局部平行耦合线路零序电流速断保护影响因素分析

局部平行耦合线路零序电流速断保护影响因素分析

潘淑华

（广东电网有限责任公司清远清城供电局广东清远511500）

摘要：平行耦合多回输电线路在电力生产中被广泛应用，但平行耦合线路间复杂的互感给线路零序电流速断保护的正确动作带来了很大的挑战。本文通过理论推导，分析零序电流速断保护的影响因素，并通过用ATP/EMTP软件搭建仿真模型，对影响非故障线路零序电流的因素进行逐一分析最后总结出局部耦合下的故障特征，并且针对不同的故障特征提出了合适的解决方案。

关键词：同塔双回线路；故障分析；零序互感；ATP/EMTP

1前言

据统计，在我国单相接地故障占高压线路总故障次数的70%以上，占配电线路总故障次数的80%以上，所以接地故障保护对于整个电力系统的稳定运行极其重要[1]。针对大电流接地系统接地故障下的电流、电压特征构造的零序保护更加适用于接地故障，甚至比用于相间故障的过电流保护更加灵敏和快速。

随着经济社会的发展，平行耦合多回输电线路在我国的实际生产中得到了广泛的应用[2]。和一般的单回路接地故障不同，平行耦合线路发生接地故障时，由于存在零序互感，在非故障线路上产生的感应电流会增大流过非故障线路的电流，保护测量元件不能感受故障发生的真实位置,严重时甚至造成保护对区内外故障发生误判而导致拒动或误动[3]。如果操作不当还有可能严重损坏设备，造成系统的剧烈振荡甚至瓦解[4]。

本章通过理论推导和ATP/EMTP软件建模仿真，研究耦合互感在平行耦合线路中对零序电流保护产生影响的因素。

2输电线路模型建立

为了研究方便，本文的研究对象采用连接三端带有局部耦合的平行双回输电线路，图1所示为研究对象的单相模型，三端电源均接地，其中DM和DN为局部耦合段，其余为非耦合段，DP为一回路，DQ为二回路。当二回路耦合段内部发生单相接地故障时如图1所示：

由方程（4）（5）（6）画出图1所示输电线路模型的零序等值网络图，如图2所示：

当耦合线路的长度和线路阻抗一定，系统阻抗比较小的情况下，随着a不断增大，即短路点逐渐远离母线D时，分支系数KP增大，但是流过故障线路的短路电流也会因为线路阻抗增大而不断减小。由于a增大时耦合线路的互感影响也增强，当KP增大的程度大于(IA0+IB0)减小的程度时可能会引起流过非故障线路的电流IB0的增大，也就是短路点远离母线D时流过非故障线路的短路电流不降反升，出现零序电流的超越现象。

按照零序电流保护的整定原则，零序I段按照躲开线路末端可能出现的最大零序电流来整定，保护4的II段仅仅是配合保护3的I段，正常情况下流过保护的故障电流应该是随着故障点的远离而逐渐下降的，在局部耦合双回输电线路中，故障电流不再是单一的下降，这有可能会导致在二回路短路故障时，故障电流达到一回路的零序电流保护动作定值从而引发保护的误动作。

除此之外，若系统阻抗的影响比较小，耦合线路占线路全长的比例减小从强磁耦合变成弱磁耦合时，这样当a增大时KP增大的部分也不足以抵消故障电流减小的幅值，这种情况下就不会出现对零序电流保护的不利影响。系统阻抗比的分析亦然。

下文将对以上提到对零序电流保护产生影响的三个因素进行详细分析。

3影响因素探究

3.1故障位置的影响

故障位置主要体现在距离系数a上，当故障点距离母线D越远，耦合线路就越长，由零序互感产生的感应电流对非故障线路的影响就越大。对图1所示的研究模型在ATP/EMTP中建立相对应的仿真模型，如图5所示。

图6中区域A是一回路耦合段故障；区域B是二回路耦合段故障；区域C是二回路非耦合段故障。

由图6可知在区内故障的时候区域A的零序电流随故障点的远离而下降；在区域B的前半部分零序电流仍旧是平缓降低，此时虽然耦合的距离在增大，但不足以抵消故障点远离导致的故障电流减小的部分，故总体上零序电流还是在降低，而区域B后半部分的零序电流明显上升，可见随着耦合距离增大，零序互感增大导致的零序电流增大的程度的超过了线路阻抗增大对故障电流降低的程度，从方程（13）中可以看到非故障线路的零序电流由分支系数KP和故障电流决定，所以当KP增大的程度大于故障电流减小的程度时，流过非故障线路的零序电流就会上升，这就很好的解释了区域B中曲线后半段的上升趋势；而在区域C非耦合段的线路中发生故障，此时耦合线路的长度已经固定所以已不再受到耦合互感变化的影响，因而零序电流的变化和没有耦合时的情况一样，随着故障距离的增大慢慢下降。

根据以上故障特征分析可知，当保护4的二段和保护3的一段配合整定时，在耦合段的后半部分通过保护4的零序电流有所上升，可能会导致保护的误动作；如果耦合的线路更长那么受到零序互感的影响就更严重，有可能致使上一级保护的零序一段失去选择性发生误动。因此在整定计算时必须要考虑耦合互感的影响同时制定相应的解决措施。

3.2耦合线路比例的影响

本文论述所采用的模型是局部耦合的双回输电线路，耦合线路占线路全长的比例不同对于非故障线路的影响也不一样，比例较大时耦合磁场就强，反之则弱，产生的互感影响也较小。

从3.1故障位置的影响中可知，故障条件下，当耦合线路的距离最大时，零序互感产生的电流对非故障线路的零序电流影响最为严重。本文通过在仿真中改变耦合段占线路全长的比例，得到在一回路末端（靠近母线D）故障和二回路耦合段最大处（靠近N）故障时流过保护4的零序电流，仿真结果如表1所示。

比较图7和图6可知，图7中当在二回路耦合段末端发生故障时，流过保护4的零序电流没有明显的升高，也就是当耦合段的比例下降时耦合互感对非故障线路的零序电流影响也随之减小，这对于局部耦合的多回输电线路的保护整定来说是一个非常重要的参考数据。

3.3系统阻抗比的影响

前文的分析忽略了系统阻抗对仿真的影响。而在实际电力系统建模仿真跟电力装置配置中，系统阻抗值都是重要参数。对方程（13）作出适当的处理可以得到流过非故障线路零序电流的另外一个影响因素，称之为系统阻抗比，即，令Ks=ZM0。系统阻抗值的改变可以影响故障电流值的大小，同时不同的系统阻抗比对非故障线路的零序电流影响也不一样。下面仍然通过APT/EMTP的模型仿真来分析系统阻抗比的影响。

仿真模型设置耦合线路的比例为33.3%，由前文分析可知，当耦合比例下降到33.3%及以下时磁场耦合互感对非故障线路零序电流的影响已经大大降低到一个安全的区域，这样设置可以排除耦合磁场的干扰单独研究系统阻抗比的影响。仿真得到在不同系统阻抗比下，一回路线路末端和二回路耦合段末端的零序电流，具体的结果如表2

从图8可知，阻抗比小于0.5，差值为正，非故障线路的零序电流的变化符合前文分析的变化规律；当阻抗比大于0.5时，差值为负，而且系统阻抗比越大时差值就越大，表明当区外耦合段故障时，流过非故障线路的零序电流比内部线路末端故障时的零序电流要大，而且这种电流的超越现象随阻抗比的增大而变得更加明显。如果把刚好不会出现电流超越现象的阻抗比称为临界阻抗比，显然不同耦合比例下的临界阻抗比是不一样的，这里并不展开研究，但是可以确定的是，系统阻抗比也同样会对非故障线路的零序电流产生影响，在保护定值整定的时候必须考虑系统阻抗比这个重要的参数。

局部耦合双回输电线路保护的改进方案

由前文可知，局部耦合双回输电线路发生故障时，流过线路保护的故障电流并不是随着故障距离的增大而单调递减的。区外耦合段线路故障时，由于零序互感的存在会产生感应零序电流，增大了流过非故障线路的零序电流，使得该线路保护的零序电流曲线在区外耦合段出现上升的趋势，甚至大于线路内部故障时的零序电流，导致与故障线路进行配合整定的保护有可能会因为这种电流超越的现象出现误动作。针对这种故障特征，提出以下几种改进方案：

第一，修改保护动作定值。零序电流保护I段动作按躲开线路末端可能出现的最大零序电流整定，由于存在电流超越的现象，区外故障时的零序电流也可能达到动作定值，导致保护误动，所以在整定保护动作定值时应该比较线路末端可能出现的最大零序电流以及区外故障时的最大耦合零序电流，在系统最大运行方式下，按照躲开其中较大者的原则来整定，避免区外故障时保护误动，但是这个方案也会导致线路保护的灵敏度下降以及保护范围缩小。

第二，增加保护动作时延。零序电流瞬时速断保护从原理上来说应该是瞬时动作的，当区外故障电流达到非故障线路保护的零序段动作定值时可能会引发保护误动，在不改变动作定值时可以适当延长保护的动作时间，在原有瞬时速断的基础上增加200毫秒，保证线路保护的选择性，但同时一定程度上也牺牲了线路内部故障时保护的速动性。另外一种引发误动的情况就是相邻线路末端故障时电流达到非故障线路保护的零序II段动作定值，同时也起动了本线路的零序II段保护，这样两个保护在延时0.5s之后就会同时动作，导致非故障线路保护的误动，所以与相邻线路配合的零序II段可以在原来的时延基础上再增加0.5s，这样在相邻线路零序II段范围内故障时就不会发生非故障线路保护误动的情况。

第三，利用通信通道传送闭锁信号。在有通信通道的情况下，故障线路保护利用零序方向元件判断出是内部故障时，发出动作信号的同时给上一级保护传送闭锁信号，避免非故障线路的保护发生误动作。这种改进后的保护方式不用修改保护定值或者增加时延，从而影响了保护的灵敏性和速动性；但是对通信通道的可靠性有一定的要求。

结语

本文通过理论推导及ATP/EMTP软件仿真研究影响局部耦合同塔双回线输电线路非故障线路的零序电流的影响因素及零序电流速断保护的改进方案，得出以下结论：

（1）局部耦合同塔双回输电线路发生单相接地故障时，流过非故障线路的零序电流会受到影响，耦合互感随着耦合距离的增大而增大时会使得流过非故障线路上的感应电流相应增大，当感应电流增大的程度大于线路阻抗使故障电流减小的程度时，流过故障线路上一级保护的零序电流不再单调随故障位置的远离而下降，而是在故障电流的曲线变化后部会有明显的上升，使得该保护与下一级线路保护的整定配合出现矛盾，如果完全按照单回线的整定原理来配置，将有可能导致非故障线路的保护误动。

（2）因耦合互感而增大流过非故障线路零序电流的程度，与耦合线路的比例和系统阻抗比有关。耦合线路占线路全长的比例越大，耦合互感的影响就越大；系统阻抗增大会减小流经线路的故障电流，而且系统阻抗比和耦合互感有同样的影响效果，当系统阻抗比增大到某一程度时也会使非故障线路的零序电流有异常的上升现象。

（3）通过修改保护动作定值、增加保护动作时延、利用通信通道传送闭锁信号等方法可以规避局部耦合同塔双回线输电线路中零序速断保护与下一级线路保护的整定配合矛盾的问题，但相应的会对保护的速动性、灵敏性、保护范围等有影响。

参考文献

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[4]李博通.同塔多回线智能跳合闸方案的研究[D]天津大学博士学位论文，2009.

[5]李海艳.同杆并架线路零序互感对零序电流保护的影响[J].宁夏电力,2006(5):5-8.