基于補(bǔ)償零序壓差原理的110 kV線路縱向故障保護(hù)方案

董新濤，李文偉，李寶偉，2，滕晨旭，王振宇，石 欣，杜小磊

（1.許繼電氣股份有限公司，河南許昌 461000；2.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074；3.廣西電網(wǎng)欽州供電局，廣西欽州 535000）

0 引言

輸電線路發(fā)生縱向故障的概率較小，對(duì)電力系統(tǒng)的危害沒有短路故障嚴(yán)重，線路保護(hù)原理及定值整定一般主要考慮橫向故障[1-6]，較少考慮發(fā)生概率較小的縱向故障[7-13]。近年架空斷線概率不斷增加[14-18]。110 kV 變電站通常為負(fù)荷站，當(dāng)110 kV輸電線路發(fā)生縱向故障時(shí)，線路保護(hù)不能快速有選擇性地切除故障，直接造成對(duì)供電負(fù)荷的影響，甚至可能造成繼電保護(hù)出現(xiàn)失去選擇性擴(kuò)大影響范圍等不可預(yù)料的動(dòng)作情況。已有多起110 kV 線路發(fā)生單相斷線故障的案例[19-20]。110 kV 變電站通常有2回或2 回以上的進(jìn)線，在線路發(fā)生縱向故障時(shí)，線路保護(hù)快速有選擇性地切除故障，由站內(nèi)備自投完成負(fù)荷轉(zhuǎn)移，能夠有效防止110 kV 線路斷線對(duì)供電負(fù)荷的影響，快速切除故障也能減少對(duì)其他保護(hù)的影響，因此亟需提出能夠在發(fā)生斷線故障后快速識(shí)別并切除故障的保護(hù)方案。

目前，針對(duì)110 kV 線路斷線的研究較少，文獻(xiàn)[18]在已有的零序過流保護(hù)基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)線路斷線故障的保護(hù)方案，方案針對(duì)220 kV 及以上電壓等級(jí)線路進(jìn)行故障分析，不適用于110 kV 負(fù)荷站線路，且僅適用于重載線路，對(duì)輕載線路的適應(yīng)性在文獻(xiàn)中沒有進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[19-20]對(duì)110 kV 變電站進(jìn)線斷線故障及故障后的情況進(jìn)行了分析，指出現(xiàn)有保護(hù)裝置沒有針對(duì)斷線故障的保護(hù)方案。文獻(xiàn)[21]分析了同塔4 回線路單回線路縱向故障健全線零序方向保護(hù)存在誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[22-24]分析了配電網(wǎng)的斷線故障，但未對(duì)大電流接地系統(tǒng)的斷線故障進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[25]提出的基于暫態(tài)量的方案及文獻(xiàn)[26]提出基于微分方程計(jì)算電壓降落的方案，均需要較高的采樣率，不易應(yīng)用到現(xiàn)有的基于工頻量原理的保護(hù)裝置中。

目前針對(duì)110 kV 線路縱向故障分析仍不夠充分，保護(hù)原理實(shí)用性不強(qiáng)。本文通過分析110 kV 負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)接地和不接地方式下線路的單相、兩相斷線故障特征，提出了基于線路雙端零序電氣量的補(bǔ)償零序電壓差動(dòng)原理的斷線保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了斷線故障的快速可靠動(dòng)作，在110 kV 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置上增加斷線保護(hù)邏輯，并在數(shù)字仿真系統(tǒng)（Real Time Digital Simulator，RTDS）上建立110 kV 負(fù)荷站輸電系統(tǒng)，驗(yàn)證了所提斷線保護(hù)方案的有效性。

1 110 kV饋線斷線故障分析

1.1 單相斷線故障分析

對(duì)單相斷線進(jìn)行故障分析，以A 為特殊相，如圖1 所示。其中，系統(tǒng)中M為系統(tǒng)側(cè)；N為負(fù)荷站側(cè)；發(fā)生xy處A 相斷線。EM，EN分別為M，N側(cè)系統(tǒng)電勢(shì)；IA，IB，IC分別為斷線后A，B，C 相電流；UxyA，UxyB，UxyC分別為斷線后A，B，C 相斷線處電壓。

圖1 單相斷線故障系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of power system with singlephase line broken fault

按照經(jīng)典故障分析，單相斷線時(shí)故障序網(wǎng)圖如圖2 所示。其中，EMA，ENA分別為M，N側(cè)系統(tǒng)A 相電勢(shì)；ZMi，ZNi分別為M，N側(cè)系統(tǒng)正、序、零序阻抗；ZLi為線路正、序、零序阻抗；UxyAi為斷線xy處的正、序、零序壓降；i取1，2，0，表示正、負(fù)、零序；k為斷線故障距M側(cè)母線長(zhǎng)度的線路全長(zhǎng)比例。

圖2 單相斷線故障序網(wǎng)圖Fig.2 Sequence networks of single-phase line broken fault

根據(jù)圖2 可得斷線處零序電壓、電流為：

式中：IA1，IA2，IA0分別為A 相的正負(fù)零序電流；UxyA1，UxyA2，UxyA0分別為斷線后相斷線處正負(fù)零序電壓；EMA，ENA分別為M，N側(cè)系統(tǒng)A 相電勢(shì)；Z11，Z22，Z00為xy處向系統(tǒng)看去的等值正序、負(fù)序、零序阻抗，其中，Z11=ZM1+ZL1+ZN1，Z22=ZM2+ZL2+ZN2，Z00=ZM0+ZL0+ZN0。

M，N側(cè)母線處的零序電壓為:

式中：UMA0為M側(cè)母線處的零序電壓；UNA0為N側(cè)母線處的零序電壓。

由式（2）可知，發(fā)生單相斷線時(shí)零序網(wǎng)絡(luò)在斷線處有零序電壓源UxyA0，方向與（EMA-ENA）相同，大小成正比。由式（3）—式（4）可知MN側(cè)母線處零序電壓方向相反。單相斷線故障零序電壓分布如圖3 所示。

圖3 單相斷線零序電壓分布圖Fig.3 Zero-sequence voltage distribution of singlephase line broken fault

相對(duì)單相斷線故障的一般分析，對(duì)于110 kV 饋線，N側(cè)為負(fù)荷站時(shí)，存在變壓器中性點(diǎn)接地和不接地2 種方式，在負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)，EN為0，圖2 和式（1）—式（4）均成立，零序網(wǎng)絡(luò)的零序電壓分布滿足圖3 的特征。在負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)，相當(dāng)于在ZN0處開路，此時(shí)斷線處零序電壓、電流分別為：

可得出M，N側(cè)母線處的零序電壓為:

單相斷線故障零序電壓分布如圖4 所示。發(fā)生單相斷線時(shí)零序網(wǎng)絡(luò)在斷線處有零序電壓源UxyA0=EM/2。M側(cè)零序電壓為0；N側(cè)零序電壓為-EM/2。

圖4 N側(cè)不接地系統(tǒng)時(shí)單相斷線零序電壓分布圖Fig.4 Zero-sequence voltage distribution of singlephase line broken fault of ungrounded system at side N

1.2 兩相斷線故障分析

對(duì)兩相斷線進(jìn)行故障分析，如圖5 所示。系統(tǒng)中發(fā)生xy處B，C 相斷線。

圖5 兩相斷線故障系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of power system with twophase line broken fault

按照經(jīng)典故障分析[27-30]，兩相斷線的故障序網(wǎng)圖如圖6 所示。根據(jù)圖6 可得，M，N側(cè)母線處的序電壓與單相斷線相同，同樣可以用式（3）和式（4）來表示。

圖6 兩相斷線故障序網(wǎng)圖Fig.6 Sequence networks of two-phase line broken fault

根據(jù)圖6 可得，零序電流、電壓之間的關(guān)系為：

由式（10）可知，發(fā)生單相斷線時(shí)零序網(wǎng)絡(luò)在斷線處有零序電壓源UxyA0，方向與（EMA-ENA）相反，大小成正比。

由式（3）和式（4）可知，M，N側(cè)母線處零序電壓方向相反，可以得到兩相斷線故障零序電壓分布圖，如圖7 所示。

圖7 兩相斷線零序電壓分布圖Fig.7 Zero-sequence voltage distribution of two-phase line broken fault

對(duì)于110 kV 饋線，N側(cè)為負(fù)荷站時(shí)，存在變壓器中性點(diǎn)接地和不接地2 種方式，在負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)，EN為0，圖6 和式（9）—式（10），式（3）—式（4）均成立，零序網(wǎng)絡(luò)的零序電壓分布滿足圖7 的特征。

在負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)，相當(dāng)于在ZN0處開路，此時(shí)零序電流、電壓之間的關(guān)系為：

M，N側(cè)母線處的零序電壓為:

可以得到單相斷線故障零序電壓分布圖，如圖8 所示。發(fā)生單相斷線時(shí)零序網(wǎng)絡(luò)在斷線處有零序電壓源UxyA0=-EM。M側(cè)零序電壓為0；N側(cè)零序電壓-UxyA0=EM。

圖8 N側(cè)不接地系統(tǒng)時(shí)兩相斷線零序電壓分布圖Fig.8 Zero-sequence voltage distribution of two-phase line broken fault of ungrounded system at side N

2 保護(hù)判據(jù)

對(duì)于110 kV 饋線，由圖3 和圖7 可知，在負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)發(fā)生單相或兩相斷線，M，N兩側(cè)存在零序電壓且相位相反。由圖4 和圖8 可知，在負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)發(fā)生單相或兩相斷線，M側(cè)零序電壓為0，N側(cè)有較大的零序電壓。將零序電壓從一側(cè)沿線路全長(zhǎng)補(bǔ)償?shù)玫窖a(bǔ)償電壓，即：

式中：U0_C為按線路全長(zhǎng)補(bǔ)償?shù)碾妷海籙0為保護(hù)安裝處母線零序電壓；I0為線路零序電流；ZL0為線路全長(zhǎng)零序阻抗。

根據(jù)式（15），由UM0，UN0可得UM0_C，UN0_C。以M側(cè)進(jìn)行電壓補(bǔ)償為例，提出壓差繼電器，即：

式中：k為比率制動(dòng)系數(shù)；U0set為動(dòng)作門檻。

U0set取值原則為在區(qū)外發(fā)生斷線或接地故障時(shí)，UM0_C理論上和UN0相等，式（16）左側(cè)壓差理論值為0，壓差繼電器不動(dòng)作。在區(qū)內(nèi)發(fā)生斷線故障時(shí)，負(fù)荷側(cè)變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)線路無零序電流，補(bǔ)償前后相等，如圖4 和圖8 所示。

負(fù)荷側(cè)變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)，補(bǔ)償零序電壓特征如圖9 所示。M側(cè)補(bǔ)償電壓與N側(cè)零序電壓差依然滿足相位相反。因此U0set整定主要考慮兩側(cè)精工電壓門檻，可預(yù)置為2 V，實(shí)現(xiàn)工程上免整定。

比率制動(dòng)系數(shù)k取值原則為在區(qū)內(nèi)發(fā)生斷線故障時(shí)，負(fù)荷側(cè)變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)，補(bǔ)償零序電壓特征如圖9 所示，M側(cè)補(bǔ)償電壓與N側(cè)零序電壓差依然滿足相位相反，k＜=1 均能準(zhǔn)確識(shí)別出故障。負(fù)荷側(cè)變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)線路無零序電流，補(bǔ)償前后相等，如圖4 和8 所示。此時(shí)式（16）中（3UM0_C-3UN0）與（3UM0_C+3U N0）相等，考慮足夠的靈敏度，k取值0.85。

圖9 斷線故障零序補(bǔ)償電壓特征Fig.9 Zero-sequence compensation voltage of line broken fault

系統(tǒng)發(fā)生單相接地或兩相短路接地時(shí)也存在零序網(wǎng)絡(luò)，這種情況要求斷線保護(hù)不能夠誤動(dòng)作，因此需要采取措施。針對(duì)區(qū)內(nèi)發(fā)生單相接地或兩相短路接地時(shí)，零序差流繼電器滿足，在零序差流繼電器滿足時(shí)閉鎖壓差繼電器。

綜上分析，提出斷線保護(hù)判據(jù)如圖10 所示。其中，Tset為斷線保護(hù)動(dòng)作時(shí)間定值。補(bǔ)償零序壓差繼電器如式（16）所示。

圖10 斷線保護(hù)動(dòng)作邏輯Fig.10 Action logic of line broken fault

零序差流繼電器是線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)中零序差動(dòng)保護(hù)的零差繼電器，斷線保護(hù)無專用的啟動(dòng)元件，在斷線時(shí)發(fā)生電流突變以及斷線后零序電流能夠啟動(dòng)，斷線保護(hù)動(dòng)作后永跳斷路器。

3 保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)方案

斷線保護(hù)判據(jù)中補(bǔ)償零序壓差繼電器，零序差流繼電器均需要兩側(cè)的數(shù)據(jù)，且要求兩側(cè)數(shù)據(jù)是同步的，因此可在110 kV 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)裝置上實(shí)現(xiàn)斷線保護(hù)邏輯。補(bǔ)償零序電壓差繼電器的接線要求為保護(hù)安裝處的三相電壓及電流，不需要增加額外的模擬量輸入，斷線保護(hù)相關(guān)定值如表1 所示。其中，1—8 項(xiàng)為原有定值，整定原則不變；1，2用于保護(hù)啟動(dòng)；3 用于零差繼電器；4，5，8 用于縱聯(lián)通道；6，7 用于零序電壓補(bǔ)償計(jì)算；9，10 項(xiàng)為新增定值；9 用于斷線保護(hù)投退；10 用于斷線保護(hù)延時(shí)確認(rèn)。斷線保護(hù)比率制動(dòng)系數(shù)預(yù)設(shè)為0.85，無需整定；斷線保護(hù)動(dòng)作門檻，預(yù)設(shè)為2 V，無需整定；斷線保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，根據(jù)動(dòng)作速度要求整定，范圍為0～10 s，可預(yù)設(shè)為0，無需整定，此時(shí)動(dòng)作時(shí)間小于30 ms，因此斷線保護(hù)無新增需要整定的定值。

表1 斷線保護(hù)相關(guān)定值Table1 Setting items of disconnection protection

4 仿真驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图澳Ｐ蛥?shù)

為驗(yàn)證所提補(bǔ)償零序壓差原理，在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（RTDS）建立測(cè)試平臺(tái)，對(duì)所設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行仿真測(cè)試驗(yàn)證。仿真系統(tǒng)RTDS 模型接線圖如圖11 所示。其中，S1為電源，B1，B2，B3，B4為斷路器，M1為系統(tǒng)側(cè)母線，M2為復(fù)合站側(cè)母線，K1，K2，K3，K4，K5為橫向故障故障點(diǎn)；F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3為縱向故障故障點(diǎn)。L1為系統(tǒng)至負(fù)荷站輸電線路，保護(hù)安裝在M1和M2兩側(cè)；T1為負(fù)荷站變壓器。G1為地刀隔離開關(guān)；負(fù)荷站變壓器可以運(yùn)行在中性點(diǎn)接地和不接地方式，LOAD為負(fù)荷。

圖11 RTDS模型系統(tǒng)圖Fig.11 Power system model based on RTDS simulation

4.2 補(bǔ)償零序壓差原理驗(yàn)證

由第1 節(jié)故障分析可知，斷線時(shí)故障特征和斷線發(fā)生在線路上的位置無關(guān)，即線路上任一位置發(fā)生單相斷線，故障特征相同，線路上任一位置發(fā)生兩相斷線，故障特征相同。負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)，故障特征與EMA，Z11，Z22，Z00有關(guān)，即受系統(tǒng)方式、線路長(zhǎng)度、線路負(fù)荷影響。負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)，故障特征僅與EMA有關(guān)，即不受系統(tǒng)方式、線路長(zhǎng)度、線路負(fù)荷影響。試驗(yàn)的保護(hù)裝置錄波數(shù)據(jù)結(jié)果與此分析一致。

試驗(yàn)中調(diào)整系統(tǒng)方式及負(fù)荷大小使線路運(yùn)行在輕載、重載。系統(tǒng)參數(shù)見表2。

表2 110 kV負(fù)荷站供電系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Power supply system parameters of 110 kV load station

負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)接地，改變系統(tǒng)方式、線路長(zhǎng)度、線路負(fù)荷等，模擬發(fā)生F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3點(diǎn)單相斷線，分析保護(hù)裝置的故障錄波，數(shù)據(jù)如表3 所示。其中，3U01為M1側(cè)零序電壓；3I01為M1側(cè)零序電流；3U02為M2側(cè)零序電壓；3I02為M2側(cè)零序電流；3Uo_c為由M1側(cè)零序分量計(jì)算得到的零序補(bǔ)償電壓，即將3U01，3I01帶入式（15）可得到3U0c。模擬發(fā)生F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3點(diǎn)兩相斷線，數(shù)據(jù)如表4 所示。

表3 負(fù)荷站中性點(diǎn)接地線路單相斷線故障數(shù)據(jù)Table 3 Single phase disconnection fault data of neutral grounded line in load station

表4 負(fù)荷站中性點(diǎn)不接地線路單相斷線故障數(shù)據(jù)Table 4 Single phase disconnection fault of neutral ungrounded line in load station

負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)，發(fā)生單相斷線時(shí)的共同特征是故障后兩側(cè)零序電流相位相反、零序電壓相位相反。相同的系統(tǒng)方式、線路長(zhǎng)度、線路負(fù)荷下，改變故障點(diǎn)，故障特征相同。隨著系統(tǒng)方式、線路長(zhǎng)度、線路負(fù)荷的變化，發(fā)生斷線故障時(shí)，故障特征相似，差別在于零序分量的量值不同，斷線判據(jù)具有較高的靈敏度，動(dòng)作時(shí)間小于23 ms，出口時(shí)間小于30 ms，具有很好的速動(dòng)性。

負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)不接地，改變系統(tǒng)方式、線路長(zhǎng)度、線路負(fù)荷，模擬發(fā)生F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3點(diǎn)單相斷線，分析保護(hù)裝置的故障錄波，數(shù)據(jù)如表5 所示。模擬發(fā)生F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3點(diǎn)兩相斷線，數(shù)據(jù)如表6 所示。

表5 負(fù)荷站中性點(diǎn)接地線路兩相斷線故障數(shù)據(jù)Table 5 Two-phase disconnection fault data of neutral grounded line in load station

表6 負(fù)荷站中性點(diǎn)不接地線路兩相斷線故障數(shù)據(jù)Table 6 Two-phase disconnection fault of neutral ungrounded line in load station

發(fā)生斷線時(shí)，保護(hù)的故障錄波特征相同，故障前兩端無零序電壓、無零序電流，故障后兩側(cè)無零序電流，電源側(cè)無零序電壓。單相斷線時(shí)，負(fù)荷站側(cè)零序電壓大小約為3EM/2。斷線判據(jù)靈敏度＞1.15；兩相斷線時(shí)，負(fù)荷站側(cè)零序電壓大小約為3EM，斷線判據(jù)靈敏度＞1.05；斷線保護(hù)動(dòng)作時(shí)間小于23 ms，出口時(shí)間小于30 ms，具有很好的速動(dòng)性。

4.3 綜合驗(yàn)證

設(shè)置仿真測(cè)試項(xiàng)目，通過改變系統(tǒng)方式、線路長(zhǎng)度、負(fù)荷側(cè)變壓器中性點(diǎn)接地方式、線路負(fù)荷等，模擬橫線故障包括K1，K2，K3，K4，K5的單相接地、兩相短路接地、三相短路接地、三相短路故障；模擬縱向故障包括F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3的單相斷線故障、兩相斷線故障，模擬復(fù)合故障包括F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3的單相斷線系統(tǒng)側(cè)接地、單相斷線負(fù)荷側(cè)接地。在發(fā)生橫向故障時(shí)斷線保護(hù)不誤動(dòng)，發(fā)生區(qū)內(nèi)縱向故障斷線保護(hù)正確動(dòng)作并永跳。

5 結(jié)論

本文進(jìn)行了110 kV 負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)接地和不接地方式下線路的單相、兩相斷線故障特征分析，提出了基于線路雙端零序電氣量的補(bǔ)償零序電壓差動(dòng)原理的斷線保護(hù)，通過理論分析、保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)和仿真測(cè)試，結(jié)論如下：

1）本文所提判據(jù)簡(jiǎn)單清晰，且判據(jù)基于主流的工頻算法，便于在現(xiàn)有的保護(hù)裝置上實(shí)現(xiàn)。

2）在可靠性、選擇性方面，基于線路雙端數(shù)據(jù)，識(shí)別線路區(qū)內(nèi)斷線特征，僅在區(qū)內(nèi)發(fā)生斷線故障時(shí)動(dòng)作，區(qū)內(nèi)橫向故障、區(qū)外橫向故障、區(qū)外斷線故障時(shí)均不動(dòng)作。

3）在靈敏性方面，在負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)發(fā)生單相斷線、兩相斷線故障時(shí)具有較高的靈敏度，在負(fù)荷站變壓器中性點(diǎn)不接地時(shí)發(fā)生單相斷線、兩相斷線故障時(shí)具有足夠的靈敏度。

4）在速動(dòng)性方面，根據(jù)仿真測(cè)試結(jié)果，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間＜23 ms，出口時(shí)間＜30 ms，具有較高的速動(dòng)性。