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輸電線路相差保護新原理

文檔作者：張蘇敏，古斌，曹良豐，朱烈鋒文檔來源： 1．紹興文理學院 2．湖南省常德供電分公司		點擊數：	更新時間： 2025年07月12日
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上一篇：輸電線路在線監測系統綜述

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第43卷第2期
2015年1月16目
電力系統保護與控制
Power System Protection and Control
Vl0l_43 NO．2
Jan ．16．2015
輸電線路相差保護新原理
張蘇敏 ，古斌 ，曹良豐 ，朱烈鋒
(1．紹興文理學院，浙江紹興312000；2．湖南省常德供電分公司，湖南常德41 5 001)
摘要：相差縱聯保護具有區別電力系統振蕩與短路的優越性能，但傳統相差保護在內部故障時靈敏度易受負荷電流和過渡電
阻的影響，且應用于雙回線或環網時其性能受線路分布電容影響，在外部故障時保護可能誤動。基于無損線路分布參數模型
及故障分量保護原理，提出了新型相差保護原理。理論上保護性能不受負荷電流和過渡電阻的影響，且完全杜絕了外部故障
時保護誤動的可能性，極大地提高了保護安全性，且各種內部故障時可靠動作。理論分析表明所提原理適用于各種故障類型，
其性能不受故障電阻及系統運行狀態等的影響。大量的仿真也證明了該原理的正確性。
關鍵詞：安全性；分布參數模型；雙回輸電線路；相差保護；故障分量網絡
A novel phase comparison protection principle for transmission lines
ZHANG Sumin ，GU Bin ，CAO Liangfeng ，ZHU Liefeng
(1．Shaoxing University,Shaoxing 312000，China；2．Changde Electrical Industries Bureau，
Hunan Province Electric Power Company，Changde 415001，China)
Abstract：Phase comparison protection possesses the superior performance of distinguishing between power system oscillation and
fault，but the sensitivity of conventional phase comparison protection during internal faults is susceptible to the influence of load
current and the fault resistance，and its performan ce is significantly influenced by the distributed capacitance of ultra high voltage
(UHV)transmission lines，which leads to the maloperation of phase comparison relay．A novel distributed parameters model based
positive sequence superimposed components phase comparison protection principle is proposed．The protection performance of the
novel principle is not affected by load current and the fault resistance theoretically．On the other hand，the novel principle completely
overcomes the effects of distributed capacitance to protection，greatly improves the security of protection．The protection
maloperation problem as the external fault of long distance UHV line occurs as well as the maloperation of non—faulty circuit as fault
occurs in one of the double—circuit line on the same tower can be solved．Extensive simulations are perform ed to evaluate the
perform ance of the proposed algorithm．The results show that the algorithm is reliable for UHV power transmission line protections．
Also it is immune to fault resistances and system condition．
Key words：security；distributed parameters model；double—circuit transmission lines；phase comparison protection；fault component
net、vork
中圖分類號： TM77 文獻標識碼：A 文章編號： 1674．3415(2015)02—0076—08
0 引言
由于縱聯保護在理論上具有絕對的選擇性，因
此是高壓和超高壓輸電線路的主要保護方式【J J。方
向縱聯保護[3-4]利用線路兩側的方向元件分別對故
障方向做出判斷，然后通過通訊通道進行綜合判斷，
即對兩側的故障方向進行比較來決定是否跳閘。這
種方式能較快地切除線路發生的各種故障，使得方
向縱聯保護在高速保護中扮演了重要的角色 。 。但
其方向元件的性能受系統運行方式和電壓回路工作
狀況的影響，對于強電源側或高阻故障等情況下的
方向元件，在長線路對側末端短路時保護安裝處故
障分量電壓過低，影響了保護的靈敏性和可靠性，
可能導致誤判，這已被現場運行所證實[8-10J。
相差縱聯保護具有區別電力系統振蕩與短路的
優越性能，簡單可靠，在電力系統中的中短線路上
獲得了廣泛的應用L1 。它通過比較輸電線兩端電流
的相位來判別故障區域以實現保護。傳統的相差保
護通過比較線路兩端工頻電流 + 的相位來判
別故障區域( 為正序電流， 為負序電流，k為系
張蘇敏，等 輸電線路相差保護新原理
數)，在內部故障時靈敏度易受負荷電流和過渡電阻
的影響，嚴重時還會導致拒動【l J。文獻fl1—14]提
出了故障分量相差保護原理，理論上保護性能不受
負荷電流和過渡電阻的影響，亦與兩端電源電勢擺
開角無關，但相差保護應用于雙回線或環網時，其
性能受線路分布電容影響在外部故障時保護可能誤
動。為了消除這種影響，常用的辦法是在保護裝置
中采取補償措施，但這些補償措施均是基于集中參
數線路模型的，并不能完全補償線路上的分布電容
電流。為消除輸電線路分布電容對保護的影響，繼
電保護工作者相繼提出了基于線路分布參數模型的
分相電流差動保護及距離保護【J l，理論上可完全
消除輸電線路分布電容對保護的影響。
隨電力系統輸電線路的增長及輸電容量的增
大， 目前實際系統中相差保護應用已經較少，但是
相差保護作為理論研究還是有其價值的。本文基于
無損分布參數線路模型及故障分量保護原理，提出
了新型相差保護原理，理論上完全消除了線路分布
電容電流的影響，杜絕了外部故障時保護誤動的可
能性，保護可靠性和靈敏度得以極大提高。理論分
析表明所提原理適用于各種故障類型，其性能不受
故障電阻及系統運行狀態等的影響。大量的仿真也
證明了該原理的正確性。
1 正序故障分量相差保護基本原理
對雙端電源輸電系統發生故障時，如電流正方
向為母線指向線路，考慮正序故障分量網絡，則內
部故障判據為[11-12]
arg(Z~rml／△，n1) 0。
外部故障判據為
arg(A／m1／ 1) 180。
(1)
(2)
上述式中， 與 為兩側保護安裝處的基波電
流突變量相量。
2 外部故障時相差保護動作行為分析
2．1單回線區外故障分析
如圖1， 、 。 為兩側系統等值電抗， 為
線路等值電抗， 為容抗，其數值為全線等值容抗 9]；
由無損線路分布參數模型并按圖1電流正方向有
Aim
：J．—A Un,
sin 一 c。s ：
厶1
， 、 (3)
(爭sin 一s 1
M
圖1外部故障時正序故障分量網絡
Fig．1 Positive sequence fault component
network at external fault
式中： = 厶 為相位系數；ZC =√厶／ 為特
征阻抗；厶為線路單位長度等效正序電感；G為線
路單位長度對地等效電容； ，為線路長度。
叫殺j>
當式(4)成立時，可推算知式(3)等號右側括弧中
算式值為負，即 ，與△ 反相u“。
相位系數越大及特征阻抗越小對式(4)的成立
越為不利。根據典型架空輸電線路參數【2 ，計算各
種電壓等級的相位系數(文獻[20】給出的是對應于
60 Hz的傳播常數 的值，這里已折算為對應于50 Hz
的相位系數值)及特征阻抗如表1所示。可見，不同
電壓等級的相位系數相差不大，分析中相位系數取
表1中最大值 =1．0840x10一O／kin)，特征阻抗取表
1中最小值Zc】=230 Q(從 的取值可知一般有
<90。，除非線路長達1 448km以上時， 才大
于90。)。這時線路長度及系統等效阻抗為決定式(4)
是否成立的主要因素，考慮極為不利情況，式(4)中
取 等于Zc1即230 Q時，線路長度須大于724 km
才導致式(4)不成立，當線路長度足以使式(4)不成立
時，外部故障時保護將誤動。需要指出的是， 由于
線路特征阻抗一般較大，系統阻抗通常較小，故實
際上出現上述情況的可能性不大。即正序故障分量
電流相差保護應用于一定長度單回線時，外部故障
保護性能不受分布電容影響。
表1不同電壓等級線路的相位系數及特征阻抗
Table 1 Phase coefficient and characteristic impedance of
diferent voltage transmission line
． 78． 電力系統保護與控制
2．2雙回線路或環網外部故障分析
在雙回線路或環網發生故障時，正序故障分量
網絡如圖2所示。此時線路兩側正序故障分量電壓
△ 與△Vn 由故障點位置決定，但總會出現它們
相等的情況[¨1，此時非故障回線上將流過大小相
等、方向相同的電容電流。
此時相差保護將誤判Il”。
工
fb)環I到
圖2雙回線及環網外部故障時正序故障分量網絡
Fig．2 Positive sequence fault component network of double
circuit and ring network at external fault
． ． 1 ．
A／Ml=A／N1=÷ l (5)
3 基波正序故障分量相差保護新原理
如圖3所示兩端電源輸電系統，其正序故障分
量網絡如圖4。圖中尼為線路參考點(選為線路中點)。
其余參數對應于系統中各點的正序故障分量電流、
電壓相量，其中 、△ 為參考點k點兩側實際
電流值。定義△， 為由M 側保護安裝處的正序故
障分量電壓、電流相量經無損線路分布參數模型求
得的 點正序故障分量電流相量(正方向與圖4中
△， 相同)，△ 為由N側保護安裝處的正序故障
分量電壓、電流相量經無損線路分布參數模型求得
的k點正序故障分量電流相量(正方向與圖4中△
相同)，新的相差保護原理判據為 、 同相
圖3輸電線路系統
Fig．3 Diagram oftransmission system
fa1區外故障
M N
^ m
-
．
A ／ n
— — — rrYⅥ
△
AU
I 、
(b)區內故障
圖4正序故障分量網絡
Fig．4 Positive sequence fault component network
時判為內部故障，反相時判為外部故障。首先分析
外部故障的情況。
3．1外部故障分析
考察圖4(a)，由兩側保護經無損線路分布參數
模型求得 點正序電流：
等 ㈤
一j等sin + lcos
式中， 、 分別為M及N側保護距 點線路長，
由于外部故障時被保護線路無故障點，無損線路分
布參數模型全線成立，這時顯然k點兩側實際電流值
△j 與歸算值 、 分別相等，而
=一△ (7)
則對外部故障顯然有
l=一△， 1 (8)
即
arg( 1／△，血1)=180。 (9)
3．2內部故障分析
如圖4(b)有
張蘇敏，等 輸電線路相差保護新原理 一79．
。=一j sin + cos =
一j in +
等sin r+ -cos r一 -jcos =
一j in + c。 一 c。 ：
△j 一△jfIcos口l
(10)
式中： 為故障點距后點線路長；lm 為M側保護距
故障點線路長； 為由M側保護安裝處的正序故
障分量電壓、電流相量經無損線路分布參數模型求
得的后點正序故障分量電流相量。
再由圖4(b)故障點處電流參考方向有
棚=一C (11)
為N側電流分配系數，可視為實數，
M 、 分別為故障點到M、N側系統中性點的
等值正序電抗。并且
= 一jXΣ (12)
式中， -= 為從故障點看向系統的等值
正序電抗。計及式(11)、式(12)，則式(1O)可表示為
= 一j sin + cos =
f 3
CNZC 一 ，』
再由式(10)、式(11)有
= + cos =
一
4
式(13)代入式(14)得
·~ I[NI(XMl sin 一Zc cos )
·： 面 ‘ )
式中， L1= M1+ Nl。
對式(15)等號右側分子中括弧內算式，考察如
當該式成立時，式(15)等號右側分子中括弧內
算式為負。對式(16)考慮極不利情況，M側系統正
序電抗 取為線路特征阻抗zc1N3230 Q；單位長
線路電抗Xl= ， 由3．1節參數可得 l為0．25
D．／krn，故障點至M側母線的線路電抗為fm ，則
M =X 。 +，lTLf ；從式(16)可看出， 與，mf取得
越大則對該式成立越不利，由于參考點忌選為線路中
點， 與fmf之和為0．5倍全線長度，兩者的最大可
能值也都為0．5倍全線長度，這里為說明問題， 與
fmf都取為0．5倍全線長度，雖然這是不可能出現的
情況。這時式(16)變為
arct
230
arct g 230+0．5／x1．)>O。·．5 (1 7)J
此時滿足式(17)成立的線路長度范圍為不大于
1 045 km。如同3．1節所述， 由于線路特征阻抗一般
較大，系統阻抗通常較小，且 與『mf不可能同時取
最大值，這樣在實際系統中要使得式(16)不成立的
線路長度要遠大于1 045 km，而這通常可能性不大。
這樣一般有
1 sin  妻 籀黧 氏算法及濾
． 80． 電力系統保護與控制
4 仿真測試
利用EMTDC／PSCAD 電磁暫態仿真軟件分別
對本文提出的相差保護新原理及高速算法進行了仿
真試驗。仿真模型如圖5為500kV系統，保護位于
雙回線的某一回線。
圖5仿真系統圖
Fig．5 Simulation system
雙回線互參數為： 尺 =0．006 5~／krn；L =
45．798 laH／km：Cm=312．65 pF／km。
線路參數為：雙回線路等長，長度為360 km；
單回線路長度為280 km R】=0．007 58 f~／km；R0=
0．154 21 f~／km ； LI=O．839 22 mH／km ； Lo=2．643 9
mH／km；C1=0．013 97 pF／km ：Co=0．009 296 pF／km 。
M 側等效電源參數為：Zm1=1．05+j43．18 Q；
Zmo_j29．09 Q；N 側等效電源參數為：Zn1=1．06+
j44．92 Q：z~o=j37．47 Q。
參考點k為線路中點。由線路參數可知其正序
系統特征阻抗Zr 為245 Q，其正序系統相位系數
為1．075×10一(1／km)，考慮線路全長時，I=360 km
時，8l為o．387， COS8l o．926，sin8l o．377，
式(6)的各補償系數COS(,al／2)為0．981 337，sin( ／2)
為0．192 294 7。
采樣頻率為2kHz，故障開始時間為0．2 S。仿真
案例中仍J~arg( l／△，n¨)， J~arg(A,／m 1／△，n1)；
im 、i b、i 分別為被保護線路M側三相電流。
4．1典型故障仿真
圖5中，區內故障為F1點(距離M 側200 Wn)，
區外故障為F2點(距離L側180 km)，故障電阻為
15 Q，故障仿真見圖6、圖7。可見在各種區內故障
時保護可靠動作，各種區外故障時保護可靠制動。
4．2高阻故障
圖8描述了F1及F2點A相接地高阻故障的情
形(故障電阻400 Q)。從仿真可看出保護具有故障分
量保護的特征，其性能不受過渡電阻影響。
4．3雙回線外部故障
圖9仿真了雙回線F3點故障的情況(距離M側
90 km)。從仿真結果可知，傳統方向保護在線路兩
側都判為正方向故障，保護必然誤動。而新原理可
正確判為區外故障。
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(a)A卡¨接地敝5
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(b)AB兩州接地故障
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(d) ：1f}1故障
圖6區內故障仿真結果
Fig．6 Waveforms for internaI faults
張蘇敏，等 輸電線路相差保護新原理
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(a)A4{1接地故障
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(b)AB兩相接地故障
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t／(5 ms／格)
fd1-：XI1故障
圖7區外故障仿真結果
Fig．7Waveformsfor externalfault
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(a)區內故障
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(b)l 外故障
圖8單相接地高阻故障仿真結果
Fig．8Waveformsfor aA—G faultwithfault
resistance of 400 (2
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(a)A*H接地故障
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t／(5ms／格)
fb)AB麗相接地故障
f1
． 82． 電力系統保護與控制
90
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0．1800 0．1900 0．2000 0．2lO0 0．2200 0．2300 0．2400
t／(5 ms／格
(C)ABX[]問故障
90
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0 180 0 0．19O 0 0．200 0 0．210 0 0 220 0 0 230 0 0 240 0
t／(5 ms／格)
(d)=相故障
圖9雙回線外部單相接地故障仿真結果
Fig．9 Waveforms for double-circuit line external A—G fault
5 結論
論文提出了一種新型基波正序突變量相差保護
原理。該原理基于故障分量保護原理及輸電線路分
布參數模型，不僅具備故障分量保護的所有優點，
而且還自動地考慮了電容電流的影響，不再需要進
行電容電流補償，完全克服了分布電容對保護的影
響，在單回長輸電線路及雙回輸電線路區外故障時
保護不誤動，極大地提高了保護的安全性。理論分
析及大量仿真說明，所提原理在各種區內故障時保
護可靠動作，區外故障時可靠制動，適合于各種故
障類型，其性能不受故障電阻及系統運行狀態等的
影響，具有良好的工程應用前景。
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收稿日期：2014-04—15； 修回日期：2014-06—29
作者簡介：
張蘇敏(1 966-)，男，碩士，主要從事電力系統繼電保
護的研究；
古斌(1969一)，男，博士，主要從事電力系統繼電保
護的研究；E-mail：gbl108@126．com
曹良豐(1972一)，男，本科，工程師，主要從事電力系
統自動化的研究。

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