高壓線路距離保護設計中的幾個關鍵技術鄒運和

朱發國+李冬麗

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

關鍵詞：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，國內外專家對高壓線路保護的研究為我們創新了先進的設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。現代通信技術和電子技術的快速發展為我們提供了良好的微機保護技術平臺，對于保障保護裝置性能指標提供了條件。在此基礎上，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和功能設計等作簡單介紹，而將重點放在三個關鍵技術點上。

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計規范》規定，按照系統穩定性，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生時，又要求開放距離保護切除故障。

實現振蕩閉鎖可以有多種方法，現介紹一種通過計算振蕩中心電壓及靜穩破壞條件，來判斷系統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，結合實際選相結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 振蕩時電壓電流關系圖

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

將系統狀態分為4個區域[1]：

正常區：此時系統穩定運行沒有發生振蕩。

預備區：通過穿過此區域的時間可識別系統是否振蕩或故障。發生短路時一般在20ms以內穿過此區域。振蕩時穿過此區域的時間肯定大于20ms，于是設振蕩標志，否則不設振蕩標志。

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

當線路上發生短路故障時，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，可以在一次參數整定表中查到。

動作區：振蕩時不會停留在動作區，在進入動作區后每一步計數器遞減1，即N←N-1。由于動作區δ的寬度約為測速區的2倍，振蕩時當N遞減到零，應剛好穿出動作區，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。如果是振蕩中發生三相短路故障，將停留在動作區，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點：

a.在阻抗平面上的動作區很窄，使得預備區很寬，從而能有效地識別振蕩。

b.在阻抗平面上的動作區很長，可以適用于長線路。

c.負序、零序分量消失，系統三相恢復對稱，回到正常區后，發生三相短路保護，動作就不增加延時。

系統振蕩中又同時發生故障的幾率很小，因為振蕩時絕大部分時間電壓低于額定值，必然降低了再發生故障的可能。再考慮振蕩時應力求使系統盡快恢復穩定，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，與中低壓系統的保護元件沒有太大區別，這里就不一一介紹。

隨著第三次工業革命在全球范圍內逐步推進，綠色能源（可再生能源）逐步取代化石能源已經是大勢所趨，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，原則上在線路故障時小電源應該迅速從系統中解列，待系統穩定后再重新并入。

2 距離保護特性及實現方法

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，以確定是否區內故障的保護形式。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原理說明距離繼電器的實現方法。

當線路上發生單相接地或相間短路故障時，其阻抗特性和動作區域范圍可以用圖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或圓上時，向量ZJ-Zzd領先ZJ-Zzd的夾角在90°～270°之間，測量阻抗將位于距離保護動作區內。

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

其他阻抗特性判據實現公式在相關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。在沒有振蕩發生情況下的選相比較容易處理，而振蕩發生時，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生故障的選相方法，供參考。

通過一組電力系統振蕩中發生兩相短路故障的動態模擬數據加以分析。

圖3 高壓輸電線路一次系統及故障模擬圖[3]

圖3[3]為模擬高壓線路一次系統圖，保護安裝在系統側BRK2處。試驗模擬系統發生了振蕩并在K3點發生BC兩相短路故障，用故障錄波儀測得電壓電流數據用于故障分析。

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

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

表中所記錄的為F點之后連續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據。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，故障相BC的變化量特征仍不明顯，這是因為故障開始時，計算向量所用的數據窗夾雜著故障前和故障后的數據，致使計算結果出現較大出入，再者，故障時的暫態過程，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，并且經過了多次反復仿真測試確定，這一結果是真實可信的。

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。故障狀態穩定后，這一規律被固定下來，這種故障相電壓變化率特征應用于振蕩中發生的大多數不對稱故障的選相，是沒有問題的。

4 結束語

高壓線路保護是電力繼電保護的重要內容之一，也是電力部門非常重視的關鍵技術點，其保護原理較之中低壓系統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。電力系統繼電保護設計開發創新是無止境的，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.高壓電網繼電保護原理與技術-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電力系統繼電保護產品動模試驗.電力行業標準.

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