220kV同杆双回线继电保护方案的研究
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摘要
同杆双回线具有投资少、节约土地、单位走廊输送容量大等优点，目前在我国220kV及以上电压等级输电线路中的应用逐渐增多。但是，由于同杆双回线会发生跨线故障，致使同杆双回线的故障种类多达120种，并且同杆双回线的故障计算和分析十分复杂。因此对同杆双回线的跨线故障进行研究，提出适用于同杆双回线的保护方案具有现实意义。
同杆双回线发生跨线故障时，不仅相与相之间有互感，相邻两线间还有线间互感，这使得在单回线上能正确动作的保护，用在同杆双回线中不同程度的都存在一些问题。同杆双回线发生跨线故障时还有一些特殊问题，如，两回线运行内部发生单回线故障或非同名跨线故障时，两健全同名相电流可能不相等；在两回线运行时发生跨线故障，两故障同名相电流也可能不相等。这些特殊问题的存
太原理工大学硕士研究生学位论文
在，对同杆双回线中的保护的正确动作影响也很大。为了
便于我们分析这些问题，本文研究了六序分量法，其实质
是消去互感。将六序分量法的数学模型与同杆双回线时故
障时的边界条件结合，便可求出故障时各序电流和各序电
压的解析表达式，进而求出各相电流和电压。接着利用该
方法分析了同杆双回线的特殊问题，为后面的同杆双回线
继电保护方案的研究提供了理论依据。
同杆双回线中的保护能否正确动作，选相元件是关
键。本文首先研究了相电流差突变量选相元件和负序零序
电流选相元件在同杆双回线中的动作特性，结果表明在跨
线故障时它们会有不正确的动作。接着分析了同杆双回线
跨线故障时，保护安装处看到的跨线故障相电流之间具有
的相位关系。基于这些关系，本文研究了一种用于同杆双
回线跨线故障的选相原理一基于故障相电压比较故障相
电流相位。将该选相原理与相电流差突变量选相和负序零
序电流选相原理结合，可以构成一种新的、用于同杆双回
线的保护选相元件。
最后本文提出了一个用于220kV同杆双回线的保护方
案。方案中以纵联距离和零序方向元件作为快速主保护，
2
太原理〕一大学硕士研究生学位论文
以工频变化量距离元件构成快速I段保护，由三段式相间
和接地距离及二个延时段零序方向过流构成后备保护;采
用综合选相元件进行同杆双回线的故障选相。并且分析了
方案中各保护的原理及动作特性。
As a important electric power transmission modle ,the double circuit lines on the same tower have been used increased, because it may enhance the transmission capacity of each way, reduce used ground and save cost. There are 120 kinds of faults occurred in double circuit lines, for the existence of the cross country faults. It is very complex when we calculate and analyze the faults occurred in double circuit lines, so it is very significant to study the character of cross country faults in double circuit lines and bring forth a protection scheme used in double circuit lines.
There is mutual-induction between the phases also
between the lines in double circuit lines, thus the protective relay used in single circuit lines will act incorrectly .There are several special problems when the cross country faults are occurred in double circuit lines, for example, the two normal same phase current may not be equal when the faults occurred in single circuit lines or the cross country faults occurred between the different phases ;the two fault same phase current may not be equal, when the cross country fault occurred in the operation between two lines. These special problems have greatly effect on the correct action of relay, so the six-sequence component theory is presented, eliminating the mutual-induction is its virtuality. We can get the sequence current and sequence voltage of double circuit lines when its mathematics model was associated with the boundary condition of the faults. Then we analyzed the special problems in double circuit lines using the theory above.The results of analysis will support the protection scheme used in double circuit lines later.
The fault phase selection is a key factor whether the
protective relay will act correctly or not. The research on the behavior of the phase current difference suddenly-change and the sequence current elements under various cross country faults in double circuit lines is presented. The result of the research indicated that error phase may be selected by above two elements under such faults conditions. Then the phasor condition between the phase currents under cross country faults in double circuit lines are analyzed. A new fault phase identification method is proposed, which is based on comparing the difference of the fault voltage judging the phasor condition between the fault currents .The fault phase selector of new protection in thesis is integrated by three components mentioned above.
Finally a 220kV protective relay scheme is proposed which is used in double circuit lines. The fast major protection is the pilot distance relay and zero sequence direction relay; the fast I section protection is consisted of the main frequency variation distance selector; the reserved protection is consisted
of three steps phases and ground distance relay and two
delayed zero frequency direction overflowing relay; the fault phase selector of new protection in this scheme is integrated by three components in double circuit lines ; finally the theory of the protective relay and the action performance are analyzed.
同杆双回线发生跨线故障时，不仅相与相之间有互感，相邻两线间还有线间互感，这使得在单回线上能正确动作的保护，用在同杆双回线中不同程度的都存在一些问题。同杆双回线发生跨线故障时还有一些特殊问题，如，两回线运行内部发生单回线故障或非同名跨线故障时，两健全同名相电流可能不相等；在两回线运行时发生跨线故障，两故障同名相电流也可能不相等。这些特殊问题的存
太原理工大学硕士研究生学位论文
在，对同杆双回线中的保护的正确动作影响也很大。为了
便于我们分析这些问题，本文研究了六序分量法，其实质
是消去互感。将六序分量法的数学模型与同杆双回线时故
障时的边界条件结合，便可求出故障时各序电流和各序电
压的解析表达式，进而求出各相电流和电压。接着利用该
方法分析了同杆双回线的特殊问题，为后面的同杆双回线
继电保护方案的研究提供了理论依据。
同杆双回线中的保护能否正确动作，选相元件是关
键。本文首先研究了相电流差突变量选相元件和负序零序
电流选相元件在同杆双回线中的动作特性，结果表明在跨
线故障时它们会有不正确的动作。接着分析了同杆双回线
跨线故障时，保护安装处看到的跨线故障相电流之间具有
的相位关系。基于这些关系，本文研究了一种用于同杆双
回线跨线故障的选相原理一基于故障相电压比较故障相
电流相位。将该选相原理与相电流差突变量选相和负序零
序电流选相原理结合，可以构成一种新的、用于同杆双回
线的保护选相元件。
最后本文提出了一个用于220kV同杆双回线的保护方
案。方案中以纵联距离和零序方向元件作为快速主保护，
2
太原理〕一大学硕士研究生学位论文
以工频变化量距离元件构成快速I段保护，由三段式相间
和接地距离及二个延时段零序方向过流构成后备保护;采
用综合选相元件进行同杆双回线的故障选相。并且分析了
方案中各保护的原理及动作特性。
As a important electric power transmission modle ,the double circuit lines on the same tower have been used increased, because it may enhance the transmission capacity of each way, reduce used ground and save cost. There are 120 kinds of faults occurred in double circuit lines, for the existence of the cross country faults. It is very complex when we calculate and analyze the faults occurred in double circuit lines, so it is very significant to study the character of cross country faults in double circuit lines and bring forth a protection scheme used in double circuit lines.
There is mutual-induction between the phases also
between the lines in double circuit lines, thus the protective relay used in single circuit lines will act incorrectly .There are several special problems when the cross country faults are occurred in double circuit lines, for example, the two normal same phase current may not be equal when the faults occurred in single circuit lines or the cross country faults occurred between the different phases ;the two fault same phase current may not be equal, when the cross country fault occurred in the operation between two lines. These special problems have greatly effect on the correct action of relay, so the six-sequence component theory is presented, eliminating the mutual-induction is its virtuality. We can get the sequence current and sequence voltage of double circuit lines when its mathematics model was associated with the boundary condition of the faults. Then we analyzed the special problems in double circuit lines using the theory above.The results of analysis will support the protection scheme used in double circuit lines later.
The fault phase selection is a key factor whether the
protective relay will act correctly or not. The research on the behavior of the phase current difference suddenly-change and the sequence current elements under various cross country faults in double circuit lines is presented. The result of the research indicated that error phase may be selected by above two elements under such faults conditions. Then the phasor condition between the phase currents under cross country faults in double circuit lines are analyzed. A new fault phase identification method is proposed, which is based on comparing the difference of the fault voltage judging the phasor condition between the fault currents .The fault phase selector of new protection in thesis is integrated by three components mentioned above.
Finally a 220kV protective relay scheme is proposed which is used in double circuit lines. The fast major protection is the pilot distance relay and zero sequence direction relay; the fast I section protection is consisted of the main frequency variation distance selector; the reserved protection is consisted
of three steps phases and ground distance relay and two
delayed zero frequency direction overflowing relay; the fault phase selector of new protection in this scheme is integrated by three components in double circuit lines ; finally the theory of the protective relay and the action performance are analyzed.
引文
[1] 葛耀中，新型继电保护与故障测距原理与技术，西安：西安交通大学出版社，1996
[2] 朱声石，高压电网继电保护原理与技术，北京：中国电力出版社，1995
[3] 李红岩，王安定，张保会，一种新型故障检测和故障选相方法， 继电器，1997，02
[4] 钱国明，何奔腾，一种改进的高压线路保护选相元件，电力自动化设备，1999；19(4)
[5] 杨世骅，何奔腾，一种基于电压序分量的高压线路保护选相元件，中国电力，1999，32(7)：2528
[6] 徐振宇，杨奇逊，刘万顺，等，一种序分量高压线路保护选相元件，中国电机工程学报，1997，17(3)：214～216
[7] 林湘宁，刘沛，杨春明等，基于相关分析的故障序分量选相元件，中国电机工程学报，2002，22(5)：16～21
[8] 林湘宁，刘沛，刘世明等，对模故障分量选相元件的一些探讨，电工技术学报，2001，06
[9] D.W. E Thomas, M.S.Jones, C.Christopoulos, Phase selection based on superimposed components, IEE Proc.: Generation, Transmission and Distribution, May 1996,143(3):295～299
[10] W. M. Al-hassawi, N. H. Abbasi, A neural-network-based approach for fault classification and faulted phase selection, Conference on Electrical and Computer Engineering, Canadian, 1996, vol. 1:384～387
[11] R.K.Aggarwal, Q.Y.Xuan, R.W.Dunn, et al, A novel fault classification technique for double-circuit lines based on a combined unsupervised/supervised neural network, IEEE Trans on Power Delivery, 1999,14 (4):1250～1256
[12] 沈国荣，工频变化量方向继电器研究，电力系统自动化，1983，1
[13] 陈皓，自适应技术在电力系统继电保护中的应用，电力自动化设备，2001，10
[14] 葛耀中，自适应继电保护及其前景展望，电力系统自动化，1997，21(9)：42～46
[15] Y.Hu, D. Novosel, M.M. Saha, et al, An adaptive scheme for parallel-line distance protection, IEEE Trans. on Power Delivery, 2002,17(1):105～110
[16] 周玉兰，1999上半年我国电力系统继电保护运行情况，中国电力，2000，33(5)：50-53
[17] 欣疆，采用光纤通信后的220kV线路保护配置，电力系统自动化，2001，17
[18] 赵建青，尹项根，陈德树，广东电网光纤保护方案的分析，广东电力，2001，01
[19] 高厚磊等，应用GPS的数字电流差动保护，电力系统及其自动化学报，1994，6(4)
[20] H.Y.Li, et al, A new type of differential feeder protection relay using the global positioning system for data synchronization, IEEE Trans. on PWRD, vol.12, no.3, July 1997
[21] 李国钧，赵玉才，同杆并架双回线的按相电流平衡保护，贵州：继电保护学术讨论会，1985，05
[22] 宋从矩，王笑然，用相位比较原理构成双回线路横差动保护的新元件，继电器，1983，04
[23] 莫海军，330kV安康—南郊同杆并架双回线保护运行综述，水力发电，2000，11：47～48
[24] 黄益庄，李春光，微处理机方向横差保护装置的研究与应用，清华大学学报自然科学版，1997，37(1)：45～48
[25] 索南加乐，雷明，WXB-21型同杆双回线微机保护：横联保护原理，电力自动化设备，1991，02：2～7
[26] (日)冈村正已，太宏田次著，牟敦庚译，输电线路继电保护，北京：水利电力出版社，1983
[27] 曹树江，宋从矩，同杆双回线接地距离保护的特殊问题，河北电力技术，1994，13(2)：63～66
[28] 曹树江，同杆双回线继电保护方案的研究，天津大学硕士论文，1992，2
[29] 朱亚明，同杆并架双回线路保护的研究，能源部南京自动化研究所硕士论文，1991，11
[30] 张华贵，220～500kV同杆双回线继电保护及重合闸，继电器，1996，02：17～20
[31] 陆继璜，同杆双回线微机距离保护的设计和试验，电力系统自动化，1988，12(2)：17～26
[32] 葛耀中，陶惠良，索南加乐，同杆双回线的故障特点和继电保护问题，天津：中国电机工程学会继电保护学术会议，1988，11
[33] 黄震，同杆双回线跨线故障继电保护方案研究，四川电力技术，2002，01
[34] 侯效政，关于同杆并架双回线跨线故障下稳定对策的讨论，电
网技术，1996，05
[35] 盛海华，同杆并架双回路继电保护配置方案探讨，浙江电力，1997，06
[36] 索南加乐，葛耀中，同杆双回线故障的准确故障定位方法，中国电机工程学报，1992，12(3)：1～9
[37] 索南加乐，葛耀中，用六序复合序网法分析同杆双回线的一些特殊问题，继电器，1991，01：2～14
[38] 索南加乐，葛耀中，六序故障分量及其在同杆双回线中的故障特征，电力系统自动化，1989，13(4)：44～51
[39] 赵希正，等，220kV同杆并架线的保护方式问题，继电器，1980，2
[40] P.G.MeLaren, L.T. Fernando, Enhanced double circuit line protection, IEEE Trans.on Power Delivery, 1997, 12 (3): 1100～1108
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[42] S.Skok, A.Marusie, Distance protection of a double-circuit line based on Kohonen neural network considering different operation modes, IEEE Porto Power Teeh.Conferenee, Porto, Portugal, Sep. 2001, vol. 4:219～223
[43] M.Agrasar, F.Uriondo, A useful methodology for analyzing distance relays performance during simple and inter-circuit faults in multi-circuit lines, IEEE Trans.on Power Delivery, 1997,12 (4):1465～1471
[44] M.M.Eissa, O.P.Malik, Investigation of impedance based protection
technique for EHV 3-terminal double circuit lines, IEE Proceedings: Generation, Transmission and Distribution, 2000,147(6):317～321
[45] L.J.Oppel, E.Krizauskas, R.H.Austenfeld, Evaluation and testing of a single terminal step distance scheme for use on a six phase transmission system, IEEE Trans. on Power Delivery, 1998, 13(4): 1527～1529
[46] L.Oppel, E.Krizauskas, Evaluation of the performance of line protection schemes on the NYSEG six phase transmission system, IEEE Trans. on Power Delivery, 1999,14 (1): 110～115
[47] R.V.Rebbapragada, M.T.Brown, Design modification and layout of utility substations for six phase transmission, IEEE Trans. on Power Delivery, 1993,8(1):24～30
[48] LFP-902A(C)型超高压线路成套快速保护装置技术说明书，南京南瑞继保电气有限公司，1998
[49] 姜祥生，220千伏同杆(塔)三回路送电线路研究，中国电机工程学会输电电气分专委会学术研讨会，1999：381～388
[50] 韦钢，薛敏，同杆并架4回输电线路的探讨，电力建设，1999，03：4～7，11
[51] 袁季修，同杆双回线多路重合闸的应用，电力自动化设备，1991，02：14～20，33
[52] 许敬贤，同杆双回线跨线故障计算，中国电机工程学会第二次继电保护及自动装置学术讨论会论文集，1979
[53] 贺家李，葛耀中编著，超高压输电线路故障分析与继电保护，科学出版社，1987
[54] 王梅义，电网继电保护应用，北京：中国电力出版社，1999，3
[55] 俞波，杨奇逊，李营，同杆并架双回线保护选相元件研究中国电机工程学报，2003．4，23(4)
[56] RCS-902A型超高压线路成套保护装置说明书，南京南瑞继保电气有限公司
[2] 朱声石，高压电网继电保护原理与技术，北京：中国电力出版社，1995
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[6] 徐振宇，杨奇逊，刘万顺，等，一种序分量高压线路保护选相元件，中国电机工程学报，1997，17(3)：214～216
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[37] 索南加乐，葛耀中，用六序复合序网法分析同杆双回线的一些特殊问题，继电器，1991，01：2～14
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[55] 俞波，杨奇逊，李营，同杆并架双回线保护选相元件研究中国电机工程学报，2003．4，23(4)
[56] RCS-902A型超高压线路成套保护装置说明书，南京南瑞继保电气有限公司