基于PSCAD的同塔雙回線接地距離保護仿真研究

邵昱 拜姝羽 袁超

摘 要：對于同塔架設的有電磁耦合的多回線路，零序電流補償系數不僅與本線路的正序、零序阻抗有關，還與線路間的零序互感以及相鄰互感線路的參數和運行方式有關。本文研究同塔架設多回線路之間零序互感對接地距離保護的影響，對整定零序電流補償系數、提高電網的保護動作性能具有重要意義。

關鍵詞：同塔互感線路；接地距離保護；零序電流補償系數

中圖分類號：TM774 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）22-0046-04

Simulation Research on Grounding Distance Protection of

Double-circuit Lines on the Same Tower Based on PSCAD

SHAO Yu BAI Shuyu YUAN Chao

（State Grid Henan Electric Power Supply Company Zhengzhou Power Supply Company， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： For the multi-circuit line with electromagnetic coupling set up in the same tower， the zero-sequence current compensation coefficient is not only related to the positive sequence and zero-sequence impedance of the line， but also the zero-sequence mutual inductance between the lines and the parameters and operation modes of the adjacent mutual inductance lines. related. In this paper， the influence of zero-sequence mutual inductance between the multiple towers on the same tower on the grounding distance protection was studied. It was of great significance to adjust the zero-sequence current compensation coefficient and improve the protection performance of the power grid.

Keywords： same tower mutual inductance line；grounding distance protection；zero sequence current compensation coefficient

1 研究背景

對于同塔架設的有電磁耦合的多回線路，零序電流補償系數不僅與本線路的正序、零序阻抗有關，還與線路間的零序互感及相鄰互感線路的參數和運行方式有關。對于接地距離保護，主要有基于助增系數的計算方法和基于測量的計算方法。接地距離保護各段數值的計算皆以式（1）為基礎[1]。

[Z≤Zset=KKUφIφ+3k0I0] （1）

式中：[Z]為測量阻抗；[Zset]為阻抗整定值；[KK]為線路保護可靠系數；[Uφ]、[Iφ]為測量相電壓和測量相電流；[I0]為零序電流；[k0]為零序電流補償系數，[k0=z0-z13z1]；[z0]和[z1]分別為被保護線路單位長度的零序、正序阻抗。

2 零序互感對接地距離保護影響分析

距離保護I段為無延時的速動段，即在確定的補償系數下，取保護所在線路末端故障時保護處感受阻抗的80%作為I段定值。I段的整定阻抗為：

[Zset=KKZ1] （2）

對于無互感線路，該整定方法足以保證Ⅰ段的保護范圍。但對于互感線路，由于零序互感的因素，將導致保護范圍變化，易造成保護誤動或拒動。因此，需要引入補償系數，以補償零序電流對接地距離保護測量阻抗的影響，使測量阻抗能正確反映出故障點和保護安裝處之間的距離[2]。對于單回線的接地距離保護，在A相發生金屬性接地短路的情況，如圖1所示。

保護Ⅰ處的測量阻抗為：

[Z=UAIA+3k0I0] （3）

式中，[UA]為相電壓；[IA]為流過保護的相電流；[3I0]為零序電流；[k0]為補償系數；[k0=z0-z13z1]；[z0]為單位長度的零序阻抗；[z1]為單位長度的正序阻抗。

對于同塔雙回線路，當故障線路發生不對稱接地故障，互感線路有零序電氣量產生時，故障線路的電壓不僅與本線路的零序電流有關，還與互感線路的零序電流有關。本文分析不同運行方式導致的零序電流補償系數的變化。

I回線發生故障，任意運行方式下，故障相電壓表達式都如式（4）所示：

[UⅠA=UKA+IA1zⅠ1lk+IA2zⅠ2lk+IAOzⅠ0lk+IⅡOzmlk] （4）

式中，[UkA]為k處的A相電壓；[IA1]、[IⅠA2]、[IⅠA0]分別為流過保護處的正序、負序、零序電流，[IⅠA0=IⅠ0]；[IⅡO]為Ⅱ回線中的零序電流；[zⅠ1]、[zⅠ2]、[zⅠ0]分別為單位長度的正序、負序、零序阻抗；[zm]為零序互阻抗；[lk]為故障點到保護的距離。

測量阻抗為：

[Z=UⅠAIⅠA+3IⅠ0k=IⅠA+3IⅠ0kIⅠA+3IⅠ0kzⅠ1lk] （5）

其中，[k]為零序電流補償系數。

當一回線發生接地故障時，[Δk]不是常數，其大小與[IⅡ0IⅠ0]有關：當[IⅡ0=0]時，[Δk=0]，[k=k0]；當[IⅡ0]與[IⅠ0]同向時，[Δk>0]，[k>k0]；當[IⅡ0]與[IⅠ0]反向時，[Δk<0]，[k本文首先分析各種運行方式下末端故障時的補償系數。

①雙回線獨立運行方式。Ⅰ回線末端故障時的零序網絡圖如圖2所示。

由圖2可得：

[IⅡ0IⅠ0=-ZMZⅡ0+ZM0+ZN0] （6）

[k1=-ZⅠ0-ZⅠ1-ZMZⅡ0+ZM0+ZN0ZⅡ0+ZM0+ZN0] （7）

②雙回線雙端共母線運行方式。第一，雙端共母線正常運行。雙端共母線正常運行末端故障時的零序網絡圖如圖3所示。

由圖3可得：

[k21=ZⅠ0+ZⅠ1+Zm3ZⅠ1] （8）

第二，Ⅱ回線兩端斷開且不接地（Ⅱ回線停運）。雙端共母線一回停運末端故障時的零序網絡圖如圖4所示。

由圖4可得：

[k22=ZⅠ0-ZⅠ13ZⅠ1] （9）

第三，Ⅱ回線兩端斷開且接地（Ⅱ回線檢修）。雙端共母線一回檢修末端故障時的零序網絡圖如圖5所示。

由圖5可得：

[k23=ZⅠ0-ZⅠ1-Z2mZⅡ03ZⅠ1] （10）

③雙回線單端共母線運行方式。單端共母線末端故障時的零序網絡圖如圖6所示。

由圖6可得：

[k3=ZⅠ0-ZⅠ1-ZM0+ZmZM0+ZN0+ZⅡ0Zm3ZⅠ1] （11）

由以上零序電流補償系數k的分析可以得出以下結論。

第一，零序電流補償系數不僅與本線路正序阻抗和零序阻抗有關，還與線路間的零序互感、互感線路的零序阻抗及電源零序阻抗有關系。

第二，雙端共母線運行時，若一回線停運，即兩端斷開且接地，零序電流補償系數不受零序互感的影響。此時的測量阻抗不會產生偏差。但對于別的運行方式，零序電流補償系數均受零序互感的影響，測量阻抗存在偏差。

第三，對于雙端共母線的運行方式，通過分析可知[k2-1>k2-2>k2-3]，正常運行時的零序電流補償系數最大，一回線正常運行一回線檢修時最小。

3 零序電流補償系數改進措施

3.1 接地距離保護整定計算方法改進

通過分析同塔雙回線中單回線發生接地故障，互感線路感應零序電壓和零序電流再反作用到故障線路，使得故障線路的測量阻抗產生偏差。需要對零序電流補償系數進行改進，以減小測量阻抗的誤差[4]。現有的改進方法如下。

第一，直接消除互感線路對故障線路接地距離保護的影響。

[UⅠA=IⅠA+3IⅠ0k0+3IⅡ0kmzⅠ1lk] （12）

[k0=zⅠ0-zⅠ13zⅠ1] （13）

[km=zm3zⅠ1] （14）

在保護中既引入故障線路的故障相電壓、電流、零序電壓和零序電流，還引入非故障線路的零序電流，用于消除其對故障線路測量阻抗的影響。

此方法可以從根源上消除互感線路由于零序互感對故障線路造成的影響，但需要采集兩回線電氣量，而兩回線之間的運行方式多樣，且兩回線又不是一個整體單元，因此不易采用引入故障線路的零序電流補償的方法。

第二，間接消除線間零序互感的影響。同時考慮線路間的零序互感來整定零序電流補償系數k。由上可知，零序電流補償系數k與運行方式、故障位置、故障線路參數、互感線路參數、互感參數及系統電源阻抗有關，需要正確整定零序電流補償系數k，反映故障點至保護安裝處的距離。

同塔雙回線有雙端共母線、單端共母線和獨立運行方式3種，且每種運行方式下，線路又分為正常運行、停運和檢修3種狀態。對于雙端共母線的運行方式二，一回線正常運行、一回線停運的狀態零序電流補償系數不受零序互感的影響。若采用此時的零序電流補償系數，在雙回線正常運行時測量阻抗大于實際阻抗，保護范圍縮小。若采用兩回線都正常運行的零序電流補償系數，則在其他兩種狀態時都是測量阻抗小于實際阻抗，保護范圍擴大，保護可能誤動。若采用一回線正常運行一回線停電檢修運行方式下的零序電流補償系數，則兩回線正常運行和一回停運的狀態時的測量阻抗都將大于實際阻抗，保護范圍縮小[5]。

3.2 仿真驗證

仿真模型采用PSCAD桿塔模型，仿真參數如下：線路全長L=200km，系統電源正序阻抗Z=107Ω，負序阻抗與正序阻抗相同，零序阻抗為0.7+j56Ω。

兩條互感線路參數均相同，各參數如下：

[R1=0.114 5Ω/km，R0=0.423Ω/km，R0m=0.308 5Ω/km]；

[L1=1.267 2×10-3H/km，L0=3.489 0×10-3H/km，Lom=2.006 6×10-3H/km；]

[C1=9.15×10-9F/km，C0=4.656×10-9F/km，C0m=-2.377 5×10-12F/km。]

距離一段的范圍為線路全長的80%～85%。每周期采樣點數為80個，兩端電源的角度分別為[θp=0°，θQ=-25°，θM=0.1°，θN=-24.9°]。運行時間0.5s，故障時間是0.2～0.4s。分析計算各種運行方式下的零序補償系數。獨立運行方式：[k1=0.314-j0.0009]。雙端共母線運行：[k21=0.13-j0.57]，[k21=0.59-j0.32]，[k23=-0.09-j0.45]。單端共母線的運行：k3=0.16+j0.07。

在5種運行方式下，對每種運行方式設置不同位置的故障點，采用最原始的零序電流補償系數來分析各種運行方式下的測量阻抗和測量阻抗相對誤差。補償前和補償后各種方式測量阻抗和測量阻抗相對誤差見表2至表5。

由表2、3可知，運行方式2（狀態二）幾乎不受零序互感的影響，測量阻抗和實際阻抗很接近；對于運行方式1、運行方式2（狀態三）和運行方式3來說，末端故障時，測量阻抗都小于實際阻抗，尤其是方式3誤差為-17.116%，導致保護范圍擴大，可能超越整條線路的保護范圍；對于運行方式2（狀態一），末端故障時，測量阻抗比實際阻抗大，保護范圍縮小。

由表4和表5可知，運行方式2（狀態二）因為互感線路處于停運狀態，沒有零序互感的存在，因此測量阻抗與線路長度成正比；對于運行方式1、運行方式2（狀態三）和運行方式3，末端故障時，測量阻抗大于實際阻抗，經過補償后的測量誤差都很小；對于運行方式2（狀態一），末端故障時，測量阻抗比實際阻抗小，誤差也很小。因此，任意運行方式，測量阻抗都能更加接近實際阻抗，這就減小了線路發生誤動或者拒動的可能[6]。

4 結語

本文研究同塔架設多回線路之間的零序互感對接地距離保護的影響，并提出改進措施，最后得到以下結論。

①若要測量阻抗與故障長度成正比，需要對零序電流補償系數進行整定。本文以多種運行方式下的末端故障來計算零序電流補償系數，發現零序電流補償系數不僅與故障線路的正序阻抗和零序阻抗有關，還與線路間的零序互感和互感線路的零序阻抗和電源零序阻抗有關。

②各種運行方式下，當線路末端發生故障時，測量阻抗偏離實際阻抗，導致保護范圍變化，最終可導致保護誤動或拒動。

③對于運行方式2（狀態二），互感線路處于停運狀態，故障線路發生不對稱故障，互感線路不會產生零序電氣量，對故障線路的接地距離保護沒有影響。

④采用考慮線路間的零序互感的零序電流補償系數，對于故障線路末端故障，測量阻抗接近實際阻抗，測量誤差小，能保證保護的正確動作。

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