同桿雙回線同序負序方向保護方案中弱饋拒動缺陷的改進

司泰龍，郭其一，田 羽

（1.同濟大學(xué)電信學(xué)院電氣工程系，上海 201804；2.上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025）

超高壓輸電線采用同桿雙回線結(jié)構(gòu)，可以使線路走廊小，減少桿塔的投資并加快線路建設(shè)速度，因此是線路設(shè)計首選方案。但是，由于同桿雙回線結(jié)構(gòu)的特殊性，對線路保護也有一些特殊的要求［1－2］。其中，方向保護因原理簡單、方向性強，在現(xiàn)代繼電保護裝置中占有重要地位。文獻［3］利用六序分量法，提出了基于同序負序分量的同桿雙回線方向保護，該保護原理簡單易行、方向性明確，并且可以消除雙回線中零序互感的影響，保護的效果也不受負載電流、系統(tǒng)振蕩的干擾，如果能夠配合選相元件和通信通道，還可作為同桿雙回線路的主保護。但是，這種保護方案也存在同序負序弱饋現(xiàn)象，造成同序負序方向保護拒動，影響線路的運行安全，必須增加弱饋起動功能，確?？焖倏煽康厍谐蜇撔蛉躔伹闆r下的不對稱故障。本文將對同序負序弱饋現(xiàn)象的發(fā)生原因，以及傳統(tǒng)同序負序縱聯(lián)方向保護方案的同序負序弱饋現(xiàn)象進行分析，在這個基礎(chǔ)上提出一種充分利用反序負序分量特點的改進的方法，并結(jié)合實例的仿真對新方案的效果進行驗證。

1 傳統(tǒng)方案存在的問題

采用方向保護，為了躲開最大不平衡電流和系統(tǒng)干擾，通常要考慮一定的保護起動門檻［4］。但是采用同序負序方向保護，輸電線路的阻抗被放大到負序系統(tǒng)阻抗的2倍，一旦兩側(cè)電源容量差別過大，兩側(cè)的方向元件雖然均能正確動作，但是其中一側(cè)的同序負序電流可能達不到保護起動門檻值，造成同序負序方向保護拒動，被稱為同序負序弱饋現(xiàn)象。傳統(tǒng)的同序負序縱聯(lián)方向保護方案同序負序弱饋現(xiàn)象比較嚴重。

1.1 弱饋現(xiàn)象

同桿雙回線系統(tǒng)圖如圖1所示，與之對應(yīng)的同序負序網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖1 同桿雙回線系統(tǒng)圖

圖2 同序負序網(wǎng)絡(luò)圖

當圖2中的F點發(fā)生故障時，故障點的同序負序綜合阻抗ZT2相當于兩側(cè)阻抗的并聯(lián)：

式中：Rf為接地過渡電阻（圖中未示出）。

當F點發(fā)生金屬性接地故障時Rf為零，m側(cè)同序負序電流表達式如下：

令：

可以表達為：

同理，n側(cè)同序負序電流為：

式中：qdn為n側(cè)的同序負序電流分配系數(shù)。

由此可見，F(xiàn)點發(fā)生金屬性接地故障時，n側(cè)同序負序電流的大小取決于該側(cè)的同序負序電流分配系數(shù)，故障點離n側(cè)越遠，該側(cè)的系統(tǒng)阻抗越大，qdn也就越小。最不利的情況是長距離雙回線路中，故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)m側(cè)出口處，qdn接近零，產(chǎn)生了同序負序弱饋現(xiàn)象。

1.2 同序負序縱聯(lián)方向保護方案的缺陷

同序負序縱聯(lián)方向保護一般采用允許式方式實現(xiàn)：當本側(cè)保護所測同序負序電流達到正方向元件的起動值，且所測同序負序電壓、電流滿足正方向元件的動作方程，縱聯(lián)同序負序方向保護向?qū)?cè)發(fā)允許信號，此時若該側(cè)收到對側(cè)允許信號，即可發(fā)跳閘命令［6］。與閉鎖式保護相比，允許式縱聯(lián)方向保護以正方向測量為主，當正方向發(fā)生故障時發(fā)出允許信號，反方向發(fā)生故障并不發(fā)允許信號，因此具有較高的可靠性。但是采用同序負序縱聯(lián)方向保護，同序負序弱饋現(xiàn)象嚴重。

同序負序正向方向元件的動作判據(jù)為：

同序負序反向方向元件的動作判據(jù)為：

式中：εI為同序負序正向方向元件的動作起動門檻值，取50A；ε′I為同序負序反向方向元件的動作起動門檻值，取30A。

當發(fā)生同序負序弱饋情況時，同序負序縱聯(lián)方向保護，所測同序負序電壓、電流雖然可以滿足正方向元件的動作方程，但由于同序負序弱饋側(cè)的同序負序電流分配系數(shù)較小，不能達到同序負序電流門檻值，所以弱饋側(cè)無法就向?qū)?cè)發(fā)允許信號，造成線路兩側(cè)的縱聯(lián)同序負序方向保護拒動。

2 傳統(tǒng)保護方案的改進

傳統(tǒng)同序負序方向元件中，線路兩側(cè)的縱聯(lián)同序負序方向的保護拒動問題可以利用反序負序分量解決。與同序負序分量一樣，反序負序也是利用六序分量法得到的故障分量的一種，同樣具有負序分量的優(yōu)點，可以克服零序互感的影響，并且不受系統(tǒng)振蕩、負荷電流的干擾。但是，反序負序網(wǎng)絡(luò)圖中沒有系統(tǒng)阻抗，因此可以削弱系統(tǒng)阻抗的影響；特別是反序負序分量只存在于雙回線內(nèi)部，不流經(jīng)過渡電阻，提高了保護的耐過渡電阻能力；同時反序負序電壓在雙回線的兩端為零，避免了電容電流對保護的作用，而且反序負序電流在區(qū)外故障時為零，具有明確的方向性［7－9］。同桿雙回線反序負序分量網(wǎng)絡(luò)見圖3。

圖3 同桿雙回線反序負序分量網(wǎng)絡(luò)圖

經(jīng)過改進后，對于正方向元件，當同序負序電流大于保護起動門檻值時可以采用原判據(jù)；但當同序負序電流小于保護起動門檻值時，控制系統(tǒng)將投入反序負序電流起動元件，用于輔助方向保護啟動?；诜葱蜇撔蚍至垦a償?shù)耐蜇撔蚩v聯(lián)正向方向保護具體判據(jù)如下：

當IT2m（n）＜εI時，投入反序負序電流起動元件，即：

式中：εF2為反序負序電流的起動門檻值；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%；Khs為數(shù)據(jù)采樣同步系數(shù)，取1.2；I·max為該雙回線區(qū)外故障時某一側(cè)的最大單相短路電流。

因反序負序電流不受系統(tǒng)振蕩、電容電流等因素的影響，此判據(jù)僅需靈敏地躲開T A產(chǎn)生的最大不平衡電流，以針對性地提高同序負序弱饋保護的可靠度與準確度。該改進方案考慮了同序負序網(wǎng)絡(luò)增大系統(tǒng)阻抗影響的因素，而反序負序分量僅受互感器不平衡電流的干擾，彌補了同序負序弱饋情況拒動的缺陷。

此外，對于同序負序電壓不足門檻值的情況，可利用貝瑞隆模型補償算法補償，并有較好效果，此處不再贅述。

3 實例仿真與改進效果驗證

實例仿真系統(tǒng)模型參見圖1，電壓等級為220 k V，被保護線路全長為100 km，n側(cè)為線路保護的弱電源側(cè)。母線m側(cè)背后的系統(tǒng)參數(shù)為Z1sm＝0＋j8，Z0sm＝0＋j4.16，弱饋側(cè)參數(shù)為Z1sn＝8530＋j28000，Z0sn＝2632＋j18950，單回線的線路阻抗ZL1＝0.03416＋j0.3478（Ω／km），ZL0＝0.05821＋j0.4008（Ω／km），雙回線間零序互感ZM＝0.03＋j0.5812（Ω／km），線路導(dǎo)納Y1＝1.663× 10－5S／km，Y0＝2.120×10－5S／km。

為了驗證基于反序負序弱饋功能的縱聯(lián)同序負序方向保護起動判據(jù)的可靠性與靈敏性，采用ATP-EMTP仿真區(qū)內(nèi)金屬性接地故障與經(jīng)大過渡電阻接地故障時的保護判據(jù)情況，其中縱聯(lián)保護工作于允許式方式。經(jīng)驗算，線路兩側(cè)的反序負序起動值為εF2m＝10.22 A，εF2n＝10.13 A。

表1 區(qū)內(nèi)金屬性接地故障仿真結(jié)果 A

表2 區(qū)內(nèi)經(jīng)50Ω過渡電阻接地故障仿真結(jié)果 A

由表1可得，n側(cè)因系統(tǒng)阻抗過大，同序負序電流最大值僅為0.459 A，保護均無法啟動，但反序負序分量可以有效地減小系統(tǒng)阻抗的影響，并且不受電容電流干擾，在區(qū)內(nèi)故障時反序負序判據(jù)均可靠地大于起動值，確保保護準確起動。

表2說明在經(jīng)過渡電阻接地故障時，反序負序電流足夠靈敏可靠，確保保護可靠起動，有效消除經(jīng)過渡電阻接地時發(fā)生拒動的可能性。

4 結(jié)論

對于同序負序方向保護中弱饋拒動的缺陷，利用反序負序電流的特征，提出了針對同序負序弱饋的反序負序電流起動判據(jù)。該判據(jù)有效地削弱了系統(tǒng)阻抗的影響，同時躲開了零序互感、電容電流的干擾，耐過渡電阻能力強。該判據(jù)通過了EMTP仿真試驗，故障判別靈敏可靠。

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