平行互感线路纵联零序方向保护动作行为分析

孟恒信,郭润生,贺广智

(1.山西电力科学研究院,山西太原 030001;2.朔州供电分公司 ,山西朔州 036002)

1 平行有互感线路的分类及其电气模型

根据两条平行有互感线路之间的电气联接方式,可将其分为以下三种情况。一种是两平行有互感线路之间只存在互感,并没有直接电联系的线路,如图1所示。另一种则是两平行有互感线路之间不但存在互感,而且在线路一端还有直接电的联系,如图2所示。这两种情况应同属于弱电强磁连接的系统方式,只是第一种方式弱电达到了极限。第三种方式为强电强磁连接的系统方式,如图3所示,这是一种常见的两站之间的同杆并架双回线路。

由于在同一线路上三相导线之间的互感接近相等,非故障线路上感应电动势中不含 (或者含很小)正序分量和负序分量,只有零序分量[1]。因此,下面只分析接地故障期间故障线路和非故障线路的零序分量。

根据不同的系统接线方式,两条平行线路之间的互感电势影响程度也不同,下面就以这三种接线方式为模型,结合利用DDRTS电力系统数字电磁暂态仿真的仿真结果,对这三种接线方式下线路两端的零序电流、零序电压相位关系进行分析。

图1 无电磁联系平行互感线路

图2 弱电强磁联系平行互感线路

图3 强电强磁联系平行互感线路

图中的S1、S2、S3为系统等值电源;B1、B2为等值变压器;TA1、TA2、TA3、TA4为电流互感器;TV1、TV2、TV3、TV4为电压互感器;L1、L1'、L2、L2'分别代表线路 1和线路2有互感部分和无互感部分;Break1、2、3、4分别代表4台模拟断路器;A、B、M、N分别代表4个变电站的4条母线。

2 没有电联系互感线路的纵联零序方向保护动作行为分析

对于如图1所示的没有电联系的互感线路,当其中一条线路发生故障期间的零序网络等值电路可以用图4表示。如果规定母线流向线路为正时,故障线路的实际零序电流方向是从故障点流向线路两端,如图4a所示。非故障线路感应电动势的极性端靠近故障点侧,非极性端靠近母线侧[1],即其零序电流方向为从母线流向线路,如图4b所示。

2.1 A站和M站母线零序电压和零序电流向量分析

为了便于比较,先分析故障点同一侧线路 L1和L2的A站和M站母线零序电压和电流相位关系。由图4可以看出,A站零序电流实际方向是从故障点流向母线,与规定的正方向相反,且母线侧电压高。M站零序电流实际方向是从地流向母线,与规定方向一致,且母线侧电压低。两个站的零序电压表达式如 (1)、(2)式所示。

A站母线零序电压为

M站母线零序电压

图4 故障和非故障线路零序电流流向示意图

为了能更清楚地说明问题,利用DDRTS电力系统数字电磁暂态仿真程序对图1所示的系统进行了动态仿真,仿真系统模型参数为一实际系统互感线路参数,其仿真结果如图6所示。图6的上半部分为零序电压仿真波形,下半部分为零序电流仿真波形。可以看出,与图5向量图表示的一致,即两站的零序电压和零序电流均反向,且两站的零序电流均超前零序电压100°左右。

图5 A、M站母线零序电压、电流向量

图6 A站和M站母线零序电压仿真波形

2.2 B站和N站母线零序电压和零序电流向量分析

由图4可以看出,B站零序电流从故障点——母线流入地,母线侧电压高,电流与规定的正方向相反,N站零序电流同样从母线流入地,母线侧电压高,电流与规定方向相反,所以,两个站的零序电压表达式如 (3)、(4)式表示。

B站和N站母线零序电压为

可用图7所示向量图来表示。

图7 B、N站母线零序电压、电流向量

同样利用图1所示仿真模型和参数的动态仿真结果如图8所示。

由图7和图8可以看出,B站和N站母线零序电压同方向,两线路零序电流也同方向,且两站的零序电流均超前零序电压100°左右。

综合上述四个站的零序电压、电流向量和仿真波形可以看出,故障线路L1两侧零序电流均超前零序电压100°左右,为区内接地故障特征。非故障线路两侧零序电流同样也均超前零序电压100°左右,也呈现为区内接地故障特征。因此,反映零序电流方向的纵联零序方向保护必然误动,必须采取措施防止其误动。

图8 B站和N站母线零序电压仿真波形

3 有电联系互感线路纵联零序方向保护动作行为分析

对于如图2所示的有电联系的平行互感线路,当其中一条线路发生接地故障时的零序网络等值电路可以用图9来表示。为了分析方便,将线路上的零序电流分成两部分来描述,一部分为线路没有互感时的故障零序电流,另一部分为互感零序电流。两条线的互感电势极性均是靠近故障侧为正。此时故障线路的故障电流I0A、I0B从故障点流向线路两端,互感电流I0Am从A站流向B站,如图9上半部分所示。非故障线路故障电流I0NM从N站流向M站,互感电流I0Mm从M站流向N站。各端母线的零序电压均由这两个电流在系统零序阻抗上的压降合成。

A站母线零序电压UA0=-IA0ZAS0-I0AmZAS0,M站母线零序电压UM0=-I0MNZMS0-I0MmZMS0,B、N站母线零序电压UB0=I0B′ZS0-I0Sm′ZS0。

图9 故障线路零序电流流向示意图

其中,I0B′为流过B(N)站系统零序阻抗上的电流,I0B′=I0B-I0NM;I0Sm′为流过B(N)站系统零序阻抗上的互感电流,I0Sm′=I0Am+I0Mm。

由于故障线路的故障电流相对互感电流大,非故障线路故障电流相对互感电流小,因此,可以画出A站和M站母线零序电流、电压向量如图10a所示,假定故障前系统空载,互感电流近似认为与故障电流同向或反向。图10b为利用图2仿真模型动态波形。

由图10可以看出,向量图与仿真波形图一致。故障期间A、M站的互感电流与故障电流反向,互感电流起着消弱故障电流和故障电压的作用。由于故障线路的故障电流一般较大,故障电流占主导作用,它们的相位关系不发生改变,为正向接地故障特征。而非故障线路一般距故障点较远,故障电流较小,互感电流起主导作用,合成的母线零序电压和零序电流将同时反向,仍为正向接地故障特征。

B站和N站母线零序电压为一个,保护的零序功率方向主要由它们的合成零序电流的流向决定,由于故障线路的故障电流与互感电流同方向,合成零序电流电压相位关系为正向故障特征;非故障线路的互感电流较大起主导作用,合成的零序电压相位关系为正向故障特征。

图10 1线故障期间A、M站母线零序电压、电流相量关系

综合上述四个站的合成零序电压、电流向量及仿真波形图可以看出,故障线路L1两端A、B站综合零序电压和电流受互感电流影响较小,零序功率反应为正向故障特征,纵联零序方向保护可以正确动作切除故障。非故障线路L2两端B、N站合成零序电压和电流受互感电流影响较大,有电联系的一端N站,由于合成零序电流反向,零序功率误反为正向故障特征,因此,非故障线路的纵联零序方向保护将误动,必须采取有效的防范措施。

另外,从上面的分析还可以看出,由于非故障线路两端的故障电流和互感电流均有相互抵消的作用,那么在系统中有可能存在某一种情况,使非故障线路的某一端综合零序电压或电流等于零,或者接近于零的情况,这一点也必须引起足够的重视。

4 强磁强电联系平行互感线路纵联零序方向保护动作行为分析

对于强磁强电联系平行互感线路,也即同杆并架双回线路,虽然线路间的互感可能很大,但是通过分析可以看出,若故障发生在线路中点,将在非故障线路两端产生两个感应电动势,这两个感应电动势极性相反,使非故障线路互感电流较小或为零,离开线路中点故障,非故障线路提供的故障电流一般又不会太小,所以互感的影响相对较小,这也是大量运行的同杆并架双回线路的纵联零序方向保护没有出现误动的原因。

[1] 高中德,舒治淮,王德林.国家电网公司继电保护培训教材[M].北京:中国电力出版社,2009:90-101.