基于PSCAD的同塔双回线接地距离保护仿真研究

邵昱 拜姝羽 袁超

摘 要：对于同塔架设的有电磁耦合的多回线路，零序电流补偿系数不仅与本线路的正序、零序阻抗有关，还与线路间的零序互感以及相邻互感线路的参数和运行方式有关。本文研究同塔架设多回线路之间零序互感对接地距离保护的影响，对整定零序电流补偿系数、提高电网的保护动作性能具有重要意义。

关键词：同塔互感线路；接地距离保护；零序电流补偿系数

中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）22-0046-04

Simulation Research on Grounding Distance Protection of

Double-circuit Lines on the Same Tower Based on PSCAD

SHAO Yu BAI Shuyu YUAN Chao

（State Grid Henan Electric Power Supply Company Zhengzhou Power Supply Company， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： For the multi-circuit line with electromagnetic coupling set up in the same tower， the zero-sequence current compensation coefficient is not only related to the positive sequence and zero-sequence impedance of the line， but also the zero-sequence mutual inductance between the lines and the parameters and operation modes of the adjacent mutual inductance lines. related. In this paper， the influence of zero-sequence mutual inductance between the multiple towers on the same tower on the grounding distance protection was studied. It was of great significance to adjust the zero-sequence current compensation coefficient and improve the protection performance of the power grid.

Keywords： same tower mutual inductance line；grounding distance protection；zero sequence current compensation coefficient

1 研究背景

對于同塔架设的有电磁耦合的多回线路，零序电流补偿系数不仅与本线路的正序、零序阻抗有关，还与线路间的零序互感及相邻互感线路的参数和运行方式有关。对于接地距离保护，主要有基于助增系数的计算方法和基于测量的计算方法。接地距离保护各段数值的计算皆以式（1）为基础[1]。

[Z≤Zset=KKUφIφ+3k0I0] （1）

式中：[Z]为测量阻抗；[Zset]为阻抗整定值；[KK]为线路保护可靠系数；[Uφ]、[Iφ]为测量相电压和测量相电流；[I0]为零序电流；[k0]为零序电流补偿系数，[k0=z0-z13z1]；[z0]和[z1]分别为被保护线路单位长度的零序、正序阻抗。

2 零序互感对接地距离保护影响分析

距离保护I段为无延时的速动段，即在确定的补偿系数下，取保护所在线路末端故障时保护处感受阻抗的80%作为I段定值。I段的整定阻抗为：

[Zset=KKZ1] （2）

对于无互感线路，该整定方法足以保证Ⅰ段的保护范围。但对于互感线路，由于零序互感的因素，将导致保护范围变化，易造成保护误动或拒动。因此，需要引入补偿系数，以补偿零序电流对接地距离保护测量阻抗的影响，使测量阻抗能正确反映出故障点和保护安装处之间的距离[2]。对于单回线的接地距离保护，在A相发生金属性接地短路的情况，如图1所示。

保护Ⅰ处的测量阻抗为：

[Z=UAIA+3k0I0] （3）

式中，[UA]为相电压；[IA]为流过保护的相电流；[3I0]为零序电流；[k0]为补偿系数；[k0=z0-z13z1]；[z0]为单位长度的零序阻抗；[z1]为单位长度的正序阻抗。

对于同塔双回线路，当故障线路发生不对称接地故障，互感线路有零序电气量产生时，故障线路的电压不仅与本线路的零序电流有关，还与互感线路的零序电流有关。本文分析不同运行方式导致的零序电流补偿系数的变化。

I回线发生故障，任意运行方式下，故障相电压表达式都如式（4）所示：

[UⅠA=UKA+IA1zⅠ1lk+IA2zⅠ2lk+IAOzⅠ0lk+IⅡOzmlk] （4）

式中，[UkA]为k处的A相电压；[IA1]、[IⅠA2]、[IⅠA0]分别为流过保护处的正序、负序、零序电流，[IⅠA0=IⅠ0]；[IⅡO]为Ⅱ回线中的零序电流；[zⅠ1]、[zⅠ2]、[zⅠ0]分别为单位长度的正序、负序、零序阻抗；[zm]为零序互阻抗；[lk]为故障点到保护的距离。

测量阻抗为：

[Z=UⅠAIⅠA+3IⅠ0k=IⅠA+3IⅠ0kIⅠA+3IⅠ0kzⅠ1lk] （5）

其中，[k]为零序电流补偿系数。

当一回线发生接地故障时，[Δk]不是常数，其大小与[IⅡ0IⅠ0]有关：当[IⅡ0=0]时，[Δk=0]，[k=k0]；当[IⅡ0]与[IⅠ0]同向时，[Δk>0]，[k>k0]；当[IⅡ0]与[IⅠ0]反向时，[Δk<0]，[k本文首先分析各种运行方式下末端故障时的补偿系数。

①双回线独立运行方式。Ⅰ回线末端故障时的零序网络图如图2所示。

由图2可得：

[IⅡ0IⅠ0=-ZMZⅡ0+ZM0+ZN0] （6）

[k1=-ZⅠ0-ZⅠ1-ZMZⅡ0+ZM0+ZN0ZⅡ0+ZM0+ZN0] （7）

②双回线双端共母线运行方式。第一，双端共母线正常运行。双端共母线正常运行末端故障时的零序网络图如图3所示。

由图3可得：

[k21=ZⅠ0+ZⅠ1+Zm3ZⅠ1] （8）

第二，Ⅱ回线两端断开且不接地（Ⅱ回线停运）。双端共母线一回停运末端故障时的零序网络图如图4所示。

由图4可得：

[k22=ZⅠ0-ZⅠ13ZⅠ1] （9）

第三，Ⅱ回线两端断开且接地（Ⅱ回线检修）。双端共母线一回检修末端故障时的零序网络图如图5所示。

由图5可得：

[k23=ZⅠ0-ZⅠ1-Z2mZⅡ03ZⅠ1] （10）

③双回线单端共母线运行方式。单端共母线末端故障时的零序网络图如图6所示。

由图6可得：

[k3=ZⅠ0-ZⅠ1-ZM0+ZmZM0+ZN0+ZⅡ0Zm3ZⅠ1] （11）

由以上零序电流补偿系数k的分析可以得出以下结论。

第一，零序电流补偿系数不仅与本线路正序阻抗和零序阻抗有关，还与线路间的零序互感、互感线路的零序阻抗及电源零序阻抗有关系。

第二，双端共母线运行时，若一回线停运，即两端断开且接地，零序电流补偿系数不受零序互感的影响。此时的测量阻抗不会产生偏差。但对于别的运行方式，零序电流补偿系数均受零序互感的影响，测量阻抗存在偏差。

第三，对于双端共母线的运行方式，通过分析可知[k2-1>k2-2>k2-3]，正常运行时的零序电流补偿系数最大，一回线正常运行一回线检修时最小。

3 零序电流补偿系数改进措施

3.1 接地距离保护整定计算方法改进

通过分析同塔双回线中单回线发生接地故障，互感线路感应零序电压和零序电流再反作用到故障线路，使得故障线路的测量阻抗产生偏差。需要对零序电流补偿系数进行改进，以减小测量阻抗的误差[4]。现有的改进方法如下。

第一，直接消除互感线路对故障线路接地距离保护的影响。

[UⅠA=IⅠA+3IⅠ0k0+3IⅡ0kmzⅠ1lk] （12）

[k0=zⅠ0-zⅠ13zⅠ1] （13）

[km=zm3zⅠ1] （14）

在保护中既引入故障线路的故障相电压、电流、零序电压和零序电流，还引入非故障线路的零序电流，用于消除其对故障线路测量阻抗的影响。

此方法可以从根源上消除互感线路由于零序互感对故障线路造成的影响，但需要采集两回线电气量，而两回线之间的运行方式多样，且两回线又不是一个整体单元，因此不易采用引入故障线路的零序电流补偿的方法。

第二，间接消除线间零序互感的影响。同时考虑线路间的零序互感来整定零序电流补偿系数k。由上可知，零序电流补偿系数k与运行方式、故障位置、故障线路参数、互感线路参数、互感参数及系统电源阻抗有关，需要正确整定零序电流补偿系数k，反映故障点至保护安装处的距离。

同塔双回线有双端共母线、单端共母线和独立运行方式3种，且每种运行方式下，线路又分为正常运行、停运和检修3种状态。对于双端共母线的运行方式二，一回线正常运行、一回线停运的状态零序电流补偿系数不受零序互感的影响。若采用此时的零序电流补偿系数，在双回线正常运行时测量阻抗大于实际阻抗，保护范围缩小。若采用两回线都正常运行的零序电流补偿系数，则在其他两种状态时都是测量阻抗小于实际阻抗，保护范围扩大，保护可能误动。若采用一回线正常运行一回线停电检修运行方式下的零序电流补偿系数，则两回线正常运行和一回停运的状态时的测量阻抗都将大于实际阻抗，保护范围缩小[5]。

3.2 仿真验证

仿真模型采用PSCAD杆塔模型，仿真参数如下：线路全长L=200km，系统电源正序阻抗Z=107Ω，负序阻抗与正序阻抗相同，零序阻抗为0.7+j56Ω。

两条互感线路参数均相同，各参数如下：

[R1=0.114 5Ω/km，R0=0.423Ω/km，R0m=0.308 5Ω/km]；

[L1=1.267 2×10-3H/km，L0=3.489 0×10-3H/km，Lom=2.006 6×10-3H/km；]

[C1=9.15×10-9F/km，C0=4.656×10-9F/km，C0m=-2.377 5×10-12F/km。]

距離一段的范围为线路全长的80%～85%。每周期采样点数为80个，两端电源的角度分别为[θp=0°，θQ=-25°，θM=0.1°，θN=-24.9°]。运行时间0.5s，故障时间是0.2～0.4s。分析计算各种运行方式下的零序补偿系数。独立运行方式：[k1=0.314-j0.0009]。双端共母线运行：[k21=0.13-j0.57]，[k21=0.59-j0.32]，[k23=-0.09-j0.45]。单端共母线的运行：k3=0.16+j0.07。

在5种运行方式下，对每种运行方式设置不同位置的故障点，采用最原始的零序电流补偿系数来分析各种运行方式下的测量阻抗和测量阻抗相对误差。补偿前和补偿后各种方式测量阻抗和测量阻抗相对误差见表2至表5。

由表2、3可知，运行方式2（状态二）几乎不受零序互感的影响，测量阻抗和实际阻抗很接近；对于运行方式1、运行方式2（状态三）和运行方式3来说，末端故障时，测量阻抗都小于实际阻抗，尤其是方式3误差为-17.116%，导致保护范围扩大，可能超越整条线路的保护范围；对于运行方式2（状态一），末端故障时，测量阻抗比实际阻抗大，保护范围缩小。

由表4和表5可知，运行方式2（状态二）因为互感线路处于停运状态，没有零序互感的存在，因此测量阻抗与线路长度成正比；对于运行方式1、运行方式2（状态三）和运行方式3，末端故障时，测量阻抗大于实际阻抗，经过补偿后的测量误差都很小；对于运行方式2（状态一），末端故障时，测量阻抗比实际阻抗小，误差也很小。因此，任意运行方式，测量阻抗都能更加接近实际阻抗，这就减小了线路发生误动或者拒动的可能[6]。

4 结语

本文研究同塔架设多回线路之间的零序互感对接地距离保护的影响，并提出改进措施，最后得到以下结论。

①若要测量阻抗与故障长度成正比，需要对零序电流补偿系数进行整定。本文以多种运行方式下的末端故障来计算零序电流补偿系数，发现零序电流补偿系数不仅与故障线路的正序阻抗和零序阻抗有关，还与线路间的零序互感和互感线路的零序阻抗和电源零序阻抗有关。

②各种运行方式下，当线路末端发生故障时，测量阻抗偏离实际阻抗，导致保护范围变化，最终可导致保护误动或拒动。

③对于运行方式2（状态二），互感线路处于停运状态，故障线路发生不对称故障，互感线路不会产生零序电气量，对故障线路的接地距离保护没有影响。

④采用考虑线路间的零序互感的零序电流补偿系数，对于故障线路末端故障，测量阻抗接近实际阻抗，测量误差小，能保证保护的正确动作。

参考文献：

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[2]柳焕章，周泽昕，周春霞，等.继电保护振荡闭锁的改进措施[J].中国电机工程学报，2012（19）：125-133.

[3]刘凯，索南加乐.一种新的高压线路保护振荡闭锁实现方法[J].电力自动化设备，2011（4）：7-12.

[4]张华中，王维庆，朱玲玲，等.双回输电线路自适应距离保护[J].电网技术，2009（18）：209-213.

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[6]刘天斌，张月品.同塔并架线路接地距离保护零序电流补偿系数整定[J].电力系统自动化，2008（10）：101-103.