同桿四回線縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)新方案

于仲安，程明釗，郭培育，邰能靈

（1.江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，贛州341000；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

近年來，隨著電力網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，輸電線路走廊越來越緊張，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，同桿多回線線路已被廣泛應(yīng)用[1-5]，然而同桿四回線輸電線路又是同桿多回線中的特殊一種，也正因?yàn)檫@種特殊性與復(fù)雜性，同時(shí)也給線路繼電保護(hù)帶來較大的影響[6-13]。目前，對(duì)于同桿四回線輸電線路的研究，國內(nèi)外文獻(xiàn)主要集中在桿塔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線排列方式、送電線路電場分布、絕緣配置、防霧特性以及電磁污染等方面，而在電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)方面的研究較少。文獻(xiàn)[6]提出利用鄰線的零序電流來消除電磁耦合的影響，雖然這也可使保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作，但其接線方式較復(fù)雜且受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響較大。文獻(xiàn)[8]在分析同桿雙回線主要的排列方式和不平衡電流現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，研究了超高壓同桿雙回輸電線路在區(qū)外相間故障時(shí)，由于零序環(huán)流超過門檻值造成的零序功率方向元件誤動(dòng)事故，對(duì)同桿雙回線零序環(huán)流不平衡度進(jìn)行了分析，并針對(duì)零序環(huán)流造成同桿雙回線方向縱聯(lián)保護(hù)誤動(dòng)情況，提出了同桿雙回線序分量方向縱聯(lián)保護(hù)的方案。文獻(xiàn)[10]分析了零序互感對(duì)同桿并架四回線的影響，并且提出了四回線零序補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算方法且分析了過渡電阻對(duì)接地距離保護(hù)對(duì)測(cè)量阻抗的影響。

對(duì)于傳統(tǒng)縱差保護(hù)的影響因素，首先由于同桿四回線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得每回線之間存在零序互感，從而可能影響保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)；其次，由于同桿四回線大多都是應(yīng)用于高壓長距離輸電線路，因此對(duì)于分布電容電流的影響也很大；最后，過渡電阻的變化也會(huì)影響保護(hù)動(dòng)作。針對(duì)上述問題，本文深入研究了同桿四回線輸電線路，提出了相應(yīng)的反序負(fù)序網(wǎng)絡(luò)，利用該反序負(fù)序分量的特征推導(dǎo)出電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)判據(jù)新原理。大量的PSCAD/EMTDC 仿真結(jié)果表明：該判據(jù)原理簡單可靠，且避過零序互感，分布電容電流，故障類型及過渡電阻等因素的影響。此外對(duì)于電源背側(cè)系統(tǒng)阻抗的變化自適應(yīng)能力也很強(qiáng)。

1 基于十二序分量的特征分析

同桿四回線輸電線路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，且四回線從上至下依次是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，假設(shè)該模型為理想模型，即各阻抗參數(shù)均對(duì)稱：其中每回線之間的線間阻抗記為ZX，相間阻抗記為ZM，自阻抗記為ZS。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

由于該模型結(jié)構(gòu)的特殊性與復(fù)雜性，即各回線之間均存在互感，各相之間也存在互感。借此本文采用12 序分量法[14]對(duì)其進(jìn)行解耦，從而消除他們之間的線間、相間互感，得到相互獨(dú)立的12 個(gè)分 量（e0，f0，g0，h0，e1，f1，g1，h1，e2，f2，g2，h2），其 中，這12 個(gè)分量分別為同相量e 以及環(huán)流量（f，g，h），并且各回線電流分量與這12 序分量之間的關(guān)系可表示為

式中，M 為解耦矩陣，表示為

其中，α=ej120°

根據(jù)這個(gè)解耦矩陣M 就可以消除各回線間的線間、相間互感，從而推導(dǎo)出相應(yīng)的（f，g，h）序負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖。由于（f，g，h）序負(fù)序網(wǎng)絡(luò)均可被選用，現(xiàn)以h 序負(fù)序網(wǎng)絡(luò)為例，如圖2 所示。

圖2 同桿四回線內(nèi)部故障時(shí)h 序負(fù)序網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Sequence h negative sequence network in the four parallel lines

本文選取h 序負(fù)序分量進(jìn)行研究，是由于該負(fù)序分量具有較多適用于同桿四回線縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的特點(diǎn)：首先反序負(fù)序分量又為環(huán)流量，只存在于四回線內(nèi)部，外部故障時(shí)，其分量基本為0，且不流經(jīng)過渡電阻，故可大大地減少過渡電阻對(duì)其縱差保護(hù)的影響；其次，由于在四回線兩端的反序負(fù)序電壓為零，進(jìn)而可躲過電容電流對(duì)其保護(hù)的作用，致使該縱差保護(hù)具有絕對(duì)的選擇性。此外，因反序負(fù)序分量也為故障分量，借此可不考慮負(fù)荷電流對(duì)其保護(hù)的影響。

2 基于h 序負(fù)序分量的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

2.1 基于h 序負(fù)序分量的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)判據(jù)新原理

綜上所述，反序負(fù)序分量不受系統(tǒng)阻抗、零序互感、電容電流等因素影響，同時(shí)由于該分量又為環(huán)流量，當(dāng)線路故障時(shí)，其分量只存在四回線內(nèi)部，而四回線外部其分量幾乎趨于0，基于此可以靈敏地判斷故障區(qū)段（區(qū)內(nèi)指四回線內(nèi)部，區(qū)外指四回線以外的部分）。根據(jù)反序負(fù)序電流的定義式以及綜合為了躲開四回線外部故障時(shí)最大短路電流下X、Y 側(cè)電流互感器誤差，可得到縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)新判據(jù)為

式中：IXh2、IYh2分別為X、Y 側(cè)經(jīng)12 序分量法得到的h 序負(fù)序分量；KK為可靠系數(shù)，取1.2～1.3；Ktx為電流互感器同型系數(shù)，型號(hào)相同取0.5，型號(hào)不同取1.0；Ker為電流互感器誤差系數(shù)，取10%；Khs為數(shù)據(jù)采樣同步系數(shù)，取1.2；IXdφ，max、IYdφ，max分別為該四回線電源容量變化范圍內(nèi)的X、Y 側(cè)最大單相短路電流。

2.2 基于h 序負(fù)序分量的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)性能分析

如前所述，該縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)新判據(jù)充分利用了反序負(fù)序分量的特性，由于該分量是經(jīng)12 序分量法得到的獨(dú)立分量，從而避開了四回線中零序互感的影響。其次，該分量在四回線兩端電壓為0，進(jìn)而可躲過分布電容電流對(duì)其縱差保護(hù)的作用。最后，因?yàn)樵摲葱蜇?fù)序網(wǎng)絡(luò)中，其系統(tǒng)阻抗為0，故該保護(hù)不受系統(tǒng)阻抗影響。同時(shí)該判據(jù)綜合考慮了電源兩側(cè)不平衡電流及數(shù)據(jù)采集非同步等因素的影響，使得該縱差保護(hù)具有更好的精確性及穩(wěn)定性。此外，在傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)中，易受系統(tǒng)振蕩等因素影響，而本文提出的縱聯(lián)差動(dòng)新判據(jù)是基于負(fù)序網(wǎng)絡(luò)，故不受系統(tǒng)振蕩影響。而且該分量又為環(huán)流量，僅存在四回線內(nèi)部，綜上所述，該保護(hù)不需要啟動(dòng)判據(jù)。致使該保護(hù)適用于電源容量變化的系統(tǒng)運(yùn)行方式。

3 PSCAD/EMTDC 仿真與驗(yàn)證

3.1 仿真模型

綜上所述，同桿四回線輸電線路系統(tǒng)模型的電壓等級(jí)為330 kV，其線路全長為120 km，母線X側(cè)系統(tǒng)阻抗參數(shù)：正負(fù)序阻抗為Z1SX=Z2SX=j25 Ω，零序阻抗為Z0SX=j40 Ω，Y 側(cè)電源容量是在一定范圍內(nèi)變化的，每回線之間的線間阻抗、相間阻抗分別為0.080 31+j0.252 4 Ω/km 和0.080 31+j0.252 4 Ω/km，自阻抗為0.115 2+j0.686 Ω/km。

3.2 整定電流的求解及故障仿真

由于系統(tǒng)容量的變化即對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)阻抗的變化，先假設(shè)X 側(cè)系統(tǒng)阻抗固定，Y 側(cè)系統(tǒng)阻抗變化，從而求解出該模型的整定電流Iset。PSCAD/EMTDC 仿真結(jié)果見表1。

表1 區(qū)外故障時(shí)不同電源容量下線路兩側(cè)的最大單相短路電流Tab.1 The largest single-phase current with different power capacity and external fault

由表1 可得，Iset= 1/12KKKtxKerKhs1/12×1.2×0.5×0.1×1.2×（1 846.09+4 306.29）A=36.914 A。此外，該表已經(jīng)充分說明了系統(tǒng)容量的變化。

為了驗(yàn)證該縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的精確性及穩(wěn)定性，本文通過PSCAD/EMTDC 仿真了幾種不同情況下的故障，即金屬性接地（過渡電阻為0），經(jīng)較大的過渡電阻接地（200 Ω）以及四回線外部故障。如表2、表3 所示。此外，由于帶弱饋（即某一電源側(cè)其系統(tǒng)阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一側(cè)電源系統(tǒng)阻抗）的同桿四回線對(duì)其縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的要求更高，借此本文主要針對(duì)帶弱饋系統(tǒng)情況。并假設(shè)Y 側(cè)（即弱側(cè)）系統(tǒng)阻抗參數(shù)：正負(fù)序阻抗為Z1SY=Z2SY=21 015+j40 005 Ω，Z0SY=50 005+j70 005 Ω。

從表2 可以得出，該縱差保護(hù)能夠靈敏地判斷同桿四回線金屬性接地故障（即過渡電阻為0），并且其縱聯(lián)差動(dòng)電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整定電流值，此外，過渡電阻的增大雖然使縱差電流有所減小，但仍然能夠可靠地動(dòng)作。同時(shí)由于其保護(hù)不受零序互感、系統(tǒng)阻抗及分布電容電流等因素影響，故可在不同故障情況下，使其保護(hù)能夠可靠地動(dòng)作。

由表3 可以看出，當(dāng)故障發(fā)生在同桿四回線以外時(shí)，縱聯(lián)差動(dòng)電流為0，從而使該縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)可靠的不動(dòng)作。此外，當(dāng)線路Y 側(cè)電源容量發(fā)生變化至強(qiáng)電源時(shí)，本文所提出的縱差判據(jù)仍然適用，并且不需要再進(jìn)行整定計(jì)算。

表2 在不同過渡電阻下的縱聯(lián)差動(dòng)電流值及保護(hù)動(dòng)作情況Tab.2 Action protection case and longitudinal differential current with different resistance

表3 區(qū)外故障時(shí)縱聯(lián)差動(dòng)電流及保護(hù)動(dòng)作情況Tab.3 Action protection case and longitudinal differential current with external fault

4 結(jié)語

本文提出的一種基于h 序負(fù)序電流的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)新判據(jù)，該判據(jù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的同桿四回線縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的缺陷，即可躲過同桿四回線之間的零序互感，分布電容電流及系統(tǒng)阻抗等因素影響，而且該保護(hù)還不需要啟動(dòng)判據(jù)以及不受電源容量的變化的影響。其次，由于該判據(jù)是基于負(fù)序電流基礎(chǔ)之上，故還可避免系統(tǒng)振蕩等因素干擾。同時(shí)，由于反序負(fù)序電流是不對(duì)稱故障的顯著特征，因此，對(duì)于系統(tǒng)的不對(duì)稱故障，該保護(hù)與選相元件相結(jié)合可以作為同桿四回線輸電線路的主保護(hù)。大量的PSCAD/EMTDC 仿真表明：當(dāng)同桿四回線內(nèi)部故障時(shí)，線路兩端的h 序負(fù)序電流差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整定電流，即該保護(hù)能夠準(zhǔn)確可靠的動(dòng)作。即使過渡電阻的增大會(huì)影響線路兩端負(fù)序電流之差，但該保護(hù)依然能夠可靠的動(dòng)作。反之，當(dāng)故障發(fā)生在四回線外部時(shí)，該保護(hù)能夠可靠的不動(dòng)作。但是，對(duì)于系統(tǒng)發(fā)生三相對(duì)稱故障時(shí)，由于此故障的特征就是其負(fù)序電流理論上應(yīng)該為零，而本文所提出的算法又是基于負(fù)序網(wǎng)絡(luò)所分析的，因此，對(duì)于線路發(fā)生三相對(duì)稱故障時(shí)，本文所提出的算法不能夠直接應(yīng)用，然而考慮在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)生這種三相對(duì)稱故障的概率卻很小，幾乎為0。綜上所述，本文所提出的電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)算法實(shí)用價(jià)值較大。

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