基于空充暂态电流的线路保护CT极性校验方法_刘玢岩.pdf

第51 卷 第12 期 电力系统保护与控制电力系统保护与控制 Vol.51 No.12 2023年6月16日 Power System Protection and Control Jun.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.221418 基于空充暂态电流的线路保护 CT 极性校验方法 刘玢岩1，尹 昕2，潘远林1，尹项根1(1.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北 武汉 430074；2.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114)摘要：线路保护电流互感器(current transformer,CT)二次采样回路接线正确是保护正确动作的前提。针对线路投运启动过程中保护 CT 极性校验困难的问题，首先分析了在有限负荷和无负荷下利用线路稳态电流进行极性校验的边界限制条件。进而针对不满足限制条件下无负荷极性校验困难的问题，提出了一种基于空充暂态电流的线路保护 CT 极性校验方法。该方法先利用幅值较大的本端暂态电流对三相 CT 相对极性进行初判，再通过线路本端暂态电流和测量电压基于线路结构计算对端暂态电流来实现本端保护 CT 极性错误相识别，CT 极性正确时对端计算电流理论上为零，CT 极性错误时会呈现较大的幅值。该方法有效解决了传统极性校验方法在负荷不足时无法校验的问题。仿真和录波验证了该方法的有效性，并已纳入工程应用方案。关键词：输电线路；CT 极性校验；空充暂态电流；分布参数 CT polarity checking method for line protection based on no-load charging transient current LIU Binyan1,YIN Xin2,PAN Yuanlin1,YIN Xianggen1(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology(Huazhong University of Science and Technology),Wuhan 430074,China;2.College of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China)Abstract:The correct wiring of a line protection current transformer(CT)secondary sampling circuit is a precondition for correct protection operation.There is difficulty in polarity checking during the operation and start-up of the line.Thus the boundary limit condition of the polarity checking using the steady-state current of the line under limited load and no-load is first analyzed.There is also difficulty of no-load polarity checking when the condition is not met.For this a CT polarity checking method for line protection based on no-load charging transient current is proposed.The CT relative polarity of three phases is preliminarily checked by the local transient current with large amplitude.Then,the transient current of the opposite terminal is calculated based on the measured value of the local terminal and the Bergeron line model to determine the phase with the wrong polarity of the local terminal.When the CT polarity is correct,the calculated current of the opposite terminal is theoretically zero.If not,it will have a large amplitude.The problem that the traditional method cannot take effect when the load is insufficient is solved by the proposed method.The effectiveness of the method is verified by simulation and wave recording.This has been incorporated into the engineering application scheme.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China(No.52007010).Key words:transmission line;CT polarity checking;no-load charging transient current;distributed parameter 0 引言 保护装置电流互感器(current transformer,CT)二次采样回路是继电保护重要的工作回路，线路保护 CT 极性正确与否直接关系到保护装置能否可靠 基金项目：国家自然科学基金项目资助(52007010)动作，一旦极性接错极易造成线路保护误动或拒动。对于新建、改建和扩建的输电线路，在启动投运过程中必须对继电保护 CT 极性进行校验1-4。现有 CT 极性校验方法包括直流法和带负荷测试。直流法通过仪器对CT的单体极性进行校验5-7，但这种分步式检查很难确保整体相量检查的完整性。规程要求新安装或二次回路有较大变动的保护-100-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 装置应带上工作电压和负荷电流对 CT 极性加以校验8。目前，带负荷测试通常采用六角图法或直接用钳形相位表校验极性9-11，但带负荷测试操作步骤复杂，并且只能在稳定的负荷电流下进行，受限于保护装置和钳形相位表的测量精度，通常需要CT 二次电流达到 520 mA 才能明显读出幅值和相位12，因此在校验过程中需要组织足够的负荷电流。实际工程中并非所有情况下都能有效组织负荷电流，比如某些新建电厂和终端变电站，无法直接从其他地方调度负荷。这类情况下校验线路 CT 比较有效的办法是充分利用厂内生活、施工负荷，站内补偿设备，或是租赁负荷13-14，然而这样的负荷往往十分有限，这将导致线路 CT 二次回路电流受负荷大小以及校验回路中串补、并联电抗器等设备参数的影响较大。为了使线路通过负荷级电流，已有许多成套的一次通流设备，能够输出满足极性校验要求的一次电压和一次电流15-18，并已在多个电压等级的变电站应用。其缺陷在于操作流程繁琐，需要额外添加设备，存在一定的安全风险。因此研究在有限负荷或无负荷情况下，考虑各类因素对线路稳态电流大小的影响，获得能产生负荷级电流的边界条件是非常具有工程价值的问题。针对无负荷下极性校验困难的问题，文献19提出在没有负荷的情况下可以利用线路空充稳态电容电流进行 CT 极性校验。文献20分析了高压线路利用空充稳态电流进行极性校验的适应性，对于电缆线路空充电流较大适用性强，但对于架空线路存在空充电流幅值较小达不到测量精度要求的情况。文献21提出利用线路空载合闸产生的幅值较大的暂态电流校验 CT 极性，基于线路型等值模型辨识线路电阻、电感等参数，若线路参数计算值与实际值相近则 CT 极性正确，否则 CT 极性错误。但该方法没有考虑线路的分布电容电流特性以及断路器的分散性，工程实用性不强。上述方法均没有考虑超高压线路中串补、并联电抗器等设备对线路空充电流的影响。本文首先研究在有限负荷与无负荷情况下利用线路稳态电流校验 CT 极性的问题，分析线路稳态电流大小的影响因素和边界限制条件。再针对无负荷情况下线路空充稳态电流可能达不到校验精度的问题，利用线路空载合闸时幅值较大的暂态电流，提出一种基于空充暂态电流的线路保护 CT 极性校验方法，最后通过仿真和录波验证其有效性。1 稳态极性校验方法及边界限制条件 传统的线路保护 CT 稳态极性校验方法需要二次侧有负荷级的稳态电流。研究在有限负荷或者无负荷的情况下，考虑各类因素对校验电流大小的影响，评估线路在启动时能否产生足够大的校验电流，获得各类因素下的边界限制条件，可对校验方法的选取提供指导。1.1 带负荷极性校验边界限制条件解析 线路保护CT带负荷极性校验电路如图1所示，线路位于母线 MN 之间，为了便于解析计算，采用型等值电路，线路阻抗为LZ，线路容抗为CX；串补容抗为c0X，线路两端并联电抗器感抗分别为b1X和b2X。假设线路充电过程中末端母线电压近似等于首端系统电压，则负荷用阻抗形式表示为 22mmload2222jPEQEZPQPQ=+(1)式中：loadZ为负荷阻抗；mE为首端系统电压；P、Q 分别为负荷有功和无功功率。母线 M 右侧的等值阻抗为mZ，有 mloadb2CLCc0b1(/j/(2j)/(2j)j)/jZZXXZXXX=-+-(2)则 M 侧保护 CT 所测得的二次电流大小为 mmmms()EIn ZZ=+(3)式中：n为CT变比；msZ为系统阻抗。因此，利用式(1)式(3)可以求取线路CT极性校验时不同负荷可以提供的稳态电流大小。由式(3)可见，二次电流大小主要与串补度、并联电抗器容量、线路长度、负荷和CT变比有关，其中CT变比与二次电流大小成明确的反比关系，因此下面主要分析不同串补度、并联电抗器容量、线路长度对可校验负荷边界的影响。图 1 线路保护 CT 带负荷极性校验电路 Fig.1 Circuit of polarity checking with load of line protection CT 为了做普适性分析，选取的典型线路模式及参数为：串补位于线路首端，默认补偿度为30%；并联电抗器位于线路末端，默认单相容量为60 Mvar；线路单位长度阻抗0.0372j0.3039/kmz=+，线路单位长度电容0.01346F/kmc=，默认线路长度为200 km；500 kV系统阻抗ms0.1j17.6Z=+；CT变比3000/1n=。刘玢岩，等 基于空充暂态电流的线路保护 CT 极性校验方法 -101-1)串补度对负荷边界的影响 串补度对负荷边界的影响如图2所示，图中曲面展示了串补度分别为20%、30%和50%时不同负荷下的线路二次电流mI。可以看到，当负荷无功功率Q一定时，随着负荷有功功率P增大，二次电流mI逐渐增大。当负荷有功功率P一定时，随着负荷无功功率Q增大，二次电流mI先减小后增大，当负荷j50 MVAS=时，mI取得最小值。这是由于线路充电回路中串补容抗、线路阻抗和系统阻抗相较于线路容抗较小可忽略不计，母线M右侧等值阻抗mZ近似等于线路电容与电抗器、负荷的并联，通常并联电抗器补偿度小于122，没有负荷时mZ呈容性，随着无功负荷的增加mZ逐步由容性变