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、節省投資等優勢，能夠很好地滿足現代電力系統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，現場發生跨線故障的案例日益增多，而基于單回線路的常規選相元件，當用于同塔并架線路，特別是發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的安全、穩定運行和輸電可靠性。

同桿雙回線路發生故障時，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，當發生跨線故障時就會導致常規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生故障時，常規選相元件不正確動作的問題。

1 常規突變量選相元件的影響分析

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

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，判定為區內相間故障；否則為轉換性故障(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ΔZ??≥ΔU??構成。

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為例，假設I線發生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線發生故障時，根據疊加原理可以認為故障網絡中II線的故障電流由M側和N側電源分別提供，其中M側電源提供的電流為

(2)

式中：ZM為M側的系統等值正序阻抗；EM為M側系統電壓；ZL為線路全長的零序阻抗；k為故障點離M側占線路全長的比例。

同理，M側電源提供給II線的故障電流為

(3)

同理可得

(4)

(5)

式中：EN為N側系統電壓；ZN為N側的系統等值正序阻抗。

令

IMII+(-INII)=0 ，

(6)

可得

(7)

令EM=EN，可得

(8)

對于確定的系統，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 現場事故數據的分析驗證

某地區220 kV同桿并架雙回輸電系統如圖2所示。2010-07-30 T 18：53，雙回線路距離M側約10 km左右位置發生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線兩側縱聯方向保護均跳三相。

圖2 某地區220 kV同桿雙回輸電線路

此次是典型的跨線故障造成縱聯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據，故障從60 ms開始。圖3中：umak，umbk，umck分別為M側的三相電壓；0時刻為故障發生時刻，下同。圖4中，imak，imbk，imck分別為M側的三相電流。

圖3 II線M側電壓

圖4 II線M側電流

雙回線路故障后，一個周波內II線M側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，因此判定系統發生了多相故障。

按照第1.1節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BC相間補償電壓與電壓的突變量

圖7 II線M側CA相間補償電壓與電壓的突變量

圖8 II線M側AB相間補償電壓與電壓的突變量

圖6～8的結果很明顯，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失去了意義，因此II線的兩側突變量均選中為CA相間故障，所以兩側均三相跳閘。

2 改進后的選相元件

歸納上節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，根據電流突變量幅值大小將原有ΔZ??≥ΔU??的判據修改為ΔZ??≥kΔU??，而k根據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為線路背側系統阻抗，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(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 結束語

同桿并架雙回線路發生跨線故障時，傳統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場實際案例對相關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提供一定參考。