一種改進的同桿并架雙回線路選相元件

曾獻華

(國電南京自動化股份有限公司，南京 210003)

0 引言

同塔并架雙回線路共用桿塔，所需出線走廊窄，能夠充分利用有限的走廊資源，減少土地占用，同時具有建設速度快、輸送能力強、節(jié)省投資等優(yōu)勢，能夠很好地滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對供電可靠性和大容量輸電等要求，所以在工程上的應用日益廣泛[1-3]。

隨著同塔并架雙回線得到廣泛應用，現(xiàn)場發(fā)生跨線故障的案例日益增多，而基于單回線路的常規(guī)選相元件，當用于同塔并架線路，特別是發(fā)生復雜的跨線故障時，就可能存在不正確動作的風險，從而影響輸電線路保護動作的正確性及可靠性，繼而極大地影響電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行和輸電可靠性。

同桿雙回線路發(fā)生故障時，非故障線路均存在一個故障平衡分點，而在故障平衡分點處，非故障線路不會有故障電流流過，當發(fā)生跨線故障時就會導致常規(guī)的突變量選相元件不正確動作。針對該故障特征，改進的突變量選相原理解決了雙回線在故障平衡分點處發(fā)生故障時，常規(guī)選相元件不正確動作的問題。

1 常規(guī)突變量選相元件的影響分析

目前，國內(nèi)高壓線路保護裝置均采用突變量選相原理和穩(wěn)態(tài)選相原理相結(jié)合的方法[4-7]，在故障初始階段采用突變量進行選相，待故障進入穩(wěn)態(tài)之后，則采用電壓電流序分量結(jié)合阻抗特性進行穩(wěn)態(tài)選相。

1.1 突變量選相元件

突變量選相一般在保護啟動后的20 ms內(nèi)投入，首先計算3個相間回路補償電壓的突變量，計算方法為

(1)

突變量選相邏輯如下：

(1)當Δmin<0.25Δmax時判定為單相故障，否則為多相故障。

(2)單相故障時，若ΔZbc=Δmin，判定為A相故障。

(3)多相故障時，若同時滿足ΔZab≥ΔUab，ΔZbc≥ΔUbc和ΔZca≥ΔUca，判定為區(qū)內(nèi)相間故障；否則為轉(zhuǎn)換性故障(一正一反)，退出突變量選相元件。

突變量方向繼電器由3個幅值比較的判據(jù)ΔZ??≥ΔU??構(gòu)成。

1.2 跨線故障對突變量選相元件的影響分析

以圖1中的同桿雙回輸電系統(tǒng)為例，假設I線發(fā)生A相單相故障進行分析說明。為了簡化分析，下列分析均忽略了負荷電流。

圖1 同桿并架雙回線路接線示意

當I線發(fā)生故障時，根據(jù)疊加原理可以認為故障網(wǎng)絡中II線的故障電流由M側(cè)和N側(cè)電源分別提供，其中M側(cè)電源提供的電流為

(2)

式中：ZM為M側(cè)的系統(tǒng)等值正序阻抗；EM為M側(cè)系統(tǒng)電壓；ZL為線路全長的零序阻抗；k為故障點離M側(cè)占線路全長的比例。

同理，M側(cè)電源提供給II線的故障電流為

(3)

同理可得

(4)

(5)

式中：EN為N側(cè)系統(tǒng)電壓；ZN為N側(cè)的系統(tǒng)等值正序阻抗。

令

IMII+(-INII)=0 ，

(6)

可得

(7)

令EM=EN，可得

(8)

對于確定的系統(tǒng)，式(8)中ZM，ZN和ZL均為確定的值，k為待求變量，令其解為k=K，則當I線上距離M側(cè)為K的位置故障時，II線對應故障相無故障電流流過，而當k>K或者k

1.3 現(xiàn)場事故數(shù)據(jù)的分析驗證

某地區(qū)220 kV同桿并架雙回輸電系統(tǒng)如圖2所示。2010-07-30 T 18：53，雙回線路距離M側(cè)約10 km左右位置發(fā)生I線CA跨II線C相接地故障，I線保護均正確動作切除三相，II線兩側(cè)縱聯(lián)方向保護均跳三相。

圖2 某地區(qū)220 kV同桿雙回輸電線路

此次是典型的跨線故障造成縱聯(lián)保護誤跳多相的事故，圖3、圖4分別為II線電壓和電流錄波數(shù)據(jù)，故障從60 ms開始。圖3中：umak，umbk，umck分別為M側(cè)的三相電壓；0時刻為故障發(fā)生時刻，下同。圖4中，imak，imbk，imck分別為M側(cè)的三相電流。

圖3 II線M側(cè)電壓

圖4 II線M側(cè)電流

雙回線路故障后，一個周波內(nèi)II線M側(cè)的各相間回路補償電壓的突變量如圖5所示，圖5中：ΔZmabk，ΔZmbck，ΔZmcak分別為3個相間回路的補償電壓突變量。由圖5可以看出，Δmin=Δab，Δmax=Δca，而Δab<0.25Δca的條件滿足不了，因此判定系統(tǒng)發(fā)生了多相故障。

按照第1.1節(jié)介紹的突變量選相元件，判為相間故障之后，需要判斷比較各相間回路的補償電壓突變量ΔZ??和保護安裝處電壓突變量ΔU??幅值的大小，當三相均滿足條件的時候，再進行故障相的判別。

圖5 II線M側(cè)3個相間回路的補償電壓突變量

圖6、圖7、圖8分別為3個相間回路的補償電壓與電壓的突變量。圖6中，ΔUmbck為BC相間電壓突變量；圖7中，ΔUmcak為CA相間電壓突變量；圖8中，ΔUmabk為AB相間電壓突變量。

圖6 II線M側(cè)BC相間補償電壓與電壓的突變量

圖7 II線M側(cè)CA相間補償電壓與電壓的突變量

圖8 II線M側(cè)AB相間補償電壓與電壓的突變量

圖6～8的結(jié)果很明顯，BC和CA兩個相間回路均滿足ΔZ??≥ΔU??的條件，而AB回路由于ΔIab≈0造成ΔZab≈ΔUab，此時再比較ΔZab和ΔUab的大小對于判別故障方向已經(jīng)失去了意義，因此II線的兩側(cè)突變量均選中為CA相間故障，所以兩側(cè)均三相跳閘。

2 改進后的選相元件

歸納上節(jié)提出的突變量選相元件在跨線故障中所存在的問題，主要原因在于故障點處于故障平衡分點，非故障線路沒有故障電流流過，導致兩側(cè)的突變量選相均無法判別故障方向，誤投入突變量選相元件，為此，本文提出了新的突變量選相元件邏輯，作為對普通選相原理的改進和補充。

考慮到電流突變量的門檻應該結(jié)合補償阻抗的大小一并考慮，2個小的向量相乘誤差較大，尤其是在故障初期電流突變量本身誤差就較大。因此，根據(jù)電流突變量幅值大小將原有ΔZ??≥ΔU??的判據(jù)修改為ΔZ??≥kΔU??，而k根據(jù)電流突變量的大小自適應。

(1)當ΔI??≥0.2In時，認為電流突變量較大，k可以取為1.05左右(當Zs≥20Z1時突變量選相無靈敏度，其中Zs為線路背側(cè)系統(tǒng)阻抗，Z1為本線路正序阻抗)，In為額定電流。

(2)當ΔI??<0.2In時，k可以取為1.1。左右(當Zs>10Z1時突變量選相無靈敏度)。

設置可靠系數(shù)是綜合考慮的，電流幅值和補償阻抗過小時會造成計算誤差。

對于上述現(xiàn)場的此次事故，故障電流大于0.2倍的額定電流，因此采用判據(jù)(1)。

改進后的AB相間補償電壓與電壓的突變量如圖9所示，從圖9可以看出，ΔZab<1.05ΔUab。由此可見，改進的突變量選相判據(jù)能可靠地判斷出跨線故障，為了防止突變量選相誤選多相，退出突變量選相元件。

圖9 改進后的AB相間補償電壓與電壓的突變量

3 結(jié)束語

同桿并架雙回線路發(fā)生跨線故障時，傳統(tǒng)的選相元件存在誤動問題，影響線路保護的選擇性和可靠性，存在誤切除非故障相的可能，會擴大停電范圍。本文通過理論分析和現(xiàn)場實際案例對相關(guān)問題進行了詳細介紹，并針對性地提出了新的適用于同桿并架的選相方案，該方案具有很強的實用性，可為同桿并架雙回線路保護的研究和開發(fā)提供一定參考。