許繼電氣股份有限公司 熊章學

0 引言

中國電網(wǎng)發(fā)展迅速，已經(jīng)形成了跨度幾千公里的交直流混合互聯(lián)系統(tǒng)、多個數(shù)千瓦規(guī)模的大負荷中心[1-4]。隨著特高壓直流的建設，這一特點將更加突出[5-8]。對于這種遠距離、大容量、交直流混合運行電網(wǎng)，交直流保護的配合對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定有著及其重要的影響。傳統(tǒng)上，交流保護和直流保護均從各自系統(tǒng)及設備的運行特性和故障特點出發(fā)獨立進行整定設置，忽視了兩者的內(nèi)在聯(lián)系[9]。文獻[10-11]分析了一起由于交直流保護配合不當造成直流保護100Hz諧波保護誤動的事故。

交流快速保護拒動或者斷路器失靈時，有可能滿足直流100Hz諧波保護的動作條件造成誤動?？s短失靈保護動作時間可以降低主保護拒動或斷路器失靈時的故障持續(xù)時間，在發(fā)生極端情況下有利于保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性。本文試圖通過一次試驗現(xiàn)象入手，從斷路器失靈保護和100Hz諧波保護的延時定值配合來說明縮短保護動作時間的必要性，提出了具體可行的解決方案，并進行試驗驗證，希望本文對相關從業(yè)人員能提供一定的參考。

1 交流系統(tǒng)開關失靈致100Hz諧波保護動作

2012年7月10日下午8點左右，某系統(tǒng)在進行現(xiàn)場實驗過程中，模擬K1點單相接地故障，保護動作跳開10B2.B和10B2.C，其中10B2.C開關失靈，故障未立即切除，由于斷路器失靈保護未達到延時定值，此時100Hz諧波保護動作，直流系統(tǒng)閉鎖極控。系統(tǒng)主接線圖見圖1。相關保護動作定值如表1所示。

圖1 某系統(tǒng)主接線圖

表1 相關保護動作定值

從定值分析，延時定值不匹配是100Hz諧波保護動作的關鍵。雖然100Hz諧波保護動作符合軟件設計邏輯，卻違背了交流系統(tǒng)故障期間，在確保直流設備安全的前提下直流保護可靠不動作的設計原則。

2 100Hz諧波保護與斷路器失靈保護關聯(lián)性

2.1 直流側100Hz諧波保護產(chǎn)生機理及整定原則

交流系統(tǒng)不對稱故障在交流系統(tǒng)中會產(chǎn)生基波負序電壓，該交流基波負序電壓一方面在交流側產(chǎn)生交流基波負序電流；一方面在直流側產(chǎn)生100Hz諧波電勢，該電勢在直流側生成100Hz諧波電流。文獻[12]給出了對于12脈動換流器，直流側100Hz諧波電壓的幅值計算公式，同時也給出了直流側100Hz諧波電流的幅值計算公式。根據(jù)公式，不難得出：

1）換相角μ對100Hz諧波電壓幅值和100Hz諧波電流幅值影響均不大；

2）從交流側到直流側100Hz諧波電壓幅值是放大的，對于12脈動換流器，約為3.3倍。

3）從交流側到直流側100Hz諧波電流幅值是縮小的，對于12脈動換流器，約為0.55倍。

這說明交流系統(tǒng)故障持續(xù)期間，在直流系統(tǒng)中會產(chǎn)生100Hz諧波分量。100Hz諧波保護保護起動定值由仿真試驗模擬最大工況以及最小工況下交流系統(tǒng)單相金屬性接地故障確定。

依法治水是推進水利科學發(fā)展、加快水利發(fā)展方式轉變的關鍵舉措。2013年，長江委認真履行流域機構水行政管理職責，依法行政，強化指導，不斷強化流域水行政管理。同時，充分發(fā)揮綜合優(yōu)勢，創(chuàng)新服務，全力推動流域重點水利工程建設。

從本次事例可以看出，100Hz諧波保護的動作延時整定過短時，當交流快速保護拒動或者斷路器失靈時，有可能滿足直流100Hz諧波保護的動作條件造成誤動。因此，100Hz諧波保護的時間定值應大于交流系統(tǒng)遠后備保護動作時間，當然，還必須考慮在直流系統(tǒng)可以承受的前提下。

對本次事件來說，只要修改100Hz諧波保護的動作延時，大于0.25s即可，但是，參與試驗的專家希望以此事為基礎，詳細研究一下斷路器失靈保護延時定值，是否有縮短的可能性。如果延時可以縮短，則從根本上縮短了交流故障的持續(xù)時間，將會大大減少交流系統(tǒng)對直流系統(tǒng)的影響。

2.2 斷路器失靈保護啟動條件與整定原則

根據(jù)繼電保護技術規(guī)程GB14285-2006可知，為提高動作可靠性，斷路器失靈保護必須滿足以下條件，方可起動：

1）故障線路或電力設備能瞬時復歸的出口繼電器動作后不返回；

2）斷路器未斷開的判別元件動作后不返回。斷路器失靈保護的判別元件應采用一般應為相電流元件、零序電流元件或負序電流元件。

目前，斷路器失靈保護的動作邏輯如圖2所示。

圖2 斷路器失靈保護動作邏輯

從圖2中可以看出，跳令為外部輸入的條件，斷路器失靈保護本身是不能夠控制的。要適當縮短交流系統(tǒng)故障持續(xù)時間，了解斷路器失靈保護的延時構成是必要的。

2.3 斷路器保護整定延時的組成

圖3 失靈保護延時整定組成因素

其中：A為主保護動作出口時間，約40ms

B為斷路器開斷熄弧時間，約50ms；

C為主保護返回時刻，不大于20ms；

D為失靈保護留有一定的裕度時間。

斷路器失靈保護的動作延時整定一般包括：TSL=B+C+D=70+D，單位ms。

斷路器失靈保護延時整定的原則目前主要考慮躲過一次電流切除后CT二次側的電流拖尾現(xiàn)象，是為了防止誤動而設置的。以前，斷路器失靈保護作為保護的最后防線，主要考慮不能拒動，對于誤動的處理主要是靠增加延時?，F(xiàn)在，隨著特高壓直流的建設，對交流保護的處理要求更加精細化，以減少對直流系統(tǒng)的不必要影響。

3 電流互感器拖尾電流的理論和仿真分析

電流互感器的數(shù)學模型如圖4所示。

圖4 電流互感器數(shù)學模型

其中，R1＋jX1為原繞組的漏阻抗，R2＋jX2為副繞組的漏阻抗，Rm＋jXm為激磁阻抗，Zload為電流互感器所接的負載阻抗。

當設備故障時，繼電保護設備發(fā)出跳閘命令來切除故障，交流斷路器在電流過零熄弧時切斷一次電流回路以消除故障。由圖4可知，此時CT激磁回路、副繞組和負載阻抗仍是閉合回路。由于儲能元件電感的存在，回路中仍有電流存在。這就是所謂的電流互感器的二次拖尾電流。由電路理論可知，放電期間的電流表達式為[13]

其中，I0是斷路器斷開一次電氣設備時的CT副繞組初始電流；為回路中總電感；為回路中總電阻。

回路理論表明，在斷路器斷開后，電流互感器（CT）確實存在電流拖尾現(xiàn)象，即一次設備斷開后，CT二次繞組仍然存在衰減的非周期等電流分量。CT電流拖尾現(xiàn)象的成因是由于一次側斷路器斷開時，CT二次繞組電流此時并不為零，此時激磁繞組、二次繞組和CT所帶二次負荷形成回路并釋放斷路器斷開時儲存在電流回路電感中的能量[12]。

圖5為根據(jù)現(xiàn)場實際情況，通過RTDS模擬的發(fā)生A相接地故障得到的錄波。斷路器失靈保護相啟動電流定值為0.16A，延時聯(lián)跳定值為250ms，失靈保護延時為為250ms。

從圖5可以看到，斷路器跳閘斷開時刻，A相電流軌跡立刻停止增長并開始按指數(shù)規(guī)律衰減，即存在電流拖尾現(xiàn)象。拖尾電流大小軌跡由斷路器斷開時刻的初始電流大小開始并按照一定時間常數(shù)不斷衰減。衰減的時間常數(shù)與CT磁通飽和程度、CT結構和鐵心結構等有關。

從圖5中還可以看到，交流系統(tǒng)故障在母線上產(chǎn)生了負序電壓，該負序電壓是直流線路電流中出現(xiàn)100Hz分量的最主要的原因。當拖尾電流的初始電流越大，衰減時間越長，則斷路器失靈保護的延時越長，越易滿足直流100Hz諧波保護的動作條件。

4 解決方案

由于目前交流開關并不能完全保證在過零點處切除故障，因此故障切除時一次電流往往不為零，另外由于各個CT的二次時間常數(shù)也不完全相同，斷路器失靈保護的有流判據(jù)必須增加相應的算法，對衰減的直流分量進行濾除，以保證斷路器失靈保護時間定值能夠適應電力系統(tǒng)發(fā)展的新要求。

圖5 A相拖尾電流和負序電壓

目前斷路器失靈保護的電流判據(jù)一般為有流門檻，采用全周傅氏算法進行計算。全周傅氏算法雖然對非整數(shù)次的高次諧波有很大的抑制能力，但是其抑制非周期分量的能力較差。采用能有效濾除直流分量的差分全周傅氏算法進行電流計算，并輔之以電壓判據(jù)。邏輯框圖如圖6所示。

只有當線電壓低于定值、負序電壓高于定值、零序電壓高于定值，三個條件中有任一個滿足時，才開放斷路器失靈保護。該方法的優(yōu)點在于可以基本消除電流互感器拖尾現(xiàn)象，有效提高斷路器失靈保護的動作時間。

圖6 斷路器失靈保護修改后的動作邏輯

圖7為改進前后的衰減時間對比。此時，線電壓定值為70V,負序電壓定值為7V，零序電壓定值為4V。表2為算法改進前后的衰減時間比較。

在開關斷開一周波后，負序電壓降至2.2V、零序電壓降至0.9V，小于定值，斷路器失靈保護不開放。

表2 改進前后衰減時間比較

從圖7、表2可以看出，改進后拖尾電流衰減加快，但不能完全消除拖尾電流，只有在電壓判據(jù)的作用下，才能完全避免斷路器失靈保護的誤動。采用該改進方法對于廣泛使用的斷路器失靈保護簡單可行，不需要修改太多的程序，易于推廣。由表2可知，考慮一定裕度，斷路器失靈保護的延時至少可以縮減30ms。

縮短表1所示的延時聯(lián)跳延時、失靈保護延時為220ms,在圖1所示系統(tǒng)重復模擬K1點單相接地故障，保護動作跳開10B2.B和10B2.C，其中10B2.C開關失靈，斷路器失靈保護正確動作，100Hz諧波保護未動作。

圖7 改進前后的衰減時間對比

5 結束語

本文通過分析現(xiàn)場一次試驗結果，詳細地論述了100Hz諧波保護延時定值和斷路器失靈保護延時定值的關系，從解決斷路器失靈保護延時定值入手，從根本上避免交流故障引起的100Hz諧波保護的誤動作，效果反映良好。

[1]王增平,姜憲國,張執(zhí)超,等.智能電網(wǎng)環(huán)境下的繼電保護[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013,2(41):13-18.

[2]王徭.特高壓直流輸電控制與保護技術的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2009,15(37):53-58.

[3]宋國兵,蔡新雷,高淑萍,等.高壓直流輸電線路定位研究綜述 [J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,5(40):133-137.

[4]張紅躍.換流變大差保護勵磁涌流識別的思考[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,20(39):151-154.

[5]張恒旭,李常剛,劉玉田,等.電力系統(tǒng)動態(tài)頻率分析與應用研究綜述[J].電工技術學報,2010,11(25):169-176.

[6]朱星陽,張建華,劉文霞,等.風電并網(wǎng)引起電網(wǎng)電壓波動的評價方法及應用[J].電工技術學報,2013,5(28):88-98.

[7]朱林,段獻忠,蘇盛,等.基于證據(jù)理論的數(shù)字化變電站繼電保護容錯方法[J].電工技術學報,2011,1(26):154-161.

[8]李立涅.直流輸電技術的發(fā)展及其在我國電網(wǎng)中的作用 [J].電力設備,2004,5(11):1-3.

[9]張健康,索南加樂,楊黎明,等.交直流混聯(lián)電網(wǎng)過電壓保護應用分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2011,35(112):95-100.

[10]余江,周紅陽,黃佳胤,等.交流系統(tǒng)故障導致直流線路保護動作的分析[J].南方電網(wǎng)技術,2009,3(3):20-23.

[11]余江,周紅陽,黃佳胤,等.影響直流100Hz諧波保護的交流系統(tǒng)故障范圍分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(3):48-51.

[12]傅闖,饒宏,黎小林.交直流混合電網(wǎng)中直流50Kz和100Hz諧波保護研究[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(12):57-60.

[13]高鵬,高明.電流互感器拖尾電流對斷路器失靈保護的影響[J].廣東電力, 2012(25): 106-109.