纵联支接阻抗保护在超（特）高压线路中的应用

李建辉，井 嵘，刘世明，吴聚昆，郭 韬

（1.山东大学电网智能化调度与控制教育部重点实验室，济南 250061；2.国网山东电力公司烟台供电公司，烟台 264000）

纵联支接阻抗保护在超（特）高压线路中的应用

李建辉1，井 嵘2，刘世明1，吴聚昆1，郭 韬1

（1.山东大学电网智能化调度与控制教育部重点实验室，济南 250061；2.国网山东电力公司烟台供电公司，烟台 264000）

为了克服重载线路内部发生高阻接地故障时纵联电流差动保护的灵敏度不足甚至拒动的问题，传统保护方案中引入零序电流差动保护作为电流差动保护的补充，但是零序电流差动保护不具有选相功能，并且在线路非全相运行又发生高阻接地故障时零差保护可能会拒动。针对此问题，根据纵联支接阻抗保护的特点，本文提出将纵联支接阻抗保护原理作为全电流差动保护原理的补充，构成一种新的保护方案，克服了零序电流差动保护作为纵联电流差动保护补充时存在的问题。新保护方案动作速度快，无需额外的选相元件就能分相动作，不受线路非全相运行方式的影响且无需对电容电流进行补偿，线路发生高阻接地故障时，新方案能够灵敏可靠动作。仿真实验验证了新保护方案的正确性和有效性。

纵联支接阻抗；纵联差动保护；保护方案；过渡电阻；非全相

为了提高电力系统安全稳定运行水平，满足大容量、远距离传送电能的需要，电网的主干线路越来越多地采用超高压、特高压线路。超（特）高压输电线路在电网中的地位非常重要，继电保护将承担更大的责任，保护的性能需要进一步地提高。

全电流差动保护具有灵敏度高、简单可靠、选择性好等优点[1]，随着数字通信技术的发展和光纤通信成本的下降，全电流差动保护越来越广泛地应用于输电线路中。然而该保护原理会受到电容电流[2-4]、负荷电流[5]以及过渡电阻等的影响。当重载线路内部发生故障时，负荷电流对保护的影响将不能忽略，全电流差动保护可能拒动。为了克服负荷电流的影响，提出了基于故障分量的电流差动保护原理[6-8]，以及利用故障分量的阻抗保护原理[9-11]，这些保护原理不受负荷电流的影响，但是该原理基于故障后短期内负荷电流不变的假设，因而该原理只能应用在故障发生后的1～2周波内，另外当发生高阻接地故障时，故障分量很小，保护的辅助判据可能不能满足而导致保护拒动。为了克服高过渡电阻的不利影响，提出了零序电流差动保护原理[12-13]，该保护原理在各种故障情况下基本都能动作。

零序电流差动保护通常作为电流差动保护的补充应用于线路的传统保护方案中[14-19]，主要用来反映线路的高阻接地故障，但在线路非全相运行状态下发生内部故障时，由于零序负荷电流的制动作用，使得零序电流差动保护的灵敏度下降，某些情况下可能拒动。另外零序电流差动保护不具有选相功能，并且为了克服三相不同时合闸的影响，保护需要经短暂延时才能动作（一般为100 ms），延长了保护的动作时间。

本文根据纵联支接阻抗LTI（longitudinal tapped impedance）保护原理的特点，将其作为全电流差动保护的补充，构成新的保护方案，新保护方案具有传统保护方案能够反映重载线路内部发生高阻接地故障的能力，并且克服了零序电流差动保护作为电流差动保护补充时存在的问题，新保护方案动作速度加快，无需选相元件就能分相动作，且当非全相运行线路发生区内故障时，新保护方案能灵敏可靠动作。仿真结果证实了新保护方案的正确性与有效性。

1 LTI保护构成的电流差动保护新方案

1.1 LTI的定义

图1所示为任意一个T型电路，图中m、n为输电线路两端的母线，f为故障点，Zmf和Znf分别为m、n端母线到故障点f之间的线路正序阻抗，f到地之间为T型电路的支路，支路阻抗为Zg。根据基尔霍夫电压定律可以得到

式中：U̇m、U̇n分别为m、n端对地电压；İm、İn分别为从m、n端流向f点的电流；İd为流经支接支路的电流。

图1 T型电路Fig.1 Circuit of T type

由式（1）解得T型电路支路阻抗为

定义T型电路的支路阻抗为LTI，因而对于图1所示T型电路，LTI值等于Zg，式（2）即为LTI值的计算式。

1.2 输电线路内部故障时的LTI

图2给出了三相输电线路内部发生C相接地故障时的等效电路。由图2可见，故障相C相线路构成了T型电路，其支路由两条支路并联构成，其中ZC为线路的集中容抗值，Rg为过渡电阻，当过渡电阻较大时，线路容抗不可以忽略，线路容抗能以集中参数的形式表示，并将其并联到过渡电阻的两端，这种简化不会引起太大的误差；当过渡电阻非常小时，线路容抗可以忽略，然而将线路集中容抗直接并联在过渡电阻两端这种简化仍然适用，这是因为线路集中参数容抗值较大，过渡电阻与线路容抗的并联值几乎就等于Rg，相当于忽略了线路容抗，因而当线路内部发生故障时，不管过渡电阻的大小如何，统一将线路容抗以集中参数的形式与过渡电阻并联是可行的。

图2 线路内部故障等效电路Fig.2 Equivalent circuit of line with internal fault

根据LTI的定义，由图2可知故障相的LTI值近似等于过渡电阻与线路容抗的并联值，即

当在输电线路中考虑相间互感的影响时，需要对LTI的计算公式（2）进行修正，得到

式（5）即为在输电线路中经过修正的LTI的计算公式。

1.3 输电线路无故障或外部故障时LTI

图3为输电线路无故障或外部发生故障时的等效电路（无故障时没有Rf支路），为了方便，以单相的形式表示，由图3可知，线路mn形成了T型电路，其支路为线路的容抗，因而根据LTI的定义可知在输电线路外部故障或没有故障时LTI值近似等于ZC，即

图3 输电线路无故障或外部故障时的等效电路Fig.3 Equivalent circuit of line without fault or with external fault

1.4 电流差动保护新方案

由式（3）和式（6）可知，当线路无故障或外部故障时，LTI值近似等于线路容抗ZC，位于复平面的负虚轴上，其模值很大；当线路内部故障时，LTI值近似等于Rg||ZC，位于复平面的第四象限，随着Rg的增加，Rg||ZC逐渐偏离实轴，当发生高阻接地故障时，Rg与ZC相比仍然较小，Rg||ZC偏离实轴的角度不大。

根据线路内、外部故障时LTI值的差别可以构成LTI保护新原理，利用式（5）计算得到的LTI值来区分区内、外故障，该保护原理不受负荷电流、系统运行方式的影响，无需对电容电流进行补偿，具有天然的选相能力，并且能够灵敏反映重载线路内部发生的高阻接地故障。LTI保护由于计算公式包含较多的加减乘除运算，因此需要的滤波要求较高，又因为LTI保护主要用来反映重载线路内部发生的高阻接地故障，动作速度可以稍慢，因此LTI保护可在保护启动20 ms后投入，采用全波傅氏算法计算电压电流量，能够满足保护的需要。

全电流差动保护具有灵敏度高、简单可靠、选择性好等优点，然而当重载线路内部发生高阻接地故障时，由于负荷电流的制动作用，保护灵敏度下降甚至拒动，由LTI保护的特性可知，LTI保护可以作为全电流差动保护的补充，主要用来反映重载线路内部发生的高阻接地故障，以此构成差动保护新方案。

全电流差动保护在保护启动后即可投入，直至整组复归；而LTI保护在保护启动20 ms后投入，直至整组复归。全电流差动保护在保护启动后的20 ms内可以根据需要采用短数据窗及高保护动作定值的保护原理，保护判据可以根据需要灵活整定，对于一些严重故障可以做到快速切除；20 ms后采用全周波数据窗及低动作定值的比率制动保护原理。

对于LTI保护，保护动作区如图4中灰色区域所示，其形状为上边水平的扇形。保护判据为

式中：Zset为图4复平面上扇形圆心点所在处的复数值；Rset和θset分别为扇形半径和圆心角的整定值。3个参数值需要根据线路参数来确定。根据线路容抗值ZC与系统可能出现的最大过渡电阻Rg_max的并联值Rg_max||ZC的模值来确定Rset，根据Rg_max||ZC的相角来确定θset，即

图4 保护动作区的的复平面Fig.4 Complex plane with protection operation region

本文主要研究LTI保护投入后LTI与全电流差动保护的配合问题，LTI保护投入前（保护启动后20 ms之内）投入的全电流差动保护判据可以根据需要灵活选用保护定值及制动系数。保护启动20 ms后的全电流差动保护判据，判据中不对电容电流进行补偿，其判据为

式中：IZD为保护动作电流定值；h为制动系数。

保护启动后20 ms内，全电流差动保护能够切除部分严重故障，保护启动20 ms后，全电流差动保护与LTI保护并行工作，二者只要有一个满足动作判据，保护即出口。在重载线路中发生高阻接地故障时，全电流差动保护灵敏度降低，甚至会拒动，而LTI保护能够灵敏可靠动作。

2 仿真验证

应用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建系统仿真模型，通过仿真产生数据，应用MATLAB对数据进行处理，验证基于LTI的保护原理。

2.1 仿真模型

仿真中，分别在图5所示的5处位置模拟不同故障类型（即不同过渡电阻和不同相别的故障）。线路两端的电流正方向均取为从母线到线路，如图5所示。输电线路参数如表1所示。

仿真中所用系统参数如下所示：

m侧系统正序阻抗Zm1=4.36+j49.81 Ω；

m侧系统零序阻抗Zm0=1.1+j16.6 Ω；

n侧系统正序阻抗Zn1=1.1+j12.45 Ω；

n侧系统零序阻抗Zn0=0.27+j4.15 Ω。

LTI保护及零序电流差动保护都需要与全电流差动保护相配合，为了说明他们的配合关系，需要对3种保护原理的判据进行整定。

图5 仿真模型Fig.5 Simulation Model

表1 输电线路参数Tab.1 Parameters of transmission line

对于全电流差动保护，保护判据式（9）中的IZD整定为4倍的线路电容电流，制动系数h整定为0.6[14，16]，对于本文所用仿真模型，估算线路正常运行情况下线路电容电流为250 A，因此IZD整定为1 000 A。

对于LTI保护，对于本文所示仿真模型，可将动作区域的Zset整定为-300+j100，Rset整定为1 000，θset整定为35°。

零序电流差动保护[14，16]辅助判据的启动电流整定为0.6倍的线路电容电流，本文将其整定为150 A，主判据的制动系数整定为0.8，可得判据为

本文主要关注LTI保护作为全电流差动保护补充的可行性问题，主要对保护启动20 ms后LTI保护或零序电流差动保护与全电流差动保护的配合关系进行研究，对于20 ms内的保护方案可根据需要灵活选择。

2.2 新保护方案与传统方案抗过渡电阻能力的比较

将系统两侧的电源电动势分别设为Es1=500∠0°kV，Es2=500∠-45°kV，根据系统参数可以求得正常运行情况下的负荷电流约为1 900 A。

表2所示为输电线路内部不同位置发生A相接地故障时的仿真结果，表2及后文所有表中所列ZLTI均为故障发生一周波（20 ms）后的数据，当故障发生在K4处时，仿真结果与故障发生在K2处类似，表中没有给出。

由表2可见，对于故障相A相，随着过渡电阻的增加，传统的全电流差动保护不再满足动作条件，而作为全电流差动保护补充的LTI保护和零序电流差动保护仍然满足动作条件，即使过渡电阻达到300 Ω时，仍能灵敏可靠动作。

表2 线路内部A相接地故障时A相仿真结果Tab.2 Simulation results of phase A with internal phase A to ground fault

表3列出了线路内部发生A相接地故障时，非故障相B相的仿真结果。由表3可知，全电流差动保护与LTI保护均不会误动，C相与B相保护动作结果类似，不再赘述。

表3 线路内部发生A相接地故障时B相仿真结果Tab.3 Simulation results of phase B with internal phase B to ground fault

为了判断在线路外部发生故障时LTI保护（零序电流差动保护与全电流差动经合理整定均不会误动，表中未列出）是否会误动，在图5所示模型中对线路外部K1、K5点发生A相接地故障的情况进行了仿真。表4所列为K1处发生故障时的仿真结果。

表4 线路外部故障仿真结果Tab.4 Simulation results with external fault

由表4可见，当线路外部发生单相接地故障时，LTI保护不会误动，具有足够的安全性。当发生金属性故障时，LTI计算结果与预期结果（线路的集中容抗值）有差异，这是因为LTI的计算公式以集中参数模型推导得到，而输电线路为分布参数元件，这就会引起一定的误差，这种误差不会导致LTI保护误动，因为LTI保护的裕度很高。

表5列出了线路内、外发生A、B两相接地故障（ABN）时的部分仿真结果。由表5可知，当线路内部发生故障时，LTI保护具有选相能力，故障相均能灵敏动作，非故障相安全可靠不动；当线路外部发生故障时，三相LTI保护均可靠不动，保证了保护的安全性。其余各种故障情况仿真结果与上述说明类似，篇幅所限，表中没有列出。

值得一提的是当发生两相短路故障时，由于LTI保护原理是基于T型电路提出来的，直观上看LTI保护不再适用，然而经过理论分析可知，LTI保护仍能适用，笔者另有文章专门研究两相短路时的问题。

表5 其他故障类型的仿真结果Tab.5 Simulation results with other types of fault

2.3 负荷电流对新保护方案与传统保护方案的影响

为了研究负荷电流的影响，需要改变两端电势角，保持Es1=500∠0°kV不变，设Es2=500∠-5°kV为 情 况 1，Es2=500∠-25°kV 为 情 况 2，Es2=500∠-45°kV为情况3，Es2=500∠-60°kV为情况4，对线路内外部发生的各种故障情况进行了仿真，篇幅所限，表6中只列出过渡电阻为100 Ω的A相接地故障时的仿真结果。

由表6可知，当线路内部发生故障时，随着负荷电流的增加，全电流差动保护将不能动作，而零序电流差动保护始终都能够动作，因而由全电流差动保护与零序电流差动保护构成的保护方案能够克服负荷电流的影响，保护灵敏动作，同理LTI保护也能够灵敏动作，不受负荷电流的影响。由表6还可知，当线路外部发生故障时，全电流差动、零序电流差动以及LTI保护均能可靠不动，不会受到负荷电流的影响。

综合第2.2节和2.3节，表2～表6仿真结果验证了LTI保护原理的正确性，并且由表2、表6可知，LTI保护和零序电流差动保护在重载线路发生高阻接地故障时均能灵敏动作，因此LTI保护与零序电流差动保护均能用来反映重载线路的高阻接地故障，然而零序电流差动保护不具有选相功能，并且为了克服三相不同时合闸的影响，零序电流差动保护需要经过短暂延时（通常100 ms）才能动作，而LTI保护具有天然的选相能力，并且无延时动作的要求，从这方面来说，LTI保护提高了保护的性能。

表6 不同负荷情况下线路内部A相接地故障时A相仿真结果Tab.6 Simulation results of phase A with internal phase A to ground fault under different loads

2.4 线路非全相运行时发生故障

将系统两侧的电源电动势分别设为Es1=500∠0°kV ，Es2=500∠-45°kV ，对线路非全相运行（A、B相运行，C相断开）时A相接地短路故障（AN）和AB两相接地短路故障（ABN）情况进行仿真。

表7 线路非全相运行时发生内部故障仿真结果Tab.7 Simulation results of open-phase operation line with internal fault

表7给出了非全相运行线路内部K2处发生故障时3种保护的仿真结果，K3和K4处故障时仿真结果与K2处类似，不再列出。

由表7可见，当非全相运行线路发生接地故障时，当过渡电阻较小时，3种保护原理均能判断出故障，而随着过渡电阻的增加，全电流差动保护由于受到负荷电流的影响而不能判断出故障，传统保护方案中需由零序电流差动保护反映故障，然而零序电流差动保护由于受到零序穿越电流的影响而不能判断出故障，而LTI保护不会受到零序负荷电流的影响，因此LTI保护仍能灵敏判断出故障，从这方面来说，LTI保护与零序差动保护相比具有明显的优势。

2.5 故障暂态过程对LTI保护的影响

图6所示为线路内部（K2处）发生A相接地故障时，变量ZLTI-Zset的模值与相角随时间的变化图，故障发生在0.50 s时刻，灰色区域为动作区，由图6可知，故障相模值与相角在故障后一周波内均进入动作区，并逐渐达到稳定状态，由于采用全窗傅氏算法，在故障后第一周波内计算LTI所用数据包含故障后的量与部分故障前的量，因此在故障后第一周波内会有暂态过程，LTI保护是在保护启动一周波后投入的，LTI保护所用数据将均为故障后的数据，因此故障相能够灵敏可靠动作，非故障相可靠不动。

图6 线路内部A相接地故障时ZLTI-Zset模值与相角Fig.6 Magnitude and phase angle ofZLTI-Zsetwith internal ground fault of phase A

图7所示为线路外部（K5处）发生A相接地故障时，变量ZLTI-Zset的模值与相角随时间的变化图，同样故障发生在0.50 s时刻，灰色区域为动作区。由图7可知，三相LTI的模值与相角在故障后一周波内会有波动，但将逐渐达到稳定，原因同上，一周波后模值与相角基本会达到稳定，当LTI保护在保护启动一周波后投入时，保护不会误动，保证了区外故障时保护的安全性。

图7 线路外部A相接地故障时ZLTI-Zset模值与相角Fig.7 Magnitude and phase angle ofZLTI-Zsetwith external ground fault of phase A

3 结 语

本文根据LTI保护的特点，提出将其作为全电流差动保护的补充，构成保护新方案。LTI保护与零序电流差动保护相比，具有动作速度快且能分相动作的优点，在反映重载线路高阻接地故障的能力方面，LTI保护并不弱于零序电流差动保护。零序电流差动保护面临的主要问题是在非全相运行状态下发生高阻接地故障时，保护因受零序负荷电流的影响而导致灵敏度下降甚至拒动，LTI保护不受负荷电流的影响，也不会受到零序负荷电流的影响，因而LTI保护在这种情况下仍能灵敏可靠动作。LTI计算公式中应用了线路阻抗，当两端电气量不同步时，相当于增加或减少了线路阻抗，会产生一定的误差，因而该保护算法对两端同步有一定的要求，并且由于LTI保护应用两端电压电流量计算LTI，并且计算过程包含多次的加减乘除运算，导致对滤波的要求较高，鉴于LTI保护在新保护方案中作为全电流差动保护的补充，主要用来反映重载线路的高阻接地故障，在保护启动一周波（甚至可以更长）后投入，因而可以利用较长数据窗的算法，新方案的应用性能够得到提高。仿真结果验证了LTI作为全电流差动保护构成的保护新方案的正确性与有效性。

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Application of Longitudinal Tapped Impedance Protection to EHV/UHV Lines

LI Jianhui1，JING Rong2，LIU Shiming1，WU Jukun1，GUO Tao1
（1.Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control of Ministry of Education，Shandong University，Jinan 250061，China；2.Yantai Power Supply Company，State Grid Shandong Electric Power Company，Yantai 264000，China）

In order to overcome the problem of the decrease in the sensitivity of longitudinal current differential protection or even protection failure when an internal ground fault with high resistance occurs on heavy load lines，zero-sequence current differential protection is introduced as a supplement to the current differential protection in the traditional protection scheme.However，zero-sequence differential protection does not have phase-selection capability，and it may refuse to operate when a ground fault with high resistance occurs on open-phase operation lines.To solve this problem，it is suggested that longitudinal tapped impedance（LTI）protection can be served as a supplement to the full current differential protection to constitute a new protection scheme based on its characteristics，which overcomes the problem induced by zero-sequence current differential protection.The new protection scheme can act quickly and it has natural phase selection capability.Moreover，it is not affected by open-phase operation mode，and does not need to compensate the capacitive current.When a ground fault with high resistance occurs，the new protection scheme can operate reliably and sensitively.Simulation results verify the correctness and validity of the new scheme．

longitudinal tapped impedance（LTI）；longitudinal differential protection；protection scheme；transition resistance；open-phase

TM773

A

1003-8930（2017）10-0065-08

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.012

2015-09-15；

2017-04-07

李建辉（1989—），男，通信作者，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护。Email：smilence123@outlook.com

井 嵘（1971—），男，本科，工程师，研究方向为电力系统自动化和智能电网。Email：jinrong-yt@163.com

刘世明（1972—），男，博士，教授，研究方向为变电站自动化及继电保护。Email：lsm@sdu.edu.cn