適用于同塔四回輸電線路的接地電抗繼電器

邰能靈，郭培育，于仲安，夏 溢，范春菊

（1.江西理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，江西 贛州 341000；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

近年來，為緩解提高電力輸送容量與輸電走廊匱乏間的矛盾，同塔4回輸電線路越來越多的得到應(yīng)用［1］.同塔4回輸電線路的一個顯著特點是各回線線間及相間均存在復(fù)雜的電磁耦合.接地距離保護(hù)是目前高壓輸電線路中的主要后備保護(hù)之一，但受電磁耦合的影響，接地電抗繼電器在4回線中的效果均不理想.如何消除同塔4回線零序互感影響是目前多回路輸電線路距離保護(hù)亟待解決的問題.

筆者借鑒單回線路零序接地電抗器的基本工作原理［2-6］，以同塔4回線Ⅰ回線發(fā)生單相接地短路為例，應(yīng)用12序分量法［7］對同塔4回線進(jìn)行解耦，推導(dǎo)出保護(hù)安裝處和故障點相電壓間的關(guān)系，提出以f序零序電流作為極化量的接地電抗繼電器動作判據(jù).EMTP仿真并分析該繼電器在送電側(cè)、受電側(cè)以及線路空載運行時的動作性能，結(jié)果表明該繼電器能夠準(zhǔn)確而快速地動作.

1 同塔4回輸電線路的解耦

如圖1所示，同塔4回線由上到下依次為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ回線，其長度設(shè)為l.假設(shè)該系統(tǒng)中同塔4回線線路參數(shù)均相應(yīng)對稱，即線路的自阻抗為Zs，線路的相互阻抗均為Zm，不同回線間的互阻抗也相等記為Zx.同桿四回線單位長度正序阻抗均記為Z1.

圖 系統(tǒng)接線示意Figure 1 System structure

同塔4回線路導(dǎo)線間存在非常復(fù)雜的互感.為了消除導(dǎo)線間互感的影響，便于對其進(jìn)行研究，該文采用12序分量法對線路進(jìn)行解耦.文獻(xiàn)［7］對12序分量法進(jìn)行了詳細(xì)的論述，本文在此僅做簡要的說明.首先對同塔4回線的相電壓和相電流進(jìn)行線間解耦，分解為e，f，g，h分量，其中e向量為4回線的同向量，g，g，h向量為環(huán)流量.經(jīng)過P矩陣變換后，e，f，g，h分量之間不再存在互感.然后進(jìn)行相間解耦，利用對稱分量法將同向分量和環(huán)流分量的三相電壓、電流分解成相應(yīng)的正、負(fù)、零序分量，分別表示為e1，e2，e0，f1，f2，f0，g1，g2，g0，h1，h2，h0.通 過 變換矩陣M，可以完成ABC向量和12序分量之間的轉(zhuǎn)換：

經(jīng)過變換后線路的阻抗矩陣為對角陣，說明各電氣量已經(jīng)完全解耦不存在互感.12序分量法阻抗參數(shù)如表1所示.

表1 12序分量法阻抗參數(shù)Table 1 Impedance of 12-sequence components

表1中，Zs表示同塔4回線單位長度自阻抗；Zm表示同塔4回線單位長度相間互阻抗；Zx表示同塔4回線單位長度線間互阻抗.

經(jīng)過12序分量法分解后可以發(fā)現(xiàn)：第Ⅰ回線上的各相電氣量等于同向量e加上環(huán)流量f；第Ⅱ回線上的各相電氣量等于同向量e減去環(huán)流量f再加上環(huán)流量g；第Ⅲ回線上的各相電氣量等于同向量e減去環(huán)流量g再加上環(huán)流量h；第Ⅳ回線上的各相電氣量則等于同向量e減去環(huán)流量h.

2 同塔四回線保護(hù)安裝處與故障點電壓的關(guān)系

單回線輸電線路發(fā)生短路故障時，故障點電壓和保護(hù)安裝處電壓關(guān)系：

采用12序分量法對4回線解耦后可得到類似的表達(dá)式.如圖1所示，當(dāng)同塔4回線發(fā)生短路故障時，保護(hù)安裝處和故障點相電壓間的關(guān)系推導(dǎo)如下.

1）第Ⅰ回線上發(fā)生單相接地短路時，保護(hù)安裝處和故障點相電壓間的關(guān)系為

2）第Ⅱ回線上發(fā)生單相接地短路時，保護(hù)安裝處和故障點電壓間的關(guān)系為

3）第Ⅲ回線上發(fā)生單相接地短路時，保護(hù)安裝處和故障點電壓間的關(guān)系為

4）第Ⅳ回線上發(fā)生單相接地短路時，保護(hù)安裝處和故障點電壓間的關(guān)系為

3 同塔四回線零序電抗繼電器的基本原理

對單回線接地距離保護(hù)，當(dāng)不考慮相鄰線補(bǔ)償和保護(hù)極化時，其保護(hù)測量阻抗一般為［8］

定義零序電抗繼電器的補(bǔ)償電壓為［9］

對同塔4回線輸電系統(tǒng)，以Ⅰ回線路發(fā)生A相接地故障為例，由式（4）可得

定義適用于同塔4回線Ⅰ回線零序電抗繼電器的補(bǔ)償電壓為

當(dāng)Ⅰ回線A相接地短路時，由文獻(xiàn)［10］可知其故障特征為Ⅰ回線A相對地電壓為0，除Ⅰ回線A相以外的其他所有相對地電流均為零，將初始邊界條件轉(zhuǎn)換為e，f，g，h序分量，則有

可見，當(dāng)Ⅰ回線A相發(fā)生單相接地短路時，I·f0與I·Ⅰ0基本相位相同，其他故障有類似的結(jié)論.因此，筆者提出以I·f0為極化量與補(bǔ)償電壓U·opφ進(jìn)行比相，構(gòu)成適用于同塔4回線Ⅰ回線零序電抗繼電器的動作判據(jù)：

相似地，可得到適用于同塔4回線Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ回線零序電抗繼電器動作判據(jù)依次為

4 ATP-EMTP仿真驗證

限于篇幅，筆者只給出Ⅰ回線路故障后接地電抗繼電器的動作分析.系統(tǒng)模型如圖1所示，系統(tǒng)參數(shù)如下：系統(tǒng)電壓等級為330kV，同塔4回線線路長度l為200km，X和Y側(cè)系統(tǒng)正序阻抗分別為1.85+j54，1.85+j90Ω，零序阻抗分別為1.85+j54，1.85+j90Ω；同桿4回線單位長度自阻抗、相間互阻抗、線間互阻抗分別為j0.137 5，j0.025 2，j0.018 8Ω／km.ATP仿真中，每周期采樣40個點.整定值取Zset=0.85Zl，其中Zl為同塔4回線總阻抗，Zl=Z1l.Z1為同塔4回線單位長度正序阻抗.

考慮兩側(cè)電源夾角為60°送電端、受電端以及系統(tǒng)空載時3種運行方式下，不同故障距離處經(jīng)不同過渡電阻時的動作情況，仿真結(jié)果分別如圖2～4所示（圖中橫坐標(biāo)為保護(hù)安裝處與故障點之間的距離，縱坐標(biāo)為線路各故障點過渡電阻值，實線為動作線，空白部分為不動作區(qū)域）.

1）由仿真結(jié)果圖2可以看出，當(dāng)零序電抗接地繼電器安裝在送電端時，其具有較高的耐受過渡電阻能力，尤其是在距離保護(hù)安裝處40%的范圍內(nèi)，其可承受過渡電阻達(dá)到400Ω，并且動作區(qū)末端的情況也較好，臨近末端線路70%的地方仍可以反應(yīng)70Ω電阻；

2）當(dāng)零序電抗接地繼電器安裝在受電端時，從圖3仿真結(jié)果可看出，其抗過渡電阻的能力降低，基本是從保護(hù)安裝處到線路末端線性下降的，但其總體效果仍然優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)范圍內(nèi)可靠動作；

3）圖4所示為系統(tǒng)處于空載運行時，在線路首端20%處過渡電阻可達(dá)到400Ω，在距離保護(hù)170 km處過渡電阻為24Ω時仍然能夠可靠動作.

由仿真實驗結(jié)果可知，適用于同塔4回線輸電線路接地電抗繼電器在各種運行方式下均具有較高的性能.

圖2 60°送電端仿真結(jié)果Figure 2 Simulation result of 60°sending side

5 結(jié)語

筆者利用12序分量法完成對具有復(fù)雜耦合的同塔4回線進(jìn)行解耦，根據(jù)解耦得到的電氣量，提出了適用于同塔4回輸電線路接地電抗繼電器，利用補(bǔ)償電壓為極化量形成其動作判據(jù)，大量的EMTP仿真實驗表明該接地繼電器在保護(hù)區(qū)內(nèi)能夠準(zhǔn)確而快速動作，提高了同塔4回線距離保護(hù)的性能.

［1］張嘉，葛榮良.同塔多回輸電技術(shù)特點及其應(yīng)用分析［J］.華東電力，2005，33（7）：23-26.ZHANG Jia，GE Rong-liang.Features and application of power transmission technology of multi-circuit lines on the same tower［J］.East China Electric Power，2005，33（7）：23-26.

［2］王賓，董新洲，周雙喜，等.特高壓交流輸電線路接地阻抗繼電器動作特性分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（17）：45-49，86.WANG Bin，DONG Xin-zhou，ZHOU Shuang-xi，et al.Analysis of ground impedance relay operation characteristics for UHV AC transmission lines［J］.Automation of Electric Power Systems，2007，31（17）：45-49，86.

［3］楊蘭，曾祥君，陳眾，等.基于負(fù)序電壓極化的自適應(yīng)阻抗繼電器研究［J］.電力自動化設(shè)備，2006，26（3）：25-27.YANG Lan，ZENG Xiang-jun，CHEN Zhong，et al.Study on adaptive impedance relay based on negative sequence voltage polarization［J］.Electric Power Automation Equipment，2006，26（3）：25-27.

［4］穆大慶，胡亮.多相補(bǔ)償阻抗元件的研究與仿真分析［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2007，22（4）：26-30.MU Da-qing，HU Liang.Research on multi-phase compensate impedance component of protection relaying［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2007，22（4）：26-30.

［5］張艷平，曾祥君，陳眾.阻抗繼電器動作特性的MATLAB仿真分析［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2007，22（4）：76-78.ZHANG Yan-ping，ZENG Xiang-jun，CHEN Zhong.Simulation analysis of impedance relay operating characteristics with MATLAB software［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2007，22（4）：76-78.

［6］王賓，董新洲，薄志謙，等.零序電抗繼電器在特高壓交流輸電線路上的適用性分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（4）：47-50.WANG Bin，DONG Xin-zhou，BO Zhi-qian，et al.Analysis on the zero-sequence reactance relay application in ultra-high-voltage AC transmission lines［J］.Automation of Electric Power Systems，2008，32（4）：47-50.

［7］田羽，范春菊，龔震東.同桿4回線12序分量法研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（21）：35-39.TIAN Yu，F(xiàn)AN Chun-ju，GONG Zhen-dong.A study on twelve-sequence component method of four-parallel lines on same towers［J］.Automation of Electric Power Systems，2007，31（21）：35-39.

［8］張穎，邰能靈.同塔四回線接地距離保護(hù)的分析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（12）：1-6.ZHANG Ying，TAI Neng-ling.Analysis of ground distance protection for quadruple-circuit transmission lines on the same tower［J］.Power System Protection and Control，2010，38（12）：1-6.

［9］朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理與技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［10］鄧孟華，范春菊，劉玲.基于12序分量的同桿4回線短路故障計算［J］.電流系統(tǒng)自動化，2008，32（14）：64-67.Deng Meng-hua，F(xiàn)an Chun-ju，Liu Ling.Calculation of short circuit fault offour jointed parallellines on the same tower based on twelve sequence components［J］.Automation of Electric Power Systems，2008，32（14）：64-67.