姜宪国,刘 宇,周泽昕,杜丁香,李仲青
(1.中国电力科学研究院 电网安全与节能国家重点实验室,北京 100192;2.国家电力调度通信中心,北京 100031)
同塔双回线路[1-2]共用杆塔,能够充分利用有限的输电走廊资源,减少占地面积,并且具有建设速度快、输电能力强等优势,因此在实际工程中得到了广泛的应用。然而受双回线零序互感[3-6]的影响,线路接地距离保护存在误动或拒动的风险,威胁系统安全。
针对零序互感问题,一种解决方法[7-8]是引入邻线的零序电流进行补偿。但由于双回线运行方式多变,常常会使补偿后的实际效果适得其反[9],难以达到理想的保护性能,且引入邻线信息会增加保护配置复杂度。另一种方法[10-11]是根据系统运行方式实时切换零序补偿系数(K值),使继电器尽可能准确地反应故障阻抗。但该方案涉及定值自动切换,影响保护可靠性,目前现场仍无法接受。实际中,接地距离保护均采用固定K值进行计算,具体分为单K值整定和双K值整定2种策略。
本文首先比较同塔双回线4种典型系统运行方式下零序补偿系数的大小关系,并对现有单/双K值整定方法存在的问题进行了分析,分析结果表明双K值整定的性能优于单K值整定。进一步针对目前双K值整定策略提出改进方法,用于提高保护可靠性。最后通过PSCAD仿真验证所提方法的有效性。
如图1所示,双回线一回发生接地故障时,考虑另一回对其产生的零序互感,则故障线路保护安装处电压为:
图1 同塔双回线示意图Fig.1 Schematic diagram of dual-loop lines on same tower
其中,I′φ为线路 L1故障相的电流;I′1、I′2、I′0分别为线路L1的正、负、零序电流;I″0为线路L2的零序电流;α为线路故障点与首端距离占线路全长的百分比;Z1、Z2、Z0分别为单回线路的正、负、零序阻抗;Z0m为双回线零序互感阻抗。
从而得到接地阻抗继电器的测量阻抗为:
借鉴单回线零序补偿系数的构成形式,定义双回线零序补偿系数的表达式为:
由式(3)可见,双回线零序补偿系数不仅与各回线自身参数有关,还与线间零序互感阻抗以及流过的零序电流有关。
此处列举双回线可能出现的4种典型的运行方式,分析中近似认为双回线的Z1、Z0和Z0m相位相同,着重比较不同运行方式下K值的大小关系。
a.双回线同时运行。
双回线同时运行且一端母线发生接地故障(见图2)时,此时存在:
可得:
图2 双回线同时运行Fig.2 Both loops are operating
b.一回线停运(两端不接地)。
如图3所示,当一回线停运时,零序互感系数与无互感的单回线路相同,表示为K2:
图3 双回线一回停运Fig.3 One loop is in outage
显然,此时的K2小于双回线同时运行的零序互感系数K1。
c.一回线检修(两端接地)。
当一回线检修而运行线一端母线发生接地故障(见图4)时,检修线路的电压平衡方程为:
从而可得:
图4 双回线一回检修Fig.4 One loop is in maintenance
可见该系数小于一回线停运时的零序补偿系数K2。
d.一端母线解列运行。
双回线一端母线解列运行且解列端出口发生接地故障的示意图如图5所示。为简化分析,仅考虑线路L2与L1零序电流反向的情况,则线路L1零序补偿系数可表示为:
结合式(3)、(8)可得运行线路的零序补偿系数为:
图5 双回线一端解列Fig.5 One terminal of dual-loop lines is disconnected
由式(10)可见,K4的大小受线路L2零序电流与L1零序电流比值的影响,若该比值小于Z0m/Z0,则K4<K3,反之则 K3<K4。
综上所述,4种典型的运行方式对应故障线路的4个不同K值,其大小关系如下:
由上文可知,同塔双回线路在不同运行方式下具有不同的零序补偿系数。因此,接地距离保护[13-16]除需要整定阻抗Zset外,还需要整定合理的零序补偿系数K。
对于距离Ⅰ段,为保证本线路末端故障不误动,在4种运行方式对应的不同K值之间,应采用最小的K值。对于距离Ⅱ段,由于要求在线路末端故障时具有足够灵敏度,因此在不同的K值之间应该选用最大K值进行计算。
目前部分双回线距离保护中采用了单K值整定方法,即距离Ⅰ、Ⅱ段采用同一个K值。其中典型的整定原则如下。
a.接地距离Ⅰ段的零序补偿系数按双回线一回检修时的K3值进行计算,Ⅰ段的可靠系数KIrel取正常值0.7。
b.接地距离保护Ⅱ段的零序补偿系数同样取K3,而其可靠系数则在原基础(KⅡrel=1.3)上乘以修正系数 KⅡx。
其中,K1为双回线同时运行时的零序补偿系数。
理论上距离Ⅱ段应选取最大值K1进行计算,而在单K值的整定原则中距离保护Ⅰ、Ⅱ段均采用了K3进行计算。为了保证距离Ⅱ段应有的灵敏度,于是对其可靠系数乘以修正系数KⅡx,以弥补单K值造成的影响。
目前整定方法采用的小K值为一回线检修时对应的零序补偿系数K3,而由前文分析可知,K3并非在所有运行方式中均为最小的K值,这一问题将在后文中具体分析,本节分析单K值本身的特性。
单K值的整定方法相当于将原本零序补偿系数的问题转嫁给了整定阻抗,如果转嫁后仍能满足保护性能要求,这样处理亦无不可,但若无法满足,则可能引起保护不正确动作,以下进行具体分析。
当双回线同时运行且一端母线发生接地故障(见图2)时,为便于比较,将修正系数 KⅡx,由整定阻抗中折算到测量阻抗中,则距离Ⅱ段的测量阻抗和整定阻抗分别为:
而此时实际的零序补偿系数为K1,因而有:
结合式(14)和式(15)可知,若欲使距离Ⅱ段的测量阻抗(折算后)等于实际短路阻抗,则需要满足条件:
而式(15)的等式关系受负荷电流和各序电流分配系数的影响,通常无法满足,由此会对保护性能造成影响。
为进一步分析单K值整定的保护性能,以图2为例,考虑较严重情况,假设M端系统正序阻抗ZMS1很大而零序阻抗ZMS0很小,N端系统正序阻抗ZNS1很小而零序阻抗ZNS0很大,且故障前负荷电流为0,这时若 N 端母线发生接地故障,即存在 I′φ=I′0。近似认为Z0=3Z1,针对不同的零序互感阻抗(通常为零序自阻抗的20%~80%),计算线路L1的M端保护接地距离Ⅱ段测量阻抗与整定阻抗的比值,结果如表1所示,表中粗体表示保护会不正确动作,后同。
表1 不同零序互感阻抗下的接地距离保护Ⅱ段测量阻抗Table 1 Measured impedance of grounding distance protection zone-Ⅱfor different zero-sequence mutual inductances
由表1可见,在给定运行方式下,采用单K值整定后距离Ⅱ段灵敏度会随着双回线零序互感阻抗的增加而显著降低。当零序互感阻抗达到一定值时,Ⅱ段保护发生拒动。
单K值另一种整定方法是距离Ⅰ、Ⅱ段均采用K1进行计算,并对距离Ⅰ段整定阻抗乘以修正系数 KIx:
当实际运行方式为一回线检修(见图4)时,为便于比较,将修正系数KIx由整定阻抗中折算到测量阻抗中,则距离Ⅰ段的测量阻抗和整定阻抗分别为:
而此时实际的零序补偿系数为K3,因而有:
仍按前述的运行方式计算距离Ⅰ段测量阻抗与整定阻抗的比值,结果如表2所示。
表2 不同零序互感阻抗下的接地距离保护Ⅰ段测量阻抗Table 2 Measured impedance of grounding distance protection zone-Ⅰfor different zero-sequence mutual inductances
由表2可见,当实际运行方式为一回接地检修,且故障电流中相电流与零序电流不符合3倍关系时,随着双回线零序互感阻抗的增加,距离Ⅰ段的可靠性即降低,当零序互感阻抗达到一定值时,保护即发生误动。
综上所述,单K值整定方法将原本零序补偿系数的问题转嫁给了整定阻抗,而在较严重的系统工况下,这种转嫁存在导致保护拒动和误动的可能性。
现行保护装置中还有一种双K值的整定方法。其整定原则为:距离Ⅰ段采用一回线检修接地对应的K3值,可靠系数取0.7;距离Ⅱ段采用双回线同时运行对应的K1值,可靠系数取1.3。该整定方法分别采用不同的K值以兼顾距离Ⅰ、Ⅱ段保护的性能需求,因此较单K值更具有合理性。
距离Ⅰ段要求在各种运行方式下线路末端故障不误动,理论上其K值应整定为所有运行方式中最小的K值。然而现行双K值整定中,距离Ⅰ段采用K3值进行计算,由式(11)可知,当一端母线解列运行时,存在K4<K3的情况。此时距离Ⅰ段如仍用K3计算测量阻抗,则可能会导致可靠性下降甚至保护误动。
为明确K3与K4差异带来的影响,在图5所示网络中,假设正常时负荷电流为0,考虑较严重情况,设M端系统及N2端系统正序阻抗较大,而N1端系统正序阻抗较小,则在N1端出口发生故障时,线路L1和L2中仅有零序电流流过。同时由于高压线路两端系统通常都有零序回路,M端系统总会存在零序分流,因此设置在[0.1,0.9]之间进行考察。 则在不同零序互感阻抗以及不同零序电流比时,距离Ⅰ段测量阻抗计算结果如图6所示。
图6 采用传统双K值整定方法时接地距离保护Ⅰ段动作情况Fig.6 Performance of grounding distance protection zone-Ⅰwhen traditional dual-K setting is adopted
由图6可见,随着线路L2零序分流越大,距离Ⅰ段测量阻抗越趋近于整定阻抗。当且时,测量阻抗基本等于整定阻抗,保护很可能会发生误动。
传统双K值的距离Ⅰ段之所以有误动风险,是由于其整定所采用的K值,并非各种系统运行方式下故障线路可能出现的最小K值。从理论上,对于图5所示运行方式,当线路L2零序电流与线路L1幅值完全相同、方向相反时,K4取到最小值为:
由于同塔双回线Z0m总小于Z0,因此K4.min总小于K3,即为各种运行方式下故障线路可能出现的最小零序补偿系数。若仅考虑保护可靠性,可将距离Ⅰ段的零序补偿系数直接整定为K4.min,能够保证Ⅰ段在任何运行方式下均不会误动。
但如前文所述,通常情况下M端系统总会有零序分流,因此K4不可能取到最小值K4.min。且根据保护四性的要求,在距离Ⅰ段可靠性得以保证的前提下,应尽可能提高其灵敏性,零序互感系数若整定得太小,会使Ⅰ段保护范围大幅缩小。
鉴于以上原因,对双K值方法中距离Ⅰ段零序补偿系数的整定作如下改进,即取值K3和K4.min值的加权平均数K5:
显然K5值介于K3和K4.min之间,仍按图6对应的系统运行方式分析由K5值整定的距离Ⅰ段动作情况,结果如图7所示。
图7 采用改进双K值整定方法时接地距离保护Ⅰ段动作情况Fig.7 Performance of grounding distance protection zone-Ⅰwhen improved dual-K setting is adopted
由图7可见,采用K5值进行计算后,距离Ⅰ段在线路末端故障时可靠性明显提高,各种情况下的最小可靠系数亦达到1.257,有效防止了保护误动的可能性。
综上所述,对同塔双回线双K值方法改进后的接地距离保护整定原则为:
a.距离Ⅰ段零序补偿系数采用K5值进行计算,其可靠系数选为0.7;
b.距离Ⅱ段零序补偿系数采用K1值进行计算,其可靠系数选为1.3。
采用如上方法整定后,既能避免距离Ⅰ段超越误动,又能保证距离Ⅱ段对线路末端故障有足够灵敏度,特性良好。
利用PSCAD搭建仿真系统如图1所示,双回线线路参数为:线路长度l=200 km;单回线参数,Z1=0.01+j0.267ω /km,XC1=-j0.233 MΩ·km,Z0=0.18+j1.107ω /km,XC0=-j0.648 MΩ·km;双回线互感参数 ,Z0m=0.18+j0.704ω /km。 M 端系统参数,E′M=500∠0°kV,ZMS1=70.3∠80°Ω;ZMS0=80.5∠80°Ω;N 端系统参数,E′N=525∠30°kV,ZNS1=15.2∠80°Ω,ZNS0=800∠80°Ω。杆塔结构如图8所示。
图8 双回线杆塔结构Fig.8 Structure of tower of dual-loop lines
仿真故障类型包括:(1)双回线同时运行,N端出口发生单相接地故障(见图2);(2)线路 L2停运,线路L1N端出口发生接地故障(见图3);(3)线路L2挂地线检修,线路L1的N端出口发生单线接地故障(见图4);(4)双回线 N 端解列运行(见图5),M 端系统电动势参数不变,阻抗参数变化为ZMS1=703∠80°Ω,ZMS0=805∠80°Ω,N1端系统参数与原N端参数相同,N2端系统电动势和正序阻抗与原N端参数相同,零序阻抗变为ZN2S0=80∠80°Ω,此时N1端出口发生单相接地故障。在以上故障类型下,计算相量的相角(保护动作判据为°,其中,Zm为阻抗继电器的测量阻抗)。故障发生在0时刻,仿真时长0.5 s,测量数据取自0.5 s时刻。
针对仿真内容对应的4种不同运行方式,得到不同的零序补偿系数,结果如表3所示。
表3 不同运行方式下的实际零序补偿系数Table 3 Actual zero-sequence compensation coefficient for different operating modes
由表3可见,不同运行方式下对应的零序补偿系数具有很大差异,为避免保护拒动和误动,应为距离Ⅰ、Ⅱ段设置合理的K值进行计算。
根据4种故障类型,表4进一步列出了单K1值、单K3值、传统双K值以及改进双K值4种整定方法在不同故障情况下的动作结果。
由表4可见,对于故障类型(1),采用单K3值进行计算时,由于K3值与实际零序互感系数K1差异很大,且保护安装处不满足式(15)的条件,因此尽管有修正系数进行修正,单K3值整定的距离Ⅱ段仍然灵敏度不足发生拒动。而其他3类整定方法均正确动作。
表4 不同故障类型下接地距离保护的动作情况Table 4 Performance of grounding distance protection for different fault types
对于故障类型(2),此时零序互感系数介于中间,对各类整定方法的测量阻抗未造成太大误差,4类整定方法均正确动作。
对于故障类型(3),此时实际零序互感系数为K3。同理,采用单K1值进行计算时,由于系数误差很大,在有修正的情况下距离Ⅰ段仍然超越发生误动。
对于故障类型(4),双回线N端母线解列运行,且M端为弱馈系统。此时N1端发生接地故障,受系统运行方式的影响,线路L2上流过的零序电流较大,使线路L1对应的零序互感系数很小。由表4可见,在该情况下,除文中提出的改进双K值以外,包括传统双K值在内的其他3类整定方法距离Ⅰ段均超越误动。
综上所述,在仿真中列出的几种故障类型中,仅改进双K值在各种情况下均能正确动作,较其他整定方法更具合理性。
本文分析了同塔双回线路在各种运行方式下的零序补偿系数,并提出了距离保护整定的改进方案,理论和仿真分析表明:
a.同塔双回线一端出口故障时,故障线路的零序补偿系数在双回线同时运行时最大,在一端母线解列且非故障相零序电流较大时最小;
b.单K值整定方法将零序补偿系数的问题转嫁给整定阻抗,可能导致距离保护误动和拒动;
c.传统双K值整定方法中距离Ⅰ段采用一回线检修时对应的K3值,在双回线一端母线解列时存在误动风险;
d.改进双K值兼顾了距离Ⅰ段的可靠性和距离Ⅱ度的灵敏度,性能良好,满足同塔双回线接地距离保护运行需求。