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.華中科技大學強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，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，對電力系統(tǒng)的危害沒有短路故障嚴重，線路保護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 變電站通常為負荷站，當110 kV輸電線路發(fā)生縱向故障時，線路保護不能快速有選擇性地切除故障，直接造成對供電負荷的影響，甚至可能造成繼電保護出現(xiàn)失去選擇性擴大影響范圍等不可預料的動作情況。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 回以上的進線，在線路發(fā)生縱向故障時，線路保護快速有選擇性地切除故障，由站內(nèi)備自投完成負荷轉(zhuǎn)移，能夠有效防止110 kV 線路斷線對供電負荷的影響，快速切除故障也能減少對其他保護的影響，因此亟需提出能夠在發(fā)生斷線故障后快速識別并切除故障的保護方案。

目前，針對110 kV 線路斷線的研究較少，文獻[18]在已有的零序過流保護基礎上，提出適應線路斷線故障的保護方案，方案針對220 kV 及以上電壓等級線路進行故障分析，不適用于110 kV 負荷站線路，且僅適用于重載線路，對輕載線路的適應性在文獻中沒有進行分析。文獻[19-20]對110 kV 變電站進線斷線故障及故障后的情況進行了分析，指出現(xiàn)有保護裝置沒有針對斷線故障的保護方案。文獻[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存在誤動的風險。文獻[22-24]分析了配電網(wǎng)的斷線故障，但未對大電流接地系統(tǒng)的斷線故障進行分析。文獻[25]提出的基于暫態(tài)量的方案及文獻[26]提出基于微分方程計算電壓降落的方案，均需要較高的采樣率，不易應用到現(xiàn)有的基于工頻量原理的保護裝置中。

目前針對110 kV 線路縱向故障分析仍不夠充分，保護原理實用性不強。本文通過分析110 kV 負荷站變壓器中性點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償零序電壓差動原理的斷線保護，實現(xiàn)了斷線故障的快速可靠動作，在110 kV 縱聯(lián)差動保護裝置上增加斷線保護邏輯，并在數(shù)字仿真系統(tǒng)（Real Time Digital Simulator，RTDS）上建立110 kV 負荷站輸電系統(tǒng)，驗證了所提斷線保護方案的有效性。

1 110 kV饋線斷線故障分析

1.1 單相斷線故障分析

對單相斷線進行故障分析，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；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；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、零序；k為斷線故障距M側(cè)母線長度的線路全長比例。

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 相的正負零序電流；UxyA1，UxyA2，UxyA0分別為斷線后相斷線處正負零序電壓；EMA，ENA分別為M，N側(cè)系統(tǒng)A 相電勢；Z11，Z22，Z00為xy處向系統(tǒng)看去的等值正序、負序、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)生單相斷線時零序網(wǎng)絡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

相對單相斷線故障的一般分析，對于110 kV 饋線，N側(cè)為負荷站時，存在變壓器中性點接地和不接地2 種方式，在負荷站變壓器中性點接地時，EN為0，圖2 和式（1）—式（4）均成立，零序網(wǎng)絡的零序電壓分布滿足圖3 的特征。在負荷站變壓器中性點不接地時，相當于在ZN0處開路，此時斷線處零序電壓、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)生單相斷線時零序網(wǎng)絡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

對兩相斷線進行故障分析，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、電壓之間的關系為：

由式（10）可知，發(fā)生單相斷線時零序網(wǎng)絡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

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

在負荷站變壓器中性點不接地時，相當于在ZN0處開路，此時零序電流、電壓之間的關系為：

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)生單相斷線時零序網(wǎng)絡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 保護判據(jù)

對于110 kV 饋線，由圖3 和圖7 可知，在負荷站變壓器中性點接地時發(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，在負荷站變壓器中性點不接地時發(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)沿線路全長補償?shù)玫窖a償電壓，即：

式中：U0_C為按線路全長補償?shù)碾妷?；U0為保護安裝處母線零序電壓；I0為線路零序電流；ZL0為線路全長零序阻抗。

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

式中：k為比率制動系數(shù)；U0set為動作門檻。

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

負荷側(cè)變壓器中性點接地時，補償零序電壓特征如圖9 所示。M側(cè)補償電壓與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，可預置為2 V，實現(xiàn)工程上免整定。

比率制動系數(shù)k取值原則為在區(qū)內(nèi)發(fā)生斷線故障時，負荷側(cè)變壓器中性點接地時，補償零序電壓特征如圖9 所示，M側(cè)補償電壓與N側(cè)零序電壓差依然滿足相位相反，k＜=1 均能準確識別出故障。負荷側(cè)變壓器中性點不接地時線路無零序電流，補償前后相等，如圖4 和8 所示。此時式（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也存在零序網(wǎng)絡，這種情況要求斷線保護不能夠誤動作，因此需要采取措施。針對區(qū)內(nèi)發(fā)生單相接地或兩相短路接地時，零序差流繼電器滿足，在零序差流繼電器滿足時閉鎖壓差繼電器。

綜上分析，提出斷線保護判據(jù)如圖10 所示。其中，Tset為斷線保護動作時間定值。補償零序壓差繼電器如式（16）所示。

圖10 斷線保護動作邏輯Fig.10 Action logic of line broken fault

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

3 保護裝置實現(xiàn)方案

斷線保護判據(jù)中補償零序壓差繼電器，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)電流差動保護裝置上實現(xiàn)斷線保護邏輯。補償零序電壓差繼電器的接線要求為保護安裝處的三相電壓及電流，不需要增加額外的模擬量輸入，斷線保護相關定值如表1 所示。其中，1—8 項為原有定值，整定原則不變；1，2用于保護啟動；3 用于零差繼電器；4，5，8 用于縱聯(lián)通道；6，7 用于零序電壓補償計算；9，10 項為新增定值；9 用于斷線保護投退；10 用于斷線保護延時確認。斷線保護比率制動系數(shù)預設為0.85，無需整定；斷線保護動作門檻，預設為2 V，無需整定；斷線保護動作時間，根據(jù)動作速度要求整定，范圍為0～10 s，可預設為0，無需整定，此時動作時間小于30 ms，因此斷線保護無新增需要整定的定值。

表1 斷線保護相關定值Table1 Setting items of disconnection protection

4 仿真驗證

4.1 試驗模型及模型參數(shù)

為驗證所提補償零序壓差原理，在實時數(shù)字仿真系統(tǒng)（RTDS）建立測試平臺，對所設計裝置進行仿真測試驗證。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為復合站側(cè)母線，K1，K2，K3，K4，K5為橫向故障故障點；F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3為縱向故障故障點。L1為系統(tǒng)至負荷站輸電線路，保護安裝在M1和M2兩側(cè)；T1為負荷站變壓器。G1為地刀隔離開關；負荷站變壓器可以運行在中性點接地和不接地方式，LOAD為負荷。

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

4.2 補償零序壓差原理驗證

由第1 節(jié)故障分析可知，斷線時故障特征和斷線發(fā)生在線路上的位置無關，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。負荷站變壓器中性點接地時，故障特征與EMA，Z11，Z22，Z00有關，即受系統(tǒng)方式、線路長度、線路負荷影響。負荷站變壓器中性點不接地時，故障特征僅與EMA有關，即不受系統(tǒng)方式、線路長度、線路負荷影響。試驗的保護裝置錄波數(shù)據(jù)結(jié)果與此分析一致。

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

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

負荷站變壓器中性點接地，改變系統(tǒng)方式、線路長度、線路負荷等，模擬發(fā)生F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3點單相斷線，分析保護裝置的故障錄波，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)零序分量計算得到的零序補償電壓，即將3U01，3I01帶入式（15）可得到3U0c。模擬發(fā)生F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3點兩相斷線，數(shù)據(jù)如表4 所示。

表3 負荷站中性點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 負荷站中性點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

負荷站變壓器中性點接地時，發(fā)生單相斷線時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、線路長度、線路負荷下，改變故障點，故障特征相同。隨著系統(tǒng)方式、線路長度、線路負荷的變化，發(fā)生斷線故障時，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，動作時間小于23 ms，出口時間小于30 ms，具有很好的速動性。

負荷站變壓器中性點不接地，改變系統(tǒng)方式、線路長度、線路負荷，模擬發(fā)生F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3點單相斷線，分析保護裝置的故障錄波，數(shù)據(jù)如表5 所示。模擬發(fā)生F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3點兩相斷線，數(shù)據(jù)如表6 所示。

表5 負荷站中性點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 負荷站中性點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，保護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，負荷站側(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，負荷站側(cè)零序電壓大小約為3EM，斷線判據(jù)靈敏度＞1.05；斷線保護動作時間小于23 ms，出口時間小于30 ms，具有很好的速動性。

4.3 綜合驗證

設置仿真測試項目，通過改變系統(tǒng)方式、線路長度、負荷側(cè)變壓器中性點接地方式、線路負荷等，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、單相斷線負荷側(cè)接地。在發(fā)生橫向故障時斷線保護不誤動，發(fā)生區(qū)內(nèi)縱向故障斷線保護正確動作并永跳。

5 結(jié)論

本文進行了110 kV 負荷站變壓器中性點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償零序電壓差動原理的斷線保護，通過理論分析、保護裝置實現(xiàn)和仿真測試，結(jié)論如下：

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

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

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

4）在速動性方面，根據(jù)仿真測試結(jié)果，保護動作時間＜23 ms，出口時間＜30 ms，具有較高的速動性。