平行双回线系统中线路纵联方向保护动作特性研究

2015-02-08项忠华陈晓东叶远波

安徽电气工程职业技术学院学报 2015年1期

项忠华，陈晓东，叶远波

(1.国网宣城供电公司，安徽宣城 242000;2.国网安徽省电力公司调度控制中心，安徽合肥 230022)

1 综叙

纵联零序方向保护在电网中得到了广泛的采用［1～5］，但随着网架结构的变化，特别是当电网多回线平行架设在同一出线走廊的强磁弱电的环境下，当平行线中某条线路发生故障时，纵联零序方向会发生保护异常动作的情况［6～8］，但是对平行线双纵联系统接地故障时零序和负序网络的综合判据研究文献却不多见，本文就零负序判据综合技术方案展开研究。

2 平行双回线系统接地故障分析

图1为某同杆多回线系统，双回线互感将会对零序分量产生影响，现分析当其中一回线路故障时，另一回线路非故障线路纵联零序方向保护的动作行为。

2.1 平行双回线路系统对零序保护动作影响

当双回线其中一回线AB线路在区内某点发生接地短路故障，如图2所示，其中Zam和Zbn为平行线零序互感，为相邻线路分析方便起见，设IMN0线路穿越性零序电流为MN方向。

2.1.1 故障线路AB两侧零序方向保护动作分析

A侧零序方向保护:

B侧零序方向保护:

由(2)式可知，A侧U0和I0的相位关系比较的结果有可能是180°也有可能是0°。由于是在本线路发生故障，线路故障电流的钳制作用，电强于磁，则M侧零序方向保护将会判别为正方向而正确动作。

由(3)式可知，B侧U0和I0满足反相关系，零序方向判据满足式(1)的条件，判别为正方向，正确动作。

因此故障线路的纵联零序保护能够可靠动作。

2.1.2 健全线路MN两侧零序方向保护动作分析

M侧零序方向保护:

N侧零序方向保护:

由(9)式可知，由于本线路发生线路故障，产生零序故障电流，在绝大多数情况下N侧U0和I0满足反相关系，零序方向判据满足的条件，判为正向。

由(8)式分析结果，其M侧的方向判别结果有可能由于相邻线路耦合的影响而发生误判，有可能判为是正向亦有可能是反向。如果是电强于磁，M侧零序方向保护将会判别为反方向而不会动作;如果磁强于电，即在一些电气联系很弱的情况下，并且同杆多回以及多回线路相距很近的强磁耦合条件下，M侧零序保护会将区外反方向故障判别为正方向而误动作。

因此，健全线路的纵联零序保护在强磁弱电环境下可能会发生误动。

2.1.3 双回线纵联零序方向保护动作综合分析

(1)线路两侧均无电气联系或弱电气联系的平行线路，互感耦合较强Zam、Zbn值较大，即在磁强于电的系统条件下，其中一回线发生故障，健全线路纵联零序方向保护一定误动。

多回线平行线架设在同一出线走廊时，线间存在零序互感，区外故障时，相邻线路可能会导致零序功率方向保护误动。如图3所示。

其中一回发生接地故障，故障时，零序网络如图4所示。

对于故障线路，零序电源位于故障点。由于零序互感的存在，非故障线路中感应出零序电源U0’。零序电源U0’串入到非故障线路的零序网络中，导致非故障线路两侧零序功率方向均判为正方向。当互感零序电流超过零序纵联保护过流值时，非故障线零序纵联保护将发生误动。

(2)健全线路双端均有强电气连接平行线，互感耦合较弱Zam、Zbn值较小，即在电强于磁的系统条件下，其中一回线发生故障，健全线路纵联零序方向保护不会误动。

当平行线路一端有电气联系时，零序网络如图5所示。

由于双回线电气联系的存在，U0m被故障线路母线处的零序电压嵌箝位，其方向可能如图中箭头所示，此时存在电联系的一侧的零功方向不会判为正方向。

(3)对于其它的方式，例如一侧强电气联系另一侧弱(无)电气联系，或者两端均有电气联系但互感磁场耦合较强的情况，在其中一回线发生故障，健全线路纵联零序方向保护是否误动则需看系统到底是磁强于电还是电强于磁来判定。当双回线电气联系弱时，故障线母线处的零序电压箝位效果不大，U0m的方向倒转，如图中虚箭头所示，此时，零序功率方向仍然会判为正方向。非故障线零序纵联保护仍存在发生误动的可能。

(4)故障线路的纵联零序方向保护始终能够正确动作。

2.2 平行双回线路系统对负序保护的影响

负序功率方向保护在历史上曾经得到过一定程度的应用，如GE公司的TLS和PLS线路保护就曾经广泛应用负序方向保护，但是由于负序滤序困难，易受频率影响等原因一直很少利用。而现今随着计算机技术的发展，所以负序方向元件完全可以得到更为广泛的应用。将图5的零序网络系统改为负序网络系统进行分析，考虑到线路换位不完全引起的不平衡磁通产生的负序互感的影响，分析如下:

2.2.1 故障线路AB两侧负序方向保护动作分析

A侧负序方向保护:

B侧负序方向保护:

区内故障发生时，当线路完全换位的情况下，线路之间不存在负序磁耦合，Zam2、Zbn2负序互感为零，AB两侧负序功率方向保护可靠动作;当线路不完全换位时，不平衡负序磁通产生的负序互感电动势影响很小，AB两侧负序功率方向保护可靠动作。因此故障线路的纵联负序保护能够可靠动作。

2.2.2 健全线路MN两负零序方向保护动作分析

M侧负序方向保护:

N侧负序方向保护:

区外故障发生时，当线路完全换位的情况下，负序互感为零，线路间没有磁的联系，由式(14)可知，M侧的负序电压完全没有反相的可能，因此M侧的负序功率方向保护不会误动作;当线路不完全换位时的不平衡磁通产生的负序互感电动势，比零序互感电动势小得多，可以满足式(16)的要求，在某些严重的情况下，可以通过设定负序门槛值，确保M侧的负序功率方向不会误动。

2.2.3 负序方向保护动作情况评价

由此可见，在纵联零序功率方向保护容易误动的平行线路中，在纵联方向保护中采用负序功率方向作为方向元件不会由于强磁弱电现象引起方向保护的误动。

3 环网运行方式下方向元件动作分析

3.1 环网中零序、负序平衡点

环网系统如图6所示，当系统中某点发生接地故障时，对零序系统而言，当线路MN两侧零序电压U0M和U0N不相等时，线路MN上将有零序电流I0流过，方向和幅值由两侧零序电压U0M和U0N的相对关系决定;当线路MN两侧零序电压U0M和U0N基本相等时，MN上的零序电流I0基本为0，该点B0称为“零序平衡点”。因此在B0点两侧发生接地故障时，健全线路MN上流过的零序电流I0方向将发生反相的现象。

同理在负序系统中，也存在着“负序平衡点”。如在负序平衡点B2两侧发生接地故障，健全线路MN上流过的负序电流I2流向将发生反相的情况。

3.2 故障点对零序、负序方向元件动作的影响

由于系统中零序和负序网络不完全对称，零序平衡点和负序平衡点不一定位于系统的同一处。当零序平衡点(B0)和负序平衡点(B2)之间发生故障时，流过健全MN线路上的零序电流I0和负序电流I2流向相反。

健全MN线路两侧保护时，M侧零序方向元件判为反方向，负序方向元件判为正方向;N侧功零序功率方向判为正方向，负序功率方向为反方向。某些厂家的线路纵联保护采取的是零、负序综合判据，如MN两侧方向综合判据均判为正方向，MN健全线路方向保护则会误动。

4 对传统线路纵联方向保护判据改进的研究

鉴于负序方向保护不受线路互感耦合的优点，因此可以在强磁弱电环境中引入负序电流方向元件的应用，以保证线路保护纵联方向动作的可靠性，负序方向元件的动判据件为:

4.1 负序方向比较元件分析

当线路完全换位的情况下，负序互感为零，线路之间不存在磁耦合，没有耦合附加电势，负序功率方向保护不会动作。

当线路不完全换位时，换位不完全引起的不平衡磁通产生的负序互感电动势，比零序互感电动势小得多，如前文所分析，区外故障负序功率方向不会误动，不能够满足(18)式的动作条件，在纵联方向保护中采用负序方向元件不会由于强磁弱电现象引起方向保护的误动;而区内故障能够满足(18)式的动作条件，而可靠动作。

4.2 负序电压和负序电流闭锁元件方向

为保证非故障线路负序方向保护不误动，在考虑到线路运行换位不完全导致的负序磁联系的影响，可增加负序电压和负序电流闭锁条件。

可以选取合适的负序电流、电压门槛值以保证安全性，为保证故障线路保护在高阻接地故障时能可靠动作，负序电压够满足(19)式的动作条件，和负序电流够满足(20)式的动作条件大于定值时，开放负序方向保护;又要保证严重区外故障情况下，负序电压和负序电流小于定值时，则闭锁负序方向保护，确保非故障线路保护不误动。