項(xiàng)忠華,陳曉東,葉遠(yuǎn)波
(1.國網(wǎng)宣城供電公司,安徽 宣城 242000;2.國網(wǎng)安徽省電力公司調(diào)度控制中心,安徽 合肥 230022)
縱聯(lián)零序方向保護(hù)在電網(wǎng)中得到了廣泛的采用[1~5],但隨著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化,特別是當(dāng)電網(wǎng)多回線平行架設(shè)在同一出線走廊的強(qiáng)磁弱電的環(huán)境下,當(dāng)平行線中某條線路發(fā)生故障時(shí),縱聯(lián)零序方向會(huì)發(fā)生保護(hù)異常動(dòng)作的情況[6~8],但是對(duì)平行線雙縱聯(lián)系統(tǒng)接地故障時(shí)零序和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的綜合判據(jù)研究文獻(xiàn)卻不多見,本文就零負(fù)序判據(jù)綜合技術(shù)方案展開研究。
圖1為某同桿多回線系統(tǒng),雙回線互感將會(huì)對(duì)零序分量產(chǎn)生影響,現(xiàn)分析當(dāng)其中一回線路故障時(shí),另一回線路非故障線路縱聯(lián)零序方向保護(hù)的動(dòng)作行為。
當(dāng)雙回線其中一回線AB線路在區(qū)內(nèi)某點(diǎn)發(fā)生接地短路故障,如圖2所示,其中Zam和Zbn為平行線零序互感,為相鄰線路分析方便起見,設(shè)IMN0線路穿越性零序電流為MN方向。
2.1.1 故障線路AB兩側(cè)零序方向保護(hù)動(dòng)作分析
A側(cè)零序方向保護(hù):
B側(cè)零序方向保護(hù):
由(2)式可知,A側(cè)U0和I0的相位關(guān)系比較的結(jié)果有可能是180°也有可能是0°。由于是在本線路發(fā)生故障,線路故障電流的鉗制作用,電強(qiáng)于磁,則M側(cè)零序方向保護(hù)將會(huì)判別為正方向而正確動(dòng)作。
由(3)式可知,B側(cè)U0和I0滿足反相關(guān)系,零序方向判據(jù)滿足式(1)的條件,判別為正方向,正確動(dòng)作。
因此故障線路的縱聯(lián)零序保護(hù)能夠可靠動(dòng)作。
2.1.2 健全線路MN兩側(cè)零序方向保護(hù)動(dòng)作分析
M側(cè)零序方向保護(hù):
N側(cè)零序方向保護(hù):
由(9)式可知,由于本線路發(fā)生線路故障,產(chǎn)生零序故障電流,在絕大多數(shù)情況下N側(cè)U0和I0滿足反相關(guān)系,零序方向判據(jù)滿足的條件,判為正向。
由(8)式分析結(jié)果,其M側(cè)的方向判別結(jié)果有可能由于相鄰線路耦合的影響而發(fā)生誤判,有可能判為是正向亦有可能是反向。如果是電強(qiáng)于磁,M側(cè)零序方向保護(hù)將會(huì)判別為反方向而不會(huì)動(dòng)作;如果磁強(qiáng)于電,即在一些電氣聯(lián)系很弱的情況下,并且同桿多回以及多回線路相距很近的強(qiáng)磁耦合條件下,M側(cè)零序保護(hù)會(huì)將區(qū)外反方向故障判別為正方向而誤動(dòng)作。
因此,健全線路的縱聯(lián)零序保護(hù)在強(qiáng)磁弱電環(huán)境下可能會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。
2.1.3 雙回線縱聯(lián)零序方向保護(hù)動(dòng)作綜合分析
(1)線路兩側(cè)均無電氣聯(lián)系或弱電氣聯(lián)系的平行線路,互感耦合較強(qiáng)Zam、Zbn值較大,即在磁強(qiáng)于電的系統(tǒng)條件下,其中一回線發(fā)生故障,健全線路縱聯(lián)零序方向保護(hù)一定誤動(dòng)。
多回線平行線架設(shè)在同一出線走廊時(shí),線間存在零序互感,區(qū)外故障時(shí),相鄰線路可能會(huì)導(dǎo)致零序功率方向保護(hù)誤動(dòng)。如圖3所示。
其中一回發(fā)生接地故障,故障時(shí),零序網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。
對(duì)于故障線路,零序電源位于故障點(diǎn)。由于零序互感的存在,非故障線路中感應(yīng)出零序電源U0’。零序電源U0’串入到非故障線路的零序網(wǎng)絡(luò)中,導(dǎo)致非故障線路兩側(cè)零序功率方向均判為正方向。當(dāng)互感零序電流超過零序縱聯(lián)保護(hù)過流值時(shí),非故障線零序縱聯(lián)保護(hù)將發(fā)生誤動(dòng)。
(2)健全線路雙端均有強(qiáng)電氣連接平行線,互感耦合較弱Zam、Zbn值較小,即在電強(qiáng)于磁的系統(tǒng)條件下,其中一回線發(fā)生故障,健全線路縱聯(lián)零序方向保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。
當(dāng)平行線路一端有電氣聯(lián)系時(shí),零序網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。
由于雙回線電氣聯(lián)系的存在,U0m被故障線路母線處的零序電壓嵌箝位,其方向可能如圖中箭頭所示,此時(shí)存在電聯(lián)系的一側(cè)的零功方向不會(huì)判為正方向。
(3)對(duì)于其它的方式,例如一側(cè)強(qiáng)電氣聯(lián)系另一側(cè)弱(無)電氣聯(lián)系,或者兩端均有電氣聯(lián)系但互感磁場(chǎng)耦合較強(qiáng)的情況,在其中一回線發(fā)生故障,健全線路縱聯(lián)零序方向保護(hù)是否誤動(dòng)則需看系統(tǒng)到底是磁強(qiáng)于電還是電強(qiáng)于磁來判定。當(dāng)雙回線電氣聯(lián)系弱時(shí),故障線母線處的零序電壓箝位效果不大,U0m的方向倒轉(zhuǎn),如圖中虛箭頭所示,此時(shí),零序功率方向仍然會(huì)判為正方向。非故障線零序縱聯(lián)保護(hù)仍存在發(fā)生誤動(dòng)的可能。
(4)故障線路的縱聯(lián)零序方向保護(hù)始終能夠正確動(dòng)作。
負(fù)序功率方向保護(hù)在歷史上曾經(jīng)得到過一定程度的應(yīng)用,如GE公司的TLS和PLS線路保護(hù)就曾經(jīng)廣泛應(yīng)用負(fù)序方向保護(hù),但是由于負(fù)序?yàn)V序困難,易受頻率影響等原因一直很少利用。而現(xiàn)今隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,所以負(fù)序方向元件完全可以得到更為廣泛的應(yīng)用。將圖5的零序網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)改為負(fù)序網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行分析,考慮到線路換位不完全引起的不平衡磁通產(chǎn)生的負(fù)序互感的影響,分析如下:
2.2.1 故障線路AB兩側(cè)負(fù)序方向保護(hù)動(dòng)作分析
A側(cè)負(fù)序方向保護(hù):
B側(cè)負(fù)序方向保護(hù):
區(qū)內(nèi)故障發(fā)生時(shí),當(dāng)線路完全換位的情況下,線路之間不存在負(fù)序磁耦合,Zam2、Zbn2負(fù)序互感為零,AB兩側(cè)負(fù)序功率方向保護(hù)可靠動(dòng)作;當(dāng)線路不完全換位時(shí),不平衡負(fù)序磁通產(chǎn)生的負(fù)序互感電動(dòng)勢(shì)影響很小,AB兩側(cè)負(fù)序功率方向保護(hù)可靠動(dòng)作。因此故障線路的縱聯(lián)負(fù)序保護(hù)能夠可靠動(dòng)作。
2.2.2 健全線路MN兩負(fù)零序方向保護(hù)動(dòng)作分析
M側(cè)負(fù)序方向保護(hù):
N側(cè)負(fù)序方向保護(hù):
區(qū)外故障發(fā)生時(shí),當(dāng)線路完全換位的情況下,負(fù)序互感為零,線路間沒有磁的聯(lián)系,由式(14)可知,M側(cè)的負(fù)序電壓完全沒有反相的可能,因此M側(cè)的負(fù)序功率方向保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作;當(dāng)線路不完全換位時(shí)的不平衡磁通產(chǎn)生的負(fù)序互感電動(dòng)勢(shì),比零序互感電動(dòng)勢(shì)小得多,可以滿足式(16)的要求,在某些嚴(yán)重的情況下,可以通過設(shè)定負(fù)序門檻值,確保M側(cè)的負(fù)序功率方向不會(huì)誤動(dòng)。
2.2.3 負(fù)序方向保護(hù)動(dòng)作情況評(píng)價(jià)
由此可見,在縱聯(lián)零序功率方向保護(hù)容易誤動(dòng)的平行線路中,在縱聯(lián)方向保護(hù)中采用負(fù)序功率方向作為方向元件不會(huì)由于強(qiáng)磁弱電現(xiàn)象引起方向保護(hù)的誤動(dòng)。
環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)如圖6所示,當(dāng)系統(tǒng)中某點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí),對(duì)零序系統(tǒng)而言,當(dāng)線路MN兩側(cè)零序電壓U0M和U0N不相等時(shí),線路MN上將有零序電流I0流過,方向和幅值由兩側(cè)零序電壓U0M和U0N的相對(duì)關(guān)系決定;當(dāng)線路MN兩側(cè)零序電壓U0M和U0N基本相等時(shí),MN上的零序電流I0基本為0,該點(diǎn)B0稱為“零序平衡點(diǎn)”。因此在B0點(diǎn)兩側(cè)發(fā)生接地故障時(shí),健全線路MN上流過的零序電流I0方向?qū)l(fā)生反相的現(xiàn)象。
同理在負(fù)序系統(tǒng)中,也存在著“負(fù)序平衡點(diǎn)”。如在負(fù)序平衡點(diǎn)B2兩側(cè)發(fā)生接地故障,健全線路MN上流過的負(fù)序電流I2流向?qū)l(fā)生反相的情況。
由于系統(tǒng)中零序和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)不完全對(duì)稱,零序平衡點(diǎn)和負(fù)序平衡點(diǎn)不一定位于系統(tǒng)的同一處。當(dāng)零序平衡點(diǎn)(B0)和負(fù)序平衡點(diǎn)(B2)之間發(fā)生故障時(shí),流過健全MN線路上的零序電流I0和負(fù)序電流I2流向相反。
健全MN線路兩側(cè)保護(hù)時(shí),M側(cè)零序方向元件判為反方向,負(fù)序方向元件判為正方向;N側(cè)功零序功率方向判為正方向,負(fù)序功率方向?yàn)榉捶较?。某些廠家的線路縱聯(lián)保護(hù)采取的是零、負(fù)序綜合判據(jù),如MN兩側(cè)方向綜合判據(jù)均判為正方向,MN健全線路方向保護(hù)則會(huì)誤動(dòng)。
鑒于負(fù)序方向保護(hù)不受線路互感耦合的優(yōu)點(diǎn),因此可以在強(qiáng)磁弱電環(huán)境中引入負(fù)序電流方向元件的應(yīng)用,以保證線路保護(hù)縱聯(lián)方向動(dòng)作的可靠性,負(fù)序方向元件的動(dòng)判據(jù)件為:
當(dāng)線路完全換位的情況下,負(fù)序互感為零,線路之間不存在磁耦合,沒有耦合附加電勢(shì),負(fù)序功率方向保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。
當(dāng)線路不完全換位時(shí),換位不完全引起的不平衡磁通產(chǎn)生的負(fù)序互感電動(dòng)勢(shì),比零序互感電動(dòng)勢(shì)小得多,如前文所分析,區(qū)外故障負(fù)序功率方向不會(huì)誤動(dòng),不能夠滿足(18)式的動(dòng)作條件,在縱聯(lián)方向保護(hù)中采用負(fù)序方向元件不會(huì)由于強(qiáng)磁弱電現(xiàn)象引起方向保護(hù)的誤動(dòng);而區(qū)內(nèi)故障能夠滿足(18)式的動(dòng)作條件,而可靠動(dòng)作。
為保證非故障線路負(fù)序方向保護(hù)不誤動(dòng),在考慮到線路運(yùn)行換位不完全導(dǎo)致的負(fù)序磁聯(lián)系的影響,可增加負(fù)序電壓和負(fù)序電流閉鎖條件。
可以選取合適的負(fù)序電流、電壓門檻值以保證安全性,為保證故障線路保護(hù)在高阻接地故障時(shí)能可靠動(dòng)作,負(fù)序電壓夠滿足(19)式的動(dòng)作條件,和負(fù)序電流夠滿足(20)式的動(dòng)作條件大于定值時(shí),開放負(fù)序方向保護(hù);又要保證嚴(yán)重區(qū)外故障情況下,負(fù)序電壓和負(fù)序電流小于定值時(shí),則閉鎖負(fù)序方向保護(hù),確保非故障線路保護(hù)不誤動(dòng)。
為防止零、負(fù)序綜合判據(jù)方向元件的誤動(dòng)可能,對(duì)于同桿雙回線系統(tǒng),其線路保護(hù)判據(jù)可以加入零、負(fù)序電流反相閉鎖功能。利用系統(tǒng)中零序和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)不完全對(duì)稱的實(shí)際情況,當(dāng)線路保護(hù)判斷出本線路零序電流I0和負(fù)序電流I2流向相反的情況,此時(shí)閉鎖縱聯(lián)方向元件,以防止非故障線路縱聯(lián)方向保護(hù)的誤動(dòng)情況的發(fā)生。
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