李世龍 陳 衛(wèi) 鄒 耀 尹項(xiàng)根 陳德樹

(強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)) 武漢 430074)

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同桿并架線路阻抗比橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)研究

李世龍 陳 衛(wèi) 鄒 耀 尹項(xiàng)根 陳德樹

(強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)) 武漢 430074)

傳統(tǒng)同桿并架電流橫聯(lián)差動(dòng)(橫差)保護(hù)存在靈敏度低、相繼動(dòng)作區(qū)較大等不足，難以滿足高電壓等級(jí)和考慮線路參數(shù)不對(duì)稱同桿并架線路的要求。該文提出一種利用阻抗比即同相測(cè)量阻抗差與同相測(cè)量阻抗和之比構(gòu)成的橫差保護(hù)判據(jù)，分析該判據(jù)較少受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響、相繼動(dòng)作區(qū)小的原因，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。理論研究和PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果表明，與電流橫差相比，阻抗比橫差能夠顯著縮小相繼動(dòng)作區(qū)的大小，具有原理簡(jiǎn)單、可靠性高、適用于參數(shù)不對(duì)稱線路的優(yōu)點(diǎn)。

同桿并架 參數(shù)不對(duì)稱線路 阻抗比橫差 故障選線 相繼動(dòng)作區(qū)

0 引言

同桿并架線路具有線路走廊窄、輸送容量大、投資少見(jiàn)效快、供電可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1，2]。因此同桿并架線路繼電保護(hù)及其相關(guān)原理一直受到廣大繼電保護(hù)工作者的關(guān)注[3-9]。分相電流差動(dòng)保護(hù)按相比較線路兩側(cè)電流的幅值和相位，具有良好的選相能力，目前廣泛用于同桿并架輸電線路，但其過(guò)于依賴通信通道的同步信息傳輸，且對(duì)于超高壓長(zhǎng)線及線路分布電容也存在一定影響[10，11]。考慮到保護(hù)雙重化配置的要求，對(duì)于同桿并架線路其他原理的保護(hù)，目前仍有不少學(xué)者從事該方面的研究并取得了一定的研究成果：將單回線的縱聯(lián)距離(方向)保護(hù)應(yīng)用于同桿并架線路，對(duì)通信通道要求相對(duì)較低，但受零序互感影響較大，保護(hù)配置和整定方案復(fù)雜[10-12]。對(duì)于反映電網(wǎng)接地故障的方向縱聯(lián)零序保護(hù)，靈敏度較高，但受線路互感影響大，不平衡零序電流增大會(huì)嚴(yán)重影響保護(hù)正確動(dòng)作，且不具備選相跳閘功能[13-15]?；诹蚍至康谋Ｗo(hù)將雙回線路的對(duì)稱分量分解為同序量和反序量，由此構(gòu)成的保護(hù)原理，具有受短路點(diǎn)過(guò)渡電阻和線間互感影響小，選相靈敏度較高的優(yōu)點(diǎn)[15]，但其假設(shè)前提為同桿并架線路參數(shù)對(duì)稱，在實(shí)際工程中過(guò)于理想且計(jì)算量較大，其推廣應(yīng)用還有待更深入的研究[16-20]。比較單側(cè)兩回線的電流構(gòu)成的橫聯(lián)保護(hù)，可分為橫聯(lián)方向差動(dòng)保護(hù)和電流平衡保護(hù)兩種形式，具有不依賴保護(hù)通信通道的優(yōu)點(diǎn)[21-25]，但存在較大的相繼動(dòng)作區(qū)，動(dòng)作特性不太理想。文獻(xiàn)[26]提出一種不依賴通信的基于序電流和電流突變量的橫聯(lián)保護(hù)原理，用以解決相繼動(dòng)作過(guò)程中保護(hù)的正確動(dòng)作問(wèn)題。綜上可見(jiàn)，目前已有一些針對(duì)同桿并架線路的保護(hù)原理，但由于同桿并架輸電線路的特殊性以及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的復(fù)雜性，現(xiàn)有各種保護(hù)原理仍有待進(jìn)一步完善。

本文在現(xiàn)有橫聯(lián)保護(hù)的基礎(chǔ)上，提出一種原理簡(jiǎn)單、可靠性高、適用于各種參數(shù)不對(duì)稱線路、基于阻抗比的橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理。該保護(hù)方案利用相測(cè)量阻抗分量，通過(guò)測(cè)量阻抗和/差比構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，不需計(jì)算精確的線路正序阻抗值，不依賴通信通道且適用于參數(shù)不對(duì)稱同桿并架線路。與傳統(tǒng)的基于電流量的橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)相比，能顯著縮小相繼動(dòng)作區(qū)。另外，還通過(guò)建立同桿并架線路相間自互感仿真模型，對(duì)所提出的保護(hù)原理進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該原理的有效性。

1 阻抗比橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理

基于阻抗比的橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)判據(jù)由故障相兩回線的測(cè)量阻抗模值差與模值和之比構(gòu)成，以在線路末端發(fā)生不同類型故障時(shí)測(cè)量阻抗比的最大值乘以可靠系數(shù)作為整定值。故障發(fā)生后，對(duì)故障相分別利用阻抗比橫差進(jìn)行判斷，若故障發(fā)生在輸電線路同桿并架段內(nèi)部，則測(cè)量的阻抗比大于整定值，且故障發(fā)生點(diǎn)距保護(hù)安裝點(diǎn)越近，測(cè)量阻抗比橫差值越大；若故障發(fā)生在同桿并架段外部，測(cè)量阻抗比小于整定值。

兩回線同桿并架線路的短路故障類型共120種。為簡(jiǎn)化分析，將雙回線間正序互感可忽略的平行雙回線作為對(duì)象，以單回線三相金屬性短路接地故障為例進(jìn)行建模分析，其示意圖如圖1所示。對(duì)其中的φ(A、B、C)相電路進(jìn)行簡(jiǎn)化等效，簡(jiǎn)化電路模型如圖2所示，其中，f點(diǎn)為故障發(fā)生點(diǎn)；E為M側(cè)和N側(cè)的電源電壓；ZSM、ZSN分別為M側(cè)系統(tǒng)和N側(cè)系統(tǒng)等值阻抗；Z1為非故障線路的線路阻抗；Z2、Z3分別為故障點(diǎn)f到M側(cè)母線和N側(cè)母線的線路阻抗。

圖1 同桿并架線路示意圖Fig.1 The diagram of transmission line on the same tower

圖2 金屬性三相接地故障等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model of bolted fault

1.1 保護(hù)判據(jù)

(1)

令Kφrela-set為阻抗比橫差判據(jù)整定值、Kφrela-end為線路正常運(yùn)行時(shí)同桿并架線路末端發(fā)生不同類型短路故障時(shí)的最大阻抗比橫差值，則整定值可寫為

Kφrela-set=Krel×Kφrela-end

(2)

式中，Krel為可靠系數(shù)，取值范圍為1.1～1.3，與測(cè)量裝置及信號(hào)傳變的準(zhǔn)確度有關(guān)，取值越大相繼動(dòng)作區(qū)越大，取值越小相繼動(dòng)作區(qū)越小。實(shí)際應(yīng)用中，為了避免整定值與零進(jìn)行比較，必要時(shí)可增加一個(gè)適當(dāng)?shù)墓潭ㄩT檻，此處不再展開(kāi)論述。當(dāng)某相的測(cè)量阻抗比Kφrela>Kφrela-set， 則此相故障發(fā)生在同桿并架線路區(qū)段內(nèi)。反之則無(wú)故障發(fā)生或故障發(fā)生在同桿并架區(qū)段外，同桿并架區(qū)段的保護(hù)不動(dòng)作。

1.2 選線方案

當(dāng)保護(hù)判據(jù)滿足時(shí)故障發(fā)生在同桿并架區(qū)段內(nèi)部，此時(shí)可進(jìn)一步根據(jù)故障線路的測(cè)量阻抗選出故障線路。

M側(cè)φ相母線測(cè)量電壓為

Uφmec=E-ZSM×(If+Inf)

(3)

式中，Inf為流過(guò)φ相非故障回線的電流；If為流過(guò)φ相故障回線的電流。

φ相故障回線側(cè)量阻抗為

(4)

式中，Zmecf為故障相中故障回線的測(cè)量阻抗值。

φ相非故障回線側(cè)量阻抗為

(5)

式中，Zmecn為故障相中非故障回線的測(cè)量阻抗值。

(6)

式中

Zeq3=ZSM×Z1×Z3+ZSM×Z2×Z3+ZSM×

Z1×ZSN+ZSM×Z3×ZSN+Z1×Z2×Z3+

Z1×Z2×ZSN+Z2×Z3×ZSN+ZSM×ZSM×Z3

基于阻抗比的橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的流程為：故障發(fā)生后，首先由選相元件選出發(fā)生故障的故障相別，取母線處同名相電流之和，雙回線上的故障等效為綜合單回線的故障，利用傳統(tǒng)選相方法進(jìn)行選相；然后利用基于阻抗比的橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)對(duì)故障相進(jìn)行選線，判斷故障是否發(fā)生在同桿并架線路區(qū)段內(nèi)；若發(fā)生在同桿并架線路區(qū)段內(nèi)，則進(jìn)一步判斷故障發(fā)生于故障相的哪一回線，之后對(duì)故障線路的斷路器發(fā)出跳閘命令；若故障點(diǎn)未在同桿并架線路區(qū)段內(nèi)則本保護(hù)不動(dòng)作，故障通過(guò)其他保護(hù)邏輯切除。

2 原理特性分析

以圖2所示的單回線三相金屬性短路接地故障為例，對(duì)阻抗比橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的原理特性進(jìn)行分析。

列寫電路方程，可求解得到Inf、If的表達(dá)式

(7)

(8)

式中，

Zeq1=(ZSM×Z1×Z3+ZSM×Z2×Z3+ZSM×Z1×

ZSN+ ZSM×Z2×ZSN+ZSM×Z3×ZSN+Z1×

Z2×Z3+Z1×Z2×ZSN+Z2×Z3×ZSN)

若利用傳統(tǒng)電流橫差保護(hù)，橫差電流為

(9)

測(cè)量阻抗的物理意義為線路自感和互感共同作用后整條線路所表現(xiàn)出的總阻抗。

φ相的阻抗比為

(10)

式中

Zeq2=(ZSM×Z1×Z3+ZSM×Z2×ZSN+

Z2×Z2×ZSN+ ZSM×Z1×ZSN+

ZSM×Z3×ZSN+Z1×Z2×Z3+

Z1×Z2×ZSN+Z2×Z3×ZSN)

下面分析阻抗比與M側(cè)系統(tǒng)阻抗ZSM和M側(cè)母線與故障點(diǎn)之間的線路阻抗Z2之間的關(guān)系，即阻抗比與本側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障發(fā)生位置的關(guān)系。根據(jù)式(5)做出反映三者關(guān)系三維曲面圖，如圖3所示。其中d為故障點(diǎn)位置距M側(cè)母線距離的標(biāo)幺值，其基準(zhǔn)值為同桿并架線路總長(zhǎng)度；ZSM為M側(cè)系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值；Krela為阻抗比橫差值。

圖3 阻抗比與本側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障位置關(guān)系Fig.3 The relationship between ratio of impedance，M side system impedance and fault position

由圖3可知，當(dāng)本側(cè)運(yùn)行方式固定時(shí)，阻抗比隨故障位置遠(yuǎn)離M側(cè)母線而變?。划?dāng)故障位置固定時(shí)，阻抗比隨本側(cè)運(yùn)行方式變小(即電源阻抗變大)而變大；本側(cè)運(yùn)行方式越小，阻抗比受故障點(diǎn)位置改變的影響越大。同理分析阻抗比與N側(cè)內(nèi)阻ZSN和Z2的關(guān)系，即阻抗比與對(duì)側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障發(fā)生位置的關(guān)系。根據(jù)式(5)做出反映三者關(guān)系三維曲面圖，如圖4所示。其中ZSN為N側(cè)阻抗標(biāo)幺值。

圖4 阻抗比與對(duì)側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障位置關(guān)系Fig.4 The relationship between ratio of impedance， operation mode and fault position

由圖4可知，當(dāng)對(duì)側(cè)運(yùn)行方式固定時(shí)，阻抗比值隨故障位置遠(yuǎn)離M側(cè)而變??；當(dāng)故障位置固定ZSN標(biāo)幺值小于0.5時(shí)，阻抗比隨對(duì)側(cè)運(yùn)行方式變小而變小，當(dāng)ZSN標(biāo)幺值大于0.5后，阻抗比值受對(duì)側(cè)運(yùn)行方式影響較小。

阻抗比橫差與電流橫差的保護(hù)特性對(duì)比如圖5所示，根據(jù)式(4)、式(5)做出二者受故障發(fā)生位置影響的對(duì)比曲線圖，如圖5a所示。其中，線路阻抗標(biāo)幺值設(shè)為1，M側(cè)系統(tǒng)阻抗為0.2，N側(cè)系統(tǒng)阻抗為0.8，橫坐標(biāo)d表示故障點(diǎn)位置到M側(cè)母線距離的標(biāo)幺值。根據(jù)式(4)、式(5)做出二者受本側(cè)運(yùn)行方式影響的對(duì)比曲線圖，如5b所示。其中，線路阻抗標(biāo)幺值設(shè)為1，N側(cè)系統(tǒng)阻抗為0.8，故障發(fā)生點(diǎn)距N側(cè)距離為線路全長(zhǎng)的0.05。

圖5 阻抗比橫差與電流橫差保護(hù)特性對(duì)比Fig.5 Comparison of the proposed protection method and current transverse differential method

由圖5的對(duì)比結(jié)果可知，故障點(diǎn)發(fā)生位置和本側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)阻抗比的影響明顯小于其對(duì)橫差電流的影響。對(duì)于圖5a，故障發(fā)生于線路末端即靠近N側(cè)時(shí)，橫差電流曲線趨于平緩，變化微小，因此對(duì)于線路末端故障位置識(shí)別能力弱，故而造成相繼動(dòng)作區(qū)較大的結(jié)果；阻抗比曲線在線路末端故障時(shí)的單調(diào)性明顯，因此對(duì)于靠近線路末端的故障點(diǎn)位置具有更強(qiáng)的識(shí)別能力。對(duì)于圖5b，本側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式變化時(shí)，橫差電流曲線的變化范圍明顯大于阻抗比曲線的變化范圍，由此說(shuō)明，阻抗比橫差保護(hù)受本側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響小于電流橫差保護(hù)，因此有利于縮小阻抗比橫差保護(hù)的相繼動(dòng)作區(qū)。對(duì)于振蕩情況，本文所提橫聯(lián)保護(hù)方法不會(huì)受到影響。橫聯(lián)保護(hù)原理的本質(zhì)是考慮兩個(gè)同意義物理量的差值大小。當(dāng)無(wú)故障或故障發(fā)生在同桿并架區(qū)段外部，系統(tǒng)振蕩時(shí)，雖然電壓量和電流量在不斷的變化，但此變化是基本相同的，阻抗比橫差值基本為0，此時(shí)保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。當(dāng)故障發(fā)生在同桿并架區(qū)段內(nèi)部時(shí)，阻抗比橫差值不再是一個(gè)恒定值，但在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)明顯高于整定值，仍能使保護(hù)正確動(dòng)作，故系統(tǒng)振蕩對(duì)本文所提阻抗比橫差保護(hù)無(wú)影響。對(duì)于雙回線一回檢修等非全線運(yùn)行工況，此時(shí)由于構(gòu)成橫聯(lián)差動(dòng)的條件不再滿足，橫聯(lián)保護(hù)需退出運(yùn)行，應(yīng)由其他類型保護(hù)方案進(jìn)行保護(hù)。

綜上所述，與電流橫差相比，阻抗比橫差受本側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式變化影響較小，且在線路末端故障時(shí)有更強(qiáng)的故障識(shí)別能力，因此阻抗比橫差的相繼動(dòng)作區(qū)較電流橫差保護(hù)更小，有利于在盡可能大的保護(hù)范圍內(nèi)無(wú)延時(shí)切除故障。當(dāng)然，由于本保護(hù)需用到電壓測(cè)量元件，也會(huì)面臨出口故障死區(qū)的問(wèn)題，此時(shí)還需要利用其他補(bǔ)充判據(jù)加以彌補(bǔ)。

3 仿真分析

3.1 仿真驗(yàn)證

第2節(jié)分析了最簡(jiǎn)單的工況，本節(jié)將通過(guò)仿真手段全面考核其他復(fù)雜工況下阻抗比橫差保護(hù)判據(jù)的適用情況。

利用電磁暫態(tài)仿真軟件EMTDC/PSCAD建立如圖2所示的仿真系統(tǒng)模型，線路長(zhǎng)度150 km，電壓等級(jí)500 kV。測(cè)量M側(cè)三相母線電壓和六回輸電線電流。對(duì)各種工況下不同故障類型短路故障進(jìn)行仿真，同桿并架輸電線路的故障種類共有120種，仿真中以包含A相的故障型為例，進(jìn)行單相短路故障、單回線兩相短路故障、跨線兩相短路故障、單回線三相短路故障、跨線三相短路故障及跨線四相短路故障的仿真實(shí)驗(yàn)，以線路阻抗作為基準(zhǔn)值1。仿真中除考慮一般工況外，還考慮到電源為極弱饋或短線路情況下的阻抗比橫差保護(hù)是否可行。故將系統(tǒng)阻抗的變化范圍設(shè)定為0.2～3。小運(yùn)行方式下經(jīng)過(guò)渡電阻故障和大運(yùn)行方式下金屬性故障為最嚴(yán)重和最輕微兩種極端故障情況，仿真中設(shè)置過(guò)渡電阻阻值為300 Ω，仿真并記錄各種故障類型情況下不同故障發(fā)生位置處的仿真結(jié)果，得到各種故障情況下從強(qiáng)電源端測(cè)得的測(cè)量阻抗比值。同桿并架線路為參數(shù)不對(duì)稱線路，線路導(dǎo)線為逆序排列，6根輸電線路和2根地線的自互感阻抗矩陣z如下

3.2 仿真結(jié)果及分析

3.2.1 阻抗比橫差保護(hù)特性分析

首先對(duì)比理論分析值與仿真結(jié)果。將仿真得到的三相金屬性接地故障仿真結(jié)果與第2節(jié)的建模分析值進(jìn)行對(duì)比，以大運(yùn)行方式下二回線三相金屬性短路接地為例，得到建模值與仿真值的對(duì)照曲線,如圖6所示。其中，橫坐標(biāo)d為障點(diǎn)距M側(cè)母線距離的標(biāo)幺值，d為0時(shí)表示故障發(fā)生在M側(cè)線路出口處，d為1時(shí)表示故障發(fā)生在N側(cè)母線處。

圖6 仿真值與等效電路模型分析值對(duì)照曲線Fig.6 Value curve of simulation and equivalent circuit model

圖6表明，橫坐標(biāo)值大于0.2時(shí)，仿真值與簡(jiǎn)化電路模型計(jì)算值吻合程度良好，即故障點(diǎn)位置到M側(cè)母線距離大于線路全長(zhǎng)20%時(shí)，簡(jiǎn)化電路分析結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。簡(jiǎn)化模型忽略線間互感，因此在故障位置小于20%的范圍內(nèi)仿真值與理論相差較大。本文研究重點(diǎn)是接近線路末端的短路故障，因此所建立的簡(jiǎn)化電路模型能夠反映實(shí)際情況。

本保護(hù)判據(jù)由測(cè)量量的幅值構(gòu)成，過(guò)渡電阻主要影響故障電流大小，而對(duì)于故障電流分配系數(shù)無(wú)影響。本保護(hù)利用母線處測(cè)量阻抗幅值差和比構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，可極大程度上降低過(guò)渡電阻對(duì)保護(hù)判據(jù)的影響。以系統(tǒng)相同運(yùn)行方式下的IAIIBG故障為例，對(duì)比經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障和金屬性接地故障情況下的A相阻抗比值變化曲線，如圖7所示。

圖7 過(guò)渡電阻對(duì)保護(hù)判據(jù)的影響曲線Fig.7 The relationship between ratio of impedance and fault resistance

圖7的仿真結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)渡電阻接地的故障相阻抗比值會(huì)略小于金屬性接地的阻抗比值，此差異與故障點(diǎn)位置有關(guān)，越靠近線路末端此差異越小，但總體來(lái)看過(guò)渡電阻對(duì)本保護(hù)判據(jù)的影響較小，本保護(hù)原理有較強(qiáng)的帶過(guò)渡電阻能力。

下面對(duì)3.1節(jié)中提到的短路故障在不同位置發(fā)生時(shí)的阻抗比進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。大量仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)設(shè)定整定值后，大運(yùn)行方式下經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障的保護(hù)范圍最小，小運(yùn)行方式金屬性故障接地的保護(hù)范圍最大。以包含A相的故障為例，做出大運(yùn)行方式經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障情況中的Ⅰ回線A相接地故障(1AG)和小運(yùn)行方式金屬性接地故障情況中的Ⅰ回線A相跨Ⅱ回線B相C相故障(1A2BCG)兩種情況下阻抗比隨故障點(diǎn)位置變化的曲線，如圖8所示，其他工況下的阻抗比曲線均在這兩條曲線所包圍的范圍內(nèi)。

圖8 不同故障情況時(shí)阻抗比隨故障點(diǎn)距離變化Fig.8 The ratio of impedance transverse differential changed with fault position

圖8中，曲線①和曲線②分別表示大運(yùn)行方式經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障時(shí)的1AG和小運(yùn)行方式經(jīng)金屬性接地故障時(shí)的1A2BCG；直線③表示整定值；直線④代表穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)阻抗比值。由圖8可知，在最不利于保護(hù)動(dòng)作的大運(yùn)行方式經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障情況下保護(hù)范圍約為同桿并架線路總長(zhǎng)度的85 %，且保護(hù)動(dòng)作整定值遠(yuǎn)高于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的阻抗比值，可避免保護(hù)誤動(dòng)發(fā)生。

對(duì)阻抗比橫差保護(hù)動(dòng)作過(guò)程的仿真以小運(yùn)行方式經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障的Ⅰ回線A相短路接地為例，仿真保護(hù)動(dòng)作過(guò)程中阻抗比變化情況，如圖9所示。

圖9 保護(hù)動(dòng)作中的阻抗比及相關(guān)電氣量仿真Fig.9 The simulation diagram of the ration of impedance transvers differential and related electrical quantities when protection acts

圖9所示的4個(gè)曲線圖依次為A相左側(cè)測(cè)量電壓值、Ⅰ回Ⅱ回線A相左側(cè)電流測(cè)量值、左側(cè)三相阻抗比、Ⅰ回線A相斷路器跳閘信號(hào)觸發(fā)情況及斷路器狀態(tài)。其中，被保護(hù)線路0.35 s發(fā)生故障；故障前各相阻抗比均很小接近于零；0.35 s之后故障相A相阻抗比值明顯增加；考慮到保護(hù)算法、邏輯等延時(shí)的影響，在故障發(fā)生接近0.05 s時(shí)動(dòng)作切除故障線，此時(shí)故障相阻抗比接近0.4，遠(yuǎn)大于整定值，因此保護(hù)可準(zhǔn)確選出故障線并予以切除；跳閘后故障相阻抗比近似等于1，非故障相阻抗比仍無(wú)明顯變化。由此表明，本文中通過(guò)計(jì)算故障相阻抗比的保護(hù)選線方法可使保護(hù)迅速準(zhǔn)確選出故障線路。

3.2.2 阻抗比橫差與電流橫差對(duì)比分析

仿真驗(yàn)證了理論分析中關(guān)于兩種保護(hù)方案分別受系統(tǒng)阻抗和故障點(diǎn)位置影響程度的結(jié)論正確性，仿真結(jié)果如圖10所示，圖中的變量和仿真結(jié)果分別進(jìn)行標(biāo)幺化處理，阻抗比和橫差電流的基準(zhǔn)值分別為各自仿真結(jié)果中所出現(xiàn)的最大值。

圖10a所示的仿真結(jié)果表明，當(dāng)故障位于線路末端時(shí)，阻抗比值曲線仍保持單調(diào)性而橫差電流曲線趨于平緩，隨故障點(diǎn)位置變化不明顯，即阻抗比橫差對(duì)于線路末端故障的判別更有優(yōu)勢(shì)；圖10b所示的仿真結(jié)果表明，當(dāng)本側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式改變時(shí)，阻抗比相比橫差電流發(fā)生的變化更小，即阻抗比橫差受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響程度更小。圖10中的仿真結(jié)果證實(shí)了上文理論分析中阻抗比橫差對(duì)于故障點(diǎn)發(fā)生位置的判別更為準(zhǔn)確，受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響小，有利于縮小相繼動(dòng)作區(qū)的結(jié)論。

圖10 阻抗比橫差值與電流橫差保護(hù)特性仿真對(duì)比Fig.10 Simulation comparison of the proposed protection method and current transverse differential method

進(jìn)一步通過(guò)仿真驗(yàn)證比較兩種橫差保護(hù)在系統(tǒng)工況大范圍變化情況下的相繼動(dòng)作區(qū)大小，仿真設(shè)定系統(tǒng)阻抗從0.2～3變化的極端工況，此時(shí)阻抗比橫差保護(hù)的保護(hù)范圍整定方法與3.2.1節(jié)相同。與傳統(tǒng)電流橫差保護(hù)相繼動(dòng)作區(qū)范圍對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 不同保護(hù)方法相繼動(dòng)作區(qū)大小對(duì)照Tab.1 The comparison table of successive action area in different protection method

由表1可知，當(dāng)考慮系統(tǒng)阻抗大范圍變化的極端情況后，電流橫差保護(hù)的相繼動(dòng)作區(qū)大于50%，失去保護(hù)作用；阻抗比橫差保護(hù)相繼動(dòng)作區(qū)為20%左右，仍能可靠保護(hù)線路全長(zhǎng)，與電流橫差相比，阻抗比橫差保護(hù)方案的優(yōu)勢(shì)明顯，能夠運(yùn)用在電壓等級(jí)高、運(yùn)行方式變化大的電力系統(tǒng)中。

4 結(jié)論

本文利用單端相測(cè)量阻抗的和差比，形成橫聯(lián)差動(dòng)判據(jù)，并以此為基礎(chǔ)提出了一種橫差動(dòng)保護(hù)方案。理論和仿真分析表明：與傳統(tǒng)電流橫差保護(hù)相比能夠顯著縮小相繼動(dòng)作區(qū)，縮短保護(hù)動(dòng)作時(shí)限，提高保護(hù)性能。該方案有簡(jiǎn)單直觀、受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響較小、對(duì)線路末端故障發(fā)生位置識(shí)別能力高、帶過(guò)渡電阻能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

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Transverse Differential Protection Based on the Ratio of Impedance for Double Circuit Lines on the Same Tower

Li Shilong Chen Wei Zou Yao Yin Xianggen Chen Deshu

(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China)

Traditional current transverse differential protection has low sensitivity and long successive operating zone.So it has shortages when applied to the high-voltage and electrical parameters asymmetry power systems.A new transverse differential protection based on the ratio of measurement impedance，i.e.the sum of measurement impedance to the difference between the measurement impedance，is proposed.The proposed scheme is unaffected by system impedance to a large extent,and has a short successive operation zone.The paper analyzes the reason for this and completes simulation research.Theoretical analysis and PSCAD/EMTDC simulation show that，compared with traditional current transverse differential protection，the ratio of measurement impedance can decrease the successive operating zone obviously.The proposed integrated protection scheme is simple，rapid，reliable，and easy to realize.

Double circuit lines on the same tower，electrical parameters asymmetry line，the ratio of impedance transverse differential，fault line selection，successive operating zone

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51277085)。

2015-06-07 改稿日期2015-10-14

TM77

李世龍 男，1989年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。

E-mail：shilonglee@foxmail.com(通信作者)

陳 衛(wèi) 男，1970年生，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)、故障暫態(tài)分析、仿真與建模等。

E-mail：weichen@hust.edu.cn