同塔雙回線路準三相運行及改進跳合閘策略研究

李世龍1，滕予非1，李小鵬1，尹項根，陳 衛

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

同塔雙回線路由于其占地面積小，輸電容量大等優勢廣泛應用于超高壓輸電線路。目前同塔雙回線路的跳合閘策略多為雙回線單獨配置，跨線故障發生后同塔雙回線路存在極大被雙線切除的可能性[1]。輸電線路中的短路故障多為瞬時性故障，切除故障線路后通過重合閘可實現系統恢復正常運行[2]。對于永久性故障，盲目重合將對電力系統造成二次沖擊，對電力系統穩定造成更大危害[3]。因此需對瞬時性故障和永久性故障予以區分，由此引出的自適應重合閘得到了廣泛關注。傳統單回線的自適應重合閘主要利用電弧特性、恢復電壓和限流電抗器電流[2，4，5]等電氣量特性構成。然而同塔雙回線故障種類多樣，線間自互感作用復雜，對故障性質的判別產生較大影響。目前對于應用于同塔雙回線路的自適應重合閘研究較少，文獻[6]通過對永久性和瞬時性故障后故障點電壓特性的分析與比較，提出一種同塔雙回線路自適應重合閘判據，對于永久性故障切除故障線路并閉鎖重合閘；對于瞬時性故障，切除故障線路后按相重合，根據減少系統震蕩維持系統穩定的原則確定故障后的重合時間。文獻[7]針對同塔雙回線路單相故障和單相跨線故障提出一種自適應重合閘組合判據，組合判據中包括相位自適應判據和電壓自適應判據，兼顧二者的優勢并彌補各自的不足，有利于提高重合閘成功率，降低永久性故障對系統穩定的影響。文獻[8]提出了一種基于波形估計的瞬時故障與永久性故障判別方法，通過單相接地瞬時性構造目標函數進而得到故障性質判斷值，此方法不受過渡電阻、故障位置等因素影響，具有較高的可靠性。文獻[9]利用故障相并聯電抗器差模電流瞬時故障后只存在衰減周期分量，而永久故障中只存在衰減直流分量的特征，提出一種僅需要單端電氣量的自適應的三相重合閘判據。同塔雙回線路的傳輸容量通常較大，若故障后造成全線切除將導致受端較大的功率缺額，影響系統穩定。文獻[10]對同塔雙回線路準三相運行進行了初步探討，準三相運行作為一種故障后的短時運行方式，有利于維持功率傳輸和系統穩定

針對目前同塔雙回線路在傳統跳合閘策略下跨線故障發生后容易造成兩回線路全部跳閘，且自適應重合閘策略目前在同塔雙回線路應用較少的情況，基于同塔雙回線路保護一體化思想，將兩端共母線的同塔雙回線路作為一個整體，提出一種基于準三相運行的同塔雙回線路跳合閘策略。

1 準三相運行及其特性研究

1.1 準三相運行定義

對于全程同塔雙回的線路，故障后每相(ABC)中至少保留一回輸電線路的故障后非全相運行方式。根據運行時所包含的電線根數，同塔雙回線路準三相運行可分為：五線準三相運行(如1ABC2BC)、四線準三相運行(如1AB2BC、1AB2AC等)和三線準三相運行(如1A2BC、1AB2C等)。以往研究中定義的準三相運行屬于三線準三相運行，是這里所定義準三相運行方式中的一種。與傳統定義相比，這里定義的準三相運行在故障后的非全相運行狀態中有可能包含更多的電線根數，有利于提高故障后的線路傳輸功率，從而盡可能減少由于送端與受端功率不平衡對系統穩定造成的威脅。

全程同塔雙回線路準三相運行的可行性分析將從準三相運行狀態中的傳輸功率、線路過負荷、系統不平衡度和線路溫升方面進行研究。考慮到同塔雙回線路各線之間復雜的自互感作用以及實際工況中線路參數并不理想對稱的情況，通過仿真手段對上述指標進行研究討論，利用PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件搭建同塔雙回線路模型，線路全長150 km，電壓等級500 kV，考慮到最惡劣的運行工況，同塔雙回線路模型使用非理想換位的相頻特性模型，桿塔模型空間結構如圖1所示。

圖1 同塔雙回線路準三相運行線路模型結構

1.2 準三相運行狀態中傳輸功率研究

準三相運行工況下的剩余傳輸功率決定著同塔雙回線路受端側負荷能否正常運行，若故障后傳輸功率缺額較大將影響受端系統的安全可靠運行。以線路重載情況為例，當額定有功功率為1500 MW時，進入不同準三相運行工況后的傳輸功率如表1所示。

表1 不同準三相運行工況下的傳輸功率

表中功率基準值為正常運行條件下的額定有功功率值。可以看出，準三相運行線路數目越多，輸送的有功功率越多，在三線準三相運行工況下仍可維持額定有功功率的80%以上，對于故障后的受端一側交流系統的功率維持有積極作用。對于四線準三相運行和三線準三相運行，若其中一回線能構成全相運行(如1ABC2A、1ABC)，則其傳輸的有功功率大于相同線路數目的其他準三相運行工況。

表2 不同準三相運行工況下的線路電流

1.3 準三相運行狀態中過電流研究

同塔雙回線路故障發生進入準三相運行狀態后，原本故障相所承擔的傳輸功率將轉移到故障相的同名非故障線路，導致線路電流升高。線路電流升高一方面將導致線路溫度升高，因輸電線路受熱膨脹使其總長度變長、弧垂下降，危及線路安全；另一方面，線路電流升高有可能導致過負荷保護的誤動:因此需要對同塔雙回線路準三相運行時的過電流進行研究。仍以線路額定有功功率分別為1500 MW的工況為例，不同準三相運行工況下的線路電流如表2所示。

準三相運行工況下的最大過電流率Koc可定義為

(1)

式中：Iop為同塔雙回線路正常運行時線路中流過的電流；Iφmax為同塔雙回線路準三相運行時輸電線路中流過的最大電流值。根據表2中的準三相運行電流數據，可得到不同工況下準三相運行的最大過電流率如表3所示。

表3 不同準三相運行工況下的最大過電流率

由表3可看出，同塔雙回線路準三相運行中最大電流過載率不僅與準三相運行中的輸電線路數目有關，還與其中一回線是否全相運行有關。由表1中的分析結果可知，準三相運行線路數目相同時，若一回線能滿足全相運行時準三相的傳輸功率最大，此時線路最大過電流率也將最大，與表3中的仿真結果一致：相同電線根數的準三相運行工況下，若其中一回線能滿足全相運行，其最大過電流率大于其他準三相運行工況。

1.4 準三相運行狀態中不平衡度研究

不平衡度作為電能質量衡量指標之一，研究其在準三相運行工況下的變化有著重要意義。根據IEEE電能質量標準，不平衡度可利用負序電流值與正序電流值之比表示[10]：

(2)

式中：Ki為電流不平衡度；Ipos和Ineg分別為線路中正序電流和負序電流。

根據表2中的仿真結果，不同準三相運行工況下兩回線路及母線處電流不平衡度如表4所示。

表4 準三相運行情況下的電流不平衡度

注：“—”表示“無”。

當同塔雙回線路其中一回線只有1線運行時，此回線的正負零序電流均一致，此時不對其不平衡度進行分析。由于同塔雙回線路模型考慮到實際運行工況中的線路參數不對稱情況，正常運行時線路電流存在一定程度的不對稱。準三相運行時，除單回線構成的準三相運行工況(1ABC、2ABC)外，兩回線路的不平衡度均較大，遠超過國際標準中所規定的不平衡電流上限。同塔雙回線路母線處的電流不平衡度在準三相運行中有一定程度升高，但仍處于規定范圍內，不會對同塔雙回線路兩側交流系統的電能質量造成嚴重影響。單回線內部的電流不平衡度較大有可能會導致線路保護誤動，但對線路以外的交流系統而言，同塔雙回線路可以作為一個整體，其通過線路兩端交流母線與外界相連，其母線電流所反映出的整體不對稱度決定了準三相運行對外界的影響程度。因此同塔雙回線路準三相運行不會威脅外部交流系統的安全穩定。

2 基于準三相運行的改進跳合閘策略

同塔雙回線路單重接地故障按照故障是否接地和故障包含的同名相對數可分為如下幾類，對于接地故障：

1)無同名相接地故障，如1AG、1ABG、1ABCG、1A2BCG等；

2)含一對同名相接地故障，如1A2AG、1B2ABG、1AB2ACG等；

3)含兩對及以上同名相接地故障，如1AB2ABG；1ABC2ABCG等。

對于不接地故障：

1)無同名相線間故障，如1AB、1ABC、1A2B、1A2BC等；

2)含一對同名相線間故障，如1A2A、1B2AB、1AB2AC等；

3)含兩對同名相線間故障，如1AB2AB、1ABC2AB等；

4)含三對同名相線間故障，如1ABC2ABC。

為盡可能維持故障后的傳輸功率并盡可能降低重合閘于永久性故障的概率，改進跳合閘策略從減少跳閘與合閘兩方面進行改進。

減少需被切除的故障線路。對于全程同塔雙回線路，由于線路兩側的同名相分別連接于相同母線上，因此當包含一對同名相的非接地線間故障發生時，這對同名相可被保留而不切除。這是因為同名相線路參數相近且兩端分別接于相同母線，故同名相間非接地短路故障對系統影響微弱，只需將其他故障線路切除就能實現準三相運行。以1A2AB不接地故障為例，只需切除2B線路即可實現準三相運行。1A2A線路不需要切除從而可在準三相運行時維持較多的輸送功率。

減少需被重合的故障線路。對于所有可僅通過切除故障線路就能實現準三相運行的故障類型，在故障線路被切除后閉鎖重合閘不再重合。以1A2BG為例，保護只需切除1A2B線路即可實現準三相運行。減少重合線路數可盡可能避免重合于永久性故障的可能性，目前同塔雙回線路實際運行中使用自適應重合閘的線路非常少，因此缺乏對故障性質的判別。與傳統重合閘策略相比此方案能夠盡可能減少永久性故障對系統造成的二次沖擊。對于切除故障線路后需重合一回故障線路才能實現準三相運行的故障類型，可進行重合閘。若重合閘成功，則同桿并架線路進入準三相運行狀態，若重合失敗則切除全部線路并閉鎖重合閘。如1A2AG故障，1A或2A在故障線路切除后可以嘗試進行重合閘。對切除故障線路后需重合至少兩回故障線路才能實現準三相運行的故障情況，則放棄進行重合閘操作，直接切除全部線路并閉鎖重合閘。如1AB2ABG故障，至少需要重合兩回線路才可實現準三相運行，此時故障后全線跳閘并閉鎖重合閘。

根據上述原則，以6種典型同塔雙回線故障為例，對比傳統跳合閘策略和改進跳合閘策略，如表5所示。

故障后需要全線跳閘的故障種類大為減少，僅需切除故障線路。從而使雙回線保留更多的傳輸功率，提高系統穩定性，減少了需重合的故障線路，降低了重合于永久性故障的概率。

考慮到永久性故障發生的可能性，在傳統跳合閘策略下，故障發生后最終全線跳閘且閉鎖重合閘的故障種類為98種，包括全部永久性故障時的跨線故障；不需重合進入準三相的短路故障種類為16種，包括所有同塔雙回線路單回線相間故障；重合失敗后進入準三相的短路故障種類為6種，包括所有單相故障。基于準三相運行的改進跳合閘策略下，全線跳閘并閉鎖重合閘的短路故障種類為47種，包括所有包含一對同名相及以上的接地故障和包含兩對及以上同名相的不接地故障；不需重合進入準三相運行的短路故障種類為73種，包括所有不包含同名相的接地短路故障和一對同名相及以下的不接地故障。與傳統跳合閘策略相比，改進跳合閘策略下需全線跳閘的故障種類大大減少，降低了同塔雙回線短路故障后線路兩端交流系統電氣聯系完全切斷的可能性，絕大多數短路故障類型可通過跳閘策略直接進入準三相運行工況，有利于故障后系統穩定性的維持。

表5 6種典型故障的傳統跳合閘策略與改進跳合閘策略對比

注：“—”表示不進行任何操作；“/”表示“或”。

綜上所述，基于準三相運行的同塔雙回線路準三相運行策略以故障后盡可能實現準三相運行為目的，與傳統跳合閘策略相比，可降低故障后全線跳閘的可能性，并發揮線路準三相運行的優勢，提高故障后的系統穩定性。

3 結 語

重新定義了同塔雙回線路準三相運行概念，驗證了準三相運行的優勢及可行性，提出了基于同塔雙回線路一體化的準三相跳合閘策略。通過仿真與理論計算，對準三相運行工況下的傳輸功率、過電流、不平衡度及線路溫升進行了研究，論證了準三相運行的可行性及其優勢。在此基礎上，提出了基于準三相運行的同塔雙回線路改進跳合閘策略，以切除和重合最少故障線路為目的，實現準三相運行并盡可能減少重合于永久性故障的可能性。