同桿雙回線的反序負序縱聯距離保護新方法

司泰龍，牛 林，王睿昕，戰 杰，郭其一，田 羽

（1.國網技術學院電網檢修培訓部，濟南250002；2.山東理工大學電氣與電子工程學院，淄博255000；3.同濟大學電氣工程系，上海201804；4.上海電力設計院，上海200025）

同桿雙回線因具有輸送容量大、節約線路走廊等優點，在220 kV 及以上電壓等級系統中已得到積極應用。其中，縱聯距離保護是同桿并架雙回線中重要的保護之一，其距離測量元件不僅具有明確的方向性，而且有固定的動作范圍。但是由于雙回線路的特殊結構，零序互感、過渡電阻、系統運行方式等因素使得距離繼電器不能正確反映故障距離，導致保護出現超越或拒動現象[1-3]。

目前，在對多種類型距離保護的性能分析和探討中，文獻[4]針對性地提出了六相序阻抗距離保護，能夠準確反映故障距離，但所需測量元件繁多，實現起來較為困難；文獻[5]則提出在雙回線中利用零序分量判斷故障回線，并能準確反映單相接地故障，但不適用于相間故障和跨線故障；文獻[6]也提出了一種基于零序分量的距離繼電器，尤其對于現場較易出現的電壓回路異常等情況仍能正常工作，但主要適用于單回線路的保護[5]。

本文提出了一種改進序分量距離保護原理。該原理將同桿雙回線路看作一個保護單元，利用六序分量法獲取反序負序分量，進而得到一種新型縱聯距離保護判據。該判據獲取判據量簡便，對雙回線中的單回線故障與跨線故障消除了零序互感對保護的干擾；同時耐過渡電阻能力強，不局限于接地故障和不接地故障，且該原理也適用于帶有弱饋系統的同桿雙回線。在系統發生不對稱故障時，若配合先進的選相元件和通訊通道，該保護可作為智能電網中同桿雙回線的主保護。

1 同桿雙回線中反序負序分量的特征

同桿雙回線系統如圖1 所示，其特點是相間、線間有互感。六序分量法將兩回線分解為六序對稱分量，以消除相間、線間互感對保護的影響[7]。以六序分量法為基礎的反序電流是雙回線故障的顯著特點，對其研究有利于深入了解同桿雙回線特點。反序電流又稱環流電流，僅存在于發生內部故障的雙回線中，不流經過渡電阻和系統電源，故雙回線外部的過渡電阻、系統電源等因素對于反序電流無作用。且反序分量只存在于雙回線內部故障，雙回線外故障時為0（無論雙回線參數是否對稱），據此判斷故障是否位于雙回線中。

圖1 同桿雙回線系統Fig.1 System of double parallel transmission lines on same tower

同桿雙回線反序負序分量網絡如圖2 所示。當系統內部故障時，故障點的反序負序電壓最大，且反序負序分量的系統阻抗為0，所以雙回線兩端的反序負序電壓為0[7]，故線路兩端的反序負序電流不會受到分布電容電流的影響。同時，因采用的是兩回線中的負序分量，故可以很好地克服系統振蕩對保護的影響。另外，反序負序電流是故障后的序分量電流，與傳統的零序電流、負序電流相同，整定時無需考慮非周期分量、負荷電流的影響[8]。

圖2 同桿雙回線反序負序分量網絡Fig.2 Inverse directional negative sequence component network chart of double-circuit transmission line

2 基于反序負序分量的距離保護

2.1 基于反序負序分量的距離保護原理

假定線路阻抗均勻一致，當等效雙回線路發生故障時，則對應反序負序網的電壓分布如圖3所示。其中，f1為保護區內故障點，f2為正向區外故障點，y 為m 側的整定點，且m 側、n 側測得的反序負序電壓分別為曲線k1、k2。同時，根據上述反序負序分量的特征分析，理論上在系統正常情況和雙回線mn 外故障時，反序負序電流為0，相應整定點電壓也為0[9]。

由此可得，對于保護安裝處m 點，同桿雙回線反序負序分量距離繼電器的動作方程為

圖3 基于反序負序分量的距離保護原理示意Fig.3 Distance protection schematic based on inverse directional negative sequence component

2.2 基于反序負序分量的距離保護的實現

基于反序負序分量的距離保護動作方程確定后，需要考慮該保護的實現方法。因反序負序分量不受系統振蕩、電容電流等因素的影響，故需考慮躲開雙回線外部故障時，兩側電流互感器的產生的最大不平衡電流。以m 側為例分析，由文獻[7]可以得到反序負序電流的表達式為

因此，基于反序負序分量的距離保護的實現不僅需要滿足動作方程式（1），而且需躲開區外故障時不平衡電流的影響，即

式中：Krel為可靠系數，取1.2～1.3；Kst為TA 同型系數，TA 型號相同時取0.5，否則取1；Ker為TA 誤差系數，取10%；分別為m、n 側最大單相短路電流。

2.3 基于反序負序分量的距離保護性能分析

傳統的方向距離保護常采用故障點電氣量作為制動量，但該量的準確獲取成為制約傳統保護研究的主要因素。文獻[5]選取故障后測得的電氣量，利用整定系數確定故障點電壓值，但這種計算值很不準確；文獻[10]以整定范圍末端故障后的量作為動作的定值，由序網圖得到故障點處的電氣量，實際上也不精確。本文利用保護裝設端與對端的反序負序電流，求得整定點反序負序電壓作為判據量，即以保護安裝端反序負序分量為動作量，以對端反序負序分量為制動量，避開了傳統保護中因故障點信息無法準確獲取而誤判的弊端，并附加測量誤差方程，使保護更加可靠、準確。

由圖3 得，對于保護區內故障（f1點），按式（1）求出m、n 側在整定點處的反序負序電壓，m 側電壓即曲線k1延長線上的整定點電壓量，因線性關系，從而使動作方程滿足；對于正向區外故障（f2點），按式（1）求出m、n 側電壓量，n 側電壓即曲線k2延長線上的整定點電壓量，不滿足動作方程，保護不會誤動。此外，對于區外故障，因反序負序電流良好特性，保護區段內其理論值為0，但也會出現因測量誤差而滿足式（1）的假象，所以輔助判據方程式（3）很好地避免此類情況的發生。

由于利用了反序負序分量作為保護動作判據，該判據消除了零序互感與過渡電阻對距離保護的影響，且受負荷電流、系統振蕩、系統運行方式的因素影響也很小，同時又考慮到電源兩側不平衡電流的影響，從而具有很好的動作性能。

2.4 反序負序距離保護對于帶弱饋系統的同桿雙回線的適用性

在電網中部，同桿雙回線路所處的背端支撐電源一般都較強，而在電網的外圍、終端，線路所依靠的系統強弱差異很大，即會出現帶弱饋系統的情況。由于弱電源側系統阻抗很大，故障電流很小，極有可能因不能提供足夠的短路電流而使距離保護裝置無法啟動，從而影響了電網供電可靠性，甚至危及電網安全[11]。

由圖2 可見，在反序負序分量網絡圖中，線路兩端的系統阻抗為0，故可以削弱具有較大系統阻抗的弱饋系統對距離保護的影響，輔助判據量不會因系統阻抗增大而銳減，使保護可靠躲開不平衡電流。而且，因該距離保護同時具有針對普通雙回線的優點，所以十分適用于帶弱饋系統的同桿雙回線路。

3 基于反序負序分量的縱聯距離保護

上述距離保護僅能在本線路的80%～85%長度范圍內故障時動作，而其余15%～20%無法得到保護。然而，可以在反序負序分量距離保護的基礎上，增加通信接口和必要的動作邏輯實現縱聯距離保護，達到可靠保護全線的目的。

因上述反序負序距離保護可以靈敏地判斷故障區段，且適用于弱饋系統，故可利用欠范圍直接跳閘式的縱聯保護方式來保護全線，如圖4 所示[12]。線路兩端的欠范圍整定動作范圍要相互交叉。在正常運行情況下，m 端、n 端的發信機各發出一種閉鎖對端和通信連續監視的閉鎖頻率信號。在線路內部任一點發生故障時總有一端保護動作，動作后立即直接跳開本端線路斷路器，控制發信機將閉鎖頻率信號切換成跳閘頻率信號；未跳閘一端接收到此跳閘頻率信號后，通過“或”門跳開本端斷路器。該方法使用元件少，內部故障時保護動作速度快。該縱聯距離保護融合了縱聯電氣量和縱聯邏輯信號兩種縱聯保護原理。首先，向對端傳輸該端的電氣量，經新的縱聯距離保護原理判斷后，再向對端傳輸邏輯信號，做出最終判斷。

同時，由于該距離保護本身無選相功能，故障后如需選跳，則應與另外的選相元件配合以形成整體保護方案。

圖4 基于反序負序分量的縱聯距離保護邏輯框圖Fig.4 Longitudinal distance protection logic diagram based on inverse directional negative sequence element

4 EMTP 仿真與分析

4.1 仿真模型及結果

系統模型如圖1 所示，電壓等級為220 kV，被保護線路全長為100 km，n 側為線路保護的弱電源側。母線m 側背后的系統參數為：Z1Sm=0+j8 Ω，Z0Sm=0+j4.16 Ω，弱饋側參數為：Z1Sn=853+j2 800 Ω，Z0Sn=263.2+j1 895 Ω，單回線的線路阻抗ZL1=0.034 16 + j0.347 8 Ω/km，ZL0= 0.058 21 + j0.400 8 Ω/km，雙回線間零序互感ZM=0.03+j0.581 2 Ω/km，線路導納Y1=1.663×10-5S/km，Y0=2.120×10-5S/km。距離繼電器的整定范圍為線路全長的80%，且兩端電源的電勢夾角φ 在0°～60°范圍內變化（m 端超前）。

仿真結果顯示，線路不同區段發生各種故障如單回線路故障ⅠA、ⅠBC，跨線故障ⅠBⅡC、ⅠAⅡBC、ⅠAⅡABC、ⅠBCⅡABC）時，對于接地故障（直接接地和經過渡電阻為200 Ω）和不接地故障，該縱聯距離保護均能正確動作。當距端0～20 km內故障，m 側保護檢測到故障，并帶動n 側動作；當距m 端20～80 km 內故障，m 側、n 側均能檢測到故障，并準確動作；當距m 端80～100 km 內故障，n側保護檢測到故障，并帶動m 側動作；當故障發生在線路mn 范圍外時，因無法滿足輔助判據式（4），兩側保護均不動作。

4.2 反序負序縱聯距離保護的性能分析與驗證

分別在3 種故障情況下，基于反序負序縱聯距離保護進行仿真，仿真結果如圖5～圖7 所示，其中φ=60°，t=0.01 s 時發生故障。圖中縱坐標U˙即判據公式中的

故障情況1：圖5 為距m 端75 km 處ⅠA_G故障時，m、n 側保護裝置的動作量和制動量曲線。由圖可以看出，m 側保護雖然處于保護范圍末端，但仍能可靠滿足動作方程；n 側保護更易滿足判據方程，從而使縱聯保護動作，兩側保護對其構成冗余系統。因此該保護原理可靠性較高。

圖5 距m 端75 km 處ⅠA 金屬性接地故障時仿真結果Fig.5 Simulation results of ⅠA phase grounding by metallic resistance 75 km from m

故障情況2：圖6 為距m 端25 km 處ⅠBC 故障，經過渡電阻（Rg=200 Ω）與金屬性接地情況下m 側保護的判據值曲線。由圖5 看出，在上述2 種接地情況中，保護測得的動作量制動量曲線相差不大，即該保護不因過渡電阻的存在而受干擾，抗過渡電阻能力強。

故障情況3：圖7 為距端50 km 處ⅠAⅡBC 故障時m、n 側保護裝置的動作量和制動量曲線。因m 側為大電源，n 側為弱電源，即對于背側為大電源與弱電源情況，距故障點相同距離時，保護所測得的動作量與制動量的曲線完全重合，故該保護原理不受帶弱電源的影響，避免了弱饋系統銳減短路電流的作用，適用于弱饋系統。

5 結語

本文利用六序分量法，提出了一種適用于同桿雙回線的反序負序縱聯距離保護新原理。由于反序負序分量存在于不對稱故障的全過程，所以反序負序縱聯保護能可靠地反映不對稱故障，即對于雙回線中，除單回線對稱故障和同名相跨線故障外，發生不對稱的單回線故障與跨線故障時，不僅消除了零序互感的干擾，且抗過渡電阻能力強，同時對于弱饋系統具有很好的適用性。理論分析與大量的EMTP 仿真試驗證明，此縱聯距離保護在智能電網領域具有良好的性能。

圖6 距m 端25 km 處ⅠAⅡBC 經過渡電阻與金屬性接地故障時仿真結果Fig.6 Simulation results of ⅠAⅡBC phase grounding by fault resistance and metallic resistance 25 km from m

圖7 距m 端50 km 處ⅠAⅡBC 故障仿真結果Fig.7 Simulation results of ⅠA ⅡBC phase fault 50 km from m

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