T接线路故障仿真计算与分析

0　引言
　　在高压电网中，随着电力系统的发展，从设备投资的经济效益与征地的困难出发，有可能出现三端或三端以上的多端输电线路。多端输电线路的出现，给继电保护的设计与运行带来了许多不利的影响。本文通过对某电力系统的110 kV线路进行了数字模拟与仿真计算，其结果表明涉及零序分量的方向继电器在T接线中有可能出现错误判断，使保护拒动。在实际的T接线路保护中，各方向继电器是否适合被保护系统， 必须对各种运行方式下不同位置的不同故障进行认真详细的仿真计算才能正确确定保护方案。
    
1　系统参数与计算方法
      1.1　系统参数
　　仿真系统结构如图1所示，其中输电线路结构和参数与我国某电网110 kV线路相似，系统等值参数亦与该实际线路所在系统近似相等。线路Ⅰ与线路Ⅱ为平行双回线路，在线路Ⅰ的中点有一T接线路，其长度为线路Ⅰ的一半，单位长度参数与线路Ⅰ完全相同。平行线路参数为：正序阻抗ZL1=0.792 Ω，零序阻抗ZL0=2.772 Ω,零序互阻抗ZLP=0.950 4 Ω,正序阻抗角L1=75°，零序阻抗角L0=65°,零序互阻抗角LP=65°，所有负序参数与正序参数一致。M侧系数等值阻抗为：ZM1=ZM2=0.605 1+j6.916 8 （Ω）,ZM0=0.545 3+j3.092 8 （Ω）。N侧系统等值阻抗为：ZN1=ZN2=3.856 5+j44.08 （Ω）,ZN0=4.355 3+j24.7 （Ω）。T侧变压器漏抗为：ZT=1.322 5+j13.225 （Ω）,其变比为：nT=110 kV/ 35 kV,其接线方式为：Y/△-11。

                                 图1 仿真计算系统结构图

      1.2　仿真计算方法
　　本文采用通用的电磁暂态计算程序（EMTP）进行仿真计算，模拟模型如图2所示，平行双回线路Ⅰ，Ⅱ采用EMTP中的六相输电线路模型，并将其等分成8段，即在每条线路上设置9个故障点，T接线路则采用三相输电模型，等分成4段，即增加4个故障点。由于是110 kV线路，故忽略线路分布电容的影响。M，N侧系统电源采用EMTP中的14型电源（即采用三相对称的正弦电源），系统阻抗亦采用等值的线路模型模拟。T侧采用EMTP中的变压器模型模拟，不考虑饱和影响。由于在EMTP中末端空载的Y/△接法的变压器△侧的零序电位悬浮， 因此， 仿真计算中在变压器的低压侧接了一个对称的大阻抗ZLoad=1 000+j500 （Ω）， 模拟其负荷（此为EMTP建议方法之一，其它方法是使变压器△侧的一角接地或在△侧加对称的小电容）。

                                         图2 仿真计算系统模型
       
2　仿真计算结果
　　表1是在T接线路内部发生单相接地故障（此处是指A相接地故障）时，该线路三侧继电器中的各序电压、电流相位差值的计算结果。从该表中可以看出，正序电压、电流的相位差值及负序电压、电流的相位差值均能正确反映内部故障的方向，由于仿真系统中的正序参数与负序参数一致，则正序电压、电流的相位差值与负序电压、电流的相位差值的计算结果亦完全一致。

       T侧因在模拟计算中增加了负荷阻抗ZLoad=1 000+j500 （Ω）,从而在故障时亦有微小的工频变化量正序、负序电流，因此也可以计算出相位差。在实际应用中却不能据此判断故障的方向，因为如此微小的电流在考虑了干扰的影响和测量的误差之后将近似为零，不能正确测量其相位差。
　　 对于零序电压、电流的相位差则不能完全正确反映内部故障的方向（见表中第4列标有＊号的数据），当M侧母线出口处故障时，N侧的零序电压、电流的相位差值则错误地判断了内部故障的方向，产生错误判断的原因可做进一步分析。
　　N侧零序方向保护的错误判断是在M侧出口及其附近发生故障的时候，不妨设在出口处发生故障，则可容易地得到如图3所示的零序网络等值电路图。显然，N侧零序电流的方向决定于T接点和N侧零序电压的相对高低（忽略各零序阻抗角的差别），而N侧零序电压大小主要决定于阻抗ZL0和Zsn0　的相对大小，T接点零序电压的大小主要决定于ZT0和M侧与T接点之间的零序阻抗ZL0/2的相对大小，在某些参数情况下完全有可能发生N侧零序电压高于T接点零序电压的情况，从而使N侧零序方向继电器错误判断内部故障的方向。M侧的零序方向保护同样可能存在此种情况。推而广之，正序和负序方向继电器是否也可能存在如此情况呢?答案是肯定的。对于本文中的仿真计算系统就可能出现此种情况，只是因为参数没有满足出现此种情况的条件，即两供电侧的系统等值正序和负序阻抗的差别不是很大，并且T侧与N侧或T侧与M侧有线路连接。对于三端供电系统则出现此种情况的可能性更大。这些结论很容易从等值电路图的分析中得到证实，在此不赘述。
                          图3　M侧母线出口故障时的零序网络等值电路图
      注：Zsm0　,Zsn0　为M侧和N侧系统的等值零序阻抗，ZL0为线路Ⅱ的零序阻抗，ZL0/2则为线路Ⅰ在M，N侧的零序阻抗（这里假设两侧阻抗相等），应该注意的是，图3的零序等值电路中没有考虑线路Ⅰ和线路Ⅱ之间的零序互感，如果考虑，则需对图中某些阻抗参数作适当修改，ZT0为T接线路T侧的零序阻抗和负荷侧等值零序阻抗之和，U?0为故障端口的零序电压值。
　　表2是在T接线路内部发生两相接地故障（此处是指AB两相接地故障）时，该线路三侧继电器中的各序电压、电流的相位差值的计算结果。从该表中可以看出，与表1一样，正序电压、电流的相位差值及负序电压、电流的相位差值均能正确反映内部故障的方向，而零序电压、电流的相位差则不能完全正确反映内部故障的方向（见表中第4列标有＊号的数据），即当M侧母线出口处故障时， N侧的零序电压、电流的相位差值则错误地判断了内部故障的方向，产生错误判断的原因与前面分析完全相同，因为前面的分析并没有假定是何种类型的故障。与表1不一样的是正序电压、电流的相位差值与负序电压、电流的相位差值的计算结果并不一致，这是因为计算两相接地短路电流的等值序网图与单相接地不一样，两相接地短路时，正序电流和负序电流的相对关系还要受零序电流的影响，故尽管仿真系统中的正序参数与负序参数一致，而正序电压、电流的相位差值与负序电压、电流的相位差值还是不一致。另外，T侧的正序、负序电压、电流方向存在与单相接地故障所面临的同样问题。

      表3是在T接线路内部发生单相接地故障（此处是指A相接地故障），在不同的接地过渡电阻时，该线路三侧继电器中的零序电压、电流的相位差值的计算结果。从该表中可以看出，零序电压、电流的相位差同样不能完全正确反映内部故障的方向（见表中第2列、5列和8列标有＊号的数据），对于不同的接地过渡电阻，零序电压、电流的相位差值的差别并不太大，由此可见，过渡电阻对故障方向的判别影响不大，即方向继电器对过渡电阻并不敏感。

      注：表1、表2、表3中的故障点是指发生故障的位置，其中ILINE1至ILINE9是指将LINEI线路等分成8段，从M侧到N侧依次排列的点，TLINE1至TLINE4则是将T接线路等分成4段，从T接点到T侧依次排列的点。P?M 0，P?M 1，P?M 2，P?N 0，P?N 1，P?N 2，P?T 0，P?T 1和P?T 2分别表示M，N，T侧的零序、正序、负序电压与电流的相位差值，各电压、电流均为故障时的工频变化量。R?f为接地故障时的过渡电阻值。
　　综上所述，在本文所计算模拟系统的参数条件下，正序和负序故障分量方向继电器在各种情况下均能正确反映内部故障的方向，而零序故障分量方向继电器则可能出现错误的判断。通过分析，发现出现这种情况在T接线路中是可能的、合理的，而且如果T接线路的系统参数满足一定的条件，则正序和负序故障分量方向继电器也可能发生错误判断的情况。因此，在T接线路中应该慎用各种方向继电器，如果必须使用的话，则应根据T接线路的实际参数及其所在系统的各种不同运行方式对方向继电器的性能进行较详尽的仿真计算，以保证其能够全部正确动作或指出在何种具体运行方式下方向继电器不能投入运行。另外，接地过渡电阻对序分量方向继电器的影响不大，可以不考虑过渡电阻对方向继电器的影响。
     
3　结论
　　通过仿真计算与数据分析可得到如下结论：
　　（1）　T接线路中工频变化量方向继电器是否能够正确判断内部故障的方向决定于T接线路所在系统的连接情况及其参数，必须通过较详细的仿真计算方可全面、正确判断该方向继电器的性能；
　　（2）　普通线路中性能良好的保护不一定适合T接线路，T接线路保护系统设计时必须充分考虑其特殊性；
　　（3）　同普通线路一样，T接线路接地故障时，过渡电阻对方向继电器的影响并不敏感，甚至可以不考虑其影响。
     
参考文献
1　Dommel H W 著.电力系统电磁暂态计算理论.李永庄等译.北京：水利电力出版社，1990
                                                                                            编辑：何世平