距離保護在110kV輸電線路中的應用仿真研究

周桂珍+++曹菊英

摘 要 距離保護受電力系統運行方式和結構變化的影響較小，保護范圍相對較長并且穩定，具備一定的受過渡電阻影響的能力等優點適用于遠距離、重負荷的高壓線路。作為電力系統重要組成部分的110kV輸電線路的繼電保護方法中應用最廣泛的也是距離保護。本文分析了輸電線路距離保護的基本原理，利用MATLAB/SIMULINK對110kV輸電線路的距離保護建立仿真模型。仿真結果表明：距離保護能準確的發現短路故障并發出信號讓斷路器跳閘來實現保護。

【關鍵詞】距離保護 110kV輸電線路 繼電保護 跳閘

1 引言

110kV輸電線路是電力系統的重要組成部分，其安全運行對整個網絡的可靠運行和電能質量起著至關重要的作用。因此對110kV輸電線路進行保護就顯得十分必要。

在高壓輸電線路繼電保護中，距離保護無疑占有非常重要的地位。它的優點是：受電力系統運行方式和結構變化的影響較小，保護范圍相對較長并且穩定，具備受過渡電阻影響的能力等適用于遠距離、重負荷的高壓線路。距離保護一直是在復雜電網中的高壓輸電線路非常重要、非常廣泛的保護方法之一。本文采用距離保護作為110kV輸電線路的主要保護方法。

2 距離保護的工作原理

距離保護是反應故障點到保護安裝點之間的距離（阻抗），并依靠距離遠近來選定動作時間的一種保護。其核心元件是阻抗繼電器，通過測量短路點到保護安裝地點之間的阻抗，并與整定值進行比較，以確定保護是否應該動作。圖1分析三段式距離保護的整定計算。

2.1 距離保護第I段整定

對保護2而言，其I段保護阻抗整定值按躲開下一條線路出口處短路時所測量的阻抗ZAB，即

（1）

同理，保護1第I段阻抗整定值應為

（2）

Krel：I段可靠系數，取0.8～0.9；Z：線路單位長度阻抗；LAB：LBC線路AB、BC的長度。由（1）、（2）可知，距離I段保護范圍是本線路總長的80%～90%，并不能保護總長，是瞬時動作的，tI=0。

2.2 距離保護第II段整定

距離II段的阻抗整定值的整定原則是使它不超過下一條線路距離I段的保護范圍，同時多出一個時限△t，以保證其選擇性。如圖1，當BC末端短路時，保護2的整定阻抗為

（3）

（4）

△t取0.5～0.7s。

2.3 距離保護第III段整定

保護2的III段距離保護的動作阻抗的計算原則是根據躲開被保護線路在正常運行時的最小負荷阻抗來整定計算，即

（5）

（6）

△t取0.5～0.7s

式中，—輸電線路AB的最小負荷阻抗，

；Kms—電機的自啟動系數；Kre—阻抗元件返回系數，一般取1.2。

3 距離保護的接線方式

阻抗繼電器是距離保護的核心元件，它是測量短路點到保護安裝處距離。本文采用的是單相補償式距離繼電器，繼電器的接線方式采用的是 接線方式，具體表示如表1所示。

4 110K輸電線路距離保護的仿真

本文的仿真對象是110kV的單端電源的單一回線，如圖2所示。

電源電壓為10.5KV，經過變壓器升壓到110kV，通過變壓器降壓為10.5V，電力系統的負荷電壓為10KV.各個系統的參數是：電壓源的線電壓10.5KV，內阻是Zg=0.001+j0.007Ω；變壓器容量是31.5MVA，線路AB、BC各100KM，線路正序阻抗為/km；零序阻抗是；負荷容量為S=1.2+j0.9M，線路的最大負荷電流是200A，母線A的最低工作電壓100KV。

4.1 阻抗整定值的計算

=7.4+j44.4Ω

最小負荷阻抗為：

4.2 仿真模型

本文采用的繼電器為全阻抗繼電器，其動作方程是。Zset的選取為上述計算出來的整定值，將三個不同整定值的距離保護加上延時保護模塊組成三段式距離保護模塊。仿真過程中距離Ⅰ段保護瞬時動作，保護Ⅱ段和距離保護Ⅲ段分別延時0.05秒和0.07秒。相間短路K1繼電器接線模塊，K2，K3繼電器按表1接線，三者通過或門、數據類型轉換等送給系統出口模塊。

4.3 仿真結果

仿真時間設置為0.2s， 算法為ode23t。由于保護Ⅰ段能保護85%之內的各種故障，Ⅱ段范圍延伸到下一級線路中，保護Ⅲ段是該線路及以下線路的后備保護。為了體現故障發生在線路不同位置時，3段保護的動作情況，本文將故障點分別設置在線路的60KM處和90KM處。

4.3.1 三相短路時仿真波形

當故障點在60KM處發生三相短路時電壓電流波形如圖3、4所示。 0～0.05S之間系統是正常運行的，保護安裝處的電壓平穩運行，為標準的三相正弦波，0.05S之后引入故障，到 0.07S故障切除，電壓恢復正常運行，電流趨于0。三段式動作保護如圖5所示。

保護故障點在60KM處，1-3段全部動作，Ⅰ段最先啟動，2 3延時啟動，Ⅰ段保護切除故障后，由于動作保持不再重合閘，因此故障消除，故障信息不再出現，3段均回到1的狀態。

當故障點在90KM處，，仿真如圖6、7。0～0.05S之間系統是正常運行的，保護安裝處的電壓是平穩運行的，為標準的三相正弦波。0.05S之后引入故障，故障不在1段保護范圍內，1段不啟動，Ⅱ段啟動，0.11S時故障切除，電壓恢復正常運行，短路電流增大，0.11秒時故障線路切斷無電流通過，電流趨0。三段式動作保護如圖8所示。

由于保護故障點在90KM處，2-3段動作，不在1段保護范圍內，Ⅲ段較Ⅱ段延時啟動，Ⅱ段保護切除故障后，由于動作保持不再重合閘，因此故障消除，故障信息不再出現，Ⅱ、Ⅲ段均回到1的狀態。

通過仿真得知系統兩相短路時3段保護也能正確動作。

5 結論

本文對三段式距離保護的工作原理進行了分析，并對110kV輸電線路發生故障采用三段距離保護進行建模仿真，仿真結果表明，采用三段式距離保護相結合對100%線路上發生的故障能有選擇性的快速切除，仿真結果達到了預期目的。

參考文獻

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[6]楊蘭，楊廷芳，陳眾，蔡立紅.MATLAB/SIMULINK在繼電保護設計中的應用[J].電氣傳動自動化，2006（01）.

作者簡介

周桂珍（1983-），女，湖南省岳陽市人。碩士研究生學歷。現為湘南學院電子信息與電氣工程學院助教。從事基于神經網絡的故障診斷研究。

通訊作者簡介

曹菊英（1975-），女，湖南省郴州市人。碩士學位。現為湘南學院電子信息與電氣工程學院副教授。從事計算機方向研究。

作者單位

湘南學院電子信息與電氣工程學院 湖南省郴州市 423000