基于补偿零序压差原理的110 kV线路纵向故障保护方案

董新涛，李文伟，李宝伟，2，滕晨旭，王振宇，石 欣，杜小磊

（1.许继电气股份有限公司，河南许昌 461000；2.华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北武汉 430074；3.广西电网钦州供电局，广西钦州 535000）

0 引言

输电线路发生纵向故障的概率较小，对电力系统的危害没有短路故障严重，线路保护原理及定值整定一般主要考虑横向故障[1-6]，较少考虑发生概率较小的纵向故障[7-13]。近年架空断线概率不断增加[14-18]。110 kV 变电站通常为负荷站，当110 kV输电线路发生纵向故障时，线路保护不能快速有选择性地切除故障，直接造成对供电负荷的影响，甚至可能造成继电保护出现失去选择性扩大影响范围等不可预料的动作情况。已有多起110 kV 线路发生单相断线故障的案例[19-20]。110 kV 变电站通常有2回或2 回以上的进线，在线路发生纵向故障时，线路保护快速有选择性地切除故障，由站内备自投完成负荷转移，能够有效防止110 kV 线路断线对供电负荷的影响，快速切除故障也能减少对其他保护的影响，因此亟需提出能够在发生断线故障后快速识别并切除故障的保护方案。

目前，针对110 kV 线路断线的研究较少，文献[18]在已有的零序过流保护基础上，提出适应线路断线故障的保护方案，方案针对220 kV 及以上电压等级线路进行故障分析，不适用于110 kV 负荷站线路，且仅适用于重载线路，对轻载线路的适应性在文献中没有进行分析。文献[19-20]对110 kV 变电站进线断线故障及故障后的情况进行了分析，指出现有保护装置没有针对断线故障的保护方案。文献[21]分析了同塔4 回线路单回线路纵向故障健全线零序方向保护存在误动的风险。文献[22-24]分析了配电网的断线故障，但未对大电流接地系统的断线故障进行分析。文献[25]提出的基于暂态量的方案及文献[26]提出基于微分方程计算电压降落的方案，均需要较高的采样率，不易应用到现有的基于工频量原理的保护装置中。

目前针对110 kV 线路纵向故障分析仍不够充分，保护原理实用性不强。本文通过分析110 kV 负荷站变压器中性点接地和不接地方式下线路的单相、两相断线故障特征，提出了基于线路双端零序电气量的补偿零序电压差动原理的断线保护，实现了断线故障的快速可靠动作，在110 kV 纵联差动保护装置上增加断线保护逻辑，并在数字仿真系统（Real Time Digital Simulator，RTDS）上建立110 kV 负荷站输电系统，验证了所提断线保护方案的有效性。

1 110 kV馈线断线故障分析

1.1 单相断线故障分析

对单相断线进行故障分析，以A 为特殊相，如图1 所示。其中，系统中M为系统侧；N为负荷站侧；发生xy处A 相断线。EM，EN分别为M，N侧系统电势；IA，IB，IC分别为断线后A，B，C 相电流；UxyA，UxyB，UxyC分别为断线后A，B，C 相断线处电压。

图1 单相断线故障系统示意图Fig.1 Schematic diagram of power system with singlephase line broken fault

按照经典故障分析，单相断线时故障序网图如图2 所示。其中，EMA，ENA分别为M，N侧系统A 相电势；ZMi，ZNi分别为M，N侧系统正、序、零序阻抗；ZLi为线路正、序、零序阻抗；UxyAi为断线xy处的正、序、零序压降；i取1，2，0，表示正、负、零序；k为断线故障距M侧母线长度的线路全长比例。

图2 单相断线故障序网图Fig.2 Sequence networks of single-phase line broken fault

根据图2 可得断线处零序电压、电流为：

式中：IA1，IA2，IA0分别为A 相的正负零序电流；UxyA1，UxyA2，UxyA0分别为断线后相断线处正负零序电压；EMA，ENA分别为M，N侧系统A 相电势；Z11，Z22，Z00为xy处向系统看去的等值正序、负序、零序阻抗，其中，Z11=ZM1+ZL1+ZN1，Z22=ZM2+ZL2+ZN2，Z00=ZM0+ZL0+ZN0。

M，N侧母线处的零序电压为:

式中：UMA0为M侧母线处的零序电压；UNA0为N侧母线处的零序电压。

由式（2）可知，发生单相断线时零序网络在断线处有零序电压源UxyA0，方向与（EMA-ENA）相同，大小成正比。由式（3）—式（4）可知MN侧母线处零序电压方向相反。单相断线故障零序电压分布如图3 所示。

图3 单相断线零序电压分布图Fig.3 Zero-sequence voltage distribution of singlephase line broken fault

相对单相断线故障的一般分析，对于110 kV 馈线，N侧为负荷站时，存在变压器中性点接地和不接地2 种方式，在负荷站变压器中性点接地时，EN为0，图2 和式（1）—式（4）均成立，零序网络的零序电压分布满足图3 的特征。在负荷站变压器中性点不接地时，相当于在ZN0处开路，此时断线处零序电压、电流分别为：

可得出M，N侧母线处的零序电压为:

单相断线故障零序电压分布如图4 所示。发生单相断线时零序网络在断线处有零序电压源UxyA0=EM/2。M侧零序电压为0；N侧零序电压为-EM/2。

图4 N侧不接地系统时单相断线零序电压分布图Fig.4 Zero-sequence voltage distribution of singlephase line broken fault of ungrounded system at side N

1.2 两相断线故障分析

对两相断线进行故障分析，如图5 所示。系统中发生xy处B，C 相断线。

图5 两相断线故障系统示意图Fig.5 Schematic diagram of power system with twophase line broken fault

按照经典故障分析[27-30]，两相断线的故障序网图如图6 所示。根据图6 可得，M，N侧母线处的序电压与单相断线相同，同样可以用式（3）和式（4）来表示。

图6 两相断线故障序网图Fig.6 Sequence networks of two-phase line broken fault

根据图6 可得，零序电流、电压之间的关系为：

由式（10）可知，发生单相断线时零序网络在断线处有零序电压源UxyA0，方向与（EMA-ENA）相反，大小成正比。

由式（3）和式（4）可知，M，N侧母线处零序电压方向相反，可以得到两相断线故障零序电压分布图，如图7 所示。

图7 两相断线零序电压分布图Fig.7 Zero-sequence voltage distribution of two-phase line broken fault

对于110 kV 馈线，N侧为负荷站时，存在变压器中性点接地和不接地2 种方式，在负荷站变压器中性点接地时，EN为0，图6 和式（9）—式（10），式（3）—式（4）均成立，零序网络的零序电压分布满足图7 的特征。

在负荷站变压器中性点不接地时，相当于在ZN0处开路，此时零序电流、电压之间的关系为：

M，N侧母线处的零序电压为:

可以得到单相断线故障零序电压分布图，如图8 所示。发生单相断线时零序网络在断线处有零序电压源UxyA0=-EM。M侧零序电压为0；N侧零序电压-UxyA0=EM。

图8 N侧不接地系统时两相断线零序电压分布图Fig.8 Zero-sequence voltage distribution of two-phase line broken fault of ungrounded system at side N

2 保护判据

对于110 kV 馈线，由图3 和图7 可知，在负荷站变压器中性点接地时发生单相或两相断线，M，N两侧存在零序电压且相位相反。由图4 和图8 可知，在负荷站变压器中性点不接地时发生单相或两相断线，M侧零序电压为0，N侧有较大的零序电压。将零序电压从一侧沿线路全长补偿得到补偿电压，即：

式中：U0_C为按线路全长补偿的电压；U0为保护安装处母线零序电压；I0为线路零序电流；ZL0为线路全长零序阻抗。

根据式（15），由UM0，UN0可得UM0_C，UN0_C。以M侧进行电压补偿为例，提出压差继电器，即：

式中：k为比率制动系数；U0set为动作门槛。

U0set取值原则为在区外发生断线或接地故障时，UM0_C理论上和UN0相等，式（16）左侧压差理论值为0，压差继电器不动作。在区内发生断线故障时，负荷侧变压器中性点不接地时线路无零序电流，补偿前后相等，如图4 和图8 所示。

负荷侧变压器中性点接地时，补偿零序电压特征如图9 所示。M侧补偿电压与N侧零序电压差依然满足相位相反。因此U0set整定主要考虑两侧精工电压门槛，可预置为2 V，实现工程上免整定。

比率制动系数k取值原则为在区内发生断线故障时，负荷侧变压器中性点接地时，补偿零序电压特征如图9 所示，M侧补偿电压与N侧零序电压差依然满足相位相反，k＜=1 均能准确识别出故障。负荷侧变压器中性点不接地时线路无零序电流，补偿前后相等，如图4 和8 所示。此时式（16）中（3UM0_C-3UN0）与（3UM0_C+3U N0）相等，考虑足够的灵敏度，k取值0.85。

图9 断线故障零序补偿电压特征Fig.9 Zero-sequence compensation voltage of line broken fault

系统发生单相接地或两相短路接地时也存在零序网络，这种情况要求断线保护不能够误动作，因此需要采取措施。针对区内发生单相接地或两相短路接地时，零序差流继电器满足，在零序差流继电器满足时闭锁压差继电器。

综上分析，提出断线保护判据如图10 所示。其中，Tset为断线保护动作时间定值。补偿零序压差继电器如式（16）所示。

图10 断线保护动作逻辑Fig.10 Action logic of line broken fault

零序差流继电器是线路纵联差动保护中零序差动保护的零差继电器，断线保护无专用的启动元件，在断线时发生电流突变以及断线后零序电流能够启动，断线保护动作后永跳断路器。

3 保护装置实现方案

断线保护判据中补偿零序压差继电器，零序差流继电器均需要两侧的数据，且要求两侧数据是同步的，因此可在110 kV 纵联电流差动保护装置上实现断线保护逻辑。补偿零序电压差继电器的接线要求为保护安装处的三相电压及电流，不需要增加额外的模拟量输入，断线保护相关定值如表1 所示。其中，1—8 项为原有定值，整定原则不变；1，2用于保护启动；3 用于零差继电器；4，5，8 用于纵联通道；6，7 用于零序电压补偿计算；9，10 项为新增定值；9 用于断线保护投退；10 用于断线保护延时确认。断线保护比率制动系数预设为0.85，无需整定；断线保护动作门槛，预设为2 V，无需整定；断线保护动作时间，根据动作速度要求整定，范围为0～10 s，可预设为0，无需整定，此时动作时间小于30 ms，因此断线保护无新增需要整定的定值。

表1 断线保护相关定值Table1 Setting items of disconnection protection

4 仿真验证

4.1 试验模型及模型参数

为验证所提补偿零序压差原理，在实时数字仿真系统（RTDS）建立测试平台，对所设计装置进行仿真测试验证。仿真系统RTDS 模型接线图如图11 所示。其中，S1为电源，B1，B2，B3，B4为断路器，M1为系统侧母线，M2为复合站侧母线，K1，K2，K3，K4，K5为横向故障故障点；F1，F2，F3为纵向故障故障点。L1为系统至负荷站输电线路，保护安装在M1和M2两侧；T1为负荷站变压器。G1为地刀隔离开关；负荷站变压器可以运行在中性点接地和不接地方式，LOAD为负荷。

图11 RTDS模型系统图Fig.11 Power system model based on RTDS simulation

4.2 补偿零序压差原理验证

由第1 节故障分析可知，断线时故障特征和断线发生在线路上的位置无关，即线路上任一位置发生单相断线，故障特征相同，线路上任一位置发生两相断线，故障特征相同。负荷站变压器中性点接地时，故障特征与EMA，Z11，Z22，Z00有关，即受系统方式、线路长度、线路负荷影响。负荷站变压器中性点不接地时，故障特征仅与EMA有关，即不受系统方式、线路长度、线路负荷影响。试验的保护装置录波数据结果与此分析一致。

试验中调整系统方式及负荷大小使线路运行在轻载、重载。系统参数见表2。

表2 110 kV负荷站供电系统参数Table 2 Power supply system parameters of 110 kV load station

负荷站变压器中性点接地，改变系统方式、线路长度、线路负荷等，模拟发生F1，F2，F3点单相断线，分析保护装置的故障录波，数据如表3 所示。其中，3U01为M1侧零序电压；3I01为M1侧零序电流；3U02为M2侧零序电压；3I02为M2侧零序电流；3Uo_c为由M1侧零序分量计算得到的零序补偿电压，即将3U01，3I01带入式（15）可得到3U0c。模拟发生F1，F2，F3点两相断线，数据如表4 所示。

表3 负荷站中性点接地线路单相断线故障数据Table 3 Single phase disconnection fault data of neutral grounded line in load station

表4 负荷站中性点不接地线路单相断线故障数据Table 4 Single phase disconnection fault of neutral ungrounded line in load station

负荷站变压器中性点接地时，发生单相断线时的共同特征是故障后两侧零序电流相位相反、零序电压相位相反。相同的系统方式、线路长度、线路负荷下，改变故障点，故障特征相同。随着系统方式、线路长度、线路负荷的变化，发生断线故障时，故障特征相似，差别在于零序分量的量值不同，断线判据具有较高的灵敏度，动作时间小于23 ms，出口时间小于30 ms，具有很好的速动性。

负荷站变压器中性点不接地，改变系统方式、线路长度、线路负荷，模拟发生F1，F2，F3点单相断线，分析保护装置的故障录波，数据如表5 所示。模拟发生F1，F2，F3点两相断线，数据如表6 所示。

表5 负荷站中性点接地线路两相断线故障数据Table 5 Two-phase disconnection fault data of neutral grounded line in load station

表6 负荷站中性点不接地线路两相断线故障数据Table 6 Two-phase disconnection fault of neutral ungrounded line in load station

发生断线时，保护的故障录波特征相同，故障前两端无零序电压、无零序电流，故障后两侧无零序电流，电源侧无零序电压。单相断线时，负荷站侧零序电压大小约为3EM/2。断线判据灵敏度＞1.15；两相断线时，负荷站侧零序电压大小约为3EM，断线判据灵敏度＞1.05；断线保护动作时间小于23 ms，出口时间小于30 ms，具有很好的速动性。

4.3 综合验证

设置仿真测试项目，通过改变系统方式、线路长度、负荷侧变压器中性点接地方式、线路负荷等，模拟横线故障包括K1，K2，K3，K4，K5的单相接地、两相短路接地、三相短路接地、三相短路故障；模拟纵向故障包括F1，F2，F3的单相断线故障、两相断线故障，模拟复合故障包括F1，F2，F3的单相断线系统侧接地、单相断线负荷侧接地。在发生横向故障时断线保护不误动，发生区内纵向故障断线保护正确动作并永跳。

5 结论

本文进行了110 kV 负荷站变压器中性点接地和不接地方式下线路的单相、两相断线故障特征分析，提出了基于线路双端零序电气量的补偿零序电压差动原理的断线保护，通过理论分析、保护装置实现和仿真测试，结论如下：

1）本文所提判据简单清晰，且判据基于主流的工频算法，便于在现有的保护装置上实现。

2）在可靠性、选择性方面，基于线路双端数据，识别线路区内断线特征，仅在区内发生断线故障时动作，区内横向故障、区外横向故障、区外断线故障时均不动作。

3）在灵敏性方面，在负荷站变压器中性点接地时发生单相断线、两相断线故障时具有较高的灵敏度，在负荷站变压器中性点不接地时发生单相断线、两相断线故障时具有足够的灵敏度。

4）在速动性方面，根据仿真测试结果，保护动作时间＜23 ms，出口时间＜30 ms，具有较高的速动性。