郝奕華，陳朝暉，何進(jìn)鋒,3，李銀紅，石東源

非全相運(yùn)行對(duì)線路零序電流保護(hù)的影響分析

郝奕華1，陳朝暉2，何進(jìn)鋒2,3，李銀紅1，石東源1

(1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510663；3.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553001)

非全相運(yùn)行是電力系統(tǒng)中一種常見的不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，可能會(huì)對(duì)線路零序電流保護(hù)造成影響，使其失去選擇性，發(fā)生越級(jí)動(dòng)作。為此，研究了線路零序電流保護(hù)的整定計(jì)算原則，推導(dǎo)了發(fā)生短路故障和出現(xiàn)非全相運(yùn)行狀態(tài)時(shí)零序分支系數(shù)的計(jì)算公式，對(duì)兩種情況下的零序分支系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行了對(duì)比分析，并在此基礎(chǔ)上分析了非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序電流保護(hù)越級(jí)動(dòng)作的原因，與短路故障相比，非全相運(yùn)行時(shí)的零序分支系數(shù)越大，越容易發(fā)生越級(jí)動(dòng)作。結(jié)合IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例，驗(yàn)證了非全相運(yùn)行時(shí)零序分支系數(shù)的增大可能引起線路零序電流保護(hù)發(fā)生越級(jí)動(dòng)作。最后，針對(duì)非全相運(yùn)行時(shí)零序電流保護(hù)可能越級(jí)動(dòng)作這一問題，從定值離線校驗(yàn)和在線管理兩個(gè)方面給出了應(yīng)對(duì)策略。

非全相運(yùn)行；線路零序電流保護(hù)；整定計(jì)算；零序分支系數(shù)；越級(jí)動(dòng)作

0 引言

零序電流保護(hù)由于在改善接地保護(hù)靈敏性等方面具有顯著的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于110 kV及以上電壓等級(jí)的電網(wǎng)中[1-2]，作為輸電線路的后備保護(hù)投入使用。為了保證零序電流保護(hù)動(dòng)作的選擇性，避免出現(xiàn)越級(jí)動(dòng)作的情況，在零序電流保護(hù)整定計(jì)算過程中，應(yīng)保證待整定保護(hù)的保護(hù)范圍不越過相鄰設(shè)備保護(hù)的保護(hù)范圍。考慮到110 kV及以上電網(wǎng)呈現(xiàn)多電源[3-7]、多環(huán)網(wǎng)[8-10]的結(jié)構(gòu)特征，為了實(shí)現(xiàn)待整定線路保護(hù)和相鄰線路保護(hù)的保護(hù)范圍配合，引入了零序分支系數(shù)的概念。零序分支系數(shù)，即相鄰線路保護(hù)的保護(hù)范圍末端發(fā)生故障時(shí)，流過待整定保護(hù)和相鄰線路保護(hù)零序電流的比值。這里的故障，通常僅考慮了短路故障。

非全相運(yùn)行狀態(tài)是電力系統(tǒng)一種常見的不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)。某一線路單相接地短路后故障相開關(guān)跳閘、輸電線路一相或兩相斷線、開關(guān)合閘過程中三相觸頭不同時(shí)接通等原因都會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)處于非全相運(yùn)行狀態(tài)[11]。與短路故障相比，非全相運(yùn)行狀態(tài)是一種縱向不對(duì)稱故障，故障端口的構(gòu)成不同，故障后電氣量的分布也不同?？紤]到電力系統(tǒng)中的保護(hù)定值通常僅按照短路故障進(jìn)行整定計(jì)算，非全相運(yùn)行狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)的性能受到影響。

文獻(xiàn)[12]分析了非全相運(yùn)行對(duì)距離保護(hù)的影響，指出兩相運(yùn)行期間方向阻抗繼電器的性能將惡化，可能引起保護(hù)誤動(dòng)。文獻(xiàn)[13]指出非全相運(yùn)行會(huì)對(duì)振蕩閉鎖元件造成影響，從而影響距離保護(hù)的動(dòng)作速度。文獻(xiàn)[14]分析了非全相運(yùn)行對(duì)方向高頻保護(hù)的影響，指出非全相運(yùn)行情況下會(huì)對(duì)故障位置造成誤判，導(dǎo)致高頻零序方向保護(hù)誤動(dòng)。文獻(xiàn)[15-18]指出發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器易發(fā)生非全相故障，并提出了新的發(fā)電機(jī)非全相保護(hù)方案。文獻(xiàn)[19]分析了非全相運(yùn)行時(shí)的電氣特征及導(dǎo)致零序方向保護(hù)誤動(dòng)的機(jī)理。文獻(xiàn)[20-22]指出非全相運(yùn)行期間產(chǎn)生的零序電流會(huì)造成零序電流保護(hù)失去選擇性，發(fā)生越級(jí)動(dòng)作情況，但是沒有具體分析零序電流保護(hù)越級(jí)動(dòng)作的原因。目前，鮮有文獻(xiàn)涉及非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)的變化特征以及非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序電流保護(hù)越級(jí)動(dòng)作的原因分析。

為此，本文首先介紹了線路零序電流保護(hù)的整定計(jì)算原則，然后推導(dǎo)了短路故障和非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)的計(jì)算公式并對(duì)比了其差異，接著分析了非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序電流保護(hù)越級(jí)動(dòng)作的原因，最后結(jié)合IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 線路零序電流保護(hù)的整定計(jì)算原則

零序電流保護(hù)整定計(jì)算的基本目標(biāo)是保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性和靈敏性。本節(jié)以三相重合閘的四段式線路零序電流保護(hù)[23]為例，簡(jiǎn)要說明線路零序電流保護(hù)的整定計(jì)算原則。

四段式線路零序電流保護(hù)中，零序I段為無延時(shí)保護(hù)，其電流定值主要考慮保護(hù)動(dòng)作的選擇性，按同時(shí)躲過本線路區(qū)外故障最大零序電流和斷路器三相不同步合閘出現(xiàn)的零序電流整定。零序II、III、IV段為帶延時(shí)保護(hù)，其保護(hù)范圍可能伸出本線路末端。為了保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性，其電流定值需與相鄰線路保護(hù)的保護(hù)范圍進(jìn)行配合，即不越過相鄰線路保護(hù)的保護(hù)范圍末端；其時(shí)間定值需與相鄰線路保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行配合，即大于相鄰線路保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間一個(gè)時(shí)延。

以本線路零序IV段和相鄰線路零序III段配合為例，其整定計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示。

若計(jì)算所得的配合定值不滿足靈敏度要求，則再與相鄰線路保護(hù)保護(hù)范圍較長(zhǎng)的段重新進(jìn)行選擇性配合，提升配合定值的靈敏性。仍以零序IV段和相鄰線路零序III段配合為例，如果所得定值不滿足靈敏度要求，可以與相鄰線路零序IV段進(jìn)行配合，其整定計(jì)算公式與式(1)、式(2)類似，將配合定值替換為相鄰線路的Ⅳ段定值。

以圖1所示系統(tǒng)為例，當(dāng)計(jì)算保護(hù)1與保護(hù)2的零序分支系數(shù)時(shí)，通常假設(shè)母線k處發(fā)生短路故障，然后計(jì)算此時(shí)流過線路mn的零序電流mn與流過線路nk的零序電流nk的比值。

圖1 某系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 零序分支系數(shù)計(jì)算公式推導(dǎo)及對(duì)比分析

在非全相運(yùn)行狀態(tài)下，由于故障端口的構(gòu)成與短路故障不同，零序電流的分布情況也不同。考慮到零序電流保護(hù)的選擇性主要通過計(jì)算故障狀態(tài)下的零序分支系數(shù)來保證，本節(jié)將以圖2所示系統(tǒng)為例，針對(duì)線路kl末端母線l發(fā)生短路故障、線路kl發(fā)生非全相運(yùn)行狀態(tài)兩種情況，推導(dǎo)兩正常線路保護(hù)(即保護(hù)1與保護(hù)2)之間的零序分支系數(shù)、正常線路與故障線路保護(hù)(即保護(hù)2與保護(hù)3)之間的零序分支系數(shù)的計(jì)算公式，對(duì)比分析零序分支系數(shù)的差異，為研究非全相狀態(tài)對(duì)零序電流保護(hù)的影響奠定基礎(chǔ)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 短路故障下的零序分支系數(shù)

圖3 短路故障下零序分支系數(shù)計(jì)算模型

步驟3：計(jì)算流過保護(hù)1、保護(hù)2和保護(hù)3的零序電流，分別如式(3)—式(5)所示。

步驟4：計(jì)算流過保護(hù)1與保護(hù)2、保護(hù)2與保護(hù)3的零序電流的比值，其計(jì)算公式如式(6)、式(7)所示。

2.2 非全相運(yùn)行狀態(tài)下的零序分支系數(shù)

線路kl處于非全相狀態(tài)時(shí)，將保護(hù)1與保護(hù)2、保護(hù)2與保護(hù)3的零序分支系數(shù)分別記為12、23，其計(jì)算具體步驟如下。

圖4 非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)計(jì)算模型

步驟4：分別計(jì)算流過保護(hù)1、保護(hù)2和保護(hù)3的零序電流，如式(9)—式(11)所示。

步驟5：計(jì)算流過保護(hù)1與保護(hù)2、保護(hù)2與保護(hù)3的零序電流的比值，如式(12)、式(13)所示。

根據(jù)零序阻抗矩陣元素關(guān)系及式(8)，對(duì)式(12)、式(13)進(jìn)行修改，將表達(dá)式中修改后的零序阻抗矩陣元素替換為故障前零序阻抗矩陣的元素，得到式(14)、式(15)。

2.3 零序分支系數(shù)對(duì)比分析

3 非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序電流保護(hù)越級(jí)動(dòng)作原因分析

根據(jù)前述分析，在非全相運(yùn)行狀態(tài)下，隨著常數(shù)項(xiàng)大小的不同，零序分支系數(shù)與短路故障下相比也不同，可能出現(xiàn)變小、不變或者變大的情況。由于零序電流保護(hù)通常僅按照短路故障進(jìn)行整定計(jì)算，因此當(dāng)系統(tǒng)處于非全相運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，零序電流保護(hù)的性能可能會(huì)受到影響，失去選擇性，發(fā)生越級(jí)動(dòng)作的情況。本節(jié)以零序電流保護(hù)IV段為例，分析零序電流保護(hù)越級(jí)動(dòng)作的產(chǎn)生原因。

3.1 基于短路故障的保護(hù)定值整定

以圖2中保護(hù)2的IV 段為例，假設(shè)按照短路故障下保護(hù)2的IV段與保護(hù)3的III段配合進(jìn)行整定，則保護(hù)2的IV段定值滿足式(18)所示條件。

按照上述計(jì)算公式，保護(hù)2的IV段保護(hù)范圍不越過保護(hù)3的III段保護(hù)范圍，發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)2的零序IV段滿足選擇性要求。如圖5所示，在保護(hù)3的III段保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)3優(yōu)先動(dòng)作。

圖5 零序電流保護(hù)范圍

3.2 非全相狀態(tài)下的保護(hù)配合關(guān)系分析

忽略式(18)中的可靠系數(shù)，并假定整定值取等號(hào)，將式(18)、式(19)兩邊分別相除，可以得到等式(20)。

該現(xiàn)象還可以以圖6為例進(jìn)一步說明。

圖6 零序電流保護(hù)越級(jí)動(dòng)作示意圖

綜上所述，可得以下結(jié)論。

1) 當(dāng)線路處于非全相運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于故障端口的構(gòu)成不同，零序分支系數(shù)與短路故障情況不同，當(dāng)非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)與短路故障下零序分支系數(shù)相比變大時(shí)，按短路故障進(jìn)行整定計(jì)算得到的零序電流保護(hù)定值，在非全相運(yùn)行狀態(tài)下可能失去選擇性，發(fā)生越級(jí)動(dòng)作。

2) 當(dāng)非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)與短路故障下零序分支系數(shù)相比增大的值越大時(shí)，越容易發(fā)生越級(jí)動(dòng)作。

4 算例分析

4.1 算例系統(tǒng)概況

本文算例采用IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖7所示。該系統(tǒng)包含10臺(tái)發(fā)電機(jī)和46條支路，發(fā)電機(jī)、節(jié)點(diǎn)、支路參數(shù)采用IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

圖7 IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示意圖

4.2 非全相運(yùn)行狀態(tài)與短路故障下零序分支系數(shù)對(duì)比

取IEEE39母線系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)3、4、5、6分別對(duì)應(yīng)圖2中的母線m、n、k、l，分別按式(6)、式(7)、式(14)和式(15)計(jì)算母線l發(fā)生不對(duì)稱接地短路故障和線路kl處于非全相運(yùn)行狀態(tài)下保護(hù)1與保護(hù)2、保護(hù)2與保護(hù)3的零序分支系數(shù)。根據(jù)IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)參數(shù)，得到計(jì)算所需的零序阻抗矩陣參數(shù)及線路參數(shù)，如表1所示。零序分支系數(shù)對(duì)比如表2所示。

表1 算例1零序阻抗矩陣參數(shù)及線路參數(shù)

表2 算例1零序分支系數(shù)對(duì)比

表2結(jié)果顯示，受非全相運(yùn)行狀態(tài)下故障端口變化的影響，在非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)12與23均小于短路故障下零序分支系數(shù)f12與f23。

取圖7中的節(jié)點(diǎn)4、3、2、25分別對(duì)應(yīng)圖2中的節(jié)點(diǎn)m、n、k、l，此時(shí)計(jì)算所需的零序阻抗矩陣參數(shù)及線路參數(shù)如表3所示，零序分支系數(shù)對(duì)比如表4所示。

表3 算例2零序阻抗矩陣參數(shù)及線路參數(shù)

表4 算例2零序分支系數(shù)對(duì)比

表4結(jié)果顯示，受非全相運(yùn)行狀態(tài)下故障端口變化的影響，在非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)12小于短路故障下零序分支系數(shù)f12，非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)23大于短路故障下零序分支系數(shù)f23。

遍歷IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中所有與圖2中保護(hù)1、保護(hù)2和保護(hù)3配合關(guān)系相符的結(jié)構(gòu)，共166個(gè)。統(tǒng)計(jì)其零序分支系數(shù)情況，結(jié)果如表5所示。

表5 IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)零序分支系數(shù)情況

根據(jù)表5可知，在非全相運(yùn)行狀態(tài)下，由于故障端口與短路故障不同，非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)與短路故障相比會(huì)表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。

4.3 非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序電流保護(hù)越級(jí)動(dòng)作分析

通過算例分析可以發(fā)現(xiàn)，由于非全相運(yùn)行狀態(tài)下故障端口的位置與短路故障不同，零序分支系數(shù)的大小也不同。當(dāng)非全相運(yùn)行狀態(tài)下的零序分支系數(shù)大于短路故障下的零序分支系數(shù)時(shí)，按照短路故障進(jìn)行整定計(jì)算得到的定值很可能不適用于非全相運(yùn)行的情況，從而導(dǎo)致在非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序電流保護(hù)發(fā)生越級(jí)動(dòng)作。

5 應(yīng)對(duì)策略

根據(jù)前述分析，非全相運(yùn)行可能導(dǎo)致零序電流保護(hù)失去選擇性，發(fā)生越級(jí)動(dòng)作。因此，本節(jié)從定值離線校驗(yàn)和在線管理兩方面給出了應(yīng)對(duì)策略。

5.1 定值離線校驗(yàn)

定值離線校驗(yàn)即在通過整定計(jì)算得到一組零序電流保護(hù)的定值后，校驗(yàn)在非全相運(yùn)行情況下定值是否能滿足選擇性要求，不發(fā)生越級(jí)動(dòng)作。定值離線校驗(yàn)的流程如下。

1) 確定可能發(fā)生非全相運(yùn)行的線路，計(jì)算所有運(yùn)行條件下線路非全相運(yùn)行時(shí)的零序電流。

2) 當(dāng)流過非全相運(yùn)行的線路的零序電流較小時(shí)，只需校驗(yàn)非全相運(yùn)行線路及相鄰線路定值能否滿足選擇性要求。如果不滿足，則調(diào)整對(duì)應(yīng)保護(hù)的定值。

3) 當(dāng)流過非全相運(yùn)行的線路的零序電流較大時(shí)，需校驗(yàn)非全相運(yùn)行線路及相鄰多級(jí)線路的定值能否滿足選擇性要求。如果不滿足，則調(diào)整對(duì)應(yīng)保護(hù)的定值。

5.2 定值在線管理

繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集保護(hù)設(shè)備的信息，支持對(duì)保護(hù)設(shè)備的整定值進(jìn)行遠(yuǎn)程修改，為定值的在線管理提供了有利條件[24]。通過定值在線管理的方式可以實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)運(yùn)行方式變化信息、計(jì)算新定值并快速下發(fā)定值，更有利于實(shí)現(xiàn)保護(hù)定值之間的配合，縮短保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，優(yōu)化保護(hù)性能?？梢钥紤]采用定值在線管理的方式應(yīng)對(duì)非全相運(yùn)行對(duì)零序電流保護(hù)的影響。定值在線管理的流程如下。

1) 實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)運(yùn)行方式變化信息，上傳至調(diào)度端。

2) 由調(diào)度端的在線整定服務(wù)器進(jìn)行在線整定，得到在非全相運(yùn)行情況下滿足選擇性的定值。

3) 調(diào)度端向保護(hù)裝置下發(fā)新的定值，在線調(diào)整定值。

6 結(jié)論

由于非全相運(yùn)行狀態(tài)下故障端口位置與短路故障不同，零序分支系數(shù)的大小也不同，所以可能導(dǎo)致按短路故障進(jìn)行整定計(jì)算得到的定值在非全相運(yùn)行狀態(tài)下失去選擇性，從而出現(xiàn)發(fā)生越級(jí)動(dòng)作的情況。本文首先給出了線路零序電流保護(hù)的整定計(jì)算原則，然后推導(dǎo)了短路故障和非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)的計(jì)算公式并對(duì)比了其差異，非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)與短路故障下零序分支系數(shù)計(jì)算公式形式類似，但是在非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)的計(jì)算公式中分子分母分別添加了一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，常數(shù)項(xiàng)會(huì)影響零序分支系數(shù)的大小，使非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)與短路故障下零序分支系數(shù)相比表現(xiàn)出大于、等于或小于的不同性質(zhì)。接著分析了非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序電流保護(hù)越級(jí)動(dòng)作的原因，當(dāng)非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序分支系數(shù)與短路故障下零序分支系數(shù)相比變大時(shí)，容易發(fā)生越級(jí)動(dòng)作情況。之后結(jié)合IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了算例分析。算例分析結(jié)果驗(yàn)證了非全相運(yùn)行對(duì)零序電流分布的影響，表明非全相運(yùn)行狀態(tài)可能使零序電流保護(hù)失去選擇性，發(fā)生越級(jí)動(dòng)作情況。從定值離線校驗(yàn)和在線管理兩方面出發(fā)，給出了非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序電流保護(hù)越級(jí)動(dòng)作問題的應(yīng)對(duì)策略。

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Analysis of the influence of non-full-phase operation on line zero-sequence current protection

HAO Yihua1, CHEN Zhaohui2, HE Jinfeng2, 3, LI Yinhong1, SHI Dongyuan1

(1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China; 2. China Southern Power Grid Power Dispatching and Control Center, Guangzhou 510663, China; 3. Liupanshui Power Supply Bureau, Guizhou Power Grid Co., Ltd., Liupanshui 553001, China)

Non-full-phase operation is a common asymmetric operational state in a power system. It will affect line zero-sequence current protection, causing it to lose selectivity and override. Therefore, the setting calculation principle of line zero-sequence current protection is studied. Then the calculation formulas of the zero-sequence branch coefficient under short-circuit fault and non-full-phase operation are deduced. By comparing the calculation formula of zero-sequence branch coefficient in two cases, the reason for the override of zero-sequence current protection under non-full-phase operation is analyzed. Compared with the zero-sequence branch coefficient of a short-circuit fault, the greater the zero-sequence branch coefficient of non-full-phase operation is, the easier the occurrence of override. Combined with the example of the IEEE39 bus system, it is verified that the increase of zero-sequence branch coefficient may cause the line zero-sequence current protection to override in the condition of non-full-phase operation. Finally, given the problem that zero-sequence current protection may override during non-full-phase operation, coping strategies are given from the two aspects of settings off-line verification and on-line management.

non-full-phase operation; line zero-sequence current protection;setting calculation; zero-sequence branch coefficient; override

10.19783/j.cnki.pspc.211662

2021-12-07；

2022-01-21

郝奕華(1998—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)分析及整定計(jì)算。E-mail: haoyihua@ hust.edu.cn

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900100).

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2016YFB0900100)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51777081)

(編輯 許 威)