高压输电线路差动继电器不平衡差流研究
作者
（宁波电业局慈溪供电局，浙江 慈溪 315300）
摘 要：为了克服高压或特高压线路与地之间存在分布电容引起的电流差动继电器在实际使用中存在不平衡差流的影响，通过实例说明了在线路两侧安装的并联电抗器能够补偿大部分的稳态电容电流使得稳态差流的幅值很小，使得电流差动继电器能够满足灵敏度要求；而对于不稳态差流则分别给出了空载合闸及区外故障的差流波形与频谱。
关键词：差动继电器；不平衡差流；输电线路
中图分类号：TM 文献标识码：A文章编号：1672-3198（2011）01-0294-02
1 稳态不平衡差流
稳态不平衡差流主要是指故障前系统稳态运行时差动继电器测量到的差流，主要是由线路分布电容引起的。特高压线路自然功率大，波阻抗小，单位长度电容大。结合具体的算例对这个问题进行说明。某示范工程中1000kV输电线分为A段和B段，中间用开关站联接，两段的线路参数值并不完全一致，详见下表1。
如果1000kV线路的自然功率达到4079.7MW，自然电流为2355A，而每公里的电容电流则为2.53A，这相当于每100km电容电流约为额定电流的10%。对于1000kV特高压线路，其最佳输电半径在I000km以上，这样线路的电容电流就会超过线路的额定电流，这显然会给电流差动保护的整定带来很大的困难。下面结合具体的算例对这个问题进行说明。
对于图1所示的系统，如果取消安装在MN线路两侧的并联电抗器sl、52，当发生区内AG故障时，差动继电器测量到的a相差动电流经过全波傅氏算法计算出的幅值如图2。由图可知，故障前差动继电器有很大的差流输出，其幅值约为3000A;故障后差动继电器的差流约为2800A，比故障前的差流还要小。图2中的线路只有726km，对于更长的线路，这个问题显然还要更加严重。因此，此时如果不采取任何措施，电流差动继电器的灵敏度无法满足要求。在实际的特高压系统中，为了限制线路过电压，线路的两侧都安装有并联电抗器，并且其补偿度通常比较高，以前述1000kV特高压试验线路为例，其中A段和B段的补偿度分别达到87.35%和86.28%。若线路两侧安装并联电抗器，区内故障时，差动继电器经过全波傅氏算法计算得到的差流幅值如图3所示。由图可知，故障前差动继电器输出的差流很小，其幅值约为130A；而故障后差流幅值约为3000A。由于线路两侧安装的并联电抗器能够补偿大部分的稳态电容电流，因此稳态差流的幅值很小，电流差动继电器能够满足灵敏度要求。
表1 线路参数
2 暂态不平衡差流
暂态不平衡差流主要是指线路空载合闸以及区外故障时，由于线路暂态过程引起的差流。暂态不平衡差流主要是由非周期分量以及各种频率的高次谐波组成的。高压线路分布电容大，分布电感小，电阻小，且线路长，因此在空载合闸时和线路故障时暂态过程明显。此时电流差动继电器输出的差流很大，可能导致保护误动，必须引起注意。
2.1 空载合闸
空載合闸时只有合闸侧有电流，因此一般的比例制动判据不起作用，只能靠电流门槛躲过最大的暂态不平衡差流。图4（a）画出了空载合闸时差流波形，其中曲线1为合闸角为90度，即合闸时刻电压瞬时值为最大值时的差流波形；曲线2为合闸角为0度，即合闸时刻电压瞬时值为0时的差流波形。图4（b）分别画出了两种情况下差流的频谱。由图可知，空载合闸时，差流主要是由非周期分量、基波分量和高频分量组成的。其中高频分量的频率不高，约为2倍频左右，其幅值远大于基波分量。非周期分量的幅值则与合闸角有关，当合闸角为0°时最大，此时差流完全偏向于时间轴的一侧;当合闸角为90度时则为最小值0。高频分量也于合闸角有关，当合闸角为0度时非周期分与高频分量幅值相近，而合闸角为90度时，没有非周期分量，而高频分量幅值则很大。
2.2 区外故障
区外故障时，如果线路两端不带并联电抗器，此时非周期分量是穿越性的，因此差流中没有非周期分量。图5显示出了不带并联电抗器线路区外故障时的瞬时值波形和频谱。由图可知，此时差流主要是由基波分量和由分布电容引起的高频分量组成的，高频分量的幅值要大于基波分量。
对于带并联电抗器的线路，在区外出口故障时，靠近故障侧的并联电抗器会产生一个额外的直流分量。图6显示出了带并联电抗器线路在区外出口故障时的瞬时值波形和频谱，其中曲线1为故障角为90度，即故障点电压瞬时值为最大值；曲线2为故障角为0度，即故障点电压瞬时值为0。由图可知，当故障角为90度时，暂态差流是由基波以及高次谐波构成的，此时高次谐波的幅值远远高于基波的幅值；当故障角为0度时，暂态差流除了包含基波和高次谐波，还含有一个幅值很高的非周期分量，此时基波和高次谐波的幅值都远远小于非周期分量的幅值。
3 结论
由于高压或特高压线路与地之间存在分布电容引起的电流的影响，电流差动继电器在实际使用中存在不平衡差流。对于稳态差流通过实例说明了在线路两侧安装的并联电抗器能够补偿大部分的稳态电容电流使得稳态差流的幅值很小，电流差动继电器能够满足灵敏度要求；而对于不稳态差流则分别介绍了空载合闸及区外故障的差流波形与频谱。这位后续消除这些影响提供了实验依据。
参考文献
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作者 戚正航