共接地極線模式下的接地故障分析

0活動網絡接地極直流電壓系統中不可或缺的一部分。直流系統換流站一般距離接地點幾十千米,其間通常架設雙導線并聯的接地極引線。接地極選址要求較高,若2個或多個直流系統能采用共用接地極,將具有較好的前景。共用接地極在工程中已有應用,云南—廣東與貴州—廣東Ⅱ回直流系統的接地極采用了共用接地極極體方式。如共用接地極在選用共用接地極極體基礎上,接地極引線也采用部分共用,將使工程優勢更明顯,但因可靠性和保護設計兩大問題,該方式一直未應用于工程。傳統接地極保護分析及相互影響特性已有報道,但對共用接地極線保護分析的相關文獻較少。本文以共用接地極線工程應用困難點之一的保護設計方法作為研究對象,根據共用接地極的各直流系統相互影響特性,對接地極線接地、斷線等常見故障進行分析,得出保護動作特性并對電流不平衡保護進行改進,以滿足相應的功能要求。1接地極保護特性共用接地極在接線形式上可分為:共用接地極極體、共用接地極極址和共用接地極線路。第1種共用接地極極體模式已在國內實際工程中采用,各系統間的相互影響較小,保護設計與傳統保護設計一致。第2種共用接地極極址模式是用各自的接地極導線引至接地極終端塔,并在終端塔前裝設各自的電氣測量裝置,使終端塔前的接地極部分獨立,因此保護特性與傳統接地極保護特性類似。第3種共用接地極線路模式為共有一部分或全部的接地極線路,如圖1所示。由于共用接地極線路存在公共部分,各自的運行方式及故障方式變化都會產生相互影響,保護應用存在難點,本文將以此類保護特性作為主要研究對象。2中性點接地極保護不失一般性,設共用接地極的直流系統為2個,一次接線如圖2所示。多個系統共用接地極時也可采用本文類似分析方法。圖2中:K1至K5為開關設備;RG為接地極共用部分的電阻(第1種和第2種模式只計入接地極體部分,第3種模式還應計入共用接地極引線部分);UIdN1和UIdN2為系統1的中性母線電壓(下文用U1表示);UIdN3和UIdN4為系統2的中性母線電壓(下文用U2表示);IG,IG1和IG2分別為共用接地極處、系統1和系統2的接地極引線電流;Id1和Id2為系統1接地極單引線電流;Id3和Id4為系統2接地極單引線電流。以逆變側共用接地極為例,接地極電流為:IG=IG1+IG2(1)當2個系統均雙極對稱運行時,IG=0,UIdN1=UIdN2=0。當一個直流系統單極運行(設系統2為單極大地返回方式)時,有式中:R2L為系統2接地極獨立部分單引線電阻。由式(2)可知:系統2單極運行會使系統1中性母線電壓偏移;接地極各自引線對稱使引線間無差電流。各直流系統均雙極運行時,接地極故障對各系統影響小;當一個及以上系統為單極運行時,相互影響變大。工程中,共用接地極的各系統中一般只允許一個系統長時間采用單極非金屬返回方式運行,因此本文主要以不平衡運行方式中單個系統采用單極大地返回方式,其余系統采用雙極運行方式(包括平衡和不平衡方式)這種最常見的運行模式作為分析的典型工況。本文假設系統2為單極大地回線方式,系統1為雙極運行方式。接地極的各類保護根據運行方式變化會有不同的動作策略。過電壓保護及電流不平衡保護在共接地極線模式時,因其接線形式較復雜,保護也會較復雜,本文將進行重點分析。3聯合接地極線模式的故障分析3.1聯合接地極線接地故障分析3.1.1共極線條內各分區點電壓積分反應當共用接地極引線同時發生接地故障時,由于引線對稱,對保護影響不大。本文主要考察單接地極線故障情況。設接地故障電阻為RM;系統1部分的單引線電阻和共引線電阻分別為R1L和RLT;單極、雙極運行系統流入接地極地的電流分別為IS和IU(IS為單極運行時的額定電流,IU為雙極運行時的不平衡電流),兩者方向可以相反。在共極線處、系統2和系統1非共極線處發生單線接地故障時的等效電路如圖3所示。假設在各自區內故障點相對于圖1中分區點的距離比例為k(0<k<1),該部分的電阻為RX,在各自區內剩余電阻為RY。RX和RY分別為:式中:RLT/1L/2L為各自區內的單引線電阻,若在A區時,RLT/1L/2L取R1L;若在B區時,RLT/1L/2L取R2L;若在C區時,RLT/1L/2L取RLT。分析時按雙極運行系統是否平衡運行,分為:平衡運行方式(IU=0)、不平衡運行方式(IU≠0)和其他系統組成異極性返回方式(IU=-IS)。3.1.2在雙極運營系統的平衡運行中分析接地故障1接地極不平衡電流在共接地極線處(C區)發生接地故障,此時系統2接地極雙線不平衡電流如式(4)所示。其中:fi為關于所有變量的函數;gi為關于RG,k,RM,RLT的子函數。Ιd34=|Ιd3-Ιd4|=ΙSf3(R1L,R2L,g3)=ΙSR1LRLΤk2-2R1L(RLΤ+RG)k+R1L(RLΤ+2RG)-(R1L+R2L)RLΤk2-2R1LR2Lk+2R1LR2L(1+RG+RΜRLΤ)+(RLΤ+2RG+2RΜ)(R1L+R2L)(4)Id34=|Id3?Id4|=ISf3(R1L,R2L,g3)=ISR1LRLTk2?2R1L(RLT+RG)k+R1L(RLT+2RG)?(R1L+R2L)RLTk2?2R1LR2Lk+2R1LR2L(1+RG+RMRLT)+(RLT+2RG+2RM)(R1L+R2L)(4)由電路可得:Ιd12=|Ιd1-Ιd2|=R2L|Ιd3-Ιd4|R1L=Id12=|Id1?Id2|=R2L|Id3?Id4|R1L=ISf4(R1L,R2L,g4)(5)因為?Id34/?k<0,?Id12/?k<0,?Id34/?RM<0,故隨著k和RM的增大,各系統接地極不平衡電流均減小。這也可從電路對稱性獲得,當k和RM增大時,接地極電路結構趨于對稱,不平衡電流減少。在分析系統2中性母線電壓U2時,對電路進行簡化,忽略R1L,可得:U2=IS((RX+RA)//(RLT+RB)+RC+0.5R2L)(6)各電阻參數均不大于幾歐姆,因此U2不超過幾千伏,同理U1值也不大。2u2009d3-id12考察在單極運行的系統2接地極引線上(B區)發生的故障情況。由圖3(b)可得系統2接地極不平衡電流為:式(8)在關于k的二次函數中,α和β(RM)均為大于0的常數項,且β(RM)為關于RM的一次函數。可得:?Id34/?k>0,?Id34/?RM<0。隨著k的增大,單極運行的接地極不平衡電流增大;隨著RM的增大,不平衡電流減小。式(8)可以表示為:Id34=|Id3-Id4|=ISf1(R1L,R2L,g1)(10)這里不再詳細推導雙極運行系統的不平衡電流Id12。在圖3(b)中,當RX→R2L時,由電路原理得,電路的橋臂趨于平衡,因此Id12是減小的。設不平衡電流表達式為:Id12=|Id1-Id2|=ISf2(R1L,R2L,g2)(11)忽略R2L,可得:U2=IS(RM//(RG+0.5RLT))(12)由此可得U2數值不大,同理U1值也不大。3id3id4密度s1在雙極系統運行的獨立接地極線處發生故障時,對分析進行簡化,令RG=RM≈0,得{Ιd34=|Ιd3-Ιd4|=ΙSf5(R1L,R2L,g5)=ΙS(RY+R1L)(RX+RLΤ)-RX(RY+R1L+RLΤ)(RY+R1L)(RX+RLΤ)+RX(RY+R1L+RLΤ)+FF=2RLΤ(RY+R1L)(RY+R1L+RLΤ)R2L(13)?????????Id34=|Id3?Id4|=ISf5(R1L,R2L,g5)=IS(RY+R1L)(RX+RLT)?RX(RY+R1L+RLT)(RY+R1L)(RX+RLT)+RX(RY+R1L+RLT)+FF=2RLT(RY+R1L)(RY+R1L+RLT)R2L(13)Ιd12=|Ιd1-Ιd2|=ΙSf6(R1L,R2L,g6)=ΙS-|Ιd3-Ιd4|2RLΤ2R1L+RLΤ-R1Lk(14)Id12=|Id1?Id2|=ISf6(R1L,R2L,g6)=IS?|Id3?Id4|2RLT2R1L+RLT?R1Lk(14)令R2L≈0,可得Ιd34=|Ιd3-Ιd4|=ΙS-kRLΤ+RLΤ-R1Lk2+2R1Lk+RLΤ(15)Id34=|Id3?Id4|=IS?kRLT+RLT?R1Lk2+2R1Lk+RLT(15)此時?Id34/?k<0,?Id12/?k>0。若計及RG和RM,則結果一致。忽略R2L,可得U2=IS((RM+((R1L+RY)//RX))//(RG+0.5RLT))(16)由此可得值U2不大,同理U1值也不大。3.1.3雙極不對稱運行雙極運行系統在實際運行中可能存在不平衡電流,該不平衡電流將流入接地極中,并產生影響。首先分析故障發生在共極線處(C區)時的情況。利用電路疊加原理可得系統2差電流為:Id34″=Id34±Id34′(17)式(17)中,Id34由只考慮一個系統單極運行(其他系統雙極平衡運行)故障時求得,Id34′由單極運行系統閉鎖(其他系統雙極運行并存在不平衡電流)時發生故障求得。由式(4)、式(5)、式(17)和電網絡理論可得:Id34″=ISf3(R1L,R2L,g3)±IUf4(R2L,R1L,g4)(18)Id12″=ISf4(R1L,R2L,g4)±IUf3(R2L,R1L,g3)(19)在接地極各區內發生故障時,可歸納為:{Ιd34?=ΙSfΤ(R1L,R2L,gΤ)±ΙUf7-Τ(R2L,R1L,g7-Τ)Ιd12?=ΙSfΤ+1(R1L,R2L,gΤ+1)±ΙUf6-Τ(R2L,R1L,g6-Τ)(20)故障發生在B,C,A區時,T分別取1,3,5。雙極不對稱運行時,不平衡電流IU較大,故障對差電流影響也較大。但工程中若一個系統已運行于單極大地返回方式時,其他系統一般只處于雙極對稱運行狀態。雙極對稱運行時,不平衡電流IU一般允許為額定電流IS的1%,因此IU對接地極差電流大小的影響是有限的。同理,雙極不平衡運行方式對各系統接地極電壓的影響也不大。3.1.4中性點接地設計方案2個系統的異極性大地返回方式可以理解為一個系統單極大地運行,另一個系統雙極不平衡運行的極限情況(即雙極不對稱電流為額定電流的-100%)。設系統1、系統2流入接地極電流分別為-IS′和IS,則接地故障時接地極差電流為:{Ιd34?=ΙSfΤ(R1L,R2L,gΤ)-ΙS′f7-Τ(R2L,R1L,g7-Τ)Ιd12?=ΙSfΤ+1(R1L,R2L,gΤ+1)-ΙS′f6-Τ(R2L,R1L,g6-Τ)(21)A,B區故障時,各函數fi不同,說明各系統的接地極中均存在差電流,因IS與IS′異極性,使得兩系統的影響為線性相減,總體差電流水平降低。C區故障時,當兩系統接地極參數一致(R1L=R2L)時,由式(5)得出:g3與g4相同,各系統接地極差電流為0,保護感受不到C區接地故障。3.2第2種工況分析當接地極雙線同時發生斷線故障時,失去相應接地點會引起過電壓保護動作。單極線斷線故障分析較復雜,結果如表1所示。表1中,工況1表示一個系統單極大地運行,另一個系統雙極對稱運行;工況2表示2個系統以異極性大地返回方式運行。第2種工況分析與式(21)推導類似。由表1可知,部分方式下,斷線故障會引起過大的差電流。單接地極線發生斷線故障時,因為另一條接地極引線的電壓置零作用,系統不會過電壓。4聯合測距極線保護操作的分析和改進4.1共接地極線方式下內涵本節主要分析傳統保護是否能應用于共用接地極線模式。設在分區點發生金屬性接地故障時,系統1和系統2測得的不平衡電流分別為Im1和Im2,且Im1>Im2,傳統接地極電流不平衡保護動作定值為Idz。Idz值固定,Im1和Im2視接地極參數而定。為分析方便,接地極線路參數選取滿足以下2種分析工況:①Idz=Im1>Im2(參數1);②Im1>Im2=Idz(參數2)。根據上節分析,動作結果如表2所示。由表2可知,在共接地極線方式下,接地極電流不平衡保護選擇性差,動作結果受保護定值、接地極參數、故障點參數變化的影響大。以表2中C區在接地故障(參數2)的情況為例,根據式(4)和式(5),該區內各系統的不平衡電流是k的遞減函數,C區內系統2的不平衡電流為:Im2=Idz>Id34(22)系統1不平衡電流可能出現以下2種情況:由式(22)和式(23)可知,系統2不平衡電流保護不會動作,系統1保護動作情況視故障點參數而定。表中其他部分同理可得。4.2反時限保護的改進根據4.1節分析可知,傳統接地極保護應用于共接地極線方式下最不匹配的是不平衡電流保護,非區內故障可能引起保護動作。這里對保護進行如下改進。1)在保護中加入故障測距模塊。工程常用接地極阻抗監視設備(ELIS)來監視故障,但以A區裝設的ELIS為例,注入高頻電流并不能有效區分B區和C區故障。而各系統接地極引線的接合點可以為行波提供反射點,因此可采用行波反射匹配法來區分故障區。但當分區點上阻抗變化不明顯導致行波反射系數過小時,則另需裝設電抗。2)因為在B區接地故障時入地電流大,對接地極運行有較大的影響;在C區接地故障時,對運行影響較小。傳統保護不能對故障程度有較好反映。本文對不平衡電流保護進行反時限功能改進,使保護能有較好的靈敏度。動作方程為:t(Ι)=h1(ΙΙz)q-h2+h3(24)式中:h1,h2和h3為常數;q根據反時限特性曲線取值;Iz為保護參考值;I為接地極不平衡電流輸入值。為了與常規電流不平衡保護匹配,設I1和T1分別為常規保護啟動定值及動作時間,則整定動作方程的參數時需滿足t(I1)=T1。5不平衡電流保護特性仿真系統采用葛南直流模型,接地極模式如圖1所示。系統1的獨立接地極引線電阻為0.5Ω,系統2獨立接地極引線電阻為1Ω,共引線電阻為0.5Ω,接地電阻為0.2Ω。按一個系統單極運行、另一個系統雙極運行時系統是否平衡運行分為2種工況。工況1為雙極運行系統平衡運行。仿真得出如下結論。①接地極線上單線故障時,測得的最大電壓為2.56kV,過電壓保護不會動作。②接地極線上發生接地故障時,系統1和系統2接地極不平衡電流見附錄A圖A1(a)。在C區發生故障時,2個系統的差電流變化趨勢一致;在A區和B區發生故障時,2個系統的差電流變化趨勢相反。③改變2個系統共接地極線部分的比例,即改變RLT的大小,系統1的差電流情況見附錄A圖A1(b),隨著共接地極引線部分電阻的增大,差電流整體呈現增大趨勢。④在各區中點位置發生接地故障時,不平衡電流見附錄A圖A1(c)。在任何位置增大接地電阻,差電流均相對減少。⑤在各區內發生斷線故障時,改變斷線故障區內另一條線路的電阻以模擬接地極參數的改變,2個系統測量的差電流見附錄A圖A1(d),差電流不變。工況2為雙極運行時系統不對稱運行,