同杆双回线同序负序方向保护方案中弱馈拒动缺陷的改进

司泰龙，郭其一，田 羽

（1.同济大学电信学院电气工程系，上海 201804；2.上海电力设计院有限公司，上海 200025）

超高压输电线采用同杆双回线结构，可以使线路走廊小，减少杆塔的投资并加快线路建设速度，因此是线路设计首选方案。但是，由于同杆双回线结构的特殊性，对线路保护也有一些特殊的要求［1－2］。其中，方向保护因原理简单、方向性强，在现代继电保护装置中占有重要地位。文献［3］利用六序分量法，提出了基于同序负序分量的同杆双回线方向保护，该保护原理简单易行、方向性明确，并且可以消除双回线中零序互感的影响，保护的效果也不受负载电流、系统振荡的干扰，如果能够配合选相元件和通信通道，还可作为同杆双回线路的主保护。但是，这种保护方案也存在同序负序弱馈现象，造成同序负序方向保护拒动，影响线路的运行安全，必须增加弱馈起动功能，确保快速可靠地切除同序负序弱馈情况下的不对称故障。本文将对同序负序弱馈现象的发生原因，以及传统同序负序纵联方向保护方案的同序负序弱馈现象进行分析，在这个基础上提出一种充分利用反序负序分量特点的改进的方法，并结合实例的仿真对新方案的效果进行验证。

1 传统方案存在的问题

采用方向保护，为了躲开最大不平衡电流和系统干扰，通常要考虑一定的保护起动门槛［4］。但是采用同序负序方向保护，输电线路的阻抗被放大到负序系统阻抗的2倍，一旦两侧电源容量差别过大，两侧的方向元件虽然均能正确动作，但是其中一侧的同序负序电流可能达不到保护起动门槛值，造成同序负序方向保护拒动，被称为同序负序弱馈现象。传统的同序负序纵联方向保护方案同序负序弱馈现象比较严重。

1.1 弱馈现象

同杆双回线系统图如图1所示，与之对应的同序负序网络如图2所示。

图1 同杆双回线系统图

图2 同序负序网络图

当图2中的F点发生故障时，故障点的同序负序综合阻抗ZT2相当于两侧阻抗的并联：

式中：Rf为接地过渡电阻（图中未示出）。

当F点发生金属性接地故障时Rf为零，m侧同序负序电流表达式如下：

令：

可以表达为：

同理，n侧同序负序电流为：

式中：qdn为n侧的同序负序电流分配系数。

由此可见，F点发生金属性接地故障时，n侧同序负序电流的大小取决于该侧的同序负序电流分配系数，故障点离n侧越远，该侧的系统阻抗越大，qdn也就越小。最不利的情况是长距离双回线路中，故障发生在区内m侧出口处，qdn接近零，产生了同序负序弱馈现象。

1.2 同序负序纵联方向保护方案的缺陷

同序负序纵联方向保护一般采用允许式方式实现：当本侧保护所测同序负序电流达到正方向元件的起动值，且所测同序负序电压、电流满足正方向元件的动作方程，纵联同序负序方向保护向对侧发允许信号，此时若该侧收到对侧允许信号，即可发跳闸命令［6］。与闭锁式保护相比，允许式纵联方向保护以正方向测量为主，当正方向发生故障时发出允许信号，反方向发生故障并不发允许信号，因此具有较高的可靠性。但是采用同序负序纵联方向保护，同序负序弱馈现象严重。

同序负序正向方向元件的动作判据为：

同序负序反向方向元件的动作判据为：

式中：εI为同序负序正向方向元件的动作起动门槛值，取50A；ε′I为同序负序反向方向元件的动作起动门槛值，取30A。

当发生同序负序弱馈情况时，同序负序纵联方向保护，所测同序负序电压、电流虽然可以满足正方向元件的动作方程，但由于同序负序弱馈侧的同序负序电流分配系数较小，不能达到同序负序电流门槛值，所以弱馈侧无法就向对侧发允许信号，造成线路两侧的纵联同序负序方向保护拒动。

2 传统保护方案的改进

传统同序负序方向元件中，线路两侧的纵联同序负序方向的保护拒动问题可以利用反序负序分量解决。与同序负序分量一样，反序负序也是利用六序分量法得到的故障分量的一种，同样具有负序分量的优点，可以克服零序互感的影响，并且不受系统振荡、负荷电流的干扰。但是，反序负序网络图中没有系统阻抗，因此可以削弱系统阻抗的影响；特别是反序负序分量只存在于双回线内部，不流经过渡电阻，提高了保护的耐过渡电阻能力；同时反序负序电压在双回线的两端为零，避免了电容电流对保护的作用，而且反序负序电流在区外故障时为零，具有明确的方向性［7－9］。同杆双回线反序负序分量网络见图3。

图3 同杆双回线反序负序分量网络图

经过改进后，对于正方向元件，当同序负序电流大于保护起动门槛值时可以采用原判据；但当同序负序电流小于保护起动门槛值时，控制系统将投入反序负序电流起动元件，用于辅助方向保护启动。基于反序负序分量补偿的同序负序纵联正向方向保护具体判据如下：

当IT2m（n）＜εI时，投入反序负序电流起动元件，即：

式中：εF2为反序负序电流的起动门槛值；Krel为可靠系数，取1.2～1.3；Kst为TA同型系数，TA型号相同时取0.5，否则取1；Ker为TA误差系数，取10%；Khs为数据采样同步系数，取1.2；I·max为该双回线区外故障时某一侧的最大单相短路电流。

因反序负序电流不受系统振荡、电容电流等因素的影响，此判据仅需灵敏地躲开T A产生的最大不平衡电流，以针对性地提高同序负序弱馈保护的可靠度与准确度。该改进方案考虑了同序负序网络增大系统阻抗影响的因素，而反序负序分量仅受互感器不平衡电流的干扰，弥补了同序负序弱馈情况拒动的缺陷。

此外，对于同序负序电压不足门槛值的情况，可利用贝瑞隆模型补偿算法补偿，并有较好效果，此处不再赘述。

3 实例仿真与改进效果验证

实例仿真系统模型参见图1，电压等级为220 k V，被保护线路全长为100 km，n侧为线路保护的弱电源侧。母线m侧背后的系统参数为Z1sm＝0＋j8，Z0sm＝0＋j4.16，弱馈侧参数为Z1sn＝8530＋j28000，Z0sn＝2632＋j18950，单回线的线路阻抗ZL1＝0.03416＋j0.3478（Ω／km），ZL0＝0.05821＋j0.4008（Ω／km），双回线间零序互感ZM＝0.03＋j0.5812（Ω／km），线路导纳Y1＝1.663× 10－5S／km，Y0＝2.120×10－5S／km。

为了验证基于反序负序弱馈功能的纵联同序负序方向保护起动判据的可靠性与灵敏性，采用ATP-EMTP仿真区内金属性接地故障与经大过渡电阻接地故障时的保护判据情况，其中纵联保护工作于允许式方式。经验算，线路两侧的反序负序起动值为εF2m＝10.22 A，εF2n＝10.13 A。

表1 区内金属性接地故障仿真结果 A

表2 区内经50Ω过渡电阻接地故障仿真结果 A

由表1可得，n侧因系统阻抗过大，同序负序电流最大值仅为0.459 A，保护均无法启动，但反序负序分量可以有效地减小系统阻抗的影响，并且不受电容电流干扰，在区内故障时反序负序判据均可靠地大于起动值，确保保护准确起动。

表2说明在经过渡电阻接地故障时，反序负序电流足够灵敏可靠，确保保护可靠起动，有效消除经过渡电阻接地时发生拒动的可能性。

4 结论

对于同序负序方向保护中弱馈拒动的缺陷，利用反序负序电流的特征，提出了针对同序负序弱馈的反序负序电流起动判据。该判据有效地削弱了系统阻抗的影响，同时躲开了零序互感、电容电流的干扰，耐过渡电阻能力强。该判据通过了EMTP仿真试验，故障判别灵敏可靠。

［1］ 李斌，李学斌，丁茂生，等.同杆双回线环流对方向纵联保护的影响与改进［J］.电力系统自动化，2011，35（8）：103-107.

［2］ Eissa，M M，Masoud，M A Novel Digital Distance Relaying Technique for Transmission Line Protection［J］.IEEE Power Engineering Review，2001，21（4）：71-72.

［3］ 薛士敏，贺家李，李永丽.利用同序负序分量的同杆双回线快速保护［J］.天津大学学报，2008，41（8）：926-930.

［4］ 赵洪峰.超高压输电线路微机继电保护启动元件的理论研究［D］.新疆：新疆大学，2005.

［5］ 张弛，李一泉，曾耿晖.基于负序分量补偿的纵联零序方向保护判据与仿真研究［J］.电力系统保护与控制，2008，36（21）：18-23.

［6］ 朱声石.高压电网继电保护原理与技术［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［7］ 郭强，尚海一.负序方向元件在同杆双回线中的动作行为分析［J］.电力自动化设备，2010，30（12）：83-87.

［8］ 陈金熠，范春菊，刘玲.不同电压等级的四回线的纵联差动保护方案［J］.电力系统保护与控制，2011，39（18）：72-79.

［9］ 葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术［M］.西安：西安交通大学出版社，2007.