平行雙回線系統(tǒng)中線路縱聯(lián)方向保護動作特性研究

項忠華，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)

1 綜敘

縱聯(lián)零序方向保護在電網(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磁弱電的環(huán)境下，當(dāng)平行線中某條線路發(fā)生故障時，縱聯(lián)零序方向會發(fā)生保護異常動作的情況［6～8］，但是對平行線雙縱聯(lián)系統(tǒng)接地故障時零序和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的綜合判據(jù)研究文獻卻不多見，本文就零負(fù)序判據(jù)綜合技術(shù)方案展開研究。

2 平行雙回線系統(tǒng)接地故障分析

圖1為某同桿多回線系統(tǒng)，雙回線互感將會對零序分量產(chǎn)生影響，現(xiàn)分析當(dāng)其中一回線路故障時，另一回線路非故障線路縱聯(lián)零序方向保護的動作行為。

2.1 平行雙回線路系統(tǒng)對零序保護動作影響

當(dāng)雙回線其中一回線AB線路在區(qū)內(nèi)某點發(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)零序方向保護動作分析

A側(cè)零序方向保護:

B側(cè)零序方向保護:

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，電強于磁，則M側(cè)零序方向保護將會判別為正方向而正確動作。

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，正確動作。

因此故障線路的縱聯(lián)零序保護能夠可靠動作。

2.1.2 健全線路MN兩側(cè)零序方向保護動作分析

M側(cè)零序方向保護:

N側(cè)零序方向保護:

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。如果是電強于磁，M側(cè)零序方向保護將會判別為反方向而不會動作;如果磁強于電，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磁耦合條件下，M側(cè)零序保護會將區(qū)外反方向故障判別為正方向而誤動作。

因此，健全線路的縱聯(lián)零序保護在強磁弱電環(huán)境下可能會發(fā)生誤動。

2.1.3 雙回線縱聯(lián)零序方向保護動作綜合分析

(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Zam、Zbn值較大，即在磁強于電的系統(tǒng)條件下，其中一回線發(fā)生故障，健全線路縱聯(lián)零序方向保護一定誤動。

多回線平行線架設(shè)在同一出線走廊時，線間存在零序互感，區(qū)外故障時，相鄰線路可能會導(dǎo)致零序功率方向保護誤動。如圖3所示。

其中一回發(fā)生接地故障，故障時，零序網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

對于故障線路，零序電源位于故障點。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)保護過流值時，非故障線零序縱聯(lián)保護將發(fā)生誤動。

(2)健全線路雙端均有強電氣連接平行線，互感耦合較弱Zam、Zbn值較小，即在電強于磁的系統(tǒng)條件下，其中一回線發(fā)生故障，健全線路縱聯(lián)零序方向保護不會誤動。

當(dāng)平行線路一端有電氣聯(lián)系時，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，此時存在電聯(lián)系的一側(cè)的零功方向不會判為正方向。

(3)對于其它的方式，例如一側(cè)強電氣聯(lián)系另一側(cè)弱(無)電氣聯(lián)系，或者兩端均有電氣聯(lián)系但互感磁場耦合較強的情況，在其中一回線發(fā)生故障，健全線路縱聯(lián)零序方向保護是否誤動則需看系統(tǒng)到底是磁強于電還是電強于磁來判定。當(dāng)雙回線電氣聯(lián)系弱時，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，零序功率方向仍然會判為正方向。非故障線零序縱聯(lián)保護仍存在發(fā)生誤動的可能。

(4)故障線路的縱聯(lián)零序方向保護始終能夠正確動作。

2.2 平行雙回線路系統(tǒng)對負(fù)序保護的影響

負(fù)序功率方向保護在歷史上曾經(jīng)得到過一定程度的應(yīng)用，如GE公司的TLS和PLS線路保護就曾經(jīng)廣泛應(yīng)用負(fù)序方向保護，但是由于負(fù)序濾序困難，易受頻率影響等原因一直很少利用。而現(xiàn)今隨著計算機技術(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)序方向保護動作分析

A側(cè)負(fù)序方向保護:

B側(cè)負(fù)序方向保護:

區(qū)內(nèi)故障發(fā)生時，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)序功率方向保護可靠動作;當(dāng)線路不完全換位時，不平衡負(fù)序磁通產(chǎn)生的負(fù)序互感電動勢影響很小，AB兩側(cè)負(fù)序功率方向保護可靠動作。因此故障線路的縱聯(lián)負(fù)序保護能夠可靠動作。

2.2.2 健全線路MN兩負(fù)零序方向保護動作分析

M側(cè)負(fù)序方向保護:

N側(cè)負(fù)序方向保護:

區(qū)外故障發(fā)生時，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)序功率方向保護不會誤動作;當(dāng)線路不完全換位時的不平衡磁通產(chǎn)生的負(fù)序互感電動勢，比零序互感電動勢小得多，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)序功率方向不會誤動。

2.2.3 負(fù)序方向保護動作情況評價

由此可見，在縱聯(lián)零序功率方向保護容易誤動的平行線路中，在縱聯(lián)方向保護中采用負(fù)序功率方向作為方向元件不會由于強磁弱電現(xiàn)象引起方向保護的誤動。

3 環(huán)網(wǎng)運行方式下方向元件動作分析

3.1 環(huán)網(wǎng)中零序、負(fù)序平衡點

環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)中某點發(fā)生接地故障時，對零序系統(tǒng)而言，當(dāng)線路MN兩側(cè)零序電壓U0M和U0N不相等時，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，MN上的零序電流I0基本為0，該點B0稱為“零序平衡點”。因此在B0點兩側(cè)發(fā)生接地故障時，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”。如在負(fù)序平衡點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。

3.2 故障點對零序、負(fù)序方向元件動作的影響

由于系統(tǒng)中零序和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)不完全對稱，零序平衡點和負(fù)序平衡點不一定位于系統(tǒng)的同一處。當(dāng)零序平衡點(B0)和負(fù)序平衡點(B2)之間發(fā)生故障時，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)保護時，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)序功率方向為反方向。某些廠家的線路縱聯(lián)保護采取的是零、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健全線路方向保護則會誤動。

4 對傳統(tǒng)線路縱聯(lián)方向保護判據(jù)改進的研究

鑒于負(fù)序方向保護不受線路互感耦合的優(yōu)點，因此可以在強磁弱電環(huán)境中引入負(fù)序電流方向元件的應(yīng)用，以保證線路保護縱聯(lián)方向動作的可靠性，負(fù)序方向元件的動判據(jù)件為:

4.1 負(fù)序方向比較元件分析

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，負(fù)序功率方向保護不會動作。

當(dāng)線路不完全換位時，換位不完全引起的不平衡磁通產(chǎn)生的負(fù)序互感電動勢，比零序互感電動勢小得多，如前文所分析，區(qū)外故障負(fù)序功率方向不會誤動，不能夠滿足(18)式的動作條件，在縱聯(lián)方向保護中采用負(fù)序方向元件不會由于強磁弱電現(xiàn)象引起方向保護的誤動;而區(qū)內(nèi)故障能夠滿足(18)式的動作條件，而可靠動作。

4.2 負(fù)序電壓和負(fù)序電流閉鎖元件方向

為保證非故障線路負(fù)序方向保護不誤動，在考慮到線路運行換位不完全導(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在高阻接地故障時能可靠動作，負(fù)序電壓夠滿足(19)式的動作條件，和負(fù)序電流夠滿足(20)式的動作條件大于定值時，開放負(fù)序方向保護;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，則閉鎖負(fù)序方向保護，確保非故障線路保護不誤動。

5 結(jié)語

為防止零、負(fù)序綜合判據(jù)方向元件的誤動可能，對于同桿雙回線系統(tǒng)，其線路保護判據(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)不完全對稱的實際情況，當(dāng)線路保護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，此時閉鎖縱聯(lián)方向元件，以防止非故障線路縱聯(lián)方向保護的誤動情況的發(fā)生。

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