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含闭环网络的部分同塔双回输电线路故障分析与保护策略研究

时间:2017-04-06 21:04来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程论文,本文针对考虑环网影响的部分同塔双回输电线路的故障分析计算方法、零序电流保护和接地距离保护进行深入的研究。
第一章 绪 论
 
1.1  研究背景 
近年来,为适应经济的高速发展,电力工业作为国民经济的发展基础也取得了巨大的发展,电能来源、输电方式和电网结构等方面发生了巨大革新。而与此同时,由于土地资源短缺和拆迁费用巨大等因素的制约,输电线路走廊资源变得愈发紧张,这对电网的建设提出了严峻的挑战。因此如何能在满足用电需求增长和电力系统安全稳定运行的前提下提升单位面积输电走廊的输电能力,降低电力建设成本,成为国内外电力行业的共同目标和发展方向[1~3]。 由于同塔多回输电技术是在同一杆塔上架设多回输电线路,故输送相同功率所占用土地面积较少,能够充分利用有限的输电走廊资源。此外,同塔线路还具有建设速度快,工程造价低等优点,符合现代电力系统高供电可靠性、低成本投入和大输送容量的发展趋势。因此,同塔多回输电技术在工程上的应用日益广泛[4-6]。 国外对同塔多回输电技术的研究较早,自二十世纪六十年代,德国、法国、日本等国在线路紧凑化发面做了大量的工作,并开始采用同塔多回输电技术架设线路。到目前为止,德国已有 220k V 和 400k V 同塔多回输电线路超过 2.7 万公里,且德国政府现规定所有新建线路必须采用同塔多回输电技术;法国 400k V 输电线路中 92%以上为同塔双回线路;日本是亚洲最早同时也是最多使用同塔多回输电的国家,110k V 以上线路多为4 回,同一杆塔上架设 500k V 和 275k V 各两回的情况十分普遍[7]。我国于 1980 年开始发展同塔多回输电技术,现有 220k V 输电线路基本采用双回或四回同塔架设,在西电东送与三峡等国家工程中,500k V 的同塔双回架设已被广泛采用。在负荷较为集中、人口密度较大的珠三角和长三角等地,同塔多回输电技术的采用已成为电网建设的必然趋势。 
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1.2  同塔多回输电线路故障分析的研究现状
输电线路承担着输送电能的重要任务,国内外都出现过由于输电线路故障而导致生命财产安全巨大损失的事故。输电线路安全稳定运行对电力系统的可靠安全、经济运行和国民经济平稳高速发展均起到重要的作用。因此,当输电线路发生故障后,需依靠继电保护迅速而有选择地识别并切除故障。而继电保护可否得以正常运行,与其保护原理和定值整定有着十分密切的关系。故障分析则是继电保护原理设计及整定等工作的重要基础,因此研究输电线路的故障分析原理和实用分析计算方法对保障输电线路保护的可靠性起到至关重要的作用。 电力系统故障分析方法主要分为两大类:一类为基于序分量的故障分析方法[8~21],另一类为基于相分量法的故障分析方法[22~40]。序分量法发展自对称分量法,对称分量法由加拿大电气学家 C.L.Fortescue 于 1918 年提出[9]。该方法在线路参数对称的前提下,利用矩阵运算将 A、B、C 三相转变为没有相间耦合的正序、负序和零序三个序分量,这种转化为后续的故障计算带来了巨大的便利,时至今日序分量法在电力系统中仍有着广泛的应用。相分量法由英国科学家 M.A.Laughton 于 1968 年首次提出[22],相分量法无需解耦,直接在 A、B、C 三相坐标系内进行分析计算,其利用各相电气量对各元件构建等效方程,因基于各元件相分量建立数学模型,故各元件等效方程与电力系统的物理模型具有严格的对应性。近年来以相分量法为基础,学者们提出了大量的针对同塔多回输电线路的故障分析方法[36~40]。 
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第二章 含闭环网络的部分同塔双回输电线路故障分析方法 
 
2.1  引言 
受电网规划安排、地理条件限制和输电走廊用地紧张等因素的影响,工程上同塔线路多为部分同塔线路。当部分同塔线路环网运行时,接地故障引起零序回路导通,各回线耦合零序电流和经环网流入的零序电流发生叠加,导致零序电流的大小和流向均产生变化,可能引起基于零序电流分量构建的零序电流保护和接地距离保护发生拒动或误动。但目前针对考虑环网运行影响的部分同塔线路故障分析研究较少,为此本文针对含闭环网络的部分同塔双回输电线路的故障分析计算方法展开了研究。 
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2.2  部分同塔双回输电线路的分析模型 
如图 2-1 所示,M、N 和 P 三端母线经输电线路连接形成环网,MD 段线路同塔架设,D 点为同塔分界点,DN、DP、NP 段线路均为单回输电线路,M、N、P 三端母线均有电源供电且连接有空载接地变压器。线路 MDN 为 I 回线,线路 MDP 为 II 回线。整个线路模型可看成由母线和同塔分界点为分隔的不同区段连接而成。本文所提故障分析计算结果与 ATP/EMTP 仿真结果误差较小,由此证明说明了本文所提方法的正确性,从计算速度上,所提故障计算方法完成上述所有计算大概耗时为 78秒,故障分析计算次数共 90 次,相比于直接采用 ATP/EMTP 仿真,其能够在短时间内完成大量的、全面的和系统的故障分析,有助于对部分同塔双回输电线路进行故障特征挖掘和保护动作行为研究。本章根据部分同塔双回输电线路结构,采用相分量法建立各段线路电压和电流方程,并基于端口网络理论,将各段线路方程建立联系,结合具体的故障边界条件方程构建出故障计算模型,从而实现了一种适用于含闭环网络的部分同塔双回输电线路的故障分析方法。最后,利用 ATP/EMTP 搭建模型对所提方法进行全面仿真验证。验证表明所提方法能快速准确的完成部分同塔双回输电线路的故障计算。 
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第三章  部分同塔双回线路对零序电流保护影响分析及改进策略 .... 20 
3.1  引言 ........... 20 
3.2  单回线路故障时零序电流保护动作特性分析 ....... 20 
3.3  跨线故障零序电流保护动作特性分析 ........... 33
3.4  本章小结 ........... 47 
第四章  部分同塔双回线路对接地距离保护影响分析及改进策略 .... 49
4.1  引言 ........... 49 
4.2  接地距离保护阻抗元件影响研究 ........... 49 
4.2.1  同塔侧接地距离保护测量阻抗分析 .... 49 
4.2.2  非同塔侧接地距离保护测量阻抗分析 ........ 51 
4.3  阻抗元件判定改进方法 ........... 52 
4.4  阻抗元件判定改进方法验证 ........... 52 
4.5  本章小结 ........... 60 
 
第四章 部分同塔双回线路对接地距离保护影响研究及改进策略 
 
4.1  引言 
对于部分同塔双回输电线路的继电保护方案,主保护多采用基于双端电气量的纵联差动保护,而此类保护的可靠性常常受到通信的制约,工程中出现过多次纵联差动保护因通信异常而退出运行的情况。因此,为保证输电网络的安全可靠运行,采用基于单端电气量的保护原理作为其后备保护成为必然。 目前,接地距离保护由于受系统运行方式影响较小、能判定具体故障位置和仅需单端电气量等优点成为了应用较为广泛的后备保护,但由于部分同塔双回输电线路结构的特殊性,传统的整定方法对其可能并不适用,因此,有必要对其接地距离保护展开研究。 部分同塔双回输电线路由于其结构的特殊性导致其电磁耦合特性与完全同塔双回线路和完全不同塔线路有较大差异,因此,针对同塔双回线和单回线的接地距离保护的整定方法应用在此类结构上时势必会对其接地距离保护的动作特性产生影响,为此本章仍采用如图 2-1 所示模型,对部分同塔双回输电线路的接地距离保护展开了研究。 
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结论 
 
由于地理条件限制和输电走廊紧张等因素的影响,工程中同塔输电线路多为部分同塔线路。部分同塔输电线路中同塔段线路存在复杂的线间互感耦合,非同塔段则无线间互感耦合,且至少一侧无公共母线,因此,故障时零序网络结构和零序电流分布都较完全同塔线路不同,故现有针对完全同塔线路的故障计算方法无法满足部分同塔线路的要求。部分同塔线路环网运行时,接地故障引起零序回路导通,各回线耦合零序电流和经环网流入的零序电流发生叠加,导致零序电流的大小和流向均产生变化,可能引起基于零序电流分量构建的零序电流保护和接地距离保护拒动或误动。为此,本文针对考虑环网影响的部分同塔双回输电线路的故障分析计算方法、零序电流保护和接地距离保护进行深入的研究,主要结论如下: 
1.  根据部分同塔双回输电线路结构,采用相分量法建立各段线路电压和电流方程,并基于端口网络理论,将各段线路方程建立联系,结合具体故障边界条件方程构建故障计算模型,从而实现了一种适用于部分同塔双回输电线路的故障分析方法。利用ATP/EMTP 搭建模型进行全面仿真验证。验证表明所提方法能快速准确的完成部分同塔双回输电线路的故障计算。
2.  基于所提故障分析方法对单回线和跨线故障对零序保护动作特性的影响展开了研究。研究发现:单回线故障时,非故障回线非同塔侧保护存在拒动可能,且故障位于同塔分界点时,拒动可能性最大,为此,本文提出了保护改进策略:非同塔侧零序保护I 段按躲过区外故障时可能出现的最大零序电流整定,零序 II 段按本级线路末端故障出现的最小零序电流并满足灵敏性要求整定,从而保证了非同塔侧保护的选择性和灵敏性。跨线故障时,针对同塔侧传统零序方向元件可能拒动的问题,本文提出了一种改进的零序方向元件判定方法:首先利用两回线电流同向量判别系统侧和线路故障,若为线路故障,根据同向量与环流量的三序相角差在单回线和跨线故障时不同的故障特征,判别单回线和跨线故障,若为单回线故障,再利用传统零序方向元件判据实现故障选线。本文在不同的故障情况下对所提判据进行全面验证,验证结果表明无论故障类型和故障位置如何变化,所提判据均能准确判别系统侧故障、单回线故障和跨线故障,并能实现单回线故障选线。 
3.  由于部分同塔线路结构的原因,完全忽略或计及线间互感耦合均不能准确反映部分同塔线路的接地测量阻抗。为此,本文根据故障位于同塔分界点后方时的电压和电流方程,整理得到故障距离计算式。故障计算过程中,根据此计算式计算结果与同塔分界点前方线路长度比较情况修正计算过程,从而实现了一种正确反映部分同塔线路故障距离的计算方法。并利用 ATP/EMTP 软件搭建仿真模型进行全面验证,验证结果表明了所提计算方法能准确反映不同故障情况下的故障距离。 
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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