高壓線路距離保護設(shè)計中的幾個關(guān)鍵技術(shù)鄒運和

朱發(fā)國+李冬麗

摘 要：距離保護相對其它保護元件具有較大優(yōu)越性，而距離保護設(shè)計對于一些中小企業(yè)來說有一定技術(shù)門檻。文章概括了設(shè)計開發(fā)高壓線路保護裝置的主要內(nèi)容和實現(xiàn)方法，重點講解了距離保護所包括的阻抗特性的一種典型實現(xiàn)方法、振蕩閉鎖的作用和實現(xiàn)方法、以及如何在振蕩時進行選相三個方面的內(nèi)容。深刻理解上述原理和方法，解決好這三個技術(shù)難點問題，就基本掌握了距離保護裝置的設(shè)計精要，是做好距離保護裝置開發(fā)的關(guān)鍵前提。

關(guān)鍵詞：距離保護；振蕩閉鎖；振蕩中心；阻抗圓特性；故障選相

引言

近年來，國內(nèi)外專家對高壓線路保護的研究為我們創(chuàng)新了先進的設(shè)計理念和較為完整的保護理論算法。這是我們研制高壓線路保護裝置的科學理論基礎(chǔ)。現(xiàn)代通信技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展為我們提供了良好的微機保護技術(shù)平臺，對于保障保護裝置性能指標提供了條件。在此基礎(chǔ)上，我們可以研制出適合我國高壓線路的保護裝置，本文將對距離保護總體架構(gòu)和功能設(shè)計等作簡單介紹，而將重點放在三個關(guān)鍵技術(shù)點上。

1 保護功能原理及振蕩閉鎖

《GB50062 -2008電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，按照系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及對保護的要求不同，110kV高壓線路可以安裝線路縱聯(lián)保護、距離保護或電流保護，而在電流保護無法滿足要求時多采用距離保護[4]。振蕩發(fā)生時，三相電壓電流周期性變化，電壓跌落到最低點，電流恰好達到了最大值，類似發(fā)生了三相對稱短路，易引起距離保護誤動。此時需要閉鎖距離一、二段，距離三段靠1.5s[1]以上延時躲過最大振蕩周期而不會誤動，而在振蕩中故障真實發(fā)生時，又要求開放距離保護切除故障。

實現(xiàn)振蕩閉鎖可以有多種方法，現(xiàn)介紹一種通過計算振蕩中心電壓及靜穩(wěn)破壞條件，來判斷系統(tǒng)是否振蕩及振蕩中對稱故障開放元件是否動作。而對于不對稱故障，則通過計算振蕩中不對稱故障開放元件，結(jié)合實際選相結(jié)果及繼電器的動作情況，決定是否切除故障。不對稱故障開放元件判據(jù)為：I2+I0≥mI1，計算較為簡單，這里只說振蕩中對稱故障開放元件。

圖1 振蕩時電壓電流關(guān)系圖

振蕩時線路兩端電壓和電流相位關(guān)系如圖1所示，振蕩中心電壓可以通過計算得到[1]。

將系統(tǒng)狀態(tài)分為4個區(qū)域[1]：

正常區(qū)：此時系統(tǒng)穩(wěn)定運行沒有發(fā)生振蕩。

預(yù)備區(qū)：通過穿過此區(qū)域的時間可識別系統(tǒng)是否振蕩或故障。發(fā)生短路時一般在20ms以內(nèi)穿過此區(qū)域。振蕩時穿過此區(qū)域的時間肯定大于20ms，于是設(shè)振蕩標志，否則不設(shè)振蕩標志。

測速區(qū)：通過測量穿過此區(qū)域的時間來測量滑差。若有振蕩標志，在此區(qū)域內(nèi)計數(shù)器N累加。每一步計數(shù)器累加2，即N←N+2。若無振蕩標志，保持N=0。

當線路上發(fā)生短路故障時，線路短路阻抗壓降將會對振蕩中心電壓計算產(chǎn)生影響，此時需要補償一個角度[1]，為高壓線路的阻抗角，可以在一次參數(shù)整定表中查到。

動作區(qū)：振蕩時不會停留在動作區(qū)，在進入動作區(qū)后每一步計數(shù)器遞減1，即N←N-1。由于動作區(qū)δ的寬度約為測速區(qū)的2倍，振蕩時當N遞減到零，應(yīng)剛好穿出動作區(qū)，N=0是保護動作的必要條件，所以振蕩時能夠有效地閉鎖保護。如果是振蕩中發(fā)生三相短路故障，將停留在動作區(qū)，N必將遞減到零，然后開放保護，保護的動作將有很小的延時，其對距離保護的閉鎖和開放都是非常可靠的。

這種按照的變化鑒別振蕩的方法有以下優(yōu)點：

a.在阻抗平面上的動作區(qū)很窄，使得預(yù)備區(qū)很寬，從而能有效地識別振蕩。

b.在阻抗平面上的動作區(qū)很長，可以適用于長線路。

c.負序、零序分量消失，系統(tǒng)三相恢復對稱，回到正常區(qū)后，發(fā)生三相短路保護，動作就不增加延時。

系統(tǒng)振蕩中又同時發(fā)生故障的幾率很小，因為振蕩時絕大部分時間電壓低于額定值，必然降低了再發(fā)生故障的可能。再考慮振蕩時應(yīng)力求使系統(tǒng)盡快恢復穩(wěn)定，盡可能減小誤跳閘幾率，所以對振蕩中故障的檢測和處理就要謹慎得多，對保護動作的快速性要求降低。所以振蕩中故障處理可以有合理的延時，以保證動作的正確性。

振蕩閉鎖與階段式距離、相繼速動等都是距離保護需要重點考慮的問題，其它還有階段式零序過流保護、三相一次重合閘、合閘于故障加速保護等，與中低壓系統(tǒng)的保護元件沒有太大區(qū)別，這里就不一一介紹。

隨著第三次工業(yè)革命在全球范圍內(nèi)逐步推進，綠色能源（可再生能源）逐步取代化石能源已經(jīng)是大勢所趨，由于可再生能源在全球分布相對廣泛而均勻，將來智能電網(wǎng)的電源將形成小型分布式與大型集中式并重的格局。因此還需考慮弱饋線路的保護。對弱饋線路有特定的判別處理方法，能夠簡單有效檢出弱饋線路并正確測量故障情況，主要是針對分布式小電源接入情況而設(shè)，原則上在線路故障時小電源應(yīng)該迅速從系統(tǒng)中解列，待系統(tǒng)穩(wěn)定后再重新并入。

2 距離保護特性及實現(xiàn)方法

距離元件是以輸電線路阻抗為考查對象，計算故障點到保護安裝處的線路阻抗值，與保護范圍整定值比較，以確定是否區(qū)內(nèi)故障的保護形式。距離保護的分段原理與分段電流保護類似，只是各段的保護范圍有區(qū)別，距離保護對故障的測量精度要高得多。距離保護特性常用的有圓特性、四邊形特性、電抗特性等，其實現(xiàn)方法有相位比較方法和幅值比較方法等[2]，本文僅以偏移特性圓距離繼電器的比相式判據(jù)原理說明距離繼電器的實現(xiàn)方法。

當線路上發(fā)生單相接地或相間短路故障時，其阻抗特性和動作區(qū)域范圍可以用圖2偏移特性圓表示。向量Zzd- Zzd是特性圓的直徑，當測量阻抗落在圓內(nèi)或圓上時，向量ZJ-Zzd領(lǐng)先ZJ-Zzd的夾角在90°～270°之間，測量阻抗將位于距離保護動作區(qū)內(nèi)。

圖2 距離保護偏移圓特性計算用圖

（2）式中，UJ，IJ可以通過對電流電壓采樣值的計算獲得，Zzd是整定阻抗，Zzd為阻抗偏移量。endprint

其他阻抗特性判據(jù)實現(xiàn)公式在相關(guān)資料均能以類似的方法推導出來，這里不再詳述。

3 振蕩中故障選相處理

選相測量是距離保護常用的測量方式，選相測量的好處主要是通過降低計算量，來保證故障相的精確實時測量。在沒有振蕩發(fā)生情況下的選相比較容易處理，而振蕩發(fā)生時，原來的電壓選相、電流選相、補償電壓突變量選相等選相元件不再適用，本文介紹一種在振蕩時發(fā)生故障的選相方法，供參考。

通過一組電力系統(tǒng)振蕩中發(fā)生兩相短路故障的動態(tài)模擬數(shù)據(jù)加以分析。

圖3 高壓輸電線路一次系統(tǒng)及故障模擬圖[3]

圖3[3]為模擬高壓線路一次系統(tǒng)圖，保護安裝在系統(tǒng)側(cè)BRK2處。試驗?zāi)M系統(tǒng)發(fā)生了振蕩并在K3點發(fā)生BC兩相短路故障，用故障錄波儀測得電壓電流數(shù)據(jù)用于故障分析。

下面是波形圖，V2，I2為本側(cè)電壓電流，V1A為對側(cè)A相電壓，F(xiàn)點開始，在線路中段位置發(fā)生了BC兩相故障。

圖4記錄了一組波形數(shù)據(jù)，模擬的是振蕩中發(fā)生BC兩相故障，三相電壓處于振蕩狀態(tài)，故障發(fā)生后，故障相依舊在振蕩，從波形本身看不出有太大變化。我們利用數(shù)字仿真軟件記錄了該波形在每一時刻的電壓變化率數(shù)據(jù)：

表中所記錄的為F點之后連續(xù)10個周波的點（△t為故障后時間，單位ms），每隔9.6ms記錄一組電壓變化率數(shù)據(jù)。該變化率是電壓向量隨時間的變化率。以Ua電壓為例說明，以20ms工頻周期計，9.6ms向量轉(zhuǎn)了，△UA可以由Ua變化前后的兩相量直接合成得到。

圖5 電壓變化率示意圖

從表1可以看出，在故障起始的近2個周波內(nèi)，故障相BC的變化量特征仍不明顯，這是因為故障開始時，計算向量所用的數(shù)據(jù)窗夾雜著故障前和故障后的數(shù)據(jù)，致使計算結(jié)果出現(xiàn)較大出入，再者，故障時的暫態(tài)過程，再加上三相電壓全相振蕩的影響，不同的故障時刻，其電壓變化率故障特征出現(xiàn)的時間也會有差別等等。試驗中的其他類型故障的波形，均顯示了相同的特征，并且經(jīng)過了多次反復仿真測試確定，這一結(jié)果是真實可信的。

由于三相電壓同步振蕩，各相電壓的變化率差別主要取決于電壓幅值的大小。故障發(fā)生后，故障相電壓的幅值首先有較大幅度的跌落，故障相電壓幅值比正常相小，故障相電壓變化率也比正常相要小，這是顯然的。故障狀態(tài)穩(wěn)定后，這一規(guī)律被固定下來，這種故障相電壓變化率特征應(yīng)用于振蕩中發(fā)生的大多數(shù)不對稱故障的選相，是沒有問題的。

4 結(jié)束語

高壓線路保護是電力繼電保護的重要內(nèi)容之一，也是電力部門非常重視的關(guān)鍵技術(shù)點，其保護原理較之中低壓系統(tǒng)的單電流量或單電壓量保護，其復雜度和計算量都有增加，其保護元件以及相互之間的配合也復雜很多。電力系統(tǒng)繼電保護設(shè)計開發(fā)創(chuàng)新是無止境的，如何將繼電保護做得更完善，更可靠、好用，永遠是眾多繼保工程師需要研究的課題之一。

參考文獻

[1]朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護原理與技術(shù)-第三版[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]張志竟，黃玉錚，等.電力系統(tǒng)繼電保護原理與運行分析[M].北京：中國電力出版社.

[3]DL/T 871-2004電力系統(tǒng)繼電保護產(chǎn)品動模試驗.電力行業(yè)標準.

[4]GB50062-2008電力裝置的繼電保護和自動裝置-保護功能配置.endprint