一種改善距離保護(hù)動(dòng)作特性的方法及其應(yīng)用

楊 勝，何勝利

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061)

當(dāng)前線路距離保護(hù)，通常采用正序電壓極化的三段式方向阻抗繼電器構(gòu)成的距離保護(hù)。正序電壓極化相當(dāng)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(yīng)性，具有較大的抗過(guò)度電阻能力，消除了背后短路時(shí)的誤動(dòng)，因此得到了廣泛的運(yùn)用[1-4]。然而由于電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的復(fù)雜性、各種電磁干擾及誤差、正序電壓極化原理的復(fù)雜性，實(shí)際運(yùn)行中，特別是發(fā)生出口處正反方向三相故障時(shí)，距離繼電器處理方法復(fù)雜，動(dòng)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(tǒng)如圖1所示。保護(hù)正常運(yùn)行在主程序，進(jìn)行采樣通信及裝置內(nèi)部器件檢查等工作，產(chǎn)生中斷后進(jìn)入保護(hù)程序[2]。

圖1 雙電源電力系統(tǒng)圖

圖1中，E，E'分別為兩側(cè)電源電勢(shì)，U為保護(hù)安裝處母線電壓，Zs，Zs'分別為兩側(cè)阻抗。距離繼電器的測(cè)量方法分2種[5]，以正序電壓的大小來(lái)區(qū)分。當(dāng)正序電壓較大時(shí)，進(jìn)入相間距離保護(hù)元件，此時(shí)采用以不帶記憶特性的正序電壓為極化電壓；當(dāng)正序電壓較小時(shí)，進(jìn)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(shí)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(jìn)入動(dòng)作區(qū)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，距離保護(hù)裝置起動(dòng)元件動(dòng)作、振蕩閉鎖元件開放、區(qū)分出相間距離與低壓距離、選相元件選出故障相、對(duì)故障量進(jìn)行計(jì)算、判斷是否進(jìn)入動(dòng)作區(qū)后，距離保護(hù)相應(yīng)元件經(jīng)延時(shí)出口并切除故障。

上述方法是當(dāng)前正序方向阻抗繼電器最常用方法。然而在實(shí)際運(yùn)行及大量試驗(yàn)中，當(dāng)發(fā)生出口、反方向三相故障時(shí)，其動(dòng)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(fù)雜，動(dòng)作特性不理想。

2 復(fù)合電壓極化的方向阻抗繼電器

復(fù)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(gè)復(fù)壓極化方向阻抗繼電器，其做法一直使用記憶電壓，并對(duì)記憶電壓實(shí)時(shí)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(dāng)前正序電壓。

工作電壓：

極化電壓：

動(dòng)作方程：

式（1—3）中：Zzd為繼電器的整定阻抗；下標(biāo) ΦΦ 表示相間AB，BC或CA；下標(biāo)1為正序；下標(biāo)M為記憶量；Arg為2個(gè)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(chǔ)存48點(diǎn)，即2個(gè)周波，并實(shí)時(shí)更新。

為保證線路出口正反方向動(dòng)作的可靠性，對(duì)距離繼電器設(shè)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(dāng)U1ab＞9 V時(shí)，極化電壓，記憶電壓取當(dāng)前實(shí)際正序電壓；當(dāng)U1ab＜9 V 時(shí)，40 ms內(nèi)，極化電壓，即用48點(diǎn)以前的記憶量線電壓；40 ms后記憶作用消失，此時(shí)極化電壓仍然采用線電壓，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理。

當(dāng)發(fā)生正方向故障時(shí)，Ⅰ，Ⅱ段距離繼電器暫態(tài)動(dòng)作后，將繼電器的門檻倒置，即將動(dòng)作圓下拋，使特性圓包含原點(diǎn)，以保證繼電器動(dòng)作后能保持到故障切除。當(dāng)發(fā)生反方向故障時(shí)，Ⅰ，Ⅱ段距離繼電器不動(dòng)，此時(shí)置正門檻，將動(dòng)作圓上拋，保證繼電器一直不動(dòng)[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(jìn)入低壓距離元件后固定下拋，使其特性包含原點(diǎn)。同理對(duì)于接地距離保護(hù)，用相電壓取代相正序電壓作為極化量即可。采用上述復(fù)合電壓極化的方向阻抗繼電器的動(dòng)作特性圓如圖2—4 所示[3，4]。

圖2 正方向故障暫態(tài)特性

圖3 反方向故障暫態(tài)特性

圖4 正方向三相故障穩(wěn)態(tài)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(yīng)相間阻抗的值。當(dāng)三相故障時(shí)，正序電壓理論上等于相間電壓，但是考慮到數(shù)據(jù)窗影響、響應(yīng)延時(shí)、計(jì)算量等，采用相間電壓作為低壓距離的極化電壓，有以下優(yōu)勢(shì):

（1）近端三相短路時(shí)，正序極化的優(yōu)勢(shì)不復(fù)存在。對(duì)稱故障時(shí)相間正序電壓理論上等同于線電壓，但對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)而言，兩者存在一定差別，暫態(tài)過(guò)程中，相電壓的計(jì)算更準(zhǔn)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(gè)線電壓計(jì)算得出，當(dāng)系統(tǒng)突然發(fā)送生近端三相短路，暫態(tài)過(guò)程中3個(gè)線電壓立即跌變到接近0，在此過(guò)程中，3個(gè)線電壓均存在計(jì)算誤差，導(dǎo)致計(jì)算所得的正序電壓誤差更不可靠。

（3）線電壓計(jì)算快，較正序電壓快約5 ms，在不考慮新算法的情況下，對(duì)40 ms的記憶作用環(huán)節(jié)有明顯的改善。故能更快更穩(wěn)定的進(jìn)入記憶環(huán)節(jié)，同時(shí)更快更穩(wěn)的確定區(qū)內(nèi)外故障，然后將動(dòng)作圓相應(yīng)上拋或下拋，使距離元件能正確動(dòng)作。

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

（5）正序電壓的算取較費(fèi)時(shí)間。正序電壓由ABC三相電壓計(jì)算得出，最快需3/4周波即15 ms才能算準(zhǔn)。由此導(dǎo)致在故障發(fā)生的瞬間，若電壓突然降為極低，正序電壓需要較長(zhǎng)時(shí)間才能下降到9 V以下。

（6）記憶電壓作用時(shí)間。目前記憶電壓存儲(chǔ)長(zhǎng)度、作用時(shí)間無(wú)明確做法。各廠家記憶電壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致故障時(shí)，記憶電壓與實(shí)際電壓相位偏差已非常大，完全不能反映故障時(shí)電壓相位，是導(dǎo)致錯(cuò)誤動(dòng)作的又一原因。則記憶電壓作用時(shí)間48點(diǎn)或72點(diǎn)（2個(gè)或3個(gè)周波）比較合適，過(guò)長(zhǎng)則無(wú)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(guò)程中，電壓電流相位一直變化，當(dāng)發(fā)生出口反方向三相故障時(shí)，殘壓很低而故障前電壓又不能準(zhǔn)確反映故障前相位，故只能加長(zhǎng)記憶電壓時(shí)間，導(dǎo)致低壓距離繼電器難以正確動(dòng)作。

此時(shí)復(fù)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(fù)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(yōu)化處理

上述復(fù)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(dòng)作特性。同時(shí)對(duì)距離相關(guān)的其他元件作了一定的優(yōu)化，改善了其動(dòng)作特性。

（1）選相元件優(yōu)化。將選相邏輯推后處理。采用先阻抗測(cè)量，后跳閘邏輯，最后在進(jìn)行故障選相生成故障報(bào)告。此法可縮短動(dòng)作時(shí)間，并避免了因選相錯(cuò)誤造成的誤拒動(dòng)問(wèn)題[6-8]；

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

圖7 優(yōu)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(dòng)元件；ZPP1為相間距離I段的啟動(dòng)標(biāo)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(yōu)化。縮短記憶電壓窗口至48點(diǎn)，即2個(gè)周波40 ms；且記憶電壓作用時(shí)間48點(diǎn)比較合適，過(guò)長(zhǎng)則無(wú)法反映故障，與當(dāng)前的電氣量差別已較大，無(wú)使用價(jià)值；

（4）距離Ⅰ段的優(yōu)化。采用反時(shí)限原理優(yōu)化距離Ⅰ段保護(hù)邏輯，當(dāng)測(cè)量阻抗值小于整定值80%時(shí)，距離Ⅰ段快速出口，保證裝置能夠快速切除系統(tǒng)重大故障，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。當(dāng)測(cè)量阻抗接近整定值時(shí)長(zhǎng)延時(shí)出口，保證距離Ⅰ段可靠不超越，防止裝置失去選擇性。通過(guò)優(yōu)化，裝置能在25 ms快速動(dòng)作，又能可靠防止超越；

4 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

基于復(fù)壓極化的方向阻抗繼電器原理，在TI dsp28335平臺(tái)上開發(fā)一套66kV線路相間距離保護(hù)測(cè)控裝置。其保護(hù)配置為：三段式相間距離保護(hù)、距離后加速保護(hù)、雙回線速動(dòng)保護(hù)、不對(duì)稱故障速動(dòng)保護(hù)、四段零序過(guò)流保護(hù)、三段式復(fù)壓過(guò)流保護(hù)、過(guò)流后加速、充電保護(hù)、三相一次重合閘、低頻減載、低壓減載、緊急狀態(tài)保護(hù)、小電流接地選線、同期手合遙合等。將基于復(fù)壓極化原理本系列裝置與傳統(tǒng)的正序電壓極化線路距離保護(hù)裝置一并做數(shù)模試驗(yàn)，考察近端5%三相故障、近端0點(diǎn)故障、振蕩中近端5%三相故障、振蕩中0點(diǎn)故障，考察距離Ⅰ段動(dòng)作情況。數(shù)模試驗(yàn)的系統(tǒng)圖如圖8所示。每種試驗(yàn)40次，共640次，記錄錯(cuò)誤動(dòng)作次數(shù)；試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖8 數(shù)模試驗(yàn)系統(tǒng)圖

表1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照表 次

模型參數(shù)：線路全長(zhǎng)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(tǒng)。

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(zhǎng)L=100 km，相間距離I段Z1zd=5.7 Ω，延時(shí)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(diǎn)處故障有一定的誤/拒動(dòng)可能，振蕩中誤/拒動(dòng)幾率較大，而采用復(fù)合電壓極化的距離繼電器則大幅提高了動(dòng)作正確率，非振蕩中正確率達(dá)100%，振蕩中有殘壓時(shí)正確率亦為100%，在理論上無(wú)法解決的振蕩中0點(diǎn)故障，正確率也大幅提高。距離I段動(dòng)作時(shí)間對(duì)照表，如表2所示。

表2 距離I段動(dòng)作時(shí)間對(duì)照表 ms

由表1和表2可知，優(yōu)化后的復(fù)壓極化方向阻抗繼電器，較常規(guī)動(dòng)作正確率、出口時(shí)間上均有較大提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種復(fù)合電壓極化方向阻抗繼電器理論，并基于此開發(fā)了一套線路相間距離保護(hù)測(cè)控裝置。通過(guò)試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)的速動(dòng)性、可靠性均有較大提高?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行一年來(lái)，動(dòng)作正確率達(dá)100%，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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