同杆并架线路保护选相元件研究分析

胡佑群 刘鹏飞 罗 成 张东辉

（南车株洲电力机车研究所，湖南 株洲 412001）

为保证电力系统运行的安全稳定性，同杆并架双回线在故障时不能无选择性跳闸。因此，保护装置必须具有选相跳闸能力。虽然分相电流差动保护具有天然的选相能力，但对于方向或距离纵联保护，以及作为后备保护的距离及零序电流保护，必须具有选相元件才能选相跳闸。

由于同杆并架双回线的两回线之间的互感较大，且是双回线运行，导致其故障特征比较复杂。这种情况下要实现选相跳闸，其选相元件动作的正确性极其重要，这就对选相元件提出了极高的要求。单回线上运行性能良好的的故障选相元件，如相电流差突变量和序电流选相元件，在同杆并架双回线复杂故障下的性能如何值得研究。国内外学者已就此问题做了一些研究。

本文运用 PSCAD/EMTDC建立同杆并架双回线保护的仿真平台，对几种常用的选相元件进行分析，指出其不足与缺点。

1 同杆并架双回线保护仿真平台设计

同杆双回线保护仿真平台的设计可以分为同杆双回线仿真模型的建立和保护仿真算法库的设计两部分。传统单回线路的仿真模型构建是基于序参数的，但同杆双回线之间的互感存在很大的差异，采用序参数来构建其仿真模型不能正确反映线路的暂态特性。因此，本文采用同杆双回线的杆塔和线路结构参数来构建同杆双回线的仿真模型。

由于Bergeron模型只能精确地反应基频，适用于基频潮流的研究，为准确地模拟同杆并架双回线路的暂态和稳态特性，仿真中采用的是频率依赖（相量）模型模拟分布参数线路。并设计了对外输出数据文件，用于不同的选相元件算法。图1为频率依赖（相量）模型的配置界面。

图1 频率依赖（相量）模型配置界面

2 同杆并架双回线保护的选相元件研究

2.1 相电流差突变量选相元件分析

相电流差突变量选相元件是在系统发生故障时利用两相电流差的变化量的幅值特征来进行故障选相的元件。

假定C1=C2，式（1）的幅值又可表示为

其选相流程如图3所示。

图3 相电流差突变量选相流程图

由于相电流差突变量选相原理是通过比较三相电流差变化量的大小来实现，因此，三相电流的大小及相位将影响选相结果。

双回线的跨线故障与单回线故障情况不同，后者的非故障相电流故障前后变化较小，而前者的非故障相如果是邻线的同名跨线故障相，则存在由两侧电源提供的故障电流，这将影响此种选相元件的动作性能。当两侧电源大小相差较大时，这种影响更加明显。表1、表2给出了双回线两端分别为强、弱电源，部分跨线故障时Ⅰ回线弱电源侧相电流差突变量选相元件的选相结果。

从选相元件的动作情况可知，当两侧电源大小差异较大时，在线路发生本线单相跨邻线非同名单相或多相故障，如ⅠAⅡBG，由于本线由对侧提供的B相电流较大，与本侧电源提供的A相故障电流相近，并且A、B相电流的相位较近，导致变小，使，从而误选成相间故障。当两侧电源大小差异足够大的时候，即使弱电源端近侧发生跨线故障也有可能误选相。表1、表2中显示，由于上述原因有较多选相结果误选相。

表1 跨线故障下Ⅰ回线弱电源侧近距离相电流差突变量选相元件动作情况

表2 跨线故障下Ⅰ回线弱电源侧远距离相电流差突变量选相元件动作情况

2.2 负序零序电流选相元件分析

由于负序零序电流选相原理是通过计算负序电流和零序电流之间的相位差来实现的，因此三相电流的大小及相位将影响选相结果。而发生双回线的跨线故障时，非故障相如果是邻线的同名跨线故障相，则存在由两侧电源提供的故障电流（在出口故障时电流仅由对侧电源提供），这将影响此种选相元件的动作性能。当两侧电源大小相差较大时，这种影响也更加明显。

表3、表4给出了不同电源情况下发生金属性跨线故障时Ⅰ回线负序零序电流选相元件动作情况。

分析可知：当系统两侧电源大小差异较大时，发生含非同名相单相跨线故障时，由于对侧大电源的影响，本线非故障相（邻线同名故障相）电流可能接近或超过故障相电流，导致序电流相位变化而不能反映故障情况。对侧电源的影响随着故障点向强电源侧移动而逐渐变大，当线路较短时这种情况更恶劣。若两侧电源差异足够大，即使是靠近弱电源侧发生这种类型的故障都有可能误选相。若两侧电源大小差异不是很大，则会发生这种现象的故障点可能会比较靠近大电源侧。

表3 跨线故障下Ⅰ回线近距离（弱电源侧）负序零序电流选相元件动作情况

表4 跨线故障下Ⅰ回线远距离（弱电源侧）负序零序电流选相元件动作情况

值得注意的是，在表 3、表 4中，在某些故障点发生ⅠAⅡAG与ⅠCⅡCG故障时，也发生了分区错误。这有可能是因为该故障点离线路的平衡点比较近，故障电流受互感影响较大而出现分区错误。

3 结论

本文运用设计好的同杆并架双回线保护仿真平台对常用选相元件进行了分析，得出了以下结论：

1）对于相电流差突变量选相元件，当两侧电源大小差异较大，如一侧为弱电源，另一侧为强电源，在线路发生本线单相跨邻线非同名单相或多相故障（如ⅠAⅡBG）时，由于对侧强电源的影响，弱电源侧Ⅰ回线会误选相。

当发生含同名故障相的区内多相跨单相故障时，如Ⅰ回线CA短路，跨Ⅱ回线A相(ⅠCAⅡAG)，则由于近故障侧Ⅰ回线A相电流可能小于或等于C相电流的1/2，使该侧相电流差突变量值大小呈单相短路故障特征而误选成单相故障。

2）对于负序零序电流选相元件：当系统两侧电源大小差异较大时，发生含非同名相单相跨线故障时，由于对侧大电源的影响，本线非故障相（邻线同名故障相）的电流可能接近或超过故障相电流，导致序电流相位变化而不能反映故障情况。

对于单相跨两相（含同名单相）的故障情况，处于两相故障的线路可能误选相。其原因是这种跨线故障中两相短路呈不完全的相间短路（或接地）特征，即同名相故障电流只有另一故障相电流的一半左右，甚至有可能更小，使负序、零序电流相位差可能落入错误的故障相区。

在某些故障点ⅠAⅡAG与ⅠCⅡCG也发生了分区错误。这有可能是因为该故障点离线路的平衡点比较近，故障电流受互感影响较大而出现分区错误。

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