融冰移相器的接入對線路縱聯保護的影響分析

黃麗蘇，郝正航，肖迎群，班國邦

（1.貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州理工學院 大數據學院，貴州 貴陽 550007；3.貴州電網有限責任公司 電力科學研究院，貴州 貴陽 550002）

0 引言

受凝凍天氣影響，南方電網經常發生覆冰現象，造成倒塔、斷線等重大事故，嚴重威脅電力系統的安全可靠運行[1-2]。為消除輸電線路覆冰的危害，1990年提出了基于移相變壓器（phase shifting transformer，PST）帶負荷融冰的方法[3]。在國外，由于PST穩態潮流控制作用，已被廣泛應用于均衡潮流以消除線路過載、合理分配線路潮流以改善電網輸電能力[4]。目前，PST在國內應用較少，然而，由于其在提高輸電通道利用率和線路融冰等方面表現出來的優越性，在我國將有廣闊的工程應用前景[5]。對于PST的研究大多數集中在潮流控制原理、優化選址等方面[6-8]，很少有關于其接入后對線路保護產生影響的研究。

文獻[9]提出了不同類型PST本體差動保護的配置方案。文獻[10]分析了統一潮流控制器的接入對縱聯差動保護的影響，但該潮流控制器與 PST的結構原理不同。文獻[11]從整體上分析了 PST對縱聯保護的影響，并未從結構原理上進行分析。本文從PST的結構原理、電流移相特性等方面出發，分析PST接入線路后對縱聯差動保護的影響，并根據影響機理和工程實際提出有效的改進措施，最后進行仿真驗證。

1 融冰PST原理

圖1 融冰PST線路的等值電路Fig.1 Equivalent circuit of melting ice PST line

PST帶負荷在線融冰技術一般用于220 kV及以上的輸電線路，220 kV及以上的電力系統容量大且對絕緣要求高，故融冰PST往往采用對稱雙芯結構。對稱雙芯PST由串聯變壓器、并聯變壓器（又稱勵磁變壓器）組成[14]，串聯變壓器原邊、副邊繞組均采用三角形連接，勵磁變壓器原邊、副邊繞組均為星形連接。串聯變壓器原邊繞組連接到輸電線路中，串聯變壓器原邊中心繞組連接到勵磁變壓器原邊繞組，串聯變壓器副邊繞組與勵磁變壓器副邊繞組連接，勵磁變壓器副邊繞組上接入了有載分接開關，調整勵磁變壓器繞組的極性即可實現電壓的超前滯后調節，改變有載分接頭的位置即可實現電壓相角大小的調節，以此達到PST輸入、輸出電壓幅值相同，相位改變的目的。同時，該PST的零序電路等效為一個恒定的零序阻抗[15]。

對稱雙芯PST輸入、輸出電壓電流關系為：

2 融冰PST控制保護系統設計

2.1 融冰PST線路的電路結構

對于該融冰PST系統，主要由并聯支路和串聯支路組成，并聯支路可以作為旁路并聯在 PST兩端，串聯支路直接串聯在輸電線路中，并且串聯和并聯支路中均包括隔離開關（BSW）、接地刀閘（GSW）、斷路器（BRK），其電路結構如圖2所示。

圖2 融冰PST在線路中的電路結構Fig.2 Circuit structure of ice melting PST in line

2.2 控制保護系統

在含融冰PST的電力系統中，PST串聯在輸電線路中運行，融冰PST在切換運行狀態時，均應滿足對輸電線路正常運行不產生影響的前提條件。

融冰PST的控制保護系統根據電力系統的運行需求，通過控制串聯支路以及并聯支路中BSW、GSW、BRK的分合狀態，實現PST在投入（融冰運行、BRK4檢修）、退出（隔離、檢修）、熱備用（短路）等運行狀態之間的切換。由圖2中虛線標示的分區可知，PST區內故障包括PST本體、BRK2和 BRK3之間發生的故障。線路故障是除PST區內的輸電線路上發生的故障。含融冰 PST輸電線路的控制保護系統所用的電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）配置已在圖2標示。當系統運行在融冰狀態時，將由 PST本體保護和線路保護相互配合來保障系統的安全運行。若故障發生在PST區內時，由PST本體保護動作切除故障，通過斷開BRK2和BRK3、閉合BRK4使PST從線路中隔離；若故障發生在線路中，由過流保護閉合BRK4將PST旁路，并且由線路保護動作斷開線路中對應的BRK以切除故障，根據故障類型和系統運行狀態判定PST是否重新投入。

3 融冰PST對縱聯保護的影響分析

融冰PST的接入會改變線路電流信號，從而對常規線路縱聯電流差動保護帶來影響，下面將分別研究常規線路縱聯電流差動保護中不同原理的穩態分相電流差動保護，零序電流差動保護，分相突變量電流差動保護受融冰PST的影響。

3.1 零序電流差動保護

在研究融冰PST的加入對線路零序差動保護的影響機理時，必須首先推導其零序特性。由于融冰PST三相參數對稱，以A相結構參數為例，圖3是融冰PST的A相等效電路。

圖3 融冰PST的A相等效電路Fig.3 Phase A equivalent circuit of ice-melting PST

利用基爾霍夫定律可得串聯變壓器的零序變量關系式如下：

由于融冰PST的串聯變壓器二次側繞組為三角形連接，又因為零序電流三相相位和大小相同，故零序電流將在串聯變壓器二次側形成環流，而不能從串聯變壓器流入勵磁變壓器，則可得：

從以上融冰PST的零序網絡特性可知，零序電流只在串聯變壓器中存在，故通過勵磁變壓器的分接開關調節檔位時并不會改變其零序網絡特性。

將式（4）到式（9）聯立可得：

串聯變壓器的磁平衡關系為：

將式（3）（10）（12）代入式（11）可得：

通過式（13）可得到融冰PST的零序阻抗為：

式（14）表明，在零序網絡中，對稱雙芯結構的融冰PST等效為一個恒定的感性阻抗，其值不隨移相角的改變而變化。融冰PST對線路零序電流差動保護的貢獻與常規阻抗元件相同，又由于該阻抗元件和線路均為阻感特性，則線路阻抗仍呈感性，阻抗特性并未發生改變。此時，在線路內部發生故障時，融冰PST所在線路兩端的故障電流仍為母線流向線路，即保護安裝處采集到的電流方向并未發生逆轉，仍滿足零序電流差動保護原理。零序電流差動保護從融冰PST母線側的電流互感器（CT1）或者線路側的電流互感器（CT5）采集電流信號都不會對零序差動電流和零序制動電流的計算造成影響。然而，零序電流差動保護一般會經低比率制動系數的穩態差動元件選相，融冰PST對該分相元件的影響機理與穩態電流分相差動保護相同，具體理論分析過程將在穩態分相電流差動保護影響分析中闡述。

3.2 穩態分相電流差動保護

根據對稱雙芯移相器的結構原理和移相特性，從3個方面分析其對穩態分相電流差動保護的影響。

（1）在線路M側，若穩態分相電流差動保護取CT5的電流信號，則融冰PST相當于在保護范圍之外。再者，融冰 PST的阻抗為感性，則當線路發生內部故障時，將不會出現故障電流反向的情況，因此，穩態分相電流差動保護采集CT5的電流信號不會影響保護動作特性。此時，將融冰PST接入220 kV雙回輸電線路，原來線路保護中的穩態分相電流差動保護的算法仍然適用。

（2）若線路縱聯電流差動保護在 M 側采集的電流信號來自CT1，由于融冰PST的加入改變了電流相位，如圖4所示[16]。

圖4 PST正序、負序、零序電流分量的相位角偏移Fig.4 Phase angle deviation of PST positive sequence,negative sequence,and zero sequence current components

由圖4可得正序、負序、零序電流分量關系為：

將式（15）～（17）寫成矩陣形式：

將式（18）進行對稱分量反變換，可得：

式中：a=ej120°=c os(120°)+jsin(120°)，a=ej240°=cos(240°)+jsin(240°)。

將式（18）左乘矩陣A，根據式（19）（20）得：

其中，根據矩陣計算可以得到矩陣K(φ)為：

此時穩態分相電流差動保護的差動電流和制動電流為：

利用CT1的電流信號進行穩態分相電流差動保護的差動電流和制動電流計算時，采集到的電流信號不能直接利用，需要根據移相角度進行電流相位補償，即需要利用矩陣 K(φ)進行修正，但是融冰 PST的移相角隨著檔位的調節而不斷變化，并不是一個固定值，因而存在跟蹤有載分接開關位置的非標準變化相移問題。

（3）從對稱雙芯 PST內部結構分析融冰PST兩側電流相位不一致的原因，以A相為例進行說明。

同理可得 B、C相差動電流和制動電流的算法公式：

經過對PST結構特性以及對差動電流和制動電流算法影響的研究可知，當采用CT5的電流信號構成穩態分相電流差動保護時，PST為保護區外的元件，將不會對該保護特性產生影響；而利用CT1的電流信號時，需要PST的檔位信息或者串聯變壓器原邊中心繞組的電流信息，增加了保護的復雜性。

3.3 分相突變量電流差動保護

由疊加原理可知，線路在正常運行或者故障狀態下，保護處測量得到的全電壓、全電流均是由線路故障前電壓、電流與故障后增量電壓、電流的疊加組成。對于圖1含融冰PST的雙回線輸電網絡，故障前網絡只含正序網絡，在CT1和CT5測得的正常系統電流分別是故障前正序對稱電流，如圖5所示。

圖5 故障前正序網絡Fig.5 Positive sequence network before fault

由于任何故障情況下都會引起系統電流的動態變化，因此，故障后的電流波形由故障前的正序分量疊加增量分量組成。增量分量在系統正常運行條件下為零，只在故障情況下出現。因故障引起的正序疊加（增量）網絡，如圖6（a）所示。另一方面，在沒有故障前負序和零序電流的情況下，可以利用故障前和故障后的對稱分量來計算負序和零序增量分量，此時的負序和零序增量分量就是故障后的負序和零序電流分量，即負序增量網絡和零序增量網絡分別完全表示了負序網絡和零序網絡，如圖6所示。

圖6 短路附加網絡Fig.6 Short-circuit additional network

在分析融冰PST的接入對分相突變量電流差動保護的影響時，根本上是研究對稱雙芯PST對正序、負序、零序網絡電流的移相特性的影響，而在穩態分相電流差動保護部分已經進行了研究。穩態分相電流差動保護是針對故障前或故障后整個正序網絡電流進行分析的，而對分相突變量電流差動保護只研究故障后減去故障前增量正序網絡電流，這是唯一不同。因此，融冰 PST的接入對傳統線路保護中穩態分相和分相突變量電流差動保護的影響程度可能不同。

4 改進措施及仿真分析

4.1 改進措施

對于常規線路電流差動保護，區內故障時，線路兩側保護安裝處檢測到的電流方向均由母線流向線路；區外故障或正常運行狀態時，線路兩側保護檢測到的電流方向為一端流入母線，而另一端流出母線，傳統的線路電流差動保護以該原理為判據來判斷故障區域。融冰PST的接入，由于PST對電流的移相特性使該基本現象發生了改變，導致縱聯電流差動保護可能出現拒動或誤動，故而必須采取一些改進方案避免此問題。

（1）零序電流差動保護的改進措施

根據理論推導可知，融冰PST接入輸電線路相當于在線路中串入阻感元件，不會使零序差動保護的零序制動電流和零序差動電流發生變化，所以也不需要采用任何措施消除融冰PST對其的影響。若在零序電流差動保護中考慮低比率制動系數的穩態差動選相元件，其消除影響的改進措施可參照穩態電流分相差動保護。

（2）穩態分相電流差動保護的改進措施

分別從CT安裝位置、融冰PST對電流的移相特性、對稱雙芯PST的結構原理3個方面分析了融冰 PST對穩態分相電流差動保護的影響機理，并以此為基礎提出了以下3種改進方案。

方案一：對于安裝了對稱雙芯PST的輸電線路，其穩態分相電流差動保護的電流信號可取自CT5，此時保護的差動電流和制動電流不變，繼電保護設備內部的保護邏輯控制算法無需修改仍可繼續使用，且融冰PST工作在融冰狀態或者退出狀態該方案均適用。

方案二：由公式（23）（24）可知，融冰PST的接入，對于穩態分相電流差動保護采用CT1的電流信號時，需要額外采集融冰PST的移相角，并且該移相角隨著檔位調整而改變，因此，可以通過實時采集融冰PST的檔位信息送入穩態分相電流差動保護，利用與移相角相關的矩陣K(φ)修正差動電流和制動電流的計算，此時，通過跟蹤對稱雙芯PST的分接位置解決非標準相移問題。另外，融冰PST退出運行時，無論其處于任何檔位，線路電流移相角度都為零，該方案仍然適用。

方案三：通過公式（26）～（31）可以看出，由于對稱雙芯PST的特殊結構，制動電流和差動電流不再是僅采集輸電線路兩側的電流信號，需要額外采集融冰PST串聯變壓器一次側中心繞組的電流參與計算，故應在串聯變壓器原邊中心繞組處安裝一個 CT。若融冰 PST處于退出運行狀態，此時對稱雙芯PST串聯變壓器一次側中心繞組無電流，該方案的保護算法仍然適用。

對于方案一，所需的CT較少并且與融冰PST的運行狀態無關，經濟實用，操作簡單，可方便地應用在工程實際中。然而，若PST安裝在線路中間，該方法將無法使用或需要另外增加繼電保護設備，同時該方案使線路保護的范圍稍有減小；對于方案二，能夠克服方案一的缺點，但因該方案是通過跟蹤分接開關位置解決非標準相移的問題，使差動電流和制動電流的測量顯示出對分接位置的依賴性，額外的檔位信息和融冰PST的工作狀態信息使保護復雜化且在實際操作中不易實現；方案三不但能克服方案一的缺點，而且不需要額外的融冰PST檔位、工作狀態信息，但是該方案需要額外安裝CT采集融冰PST串聯變壓器一次側中心繞組的電流信號，增加了繼電保護的復雜性。在工程實施時，可以根據實際情況，從經濟性、易操作性等各方面考慮選擇改進方案。

（3）分相突變量電流差動保護的改進措施

根據疊加原理，通過對故障前后正序、負序、零序分量的分解可以看出，融冰PST的接入對分相突變量電流差動保護的影響機理與穩態分相電流差動保護相似，其改進措施可完全參照穩態分相電流差動保護的改進方案。

4.2 仿真驗證

利用仿真軟件 MATLAB/SIMULINK建立如圖7所示含融冰PST雙端供電雙回輸電線路的仿真模型，為驗證PST的接入對縱聯差動保護的影響，以0.2 s時保護區內發生A相接地故障為例進行仿真驗證，其他故障情況完全相同。

圖7 仿真模型Fig.7 Simulation model

（1）零序差動保護的仿真驗證

為了驗證融冰PST的接入對零序差動保護影響機理推導的正確性，分不含PST和接入PST后兩種情況進行仿真，此時的零序差動電流和制動電流波形如圖8所示。

通過圖8仿真結果可以看出，由于線路中的對稱雙芯PST可等效為恒定零序阻抗，使零序差動、制動電流均略有減小，但因該零序阻抗為感性，并不會影響零序差動保護的正確動作。

圖8 PST接入前后零序差動、制動電流波形Fig.8 Zero sequence differential and braking current waveforms before and after PST being connected

（2）穩態分相差動保護的仿真驗證

對穩態分相電流差動保護分未接入 PST、接入PST后兩種情況進行仿真，對應的A相制動、差動電流波形如圖9所示。

通過圖9對比可以看出，PST的接入使故障前的差動電流和故障后的制動電流都明顯增大，并且差動電流和制動電流的比值增大，很容易造成穩態分相差動保護在正常運行狀態下發生誤動。

圖9 PST接入前后A相差動、制動電流波形Fig.9 Phase a differential and braking current waveforms before and after PST being connected

分別根據方案一、二、三進行仿真，得到改進措施下的差動、制動電流波形如圖10所示。

通過圖10可以看出，經過方案一、二、三改進后的差動、制動電流波形幾乎重合，相較加入PST后未進行改進的情況，系統正常運行情況下的差動電流均明顯減小到幾乎為0，減小了差動電流與制動電流的比值，能夠有效防止穩態差動電流的誤動，故改進措施正確有效。

圖10 改進措施下的差動、制動電流波形Fig.10 Differential and braking current waveforms under improved measures

（3）分相突變量電流差動保護的仿真驗證

因PST的加入對分相突變量電流差動保護的影響機理和改進措施與穩態分相電流差動保護相同，故仿真驗證方法和結果也相同。

5 結論

本文從融冰PST的結構原理以及移相特性等方面推導了融冰PST的接入對線路縱聯電流差動保護的影響機理。首先設計了融冰PST電路結構和控制保護系統。然后，研究了PST的接入分別對零序電流差動保護、穩態分相電流差動保護、分相突變量電流差動保護的影響情況，得出以下結論：（1）在零序網絡中，PST可等效為一恒定感性阻抗，不會對零序電流差動保護動作特性產生影響。（2）對于穩態分相電流差動保護，利用CT5的電流信號時，保護仍能正確動作；采用CT1的電流信號，應加入 K(φ)、串聯變壓器原邊中心繞組電流進行修正。（3）對于分相突變量電流差動保護，其影響機理與穩態分相電流差動保護相同。最后，根據影響機理提出了改進措施，并利用仿真驗證了理論推導的正確性和改進措施的有效性，為PST的研究和工程應用提供了理論支撐，但還有待實際工程的檢驗。