电气自动化---超高压串补线路继电保护的研究

来源: 长沙中视澜庭教育咨询有限公司  日期:2018-01-13 15:21:22  点击:191 
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摘要

 
目前我国基本上进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高电压控制的新时代。随着大型复杂互联电网的出现,如何提高输电线路的使用效率成为世界各国研究的重要课题。除进一步论证采用特高压输电方式外,现有交流输电发展的重点已转向采用新技术以提高线路输送能力、提高线路的使用效率和线路走廊利用率等。国内外在这方面采取的措施有:输电线路采用串联电容补偿装置,采用同杆并架双回线输电等,取得了良好的效果。随着这些措施在输电线路上的广泛使用,改变了继电保护的运行环境,给保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性带来了新的问题,同时也给线路继电保护研究带来了新的课题。本文就输电线路采用串联电容补偿装置的继电保护问题进行了研究,提出了适用于串补系统的线路保护的原理和技术。
 
 
关键字:串联补偿;金属压敏电阻;带记忆极化回路的欧姆元件;零序互感耦合
 

1  绪论

 
现代电力系统中其输电系统总的趋势是向着高电压,大输送容量,远距离的方向发展的,我国的煤炭资源大多分散在远离沿海工业中心,而水资源又集中长江,黄河中上游和西南地区,随着国民经济的进一步发展,电力建设成为一个迫在眉睫的先行问题。随着工业区用电负荷的不断增长,和我国的自然条件决定了我国的输电系统必须向着高电压大容量的方向发展

1.1 串补技术简介

在超高压输电线路中,串联补偿能够极大的提高线路的传输功率极限,在当前不断增长的电力负荷的情况下和受到电力建设经济性和技术性等指标的约束下,进一步挖掘提高电力系统输电线路的远距离传输功率能力,就显得格外有实际意义。
串联电容补偿在超高压线路上的应用已经有40多年的历史了,1950年世界上第一个220KV的串补站在瑞典产生并建成投产。1954年开始用语瑞典的400KV电网,1968年用语美国的500KV电网,1989年用语巴西的800KV电网,1992年第一个230KV的可控硅控制的串联补偿电容器在美国投入运行,并且在1993年底又有一座500KV的可控硅控制饿串联补偿电容器在美国投入运行……
根据不完全统计,截止1995年底在世界上220KV上电网投运的串补容量已经有70000Mvar。
其中典型的有美国西海岸的加利福尼亚电力系统,是应用串联补偿技术的最好范例之一,美国是在其500KV的超高压输电线路上用串补电容器补偿了70%的线路电抗。根据这个地区的经验,他是将电容器补偿容量分为2个部分,将各自补偿35%—线路电抗的电容器分别安装在线路的两端。电容器本身采用MOV金属压敏电阻的过压保护,他本身具有灭弧的优点,以提高快速的恢复时间,以防止电容器后短路时的大电流而导致电容器过压而损害,并且金属氧化物MOV还可以在系统故障时的道统而向系统提供有效的阻尼,并且导通的MOV还可以提高继电保护装置动作的可靠性。
另外,还有加拿大Qubec水电局在其735KB的超高压力输电系统的37条线路上都在线路的一侧安装了串补电容器,其各自的补偿从17%到44%之间不等。其投运的容量达到15000MVar。现在这些电力系统都已安全运行多年,这也同时给我们提供了不少宝贵的经验和教训。
我国曾经在六十七年代在西北电力系统中的刘天关330KV的输变电工程中,分别在刘家峡至秦安的275.5KM的线路的末端和秦安至汤屿的285.5KM的线路的末端安装了串补电容装置,其补偿度为30%,也积累了一定的运行经验。
晋苏送电工程是江苏省电力工业“九五”期间的一项重大的电力建设项目,它是在煤炭丰富的山西阳城就地建厂发电,同时通过500KV的输电线路将其发出的电送到能源相对紧缺的江苏地区。
阳城-淮阴的500KV输电工程中,从阳城电厂开始,三回500KV线路至山东东明开关站,经东明开关站,经东明开关站至江苏的三堡开关站为而回路500KV线路,其间的两回线上加串联补偿电容器,其补偿度为40%。从三堡开关站至500KV的淮阴变电所为新建而500KV线路,连同已经建成的徐州至江都的500KV线路并入淮阴变,构成三回路500KV的线路,串联补偿已经在200年后建成投产,将成为我国第一个500KV的串补装置,阳城电厂二期扩建时,阳城至东明的线路上也要装串联补偿电容器。
电力系统中使用了串联补偿电容后,由于串补电容的容抗抵消了输电线路的部分感抗。系统的传输功率极限得到了提高。
 

                                                           
为输电线路的阻抗
系统补偿前的传输功率为:                        (1.1)
系统补偿后的功率为:                          (1.2)
 
故在同一角度的情况下,增加的输送功率倍
          (1.3)
式中,即线路的串补百分度。
由式(3)可见,当串联电容器补偿掉部分线路的电抗后,系统的传输功率极限有很大的提高,并且当即线路的串补百分度越大时,其增加的传输功率也就越多。
同时,由于线路上串联电容器补偿掉部分输电线路电抗后,电气距离就缩短了,电气联系就得到了加强,系统的静态稳定性得到了提高。

1.2 串联补偿装置的介绍.


                       图1-2 串联补偿装置
一般的电容器本身就带有过电压保护装置,以保护电容器在通过大的短路电流时不至于电容器因过压而损坏。传统的用气隙和旁路开关构成的电容器过压保护装置现已渐渐由如图2所示的金属氧化物压敏电阻保护所代替。图2所示的为一典型的串联电容器带过压保护的装置的示意图。他的电容器过压保护装置是由一个金属氧化物压敏电阻MOV,一个放电间隙,一个旁路开关并联于电容器的两侧组成,其中L为阻尼电阻L的电感,其主要作用是在放电间隙导通放电而引起电弧闪络时限制电流的大小。
如果线路上发生短路故障时,由于短路电流很大,这样一来导致电容器两端的电压会升高到一个非常高的电压值上,这样就有可能会发生击穿电容器的危险,这时,MOV就会渐渐导通而显阻性,从而旁路掉部分掉容器的电流,并且随着短路电流的增大而减少,从而将电容器两端的电压限制在一个安全的预定值上。如2倍标幺值上,1倍的标幺值是当电容器流过额定电流时电容器两端的额定电压。由于经济原因,MOV压敏电阻吸收的能量得有个上限值制,以免使压敏电阻因过热而被烧坏。其MOV吸收能量的上限参考相邻给故障线路在最严重的外部故障下所要去三的最大能量而定。以保证发生最严重的外部短路故障时,电容器不至于闪络击穿,从而尽可能地维持和提高系统发生外部故障时的暂态稳定性。
当线路保护范围内发生故障时,由于流经电容器的短路电流很大,随着时间的推移,MOV会因为吸收能量过多而烧坏金属压敏电阻,因而为保护这种情况下的MOV,装置中一般还设有一个MOV能量监测器以实时检测MOV中吸收的能量,一旦发现其吸收的能量越限就会同时出发发电间隙,从而发生间隙电弧闪络,以便转移分散MOV中流过的电流和能量。同理,放电间隙也同样有一个能量上限,以免电弧过大,持续时间过长而烧坏放电间隙,因此还得有一个放电间隙能量实时检测装置,当能量越限就去控制旁路开关,使得旁路开关闭合,整个电容器装置被旁路,以达到保护电容器组在严重的内部故障情况下,不至于发生电容器因过电压而被击穿的事故。
加上MOV以后的一个重要优点是其具有极短的故障后恢复时间,即再投入工作时间。这对于当在相邻线路发生故障时,非故障相线路上电容器的保护具有非常重要的意义。在只有气隙保护时,即使在相邻线路发生故障时,非故障线路上的电容器过压保护装置也发生动作,其气隙会有电弧放电产生。这样一来,在发生故障期间实际上电容器是被旁路在外的,并且即使在外部线路故障清楚后,电容器也不能立刻投入运行,还得有一个旁路开关去强行的闭合旁路掉电容器一段时间,以改变气隙的状态,以灭掉电弧闪络,然后电容器才能投入运行,这样的话,在发生短路后鼓掌期间线路的阻抗会突然增大,因而在故障期间不能利用串联电容器的补偿作用,这对维护系统的暂态稳定性是非常不利的。而对于MOV金属压敏元件而言,打边鼓外部故障切除后,其电容器两端的电压也随之消失,则压敏电阻的阻抗值就会变的很大很大,实际上就立刻停止导通了,因而MOV元件构成的电容器过呀保护能够在故障切除后,尽快的恢复串联电容的作用,从而提高了系统的暂态的稳定性,并且即使在故障期间它也不是将电容器旁路在外,而是成为电容器-电阻的并联等小电路。对于维护鼓掌期间系统的稳定性是非常有益的。

1.3 串补带来的问题和本文所要做的一些工作

串联补偿带来了许多好处,在节约了线路建设的资金基础上,提高了输电线路的传输功率极限,提高了系统的稳定性,但同时也给系统本身和继电保护带来了一系列的问题。
    第一,系统装装上串联补偿电容器后,使得系统发生同步发电机次同步震荡的和轴系扭振的危险性进一步增加。1970年和1971年美国Mohave发电厂的790MW发电机组由于系统中采用了70%的串联补偿,产生了次同步震荡,早成了发电机的两大轴两次被严重损坏,这种情况在进行设计时就应该充分的考虑到。
第二,同步机在欠励甚至无励的情况下串联电容器后发生短路时,只有转子有剩磁,就会有可能在电容电流的助增下,电流电压自发的增大,从而引起发电机的过电压和过电流,这种现象叫做自励现象。
第三,电压反相问题,在靠近电容器发生故障时,电压将发生反相,即从保护电压源到故障处的感抗小于容抗时,就会导致电压源将从正常状态转变近180度,而以往的单纯的距离保护元件由于是适应于感抗系统设计的,电压的反相将要影响元件的特性。
第四,电流反向问题,有两种情况下会发生电流反向的现象。其一,在串补的线路上发生短路时,尤其是在线路电容器出口短路时,当串补电容的容抗大于故障环路的电源和线路的感抗之和时,使得系统阻抗呈容性,这时将是继电保护工作最恶劣的情况。其二,在双回线串补电容的系统中,即使总感抗大于总容抗的情况下,由于线路两侧的短路器非同期切除平行线上的故障,会引起非故障线路上的电流反相,从而引起保护发生误动。
第五,在串补线路上,正向经串补电容器发生短路时会出现拒动的情况,而反向经电容器发生背后短路时会出现误动的情况。这给保护的正确动作提出了更高的要求。
第六,电容器本身的存在破坏了输电线路的均匀性,给保护也提出了较高的要求,在串补线路上当在电容器背后发生短路时,继电器的测量阻抗会突然变小,当线路的对端装有串补电容时,为躲相邻下一级线路出口短路,本端的距离保护范围将大大缩小,使之在保护整定配合上存在很大的困难,段与段之见的配合就越发显得重要了。
第七,为了保护电容器不因过压损坏,过压保护装置会在一定的情况下保护间隙闪络,从而旁路掉电容器,这样就相当于没有串补的输电线路了,故距离保护必须能同时适应串补电容存在和击穿的两种情况。
第八,PT的安装位置对保护正确探测电容器后短路故障有着机器重要的意义,具体是采用线路侧电压源还是串联电容器母线侧的电压,二者互有利弊,必须综合考虑。
2,本文所做的一些工作
第一,分析了短路后出现的高频暂态分量、非周期分量和低频暂态分量以及各自的衰减时间常数等一系列的问题
第二,着重分析了高频暂态分量和低频暂态分量对保护的影响,并提出了响应的解决方法。
第三,研究了电压反相和电流反相的出现原因,并提出了预防和改进的措施。
第四,对同杆塔的双回线带串补电容器的线路上,在考虑到互感耦合的基础上,对双回线各种不同的运行方式以及可能发生的故障作了个综合性的研究,并且提出了双回线上保护整定范围的整定策略,并且对相邻级保护的整定配合作了一定的研究。

结   论

在超高压输电线路中,为了提高输电系统的容量一般在线路当中加上串联补偿电容器,本论文分析了线路上串联电容后,对继电保护的影响,特别是对距离保护的影响展开了详尽的讨论,也举例分析了对工频变化量继电器的影响。
纵观全文,得出主要结论如下:
(1) 分析了各种分量对继电保护的影响,以及我们得到的策略。
(2) 对于电压反向问题,我们通过巨大加大记忆极化贿赂的记忆时间或者采用交叉极化的方式来予以解决保护拒动的问题,对电流反向问题而言,在单线路上由于而造成的电流反向问题,我们一方面在设计系统结果时就应该尽量避免这种情况的发生;另一方面,MOV金属氧化压敏电阻会在短路的瞬间而导通,从而使得电容器组的等小容抗进一步减小直至旁路开去。根据治疗显示认为:从故障录波的暂态波形来看,串补线路电流反相并不是瞬间完成的,一般的要40ms之后才能发生,其间可以利用保护的速动性来切除故障,从而防止电流反相的发生。
(3) 对于双回线线路带串补电容的系统而言,由于线路两侧的断路器非同期动作切除平行线上的故障而引起的非故障线路上的电流反相问题,我们可以在双回线线路上的保护加上一个当故障电流反相时的闭锁功能即可。
(4) 通过对MOV过压保护装置的导通后对距离保护影响的分析和串联补偿对接地距离继电器影响的分析之后,在对比的情况下可得出结论:在背后阻抗的情况下,PT安装在电容器后线路侧,而CT安装在母线侧,是个比较适应于串补线路的保护配置方法。
(5) 本文也分析了在带串联补偿电容器的双回线路上,由于互感耦合以及串联补偿电容器的影响使得对接地距离保护产生的具体影响。在充分考虑到不同运行方式的情况下以及可能发生的故障情况对保护影响,对保护做了一个综合的研究,并提出了欠范围时和过范围时的整定对策。
 

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