平行互感線路縱聯(lián)零序方向保護(hù)動作行為分析

孟恒信,郭潤生,賀廣智

(1.山西電力科學(xué)研究院,山西太原 030001;2.朔州供電分公司 ,山西朔州 036002)

1 平行有互感線路的分類及其電氣模型

根據(jù)兩條平行有互感線路之間的電氣聯(lián)接方式,可將其分為以下三種情況。一種是兩平行有互感線路之間只存在互感,并沒有直接電聯(lián)系的線路,如圖1所示。另一種則是兩平行有互感線路之間不但存在互感,而且在線路一端還有直接電的聯(lián)系,如圖2所示。這兩種情況應(yīng)同屬于弱電強(qiáng)磁連接的系統(tǒng)方式,只是第一種方式弱電達(dá)到了極限。第三種方式為強(qiáng)電強(qiáng)磁連接的系統(tǒng)方式,如圖3所示,這是一種常見的兩站之間的同桿并架雙回線路。

由于在同一線路上三相導(dǎo)線之間的互感接近相等,非故障線路上感應(yīng)電動勢中不含 (或者含很小)正序分量和負(fù)序分量,只有零序分量[1]。因此,下面只分析接地故障期間故障線路和非故障線路的零序分量。

根據(jù)不同的系統(tǒng)接線方式,兩條平行線路之間的互感電勢影響程度也不同,下面就以這三種接線方式為模型,結(jié)合利用DDRTS電力系統(tǒng)數(shù)字電磁暫態(tài)仿真的仿真結(jié)果,對這三種接線方式下線路兩端的零序電流、零序電壓相位關(guān)系進(jìn)行分析。

圖1 無電磁聯(lián)系平行互感線路

圖2 弱電強(qiáng)磁聯(lián)系平行互感線路

圖3 強(qiáng)電強(qiáng)磁聯(lián)系平行互感線路

圖中的S1、S2、S3為系統(tǒng)等值電源;B1、B2為等值變壓器;TA1、TA2、TA3、TA4為電流互感器;TV1、TV2、TV3、TV4為電壓互感器;L1、L1'、L2、L2'分別代表線路 1和線路2有互感部分和無互感部分;Break1、2、3、4分別代表4臺模擬斷路器;A、B、M、N分別代表4個(gè)變電站的4條母線。

2 沒有電聯(lián)系互感線路的縱聯(lián)零序方向保護(hù)動作行為分析

對于如圖1所示的沒有電聯(lián)系的互感線路,當(dāng)其中一條線路發(fā)生故障期間的零序網(wǎng)絡(luò)等值電路可以用圖4表示。如果規(guī)定母線流向線路為正時(shí),故障線路的實(shí)際零序電流方向是從故障點(diǎn)流向線路兩端,如圖4a所示。非故障線路感應(yīng)電動勢的極性端靠近故障點(diǎn)側(cè),非極性端靠近母線側(cè)[1],即其零序電流方向?yàn)閺哪妇€流向線路,如圖4b所示。

2.1 A站和M站母線零序電壓和零序電流向量分析

為了便于比較,先分析故障點(diǎn)同一側(cè)線路 L1和L2的A站和M站母線零序電壓和電流相位關(guān)系。由圖4可以看出,A站零序電流實(shí)際方向是從故障點(diǎn)流向母線,與規(guī)定的正方向相反,且母線側(cè)電壓高。M站零序電流實(shí)際方向是從地流向母線,與規(guī)定方向一致,且母線側(cè)電壓低。兩個(gè)站的零序電壓表達(dá)式如 (1)、(2)式所示。

A站母線零序電壓為

M站母線零序電壓

圖4 故障和非故障線路零序電流流向示意圖

為了能更清楚地說明問題,利用DDRTS電力系統(tǒng)數(shù)字電磁暫態(tài)仿真程序?qū)D1所示的系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)仿真,仿真系統(tǒng)模型參數(shù)為一實(shí)際系統(tǒng)互感線路參數(shù),其仿真結(jié)果如圖6所示。圖6的上半部分為零序電壓仿真波形,下半部分為零序電流仿真波形?？梢钥闯?與圖5向量圖表示的一致,即兩站的零序電壓和零序電流均反向,且兩站的零序電流均超前零序電壓100°左右。

圖5 A、M站母線零序電壓、電流向量

圖6 A站和M站母線零序電壓仿真波形

2.2 B站和N站母線零序電壓和零序電流向量分析

由圖4可以看出,B站零序電流從故障點(diǎn)——母線流入地,母線側(cè)電壓高,電流與規(guī)定的正方向相反,N站零序電流同樣從母線流入地,母線側(cè)電壓高,電流與規(guī)定方向相反,所以,兩個(gè)站的零序電壓表達(dá)式如 (3)、(4)式表示。

B站和N站母線零序電壓為

可用圖7所示向量圖來表示。

圖7 B、N站母線零序電壓、電流向量

同樣利用圖1所示仿真模型和參數(shù)的動態(tài)仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖7和圖8可以看出,B站和N站母線零序電壓同方向,兩線路零序電流也同方向,且兩站的零序電流均超前零序電壓100°左右。

綜合上述四個(gè)站的零序電壓、電流向量和仿真波形可以看出,故障線路L1兩側(cè)零序電流均超前零序電壓100°左右,為區(qū)內(nèi)接地故障特征。非故障線路兩側(cè)零序電流同樣也均超前零序電壓100°左右,也呈現(xiàn)為區(qū)內(nèi)接地故障特征。因此,反映零序電流方向的縱聯(lián)零序方向保護(hù)必然誤動,必須采取措施防止其誤動。

圖8 B站和N站母線零序電壓仿真波形

3 有電聯(lián)系互感線路縱聯(lián)零序方向保護(hù)動作行為分析

對于如圖2所示的有電聯(lián)系的平行互感線路,當(dāng)其中一條線路發(fā)生接地故障時(shí)的零序網(wǎng)絡(luò)等值電路可以用圖9來表示。為了分析方便,將線路上的零序電流分成兩部分來描述,一部分為線路沒有互感時(shí)的故障零序電流,另一部分為互感零序電流。兩條線的互感電勢極性均是靠近故障側(cè)為正。此時(shí)故障線路的故障電流I0A、I0B從故障點(diǎn)流向線路兩端,互感電流I0Am從A站流向B站,如圖9上半部分所示。非故障線路故障電流I0NM從N站流向M站,互感電流I0Mm從M站流向N站。各端母線的零序電壓均由這兩個(gè)電流在系統(tǒng)零序阻抗上的壓降合成。

A站母線零序電壓UA0=-IA0ZAS0-I0AmZAS0,M站母線零序電壓UM0=-I0MNZMS0-I0MmZMS0,B、N站母線零序電壓UB0=I0B′ZS0-I0Sm′ZS0。

圖9 故障線路零序電流流向示意圖

其中,I0B′為流過B(N)站系統(tǒng)零序阻抗上的電流,I0B′=I0B-I0NM;I0Sm′為流過B(N)站系統(tǒng)零序阻抗上的互感電流,I0Sm′=I0Am+I0Mm。

由于故障線路的故障電流相對互感電流大,非故障線路故障電流相對互感電流小,因此,可以畫出A站和M站母線零序電流、電壓向量如圖10a所示,假定故障前系統(tǒng)空載,互感電流近似認(rèn)為與故障電流同向或反向。圖10b為利用圖2仿真模型動態(tài)波形。

由圖10可以看出,向量圖與仿真波形圖一致。故障期間A、M站的互感電流與故障電流反向,互感電流起著消弱故障電流和故障電壓的作用。由于故障線路的故障電流一般較大,故障電流占主導(dǎo)作用,它們的相位關(guān)系不發(fā)生改變,為正向接地故障特征。而非故障線路一般距故障點(diǎn)較遠(yuǎn),故障電流較小,互感電流起主導(dǎo)作用,合成的母線零序電壓和零序電流將同時(shí)反向,仍為正向接地故障特征。

B站和N站母線零序電壓為一個(gè),保護(hù)的零序功率方向主要由它們的合成零序電流的流向決定,由于故障線路的故障電流與互感電流同方向,合成零序電流電壓相位關(guān)系為正向故障特征;非故障線路的互感電流較大起主導(dǎo)作用,合成的零序電壓相位關(guān)系為正向故障特征。

圖10 1線故障期間A、M站母線零序電壓、電流相量關(guān)系

綜合上述四個(gè)站的合成零序電壓、電流向量及仿真波形圖可以看出,故障線路L1兩端A、B站綜合零序電壓和電流受互感電流影響較小,零序功率反應(yīng)為正向故障特征,縱聯(lián)零序方向保護(hù)可以正確動作切除故障。非故障線路L2兩端B、N站合成零序電壓和電流受互感電流影響較大,有電聯(lián)系的一端N站,由于合成零序電流反向,零序功率誤反為正向故障特征,因此,非故障線路的縱聯(lián)零序方向保護(hù)將誤動,必須采取有效的防范措施。

另外,從上面的分析還可以看出,由于非故障線路兩端的故障電流和互感電流均有相互抵消的作用,那么在系統(tǒng)中有可能存在某一種情況,使非故障線路的某一端綜合零序電壓或電流等于零,或者接近于零的情況,這一點(diǎn)也必須引起足夠的重視。

4 強(qiáng)磁強(qiáng)電聯(lián)系平行互感線路縱聯(lián)零序方向保護(hù)動作行為分析

對于強(qiáng)磁強(qiáng)電聯(lián)系平行互感線路,也即同桿并架雙回線路,雖然線路間的互感可能很大,但是通過分析可以看出,若故障發(fā)生在線路中點(diǎn),將在非故障線路兩端產(chǎn)生兩個(gè)感應(yīng)電動勢,這兩個(gè)感應(yīng)電動勢極性相反,使非故障線路互感電流較小或?yàn)榱?離開線路中點(diǎn)故障,非故障線路提供的故障電流一般又不會太小,所以互感的影響相對較小,這也是大量運(yùn)行的同桿并架雙回線路的縱聯(lián)零序方向保護(hù)沒有出現(xiàn)誤動的原因。

[1] 高中德,舒治淮,王德林.國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材[M].北京:中國電力出版社,2009:90-101.