多邊形阻抗距離I段保護誤動分析與邏輯優化

錢政旭，戚宣威，曹文斌，王松，潘武略，方愉冬

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

距離保護利用保護安裝處測量電壓和電流的比值反應故障點到保護安裝處的距離，具有保護范圍明確、受系統運行方式影響小等優點［1-3］，廣泛應用于110 kV 及以上電壓等級的輸電線路［4］。目前，常見的距離保護按阻抗特性元件分為圓特性和多邊形特性［5-7］。其中，多邊形特性距離保護由多段阻抗特性直線圍合而成，因其耐過渡電阻能力強、有方向判別功能并具有較強的負荷適應性［8］，常作為多級串供型輸電線路的主保護。

多邊形特性距離保護是通過設置動作邊界的負荷限制電阻線來躲事故過負荷時的最小負荷［9-11］，若設置不合理將導致保護區外事故過負荷誤動。2021 年以來，某地區電網接連發生三次區外相間故障，調查結果為非故障相的測量阻抗落入多邊形阻抗元件距離Ⅰ段動作范圍內而導致保護誤動的事件，保護越級跳閘而失去選擇性。分析表明，該類誤動問題是由于保護的多邊形特性距離保護Ⅰ段的動作區設置不合理，其多邊形阻抗元件的負荷限制定值過大，導致非故障相的測量阻抗先于故障相落入動作區引發誤動。本文對此問題開展錄波分析、機理解析，并深入探究其動作區設置邏輯，提出了應對優化策略，同時對改進方案進行了測試校核，確保多邊形阻抗元件可靠動作。

1 故障分析

由于三次誤動故障情況類似，本文以其中一次誤動為例開展現場故障分析。

表1為該間隔線路保護裝置距離Ⅰ段定值，根據定值可計算其動作區。

表1 距離I段整定值

圖1為保護第一次動作報文，圖2為其保護動作錄波。

圖1 保護動作報文

圖2 保護動作錄波

通過錄波數據分析可知，保護啟動前B 相電壓明顯下降，A、C相電壓明顯升高，線電壓保持不變，初步分析系統已經處于B 相單相接地運行狀態。之后A、B相電流明顯增大（有效值從0.5 A增大到1.5 A），表明線路此時故障已轉換為A、B兩相短路接地故障。

如圖3所示，對錄波中跳閘信號出口時刻的數據進行量化分析可知，A、B相短路阻抗一直在距離Ⅰ段動作區外，但是A、C相短路阻抗在保護啟動6 ms后即進入距離Ⅰ段動作區內。

圖3 跳閘出口時刻阻抗向量圖

在發生A、B兩相接地短路故障期間，故障點處的電壓和電流存在如下關系：

根據故障點電壓、電流，可以推導測量阻抗為：

式中：ZL為故障點到保護測量處的線路正序阻抗。

根據現場定值單，本線路的阻抗角為60°，假如|Z1|=|ZL|且兩者正序阻抗角相同，則ZmCA剛好位于R軸。一般情況下，故障點到保護測量處的線路正序阻抗ZL與故障分析復合序網中的正序等值阻抗Z1的阻抗角接近；若忽略35 kV 負荷側的正序阻抗，則有|Z1|＞|ZL|，故ZmCA=×Z1+ZL將位于R軸的下方附近。

根據解析可以得到在A、B相間短路期間，各相間測量阻抗的相對相位關系如圖4 所示（圖4 中紅色虛線框代表動作區）。此時測量阻抗ZmCA貼近R軸，存在落入多邊形阻抗元件動作區的風險。

圖4 AB相間短路期間相間阻抗分布

對比圖3和圖4可得，測量阻抗分布特性與故障的實測阻抗分布一致，通過理論計算驗證，符合實際錄波現象。

此外，多邊形阻抗元件為了保證方向性，R軸下方的方向偏移角取15°，也就是動作區第Ⅳ象限的底邊與R軸夾角為-15°，故測量阻抗ZmCA即使位于R軸下方附近，也有很大可能會落入動作區。

綜上所述，通過分析動作錄波發現，A、B相間短路故障期間，由于非故障相A、C相間阻抗進入距離Ⅰ段動作區，從而導致距離Ⅰ段保護動作。分析其動作區發現，其形狀比較扁平，動作區向右側延伸較多，在第Ⅳ象限的動作區甚至大于第Ⅰ象限動作區，導致末端故障時非故障相阻抗可能落入距離Ⅰ段動作區。

2 保護邏輯優化

2.1 多邊形阻抗保護動作區分析

如圖5所示，多邊形阻抗距離Ⅰ段動作區由6段動作邊界構成，將其編號為1-6 段動作邊界。其中，邊界1、2 保證故障方向性的可靠選擇，邊界3由負荷限制電阻值決定，邊界6由距離Ⅰ段定值計算的電抗值確定。

圖5 距離Ⅰ段動作區示意圖

根據誤動問題特性，要縮小動作區的第Ⅳ象限區域，相關的邊界為2 和3，而邊界2 保證了故障方向性的可靠選擇。邊界3 與R軸的交點（即負荷限制電阻定值）按躲負荷進行整定，且距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段共用同一定值。對于距離I段的動作區，該負荷限制電阻值整定過大，導致動作區較多的偏入了第四象限。因此，為保護軟件設計計算距離Ⅰ段動作區專用的電阻分量，不與距離Ⅱ段、Ⅲ段共用電阻分量，從而實現保護軟件自適應優化距離Ⅰ段動作區，解決末端故障時非故障相阻抗可能落入距離Ⅰ段動作區的問題。

如圖6所示，黑色虛線框為圓阻抗動作區，藍色框為多邊形阻抗動作區，紅色虛線框為某一電阻定值Rset下的距離Ⅰ段動作區。對比圓阻抗元件與多邊形阻抗元件的動作區可知，其電抗分量XDZ是由阻抗定值ZDZ折算到X方向的值。電阻分量RDZ為負荷限制電阻定值，按照躲負荷阻抗整定，為距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段共用。通常，RDZ對于距離Ⅱ段、Ⅲ段合適，而由于中低壓線路較短，距離Ⅰ段動作區的電抗分量相對于負荷限制電阻定值比較小，會引起距離Ⅰ段多邊形動作區過于扁平，線路末端故障時非故障相阻抗可能落入動作區。

圖6 圓阻抗元件與多邊形阻抗元件動作區

因此，結合誤動發生的邏輯可知，多邊形阻抗元件的負荷電阻限制值是動作區邊界設置的關鍵參數。

2.2 動作區邏輯判據優化

基于設計原理，距離保護多邊形阻抗元件的動作區在4個象限的分布原則是：第Ⅰ象限占有的區域應最大。如果動作區的負荷限制電阻定值過大，以致第Ⅳ象限的動作區大于第Ⅰ象限的動作區，違背動作區設計原則。當第Ⅰ象限和第Ⅳ象限的面積相等時，可計算得到對應的電阻分量約為5倍電抗分量。考慮一定的裕度，距離Ⅰ段專用電阻分量取4倍電抗分量作為上限，從而保證第Ⅰ象限動作區大于第Ⅳ象限動作區。

綜合以上因素和原則，優化后距離Ⅰ段多邊形動作區使用的電阻分量RsetI由裝置內部按下述公式計算得到：

由式（9）可知，RsetI的取值由3 個值的最小值決定。其中，第一個值中Rset的含義為距離Ⅱ、Ⅲ段多邊形的電阻定值，對應定值項為負荷限制電阻定值。由于距離Ⅰ段需單獨設置較小的負荷限制電阻，且若Rset值過小會失去負荷限制作用，因此根據工程經驗，取第二個值中，Rr/LZ是距離Ⅰ段容許的過渡電阻值折算到二次的值，Rr為距離Ⅰ段容許過渡電阻值（一般取10 Ω）；LZ為阻抗一二次的換算系數（TV變比/TA變比）。而ZZD為距離Ⅰ段定值，φlm為線路正序靈敏角。此值的含義為考慮線路接地故障時的過渡電阻，以提高距離保護動作的可靠性。第三個值4XsetI的設置原因是當多邊形動作區第Ⅰ象限和Ⅳ象限面積相等時，電阻分量為5倍XsetI，考慮一定裕度，按4倍XsetI封住電阻分量的上限。

此外，增加防止定值輸入錯誤的手段，取上述所得RsetI與XsetI/2的最大值，其中XsetI/2作為距離Ⅰ段多邊形專用電阻分量的下限，近似等于所整定距離Ⅰ段定值對應的圓特性外圍的最小四邊形特性電阻定值RDZmin。因此，的最終取值為：

根據上述邏輯判據畫出優化后的動作區，如圖7內紅色虛線框所示。

圖7 優化后的距離Ⅰ段動作區

由圖7可知，由于將RsetI取值中負荷限制電阻定值Rset縮小為原來的同時電抗定值從8XsetI減小為4XsetI，動作區發生相應改變，優化后的距離Ⅰ段動作區不再扁平化，理論上可躲過末端故障時非故障相阻抗可能落入距離Ⅰ段動作區的誤動問題。經裝置內部修改后的公式計算可得，第Ⅳ象限的動作區面積小于第Ⅰ象限，理論上符合整定原則，滿足動作要求。

3 試驗驗證

利用測試儀中的距離模塊將電壓、電流等數字量轉化為電氣量模擬線路上的各段故障，校驗保護邏輯優化后的動作區，并進行故障回放測試。

3.1 動作區校驗

如圖5所示，將動作區邊界分為阻抗邊界和角度邊界兩種類型。其中，邊界1 和2 是角度邊界，校驗值等于邊界角度±2°；邊界3 和4 為阻抗邊界，校驗值為電阻定值的1.05倍和0.95倍；邊界5和6 為阻抗邊界，校驗值為電抗定值的1.05 倍和0.95倍。

針對不同工況下線路阻抗的變化，通過修改相關整定值，滿足對RsetI不同取值的邏輯驗證。分析可知，距離Ⅰ段動作區可用以下4種工況逐一驗證，每個工況下均模擬相間與三相短路故障。

1）工況一：采用表1中的整定值，表2所示為電阻定值計算結果。

表2 電阻定值計算

經計算，RsetI取4.452 Ω。

試驗測試結果如圖8所示，右側圖中綠色的+號為測試點經試驗返回的正確動作顯示，整理后見表3。

表3 工況一距離Ⅰ段動作區測試結果

圖8 工況一距離Ⅰ段動作區測試結果

2）工況二：修改負荷限制電阻定值Rset為6.0 Ω，其余定值如表1 所示，計算可得RsetI取3.0 Ω。試驗測試結果如圖9所示。

圖9 工況二距離Ⅰ段動作區測試結果

3）工況三：修改TA 變比為100/1，使阻抗一二次的換算系數LZ為3.5，其余定值如表1所示，計算可得RsetI取3.457 Ω。試驗測試結果如圖10所示。

圖10 工況三距離Ⅰ段動作區測試結果

4）工況四：修改負荷限制電阻定值Rset為0.1 Ω，其余定值如表1 所示，計算可得RsetI取0.556 Ω。試驗測試結果如圖11所示。

圖11 工況四距離Ⅰ段動作區測試結果

綜上，4 種工況下對應4 個距離Ⅰ段動作區，對其分別進行相間和三相短路故障模擬距離Ⅰ段保護試驗，結果均能可靠正確動作。

3.2 故障回放測試

針對此次線路保護裝置距離Ⅰ段誤動問題，利用增強故障回放模塊，導入該保護故障錄波文件，如圖12所示進行故障回放。

圖12 故障錄波回放

結果顯示，動作區優化后的保護裝置距離Ⅰ段能躲過該區外故障，保護可靠不動作。

若將距離Ⅱ段、Ⅲ段相間距離阻抗定值整定同Ⅰ段，由于距離Ⅱ段、Ⅲ段Rset取值公式為：

計算可得Rset取8.904 Ω，保護動作，故障選相A、B、C。同樣方法導入另兩次誤動錄波，現象均與此次誤動錄波回放試驗現象相同。上述試驗證明距離Ⅰ段動作區定值優化方案具備可行性。

4 結語

本文針對一起距離Ⅰ段保護誤動事件，通過分析其誤動錄波，推演其數學原理，指出多邊形阻抗元件動作區設置存在的問題。由于距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段共用同一負荷限制電阻定值，導致區外故障時非故障相相間阻抗無法躲過第Ⅳ象限內的負荷限制邊界，落入距離Ⅰ段動作區。

由此提出適用于多邊形阻抗元件的定值優化方案，為距離Ⅰ段設置獨立的負荷限制電阻定值限制條件，實現保護軟件自適應優化距離Ⅰ段動作區。并且，利用保護測試裝置進行優化后的動作區邊界校驗，導入故障錄波驗證方案是可行的。

本文提出的多邊形阻抗元件動作區優化思路適用于所有多邊形阻抗元件，為提升距離保護應對區外故障時的可靠性提供了保障。