同桿并架雙回線保護(hù)選相實(shí)用算法的研究

冬大龍，李新儒，張文

（1.唐山供電公司，河北唐山063000；2.北京電力公司，北京100031）

同桿并架雙回線具有出線走廊窄、輸送容量大、投資少、見(jiàn)效快、可提高供電可靠性和運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。由于同桿雙回線運(yùn)行方式復(fù)雜、存在線間互感及跨線故障，所以在單回線上廣泛應(yīng)用的零序電流保護(hù)、距離保護(hù)等難以滿足同桿并架雙回線的要求。此外，為提高供電可靠性、減少停電損失，在重要的同桿并架雙回聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生故障時(shí)，要求只切除故障相而將非故障相保留下來(lái)繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)行按相重合閘。鑒于永久性故障時(shí)重合線路給系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和電力設(shè)備所帶來(lái)的極大危害，就要求重合閘裝置具有良好的故障判別能力（區(qū)分瞬時(shí)性故障和永久性故障）和跨線故障選相能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)單線及跨線故障的正確判斷，并按綜重或單重要求正確動(dòng)作。

1 同桿并架雙回線保護(hù)配置現(xiàn)狀

1.1 雙回線故障類型對(duì)保護(hù)的影響

同桿并架雙回線路的故障種類很復(fù)雜。單回線路的簡(jiǎn)單故障只有11種，同桿并架雙回線路的故障多達(dá)120種，包括單回線故障22種、跨線故障98種。在這些故障中，接地故障種類占52.5%，跨線故障種類約占全部故障種類的82%。其中，單回線發(fā)生故障的機(jī)率在80%以上。

由于同回線路相間存在互感，而雙回線路中線間亦存在較大互感，在并架雙回線單回線運(yùn)行、同時(shí)運(yùn)行、準(zhǔn)三相運(yùn)行、非全相運(yùn)行（雙回或單回）等多種運(yùn)行方式下，雙回線互感均發(fā)生變化。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，雙回線母線壓降不僅取決于本線電流，同時(shí)受鄰線零序電流影響，從而使與零序電流和接地阻抗有關(guān)的保護(hù)均受到影響。

1.2 超高壓雙回線保護(hù)的配置現(xiàn)狀

超高壓同桿并架雙回線目前配置的保護(hù)裝置主要包括：分相電流差動(dòng)保護(hù)、橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、高頻縱聯(lián)保護(hù)（縱聯(lián)距離和縱聯(lián)方向）和平衡保護(hù)等。

1.2.1 分相電流差動(dòng)保護(hù)

分相電流差動(dòng)保護(hù)按相來(lái)進(jìn)行兩側(cè)電流幅值及相位的比較，線路兩側(cè)同時(shí)按相切除故障相的保護(hù)類型。對(duì)于同桿并架雙回線的跨線故障，分相電流差動(dòng)保護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)正確選相并跳閘。由于保護(hù)具備跨線故障選相的能力，并具有交換兩側(cè)信息的功能，因此分相順序重合、遠(yuǎn)故障側(cè)先重合、跨線故障同名相優(yōu)先重合、多相故障線路優(yōu)先重合等自適應(yīng)功能得以實(shí)現(xiàn)。

1.2.2 橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

在中、低電壓等級(jí)并架雙回線路上，橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)得到了廣泛應(yīng)用。橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要通道及運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是存在相繼動(dòng)作區(qū)和死區(qū)（對(duì)于有記憶功能的功率方向元件則能消除死區(qū)），單回線運(yùn)行時(shí)保護(hù)需退出運(yùn)行（通常反措采用保護(hù)直流電源經(jīng)雙回線斷路器輔助接點(diǎn)串聯(lián)閉鎖）。橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)可分為橫聯(lián)方向差動(dòng)保護(hù)和電流平衡保護(hù)。它們共同的缺點(diǎn)是在雙回線發(fā)生同名相跨線短路時(shí)拒動(dòng)。

1.2.3 高頻縱聯(lián)保護(hù)

縱聯(lián)距離保護(hù)主要是為了解決雙回線裝設(shè)傳統(tǒng)距離保護(hù)的情況下，在線路末端發(fā)生兩非同名相跨線故障時(shí)兩回線保護(hù)均判斷為相間故障而同時(shí)切除三相的問(wèn)題。縱聯(lián)距離保護(hù)受同桿并架雙回線零序互感的影響，容易造成保護(hù)超范圍拒動(dòng)或誤動(dòng)。縱聯(lián)方向保護(hù)同樣易受同桿雙回線零序互感的影響，造成保護(hù)的誤動(dòng)。但使用變化量方向元件的縱聯(lián)方向保護(hù)則不受影響，主要是因?yàn)樽兓糠较蛟糠从诚到y(tǒng)零序分量的變化。

1.3 重合閘的故障判別

1.3.1 重合閘的故障判別

同桿并架雙回線重合閘不僅需要區(qū)分瞬時(shí)和永久性故障，還要正確選出故障相別。一回線有電流檢測(cè)方式是當(dāng)雙回線路其中一回發(fā)生故障跳閘后，通過(guò)檢查另一回線是否有負(fù)荷電流來(lái)決定是否重合閘。該方式在雙回線分列運(yùn)行及單回線運(yùn)行時(shí)不能使用，而且要躲過(guò)線路的電容電流。通常該方式和其他方式配合使用。

當(dāng)雙回線運(yùn)行發(fā)生跨線故障、兩回線路保護(hù)均正確動(dòng)作時(shí)，為防止兩回線均重合于故障線路造成對(duì)發(fā)電機(jī)組短時(shí)間內(nèi)的兩次沖擊，通常要求兩回線重合具有適當(dāng)?shù)臅r(shí)間差，即若兩回線均為單相故障，人為規(guī)定一回線先重合，另一回線后重合，而且先重合線路重合于故障，后重合線路不再重合。

1.3.2 故障選相

目前主要采用的故障選相包括突變量選相、阻抗選相和序分量選相。

相電流差突變量選相是利用不同故障時(shí)兩相工頻電流差的變化量的幅值特征選相，附加鑒別有無(wú)零序分量區(qū)分兩相短路和兩相短路接地[1]。該方法在故障初期靈敏度高，不受負(fù)荷電流和過(guò)渡電阻影響。但是當(dāng)保護(hù)位于弱電源側(cè)或發(fā)生轉(zhuǎn)換性故障時(shí)靈敏度不足甚至?xí)?dǎo)致誤選相。當(dāng)應(yīng)用于同桿雙回線時(shí)，往往不能正確區(qū)分跨線故障。

阻抗選相主要依據(jù)阻抗測(cè)量元件的測(cè)量結(jié)果來(lái)確認(rèn)故障相，在大多數(shù)簡(jiǎn)單故障下能正確選擇故障相，但它受系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障點(diǎn)過(guò)渡電阻的影響較大，選相結(jié)果往往不理想。應(yīng)用于同桿并架雙回線時(shí)需要同時(shí)對(duì)6個(gè)阻抗測(cè)量元件計(jì)算來(lái)判斷故障相。

序分量選相分為零、負(fù)序電流選相和零、負(fù)序電壓選相。前者按零、負(fù)序電流相對(duì)相位相區(qū)劃分方法，輔以相間阻抗排除法實(shí)現(xiàn)選相，具有很強(qiáng)的耐過(guò)渡電阻的能力。但對(duì)于單相接地故障，其相區(qū)的裕度較小，可能由于計(jì)算誤差或較為特殊的擾動(dòng)而使單相接地時(shí)的相位移出相應(yīng)相區(qū)，從而誤選為相間接地故障。后者首先根據(jù)故障后的功率方向自動(dòng)采用不同判據(jù)：送端判據(jù)或受端判據(jù)，然后由接地故障時(shí)負(fù)序和零序電壓的相位關(guān)系實(shí)現(xiàn)相區(qū)劃分。在重疊相區(qū)內(nèi)，由正序電壓、零序電壓的相位關(guān)系區(qū)分具體故障常作為保護(hù)的后續(xù)故障選相元件。序電壓選相采用電壓序分量的相對(duì)相位關(guān)系的選相原理，具有零序負(fù)序電流選相的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)消除了前者在線路出口及背后發(fā)生轉(zhuǎn)換性故障時(shí)不能選出相間故障的缺陷，但它同樣具有需要解決長(zhǎng)線路遠(yuǎn)處故障及遠(yuǎn)處帶過(guò)渡電阻接地故障時(shí)的靈敏度問(wèn)題，缺點(diǎn)是用于同桿并架雙回線系統(tǒng)時(shí)無(wú)法區(qū)別區(qū)內(nèi)相間故障和跨線故障。

2 同桿并架雙回線保護(hù)及選相原理

2.1 基于故障電壓比較故障相電流相位判別的新的綜合選相元件原理

通常情況下，同桿并架雙回線跨線故障具有如下的特點(diǎn)：?jiǎn)蜗嗫鐔蜗嗷蚩缍嘞嗟目缇€故障，含單故障相的線路故障相電流與本線非故障相（鄰線同名故障相）電流的相位差，近故障側(cè)一般小于90°，遠(yuǎn)故障側(cè)大于90°，極端情況是跨線不接地故障，相位差分別約等于0°和180°；含多相故障的線路，其故障相電流之間的相位差一般大于90°。利用這些特點(diǎn)，可以構(gòu)造一種新的選相元件：（1）首先判斷3個(gè)相間電壓大小，以電壓值最小者作為跨線故障相；（2）判別本線此兩相電流之間的相位差，如不大于，認(rèn)為本線是含單故障相的線路，并確定電流大者為故障相；若大于，認(rèn)為本線發(fā)生相間故障。這種綜合選相元件[3]與相電流差突變量、負(fù)序零序電流選相元件一起構(gòu)成同桿并架雙回線保護(hù)的選相元件。

2.2 跨線故障識(shí)別及綜合常規(guī)量邏輯比較選相元件

2.2.1 跨線不接地故障

總體來(lái)說(shuō)，跨線不接地故障對(duì)于近端保護(hù)來(lái)說(shuō)具有零序電流而無(wú)零序電壓。對(duì)于長(zhǎng)線路遠(yuǎn)端故障，由于保護(hù)安裝處可能也檢測(cè)不到零序電流，僅反映出相間故障的特征。因此本文所提出的新的選相方案僅考慮近故障側(cè)保護(hù)。

跨線不接地故障的相電壓雖有所降低，但與接地故障相比其相電壓幅值仍然較高，而跨線的兩故障相之間的相間電壓會(huì)很低，尤其是線路出口故障。若本線僅發(fā)生單相跨鄰線的故障，相間電壓低的回路的兩相電流幅值相差較大。在短線路的小電源側(cè)發(fā)生跨線故障，有可能兩相電流幅值是接近的，但此時(shí)兩相電流相位也接近同相，本線非故障相與鄰線故障相相電流方向?yàn)榉聪啵@和單回線相間故障是完全不同的。

2.2.2 雙回線跨線接地故障

接地故障和不接地的跨線故障不同，零序電流不再是環(huán)流量，保護(hù)安裝處將出現(xiàn)零序電壓。但雙回線發(fā)生跨線接地故障后總是伴隨著出現(xiàn)兩相（或者三相）相電壓降低，線路出口或者近端故障相電壓將降得很低。同跨線不接地故障一樣，本線若是單相故障，對(duì)于近端來(lái)說(shuō)本線故障相和非故障相（鄰線故障相）之間電流幅值相差較大，且本線非故障相（鄰線故障相）相電流方向?yàn)榉聪唷Ｒ虼耍?dāng)雙回線發(fā)生接地故障時(shí)可利用故障相電壓和電流幅值、電流方向進(jìn)行判別是否發(fā)生了跨線故障。

2.2.3 雙回線跨多相故障

由于雙回線跨多相故障類型繁多，本文以I回線在先為例列舉幾種較為常見(jiàn)的類型，例如①IBCIIC，②IBIIBC，③IAIIBC，④IBIIAC，⑤IAIIABC等。其中，①可看成IBC和IBIIC兩種短路故障疊加而成，各側(cè)電流分布如圖1所示。②可看成IIBC和IBIIC兩種短路故障的合成，但不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為①，②就是IBIIC或ICIIB的故障中，C相或B相簡(jiǎn)單的分流故障電流的一半，方向仍為近故障側(cè)同相，根據(jù)實(shí)際錄波數(shù)據(jù)，發(fā)生在同一回線路上的兩相短路的二相這里即B，C相反相位，電流分布如圖2所示。③，④，⑤視為對(duì)稱性故障，分析較為簡(jiǎn)單，不再贅述。

3 雙回線跨線故障識(shí)別及選相算法

因?yàn)椴捎每v聯(lián)保護(hù)作為主保護(hù)，經(jīng)過(guò)通道可以交換信息，故本文只討論近故障側(cè)的情況，另一側(cè)閉鎖由近故障側(cè)停信解除。算法流程以I線為例，故障以典型的IBIIC，IBIIBC和IBIICG為例分析。具體流程算法如圖3所示。

上述故障識(shí)別算法與選相流程是基于雙回線其中一回所提供的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)量所做出的。如果允許提供另一回線路的電流數(shù)據(jù)，選相方法可有所變化，如圖4所示。

4 跨線故障算法驗(yàn)證

2000年7月27日唐山地區(qū)220kV主網(wǎng)發(fā)生過(guò)一起220kV線路相繼故障的重大安全事故。其中220kV洼里變電站和呂家坨變電站相繼失去主電源，造成重大停電事故。

事故起因是7月27日的雷雨天氣，導(dǎo)致陡洼雙回中的陡洼II線B相故障接地，陡洼II線洼里側(cè)2211開(kāi)關(guān)跳B(niǎo)相，0.5s后重合B相，重合成功。隨后，陡洼I線A相和陡洼II線C向相繼故障，陡洼I線洼里側(cè)2212縱聯(lián)方向保護(hù)動(dòng)作跳A相，陡洼II線洼里側(cè)2212縱聯(lián)方向保護(hù)動(dòng)作跳三相，之后相隔4ms，陡洼I線洼里側(cè)2212縱聯(lián)方向保護(hù)動(dòng)作跳B(niǎo)，C相。

陡洼I，II回線路故障錄波圖如圖5、圖6、圖7、圖8所示。（注：二次電壓電流220V 16 A，時(shí)間單位ms。錄波圖中的橫軸1～9號(hào)軸分別代表A，B，C相母線電壓，母線零序電壓3 U0，A，B，C相電流，零序電流3I0，線路本側(cè)方向高頻。另動(dòng)作信號(hào)1-3為方向TA，TB，TC，6-8為微機(jī)TA，TB，TC，11-13為出口TA，TB，TC）通過(guò)對(duì)故障錄波圖的分析，陡洼II回的B相接地為瞬時(shí)故障，跳開(kāi)后重合成功，隨后的陡洼I線A相故障接地閃絡(luò)造成相鄰?fù)瑮U并架陡洼II線C相故障接地，二者故障時(shí)間僅差10ms[4]，但由于LFP-901保護(hù)并不具備雙回線跨線故障選相功能，所以陡洼I，II線相繼跳開(kāi)三相，而不是系統(tǒng)要求的準(zhǔn)全相運(yùn)行，這樣致使洼里變電站失去220kV主電源，導(dǎo)致大面積停電。如果采用自適應(yīng)的跨線故障選相元件，則可保持準(zhǔn)同期運(yùn)行即與主電源保持弱聯(lián)系，為事故處理贏得時(shí)間。

采用本文設(shè)計(jì)的流程圖進(jìn)行事故分析，故障初始時(shí)刻33U˙0I均大于不平衡量的門檻值，故流程轉(zhuǎn)入單相接地或跨線接地故障流程。通過(guò)對(duì)錄波圖細(xì)致分析可知正常電流滯后該相電壓約，C相故障電流相角滯后正常電流，相位接近相反，而單相接地是不會(huì)出現(xiàn)這種情況的，故可判為跨線接地故障。同時(shí)由故障錄波圖知突變，知故障相為A，C。通過(guò)對(duì)和的大小確定可知，故判定A相為I回故障相，C為鄰線故障相（因?yàn)锳相為對(duì)側(cè)電源提供的電流加本側(cè)短路電流之和，而C相只有對(duì)側(cè)提供的短路電流）。利用該選相方法所選結(jié)果與實(shí)際故障相別結(jié)果一致。

目前已與保護(hù)生產(chǎn)廠家進(jìn)行聯(lián)系，對(duì)現(xiàn)有老的保護(hù)裝置進(jìn)行改進(jìn)，加入的新算法將有助于對(duì)跨線故障的識(shí)別。

5 結(jié)束語(yǔ)

同桿并架雙回線的不正確動(dòng)作，往往是由于綜合性常規(guī)原理的保護(hù)對(duì)跨線故障缺乏準(zhǔn)確的判斷能力，沒(méi)有根據(jù)雙回線跨線故障的獨(dú)有特征設(shè)計(jì)其程序算法，致使選相元件錯(cuò)誤動(dòng)作，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。本文提出的故障識(shí)別算法及選相流程利用系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分量和本回線的特征量較有針對(duì)性地解決了上述問(wèn)題，具有一定的實(shí)用性。希望能拋磚引玉，為雙回線跨線故障識(shí)別及選相研究這一課題的完善起到積極的作用。

[1] 李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[2] 楊奇遜，黃少鋒.微機(jī)型繼電保護(hù)基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[3] 俞波，楊奇遜.同桿并架雙回線保護(hù)選相元件研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(4):38-42，76.

[4] 南瑞繼電保護(hù)公司.LFP-901A超高壓線路成套快速保護(hù)裝置技術(shù)說(shuō)明書(shū)[Z].