田　書，壽好俊，劉芳芳

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南焦作454000)

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同桿雙回線路綜合故障選相方案

田書，壽好俊，劉芳芳

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南焦作454000)

摘要：為保證同桿雙回線中單回線故障的選相性能，同時實現(xiàn)跨線故障準確選相，提出基于相電流差突變量的綜合故障選相方案。該方案將故障分為三類，根據(jù)相電流差突變量選相元件在不同故障類型下的選相特性，有針對性地改進選相方法。對單回線和同名跨線故障，直接或等價后采用相電流差突變量選相方法；對非同名跨線故障，采用改進的相電流差突變量兩步選相方法，這樣自適應選擇不同的選相方案，既保證單回線選相的性能，又能實現(xiàn)跨線故障準確選相。利用PSCAD/EMTDC軟件對不同故障類型、故障位置、過渡電阻情況的大量仿真，驗證了此方案的可行性。綜合故障選相方法原理簡單，邏輯清晰，為同桿雙回線路第二套主保護或者后備保護提供故障選相。

關(guān)鍵詞：同桿雙回線；相電流差突變量；選相；跨線故障；同名相和電流

0引言

同桿并架雙回線作為新建超高壓以及特高壓等級線路首選的輸電形式，在帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也使電網(wǎng)的安全可靠運行面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。同桿雙回線路保護需要選相跳閘，對保護的選相元件提出了極高的要求。然而雙回線故障類型多達120種，其中跨線故障有98種，并且雙回線之間距離較近，耦合情況復雜，導致傳統(tǒng)基于單回線的選相元件應用于雙回線尤其是跨線故障時會誤動作。因此近年來有很多學者致力于同桿雙回線路的故障選相研究。

文獻[2]提出了基于電流突變量的單端單回線綜合選相方案，針對電流突變量選相元件在同塔雙回線故障下的動作特性，以測量阻抗、方向元件為輔助判據(jù)構(gòu)成綜合的選相方案，但為克服單端單回線電氣量數(shù)據(jù)冗余度不足，導致選相過程復雜。文獻[3]提出了一種基于六序故障分量的平行雙回線選相方法，將雙回線看作一個整體使選相原理不受雙回線線間互感的影響，但無法甄別同名跨線故障；文獻[4，5]提出了利用單端雙回線電流量的選相原理，然而在線路末端發(fā)生故障時無法正確選相；文獻[6，7]提出了基于跨線故障識別的選相原理，根據(jù)故障后特征識別故障類型，再對單回線和跨線故障采用不同選相方案，能夠解決傳統(tǒng)選相元件的誤動問題，但選相原理復雜。近年來基于初始行波或暫態(tài)量的選相[8-10]逐漸成為研究熱點，但具體方案離實際應用仍相差較遠。

國內(nèi)外雙回線運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，同桿雙回線路故障類型繁多，雖然跨線故障約占82%，但是發(fā)生幾率不到20%，大部分故障仍為單回線故障[2]。因此為保證單回線故障選相的性能，同時實現(xiàn)對跨線故障準確選相，本文提出基于相電流差突變量的綜合故障選相方案。該方案在分析相電流差突變量選相元件在同桿雙回線路單回線故障、同名跨線故障、非同名跨線故障下的動作特性的基礎(chǔ)上，提出改進的相電流差突變量選相方案，綜合實現(xiàn)同桿雙回線路所有故障類型的準確選相。

1同桿雙回線路短路故障分析模型及故障分類

圖1　同桿雙回線路模型

同桿并架的雙回線距離較近足以發(fā)生跨線故障，因此短路故障類型繁多，理論上多達120種，其中單回線故障22種，跨線故障98種。國內(nèi)外運行統(tǒng)計表明，單回線故障種類少， 但是發(fā)生幾率很大；跨線故障發(fā)生幾率不到20%，然而其所造成的后果更嚴重[2]。為便于分類分析,將故障類型分為3類：單回線故障、同名跨線故障、非同名跨線故障。如下表1所示(表中所列為以A相為特殊相的13種故障類型)。

表1　同桿雙回線故障類型

2相電流差突變量選相元件在同桿雙回線故障下特性分析

2.1單回線故障下特性分析

同桿雙回線路發(fā)生單回線故障時，不同故障類型下相電流差突變量值特征明顯，因此通過比較A、B、C三相電流差在故障前后的突變量值大小即可判斷故障相別：

(1)

(2)

(3)

ΔIAB，ΔIBC,ΔICA在單回線各種故障下的特性如表2所示，由該表2可對單回線故障實現(xiàn)準確選相。

表2　相電流差突變量選相元件單回線故障動作特性

2.2跨線故障下特性分析

同桿雙回線跨線故障和單回線故障的特征存在差異，因此相電流差突變量選相原理在跨線故障下呈現(xiàn)不同的選相特性。

發(fā)生同名跨線故障時，其故障特征和單回線故障相似，通過線性等值，同名跨線故障可以等值為單回線故障，因此采用相電流差突變量選相元件仍可準確選出故障相。

發(fā)生非同名跨線故障時，由于互感的作用，相電流差突變量選相元件該類故障無法正確選相。比如：單相跨異名單相故障如IAIIBG時，非故障相為鄰線同名故障相，則存在由兩側(cè)電源提供的故障電流，導致相電流差突變量值呈現(xiàn)相間故障的特性；含同名相跨線故障如IAIIABG時，因兩同名相具有分流作用，II回線A相電流可能小于B相電流一半，導致II回線誤選為單相故障。

基于以上特性分析可知，相電流差突變量選相元件要同時實現(xiàn)對單回線故障和跨線故障正確選相，必須進行分類選相并對其進行適當改進。對于單回線故障，可直接采用相電流差突變量選相方法；對于同名跨線故障，將雙回線的同名相綜合考慮，亦可采用該方法；對于非同名跨線故障，須對相電流差突變量選相方法進行改進，最終實現(xiàn)非同名跨線故障的正確選相。

3基于相電流差突變量的同桿雙回線路綜合故障選相方案

3.1故障類型的識別

基于六序分量法[11]對同桿雙回線路各類故障的分析可知，不同故障類型下，六序電流分量的幅值及相位呈現(xiàn)不同特性：

基于六序分量法的分析結(jié)果可區(qū)分單回線故障、同名跨線故障、非同名跨線故障。具體故障類型識別流程如圖2。

圖2　故障識別流程圖

3.2同名跨線故障選相方案

利用六序分量法解耦原理，為消除兩回線之間的線間耦合，同桿雙回線故障下各相序電流可分解為同向向量(T表示)和反向向量(F表示)，則圖1中M側(cè)各相序故障電流可表示為：

(4)

(5)

對式(4)和(5)中兩回線同名相電流求和可得：

(6)

由(6)式將同桿雙回線等價為一個綜合的單回線三相線路(如圖3所示)。

圖3　同桿雙回線路等價圖

3.3非同名相跨線故障選相方案

根據(jù)圖3所示的等價原理，亦可將非同名跨線故障等價為單回線三相線路選出故障相，但是無法確定具體的故障發(fā)生在哪一回線，因此需進一步進行同名相選線。

基于同名相和電流，根據(jù)相電流差突變量選相原理，可初步識別故障相，確定等價三相系統(tǒng)是哪兩相故障還是三相故障，選相流程如圖4所示。圖中ε1用來判別兩相短路故障的故障相，其選定依據(jù)為相電流差突變量選相元件單回線故障動作特性。

圖4　非同名跨線故障相初選流程圖

同名相電流比值具有一定規(guī)律性[12]，以同名相電流比值可實現(xiàn)故障線的選擇，對已判明為故障相的同名相電流幅值比較大小，具體判據(jù)為：

否則兩回線均故障。

ε2用來判別故障相位于哪一回線，其選定依據(jù)為同名相電流之間的幅值差異

以初選相結(jié)果為ABG為例，說明非同名相跨線故障選相流程如圖5所示。

圖5　非同名跨線故障同名相選線流程圖

4仿真驗證

采用PSCAD軟件對圖1所示的500kV同桿雙回線系統(tǒng)進行建模仿真。線路參數(shù)為：L=300km；正序參數(shù)R1=0.022 6Ω/km，X1=0.283 5Ω/km，C1=0.013 2Ω/km；零序參數(shù)R0=0.182 8Ω/km，X0=0.867 5Ω/km，C0=0.005 5μF/km；線間零序互感參數(shù)R0m=0.160 8Ω/km，X0m=0.583 5Ω/km，C0m=0.007 7μF/km；M側(cè)系統(tǒng)正序阻抗ZSM!=j21.615Ω，零序阻抗ZSM0=j42.225Ω；N側(cè)系統(tǒng)正序阻抗ZSN!=j55.471Ω，零序阻抗ZSN0=j115.421Ω。過渡電阻50Ω。仿真條件為M端電源超前N端電源30°。對故障點位于M端近端(p=10%)、線路中間(p=50%)、線路遠端(85%)不同故障位置進行仿真，驗證該選相方案的可行性。

提取故障六序電流分量幅值和相位特征，可驗證故障類型識別結(jié)果的正確性。

基于故障類型識別結(jié)果，對同名跨線故障和非同名跨線故障選相方案進行仿真驗證。篇幅所限，本文僅列出故障線路遠端(85%)時跨線故障的選相結(jié)果，如表3所示。

由表3可知，該方法對同桿雙回線不同類型的故障均能準確選相?？紤]過渡電阻的影響，對不同過渡電阻情況下的跨線故障進行仿真，該方案均能可靠選相。

表3　p=85%時的選相結(jié)果

5結(jié)論

本文提出基于相電流差突變量的同桿雙回線故障選相方案，選相流程將故障分為單回線故障、同名跨線故障和非同名跨線故障，自適應選擇不同的選相方案，既保證單回線選相的性能，又能實現(xiàn)跨線故障準確選相。PSCAD仿真表明，該方案對不同故障位置、故障類型均能可靠選相，同時對不同過渡電阻也有很好的適應性。該選相方法原理簡單、邏輯清晰、易于實現(xiàn)，可為同桿雙回線路第二套主保護或者后備保護提供故障選相。

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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。

基金項目：國家青年科學基金項目(61403127)。

作者簡介：田書(1963-)，女，教授，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護及同塔雙回線路故障選相等方面的研究，E-mail：1056574227@qq.com。

中圖分類號:TM77

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.05.004