导出的。 这些系数用于涉及零序的不对称故障的故障阻抗计算。 由于系数取决于故障（端点n）和测量点（端点m）之间的未知距离，当计算故障阻抗以确定距离时，它们的值是未知的。 原理上，可以开发一个迭代算法来解决这个问题，这将无论如何是计算上的。这篇论文提出一个近似的方法，假设K₁和K₂都是常数。为了确定这些值，这说明K₁和K₂对于距离的偏差。

1. 中国1000 kV特高压输电线路的零和正相序传播常数为[13]，相对于从10到1000 km的长度l计算的K₁和K₂，如图2-5所示。如图3和5所示，对于K₁和K₂，相位角几乎恒定（0弧度），因此可以使用实数来表示。 幅度单调地变化。

图4 k（l）的振幅

图5 k（l）的相位角

我们然后建议对于给定的传输线，可以根据已知的总（最大）长度来确定K₁和K₂。在这样做之后，对于线路长度内的内部故障，选择的K1和K2的值然后太高。 K_U和K₁因此很高。不考虑故障前负载流，可以表明在单相地面故障期间，U_mphi;和U_mphi;0近似为零，而I_mphi;和I_mphi;0大致同相。参考（27），K_U和K₁的增加的值将使得计算的阻抗变低，以确保继电器将被激活，这是内部故障的期望结果。类似地，对于超出预期保护区的故障，实际故障距离长于选择计算系数值的长度。因此，所计算的故障阻抗趋于过高，阻止继电器被激活。这也是在这种不同情况下的期望结果。可以包括使用总长度或最大线路长度计算系数，增加了围绕保护区边界的距离继电器的操作灵敏度。在第一条中国1000kVUHV传输线为645km，我们选择K₁ = 1.2和K₂ = 0.75。

四 与传统距离继电器的比较

在传统的距离延迟中忽略分布式传输线电容。通常假设故障距离与从中继点处的测量电压和电流计算出的阻抗成比例。 事实上，存在电容，因此所获得的阻抗实际上将偏离关于故障距离的所述比例关系。这将导致继电器的性能降低。

相比之下，（28）和（29）中定义的Bergeron阻抗补偿了并联电容的影响。 因此在故障距离和所测量的或计算的阻抗之间建立了比例关系。假设线路的导纳（每单位长度）为零，则Bergeron阻抗可以减小到在传统距离继电器中使用的阻抗。 在这种情况下，传输线用集总参数表示。相应的传播因子gamma;₀和gamma;₁都为零，因此系数K₁和K₂都是单位1。

图6 阻抗和故障距离之间的关系

图6示出了针对单相接地故障时的阻抗获得的电阻和无功部分的变化。在传统的距离继电器中计算的忽略并联电容计算的阻抗以实线示出，而在本方案中计算的阻抗包括并联电容（未示出）。 Itisclear认为，当故障距离和电容的影响不可忽略时，这两种方案给出大致相同的结果。随着长度增加，本方案继续显示几乎线性的阻抗响应，但是传统的距离继电器产生的电阻和电抗显着高于由早先的线性关系所预测的电阻和电抗。在物理上，这是由于串联电感和线路的并联电容之间的电流消除效应，其未被补偿。换句话说，在传统距离继电器中测量的故障电流包括与电感分量异相的电容分量。因此，使用降低的总电流计算的阻抗高于用于确定继电器输出的串联阻抗。计算的阻抗通常由电抗决定，如图6所示。给定故障点，传统的中继方案倾向于指示较大的故障阻抗，这意味着保护区边界附近的内部故障可能被误判为外部。图6还示出了与在计算中已知的实际总串联阻抗相比，在估计故障距离中的相对误差。考虑到传统距离继电器中的反应误差可以高达17％，而如本文所述的补偿方案中的相应误差被限制在600公里1000kV特高压输电线路的3％以内。

所提出的方案中的误差是由于近似使得不等式K1和K2。参考图5，这些被设置为K1 = 1和K2 = 0.741。 这些是根据零故障距离设置的。 这就是为什么在图6中，由所提出的方案产生的电抗的误差最初为零，并且当故障距离接近600km时增加到3％。 根据上一节中提出的参数，如果K1和K2适当地增加，则可以降低误差。 最大误差为3％，这已经是可接受的，这意味着所提出的方案确实对系数不敏感。

图7 带路径电阻传输线故障

五 故障路径电阻和负载电流的影响

故障前负载电流和故障路径电阻的影响是两个相关的问题。如图1所示，对于没有路径电阻的末端n处的固体故障，负载电流对安装距离继电器的末端m处测量的Bergeron阻抗根本没有影响。 这是因为在这种情况下已知故障点的电压，并且负载电流也满足（1），因此已经被考虑。 使用在端m测量的包括负载电流的电流来计算表达式（14）和（27）。 然而，这些方程中的结果仅取决于故障距离。 因此，（28）和（29）中定义的Bergeron阻抗不受负载电流的影响。

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