李 斌 ，戴冬康 ，廖惠琴 ，姜憲國 ，杜丁香 ，李仲青 ，賀家李

（1.天津大學(xué) 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實驗室，天津 300072；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

由于土地資源日益緊張，輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本越來越高，如何能在滿足可靠性要求的基礎(chǔ)上提高單位線路走廊寬度下的輸電能力及降低電力建設(shè)投資，成為國內(nèi)外電網(wǎng)共同追求的目標(biāo)，因此同塔輸電線路被大量采用［1-2］。但同塔輸電線路的架設(shè)也不可避免地引入了一些新的問題，例如線路不平衡度的影響、相間互感對繼電保護(hù)可靠性和選擇性的影響等。在此問題上，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。

文獻(xiàn)［3］對超高壓同塔雙回線零序方向縱聯(lián)保護(hù)誤動案例進(jìn)行了分析，指出雙回線外部相間不接地故障時，雙回線內(nèi)部的零序環(huán)流是造成誤動作的根本原因，并提出增加負(fù)序方向元件和工頻故障分量的方向元件作為改進(jìn)措施。文獻(xiàn)［4］分析了同塔雙回線不同運(yùn)行方式對接地距離保護(hù)測量阻抗的影響，提出了一種新的零序補(bǔ)償系數(shù)修正方法。文獻(xiàn)［5］對雙回線保護(hù)及重合閘技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)綜述并指出應(yīng)用中存在的問題。文獻(xiàn)［6］提出了電流平衡式的雙回線橫差保護(hù)，在避免數(shù)據(jù)交換與同步的基礎(chǔ)上提高了保護(hù)的靈敏性。文獻(xiàn)［7］分析了同塔多回線在不同運(yùn)行方式下零序電流補(bǔ)償系數(shù)及其對接地距離保護(hù)測量阻抗的影響，提出了整定零序電路補(bǔ)償系數(shù)的方法。文獻(xiàn)［8］通過選取不同的同塔四回線相模變化矩陣，利用變化后的各模量形成電流差動保護(hù)。此模量電流差動保護(hù)可以直接在模量下進(jìn)行電容電流補(bǔ)償，計算簡單，且能對單相接地故障實現(xiàn)選相。文獻(xiàn)［9］指出架設(shè)在同一出線走廊的平行雙回線及相鄰線路之間存在零序互感，平行雙回線會產(chǎn)生零序循環(huán)電流，在相鄰線路發(fā)生接地故障時該電流會造成電路平衡電流保護(hù)誤動。

由于多種因素的影響，工程實際中還大量存在局部同塔線路的情況。局部同塔是同塔輸電線路中的一種特殊架設(shè)方式。局部同塔輸電線路與常見的完全同塔輸電線路相比，存在著相同的問題：由于零序互感的存在，發(fā)生故障時保護(hù)安裝處測量的零序電流會產(chǎn)生變化，零序電流的變化使得保護(hù)不能真實反映故障位置，造成保護(hù)的誤判從而導(dǎo)致保護(hù)的拒動或誤動。局部同塔還因其特殊性，有著不同的故障特性，文獻(xiàn)［10］給出了局部同塔雙回線一回線故障時，由于零序互感及雙回線閉合環(huán)網(wǎng)的存在致使雙回線某側(cè)開關(guān)跳閘的相關(guān)案例。對于局部同塔雙回輸電線，其零序電流保護(hù)的整定值計算并未考慮零序互感的影響，所以零序電流的測量會產(chǎn)生偏差［11-12］，導(dǎo)致零序電流保護(hù)不能真實反映故障位置，從而引起保護(hù)的誤動或拒動。

本文分析了局部同塔輸電線路的多種架設(shè)方式，根據(jù)不同架設(shè)方式的特征得到了局部同塔輸電線路的等值電路；并對比研究了局部同塔、完全不同塔輸電線路和完全同塔輸電線路發(fā)生單相接地故障時的故障特征。另外，通過理論分析和仿真驗證得出局部同塔輸電線路的故障回線零序電流受雙回線間距離、非故障線路長度和系統(tǒng)阻抗等因素的影響。在此基礎(chǔ)上，研究了局部同塔架設(shè)方式對零序電流保護(hù)的影響，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 局部同塔輸電線路架設(shè)方式及等值電路

完全不同塔雙回線路的兩回線之間可以忽略互感的存在，即不同塔的雙回輸電線路可以看作2條單回線處理。而單回輸電線路因線路不換位等原因引起的不對稱和不平衡電流問題已有很多研究成果［15-16］，本文不再贅述。

完全同塔和局部輸電線路的架設(shè)方式見圖1。

圖1（a）為兩端共母線的完全同塔輸電線路示意圖，雙回線兩端可能共母線，也可能不共母線。圖中虛線表示雙回線兩端母線的連接關(guān)系。這里以兩端共母線為例進(jìn)行分析，忽略兩回線的電阻，每回線的零序電壓和零序電流的關(guān)系可以表示為：

圖1 完全同塔及局部同塔輸電線路的架設(shè)方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of erection modes for power transmission lines partially and totally on same tower

其中，ΔUⅠ0、ΔUⅡ0分別為Ⅰ、Ⅱ回線的零序電壓；XⅠ0、XⅡ0分別為Ⅰ、Ⅱ回線的零序阻抗；Xm0為兩回線間的零序互感阻抗；IⅠ0、IⅡ0分別為流過Ⅰ、Ⅱ回線的零序電流。

將式（1）、（2）變形可得零序電壓和雙回線零序電流的關(guān)系如式（3）、（4）所示：

由式（3）、（4）可得同塔雙回線零序等效電路如圖2所示。對于完全同塔輸電線路在其他運(yùn)行方式下的零序等效網(wǎng)絡(luò)本文將不再討論。

圖2 完全同塔輸電線路的零序等效電路Fig.2 Zero-sequence equivalent circuit of power transmission lines totally on same tower

局部同塔是同塔輸電線路中的一種特殊架設(shè)方式。局部同塔可以理解為雙回輸電線路在一部分線路同塔，在另外一部分線路不同塔。局部同塔輸電線路大致可以分為以下3種類型。

類型1：局部同塔線路兩端共母線，線路的兩端同塔架設(shè)，線路的中間不同塔架設(shè)，如圖1（b）所示。

類型2：局部同塔線路兩端不共母線，中間有一部分線路同塔架設(shè)，如圖1（c）所示。

類型3：局部同塔線路一端共母線，兩回線同塔一段距離之后分開，另一端不共母線，局部同塔架設(shè)方式如圖1（d）所示。

事實上，圖1（b）所示的局部同塔架設(shè)類型1完全可由圖1（d）所示的類型3組合構(gòu)成。當(dāng)故障發(fā)生在圖1（b）所示線路的同塔部分或不同塔部分時，均可以將沒有發(fā)生故障的局部同塔線路用圖2所示的集中參數(shù)等效電路進(jìn)行等效。因此，局部同塔的類型1和類型3具有類似的故障分析方法，只需分析其中一種類型即可。

對于圖1（c）所示的同塔類型2，由于雙回線路兩端不共母線，其故障分析比較簡單。當(dāng)故障發(fā)生在同塔部分時，零序電流從故障點(diǎn)流向兩端母線，在非故障線路上產(chǎn)生的零序互感電壓極性相反，因此非故障線路上的零序電流大小和方向取決于故障點(diǎn)位置和互感大小等，該故障特征類似于圖1（a）所示的完全同塔線路。當(dāng)故障發(fā)生在不同塔部分的某一回線上時，流經(jīng)本回線的零序電流將在非故障線路上產(chǎn)生一致方向的縱向零序互感電壓。在該零序電壓作用下，非故障線路流過的零序電流將比故障發(fā)生在同塔線路段內(nèi)更為嚴(yán)重，應(yīng)對接地保護(hù)的整定計算值予以考慮。

通過以上分析可知，局部同塔類型3是最具典型代表性的局部同塔雙回線架設(shè)方式，本文以圖1（d）所示的局部同塔類型3為例對其零序電流保護(hù)進(jìn)行深入分析。

2 局部同塔、完全不同塔及完全同塔輸電線路的接地故障特征

本文針對完全不同塔、局部同塔和完全同塔輸電線路發(fā)生單相接地故障時的零序電流特征進(jìn)行分析研究，局部同塔輸電線路示意圖如圖3所示。

圖3中，線路SD為局部同塔線路的同塔部分，線路DN、DP為局部同塔線路的不同塔部分；系統(tǒng)電壓等級為1 000 kV，系統(tǒng)正序、零序阻抗分別為0.001+j49.34 Ω、0.001+j46.03 Ω，同塔輸電線路采用鼓型架設(shè)方式，塔高54 m，兩回線間距30 m；單回輸電線路采用三角型架設(shè)方式，塔高30 m，相鄰兩相的水平距離為10 m，單位長度的線路零序自阻抗zⅠ0=zⅡ0=1.889×10-4+j6.832×10-4Ω，單位長度的零序互感阻抗為 zm0=1.757×10-4+j3.652×10-4Ω，輸電線路采用八分裂導(dǎo)線8×LGJ-630／45，分裂間距為 0.4m；地線型號為LBGJ－240－20AC。

圖3 局部同塔輸電線路示意圖Fig.3 Schematic diagram of power transmission lines partially on same tower

對于完全不同塔、局部同塔和完全同塔輸電線路，當(dāng)雙回線中的一條線路發(fā)生單相接地故障時，其零序電流的分布和計算都是不同的。為了突出局部同塔輸電線路對零序電流保護(hù)的影響，下面將局部同塔線路和完全不同塔線路、完全同塔線路進(jìn)行對比分析。

2.1 完全不同塔輸電線路發(fā)生接地故障時的零序電流分布

對于完全不同塔的雙回輸電線路而言，可以認(rèn)為線路Ⅰ與線路Ⅱ之間沒有互感。當(dāng)Ⅰ回線的區(qū)內(nèi)k點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時，整個系統(tǒng)的零序電流的分布如圖4所示。圖中，QF1—QF4為斷路器；ZS0為母線S側(cè)系統(tǒng)零序阻抗，ZP0、ZN0分別為母線P側(cè)和N側(cè)的零序負(fù)荷阻抗；ZⅠ0、ZⅡ0分別為線路Ⅰ、Ⅱ的零序自阻抗，Zm0為兩回線之間的零序互感阻抗；α為故障點(diǎn)到母線S的距離lSk′占故障線路總長lSN的百分比；IⅠ0、IⅡ0、IS0分別為不同塔雙回線系統(tǒng)中母線S流向線路Ⅰ、線路Ⅱ和系統(tǒng)側(cè)的零序電流；Uk0為故障點(diǎn)k的零序電壓。

圖4 完全不同塔輸電線路發(fā)生I回線接地故障時的零序網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Zero-sequence network of power transmission lines on different towers when Line I has a grounding fault

令Z′Ⅱ0=ZⅡ0+ZP0，根據(jù)基爾霍夫電流定律和S處的零序電壓得：

化簡式（5）得：

列出故障點(diǎn)k的零序電壓方程為：

將式（6）代入式（7）中得：

由式（6）可知，完全不同塔輸電線路的零序電流之比 F1的模值 F1小于 1，即F1取決于ZS0與Z′Ⅱ0，當(dāng)架設(shè)參數(shù)確定后F1為定值，所以當(dāng)故障發(fā)生在線路SN（見圖4）內(nèi)的任何位置時，非故障回線零序電流與故障回線零序電流的模值的比值是一定的且比值小于1，這也就意味著完全不同塔輸電線路的一回線發(fā)生故障時非故障線路零序電流始終小于故障線路零序電流。

2.2 完全同塔輸電線路發(fā)生接地故障時的零序電流分布

完全同塔線路的Ⅰ回線k′點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時，整個系統(tǒng)的零序電流分布如圖5所示。與完全不同塔輸電線路不同的是，完全同塔輸電線路中Ⅰ回線的k′點(diǎn)發(fā)生單相接地故障，故障點(diǎn)兩側(cè)會產(chǎn)生同方向的零序電流，因為零序互感的存在，故障點(diǎn)兩側(cè)的零序電流會在線路Ⅱ上產(chǎn)生如圖5中所示的互感零序電壓 U0、U′0（虛線表示）。

圖5 完全同塔輸電線路發(fā)生I回線接地故障時的零序網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Zero-sequence network of power transmission lines totally on same tower when Line I has a grounding fault

圖中，I′Ⅰ0、I′Ⅱ0、I′S0分別為完全同塔輸電系統(tǒng)中由母線S流向線路Ⅰ、線路Ⅱ和系統(tǒng)側(cè)的零序電流；I′N0為母線N流向線路Ⅰ的零序電流；k′點(diǎn)為故障點(diǎn)，其他參數(shù)的定義與圖4相同。

已有文獻(xiàn)指出，完全同塔輸電線路Ⅰ回線的k′點(diǎn)發(fā)生單相接地故障的情況下，當(dāng)故障點(diǎn)k′從母線S向母線N移動時，非故障線路的零序電流I′Ⅱ0與故障點(diǎn)電流Ik′0的模值比值會單調(diào)增加，而故障線路零序電流I′Ⅰ0與故障點(diǎn)電流Ik′0的模值比值將單調(diào)減小［11］。事實上，對于完全同塔輸電線路一回線故障，故障點(diǎn)兩側(cè)零序電流I′Ⅰ0、I′N0會在相鄰線路感應(yīng)出方向相反的零序電壓U0、U′0，零序電壓的大小與故障回線流過的零序電流和兩回線之間的零序互感阻抗有關(guān)。k′點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時，其兩側(cè)的零序電流大小與系統(tǒng)參數(shù)和故障位置有關(guān)，為簡化分析，假定k′點(diǎn)兩側(cè)系統(tǒng)參數(shù)相同，因此當(dāng)故障點(diǎn)k′位于線路Ⅰ中點(diǎn)時，故障點(diǎn)兩側(cè)的零序電流相等且兩回線之間的零序互感相等，此時U0、U′0可以完全抵消，非故障回線將不受零序互感影響；當(dāng)故障點(diǎn)k′由線路Ⅰ的中點(diǎn)向母線N移動時，零序電流I′Ⅰ0將會減小但是故障點(diǎn)左側(cè)線路（Sk′段）與相鄰線路之間的零序互感阻抗將會增大，因此零序互感電壓U′0可能增大也可能減小，定量分析比較困難，考慮故障最嚴(yán)重情況即線路末端發(fā)生故障，此時非故障線路只受到來自一個方向的零序互感影響，其情況與局部同塔輸電線路一致。

此外因為零序互感的存在，完全同塔輸電線路故障回線零序電流將受到非故障線路零序電流的影響。以圖5所示模型進(jìn)行分析，設(shè)定S端、N端系統(tǒng)阻抗相等，兩回線的零序自阻抗相同，由以上分析可知當(dāng)故障點(diǎn)k′位于線路Ⅰ的中點(diǎn)時，非故障線路零序電流將不受零序互感影響，并且由于系統(tǒng)的對稱性，此時非故障線路零序電流為零，所以故障回線將不受非故障線路的影響；當(dāng)故障點(diǎn)k′位于線路Ⅰ末端時，非故障線路只受到來自一個方向的零序互感影響，與完全不同塔情況相比，非故障線路零序電流將變大，所以完全同塔輸電線路的故障線路零序電流比完全不同塔輸電線路的故障線路零序電流大。為定量分析最嚴(yán)重情況下兩回線零序電流變化，有必要深入研究局部同塔線路接地故障時的零序電流分布。

2.3 局部同塔輸電線路發(fā)生接地故障時的零序電流分布

局部同塔輸電線路的Ⅰ回線發(fā)生單相接地故障時，整個系統(tǒng)的零序電流分布如圖6所示。圖中，Z′m0為局部同塔輸電線路同塔部分兩回線之間的零序互感阻抗（即SD段零序互感阻抗）；Z″m0為母線S到故障點(diǎn)ki（i=1，2）的零序互感阻抗；I″Ⅰ0、I″Ⅱ0、I″S0分別為局部同塔輸電系統(tǒng)中母線S流向線路Ⅰ、線路Ⅱ和系統(tǒng)側(cè)的零序電流；I″k0、I″N0分別為故障點(diǎn)零序電流和由母線N流向故障點(diǎn)的零序電流。

當(dāng)故障發(fā)生在局部同塔輸電線路的同塔部分，即k1點(diǎn)時，故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處的零序互感Z″m0與整個同塔部分的互感Z′m0之間的關(guān)系可用下式表示：

其中，lSk1、lSD、lSN分別為母線S到故障點(diǎn)、同塔末端和母線N端的長度；α為故障點(diǎn)到母線S的距離占故障線路總長的百分比，即α=（lSk1／lSN）×100%；c 為同塔長度占輸電線路總長的百分比，即c=（lSD／lSN）×100%。

圖6 局部同塔輸電線路的同塔部分發(fā)生接地故障時的零序網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Zero-sequence network of power transmission lines partially on same tower when line on shared tower has a grounding fault

由式（9）可知，當(dāng)故障發(fā)生在同塔部分時，Z″m0隨故障距離變化而變化。此時，lSk1

（1）故障發(fā)生在局部同塔雙回線的同塔部分。

當(dāng)故障發(fā)生在k1點(diǎn)時，故障點(diǎn)兩側(cè)的零序電流關(guān)系為：

其中，β1=I″Ⅰ0／I″k0、β2=I″N0／I″k0為零序電流分支系數(shù)。

根據(jù)基爾霍夫電流定律和S處的零序電壓得：

列出故障點(diǎn)k1的零序電壓方程：

由式（11）和式（12）可得：

則由式（8）和（13）可以得出在完全不同塔和局部同塔2種架設(shè)情況下，雙回輸電線路發(fā)生故障時的零序電流關(guān)系（即I″Ⅰ0與IⅠ0之間的關(guān)系）為：

（2）故障發(fā)生在局部同塔雙回線的不同塔部分。

當(dāng)故障發(fā)生在 k2點(diǎn)時有 Z′m0=Z″m0，式（11）可寫成如下形式：

利用上述推導(dǎo)過程可得此時雙回輸電線路在完全不同塔和局部同塔2種架設(shè)情況下，發(fā)生故障時的零序電流關(guān)系為：

由式（14）、（16）可得局部同塔雙回輸電線路在同塔部分和非同塔部分發(fā)生故障時，其故障回線的零序電流I″Ⅰ0與完全不同塔情況下故障回線零序電流 IⅠ0的關(guān)系式不同。

顯然，局部同塔與完全不同塔輸電線路的零序電流之間的關(guān)系與Z′m0、Z′Ⅱ0、ZS0有關(guān)。假定Z′m0、Z′Ⅱ0、ZS0阻抗角近似相等。事實上，各個阻抗之間滿足以下關(guān)系：

將式（17）代入式（14）、（16）得，則可知，這表明局部同塔輸電線路發(fā)生單相接地故障時故障線路產(chǎn)生的零序電流要比完全不同塔輸電線路故障時故障線路零序電流大，這就有可能導(dǎo)致當(dāng)線路發(fā)生區(qū)外故障時保護(hù)誤動。

2.4 零序電流保護(hù)誤動影響因素分析及改進(jìn)方案

由式（14）可得，當(dāng)故障發(fā)生在 k1點(diǎn)且參數(shù) Z′m0、Z′Ⅱ0、ZS0為定值時，局部同塔輸電線路與完全不同塔輸電線路故障回線零序電流的比值隨著α的增大呈近似線性增加。這就意味著當(dāng)完全不同塔輸電線路和局部同塔輸電線路k1點(diǎn)發(fā)生相同類型的故障時，故障位置越靠近同塔末端（即α／c越接近于1），完全不同塔輸電線路故障回路的零序電流與局部同塔輸電線路故障回路的零序電流差別越大，當(dāng)故障發(fā)生在局部同塔輸電線路同塔末端時差別達(dá)到最大。

當(dāng)故障發(fā)生在k2點(diǎn)時，由式（16）可知是α的單調(diào)遞減函數(shù)，于是是α的單調(diào)增遞函數(shù)。這就意味著當(dāng)完全不同塔輸電線路和局部同塔輸電線路k2點(diǎn)發(fā)生相同類型的故障時，故障位置距離同塔末端越遠(yuǎn)（即α越大），完全不同塔輸電線路故障回路的零序電流與局部同塔輸電線路故障回路的零序電流差別越?。丛酱螅瑒t故障發(fā)生在局部同塔輸電線路同塔末端時兩零序電流差別最大。

綜上所述，當(dāng)局部同塔輸電線路發(fā)生單相接地故障時，故障位置處于局部同塔輸電線路同塔末端會造成完全不同塔輸電線路故障回路的零序電流與局部同塔輸電線路故障回路的零序電流差別最大（即最?。?，這就意味著零序電流保護(hù)測量偏差將會達(dá)到最大值，最容易引起零序電流保護(hù)的誤動，因此保護(hù)整定值需要依據(jù)此時的偏差值進(jìn)行修正。

以上討論了故障位置對局部同塔輸電線路故障回線零序電流保護(hù)的影響，下面分析改變局部同塔輸電線路同塔長度對零序電流保護(hù)的影響。

當(dāng)故障發(fā)生在局部同塔輸電線路同塔末端時，Z′m0、αZⅠ0的值將隨著同塔長度的增長線性增加，將式（16）中 ε 的分子、分母同時除以 Z′m0，可以看出將隨著同塔長度的增加而減小。這就意味著當(dāng)局部同塔輸電線路的同塔部分長度增加時，完全不同塔輸電線路故障回路的零序電流與局部同塔輸電線路故障回路的零序電流差別會變大。當(dāng)同塔部分的長度等于雙回線路全長時，兩零序電流的差別達(dá)到最大，零序電流保護(hù)測量偏差將會達(dá)到最大值，因此零序電流保護(hù)的整定值需要根據(jù)局部同塔輸電線路同塔部分的長度進(jìn)行修正。

另外從式（14）和（16）可知，當(dāng)輸電線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，其架設(shè)參數(shù)也會影響局部同塔和完全不同塔輸電線路故障回線的零序電流的比值。例如通過減小局部同塔雙回線之間的架設(shè)距離來增大Z′m0，或者縮短局部同塔輸電線路非故障線路長度使ZⅡ′0變小，都將使完全不同塔輸電線路故障回路的零序電流與局部同塔輸電線路故障回路的零序電流差別變大，導(dǎo)致零序電流保護(hù)更容易誤動。

通過以上分析可知，對于局部同塔輸電線路，當(dāng)接地故障發(fā)生在同塔末端時零序互感會對保護(hù)產(chǎn)生最嚴(yán)重的影響。因此局部同塔輸電線路零序電流保護(hù)的整定計算可以采用考慮零序互感之后的零序電流測量量作為整定值，將同塔末端故障時的信息量作為邊界條件，即：

其中，γ′為同塔末端故障，即α＝c時，γ的取值。

高壓輸電線路一般采用零序電流Ⅰ段和Ⅱ段保護(hù)作為主保護(hù)，零序過電流保護(hù)作為后備保護(hù)。根據(jù)零序電流Ⅰ段（速斷）保護(hù)整定原則，即躲開下級出口處故障時出現(xiàn)的最大零序電流，引入可靠系數(shù)Krel（一般取為 1.2～1.3）。 因此對于局部同塔輸電線路零序電流Ⅰ段保護(hù)，其最大零序電流可以通過將完全不同塔輸電線路下級出口故障時的最大零序電流（IⅠ0）除以γ′得到（即I″Ⅰ0），于是局部同塔輸電線路零序電流Ⅰ段保護(hù)的整定值為：

因此，對于局部同塔輸電線路，當(dāng)其Ⅰ回線發(fā)生單相接地故障時，零序互感的存在將使局部同塔雙回輸電線的兩回線的零序電流增加，這就可能導(dǎo)致線路零序電流保護(hù)的誤動作。為了減小誤動作的可能性，提出對于局部同塔輸電線路的零序電流保護(hù)的整定應(yīng)該采用考慮零序互感之后的零序電流測量量作為整定值，新整定值如式（19）所示。另外對于超高壓雙回輸電線路，當(dāng)線路同塔部分的雙回線之間的零序互感阻抗約為每回線零序自阻抗的70%時，此時零序互感影響更為嚴(yán)重，下面結(jié)合工程實踐中的參數(shù)對局部同塔輸電線路在不同情況下的故障特征進(jìn)行仿真。

3 仿真驗證

3.1 局部同塔線路故障位置對故障線路零序電流影響的仿真

定量分析完全不同塔輸電線路與局部同塔輸電線路發(fā)生接地故障時零序電流的變化。

定義零序電流偏差為：

利用PSCAD搭建仿真模型。局部同塔輸電線路模型參數(shù)如圖3所示，完全不同塔輸電線路模型參數(shù)采用圖3中非同塔部分線路的參數(shù)。圖3中k點(diǎn)發(fā)生A相接地故障，同塔部分的雙回輸電線路各回線理想換位，非同塔部分的輸電線路理想換位，線路SN、SP長度均為100 km，SD長度為60 km。

對于發(fā)生在局部同塔輸電線路同塔部分的故障，當(dāng)故障位置距離母線S端分別為20 km、40 km、60 km時，完全不同塔與局部同塔輸電線路故障回線零序電流的變化仿真結(jié)果如表1所示。

表1 同塔部分的不同位置發(fā)生故障時，局部同塔輸電線路的零序電流誤差Table 1 Difference of zero-sequence current of power transmission lines between partially and none on same tower for different fault locations of line on shared tower

從表1可以看出，當(dāng)故障位置靠近同塔線路末端時，局部同塔與完全不同塔輸電線路故障回線零序電流偏差逐漸變大。

對于發(fā)生在局部同塔輸電線路非同塔部分的故障，當(dāng)故障位置距離母線S端分別為60 km、75 km、85 km時，完全不同塔與局部同塔輸電線路故障回線零序電流的變化仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同塔的不同位置發(fā)生故障時，局部同塔輸電線路的零序電流誤差Table 2 Difference of zero-sequence current of power transmission lines between partially and none on same tower for different fault locations of line on separate tower

從表2可以看出，當(dāng)故障位置遠(yuǎn)離同塔末端時，局部同塔與完全不同塔輸電線路故障回線零序電流偏差逐漸變小。

3.2 局部同塔線路同塔長度對故障線路零序電流影響的仿真

當(dāng)故障發(fā)生在局部同塔輸電線路的同塔末端時，設(shè)定同塔部分的線路長度以10 km為梯度從20 km變化到80 km，仿真模型如圖3所示，觀察完全不同塔與局部同塔輸電線路故障回線零序電流差別大小的變化（即式（16）中γ的模值變化）。

圖7為由式（16）計算得到的與仿真得到的隨同塔長度變化的曲線。從圖中可以看出計算得到的與仿真結(jié)果差別不大。此外，當(dāng)局部同塔輸電線路的同塔線路長度增長時，逐漸變小，完全不同塔輸電線路故障回路的零序電流與局部同塔輸電線路故障回路的零序電流差別會變大。并且基本呈線性變化，這就意味著完全不同塔與局部同塔輸電線路故障回線零序電流的模值比值與同塔長度成正比。

圖7 同塔線路長度不同時，局部同塔輸電線路的γ的模值Fig.7 Curve ofvs.length of line on shared tower for power transmission lines partially on same tower

3.3 新整定值的可靠性仿真與理論驗證

為了驗證新整定值的可靠性，設(shè)定零序電流Ⅰ段保護(hù)的保護(hù)范圍為線路全長的80%。未改進(jìn)前的整定值與新整定值分別通過完全不同塔輸電線路和局部同塔輸電線路末端故障時測量的最大零序電流與可靠系數(shù)的乘積得到。仿真時設(shè)定局部同塔輸電線路的同塔部分長50 km，局部同塔與完全不同塔輸電線路總長均為100 km。對完全不同塔和局部同塔輸電線路在距離母線S不同位置處，發(fā)生單相接地故障時的故障回線零序電流變化進(jìn)行仿真，結(jié)果見圖8。

圖8 零序電流速斷保護(hù)的整定Fig.8 Setting of zero-sequence instantaneous overcurrent protection

圖8中，曲線1、2分別為不同故障位置下，局部同塔與完全不同塔輸電線路的故障回線零序電流；曲線3、4分別為新整定值的理論計算值和仿真值；曲線5為未改進(jìn)之前的整定值。從圖8可以看出，如果局部同塔輸電線路采用未改進(jìn)前的整定值，線路末端（保護(hù)范圍之外）發(fā)生故障時，保護(hù)安裝處測量的電流將超過整定值從而引起保護(hù)誤動，而采用新的整定值后保護(hù)能夠可靠不誤動，從而驗證了新整定值的可靠性，此外通過比較曲線3、4還可以得出理論計算的整定值與仿真結(jié)果偏差較小。

根據(jù)對式（14）、（16）的分析可知，當(dāng)局部同塔輸電線路同塔部分發(fā)生故障時，隨著故障點(diǎn)靠近同塔末端，將近似線性變?。划?dāng)故障點(diǎn)位于非同塔部分時，隨著故障點(diǎn)遠(yuǎn)離同塔末端，將近似線性變大。利用圖8中的仿真數(shù)據(jù)得的圖形見圖9。

圖9 故障支路γ的模值Fig.9 Curve of vs.fault location for faulty line

由圖9可以看出，局部同塔輸電線路同塔與非同塔部分故障時，的變化規(guī)律與式（14）、（16）的理論分析一致。

工程實踐中局部同塔輸電線路廣泛存在，以上研究及仿真驗證表明局部同塔情況下發(fā)生接地故障時的零序電流幅值會明顯大于不同塔雙回輸電線路和兩端共母線的同塔輸電線路。為了避免局部同塔線路零序電流保護(hù)的誤動，必須對其零序電流保護(hù)按照式（19）進(jìn)行定值折算和校驗。

4 結(jié)論

本文分析了單相接地故障時局部同塔架設(shè)輸電線路的故障特性，并與完全不同塔和完全同塔輸電線路的故障特征進(jìn)行對比。仿真結(jié)果表明：局部同塔與完全不同塔輸電線路發(fā)生同種類型故障時，2種情況下故障線路零序電流差別的大小與故障位置有關(guān)：當(dāng)故障發(fā)生在局部同塔輸電線路同塔部分時，故障位置靠近同塔末端，該零序電流差別會變大；當(dāng)故障發(fā)生在非同塔部分時，故障位置遠(yuǎn)離同塔末端，該零序電流差別會變小。這就意味著該零序電流差別會在同塔末端故障時達(dá)到最大值。另外，該零序電流差別會隨著局部同塔線路輸電線路同塔長度變化而變化：當(dāng)故障發(fā)生在同塔線路末端時，同塔線路長度越長零序電流差別越大。該零序電流差別跟局部同塔輸電線路架設(shè)參數(shù)也有關(guān)系：減小局部同塔輸電線路同塔雙回線之間的間距或者縮短雙回線非故障線路長度都會使零序電流差別變大。

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