电力系统保护与控制 第 49 卷 第 24 期 2021 年 12 月 16 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.24 Dec. 16, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.200853 同塔混压四回线下的单回线故障零序方向元件动作特性分析 刘 震 1，高厚磊 1，郭雅蓉 2 (1.山东大学电网智能化调度与控制教育部重点实验室, 山东 济南 250061； 2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192) 摘要：同塔混压四回线发生故障时，由于近距离物理条件，不仅要考虑相间互感，也要考虑不同电压等级系统之 间的互感对故障分析及保护产生的较大影响。针对弱电强磁与强电联系两种场景下同塔混压四回线中单回线发生 接地故障的情况，首先阐述零序去耦等值电路的建立依据，然后对零序方向元件的动作特性及主要影响因素进行 理论分析。结果表明对于弱电强磁场景，不同电压等级之间的零序互感对零序方向元件动作行为的影响可以忽略 不计。对于强电联系场景，零序互感、电气强度及故障位置综合影响零序方向元件的动作行为。基于 ATP-EMTP 建立 1 000 kV/500 kV 同塔混压四回线模型，对单回线故障条件下的零序方向元件动作行为进行了建模仿真，验证 了理论分析的正确性。 关键词：同塔混压四回线；弱电强磁；强电联系；单回线故障；零序方向元件 Performance analysis of a zero-sequence directional relay for a single-circuit fault in mixed-voltage four-circuit transmission lines on the same tower LIU Zhen1, GAO Houlei1, GUO Yarong2 (1. Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control of Ministry of Education (Shandong University), Jinan 250061, China; 2. China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100192, China) Abstract: When a fault occurs in mixed-voltage four-circuit transmission lines on the same tower, because of their close physical proximity, there is mutual inductance between phases, but also there is the fact that the existence of mutual inductance between different voltage systems will have a great influence on fault analysis and protection. The basis for establishing a zero-sequence decoupling circuit is explained for the circumstance that a single-circuit fault occurs in a mixed-voltage four-circuit transmission line on the same tower under weak-electric and strong-magnetic conditions and with a strong-electric connection. Then, the performance of the zero-sequence direction relay and the main influencing factors are analyzed. The results show that the zero-sequence mutual inductance between different voltage level systems has a negligible effect on the performance of the zero-sequence directional relay under weak-electric and strong-magnetic conditions. The zero-sequence mutual inductance, electrical strength and fault location comprehensively affect the performance of zero-sequence directional relay under strong-electric connection conditions. An ATP-EMTP 1 000 kV/500 kV model of the mixed-voltage four-circuit transmission line on the same tower is established and the performance of the zero-sequence direction relay under single-circuit fault conditions is simulated to verify the accuracy of the theoretical analysis. The work is supported by the Scientific Research Project of China Electric Power Research Institute (No. SGDK0000JBJS1907459). Key words: mixed-voltage four-circuit transmission lines on same tower; weak-electric and strong-magnetic; with strong-electric connection; single circuit fault; zero-sequence direction relay 0 引言 同塔多回输电可以有效利用线路走廊、提高输 电容量、降低电力建设成本[1]。随着特高压电网的 建设，对于输电走廊紧张的地区，建设特高压与超 基金项目：中国电科院科研项目资助(SGDK0000JBJS1907459) 高压同塔多回线路势在必行[1-4]。 零序功率方向元件是线路保护中的一个重要元 件，在零序方向过流保护和纵联零序保护中都会用 到。在中性点直接接地的高压电网中，零序功率方 向元件具有明确的方向性，能够很好地区分正向和 反向接地故障，且不受过渡电阻的影响。当其应用 于同塔混压多回输电线路时，由于线路之间的零序 电力系统保护与控制 -2- 互感及不同电压等级系统之间互感较大，零序功率 方向元件的性能会受到较大影响，进而影响保护的 正确动作[5]。 目前，对于同塔混压四回线的研究主要集中于 雷击建模、参数测量、故障短路计算、距离保护、 选相元件适应性分析及改善等 [6-16]；对零序方向元 件的研究主要集中在同塔双回线输电线路上，而针 对同塔混压四回线的零序方向元件动作特性分析较 少[13-15]。文献[6-7]阐述了同塔混压多回线零序参数 测量方法及绕击建模的进展现状。在故障分析方法 上，一方面是以六序分量法为基础而改进的十二序 分量法[8-10]，另一方面是通过解耦消除互感影响的 多复合序网方法[11-14]。文献[8]在六序分量的基础上 以某一电压等级为基准，将同一段的两个零序系统 并联在四回线上；文献[9]介绍了参数对称的同杆四 回线的十二序分量法；文献[10]利用电磁耦合解耦 提出一种新的故障选线方案，然而解耦过程比较繁 琐，并且运算量大。文献[11]利用提出的多复合序 网，对跨电压故障进行详细分析，没有针对强电联 系场景进行分析；文献[12]通过双口网络理论实现 了同塔混压四回线不同电磁耦合场景下的故障分 析；文献[13-14]在文献[12]的基础上，分析了跨电 压故障下相电流差突变量选相的适应性及对策，提 供了分析传统继电保护在同塔混压四回线系统适应 性的方法，然而针对零序方向元件的适应性分析并 没有展开。零序互感对接地距离保护零序补偿系数 和测量阻抗的影响[15-16]与传统三相故障不同[17]；文 献[18-20]分析了平行双回线在不同网架结构条件 下，电与磁两者间联系对零序方向元件动作特性的 影响；文献[21]分析了不同电压等级同塔多回输电 线路零序功率方向元件动作行为，然而没有分析不 同电压等级之间零序互感的影响。因此，有必要对 不同场景下同塔混压四回线发生故障后的零序方向 元件动作特性进行详细的理论分析。 本文以弱电强磁与强电联系两种场景下的同塔 混压四回线为研究对象，首先对零序解耦的方法进 行详细的理论推导，并阐述了零序等值电路中电气 量的物理意义；其次通过零序等值电路分析了发生 单回线接地故障时，不同线路上零序方向元件的动 作特性和影响因素。在理论分析的基础上，利用 ATP-EMTP 仿真软件建立了 1 000 kV/500 kV 同塔 混压四回线模型，对单回线接地故障进行了仿真和 数据处理，验证理论分析的准确性。 1 零序去耦等值电路的建立 在分析同塔混压四回线系统线路故障特征时， 主要有两点需要注意：(1) 四回线之间的耦合及互 感；(2) 四回线参数的不对称。而分析零序电气量特 征需要形成零序网络，由于四回线不仅存在相间互 感，还存在线间互感，增加了分析零序分量故障特 征的难度。下面的分析将以同塔双回线经典零序去 耦方法为基础，推导同塔混压四回线零序等值电路 的建立过程。图 1 为同塔双回线在零序去耦基础上 得到的零序等值网络，主要依据式(1)的电压电流 方程。 U1  I1Z0L + I 2 Z0  (I1  I 2 )Z 0  I1 (Z 0L  Z0 ) (1) 式中：Z0IL 为同塔双回线输电线路零序阻抗；Z0II 为 同塔双回线两回线之间的线间零序互阻抗。 图 1 同塔双回线零序等值图 Fig. 1 Equivalent zero-sequence networ