工頻變化量距離保護檢驗

代家鵬，劉頌華

(云南電網公司電力教育中心，昆明 650204)

1 前言

220 kV及以上輸電線路，由于穩定性問題突出，對線路保護的快速性提出很高的要求:即在全線路范圍內故障要實現全線速動，保護動作延時控制在20～40 ms以內。線路縱聯保護利用通道傳送兩端的故障信息，可以實現全線速動。但對系統穩定影響較大的線路出口附近故障，縱聯保護由于通道中的發信或停信控制環節，必然使保護帶有一定的延時，不可能很快。設置獨立于通道的超高速獨立跳閘保護來解決這個問題，是繼電保護發展的一個重要方向。不同廠家的快速獨立主保護原理一般不同，調試方法也與傳統方法相差較大，利用故障分量原理構成的工頻變化量距離保護就是這樣的超高速保護。

2 工頻變化量距離保護原理

電力系統發生短路故障時，其短路電流、電壓可分解為故障前負荷狀態的電流、電壓分量和故障分量，反應工頻變化量的繼電器只考慮故障分量，不受負荷狀態的影響。故障分量的兩個主要特征:一是故障點的電壓故障分量最大，系統中性點為零。由故障分量構成的方向元件可以消除電壓死區。二是保護安裝處的電壓故障分量與電流故障分量間的相位關系由保護至背后 (面對故障點的背后)系統中性點間的阻抗決定，不受系統電動勢和短路點過渡電阻的影響，按其原理構成的阻抗元件動作范圍和方向性明確。

阻抗元件是距離保護的核心元件，它不僅能測量故障點到保護安裝處的距離還能反映故障點的方向。為了獲得各種不同動作特性的阻抗元件，常選用不同的極化電壓與工作電壓進行比相。為正確區分區內、區外和反向故障狀態，工作電壓一般取為線路保護范圍末端的電壓△Uop=△U－△IZset，其在正常運行時表示保護末端的線路工作電壓;在區內故障時它并不對應系統中任何真實點電壓，僅表示保護安裝處電壓變化量△U與電流化量△I在模擬阻抗Zset上壓降之差。極化電壓△EK取故障點故障前的工作電壓記憶值，其幅值與相位要保證在任何故障情況下基本不變。

圖1 正方向故障工頻變化量電氣量示意圖

由圖1可得，正方向保護范圍內故障，保護安裝處的工頻故障分量電流、電壓可以分別表示為:

取工頻故障分量距離元件的工作電壓為:

其動作方程為:

正方向區內故障時上述方程式滿足動作要求。實際上的距離元件為了加快保護動作速度，并不去計算ZK的大小，而是通過比較工作電壓與極化電壓幅值大小來實現的。

對接地故障工作電壓為:

對于相間故障工作電壓為:

在微機保護中用半周絕對值積分算法實現快速動作的過程是:首先去掉負荷分量Uop.lod然后在半個周期內積分直到電壓變化量大于整定電壓Uset。即滿足方程式:

其中:ω =2πf=314 rad。

在計算過程中，并不需要積累半個工頻周期的數據，而是在計算過程中不斷對上式進行判別，只要積分值一達到Uset，阻抗元件就處于動作狀態。這樣，當在保護安裝處故障時，因有較大值，上式中積分較短時間就可以達到定值Uset，從而繼電器有很快的動作速度，一般出口故障時，動作時間小于5 ms。其它位置故障動作時間小于15 ms。這個時間遠小于縱聯保護的通道配合時間15～25 ms，從原理上保證了動作的快速性。

3 工頻變化量距離保護定值檢驗

3.1 試驗參數計算和設置

工頻變化量距離保護的定值與接地、相間距離Ⅰ段定值相同，考慮互感器的誤差，一般取線路全長阻抗的80%～85%。在做定值檢驗時，傳統距離保護的試驗方法是固定電流值，調整電壓大小以檢驗動作阻抗:即接地故障按Uφ=m(1+K)IZset，相間故障按 Uφφ=m2IZset設置電壓。當m為0.95時，加入的故障參數應使保護動作;當m為1.05時，加入的故障參數應使保護不動作。由于工頻變化量距離保護的阻抗特性邊界受電源側等值阻抗Zs的影響，所以不能用此方法進行檢驗，而應結合其動作原理，將其視為由電流變化量ΔI構成的過壓繼電器進行測試。在檢驗時輸入參數既要形成故障分量的電流和電壓，也要扣除負荷分量。由于故障前短路點的位置不可預知，因此也無法確定故障前短路點電壓，但正常運行時整個線路電壓變化不大，可將整定電壓取為1.05UN，動作方程可等價為。可得，m 為可靠動作系數，當m=1.1倍時，保護動作，當m=0.9倍時，保護不動作，根據動作方程 (1)推導出短路電壓為:

何澤倒騰苗木有幾手，在鄉里還有三百多畝的苗木基地，有時候還開展一些黃楊、紫檀、紅栗木等較貴重木材的收集販賣，免不了和李站長打交道，一來二去都熟了，很多方面也都互相照應著點。

設故障前線路空載，即負荷電流Iloa為零，則上式簡化為:

以上計算表明工頻變化量距離保護定值校驗時也可采用電流恒定計算模式，通過設置短路電流和整定阻抗，按m的取值計算出短路電壓即可校驗阻抗定值。

接地故障時，Uφ為故障相電壓，非故障相電壓保持正常，Iφ為故障相電流，電流滯后電壓角度為線路阻抗角 (設為90°)。加適當故障相電流I。例如某線路工頻變化量距離保護整定阻抗為5 Ω，零序補償系數0.667。取故障電流為5 A，則計算電壓為:

Uφ=(1+0.667)*5*5+(1－m1.05)*57.74=41.67+57.74－m60.63=99.41－ m60.63

當m取1.1時，電壓為32.72 V。設置故障狀態參數為 Ua=32.72∠0°V，Ub=57.74∠ －120°V，Uc=57.74∠120°V;Ia=5∠ －90°A，Ib=Ic=0。故障持續時間為30 ms，保護應動作。

當m取0.9時，電壓為44.85 V，設置故障狀態參數為 Ua=44.85∠0°V，Ub=57.74∠ －120°V，Uc=57.74∠120°V;Ia=5∠ －90°A，Ib=Ic=0。故障持續時間為30 ms，保護不動作。

相間故障時，Uφφ為故障相間電壓，非故障相電壓不變，Iφφ為故障相間電流，線電流滯后故障相間電壓角度為線路阻抗角 (設為90°)。加適當故障相電流Iφ。取故障相電流為5 A，兩相電流相位相反，按上例計算BC相間故障電壓為:

當m取1.1時，電壓為34.5 V，此電壓為相間電壓，試驗時要按相電壓設置，一種方法是固定故障相間電壓相位為120°，則Uφ=Uφφ/1.73=34.5/1.73=19.9 V，設置故障狀態參數為Ua=57.74∠0°V，Ub=19.9∠ －120°V，Uc=19.9∠120°V;Ia=0，Ib=5∠180°A，Ic=5∠0°A，即Ubc=34.5∠270°V，Ibc=10∠180°A，故障持續時間為30 ms，保護應動作。

當m取0.9時，電壓為55.5 V，設置故障狀態參數為Ua=57.74∠0°V，Ub=55.5/1.73=32∠－120°V，Uc=32∠120°V;Ia=0，Ib=5∠180°A，Ic=5∠0°A，故障持續時間為30 ms，保護應不動作。

更簡便一點的方法是設置兩故障相電壓相位相反，大小為Uφ=Uφφ/2=34.5/2=17.25 V，此時對應的BC相間測量阻抗應滿足要求。但這種方式將會產生零序電壓與實際短路故障不同，檢驗中非故障相電壓相位改變會影響保護的動作結果，不能真實地模擬故障狀態。試驗中要控制非故障相電壓與故障線電壓之間的相位在－150°～40°之間，以減小零序分量對保護動作的影響。從上述檢驗過程來看，工頻變化量距離保護在m取1.1倍時的電壓值低于邊界電壓，保護動作，m取0.9倍時的電壓值大于邊界電壓，保護不動作。因此該保護在原理上還是屬于欠量保護的范疇。檢驗中，當整定阻抗Zset很小且設置短路電流為額定值時，計算出的短路電壓可能出現負值，此時應提高短路電流，使電壓不為負值或很小，以保證保護的方向性和阻抗計算的精確性。此時更能真實地模擬保護出口處短路情況，保護能快速動作。

3.2 試驗原理分析

下面我們從故障分析入手說明工頻變化量距離保護的定值檢驗原理，按《電力系統繼電保護規定匯編》中的規定，距離保護遵循“在整定值10%偏差校驗”，并保證一定的靈敏度。

考慮到金屬故障且故障點處5%暫態誤差的影響，上述門坎電壓取為105%UN，由圖1可知區內故障時故障點電壓有等式:

當m取1.0，故障點恰好位于保護范圍末端，即Zset=ZK;當m取1.1，在保護范圍內故障，即Zset＞ZK;當m取0.9，在保護范圍外內故障，即Zset＜ZK。

整理上式得:

化簡有:

單相接地測量阻抗:

相間短路測量阻抗:

故障時測量阻抗范圍如表1。

表1 故障時測量阻抗范圍

表中測量阻抗表明:工頻變化量距離保護用1.1倍和0.9倍故障參數檢驗定值的方法，實際的測量阻抗遠遠偏離整定值，并且測量阻抗有時已超越線路全長。對于單相接地故障，測量阻抗已達0.86倍和1.15倍整定阻抗、0.73倍和0.97倍線路阻抗;對于相間短路故障，測量阻抗已達0.79倍和1.21倍整定阻抗、0.67倍和1.03倍線路阻抗。不能可靠校驗出整定阻抗附近的動作情況，更不能滿足傳統所遵循的“在整定值10%偏差校驗”的規定。從試驗數據來看，測量阻抗值缺乏一致性，說明工頻變化量距離保護定點校驗的方法存在較大離散性。其實校驗定值時應按m=1.0設置參數，但保護又不一定能動作。試驗中能疊加一定的非周期分量模擬保護的實際工作狀態，效果稍好一些。因此，在校驗時應該使用繼電保護試驗儀，逐一找出故障電壓的邊界值，以此值為準進行10%誤差的考核，上述1.1倍和0.9倍的檢驗方法只是簡單地保證在定值附近可靠地動作和不動作的情況，并非傳統意義的距離保護定值檢驗。檢驗中我們雖然沒有真正測出了保護的整定值，但考慮該保護主要反映故障暫態分量，測試儀不能如實模擬，因此帶來了一些離散性，線路故障時它是能保證應有靈敏度的。

4 應注意的問題

工頻變化量距離保護作為保護裝置的快速動作段，其主要作用是線路出口故障時，保護能快速動作，以減小對系統穩定的影響，其保護范圍整定線路全長的80～85%。實際上在程序編寫過程中，為克服系統振蕩、計算誤差的影響，從提高可靠性的角度出發，在動作方程中使用了浮動門檻，取值超出5%，由于動作門檻的提高，在同樣m的取值下，測量阻抗減小，保護動作速度必然加快，體現了快速保護的特點。由此帶來了保護范圍縮小的缺點，可由保護線路全長80%左右的穩態距離I段或縱聯保護來彌補。

工頻變化量距離保護的動作速度很快，這是它的一個突出優點。由動作方程可知，當保護背后電源的運行方式越大 (即ZS越小)，而本線路越長時 (此時保護整定阻抗越大，保護范圍末端離保護安裝處越遠)，出口短路動作速度越快。這說明工頻變化量距離保護用于大電源側不存在問題。當用于小電源側 (即ZS過大)或超短線路 (3公里以下)時，工頻變化量距離保護靈敏度會降低。因為對于短線路，穩態距離I段和工頻變化量距離保護都難以整定保護范圍，所以現場一般是將其退出運行。

線路末端斷路器因故跳閘，線路空載運行，在“容升效應”的作用下，線路末端電壓會大幅度升高，由于工頻變化量距離保護的動作量ΔUop反映的是保護范圍末端的電壓。所以保護范圍末端電壓升高將造成該保護誤動，此時在裝置里設置了整定阻抗值很大的全阻抗元件進行閉鎖，在上述情況下，流過保護的電流只是本線路狠下的電容電流，全阻抗元件不動作，工頻變化量距離保護就不會誤動。

圖2 功率倒向示意圖

在環網或平行線路上發生短路后會出現功率倒向問題，如圖2所示，L2線路3號保護出口發生短路，在非故障線路L1中短路電流由N端流向M端 (圖中實線所示)，L1線路1號保護判斷為反方向短路，綜合比較兩端方向元件動作行為滿足非故障線路特征，所以兩端保護都不誤動。故障應由L2線路的保護切除，如果L2線路兩側均投入工頻變化量距離保護或者3、4號斷路器跳閘時間不能完全一致。例如3號保護中的工頻變化量距離保護超高速 (4 ms)發出跳閘命令，在3號斷路器快速跳開后，4號斷路器尚未跳開期間，L1線路中的短路功率是從M端流向N端(圖中虛線所示)，與3號斷路器跳開前功率流向相反，產生功率倒向。L1線路1號保護方向判別要從反變正;2號保護方向判別要從正變反，存在兩端方向元件動作速度的“競賽”問題。嚴重情況是1號保護從反變正動作速度快于2號保護從正變反，例如1號保護中的工頻變化量距離保護快速動作，2號保護中的正方向元件延遲返回，則在短暫的時間內L1線路兩端的保護均判斷為正方向故障，則L1線路兩端縱聯保護誤動作。雖然保護裝置采取了反方向元件優先動作并閉鎖正方向元件和縱聯保護40 ms內不動作再次動作要加上25 ms的延時等措施來解決功率倒向問題。這是針對正、反方向元件動作速度不一致而導致縱聯保護誤動的有效措施。其中并沒有考慮到工頻變化量距離保護的超高速動作行為，如果故障時該保護快速動作切除故障時間小于40 ms，則仍然會導致縱聯保護誤動。現實的解決方法是在平行雙回線中，線路兩端保護裝置中的工頻變化量距離保護退出運行，以免造成縱聯保護誤動。

5 結束語

工頻變化量距離保護是一套不依賴通道的超高速保護，是全線速動縱聯保護的有益補充，其原理有別于傳統的距離保護，主要用于快速切除保護出口處的故障;其定值檢驗的方法也有別于傳統距離保護的動作邊界搜索，只是在整定值附近做一個可靠動作的值和一個可靠不動作的值以代替定值檢驗，試驗中存在較大的離散性，但并不影響驗證其保護范圍。在特殊結構的線路上使用工頻變化量距離保護，要根據運行方式注意合理投退，既發揮其快速動作的特點，又要防止其導致其它保護誤動或本身靈敏度降低的缺點。

［1］國家電力調度通信中心.國家電網公司繼電保護培訓教材(上、下冊)［M］，中國電力出版社，2009.

［2］南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS－900系列超高壓線路成套保護裝置技術和使用說明書［Z］.

［3］韓笑，等.電網微機保護測試技術 ［M］.中國水力水電出版社，2005.

［4］國家電力調度通信中心.電力系統繼電保護規定匯編［M］.北京:中國電力出版社，2000，5.