融冰移相器的接入对线路纵联保护的影响分析

黄丽苏，郝正航，肖迎群，班国邦

（1.贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州理工学院 大数据学院，贵州 贵阳 550007；3.贵州电网有限责任公司 电力科学研究院，贵州 贵阳 550002）

0 引言

受凝冻天气影响，南方电网经常发生覆冰现象，造成倒塔、断线等重大事故，严重威胁电力系统的安全可靠运行[1-2]。为消除输电线路覆冰的危害，1990年提出了基于移相变压器（phase shifting transformer，PST）带负荷融冰的方法[3]。在国外，由于PST稳态潮流控制作用，已被广泛应用于均衡潮流以消除线路过载、合理分配线路潮流以改善电网输电能力[4]。目前，PST在国内应用较少，然而，由于其在提高输电通道利用率和线路融冰等方面表现出来的优越性，在我国将有广阔的工程应用前景[5]。对于PST的研究大多数集中在潮流控制原理、优化选址等方面[6-8]，很少有关于其接入后对线路保护产生影响的研究。

文献[9]提出了不同类型PST本体差动保护的配置方案。文献[10]分析了统一潮流控制器的接入对纵联差动保护的影响，但该潮流控制器与 PST的结构原理不同。文献[11]从整体上分析了 PST对纵联保护的影响，并未从结构原理上进行分析。本文从PST的结构原理、电流移相特性等方面出发，分析PST接入线路后对纵联差动保护的影响，并根据影响机理和工程实际提出有效的改进措施，最后进行仿真验证。

1 融冰PST原理

图1 融冰PST线路的等值电路Fig.1 Equivalent circuit of melting ice PST line

PST带负荷在线融冰技术一般用于220 kV及以上的输电线路，220 kV及以上的电力系统容量大且对绝缘要求高，故融冰PST往往采用对称双芯结构。对称双芯PST由串联变压器、并联变压器（又称励磁变压器）组成[14]，串联变压器原边、副边绕组均采用三角形连接，励磁变压器原边、副边绕组均为星形连接。串联变压器原边绕组连接到输电线路中，串联变压器原边中心绕组连接到励磁变压器原边绕组，串联变压器副边绕组与励磁变压器副边绕组连接，励磁变压器副边绕组上接入了有载分接开关，调整励磁变压器绕组的极性即可实现电压的超前滞后调节，改变有载分接头的位置即可实现电压相角大小的调节，以此达到PST输入、输出电压幅值相同，相位改变的目的。同时，该PST的零序电路等效为一个恒定的零序阻抗[15]。

对称双芯PST输入、输出电压电流关系为：

2 融冰PST控制保护系统设计

2.1 融冰PST线路的电路结构

对于该融冰PST系统，主要由并联支路和串联支路组成，并联支路可以作为旁路并联在 PST两端，串联支路直接串联在输电线路中，并且串联和并联支路中均包括隔离开关（BSW）、接地刀闸（GSW）、断路器（BRK），其电路结构如图2所示。

图2 融冰PST在线路中的电路结构Fig.2 Circuit structure of ice melting PST in line

2.2 控制保护系统

在含融冰PST的电力系统中，PST串联在输电线路中运行，融冰PST在切换运行状态时，均应满足对输电线路正常运行不产生影响的前提条件。

融冰PST的控制保护系统根据电力系统的运行需求，通过控制串联支路以及并联支路中BSW、GSW、BRK的分合状态，实现PST在投入（融冰运行、BRK4检修）、退出（隔离、检修）、热备用（短路）等运行状态之间的切换。由图2中虚线标示的分区可知，PST区内故障包括PST本体、BRK2和 BRK3之间发生的故障。线路故障是除PST区内的输电线路上发生的故障。含融冰 PST输电线路的控制保护系统所用的电流互感器（CT）、电压互感器（PT）配置已在图2标示。当系统运行在融冰状态时，将由 PST本体保护和线路保护相互配合来保障系统的安全运行。若故障发生在PST区内时，由PST本体保护动作切除故障，通过断开BRK2和BRK3、闭合BRK4使PST从线路中隔离；若故障发生在线路中，由过流保护闭合BRK4将PST旁路，并且由线路保护动作断开线路中对应的BRK以切除故障，根据故障类型和系统运行状态判定PST是否重新投入。

3 融冰PST对纵联保护的影响分析

融冰PST的接入会改变线路电流信号，从而对常规线路纵联电流差动保护带来影响，下面将分别研究常规线路纵联电流差动保护中不同原理的稳态分相电流差动保护，零序电流差动保护，分相突变量电流差动保护受融冰PST的影响。

3.1 零序电流差动保护

在研究融冰PST的加入对线路零序差动保护的影响机理时，必须首先推导其零序特性。由于融冰PST三相参数对称，以A相结构参数为例，图3是融冰PST的A相等效电路。

图3 融冰PST的A相等效电路Fig.3 Phase A equivalent circuit of ice-melting PST

利用基尔霍夫定律可得串联变压器的零序变量关系式如下：

由于融冰PST的串联变压器二次侧绕组为三角形连接，又因为零序电流三相相位和大小相同，故零序电流将在串联变压器二次侧形成环流，而不能从串联变压器流入励磁变压器，则可得：

从以上融冰PST的零序网络特性可知，零序电流只在串联变压器中存在，故通过励磁变压器的分接开关调节档位时并不会改变其零序网络特性。

将式（4）到式（9）联立可得：

串联变压器的磁平衡关系为：

将式（3）（10）（12）代入式（11）可得：

通过式（13）可得到融冰PST的零序阻抗为：

式（14）表明，在零序网络中，对称双芯结构的融冰PST等效为一个恒定的感性阻抗，其值不随移相角的改变而变化。融冰PST对线路零序电流差动保护的贡献与常规阻抗元件相同，又由于该阻抗元件和线路均为阻感特性，则线路阻抗仍呈感性，阻抗特性并未发生改变。此时，在线路内部发生故障时，融冰PST所在线路两端的故障电流仍为母线流向线路，即保护安装处采集到的电流方向并未发生逆转，仍满足零序电流差动保护原理。零序电流差动保护从融冰PST母线侧的电流互感器（CT1）或者线路侧的电流互感器（CT5）采集电流信号都不会对零序差动电流和零序制动电流的计算造成影响。然而，零序电流差动保护一般会经低比率制动系数的稳态差动元件选相，融冰PST对该分相元件的影响机理与稳态电流分相差动保护相同，具体理论分析过程将在稳态分相电流差动保护影响分析中阐述。

3.2 稳态分相电流差动保护

根据对称双芯移相器的结构原理和移相特性，从3个方面分析其对稳态分相电流差动保护的影响。

（1）在线路M侧，若稳态分相电流差动保护取CT5的电流信号，则融冰PST相当于在保护范围之外。再者，融冰 PST的阻抗为感性，则当线路发生内部故障时，将不会出现故障电流反向的情况，因此，稳态分相电流差动保护采集CT5的电流信号不会影响保护动作特性。此时，将融冰PST接入220 kV双回输电线路，原来线路保护中的稳态分相电流差动保护的算法仍然适用。

（2）若线路纵联电流差动保护在 M 侧采集的电流信号来自CT1，由于融冰PST的加入改变了电流相位，如图4所示[16]。

图4 PST正序、负序、零序电流分量的相位角偏移Fig.4 Phase angle deviation of PST positive sequence,negative sequence,and zero sequence current components

由图4可得正序、负序、零序电流分量关系为：

将式（15）～（17）写成矩阵形式：

将式（18）进行对称分量反变换，可得：

式中：a=ej120°=c os(120°)+jsin(120°)，a=ej240°=cos(240°)+jsin(240°)。

将式（18）左乘矩阵A，根据式（19）（20）得：

其中，根据矩阵计算可以得到矩阵K(φ)为：

此时稳态分相电流差动保护的差动电流和制动电流为：

利用CT1的电流信号进行稳态分相电流差动保护的差动电流和制动电流计算时，采集到的电流信号不能直接利用，需要根据移相角度进行电流相位补偿，即需要利用矩阵 K(φ)进行修正，但是融冰 PST的移相角随着档位的调节而不断变化，并不是一个固定值，因而存在跟踪有载分接开关位置的非标准变化相移问题。

（3）从对称双芯 PST内部结构分析融冰PST两侧电流相位不一致的原因，以A相为例进行说明。

同理可得 B、C相差动电流和制动电流的算法公式：

经过对PST结构特性以及对差动电流和制动电流算法影响的研究可知，当采用CT5的电流信号构成稳态分相电流差动保护时，PST为保护区外的元件，将不会对该保护特性产生影响；而利用CT1的电流信号时，需要PST的档位信息或者串联变压器原边中心绕组的电流信息，增加了保护的复杂性。

3.3 分相突变量电流差动保护

由叠加原理可知，线路在正常运行或者故障状态下，保护处测量得到的全电压、全电流均是由线路故障前电压、电流与故障后增量电压、电流的叠加组成。对于图1含融冰PST的双回线输电网络，故障前网络只含正序网络，在CT1和CT5测得的正常系统电流分别是故障前正序对称电流，如图5所示。

图5 故障前正序网络Fig.5 Positive sequence network before fault

由于任何故障情况下都会引起系统电流的动态变化，因此，故障后的电流波形由故障前的正序分量叠加增量分量组成。增量分量在系统正常运行条件下为零，只在故障情况下出现。因故障引起的正序叠加（增量）网络，如图6（a）所示。另一方面，在没有故障前负序和零序电流的情况下，可以利用故障前和故障后的对称分量来计算负序和零序增量分量，此时的负序和零序增量分量就是故障后的负序和零序电流分量，即负序增量网络和零序增量网络分别完全表示了负序网络和零序网络，如图6所示。

图6 短路附加网络Fig.6 Short-circuit additional network

在分析融冰PST的接入对分相突变量电流差动保护的影响时，根本上是研究对称双芯PST对正序、负序、零序网络电流的移相特性的影响，而在稳态分相电流差动保护部分已经进行了研究。稳态分相电流差动保护是针对故障前或故障后整个正序网络电流进行分析的，而对分相突变量电流差动保护只研究故障后减去故障前增量正序网络电流，这是唯一不同。因此，融冰 PST的接入对传统线路保护中稳态分相和分相突变量电流差动保护的影响程度可能不同。

4 改进措施及仿真分析

4.1 改进措施

对于常规线路电流差动保护，区内故障时，线路两侧保护安装处检测到的电流方向均由母线流向线路；区外故障或正常运行状态时，线路两侧保护检测到的电流方向为一端流入母线，而另一端流出母线，传统的线路电流差动保护以该原理为判据来判断故障区域。融冰PST的接入，由于PST对电流的移相特性使该基本现象发生了改变，导致纵联电流差动保护可能出现拒动或误动，故而必须采取一些改进方案避免此问题。

（1）零序电流差动保护的改进措施

根据理论推导可知，融冰PST接入输电线路相当于在线路中串入阻感元件，不会使零序差动保护的零序制动电流和零序差动电流发生变化，所以也不需要采用任何措施消除融冰PST对其的影响。若在零序电流差动保护中考虑低比率制动系数的稳态差动选相元件，其消除影响的改进措施可参照稳态电流分相差动保护。

（2）稳态分相电流差动保护的改进措施

分别从CT安装位置、融冰PST对电流的移相特性、对称双芯PST的结构原理3个方面分析了融冰 PST对稳态分相电流差动保护的影响机理，并以此为基础提出了以下3种改进方案。

方案一：对于安装了对称双芯PST的输电线路，其稳态分相电流差动保护的电流信号可取自CT5，此时保护的差动电流和制动电流不变，继电保护设备内部的保护逻辑控制算法无需修改仍可继续使用，且融冰PST工作在融冰状态或者退出状态该方案均适用。

方案二：由公式（23）（24）可知，融冰PST的接入，对于稳态分相电流差动保护采用CT1的电流信号时，需要额外采集融冰PST的移相角，并且该移相角随着档位调整而改变，因此，可以通过实时采集融冰PST的档位信息送入稳态分相电流差动保护，利用与移相角相关的矩阵K(φ)修正差动电流和制动电流的计算，此时，通过跟踪对称双芯PST的分接位置解决非标准相移问题。另外，融冰PST退出运行时，无论其处于任何档位，线路电流移相角度都为零，该方案仍然适用。

方案三：通过公式（26）～（31）可以看出，由于对称双芯PST的特殊结构，制动电流和差动电流不再是仅采集输电线路两侧的电流信号，需要额外采集融冰PST串联变压器一次侧中心绕组的电流参与计算，故应在串联变压器原边中心绕组处安装一个 CT。若融冰 PST处于退出运行状态，此时对称双芯PST串联变压器一次侧中心绕组无电流，该方案的保护算法仍然适用。

对于方案一，所需的CT较少并且与融冰PST的运行状态无关，经济实用，操作简单，可方便地应用在工程实际中。然而，若PST安装在线路中间，该方法将无法使用或需要另外增加继电保护设备，同时该方案使线路保护的范围稍有减小；对于方案二，能够克服方案一的缺点，但因该方案是通过跟踪分接开关位置解决非标准相移的问题，使差动电流和制动电流的测量显示出对分接位置的依赖性，额外的档位信息和融冰PST的工作状态信息使保护复杂化且在实际操作中不易实现；方案三不但能克服方案一的缺点，而且不需要额外的融冰PST档位、工作状态信息，但是该方案需要额外安装CT采集融冰PST串联变压器一次侧中心绕组的电流信号，增加了继电保护的复杂性。在工程实施时，可以根据实际情况，从经济性、易操作性等各方面考虑选择改进方案。

（3）分相突变量电流差动保护的改进措施

根据叠加原理，通过对故障前后正序、负序、零序分量的分解可以看出，融冰PST的接入对分相突变量电流差动保护的影响机理与稳态分相电流差动保护相似，其改进措施可完全参照稳态分相电流差动保护的改进方案。

4.2 仿真验证

利用仿真软件 MATLAB/SIMULINK建立如图7所示含融冰PST双端供电双回输电线路的仿真模型，为验证PST的接入对纵联差动保护的影响，以0.2 s时保护区内发生A相接地故障为例进行仿真验证，其他故障情况完全相同。

图7 仿真模型Fig.7 Simulation model

（1）零序差动保护的仿真验证

为了验证融冰PST的接入对零序差动保护影响机理推导的正确性，分不含PST和接入PST后两种情况进行仿真，此时的零序差动电流和制动电流波形如图8所示。

通过图8仿真结果可以看出，由于线路中的对称双芯PST可等效为恒定零序阻抗，使零序差动、制动电流均略有减小，但因该零序阻抗为感性，并不会影响零序差动保护的正确动作。

图8 PST接入前后零序差动、制动电流波形Fig.8 Zero sequence differential and braking current waveforms before and after PST being connected

（2）稳态分相差动保护的仿真验证

对稳态分相电流差动保护分未接入 PST、接入PST后两种情况进行仿真，对应的A相制动、差动电流波形如图9所示。

通过图9对比可以看出，PST的接入使故障前的差动电流和故障后的制动电流都明显增大，并且差动电流和制动电流的比值增大，很容易造成稳态分相差动保护在正常运行状态下发生误动。

图9 PST接入前后A相差动、制动电流波形Fig.9 Phase a differential and braking current waveforms before and after PST being connected

分别根据方案一、二、三进行仿真，得到改进措施下的差动、制动电流波形如图10所示。

通过图10可以看出，经过方案一、二、三改进后的差动、制动电流波形几乎重合，相较加入PST后未进行改进的情况，系统正常运行情况下的差动电流均明显减小到几乎为0，减小了差动电流与制动电流的比值，能够有效防止稳态差动电流的误动，故改进措施正确有效。

图10 改进措施下的差动、制动电流波形Fig.10 Differential and braking current waveforms under improved measures

（3）分相突变量电流差动保护的仿真验证

因PST的加入对分相突变量电流差动保护的影响机理和改进措施与稳态分相电流差动保护相同，故仿真验证方法和结果也相同。

5 结论

本文从融冰PST的结构原理以及移相特性等方面推导了融冰PST的接入对线路纵联电流差动保护的影响机理。首先设计了融冰PST电路结构和控制保护系统。然后，研究了PST的接入分别对零序电流差动保护、稳态分相电流差动保护、分相突变量电流差动保护的影响情况，得出以下结论：（1）在零序网络中，PST可等效为一恒定感性阻抗，不会对零序电流差动保护动作特性产生影响。（2）对于稳态分相电流差动保护，利用CT5的电流信号时，保护仍能正确动作；采用CT1的电流信号，应加入 K(φ)、串联变压器原边中心绕组电流进行修正。（3）对于分相突变量电流差动保护，其影响机理与稳态分相电流差动保护相同。最后，根据影响机理提出了改进措施，并利用仿真验证了理论推导的正确性和改进措施的有效性，为PST的研究和工程应用提供了理论支撑，但还有待实际工程的检验。