同杆并架双回线跨线不接地故障的距离保护_朱晓彤

同杆并架双回线跨线不接地故障的距离保护朱晓彤1,郑玉平2,张俊洪1,张春艳3,陈庆军3(1.海军工程大学,湖北省武汉市430033;2.国电自动化研究院/南瑞集团公司,江苏省南京市210003)(3.鞍山电业局,辽宁省鞍山市114002)摘要:从理论上分析了同杆并架双回线跨线不接地故障时距离继电器测量阻抗的变化规律。

提出只有将高频通道、超范围距离元件配合构成允许式纵联距离保护,才能保护同杆双回线跨线不接地故障。

还对超范围阻抗如何整定进行了讨论。

E MTDC 仿真试验证明了理论分析结果是正确的。

关键词:距离保护;同杆并架双回线;不接地故障中图分类号:TM773收稿日期:2003-03-10。

0　引言同杆双回线共可能发生120种故障,其中跨线故障84种,包括接地与不接地故障。

国外统计资料表明,跨线故障一般为全部故障的15%～20%,多为异名相故障,且以接地故障为主,但仍有部分跨线不接地故障,如日本东京电力公司提供的1990年同杆双回线故障统计资料表明,跨线不接地故障占5.8%。

跨线不接地故障又以两相故障为主,三相以上几乎没有,考虑到保护的实用,本文着重分析两相跨线不接地故障(如ⅠB ⅡC )。

单回线中广泛采用的距离保护在应用于同杆双回线时,会出现一些问题,尤其是在发生两相跨线不接地故障时,每回线中有零序电流而母线处没有零序电压[1],且两回线的零序电流大小相等,方向相反,此时相间距离继电器不能正确反应故障点到保护安装处的距离,接地距离继电器同样不能正确反应故障距离,在区内故障时,可能没有一个距离继电器能够动作,造成距离保护拒动。

本文运用六序分量法分析了同杆双回线在发生两相跨线不接地故障时,故障相接地和相间距离继电器测量阻抗的变化规律,发现常规距离保护在区内故障时,有可能拒动,只有利用高频通道和超范围距离元件构成允许式高频距离保护才能很好地保护跨线不接地故障。

1　距离继电器的测量阻抗同杆双回线利用六序分量[2]进行故障分析,计算简单方便,物理概念清楚,还具有对称分量法类似的优点。

考虑如图1所示的系统,在发生典型的跨线不接地故障ⅠB ⅡC 时,故障点电压、电流的六序分量关系为:i 1T =3U KA [0]2(2Z 0΢F +31΢T+Z 1΢F )i 1F =j 33i 1Ti 0T=0,i 2T =-i 1T ,i 2F =i 1F ,i 0F =-2i 1F(1)式中:电流为故障点流出的各序同、反相电流;阻抗为故障点的各序等值同、反相阻抗;U KA [0]为故障点A 相的故障前电压。

图1　系统模型Fig .1　System model由六序序网图计算可知故障点故障相的电压为:U f B Ⅰ=U f C Ⅱ=-12U KA [0]=-13mi 1T (2)U f C Ⅰ=-12+j 32(1-n )U KA [0]=-13+j 33(1-n )mi 1T (3)式中:m =2Z 0΢F +3Z 1΢T +Z 1΢F ;n =(3Z 1΢T -2Z 0΢F -Z 1΢F )/m 。

先不考虑负荷电流的影响(考虑负荷电流对测量阻抗的影响见第1.3节),则保护安装处的电流、电压仅为六序分量,即:61第27卷　第19期2003年10月10日 电力系统自动化Automation of Electric Power SystemsVol .27　No .19Oct .10,2003I M BⅠ=a2C1M T i1T+aC1M T i2T+C0M T i0T+a2C1M F i1F+aC1M F i2F+C0M F i0F=-j3(C1M T+C1M F)i1T(4)I M CⅠ=j3(C1M T-C1M F)i1T(5) U M B=pZ L(I M BⅠ+3kI0MⅠ+3k′I0MⅡ)+U f BⅠ= pZ L(I M BⅡ+3kI0MⅡ+3k′I0MⅠ)+U f BⅡ(6) U M C=pZ L(I M CⅠ+3kI0MⅠ+3k′I0MⅡ)+U f CⅠ= pZ L(I M CⅡ+3kI0MⅡ+3k′I0MⅠ)+U f CⅡ(7)式中:I M BⅠ,I M CⅠ分别为Ⅰ回线流过M侧保护的B, C相电流;C1M T,C0M T,C1M F,C0M F分别为正序、零序同、反相序网M侧的分配系数;Z L为线路全长正序阻抗;k为零序补偿系数;k′=Z m′/Z L;Z m′为两回线之间的零序互感(每相值);I0MⅠ,I0MⅡ分别为Ⅰ,Ⅱ回线M侧的零序电流。

其他相及N侧的电流、电压的推导与上述相同,Ⅱ回线也同样推导。

1.1　相间距离继电器的测量阻抗M侧保护的BC相间距离继电器测量阻抗为:Z JBCⅠ_M=U M B-U M CI M BⅠ-I M CⅠ=pZ L+U f BⅠ-U f CⅠI M BⅠ-I M CⅠ= pZ L+Z JBCⅠFJ_M(8) 由上述推导可看出,发生跨线ⅠBⅡC不接地故障时,相间距离继电器的测量阻抗由两部分组成:第1部分为pZ L,反映故障点到保护安装处的阻抗,这是我们希望得到的;第2部分Z JBCⅠFJ_M是由于故障点B相、C相的电压差不为0而产生的附加阻抗。

将式(2)～式(5)代入式(8),可得B C相间距离继电器的附加阻抗为:Z JBCⅠFJ_M=(1-n)m6C1M T=2Z0΢F+Z1΢F3C1M T=p(1-p)[Z L+2(Z m-Z m′)]C1M T(9)式中:Z m为每回线相间的零序互感。

其他相间距离继电器的附加阻抗同样可得:　Z JBCⅠFJ_N=(1-n)m6C1N T=p(1-p)[Z L+2(Z m-Z m′)]C1N T(10)　Z JB CⅡFJ_M=Z JBCⅠFJ_M,Z JBCⅡFJ_N=Z JBCⅠF J_N 由式(9)、式(10)可以看出,附加阻抗的大小和故障点的位置有关,分母C1M T随着p的增大逐渐减小;而分子随着p的增大先由0增大后变小到0,当p=0.5时分子有最大值,故Z JBCⅠFJ_M的最大值出现在p为0.5～1.0之间。

由式(10)还可以看出,当p =1即在线路末端发生故障时,附加阻抗为0,此时相间距离继电器能正确测量阻抗。

而C1N T与C1M T 相反,随着p的增大而增大,故Z JB CⅠFJ_N的最大值出现在p为0～0.5之间,当p=0即在线路出口发生故障时,附加阻抗为0,此时N侧保护的相间距离继电器能正确测量阻抗。

假定同杆双回线的Z m=Z m′,且各正序阻抗的阻抗角相等,则C1M T为一实数,若p=0.5即在线路中点故障时,假定M,N侧的背后等效电源阻抗相等,则C1M T=0.5,附加阻抗为0.5Z L,BC相的测量阻抗为Z L,对于通常的相间距离Ⅰ段,相间距离将不会动作,这对于距离保护是不利的。

1.2　接地距离继电器的测量阻抗M侧保护的B相接地距离继电器测量阻抗为: Z JBⅠ_M=U M BI M BⅠ+3kI0MⅠ+3k′I0MⅡ=pZ L+U f BⅠI M BⅠ+3kI0MⅠ+3k′I0MⅡ=pZ L+Z JBⅠFJ_M(11) 接地距离继电器的测量阻抗同样由两部分组成:一部分反映故障点到保护安装处的距离,另一部分为附加阻抗。

由式(2)、式(4)得接地距离继电器附加阻抗: Z JBⅠFJ_M=-Z JCⅡFJ_M=-j m33[C1M T+(1-2k″)C1M F](12)式中:k″=k-k′。

由式(12)可知:由于C1M T,C1M F随着p的增大逐渐减小,故附加阻抗的模值随着p的增大逐渐增大,所以当p=1即在线路末端发生故障时, Z JBⅠFJ_M达到最大值,为-jZ1΢T3C1M T。

1.3　负荷电流对测量阻抗的影响假定M侧为送电端,N侧为受电端。

当考虑负荷电流时,保护安装处的电流为:I M BⅠ′=I f hB+I M BⅠI M CⅠ′=I f hC+I M CⅠI N BⅠ′=-I f hB+I N BⅠI N CⅠ′=-I f hC+I N CⅠ式中:I f hB,I f hC分别为M侧的B,C相负荷电流。

由故障分析可知,M侧的i f hB超前I M BⅠ,i f hC超前I M CⅠ,则I M BⅠ′超前I M BⅠ,I M CⅠ′超前I M CⅠ,假设分别为θ1,θ2,I M BⅠ′-I M CⅠ′超前I M BⅠ-I M CⅠ,假设为θ3,故考虑了负荷电流的接地距离继电器的测量阻抗`Z JBⅠ_M′滞后Z JBⅠ_M为θ1,且幅值变小;Z JCⅡ_M′滞62 电力系统自动化 2003,27(19) 后Z JC Ⅱ_M 为θ2,且幅值变大;N 侧的i f B 滞后I N B Ⅰ为θ1,i f C 滞后I N C Ⅰ为θ2,N 侧负荷电流对接地距离继电器的测量阻抗的影响与负荷电流对M 侧测量阻抗的影响相反。

相间距离继电器Z JBC Ⅰ_M ′滞后Z JBC Ⅰ_M 为θ3;N 侧负荷电流对相间距离继电器的测量阻抗的影响与负荷电流对M 侧测量阻抗的影响相反。

Ⅱ回线的分析与Ⅰ回线类似。

距离继电器的测量阻抗在复平面上的表示如图2所示。

图2　M 侧距离继电器的测量阻抗Fig .2　Measuring im pedance of distance relay of M side2　实例对图3所示500kV 的电力系统进行故障分析计算,当M 侧电源的相角超前N 侧电源30°,线路上不同点发生ⅠB ⅡC 故障时,各继电器计算所得测量阻抗如表1所示。

图3　电力系统模型Fig .3　Power system model 由表1可知,M 侧相间测量阻抗的幅值随着p的变大是由小到大再到小变化,N 侧的变化正好相反;而M 侧接地测量阻抗的幅值随p 的变大由小到大变化,N 侧正好相反,且B 相的测量阻抗向第一象限偏移,而C 相的测量阻抗向第二象限偏移。

3　仿真试验用PSC AD /EMTDC 对图3所示系统在不同故障点进行仿真试验,其结果如下。

3.1　测量阻抗的仿真试验结果表2是对测量阻抗的仿真结果。

表1　不同点发生ⅠB ⅡC 故障时的测量阻抗Table 1　M easuring im pedance for ⅠB ⅡC fault in different positionp Z JBC Ⅰ_M Z JBC Ⅰ_N Z JB Ⅰ_M Z JB Ⅰ_N Z JC Ⅱ_M Z JC Ⅱ_N 0.00∠0°77.0∠87.6°1.7∠-0.8°137.3∠59.6°1.8∠179°70.4∠122.7°0.343.8∠80.9°99.9∠105.4°25.6∠55.2°82.0∠56.9°29.9∠119.5°53.7∠121.4°0.567.8∠78.2°76.7∠102.7°40.5∠56.9°56.6∠54.7°51.5∠117.5°40.6∠123.3°0.785.4∠77.2°48.6∠98.7°54.2∠57.9°34.0∠50.8°75.5∠116.1°26.5∠127.5°1.077.0∠87.6°0∠0°72.9∠58.3°5.9∠2.9°118.0∠114.4°5.6∠-177.8°注:Z JBC Ⅱ_M =Z JBC Ⅰ_M ;Z JBC Ⅱ_N =Z JBC Ⅰ_N 。