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不同电压的多回路共享塔式输电线路的距离保护 –
第二部分：故障环路阻抗
摘 要
当设置保护原理时，将不同电压等级组合在一个杆塔中的多回路输电线路会带来额外的挑战，因为电压等级之间可能存在故障。在本研究中，将组合故障的故障回路阻抗与单相接地故障的故障回路阻抗进行了比较，结果表明，对于高短路功率，它们是相似的；然而，随着系统短路功率的降低，组合故障的故障回路阻抗可能会大幅增加，这种行为在单相接地故障中不太明显。研究还表明，与等效单相接地故障相比，组合故障的故障回路阻抗更具电阻性。结论是，用于保护线路免受单相接地故障的设置能够保护线路免受组合故障的影响，如果网络短路功率较低，建议增加保护区的电阻极限。建议确保只有在较高电压水平的故障相导致较低电压水平的故障相的情况下才会发生故障，如果较低电压水平的线路长度小于较高电压水平的线路长度。
1 引言
本文通过重点介绍故障环路阻抗和相应的RX图，延续了第一部分中的分析。对于简化系统，估计距离继电器对组合故障的故障阻抗，以便分析证明电网的短路阻抗对组合故障的故障环路阻抗有很大的影响，而单相对地（SPTG）故障则不会发生这种情况。
基于丹麦多路输电线路，针对母线的不同故障位置和短路功率水平进行了仿真，并在理论分析和仿真的基础上提出了继电器的设置指南。
2 测试系统
本文中为演示目的进行的仿真基于丹麦真实的多回路400 kV/150 kV线路。图1显示了该线的单线图，图2显示了塔的布局和相位在塔中的位置。还提供了来自线路中真实组合故障的故障记录数据。
图1
图2
3 RX 图
3.1 理论期望
本文第一部分表明，组合故障的故障电流大小预计将比SPTG故障大20%。然而，距离继电器使用故障环路阻抗测量来区分故障，这取决于故障期间的电流和电压相量。当短路功率降低时，后者会降低，因此，不可能立即说组合故障的较大电流足以使故障条件落在预设的保护区域内并触发距离继电器;此外，由于故障改变了RX图中故障的位置，因此会发生相位角的变化，并可能导致保护区域外的故障情况。
首先应分析两个方面：SPTG故障的特征是大部分感应电流，部分原因是接地阻抗主要是感性。如前所述，由于塔楼的布局，预计综合故障将在不同阶段之间发生。故障相位之间sim;120°的相位角差也会影响故障环路阻抗的轨迹，应予以考虑。
从前者开始，使用第一部分中完成的理论分析，并将组合故障（1）的方程与SPTG故障（2）的方程进行比较，为了方便起见，可以得出结论，故障电流的相位角应该不会受到故障电流不在地中流动的事实的太大影响。通过模拟来自不同电压电平的相位之间的组合故障证实了这一点。
（1）
（2）
影响测量阻抗的第二个因素是故障相位之间的相位角。以前假设来自不同电压电平的故障相位之间的相位角始终约为plusmn;120°。故障电流取决于两个故障相（1）的电压相量的减去，因为这些是序列分量等效方案中故障电流的驱动电动势（第I部分图4）。如果两个电路具有相同的电压电平，则与SPTG故障相比，这对应于故障环路阻抗的30°变化;对于具有不同电压的相位的预期情况，它将取决于标称电压，即本文中使用的参考系统的故障环路阻抗的变化略大于15°。因此，预计组合故障的故障电流表现出较少的感应行为，但不能说在所有情况下都会显示15°的相位差。
距离继电器安装在线路馈线器中，它看到的电压取决于网络的短路功率。如果网络很强，则距离继电器看到的用于组合故障的故障环路阻抗与 SPTG 故障的故障环路阻抗相比，显示近似 15° 的偏差。对于弱网络，偏差要大得多，甚至有可能距离继电器将故障视为主要是电阻和电容，而不是大部分电感。发生这种情况是因为短路等效电路处存在较大的压降，如果它比线路阻抗大得多，这种情况发生在弱网络中。
图3显示了用于解释这些变化的简化单线图，其中ZTH_400和ZTH_150分别是较高和较低电压电平的戴维宁阻抗。
图3
通过较高电压电平（E）的距离继电器看到的阻抗R_400）在（3）中定义，并且可以简化为（4)。
电压电平之间的组合故障在不同相位之间，（5）是针对涉及400和150 kV线路的组合故障获得的，其中虚部的符号取决于较高的电压电平领先或滞后于较低的电压电平。
考虑到短路当量和线路的X/R相等，（4）可以写成（6），对于400和150 kV之间的组合故障，其中x是400 kV电平的戴维宁阻抗与总阻抗之间的关系。考虑线路的X/R与短路当量相等是用于演示的简化建议，因为线路的X/R具有很高的可变性，但架空线路大多是感性的，这是本演示中最重要的方面。
等式（6）被重写为（7），通过考虑X/R = 10。对于强网络，x的值接近 0，对于弱网络，x 的值接近 1。
变量a是来自 400 kV 网络的戴维宁当量的实部和图3中剩余阻抗的总和。因此，网络越弱，a和x的值就越大。在（7）中应用这种关系，可以对在组合故障期间由较高电压电平（本例中为400 kV）的继电器看到的故障环路阻抗的实部和虚部得出结论。从虚部开始，如果网络很强，网络就是归纳的。随着网络变弱，x增加，虚部减小到接近0的值，直到它变为负，继电器看到的环路阻抗变为容性;在此之后，随着网络变弱，故障环路阻抗随着a和x的继续增加而变得更加容性。接下来进行的模拟（图4–9）演示了这种行为。
图4
图5
图6
图7
图8
图9
将相同的分析应用于（7）的实部，根据组合故障所涉及的相位，可能会发生两种不同的情况。如果来自（7）的值与2.1相加，则当网络变弱时，环路阻抗的实部以正号增加，因为a增加并且x总是小于1;即，当网络变弱时，x的变化会降低环路阻抗的实部，但该值仍然是正数，并且增加会导致故障环路阻抗的实部增加，这意味着距离继电器看到的故障环路阻抗变得更加阻抗。如果从（7）中减去值2.1，则环路阻抗的实部为负，网络越弱，负数越大，因为x和a都增加了绝对值。因此，在这种情况下，安装在较高电压电平的距离继电器会将环路阻抗的实际部分视为负。
如前所述，组合故障将在不同阶段之间发生。因此，如果较高电压电平导致较低电压电平（例如，较高电压电平的相C和较低电压电平的相A之间的故障），则较高电压电平的距离继电器所看到的故障环路阻抗的实际部分为正，如果较低电压电平导致较高电压电平的相A之间的故障（例如，较高电压电平的相A和相位之间的故障），则为负C为较低电压电平）。相反的情况发生在较低电压电平的距离继电器上。表1总结了这些结论。
表 1.当来自较高电压电平的故障相位从较低电压电平引导故障相位时，组合故障的预期行为
应特别提及强网络案例，因为预计这些是最常见的案例。在这些条件下，组合故障和SPTG故障的比较表明，故障环路阻抗的角度变化sim;15°，角度旋转的方向取决于组合故障中涉及的相位。
该理论研究表明，故障环路阻抗可能具有组合故障的负电阻或容性阻抗，具体取决于所涉及的相位和网络的短路功率。此外，母线旁的短路功率对故障环路阻抗有重大影响，这在SPTG故障中并不那么重要。通过仿真需要回答的问题是，这些变化是否足以使环路阻抗落在预设区域之外，即Z1B。
3.2 通过模拟进行验证
第一种情况是较高电压电平的相C和较低电压电平的相A之间的故障，当从较高电压电平的距离继电器看到时，应导致故障环路阻抗具有正电阻。图4显示了第2节中描述的系统中距离MAL站10公里处的故障的RX图。400 kV线路预故障电流为620 A，故障阻抗为2 Omega;接地均为1 Omega;。用于估计故障环路阻抗的k0 值是用于 SPTG 故障的值。本文的其余部分使用相同的系统和数据，更改仅在故障位置和所涉及的阶段进行。
红色星对应于所有短路电源组合的SPTG故障，其余颜色对应于400 kV MAL变电站不同短路功率的组合故障（蓝色：6000 MVA;绿色：2000 MVA和黑色：500 MVA），其他变电站的短路功率在这三种颜色中的每一种值之间变化。蓝色水平线显示Z1电抗的扩展保护区，相当于线路电抗的120%，因为自动关闭通常是保护架空线路免受故障影响的第一步。垂直的蓝线对应于电阻，该电阻的设置考虑了R / X关系为1;对于低于100公里的架空线路[2]，这种关系可以更大，最多2个。正向和反向区域（红色虚线）的分离角度为45°和25°，但重要的是要注意，在某些情况下角度可能较低，应针对每种特定情况进行检查。为了在将组合故障与同一位置的SPTG故障进行比较时更好地可视化阻抗幅度的变化，图中还显示了等于SPTG故障最大阻抗的半径圈。
距离LA
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