一种改进的同杆并架双回线路选相元件

曾献华

(国电南京自动化股份有限公司，南京 210003)

0 引言

同塔并架双回线路共用杆塔，所需出线走廊窄，能够充分利用有限的走廊资源，减少土地占用，同时具有建设速度快、输送能力强、节省投资等优势，能够很好地满足现代电力系统对供电可靠性和大容量输电等要求，所以在工程上的应用日益广泛[1-3]。

随着同塔并架双回线得到广泛应用，现场发生跨线故障的案例日益增多，而基于单回线路的常规选相元件，当用于同塔并架线路，特别是发生复杂的跨线故障时，就可能存在不正确动作的风险，从而影响输电线路保护动作的正确性及可靠性，继而极大地影响电力系统的安全、稳定运行和输电可靠性。

同杆双回线路发生故障时，非故障线路均存在一个故障平衡分点，而在故障平衡分点处，非故障线路不会有故障电流流过，当发生跨线故障时就会导致常规的突变量选相元件不正确动作。针对该故障特征，改进的突变量选相原理解决了双回线在故障平衡分点处发生故障时，常规选相元件不正确动作的问题。

1 常规突变量选相元件的影响分析

目前，国内高压线路保护装置均采用突变量选相原理和稳态选相原理相结合的方法[4-7]，在故障初始阶段采用突变量进行选相，待故障进入稳态之后，则采用电压电流序分量结合阻抗特性进行稳态选相。

1.1 突变量选相元件

突变量选相一般在保护启动后的20 ms内投入，首先计算3个相间回路补偿电压的突变量，计算方法为

(1)

突变量选相逻辑如下：

(1)当Δmin<0.25Δmax时判定为单相故障，否则为多相故障。

(2)单相故障时，若ΔZbc=Δmin，判定为A相故障。

(3)多相故障时，若同时满足ΔZab≥ΔUab，ΔZbc≥ΔUbc和ΔZca≥ΔUca，判定为区内相间故障；否则为转换性故障(一正一反)，退出突变量选相元件。

突变量方向继电器由3个幅值比较的判据ΔZøø≥ΔUøø构成。

1.2 跨线故障对突变量选相元件的影响分析

以图1中的同杆双回输电系统为例，假设I线发生A相单相故障进行分析说明。为了简化分析，下列分析均忽略了负荷电流。

图1 同杆并架双回线路接线示意

当I线发生故障时，根据叠加原理可以认为故障网络中II线的故障电流由M侧和N侧电源分别提供，其中M侧电源提供的电流为

(2)

式中：ZM为M侧的系统等值正序阻抗；EM为M侧系统电压；ZL为线路全长的零序阻抗；k为故障点离M侧占线路全长的比例。

同理，M侧电源提供给II线的故障电流为

(3)

同理可得

(4)

(5)

式中：EN为N侧系统电压；ZN为N侧的系统等值正序阻抗。

令

IMII+(-INII)=0 ，

(6)

可得

(7)

令EM=EN，可得

(8)

对于确定的系统，式(8)中ZM，ZN和ZL均为确定的值，k为待求变量，令其解为k=K，则当I线上距离M侧为K的位置故障时，II线对应故障相无故障电流流过，而当k>K或者k

1.3 现场事故数据的分析验证

某地区220 kV同杆并架双回输电系统如图2所示。2010-07-30 T 18：53，双回线路距离M侧约10 km左右位置发生I线CA跨II线C相接地故障，I线保护均正确动作切除三相，II线两侧纵联方向保护均跳三相。

图2 某地区220 kV同杆双回输电线路

此次是典型的跨线故障造成纵联保护误跳多相的事故，图3、图4分别为II线电压和电流录波数据，故障从60 ms开始。图3中：umak，umbk，umck分别为M侧的三相电压；0时刻为故障发生时刻，下同。图4中，imak，imbk，imck分别为M侧的三相电流。

图3 II线M侧电压

图4 II线M侧电流

双回线路故障后，一个周波内II线M侧的各相间回路补偿电压的突变量如图5所示，图5中：ΔZmabk，ΔZmbck，ΔZmcak分别为3个相间回路的补偿电压突变量。由图5可以看出，Δmin=Δab，Δmax=Δca，而Δab<0.25Δca的条件满足不了，因此判定系统发生了多相故障。

按照第1.1节介绍的突变量选相元件，判为相间故障之后，需要判断比较各相间回路的补偿电压突变量ΔZøø和保护安装处电压突变量ΔUøø幅值的大小，当三相均满足条件的时候，再进行故障相的判别。

图5 II线M侧3个相间回路的补偿电压突变量

图6、图7、图8分别为3个相间回路的补偿电压与电压的突变量。图6中，ΔUmbck为BC相间电压突变量；图7中，ΔUmcak为CA相间电压突变量；图8中，ΔUmabk为AB相间电压突变量。

图6 II线M侧BC相间补偿电压与电压的突变量

图7 II线M侧CA相间补偿电压与电压的突变量

图8 II线M侧AB相间补偿电压与电压的突变量

图6～8的结果很明显，BC和CA两个相间回路均满足ΔZøø≥ΔUøø的条件，而AB回路由于ΔIab≈0造成ΔZab≈ΔUab，此时再比较ΔZab和ΔUab的大小对于判别故障方向已经失去了意义，因此II线的两侧突变量均选中为CA相间故障，所以两侧均三相跳闸。

2 改进后的选相元件

归纳上节提出的突变量选相元件在跨线故障中所存在的问题，主要原因在于故障点处于故障平衡分点，非故障线路没有故障电流流过，导致两侧的突变量选相均无法判别故障方向，误投入突变量选相元件，为此，本文提出了新的突变量选相元件逻辑，作为对普通选相原理的改进和补充。

考虑到电流突变量的门槛应该结合补偿阻抗的大小一并考虑，2个小的向量相乘误差较大，尤其是在故障初期电流突变量本身误差就较大。因此，根据电流突变量幅值大小将原有ΔZøø≥ΔUøø的判据修改为ΔZøø≥kΔUøø，而k根据电流突变量的大小自适应。

(1)当ΔIøø≥0.2In时，认为电流突变量较大，k可以取为1.05左右(当Zs≥20Z1时突变量选相无灵敏度，其中Zs为线路背侧系统阻抗，Z1为本线路正序阻抗)，In为额定电流。

(2)当ΔIøø<0.2In时，k可以取为1.1。左右(当Zs>10Z1时突变量选相无灵敏度)。

设置可靠系数是综合考虑的，电流幅值和补偿阻抗过小时会造成计算误差。

对于上述现场的此次事故，故障电流大于0.2倍的额定电流，因此采用判据(1)。

改进后的AB相间补偿电压与电压的突变量如图9所示，从图9可以看出，ΔZab<1.05ΔUab。由此可见，改进的突变量选相判据能可靠地判断出跨线故障，为了防止突变量选相误选多相，退出突变量选相元件。

图9 改进后的AB相间补偿电压与电压的突变量

3 结束语

同杆并架双回线路发生跨线故障时，传统的选相元件存在误动问题，影响线路保护的选择性和可靠性，存在误切除非故障相的可能，会扩大停电范围。本文通过理论分析和现场实际案例对相关问题进行了详细介绍，并针对性地提出了新的适用于同杆并架的选相方案，该方案具有很强的实用性，可为同杆并架双回线路保护的研究和开发提供一定参考。