淺析吉牛水電站距離保護行為

姚 福 明， 李 政

(國電大渡河水電開發有限公司，四川 成都 610041)

革什扎河流域總裝機容量為42.3萬kW，其中吉牛水電站為24萬kW。吉牛水電站220 kV線路與丹巴500 kV變電站相連，其線路距離保護是確保電站安全穩定運行的重要方面。暫態穩定分析的重要內容是評估暫態期間保護系統的行為。暫態穩定關心的是電力系統遭受嚴重干擾下保持同步的能力，因而保護系統的滿意行為對保證系統穩定性是至關重要的[1]。保護繼電器必須能夠區分穩定的系統搖擺和失步情況。當繼電器啟動斷路器操作切出故障元件時，確保在穩定的功率搖擺期間沒有引起進一步的繼電器動作，從而使非故障元件不必要的開斷是很重要的。非故障元件的跳開將進一步惡化系統并可能導致系統不穩定。

距離保護對所測量的電壓和所測量的電流之比起反應。當表示網絡有效阻抗的上述比率小于繼電保護設定值時繼電器動作。雖然直接距離保護能對許多情況提供適當的保護，然而，當線路兩端的同時高速跳閘對維持系統穩定十分重要時，其不能令人滿意。縱差保護方案則適合于此類應用。

1 吉牛水電站距離保護方案

縱差距離保護方案需要使用它們所保護的線路兩端的通信通道。裝在每一端的繼電器要確定故障是保護線路的內部還是外部，該信息要通過通信通道在線路兩端間傳送。對于內部故障，受保護線路兩端的斷路器均跳閘;而對于外部故障則需閉鎖跳閘。圖1為吉牛水電站距離保護方案運行原理圖。

圖1 吉牛水電站距離保護方案原理圖

圖1中區域1的相間和接地方向距離保護覆蓋線路阻抗的80%。繼電器的動作導致當地斷路器跳閘。繼電器無需遠端的信息即可瞬時動作。

區域2的相間和接地方向保護覆蓋被保護線路阻抗的120%。保證檢測到所有區內的故障，在經約25 ms的延遲后，如果沒有閉鎖信號從遠端發來即跳開當地斷路器。該延時是等待從另一端送來閉鎖信號的時間。如果在0.4 s時未切除故障，區域2即跳開當地斷路器，而不管是否收到遠端的閉鎖信號。

圖2為吉牛水電站典型區域1和區域2的繼電器特性。如果吉牛水電站站內的繼電器所測量到的視在阻抗在區域1特性圓內，在吉牛水電站內的斷路器就會立即跳閘。

如果兩端的繼電器測量到的視在阻抗都在區域2的特性圓內，兩側的斷路器將以高速跳閘。

如果視在阻抗僅在電站繼電器的區域2的特性圓內，則電站的斷路器在0.4 s的時延后跳閘，條件是該阻抗在區域2內保持0.4 s[2]。

圖2 吉牛水電站A繼電器保護特性圖

2 搖擺過程中的距離保護行為

繼電器的行為取決于兩端所測量的阻抗。在機電振蕩時，由距離繼電器所測量到的阻抗可能在繼電器特性圓之內。視在阻抗的實際軌跡取決于發電機內電壓，勵磁調節器和調速器動作的變化也取決于系統中受互聯網絡影響的所有電機之間的相互作用。由文獻[3]知，在兩機系統中，當線路兩端的電壓幅值相等時，阻抗的軌跡呈現一條直線，它與整個系統阻抗垂直平分線。從兩端內節點到阻抗軌跡上任何一點的接線所形成的角等于相應的功角δ，當δ=0時，電流為零，阻抗為無窮大。當δ=180°時，電氣中心的電壓為零。因此，繼電器實際上看到的是電氣中心處的三相故障。此時，電氣中心和阻抗中心重合在一起。吉牛水電站通過一個強輸電系統與主系統相連，電氣中心可能在升壓變壓器內或者可能就在發電機本身內。在系統擾動后，角度、電壓和電流都在不斷變化。起初轉子角變化很快，在穩定情況下當其達到峰值后變化緩慢；然后角度下降，振蕩也變化更小直至達到平衡點。如果系統不穩定，角度逐漸增加直至其達到180°，即滑過一個磁極。除非系統被繼電保護系統解列，否則接下來會更快速地連續滑過磁極。在滑動期間，電氣中心附近點的電壓和視在阻抗很快地振蕩[4]。

在功率搖擺的情況下，用逐步穩定仿真計算求出繼電器的阻抗，并與繼電器的動作特性相比較，所計算出的視在阻抗的軌跡以及繼電器特性如圖3所示。

一個定時的第二區域與高頻閉鎖線路兩端之間通信的保護行為并不取決于線路兩端的繼電器。如果兩端的阻抗軌跡在第二區域特性內足夠長以使定時器動作或進入了第一區域特性內，則跳閘動作。

圖3 阻抗的軌跡及繼電器特性示意圖

3 防止在暫態情況下的跳閘

縱差高頻保護要求在穩定搖擺過程中防止跳閘，同時允許在不穩定暫態下跳閘。在搖擺過程中，發電機的電流和電壓有較大地周期性變化，其頻率是其磁極滑差率的函數，這可能導致繞組應力和脈動轉矩，它們可以激發有危害作用的機械振動。經驗表明：對于線路較短，線路阻抗小于發電機總阻抗時，較小的跳閘特性是令人滿意的[5]。文獻[6]利用具有線性特性的“歐姆”元件來控制搖擺時的跳閘角度范圍；文獻[7]利用算法實現“凸透鏡”和“花生狀”特性用于線路保護，具有優良的響應特性。在吉牛水電站高頻保護中，使用失步繼電器的工作原理防止電壓下降太快而快速跳閘。失步繼電器對于穩定搖擺不動作，它們必須檢測到所有不穩定搖擺，而且其設定值在正常負荷下不啟動。失步閉鎖在線路保護動作之前檢測其條件。為了確保在故障情況下線路保護不被閉鎖，失步閉鎖的設定值使正常負荷情況不在閉鎖區域內。

4 故障切除時間

為了充分測試距離保護行為的快速性，需要對故障切除時間做定性的分析。故障元件的切除需要繼電保護系統檢測所發生的故障并啟動斷路器，它將使故障元件從系統中分離出去。因此，總的故障切除時間的構成是繼電器動作時間和斷路器開斷時間。繼電器動作時間是從短路電流初始時間把跳閘信號送到斷路器的時間。斷路器開斷時間是從跳閘信號啟動到斷路器電流斷開的時間。圖4給出了正常切除故障的時間。母線A、母線B同為3周波的斷路器。系統通信媒介為光纖。考慮在母線A的繼電器的區域1內和母線B的繼電器的區域2內(但在區域1外)的故障。圖4所示的典型繼電器時間如表1所示。從母線A切除故障的時間是91 ms，而從母線B切除故障的時間是114 ms。

圖4 斷路器接線示意圖

表1 正常切除故障的典型故障切除時間表

5 結 語

距離保護通過監視系統的適當參量來檢測不正常的存在，從而決定應跳開哪一個斷路器以及向這些斷路器的跳閘回路加電。優良的縱差高頻保護方案不但能夠滿足對被保護線路全線任何地點的任何故障均能瞬時有選擇性地切除，而且能

夠保證機組在穩定搖擺過程中防止跳閘，同時允許在不穩定暫態下跳閘，甚至能夠提高保護裝置的自適應性[8]。保護裝置的可靠性、快速性取決于通信的可靠性與通信時間，隨著通信技術的發展、微機保護的成熟和保護算法的完善，大規模電網智能型距離保護是可以實現的。

參考文獻：

[1] Westinghouse Electric Corporation，Applied Protective Relaying，a new “Silent Sentinels” publication，Newark，1976.

[2] J.H.Neher，A Comprehensive Method of Determining the Performance of distance Relays[J]. IEEE Trans on Power Systems，1989，56(2)：833-844.

[3] IEEE Working Group Report，Out of Step Relaying for Generators[J]. IEEE Trans on Power Systems，2004，96(3):1556-1564.

[4] H.M. Rustebakke，Electric Utility Systems and Practices，John Wiley & Sons，1983.

[5] Edith Clarke, Impedances Seen by Relays during Power Swings with and without Faults[J]. IEEE Trans on Power Systems，2003，64(3):372-384.

[6] C.R.Mason，A New Loss-of-Excitation Relay for Synchronous Generators[J]. IEEE Trans on Power Systems，1995，68(2):1240-1245.

[7] C.R. Mason，Relay Operation during System Oscillations[J]. IEEE Trans on Power Systems，2000，6(3):1513-1514.

[8] 陳 皓.微機保護原理及算法仿真[M].北京：中國電力出版社，2006.

作者簡介:姚福明(1970-)，男，重慶長壽人，部長，高級工程師，碩士，從事水電工程建設技術與管理工作；

李 政(1975-，男，重慶忠縣人，副處長，工程師，碩士，從事電力生產技術工作.