帶串補的同桿并架雙回線路零序故障分量對繼電保護的影響

薛明軍，王玉婷，陳福鋒，鄒磊，張祥，陳實

(1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210003； 2.南京國電南自自動化有限公司，南京 211153)

帶串補的同桿并架雙回線路零序故障分量對繼電保護的影響

薛明軍1,2，王玉婷1,2，陳福鋒1,2，鄒磊1,2，張祥1,2，陳實1,2

(1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210003； 2.南京國電南自自動化有限公司，南京 211153)

利用安裝串補電容的同桿并架雙回線路發生接地故障時的零序序網，分析在串補出口處發生高阻故障且MOV未導通時對兩側保護安裝處的零序功率方向元件及零序差動保護的影響。分析結果表明：串補電容可能導致遠離串補側保護的零序功率方向繼電器拒動作，另外作為保護高阻接地故障的零序差動保護也可能發生靈敏度降低甚至拒動的情況。仿真試驗驗證了該理論分析的正確性，并提出了主保護的配置原則。

串聯電容補償；同桿并架雙回線路；零序功率方向；零序差動保護；高阻故障

0 引言

對于遠距離輸電線, 其輸電能力主要取決于線路的穩定極限, 功角穩定性使輸送功率、輸電距離受到限制, 必須采取補償措施。串聯電容器補償可使系統穩定極限大幅度提高, 從而提高線路的輸電能力。串補電容的主要作用在于：通過控制潮流提高電力系統的輸送能力；改善電力系統的穩定性；改善電壓質量及無功功率平衡；減少系統的線路損耗，提高線路傳輸容量。它還具有提高系統暫態穩定性、優化輸電線路潮流和降低系統損耗的作用。串聯電容補償是提高輸電系統經濟性和可靠性的有效手段。

串補裝置雖然給輸電線路的功率輸送帶來了很多優點,但同時也給輸電線路的繼電保護帶來了很多不利影響，國內外學者對帶串補的輸電線路也做了很多深入研究。如文獻[1-2]指出串補電容影響了線路保護的距離保護，造成傳統距離保護在串補線路中超越的問題，并提出了一種判斷串補線路故障時故障點相對于串聯補償電容位置的模型識別方法，可以解決傳統距離保護在串補線路中超越的問題，使得距離I段可以按全線阻抗整定，很大程度地提高了距離I段的靈敏度；文獻[3]分析了串補電容對差動保護的影響，并提出了一種不受串補電容影響的基于貝瑞隆模型實現的縱聯差動保護原理，該原理在靈敏度和可靠性上都優于傳統的分相電流差動保護；文獻[4]對帶串補的特高壓線路采用負序方向的高頻保護作為主保護進行了研究，并得出負序方向高頻保護可能在串補不對稱擊穿和負序LC諧振帶來的不正確動作；文獻[5]分析了串補電容對工頻故障分量繼電保護的影響，并指出了故障分量繼電器可能拒動、誤動的條件。由此可見，串補電容對傳統線路保護的“四性”(選擇性、速動性、靈敏性、可靠性)帶來了嚴峻考驗，因此需要深入研究串補電容帶來的各方面影響，以此來制定相應的對策。

目前，對串補的影響分析主要集中在單回線路上[5-7]，一般認為帶串補的同桿并架雙回線路的零序方向元件的動作行為與單回線路一致，即遠離串補安裝側的零序方向元件不會誤判，而串補安裝側在電壓互感器(PT)安裝在線路和串補電容之間時，采用零序電壓補償的方法也能可靠判斷，而實際帶串補線路的工程多為同桿并架雙回線路。因此，本文主要對帶串補的同桿并架雙回線路故障時的零序分量進行深入分析，指出在串補出口處發生高阻接地且金屬氧化物限壓器(MOV)不導通的情況下，遠離串補側保護安裝處的零序功率方向元件可能拒動，并對比例制動特性的零序差動保護的靈敏度帶來了不利影響。

1 對零序功率方向元件的影響

一般來說，零序功率正方向判據如下：

帶串補的同桿并架雙回線路一次系統如圖1所示，當在系統側Ⅱ線出口處K1點發生經過渡電阻接地故障時，假設過渡電阻較大導致故障時串補MOV沒有導通。故障時的零序等效回路如圖2所示。

圖1 帶串補的同桿并架雙回線路接線

圖2 零序序網絡等效圖

為了簡化分析，對于超高壓、特高壓線路，可以忽略線路和兩側等值阻抗的電阻部分，設定文中所有的阻抗均僅包含電抗部分。

1.2.1 遠離串補側的零序方向元件分析

由于串補安裝在N側，所以M側的零序功率方向元件跟PT的安裝位置沒有關系，根據星三角變換可將圖2的零序故障回路等效為圖3所示的等效圖。

圖3 星三角變換等效圖

其中：

(1)

式中：ZL0為線路全長的零序阻抗；Xc為串補電容容抗。

(2)

式中：ZM0為M側系統等值零序阻抗；ZN0為N側系統等值零序阻抗。將式(1)代入式(2)可得：

(3)

對于圖2，根據戴維南等效電路可得以下等式：

(4)

將式(3)代入式(4)可得出：

(5)

而M側保護安裝處的零序電壓為：

(6)

所以故障線Ⅱ線M側的保護安裝處的零序電壓和零序電流的關系為：

(7)

由于串補電容的補償度不可能為線路全長，式(7)分子的方向性明確，而對于分母而言，由于b的方向具有不確定性，因此對b分如下2種情況來分析。

(1)若ZN0

(2)若ZN0>Xc/2，則b為正數，若要不發生零序方向元件誤判，ZL02Xc-Xcb需呈感性，則要滿足如下條件：

ZL0-2Xc-Xcb>0 。

(8)

將式(8)整理得到：

(9)

將b的表達式代入式(9)得到：

(10)

因此需要滿足：

(11)

綜上所述，當N側的系統阻抗滿足式(12)條件時，M側的零序功率方向元件不會發生誤判。

(12)

而式(13)條件滿足時，若在串補出口處發生高阻故障串補電容MOV未導通時，則遠端M側的零序功率方向元件會誤判為反方向，從而導致M側帶方向的零序保護拒動作。

(13)

1.2.2 串補安裝側的零序方向元件分析

分N側保護PT與串補電容安裝的位置來分析。

(1)PT位于串補電容與母線間。此時N側保護安裝處的零序電壓為：

(14)

所以故障線路N側保護安裝處的零序電壓和零序電流的相位關系為：

(15)

(2)PT位于串補電容與線路間。由于PT位于串補電容與線路間，此時零序功率方向元件會采用零序電流補償方法，N側補償后的零序電壓為式(14)所示，因此故障線路N側保護安裝處的零序電壓和零序電流的關系仍然為式(15)。

(16)

設

ZL0=aXc，

(17)

一般線路的零序阻抗為線路的3倍，且補償度不會為線路全長，則有a>3，將式(17)代入式(16)，則有：

(18)

圖4 k值隨b值變化曲線1

由上述分析可得出以下2點結論。

(1)串補電容出口處發生單相經高阻接地故障MOV未導通時，當兩側系統阻抗與線路阻抗和補償度滿足式(13)時，則遠離串補安裝側的零序功率方向元件會不正確動作，若配置的主保護為縱聯距離保護則存在拒動的風險。

(2)不論PT安裝在何處，近串補安裝側的零序功率方向元件能夠可靠動作。

2 對零序差動保護的影響

分相電流差動保護具有“天然”的選擇性、選相能力和良好的網絡拓撲適應能力，能很好地解決同桿并架雙回線串補線路帶來的特殊問題，因此，分相電流差動保護成為串補線路保護的首選。

我們知道，單回帶串補線路電流反向時會對零序差動保護帶來一定的影響，目前普遍的做法是采用降制動系數的方式來提高零序差動保護的靈敏度，因此，本文進一步深入分析雙回帶串補線路發生高阻故障，MOV未導通情況下對零差保護的影響。

零序電流差動保護的判據如下：

式中：Iop.0=|Im0+In0|；Ire.0=|Im0+In0|；Imk為零序差動動作定值；k為零序差動比率制動系數。

當故障中出現MOV未導通導致電流反向情況時，可能導致計算的k變小，嚴重時小于目前設置的內部門檻0.80，進而導致零序差動保護拒動，因此后續重點分析k在何種故障情況下可能出現最小值，利用圖2、圖3的戴維南定律可以推導出故障后故障線路兩側的故障零序電流的比例關系：

(19)

則零序差動保護的比例系數：

(20)

將式(17)代入式(20)，則有：

由于上述表達式有2個變量，分別為a和b,當線路補償參數固定，即a為常數時，則有：

(21)

根據式(21)，k值隨b值變化的曲線如圖5所示。

由于b取值的范圍為(-∞，-a)和(0，+∞)，

可見當b=-a時，即當滿足ZN0=0，ZM0=0時，k會出現極小值點：

圖5 k值隨b值變化曲線2

由上述分析可得出以下結論。

(1)串補電容出口處發生單相經高阻接地故障MOV未導通時，線路兩側系統阻抗越小，比率制動系數越可能出現最小值，對零序差動保護的靈敏度影響最大。

(2)最小的零序差動比率制動系數與串補電容和本線路零序與正序阻抗的比值有關，不同線路、不同補償度可能出現的最小比率制動系數不一定相同，補償度越高對零序差動保護的靈敏度影響越大。根據計算，假設線路正序阻抗為零序阻抗的1/3的線路，當補償度為33.3%時其可能出現的最小零序差動比率制動系數為0.80，當補償度為40.0%時的最小零序補償差動比率制動系數為0.76，超高壓線路保護裝置的零序差動比率制動系數一般取為0.80，由此可見補償度大于33.3%時零序差動保護就有可能出現拒動作。

3 仿真分析

3.1仿真參數

為了驗證上述分析結論，本文利用實時數字仿真器(RTDS)搭建帶串補的同桿并架雙回輸電模型，如圖6所示。

圖6 帶串補雙回輸電線路模型

圖6仿真系統參數如下：電壓等級，500 kV；線路MN長度，269 km；線路正序電阻，0.024 Ω/km；正序電抗，0.270 Ω/km；正序電容，0.013 1 μF/km；線路零序電阻，0.072 Ω/km；零序電抗，0.810 Ω/km；零序電容，0.008 1 μF/km。

以下仿真分析單相經高過渡電阻故障，MOV未導通的情況下，串補電容對零序方向元件和零序差動保護的影響。

3.2仿真計算結果

3.2.1 零序方向元件的仿真結果

模擬補償度為40%的情況下在串補出口處經300 Ω的高阻接地故障，且故障期間MOV沒有被擊穿，通過調節串補安裝側的系統阻抗來查看遠端M側保護安裝處的零序功率方向元件的動作行為，測試結果見表1。

表1 串補線路系統阻抗和補償度對零序方向元件的影響

從表1的仿真結果可以看出，當系統阻抗與線路阻抗和補償度關系滿足式(13)時，串補安裝側的對側的零序功率方向會誤判為反方向，而經過補償的串補安裝側的零序功率方向均可靠動作。

3.2.2 零序差動的仿真結果

模擬在串補出口處發生經300 Ω的高阻接地故障，且故障期間MOV沒有被擊穿，通過調節串補的補償度來查看零序差動的制動系數，測試結果見表2。

表2 串補線路系統阻抗和補償度對零序差動保護的影響

從表2的仿真結果可以看出，隨著補償度增大，零序差動的制動系數會逐漸減小，甚至可能低于常規線路保護的零序差動制動系數的門檻。

4 結束語

本文分析了帶串補的同桿并架雙回線路發生高阻故障且MOV未導通對零序功率方向元件和零序差動保護的影響，分析得出如果主保護配置為縱聯距離保護，則區內高阻故障可能會拒動作，而主保護配置為縱聯差動保護，則零序差動的靈敏度可能存在不足而不能快速切除故障的問題。

為改善繼電保護在用于同桿并架雙回串補線路的“四性”要求，提出了以下建議：帶串補的同桿并架雙回線路主保護盡量配置差動保護，且縱聯零序差動保護需要通過合理降低電流差動保護的比率制動系數等方法來提高靈敏度。

[1]陳福鋒，錢國明，薛明軍.適用于串聯補償線路的距離保護新原理[J].電力系統自動化，2010，34(12)：61-66.

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[3]陳福鋒，錢國明，宋國兵.串聯電容補償線路行波差動保護的研究[J].中國電機工程學報，2009，29(28)：89-94.

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[6]朱聲石.高壓電網繼電保護原理與技術[M].北京:中國電力出版社，2005.

[7]王向平.串聯電容補償線路的繼電保護設計研究[J].電力系統自動化,1999,23(13):41-44.

(本文責編：白銀雷)

2017-07-08；

:2017-08-08

TM 773

：A

：1674-1951(2017)09-0006-04

薛明軍(1983—)，男，湖北荊州人，工程師，工學碩士，從事電力系統繼電保護控制技術方面的研究及開發工作(E-mail:mingjun-xue@sac-china. com)。