同杆双回线路综合故障选相方案

田　书，寿好俊，刘芳芳

(河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南焦作454000)



同杆双回线路综合故障选相方案

田书，寿好俊，刘芳芳

(河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南焦作454000)

摘要：为保证同杆双回线中单回线故障的选相性能，同时实现跨线故障准确选相，提出基于相电流差突变量的综合故障选相方案。该方案将故障分为三类，根据相电流差突变量选相元件在不同故障类型下的选相特性，有针对性地改进选相方法。对单回线和同名跨线故障，直接或等价后采用相电流差突变量选相方法；对非同名跨线故障，采用改进的相电流差突变量两步选相方法，这样自适应选择不同的选相方案，既保证单回线选相的性能，又能实现跨线故障准确选相。利用PSCAD/EMTDC软件对不同故障类型、故障位置、过渡电阻情况的大量仿真，验证了此方案的可行性。综合故障选相方法原理简单，逻辑清晰，为同杆双回线路第二套主保护或者后备保护提供故障选相。

关键词：同杆双回线；相电流差突变量；选相；跨线故障；同名相和电流

0引言

同杆并架双回线作为新建超高压以及特高压等级线路首选的输电形式，在带来巨大经济效益的同时，也使电网的安全可靠运行面临巨大挑战[1]。同杆双回线路保护需要选相跳闸，对保护的选相元件提出了极高的要求。然而双回线故障类型多达120种，其中跨线故障有98种，并且双回线之间距离较近，耦合情况复杂，导致传统基于单回线的选相元件应用于双回线尤其是跨线故障时会误动作。因此近年来有很多学者致力于同杆双回线路的故障选相研究。

文献[2]提出了基于电流突变量的单端单回线综合选相方案，针对电流突变量选相元件在同塔双回线故障下的动作特性，以测量阻抗、方向元件为辅助判据构成综合的选相方案，但为克服单端单回线电气量数据冗余度不足，导致选相过程复杂。文献[3]提出了一种基于六序故障分量的平行双回线选相方法，将双回线看作一个整体使选相原理不受双回线线间互感的影响，但无法甄别同名跨线故障；文献[4，5]提出了利用单端双回线电流量的选相原理，然而在线路末端发生故障时无法正确选相；文献[6，7]提出了基于跨线故障识别的选相原理，根据故障后特征识别故障类型，再对单回线和跨线故障采用不同选相方案，能够解决传统选相元件的误动问题，但选相原理复杂。近年来基于初始行波或暂态量的选相[8-10]逐渐成为研究热点，但具体方案离实际应用仍相差较远。

国内外双回线运行统计数据表明，同杆双回线路故障类型繁多，虽然跨线故障约占82%，但是发生几率不到20%，大部分故障仍为单回线故障[2]。因此为保证单回线故障选相的性能，同时实现对跨线故障准确选相，本文提出基于相电流差突变量的综合故障选相方案。该方案在分析相电流差突变量选相元件在同杆双回线路单回线故障、同名跨线故障、非同名跨线故障下的动作特性的基础上，提出改进的相电流差突变量选相方案，综合实现同杆双回线路所有故障类型的准确选相。

1同杆双回线路短路故障分析模型及故障分类

图1　同杆双回线路模型

同杆并架的双回线距离较近足以发生跨线故障，因此短路故障类型繁多，理论上多达120种，其中单回线故障22种，跨线故障98种。国内外运行统计表明，单回线故障种类少， 但是发生几率很大；跨线故障发生几率不到20%，然而其所造成的后果更严重[2]。为便于分类分析,将故障类型分为3类：单回线故障、同名跨线故障、非同名跨线故障。如下表1所示(表中所列为以A相为特殊相的13种故障类型)。

表1　同杆双回线故障类型

2相电流差突变量选相元件在同杆双回线故障下特性分析

2.1单回线故障下特性分析

同杆双回线路发生单回线故障时，不同故障类型下相电流差突变量值特征明显，因此通过比较A、B、C三相电流差在故障前后的突变量值大小即可判断故障相别：

(1)

(2)

(3)

ΔIAB，ΔIBC,ΔICA在单回线各种故障下的特性如表2所示，由该表2可对单回线故障实现准确选相。

表2　相电流差突变量选相元件单回线故障动作特性

2.2跨线故障下特性分析

同杆双回线跨线故障和单回线故障的特征存在差异，因此相电流差突变量选相原理在跨线故障下呈现不同的选相特性。

发生同名跨线故障时，其故障特征和单回线故障相似，通过线性等值，同名跨线故障可以等值为单回线故障，因此采用相电流差突变量选相元件仍可准确选出故障相。

发生非同名跨线故障时，由于互感的作用，相电流差突变量选相元件该类故障无法正确选相。比如：单相跨异名单相故障如IAIIBG时，非故障相为邻线同名故障相，则存在由两侧电源提供的故障电流，导致相电流差突变量值呈现相间故障的特性；含同名相跨线故障如IAIIABG时，因两同名相具有分流作用，II回线A相电流可能小于B相电流一半，导致II回线误选为单相故障。

基于以上特性分析可知，相电流差突变量选相元件要同时实现对单回线故障和跨线故障正确选相，必须进行分类选相并对其进行适当改进。对于单回线故障，可直接采用相电流差突变量选相方法；对于同名跨线故障，将双回线的同名相综合考虑，亦可采用该方法；对于非同名跨线故障，须对相电流差突变量选相方法进行改进，最终实现非同名跨线故障的正确选相。

3基于相电流差突变量的同杆双回线路综合故障选相方案

3.1故障类型的识别

基于六序分量法[11]对同杆双回线路各类故障的分析可知，不同故障类型下，六序电流分量的幅值及相位呈现不同特性：

基于六序分量法的分析结果可区分单回线故障、同名跨线故障、非同名跨线故障。具体故障类型识别流程如图2。

图2　故障识别流程图

3.2同名跨线故障选相方案

利用六序分量法解耦原理，为消除两回线之间的线间耦合，同杆双回线故障下各相序电流可分解为同向向量(T表示)和反向向量(F表示)，则图1中M侧各相序故障电流可表示为：

(4)

(5)

对式(4)和(5)中两回线同名相电流求和可得：

(6)

由(6)式将同杆双回线等价为一个综合的单回线三相线路(如图3所示)。

图3　同杆双回线路等价图

3.3非同名相跨线故障选相方案

根据图3所示的等价原理，亦可将非同名跨线故障等价为单回线三相线路选出故障相，但是无法确定具体的故障发生在哪一回线，因此需进一步进行同名相选线。

基于同名相和电流，根据相电流差突变量选相原理，可初步识别故障相，确定等价三相系统是哪两相故障还是三相故障，选相流程如图4所示。图中ε1用来判别两相短路故障的故障相，其选定依据为相电流差突变量选相元件单回线故障动作特性。

图4　非同名跨线故障相初选流程图

同名相电流比值具有一定规律性[12]，以同名相电流比值可实现故障线的选择，对已判明为故障相的同名相电流幅值比较大小，具体判据为：

否则两回线均故障。

ε2用来判别故障相位于哪一回线，其选定依据为同名相电流之间的幅值差异

以初选相结果为ABG为例，说明非同名相跨线故障选相流程如图5所示。

图5　非同名跨线故障同名相选线流程图

4仿真验证

采用PSCAD软件对图1所示的500kV同杆双回线系统进行建模仿真。线路参数为：L=300km；正序参数R1=0.022 6Ω/km，X1=0.283 5Ω/km，C1=0.013 2Ω/km；零序参数R0=0.182 8Ω/km，X0=0.867 5Ω/km，C0=0.005 5μF/km；线间零序互感参数R0m=0.160 8Ω/km，X0m=0.583 5Ω/km，C0m=0.007 7μF/km；M侧系统正序阻抗ZSM!=j21.615Ω，零序阻抗ZSM0=j42.225Ω；N侧系统正序阻抗ZSN!=j55.471Ω，零序阻抗ZSN0=j115.421Ω。过渡电阻50Ω。仿真条件为M端电源超前N端电源30°。对故障点位于M端近端(p=10%)、线路中间(p=50%)、线路远端(85%)不同故障位置进行仿真，验证该选相方案的可行性。

提取故障六序电流分量幅值和相位特征，可验证故障类型识别结果的正确性。

基于故障类型识别结果，对同名跨线故障和非同名跨线故障选相方案进行仿真验证。篇幅所限，本文仅列出故障线路远端(85%)时跨线故障的选相结果，如表3所示。

由表3可知，该方法对同杆双回线不同类型的故障均能准确选相。考虑过渡电阻的影响，对不同过渡电阻情况下的跨线故障进行仿真，该方案均能可靠选相。

表3　p=85%时的选相结果

5结论

本文提出基于相电流差突变量的同杆双回线故障选相方案，选相流程将故障分为单回线故障、同名跨线故障和非同名跨线故障，自适应选择不同的选相方案，既保证单回线选相的性能，又能实现跨线故障准确选相。PSCAD仿真表明，该方案对不同故障位置、故障类型均能可靠选相，同时对不同过渡电阻也有很好的适应性。该选相方法原理简单、逻辑清晰、易于实现，可为同杆双回线路第二套主保护或者后备保护提供故障选相。

参考文献:

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Integrated Fault Phase Selection Scheme of Double-circuit Lines

TIANShu,SHOUHaojun,LIUFangfang

(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Abstract：In order to ensure the fault phase selection performance in the single-circuit lines and achieve accurate phase selection in crossing-line faults at the same time, this paper proposes an integrated fault phase selection scheme based on the suddenly-changed phase current difference. The scheme classifies fault types into three categories. According to the characteristics of the phase selection by the suddenly-changed phase current difference selector with different fault types, the phase selector is pertinently improved. For single-circuit line faults and crossing-line faults of the same-name phase, the phase selector is used directly or after performing equivalence. For the crossing-line faults of the different-name phase, the improved two-step method based on suddenly-changed phase current difference is used. The feasibility of the scheme has been verified by the PSCAD/EMTDC simulation with different fault types, fault location and different transition resistance.

Keywords：double-circuit lines; phase current difference suddenly-change; phase selection; crossing-line faults; same-name-phase sum current

收稿日期：2016-01-13。

基金项目：国家青年科学基金项目(61403127)。

作者简介：田书(1963-)，女，教授，主要从事电力系统继电保护及同塔双回线路故障选相等方面的研究，E-mail：1056574227@qq.com。

中图分类号:TM77

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.05.004