司泰龍，牛 林，王睿昕，戰(zhàn) 杰，郭其一，田 羽

（1.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院電網(wǎng)檢修培訓(xùn)部，濟南250002；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，淄博255000；3.同濟大學(xué)電氣工程系，上海201804；4.上海電力設(shè)計院，上海200025）

同桿雙回線因具有輸送容量大、節(jié)約線路走廊等優(yōu)點，在220 kV 及以上電壓等級系統(tǒng)中已得到積極應(yīng)用。其中，縱聯(lián)距離保護(hù)是同桿并架雙回線中重要的保護(hù)之一，其距離測量元件不僅具有明確的方向性，而且有固定的動作范圍。但是由于雙回線路的特殊結(jié)構(gòu)，零序互感、過渡電阻、系統(tǒng)運行方式等因素使得距離繼電器不能正確反映故障距離，導(dǎo)致保護(hù)出現(xiàn)超越或拒動現(xiàn)象[1-3]。

目前，在對多種類型距離保護(hù)的性能分析和探討中，文獻(xiàn)[4]針對性地提出了六相序阻抗距離保護(hù)，能夠準(zhǔn)確反映故障距離，但所需測量元件繁多，實現(xiàn)起來較為困難；文獻(xiàn)[5]則提出在雙回線中利用零序分量判斷故障回線，并能準(zhǔn)確反映單相接地故障，但不適用于相間故障和跨線故障；文獻(xiàn)[6]也提出了一種基于零序分量的距離繼電器，尤其對于現(xiàn)場較易出現(xiàn)的電壓回路異常等情況仍能正常工作，但主要適用于單回線路的保護(hù)[5]。

本文提出了一種改進(jìn)序分量距離保護(hù)原理。該原理將同桿雙回線路看作一個保護(hù)單元，利用六序分量法獲取反序負(fù)序分量，進(jìn)而得到一種新型縱聯(lián)距離保護(hù)判據(jù)。該判據(jù)獲取判據(jù)量簡便，對雙回線中的單回線故障與跨線故障消除了零序互感對保護(hù)的干擾；同時耐過渡電阻能力強，不局限于接地故障和不接地故障，且該原理也適用于帶有弱饋系統(tǒng)的同桿雙回線。在系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時，若配合先進(jìn)的選相元件和通訊通道，該保護(hù)可作為智能電網(wǎng)中同桿雙回線的主保護(hù)。

1 同桿雙回線中反序負(fù)序分量的特征

同桿雙回線系統(tǒng)如圖1 所示，其特點是相間、線間有互感。六序分量法將兩回線分解為六序?qū)ΨQ分量，以消除相間、線間互感對保護(hù)的影響[7]。以六序分量法為基礎(chǔ)的反序電流是雙回線故障的顯著特點，對其研究有利于深入了解同桿雙回線特點。反序電流又稱環(huán)流電流，僅存在于發(fā)生內(nèi)部故障的雙回線中，不流經(jīng)過渡電阻和系統(tǒng)電源，故雙回線外部的過渡電阻、系統(tǒng)電源等因素對于反序電流無作用。且反序分量只存在于雙回線內(nèi)部故障，雙回線外故障時為0（無論雙回線參數(shù)是否對稱），據(jù)此判斷故障是否位于雙回線中。

圖1 同桿雙回線系統(tǒng)Fig.1 System of double parallel transmission lines on same tower

同桿雙回線反序負(fù)序分量網(wǎng)絡(luò)如圖2 所示。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部故障時，故障點的反序負(fù)序電壓最大，且反序負(fù)序分量的系統(tǒng)阻抗為0，所以雙回線兩端的反序負(fù)序電壓為0[7]，故線路兩端的反序負(fù)序電流不會受到分布電容電流的影響。同時，因采用的是兩回線中的負(fù)序分量，故可以很好地克服系統(tǒng)振蕩對保護(hù)的影響。另外，反序負(fù)序電流是故障后的序分量電流，與傳統(tǒng)的零序電流、負(fù)序電流相同，整定時無需考慮非周期分量、負(fù)荷電流的影響[8]。

圖2 同桿雙回線反序負(fù)序分量網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Inverse directional negative sequence component network chart of double-circuit transmission line

2 基于反序負(fù)序分量的距離保護(hù)

2.1 基于反序負(fù)序分量的距離保護(hù)原理

假定線路阻抗均勻一致，當(dāng)?shù)刃щp回線路發(fā)生故障時，則對應(yīng)反序負(fù)序網(wǎng)的電壓分布如圖3所示。其中，f1為保護(hù)區(qū)內(nèi)故障點，f2為正向區(qū)外故障點，y 為m 側(cè)的整定點，且m 側(cè)、n 側(cè)測得的反序負(fù)序電壓分別為曲線k1、k2。同時，根據(jù)上述反序負(fù)序分量的特征分析，理論上在系統(tǒng)正常情況和雙回線mn 外故障時，反序負(fù)序電流為0，相應(yīng)整定點電壓也為0[9]。

由此可得，對于保護(hù)安裝處m 點，同桿雙回線反序負(fù)序分量距離繼電器的動作方程為

圖3 基于反序負(fù)序分量的距離保護(hù)原理示意Fig.3 Distance protection schematic based on inverse directional negative sequence component

2.2 基于反序負(fù)序分量的距離保護(hù)的實現(xiàn)

基于反序負(fù)序分量的距離保護(hù)動作方程確定后，需要考慮該保護(hù)的實現(xiàn)方法。因反序負(fù)序分量不受系統(tǒng)振蕩、電容電流等因素的影響，故需考慮躲開雙回線外部故障時，兩側(cè)電流互感器的產(chǎn)生的最大不平衡電流。以m 側(cè)為例分析，由文獻(xiàn)[7]可以得到反序負(fù)序電流的表達(dá)式為

因此，基于反序負(fù)序分量的距離保護(hù)的實現(xiàn)不僅需要滿足動作方程式（1），而且需躲開區(qū)外故障時不平衡電流的影響，即

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.2～1.3；Kst為TA 同型系數(shù)，TA 型號相同時取0.5，否則取1；Ker為TA 誤差系數(shù)，取10%；分別為m、n 側(cè)最大單相短路電流。

2.3 基于反序負(fù)序分量的距離保護(hù)性能分析

傳統(tǒng)的方向距離保護(hù)常采用故障點電氣量作為制動量，但該量的準(zhǔn)確獲取成為制約傳統(tǒng)保護(hù)研究的主要因素。文獻(xiàn)[5]選取故障后測得的電氣量，利用整定系數(shù)確定故障點電壓值，但這種計算值很不準(zhǔn)確；文獻(xiàn)[10]以整定范圍末端故障后的量作為動作的定值，由序網(wǎng)圖得到故障點處的電氣量，實際上也不精確。本文利用保護(hù)裝設(shè)端與對端的反序負(fù)序電流，求得整定點反序負(fù)序電壓作為判據(jù)量，即以保護(hù)安裝端反序負(fù)序分量為動作量，以對端反序負(fù)序分量為制動量，避開了傳統(tǒng)保護(hù)中因故障點信息無法準(zhǔn)確獲取而誤判的弊端，并附加測量誤差方程，使保護(hù)更加可靠、準(zhǔn)確。

由圖3 得，對于保護(hù)區(qū)內(nèi)故障（f1點），按式（1）求出m、n 側(cè)在整定點處的反序負(fù)序電壓，m 側(cè)電壓即曲線k1延長線上的整定點電壓量，因線性關(guān)系，從而使動作方程滿足；對于正向區(qū)外故障（f2點），按式（1）求出m、n 側(cè)電壓量，n 側(cè)電壓即曲線k2延長線上的整定點電壓量，不滿足動作方程，保護(hù)不會誤動。此外，對于區(qū)外故障，因反序負(fù)序電流良好特性，保護(hù)區(qū)段內(nèi)其理論值為0，但也會出現(xiàn)因測量誤差而滿足式（1）的假象，所以輔助判據(jù)方程式（3）很好地避免此類情況的發(fā)生。

由于利用了反序負(fù)序分量作為保護(hù)動作判據(jù)，該判據(jù)消除了零序互感與過渡電阻對距離保護(hù)的影響，且受負(fù)荷電流、系統(tǒng)振蕩、系統(tǒng)運行方式的因素影響也很小，同時又考慮到電源兩側(cè)不平衡電流的影響，從而具有很好的動作性能。

2.4 反序負(fù)序距離保護(hù)對于帶弱饋系統(tǒng)的同桿雙回線的適用性

在電網(wǎng)中部，同桿雙回線路所處的背端支撐電源一般都較強，而在電網(wǎng)的外圍、終端，線路所依靠的系統(tǒng)強弱差異很大，即會出現(xiàn)帶弱饋系統(tǒng)的情況。由于弱電源側(cè)系統(tǒng)阻抗很大，故障電流很小，極有可能因不能提供足夠的短路電流而使距離保護(hù)裝置無法啟動，從而影響了電網(wǎng)供電可靠性，甚至危及電網(wǎng)安全[11]。

由圖2 可見，在反序負(fù)序分量網(wǎng)絡(luò)圖中，線路兩端的系統(tǒng)阻抗為0，故可以削弱具有較大系統(tǒng)阻抗的弱饋系統(tǒng)對距離保護(hù)的影響，輔助判據(jù)量不會因系統(tǒng)阻抗增大而銳減，使保護(hù)可靠躲開不平衡電流。而且，因該距離保護(hù)同時具有針對普通雙回線的優(yōu)點，所以十分適用于帶弱饋系統(tǒng)的同桿雙回線路。

3 基于反序負(fù)序分量的縱聯(lián)距離保護(hù)

上述距離保護(hù)僅能在本線路的80%～85%長度范圍內(nèi)故障時動作，而其余15%～20%無法得到保護(hù)。然而，可以在反序負(fù)序分量距離保護(hù)的基礎(chǔ)上，增加通信接口和必要的動作邏輯實現(xiàn)縱聯(lián)距離保護(hù)，達(dá)到可靠保護(hù)全線的目的。

因上述反序負(fù)序距離保護(hù)可以靈敏地判斷故障區(qū)段，且適用于弱饋系統(tǒng)，故可利用欠范圍直接跳閘式的縱聯(lián)保護(hù)方式來保護(hù)全線，如圖4 所示[12]。線路兩端的欠范圍整定動作范圍要相互交叉。在正常運行情況下，m 端、n 端的發(fā)信機各發(fā)出一種閉鎖對端和通信連續(xù)監(jiān)視的閉鎖頻率信號。在線路內(nèi)部任一點發(fā)生故障時總有一端保護(hù)動作，動作后立即直接跳開本端線路斷路器，控制發(fā)信機將閉鎖頻率信號切換成跳閘頻率信號；未跳閘一端接收到此跳閘頻率信號后，通過“或”門跳開本端斷路器。該方法使用元件少，內(nèi)部故障時保護(hù)動作速度快。該縱聯(lián)距離保護(hù)融合了縱聯(lián)電氣量和縱聯(lián)邏輯信號兩種縱聯(lián)保護(hù)原理。首先，向?qū)Χ藗鬏斣摱说碾姎饬?，?jīng)新的縱聯(lián)距離保護(hù)原理判斷后，再向?qū)Χ藗鬏斶壿嬓盘枺龀鲎罱K判斷。

同時，由于該距離保護(hù)本身無選相功能，故障后如需選跳，則應(yīng)與另外的選相元件配合以形成整體保護(hù)方案。

圖4 基于反序負(fù)序分量的縱聯(lián)距離保護(hù)邏輯框圖Fig.4 Longitudinal distance protection logic diagram based on inverse directional negative sequence element

4 EMTP 仿真與分析

4.1 仿真模型及結(jié)果

系統(tǒng)模型如圖1 所示，電壓等級為220 kV，被保護(hù)線路全長為100 km，n 側(cè)為線路保護(hù)的弱電源側(cè)。母線m 側(cè)背后的系統(tǒng)參數(shù)為：Z1Sm=0+j8 Ω，Z0Sm=0+j4.16 Ω，弱饋側(cè)參數(shù)為：Z1Sn=853+j2 800 Ω，Z0Sn=263.2+j1 895 Ω，單回線的線路阻抗ZL1=0.034 16 + j0.347 8 Ω/km，ZL0= 0.058 21 + j0.400 8 Ω/km，雙回線間零序互感ZM=0.03+j0.581 2 Ω/km，線路導(dǎo)納Y1=1.663×10-5S/km，Y0=2.120×10-5S/km。距離繼電器的整定范圍為線路全長的80%，且兩端電源的電勢夾角φ 在0°～60°范圍內(nèi)變化（m 端超前）。

仿真結(jié)果顯示，線路不同區(qū)段發(fā)生各種故障如單回線路故障ⅠA、ⅠBC，跨線故障ⅠBⅡC、ⅠAⅡBC、ⅠAⅡABC、ⅠBCⅡABC）時，對于接地故障（直接接地和經(jīng)過渡電阻為200 Ω）和不接地故障，該縱聯(lián)距離保護(hù)均能正確動作。當(dāng)距端0～20 km內(nèi)故障，m 側(cè)保護(hù)檢測到故障，并帶動n 側(cè)動作；當(dāng)距m 端20～80 km 內(nèi)故障，m 側(cè)、n 側(cè)均能檢測到故障，并準(zhǔn)確動作；當(dāng)距m 端80～100 km 內(nèi)故障，n側(cè)保護(hù)檢測到故障，并帶動m 側(cè)動作；當(dāng)故障發(fā)生在線路mn 范圍外時，因無法滿足輔助判據(jù)式（4），兩側(cè)保護(hù)均不動作。

4.2 反序負(fù)序縱聯(lián)距離保護(hù)的性能分析與驗證

分別在3 種故障情況下，基于反序負(fù)序縱聯(lián)距離保護(hù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5～圖7 所示，其中φ=60°，t=0.01 s 時發(fā)生故障。圖中縱坐標(biāo)U˙即判據(jù)公式中的

故障情況1：圖5 為距m 端75 km 處ⅠA_G故障時，m、n 側(cè)保護(hù)裝置的動作量和制動量曲線。由圖可以看出，m 側(cè)保護(hù)雖然處于保護(hù)范圍末端，但仍能可靠滿足動作方程；n 側(cè)保護(hù)更易滿足判據(jù)方程，從而使縱聯(lián)保護(hù)動作，兩側(cè)保護(hù)對其構(gòu)成冗余系統(tǒng)。因此該保護(hù)原理可靠性較高。

圖5 距m 端75 km 處ⅠA 金屬性接地故障時仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of ⅠA phase grounding by metallic resistance 75 km from m

故障情況2：圖6 為距m 端25 km 處ⅠBC 故障，經(jīng)過渡電阻（Rg=200 Ω）與金屬性接地情況下m 側(cè)保護(hù)的判據(jù)值曲線。由圖5 看出，在上述2 種接地情況中，保護(hù)測得的動作量制動量曲線相差不大，即該保護(hù)不因過渡電阻的存在而受干擾，抗過渡電阻能力強。

故障情況3：圖7 為距端50 km 處ⅠAⅡBC 故障時m、n 側(cè)保護(hù)裝置的動作量和制動量曲線。因m 側(cè)為大電源，n 側(cè)為弱電源，即對于背側(cè)為大電源與弱電源情況，距故障點相同距離時，保護(hù)所測得的動作量與制動量的曲線完全重合，故該保護(hù)原理不受帶弱電源的影響，避免了弱饋系統(tǒng)銳減短路電流的作用，適用于弱饋系統(tǒng)。

5 結(jié)語

本文利用六序分量法，提出了一種適用于同桿雙回線的反序負(fù)序縱聯(lián)距離保護(hù)新原理。由于反序負(fù)序分量存在于不對稱故障的全過程，所以反序負(fù)序縱聯(lián)保護(hù)能可靠地反映不對稱故障，即對于雙回線中，除單回線對稱故障和同名相跨線故障外，發(fā)生不對稱的單回線故障與跨線故障時，不僅消除了零序互感的干擾，且抗過渡電阻能力強，同時對于弱饋系統(tǒng)具有很好的適用性。理論分析與大量的EMTP 仿真試驗證明，此縱聯(lián)距離保護(hù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域具有良好的性能。

圖6 距m 端25 km 處ⅠAⅡBC 經(jīng)過渡電阻與金屬性接地故障時仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of ⅠAⅡBC phase grounding by fault resistance and metallic resistance 25 km from m

圖7 距m 端50 km 處ⅠAⅡBC 故障仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of ⅠA ⅡBC phase fault 50 km from m

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