適用于弱電強(qiáng)磁平行線路的序分量方向元件

張琦兵，蘇大威，徐春雷，彭志強(qiáng)

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

適用于弱電強(qiáng)磁平行線路的序分量方向元件

張琦兵1，蘇大威1，徐春雷1，彭志強(qiáng)2

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

針對于弱電強(qiáng)磁情況下平行線路相鄰線接地故障時引起本線路零序方向元件誤判的問題，分析了不同故障下各電壓序分量的特點(diǎn)，基于不同的電壓序分量，形成了零序方向元件。該方向元件根據(jù)不同故障類型，使用零序電壓與正序電壓合成方式作為比相參考電壓。新提出的零序方向元件在弱電強(qiáng)磁的平行線路系統(tǒng)中能正確判別故障方向，防止縱聯(lián)零序方向保護(hù)的誤動，PSCAD仿真驗(yàn)證了該方向元件的有效性。

弱電強(qiáng)磁；平行線路；方向元件

平行線路共用輸電走廊能有效提升土地利用效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，在城市電網(wǎng)的快速發(fā)展中，得到廣泛應(yīng)用。隨著電網(wǎng)連接方式的日趨復(fù)雜，平行線路也給繼電保護(hù)帶來了零序互感和弱電強(qiáng)磁等問題。弱電強(qiáng)磁是指輸電系統(tǒng)中，同塔架設(shè)或共用輸電走廊的兩回輸電線路間的線間互感較大，而輸電線路兩端的系統(tǒng)連接較為薄弱，即磁的聯(lián)系較強(qiáng)而電的聯(lián)系較弱。由于弱電強(qiáng)磁輸電系統(tǒng)和運(yùn)行方式的存在，相鄰線接地故障時非故障線縱聯(lián)零序方向誤動的案例也屢屢發(fā)生[1-4]。

針對于平行線路弱電強(qiáng)磁下零序方向元件的誤動，文獻(xiàn)[2]的分析指出非故障線路兩側(cè)零序電壓方向反向是常規(guī)零序方向誤動的必要條件。根據(jù)弱電強(qiáng)磁下零序電壓反向的問題，繼電保護(hù)工作者提出了不同的解決方法[2-5]。文獻(xiàn)[2，3]提出采用基于故障類型的零序方向元件替代常規(guī)零序方向元件的解決方案，該方案僅考慮到單相接地故障時弱電強(qiáng)磁的問題，對于兩相接地故障并未涉及?；谪?fù)序分量不受平行線路互感影響的原理，文獻(xiàn)[4]提出了利用負(fù)序功率方向元件代替零序方向元件的參與縱聯(lián)方向保護(hù)判斷，取得了良好的效果，但是負(fù)序判據(jù)計(jì)算較零序更為復(fù)雜。文獻(xiàn)[5]著重于消除零序互感的影響，提出了利用電壓作差的方式參與方向元件比相，為弱電強(qiáng)磁下的零序方向保護(hù)提出了一種新思路。本文從弱電強(qiáng)磁下各電氣量相量變化入手，提出了根據(jù)不同故障的類型，采用了零序電壓與正序電壓合成后參與比相的方向元件新方案，理論分析和軟件仿真驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 基于序分量的方向元件

1.1 零序方向元件

常規(guī)的零序方向保護(hù)的判據(jù)如下：

式（1）中：U0，I0分別為保護(hù)安裝處的零序電壓和零序電流；Φ1，Φ2為動作門檻，Φ1約為180°，Φ2約為360°。

零序方向元件的動作區(qū)域如圖1所示。當(dāng)式（1）成立時，其相位比較計(jì)算的結(jié)果落在圖1所示的陰影區(qū)，方向元件判斷為正方向故障。

圖1 零序方向元件的判別區(qū)域

由于零序方向元件方向性明確，靈敏度高，結(jié)合高頻通道形成的縱聯(lián)零序方向保護(hù)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 弱電強(qiáng)磁系統(tǒng)

一典型的弱電強(qiáng)磁平行雙回線系統(tǒng)如圖2所示。兩回輸電線路同桿架設(shè)或共用輸電走廊，其顯著的特點(diǎn)是雙回線間磁的聯(lián)系較強(qiáng)，即雙回線線間互感Zp較大；而電的聯(lián)系較弱，也即2個系統(tǒng)之間的等值聯(lián)絡(luò)阻抗ZIL也較大。平行線弱電強(qiáng)磁的形成有可能是因?yàn)殡娋W(wǎng)建設(shè)的過渡期造成的，也可能是因?yàn)樵O(shè)備檢修、繼電保護(hù)的縱續(xù)動作等臨時方式所導(dǎo)致[5-8]。

圖2 典型弱電強(qiáng)磁輸電系統(tǒng)

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的詳細(xì)推導(dǎo)分析，弱電強(qiáng)磁系統(tǒng)下式（1）中零序方向誤判的根本原因是：在相鄰線接地故障時，由于零序互感的影響，使得保護(hù)安裝處的零序電壓反向。假設(shè)圖2所示中的系統(tǒng)F點(diǎn)處發(fā)生A相接地故障，其電壓相量圖如圖3所示，沒有零序互感影響時，U0與UA反向，此時式（1）的判據(jù)能正確判斷為反方向故障，保護(hù)不動作。當(dāng)受零序互感影響時，U0會反向，如圖中U0和UA同相位，進(jìn)而導(dǎo)致零序方向元件誤判。

圖3 A相接地故障時電壓相量圖

1.3 基于零序與正序電壓合成的零序方向元件

根據(jù)圖3所示，在弱電強(qiáng)磁系統(tǒng)中單相接地故障時，保護(hù)安裝處的正序電壓不受零序互感的影響，可以利用此特點(diǎn)防止弱電強(qiáng)磁系統(tǒng)中縱聯(lián)零序方向保護(hù)的誤動。圖3中，單相接地故障時，因?yàn)榛诠收舷嗟恼螂妷号c零序電壓反相，可以利用零序電壓與正序電壓作差合成后作為比相參與電壓。兩相接地故障時弱電強(qiáng)磁系統(tǒng)的電壓相量圖如圖4所示，基于非故障相的正序電壓與零序電壓同相，可以將正序電壓和零序電壓作和參與式（1）中的判據(jù)計(jì)算。

圖4 BC相接地故障時電壓相量圖

根據(jù)上述的分析，基于序電壓的方向元件動作判據(jù)為：

式（2，3）中：U0，U1，I0分別為保護(hù)安裝處的零序電壓、正序電壓和零序電流；Φ1，Φ2為動作門檻，Φ1約為180°，Φ2約為360°。

式（2）適用于單相接地故障，式（3）適用于兩相接地故障。在實(shí)現(xiàn)時，可以先利用故障選相技術(shù)確定故障相，再判斷故障的方向問題。

2 仿真分析

2.1 仿真系統(tǒng)建立

利用PSCAD按照圖2所示系統(tǒng)建立仿真模型，該系統(tǒng)為500 kV同桿雙回線路，線路總長50 km，系統(tǒng)阻抗參數(shù)和線路參數(shù)如表1、表2所示。

表1 系統(tǒng)阻抗參數(shù) Ω

表2 線路參數(shù) （Ω·km-1）

表2中，Zl為線路的自阻抗，Zm為相間互阻抗，Zp為兩回線間的線間互阻抗。

2個系統(tǒng)間的等值聯(lián)絡(luò)阻抗，正序阻抗為14.8+ j82.309 7 Ω，零序阻抗為50.2+j196.035 4 Ω。

在圖2中的F點(diǎn)模擬A相單相接地故障和BC兩相接地故障，對于傳統(tǒng)的縱聯(lián)零序方向元件，Busm處的零序方向元件判斷故障為正方向，而安裝在Busp處的零序方向在弱電強(qiáng)磁的影響下，也會判斷為正方向故障，從而導(dǎo)致該非故障線路的縱聯(lián)零序方向保護(hù)誤動作。本文重點(diǎn)分析安裝在Busp處零序方向元件的動作情況。

2.2 單相接地故障

為F點(diǎn)A相接地故障時Busp方向元件的仿真計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6和表3所示。

圖5 A相接地時零序電壓變化情況

圖6 A相接地故障1周波后各電氣量相量圖

表3 A相接地故障1周波后各相量的值

圖5中，F(xiàn)點(diǎn)A相接地故障時，Busp的零序電壓反相，幾乎與A相電壓同相，與圖3中電壓相量分析的結(jié)果一致。

根據(jù)圖6所示，常規(guī)的零序方向保護(hù)此時的動作角度為-119°，零序方向元件判斷為正方向動作，會出現(xiàn)誤動作情況。如果采用作為比相電壓，即式（2）的動作判據(jù)角度為95°，基于式（2）的新型零序方向元件判斷準(zhǔn)確，不會出現(xiàn)誤動。

2.3 兩相接地故障

F點(diǎn)BC相接地故障時Bus方向元件的仿真計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8和表4所示。

圖7 BC相接地故障時零序電壓變化

圖8 BC相接地故障1周波后各電氣相量圖

表4 BC相接地故障1周波后各相量的值

圖7中，F(xiàn)點(diǎn)BC相接地故障時，由于平行線強(qiáng)磁的影響，導(dǎo)致零序電壓與A相電壓反相，與圖4中電壓相量分析的結(jié)果一致。

根據(jù)圖8所示，零序電壓滯后零序電流約110°，基于式（1）的常規(guī)零序方向保護(hù)判斷為正方向，判斷錯誤。若采用式（3）的判據(jù)，此時超前零序電流約95°，能正確地判斷出故障的方向性，防止縱聯(lián)零序方向保護(hù)誤動作。

3 結(jié)束語

基于平行線路強(qiáng)耦合后序電壓變化的特點(diǎn)，本文提出了根據(jù)故障類型采用零序電壓與正序電壓合成參與比相的零序方向元件，該方向元件利用正序分量不受零序互感影響的特點(diǎn)，從而保證了相鄰線故障時本線縱聯(lián)方向保護(hù)的動作正確性，該方向元件適合弱電強(qiáng)磁的輸電系統(tǒng)，同時也適用于正常的輸電線路，PSCAD仿真計(jì)算表明該方案作為縱聯(lián)方向保護(hù)方向元件的有效性。

[1]孫文華，袁宇波，黃浩聲.一起不同電壓同桿雙回線縱聯(lián)零序保護(hù)動作分析[J].江蘇電機(jī)工程，2013，32(6)：12-14.

[2]宋國兵，劉志良，粟小華，等.西北330 kV線路弱電強(qiáng)磁問題的分析及采取的措施[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(20)：121-125.

[3]樊占峰，葉東印，李瑞生，等.平行線弱電強(qiáng)磁模型下零序方向元件改進(jìn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32(17)：100-103.

[4]蔣蘇靜，畢天姝，徐振宇，等.平行雙回線路縱聯(lián)零序方向誤動原因分析及負(fù)序功率方向研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(24)：21-26.

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[6]楊先義，王 華，陳 漫.強(qiáng)磁弱電系統(tǒng)中一起保護(hù)誤動作分析[J].四川電力技術(shù)，2009，32(6)：75-78.

[7]王先強(qiáng)，金 晟，陳 偉，等.存在強(qiáng)磁弱電的 110 kV線路保護(hù)誤動分析[J].電工技術(shù)，2013(8)：16-18.

[8]陳少華，梁志雄，孫何洪.電力網(wǎng)超高壓平行雙回線路弱電強(qiáng)磁現(xiàn)象仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36(22)：1-7.

Directional Component Based on Sequence Component for Parallel Lines with Magnetically Strong and Electrically Weak Connection

ZHANG Qibing1,SU Dawei1,XU Chunlei1,PENG Zhiqiang2
(1.State Grid Jiangsu Electrical Power Company,Nanjing 210024,China; 2.State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute,Nanjing 211103,China)

The zero sequence directional component gives the wrong judgment when ground faults occur on the other line of the parallel transmission lines with magnetically strong and electrically weak connection.Focused on the problem,the characteristics of voltage sequence components under different faults are analyzed.Based on different voltage sequence components,a new zero sequence directional component is proposed in this article.Considering the different types of faults, the new zero sequence directional component takes the synthetic value of zero sequence voltage and positive sequence voltage as the reference voltage of phase comparison.The new proposed zero sequence directional component can distinguish the fault direction correctly for parallel transmission lines with magnetically strong and electrically weak connection,preventing the unwanted operation of the pilot zero sequence directional protection.The simulation by PSCAD verifies the effectiveness of the new directional component.

weak electrical and strong magnetic;parallel lines;directional component

TM773

A

1009-0665（2016）06-0042-03

張琦兵（1985），男，貴州開陽人，工程師，從事電力系統(tǒng)保護(hù)與控制等方面工作；

蘇大威（1972），男，江蘇無錫人，高級工程師，從事電力調(diào)度自動化研究和管理工作；

徐春雷（1976），男，江蘇南通人，高級工程師，從事電力調(diào)度自動化方面工作；

彭志強(qiáng)（1986），男，江西上饒人，工程師，從事電力調(diào)度自動化研究工作。

2016-08-07；

2016-09-24