距離保護的整定原則分析及其在多邊形阻抗繼電器整定上的應用

陳振榮

（開平市翰聯電力設計有限公司 廣東開平 529300）

距離保護的整定原則分析及其在多邊形阻抗繼電器整定上的應用

陳振榮

（開平市翰聯電力設計有限公司 廣東開平 529300）

雖然電流、電壓保護的有點是簡單、經濟、可靠，但只是合適在35kV以下電壓等級的電網中使用，難以應用于更高電壓等級的復雜網絡中。距離保護是廣泛運用在110kV及以上電壓輸電線路中的一種保護裝置。對長距離、重負荷線路，由于線路的最大負荷電流可能與線路末端短路時的短路電流相差甚微，采用距離保護也能滿足其敏性要求。隨著科技發展，對故障的檢測準確度要求提高，距離保護的整定等實際情況來確定計算出距離和測量元件的整定阻抗和動作時限，盡可能的保護電網供電的可靠性和供電質量。

本文是討論距離保護的整定原則分析及其在多邊形阻抗繼電器整定上的應用，考慮距離保護對電網、電力系統的影響。

距離保護；多邊形阻抗繼電器

1 距離保護的整定

距離保護是利用短路時的電壓、電流同時變化的特征，測量電壓與電流的比值，反應故障點到保護安裝處的距離而工作的的保護。距離保護是一種反映物理量——測量阻抗下降而動作的保護。顯然距離保護能夠克服電流保護收受系統運行方式影響大的缺點。

在正常的情況下，保護測量元件的測量阻抗為負荷阻抗。而當線路上發生三相短路時，保護裝置所測量的阻抗為短路阻抗。短路時，測量阻抗的大小與短路點到保護安裝處成正比，短點到保護安裝處的距離越大，測量的阻抗越大，反之越小。原理和原理圖如圖1所示。

圖1 距離保護原理示意圖

對于距離保護僅在MN兩端發生故障時，保護裝置才會立即動作，將相應斷路器斷開，而在保護區的反方向和線路的正方向之外的區域發生故障是保護裝置不動作。對于圖1而言，Lset為整定距離，Lk為故障點到保護安裝處的距離，設正方向是由M指向N的方向。比較Lk與Lset大小來確定故障的發生范圍。若Lk小于Lset，說明故障發生在保護范圍之內，這時候保護應立刻動作，跳開斷路器：若Lk大于Lset，說明故障區發生在保護范圍之外，保護裝置應立刻動作，對應斷路器不動作。若故障發生在保護區的反方向，無需比較和測量，直接判斷區外故障不動作。

由于阻抗與故障點距離的線性關系，我們可以根據求出的知道故障點的距離。在距離保護中，設測量的阻抗為Zm，它表示保護安裝出的測量電壓為Um與測量電流Im之比，即：

在電力系統正常運行時，Um近似額定電壓，當系統發生金屬短路時候，Um降低，Im增大。對于均勻的參數輸電線路來說，如果忽略影響較小的分布電容和電導，要求Zk與短路距離Lk成線性正比關系，即：

式中：Z1為單位長度的復阻抗：r1、x1分別為單位長度的正序電阻和電抗。對于距離保護實際上是反應阻抗降低而動作的阻抗保護。由圖2可知道，對于整定阻抗Zset在線路的阻抗的方向上，比較Zm和Zset大小，就可以實現Lk與Lset的比較。Zm小于Zset時，說明Lk小于，故障在保護區之內：反之，Zm大于Zset是，說明Lk大于Lset，故障在保護區之內。

在復雜的電力系統系統中存在著單相，三相系統，以上討論的是單相系統。在實際的三相系統中，可能存在多種不同的短路故障，而各種不對稱短路時，各相的電壓、電流都不再像單相那樣直接運用以上的公式來計算，所以我們要尋求滿足可以在三相系統使用的距離保護（如圖3）。

以圖3的網絡中K點發生故障為列，按照對稱分量的法，可以求出M母線上的各項電壓為：

圖2 負荷和短路阻抗圖

圖3 K點故障網絡圖

1.1 單相接地短路故障

1.2 兩相接地短路故障

當系統發生金屬行兩相接地故障是，故障點兩處接地相電壓為0。以B、C兩相接地故障為列，。可以得到：

非故障點不存在此公式所示的關系，算出的距離不能正確的反應故障的距離，且一般都大于整定距離。

1.3 兩相不接地短路故障

在金屬性兩相短路的情況下，故障點出兩故障相對地電壓相等，以A，B 為列，KA=KB。

由（4）減去（5）公式得：

1.4 三相對稱短路

三項對稱性短路時，故障點處的各相電壓相等，且在三相系統對稱是均都為0。這種情況下，應用任何一相的電壓、電流或任何兩相的相間電壓、兩相電流差作為距離保護的測量電壓和電流、都可以得到與式（3）相同的形式，都可以進行故障判斷。

對于以上的算法，對于距離保護是換湯不換藥，都是具有相通性，都是利用了電壓、電流求出故障點的阻抗，對故障點進行判斷，從而加快對故障點的維修。距離保護加快了電力系統的檢修能力，對電力系統的穩定的作用使它成為電力不可或缺的部分。

2 距離保護在多邊形阻抗繼電器整定

現在討論的是多邊形阻抗繼電器的的整定，那就先了解一下其他阻抗器的特征，以便對它的應用方向進一步的了解。蘋果形特性阻抗元件在R的方向動作比較大，而它耐受過負荷的能力比較差。但橄欖特性的阻抗元件正好與正好與蘋果阻抗元件正好相反耐受過負荷能力較強，但耐過渡電阻的能力較差。園特性的阻抗元件在整定值較小時，動作特性園也就比較小，區內經過渡電阻短路時，測量阻抗容易落到區外，導致拒操作。而整定值較大時，反之。

由于多邊形特性的阻抗元件容許故障點過度電阻的能力和躲過負荷阻抗能力均較強，且在微機行保護中容易實現，所以，今年來隨著微機保護的廣泛應用，多邊形阻抗特性的阻抗元件應用相當廣泛。圖4為為一中方向多邊形阻抗元件特性。多邊形以內為動作區，多邊形以外為非動作區，多邊形的幾條邊界為動作邊界。其動作的判斷依據為：

圖4 多邊形阻抗元件特性圖

如圖4所示，為了減小過渡電阻對阻抗保護的影響，各邊都采用了傾斜角。在實際使用中，只需要整定Xset、Rset值，其他參數（a1～a4）是由軟件確定的。其中：

（1）為防止保護區末端經過渡電阻Rf短路時，使測量阻抗Zm中的電阻分量增加，造成保護拒動。通常a3=（45～60°）。

（2）為防止保護區末端經過渡電阻Rf短路時，使測量阻抗Zm中的電抗分量可能減少，而造成保護誤動，通常a4=7°。

（3）為保證安裝處經過渡電阻（X=0）短路時，保護能可靠動作，通常a1=15°。

（4）為保證被保護線路發生金屬性（R=0）短路時，保護能可靠動作，取 a2=15°。

在配電網中，有時候由于線路過短，線路的阻抗相應較小，距離保護耐受過渡電阻的能力大大小降，為了躲過過渡電阻能力，可以使用多邊形阻抗繼電器。具有多邊形的阻抗繼電器能夠同時兼顧耐受過渡電阻的能力和躲負荷的能力，多邊形繼電器是將園和直線特性結合起來，廣泛應用微機保護。對于微機的廣泛應用，我相信多邊形繼電器在今后的需求量會有所提高。

3 結束語

（1）距離保護通過故障阻抗來確定故障所在范圍，保護穩定，靈敏度高，動作的情況受電網的運行方式影響小。能夠在多側電源的高壓及超高壓復雜的電力系統中應用。

（2）距離保護的阻抗測量原理，除可以應用于輸電線路的保護外，還可以應用于發電機、變壓器保護中，作為后備保護。

（3）當對于耐受過渡電阻的能力和躲負荷的能力的要求很高的情況，應使用多邊形阻抗元件，它是將圓和直線的特性結合起來的，具有很好的耐受過渡電阻的能力和躲負荷的能力。

（4）相對于電流、電壓保護來說，距離保護的構成、接線、和算法都是比較復雜的，裝置自身的可靠性稍差。

[1]王維儉，主編.電力系統繼電保護基本原理.

[2]楊曉勉，主編，王艷麗，王雙文，副主編.電力繼電保護原理及應用.

TM773

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1004-7344（2016）17-0077-02

2016-6-2