一種改善距離保護動作特性的方法及其應用

楊 勝，何勝利

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061)

當前線路距離保護，通常采用正序電壓極化的三段式方向阻抗繼電器構成的距離保護。正序電壓極化相當于在電壓回路中引入了健全相的電壓，配合記憶電壓元件，理論上使得各種故障情況下，該極化元件均具有較好的自適應性，具有較大的抗過度電阻能力，消除了背后短路時的誤動，因此得到了廣泛的運用[1-4]。然而由于電力系統運行方式的復雜性、各種電磁干擾及誤差、正序電壓極化原理的復雜性，實際運行中，特別是發生出口處正反方向三相故障時，距離繼電器處理方法復雜，動作特性不理想。

1 正序電壓極化的方向阻抗繼電器原理

雙電源系統如圖1所示。保護正常運行在主程序，進行采樣通信及裝置內部器件檢查等工作，產生中斷后進入保護程序[2]。

圖1 雙電源電力系統圖

圖1中，E，E'分別為兩側電源電勢，U為保護安裝處母線電壓，Zs，Zs'分別為兩側阻抗。距離繼電器的測量方法分2種[5]，以正序電壓的大小來區分。當正序電壓較大時，進入相間距離保護元件，此時采用以不帶記憶特性的正序電壓為極化電壓；當正序電壓較小時，進入低壓距離繼電器元件，采用帶記憶特性的正序電壓為極化電壓。故障時兩種極化電壓基本保留了故障前電壓的相位，有很好的方向性，距離繼電器具有很高的可靠性。相間距離繼電器與低壓距離繼電器均采用比較工作電壓和極化電壓的相位的方法判別是否進入動作區。當發生故障時，距離保護裝置起動元件動作、振蕩閉鎖元件開放、區分出相間距離與低壓距離、選相元件選出故障相、對故障量進行計算、判斷是否進入動作區后，距離保護相應元件經延時出口并切除故障。

上述方法是當前正序方向阻抗繼電器最常用方法。然而在實際運行及大量試驗中，當發生出口、反方向三相故障時，其動作特性均不理想。特別是振蕩中出口反方向三相故障，低壓距離繼電器處理方法復雜，動作特性不理想。

2 復合電壓極化的方向阻抗繼電器

復合電壓極化的方向阻抗繼電器將低壓距離繼電器與相間距離繼電器合并為一個復壓極化方向阻抗繼電器，其做法一直使用記憶電壓，并對記憶電壓實時更新。低壓距離繼電器用相間電壓極化，代替正序極化，而相間距離也采用記憶電壓，且記憶電壓等于當前正序電壓。

工作電壓：

極化電壓：

動作方程：

式（1—3）中：Zzd為繼電器的整定阻抗；下標 ΦΦ 表示相間AB，BC或CA；下標1為正序；下標M為記憶量；Arg為2個向量的相位差。

此處，極化電壓固定使用記憶電壓，記憶電壓儲存48點，即2個周波，并實時更新。

為保證線路出口正反方向動作的可靠性，對距離繼電器設置了門檻電壓，其幅值取最大弧光壓降，本文取9 V。以AB相為例，當U1ab＞9 V時，極化電壓，記憶電壓取當前實際正序電壓；當U1ab＜9 V 時，40 ms內，極化電壓，即用48點以前的記憶量線電壓；40 ms后記憶作用消失，此時極化電壓仍然采用線電壓，同時對其進行相應處理。

當發生正方向故障時，Ⅰ，Ⅱ段距離繼電器暫態動作后，將繼電器的門檻倒置，即將動作圓下拋，使特性圓包含原點，以保證繼電器動作后能保持到故障切除。當發生反方向故障時，Ⅰ，Ⅱ段距離繼電器不動，此時置正門檻，將動作圓上拋，保證繼電器一直不動[1，2]。為保證Ⅲ段距離繼電器的后備性能，Ⅲ段門檻總是倒置，即進入低壓距離元件后固定下拋，使其特性包含原點。同理對于接地距離保護，用相電壓取代相正序電壓作為極化量即可。采用上述復合電壓極化的方向阻抗繼電器的動作特性圓如圖2—4 所示[3，4]。

圖2 正方向故障暫態特性

圖3 反方向故障暫態特性

圖4 正方向三相故障穩態特性

圖 2—4 中，Zzd1，Zzd2，Zzd3分別為相間距離Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段整定值。記憶作用消失后，極化電壓使用相間電壓，比正序電壓具有更明確的物理意義。 作為極化電壓，直接反應相間阻抗的值。當三相故障時，正序電壓理論上等于相間電壓，但是考慮到數據窗影響、響應延時、計算量等，采用相間電壓作為低壓距離的極化電壓，有以下優勢:

（1）近端三相短路時，正序極化的優勢不復存在。對稱故障時相間正序電壓理論上等同于線電壓，但對于實際系統而言，兩者存在一定差別，暫態過程中，相電壓的計算更準確。

（2）采用線電壓，避免了正序相間電壓的缺陷。由于正序相間電壓是由Uab，Ubc，Uca3個線電壓計算得出，當系統突然發送生近端三相短路，暫態過程中3個線電壓立即跌變到接近0，在此過程中，3個線電壓均存在計算誤差，導致計算所得的正序電壓誤差更不可靠。

（3）線電壓計算快，較正序電壓快約5 ms，在不考慮新算法的情況下，對40 ms的記憶作用環節有明顯的改善。故能更快更穩定的進入記憶環節，同時更快更穩的確定區內外故障，然后將動作圓相應上拋或下拋，使距離元件能正確動作。

（4）記憶作用消失至故障切除時間內，線電壓、正序電壓數值均很小，相比而言正序電壓會帶來更大誤差，導致動作圓即使能做出上拋或下拋，也可能因誤差大導致故障點漂移到動作圓外，使低壓距離繼電器返回。

（5）正序電壓的算取較費時間。正序電壓由ABC三相電壓計算得出，最快需3/4周波即15 ms才能算準。由此導致在故障發生的瞬間，若電壓突然降為極低，正序電壓需要較長時間才能下降到9 V以下。

（6）記憶電壓作用時間。目前記憶電壓存儲長度、作用時間無明確做法。各廠家記憶電壓時間過長，導致故障時，記憶電壓與實際電壓相位偏差已非常大，完全不能反映故障時電壓相位，是導致錯誤動作的又一原因。則記憶電壓作用時間48點或72點（2個或3個周波）比較合適，過長則無法反映故障。

（7）振蕩閉鎖的考慮。正序方向距離繼電器需與振蕩閉鎖配合，振蕩過程中，電壓電流相位一直變化，當發生出口反方向三相故障時，殘壓很低而故障前電壓又不能準確反映故障前相位，故只能加長記憶電壓時間，導致低壓距離繼電器難以正確動作。

此時復合電壓極化的方向阻抗繼電器及記憶電壓元件邏輯圖如圖5、圖6所示。

圖5 復壓極化距離繼電器邏輯圖

圖6 記憶電壓元件邏輯圖

3 其他優化處理

上述復壓極化的方向阻抗繼電器，從理論上提高了方向阻抗繼電器的動作特性。同時對距離相關的其他元件作了一定的優化，改善了其動作特性。

（1）選相元件優化。將選相邏輯推后處理。采用先阻抗測量，后跳閘邏輯，最后在進行故障選相生成故障報告。此法可縮短動作時間，并避免了因選相錯誤造成的誤拒動問題[6-8]；

（2）振蕩閉鎖元件的優化。由于距離Ⅰ，Ⅱ段模塊處理方式不同，則對各段距離繼電器采用完全獨立的振蕩閉鎖元件，使具有更高的獨立性，且每個元件開放之前都要先判相應距離段啟動，提高了保護的正確性。邏輯圖如圖7所示。

圖7 優化后的振蕩閉鎖元件（以相間距離I段為例）

圖7中，ΔImax為突變量啟動元件；ZPP1為相間距離I段的啟動標志；Un為額定電壓；Ucos為振蕩中心電壓，open_ZB_zpp1則為振蕩閉鎖開放相間距離Ⅰ段。

（3）記憶電壓元件的優化。縮短記憶電壓窗口至48點，即2個周波40 ms；且記憶電壓作用時間48點比較合適，過長則無法反映故障，與當前的電氣量差別已較大，無使用價值；

（4）距離Ⅰ段的優化。采用反時限原理優化距離Ⅰ段保護邏輯，當測量阻抗值小于整定值80%時，距離Ⅰ段快速出口，保證裝置能夠快速切除系統重大故障，確保系統穩定性和安全性。當測量阻抗接近整定值時長延時出口，保證距離Ⅰ段可靠不超越，防止裝置失去選擇性。通過優化，裝置能在25 ms快速動作，又能可靠防止超越；

4 試驗結果及結論

基于復壓極化的方向阻抗繼電器原理，在TI dsp28335平臺上開發一套66kV線路相間距離保護測控裝置。其保護配置為：三段式相間距離保護、距離后加速保護、雙回線速動保護、不對稱故障速動保護、四段零序過流保護、三段式復壓過流保護、過流后加速、充電保護、三相一次重合閘、低頻減載、低壓減載、緊急狀態保護、小電流接地選線、同期手合遙合等。將基于復壓極化原理本系列裝置與傳統的正序電壓極化線路距離保護裝置一并做數模試驗，考察近端5%三相故障、近端0點故障、振蕩中近端5%三相故障、振蕩中0點故障，考察距離Ⅰ段動作情況。數模試驗的系統圖如圖8所示。每種試驗40次，共640次，記錄錯誤動作次數；試驗結果如表1所示。

圖8 數模試驗系統圖

表1 試驗結果對照表 次

模型參數：線路全長L=100 km，R1=6.403 Ω，XL1=36.401 Ω，R0=30.46 Ω，XL0=115.67 Ω， 電壓互感器（TV）的變比為 110kV/100 V，電流互感器（TA）的變比為1200 A/5 A，不接地系統。

定值：正序阻抗z1=8.1 Ω，正序阻抗角z1deg=80°，偏移阻抗角zppdeg=0°，線路全長L=100 km，相間距離I段Z1zd=5.7 Ω，延時定值Tz1zd=0 s。

由表1可知，正序電壓極化的距離繼電器在近端0點處故障有一定的誤/拒動可能，振蕩中誤/拒動幾率較大，而采用復合電壓極化的距離繼電器則大幅提高了動作正確率，非振蕩中正確率達100%，振蕩中有殘壓時正確率亦為100%，在理論上無法解決的振蕩中0點故障，正確率也大幅提高。距離I段動作時間對照表，如表2所示。

表2 距離I段動作時間對照表 ms

由表1和表2可知，優化后的復壓極化方向阻抗繼電器，較常規動作正確率、出口時間上均有較大提高。

5 結束語

本文提出了一種復合電壓極化方向阻抗繼電器理論，并基于此開發了一套線路相間距離保護測控裝置。通過試驗表明，本系統的速動性、可靠性均有較大提高。現場運行一年來，動作正確率達100%，取得了良好的社會經濟效益。

[1]尹項根，曾克娥.電力系統繼電保護原理與應用上冊[M].武漢：華中科技大學出版社，2001.

[2]洪佩孫，李久虎.輸電線路距離保護[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[3]賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，1994.

[4]許正亞.電力系統繼電保護上冊[M].北京：中國電力出版社，1996.

[5]江蘇省電力公司.電力系統繼電保護原理與實用技術[M].北京：中國電力出版社，2006.

[6]陳志梅.系統振蕩又發生故障時距離保護的動作行為分析[J].電力學報，1999，14(1)：68-71.

[7]侯 慧，尹項根，游大海.振蕩閉鎖期間再故障的距離保護判別方法[J].繼電器，2006，34(8)：7-12.

[8]林湘寧，劉 沛，馮興學.自適應振蕩閉鎖判據的理論基礎[J].電力系統自動化，2004，28(6)：45-50.