同桿并架線路保護選相元件研究分析

胡佑群 劉鵬飛 羅 成 張東輝

（南車株洲電力機車研究所，湖南 株洲 412001）

為保證電力系統運行的安全穩定性，同桿并架雙回線在故障時不能無選擇性跳閘。因此，保護裝置必須具有選相跳閘能力。雖然分相電流差動保護具有天然的選相能力，但對于方向或距離縱聯保護，以及作為后備保護的距離及零序電流保護，必須具有選相元件才能選相跳閘。

由于同桿并架雙回線的兩回線之間的互感較大，且是雙回線運行，導致其故障特征比較復雜。這種情況下要實現選相跳閘，其選相元件動作的正確性極其重要，這就對選相元件提出了極高的要求。單回線上運行性能良好的的故障選相元件，如相電流差突變量和序電流選相元件，在同桿并架雙回線復雜故障下的性能如何值得研究。國內外學者已就此問題做了一些研究。

本文運用 PSCAD/EMTDC建立同桿并架雙回線保護的仿真平臺，對幾種常用的選相元件進行分析，指出其不足與缺點。

1 同桿并架雙回線保護仿真平臺設計

同桿雙回線保護仿真平臺的設計可以分為同桿雙回線仿真模型的建立和保護仿真算法庫的設計兩部分。傳統單回線路的仿真模型構建是基于序參數的，但同桿雙回線之間的互感存在很大的差異，采用序參數來構建其仿真模型不能正確反映線路的暫態特性。因此，本文采用同桿雙回線的桿塔和線路結構參數來構建同桿雙回線的仿真模型。

由于Bergeron模型只能精確地反應基頻，適用于基頻潮流的研究，為準確地模擬同桿并架雙回線路的暫態和穩態特性，仿真中采用的是頻率依賴（相量）模型模擬分布參數線路。并設計了對外輸出數據文件，用于不同的選相元件算法。圖1為頻率依賴（相量）模型的配置界面。

圖1 頻率依賴（相量）模型配置界面

2 同桿并架雙回線保護的選相元件研究

2.1 相電流差突變量選相元件分析

相電流差突變量選相元件是在系統發生故障時利用兩相電流差的變化量的幅值特征來進行故障選相的元件。

假定C1=C2，式（1）的幅值又可表示為

其選相流程如圖3所示。

圖3 相電流差突變量選相流程圖

由于相電流差突變量選相原理是通過比較三相電流差變化量的大小來實現，因此，三相電流的大小及相位將影響選相結果。

雙回線的跨線故障與單回線故障情況不同，后者的非故障相電流故障前后變化較小，而前者的非故障相如果是鄰線的同名跨線故障相，則存在由兩側電源提供的故障電流，這將影響此種選相元件的動作性能。當兩側電源大小相差較大時，這種影響更加明顯。表1、表2給出了雙回線兩端分別為強、弱電源，部分跨線故障時Ⅰ回線弱電源側相電流差突變量選相元件的選相結果。

從選相元件的動作情況可知，當兩側電源大小差異較大時，在線路發生本線單相跨鄰線非同名單相或多相故障，如ⅠAⅡBG，由于本線由對側提供的B相電流較大，與本側電源提供的A相故障電流相近，并且A、B相電流的相位較近，導致變小，使，從而誤選成相間故障。當兩側電源大小差異足夠大的時候，即使弱電源端近側發生跨線故障也有可能誤選相。表1、表2中顯示，由于上述原因有較多選相結果誤選相。

表1 跨線故障下Ⅰ回線弱電源側近距離相電流差突變量選相元件動作情況

表2 跨線故障下Ⅰ回線弱電源側遠距離相電流差突變量選相元件動作情況

2.2 負序零序電流選相元件分析

由于負序零序電流選相原理是通過計算負序電流和零序電流之間的相位差來實現的，因此三相電流的大小及相位將影響選相結果。而發生雙回線的跨線故障時，非故障相如果是鄰線的同名跨線故障相，則存在由兩側電源提供的故障電流（在出口故障時電流僅由對側電源提供），這將影響此種選相元件的動作性能。當兩側電源大小相差較大時，這種影響也更加明顯。

表3、表4給出了不同電源情況下發生金屬性跨線故障時Ⅰ回線負序零序電流選相元件動作情況。

分析可知：當系統兩側電源大小差異較大時，發生含非同名相單相跨線故障時，由于對側大電源的影響，本線非故障相（鄰線同名故障相）電流可能接近或超過故障相電流，導致序電流相位變化而不能反映故障情況。對側電源的影響隨著故障點向強電源側移動而逐漸變大，當線路較短時這種情況更惡劣。若兩側電源差異足夠大，即使是靠近弱電源側發生這種類型的故障都有可能誤選相。若兩側電源大小差異不是很大，則會發生這種現象的故障點可能會比較靠近大電源側。

表3 跨線故障下Ⅰ回線近距離（弱電源側）負序零序電流選相元件動作情況

表4 跨線故障下Ⅰ回線遠距離（弱電源側）負序零序電流選相元件動作情況

值得注意的是，在表 3、表 4中，在某些故障點發生ⅠAⅡAG與ⅠCⅡCG故障時，也發生了分區錯誤。這有可能是因為該故障點離線路的平衡點比較近，故障電流受互感影響較大而出現分區錯誤。

3 結論

本文運用設計好的同桿并架雙回線保護仿真平臺對常用選相元件進行了分析，得出了以下結論：

1）對于相電流差突變量選相元件，當兩側電源大小差異較大，如一側為弱電源，另一側為強電源，在線路發生本線單相跨鄰線非同名單相或多相故障（如ⅠAⅡBG）時，由于對側強電源的影響，弱電源側Ⅰ回線會誤選相。

當發生含同名故障相的區內多相跨單相故障時，如Ⅰ回線CA短路，跨Ⅱ回線A相(ⅠCAⅡAG)，則由于近故障側Ⅰ回線A相電流可能小于或等于C相電流的1/2，使該側相電流差突變量值大小呈單相短路故障特征而誤選成單相故障。

2）對于負序零序電流選相元件：當系統兩側電源大小差異較大時，發生含非同名相單相跨線故障時，由于對側大電源的影響，本線非故障相（鄰線同名故障相）的電流可能接近或超過故障相電流，導致序電流相位變化而不能反映故障情況。

對于單相跨兩相（含同名單相）的故障情況，處于兩相故障的線路可能誤選相。其原因是這種跨線故障中兩相短路呈不完全的相間短路（或接地）特征，即同名相故障電流只有另一故障相電流的一半左右，甚至有可能更小，使負序、零序電流相位差可能落入錯誤的故障相區。

在某些故障點ⅠAⅡAG與ⅠCⅡCG也發生了分區錯誤。這有可能是因為該故障點離線路的平衡點比較近，故障電流受互感影響較大而出現分區錯誤。

[1]葛耀中.新型繼電保護與故障測距原理與技術[M](第二版).西安:西安交通大學出版社,2007.

[2]陳福峰,錢國明.基于同桿雙回線跨線故障識別的選相方案[J].電力系統自動化,2008,32(6):66-70.

[3]劉千寬,黃少鋒,王興國. 同桿并架雙回線基于電流突變量的綜合選相[J].電力系統自動化,2007,31(21):53-57.

[4]LU Z, TANG W H, JI T Y, et al. A phase selector based on mathematical morphology for double circuit transmission lines[J]. Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power technologies, Third International Conference on, 2008, Page(s): 2322-2327.

[5]JONES M S, TOMAS D W P, CHRISTOPOULOS C. A non-pilot phase selector based on superimposed components for protection of double circuit lines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1997, 12(4): 1439-1444.