工頻變化量距離保護(hù)檢驗

代家鵬，劉頌華

(云南電網(wǎng)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(wěn)定性問題突出，對線路保護(hù)的快速性提出很高的要求:即在全線路范圍內(nèi)故障要實現(xiàn)全線速動，保護(hù)動作延時控制在20～40 ms以內(nèi)。線路縱聯(lián)保護(hù)利用通道傳送兩端的故障信息，可以實現(xiàn)全線速動。但對系統(tǒng)穩(wěn)定影響較大的線路出口附近故障，縱聯(lián)保護(hù)由于通道中的發(fā)信或停信控制環(huán)節(jié)，必然使保護(hù)帶有一定的延時，不可能很快。設(shè)置獨立于通道的超高速獨立跳閘保護(hù)來解決這個問題，是繼電保護(hù)發(fā)展的一個重要方向。不同廠家的快速獨立主保護(hù)原理一般不同，調(diào)試方法也與傳統(tǒng)方法相差較大，利用故障分量原理構(gòu)成的工頻變化量距離保護(hù)就是這樣的超高速保護(hù)。

2 工頻變化量距離保護(hù)原理

電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，其短路電流、電壓可分解為故障前負(fù)荷狀態(tài)的電流、電壓分量和故障分量，反應(yīng)工頻變化量的繼電器只考慮故障分量，不受負(fù)荷狀態(tài)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(tǒng)中性點為零。由故障分量構(gòu)成的方向元件可以消除電壓死區(qū)。二是保護(hù)安裝處的電壓故障分量與電流故障分量間的相位關(guān)系由保護(hù)至背后 (面對故障點的背后)系統(tǒng)中性點間的阻抗決定，不受系統(tǒng)電動勢和短路點過渡電阻的影響，按其原理構(gòu)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(hù)的核心元件，它不僅能測量故障點到保護(hù)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(jìn)行比相。為正確區(qū)分區(qū)內(nèi)、區(qū)外和反向故障狀態(tài)，工作電壓一般取為線路保護(hù)范圍末端的電壓△Uop=△U－△IZset，其在正常運行時表示保護(hù)末端的線路工作電壓;在區(qū)內(nèi)故障時它并不對應(yīng)系統(tǒng)中任何真實點電壓，僅表示保護(hù)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(hù)范圍內(nèi)故障，保護(hù)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(qū)內(nèi)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(hù)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(xiàn)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(hù)中用半周絕對值積分算法實現(xiàn)快速動作的過程是:首先去掉負(fù)荷分量Uop.lod然后在半個周期內(nèi)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(shù)據(jù)，而是在計算過程中不斷對上式進(jìn)行判別，只要積分值一達(dá)到Uset，阻抗元件就處于動作狀態(tài)。這樣，當(dāng)在保護(hù)安裝處故障時，因有較大值，上式中積分較短時間就可以達(dá)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(yuǎn)小于縱聯(lián)保護(hù)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(hù)定值檢驗

3.1 試驗參數(shù)計算和設(shè)置

工頻變化量距離保護(hù)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(tǒng)距離保護(hù)的試驗方法是固定電流值，調(diào)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(shè)置電壓。當(dāng)m為0.95時，加入的故障參數(shù)應(yīng)使保護(hù)動作;當(dāng)m為1.05時，加入的故障參數(shù)應(yīng)使保護(hù)不動作。由于工頻變化量距離保護(hù)的阻抗特性邊界受電源側(cè)等值阻抗Zs的影響，所以不能用此方法進(jìn)行檢驗，而應(yīng)結(jié)合其動作原理，將其視為由電流變化量ΔI構(gòu)成的過壓繼電器進(jìn)行測試。在檢驗時輸入?yún)?shù)既要形成故障分量的電流和電壓，也要扣除負(fù)荷分量。由于故障前短路點的位置不可預(yù)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?？傻?，m 為可靠動作系數(shù)，當(dāng)m=1.1倍時，保護(hù)動作，當(dāng)m=0.9倍時，保護(hù)不動作，根據(jù)動作方程 (1)推導(dǎo)出短路電壓為:

何澤倒騰苗木有幾手，在鄉(xiāng)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(yīng)著點。

設(shè)故障前線路空載，即負(fù)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(hù)定值校驗時也可采用電流恒定計算模式，通過設(shè)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(shè)為90°)。加適當(dāng)故障相電流I。例如某線路工頻變化量距離保護(hù)整定阻抗為5 Ω，零序補償系數(shù)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(dāng)m取1.1時，電壓為32.72 V。設(shè)置故障狀態(tài)參數(shù)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(xù)時間為30 ms，保護(hù)應(yīng)動作。

當(dāng)m取0.9時，電壓為44.85 V，設(shè)置故障狀態(tài)參數(shù)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(xù)時間為30 ms，保護(hù)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(shè)為90°)。加適當(dāng)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(dāng)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(shè)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(shè)置故障狀態(tài)參數(shù)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(xù)時間為30 ms，保護(hù)應(yīng)動作。

當(dāng)m取0.9時，電壓為55.5 V，設(shè)置故障狀態(tài)參數(shù)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(xù)時間為30 ms，保護(hù)應(yīng)不動作。

更簡便一點的方法是設(shè)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(yīng)的BC相間測量阻抗應(yīng)滿足要求。但這種方式將會產(chǎn)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(hù)的動作結(jié)果，不能真實地模擬故障狀態(tài)。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(hù)動作的影響。從上述檢驗過程來看，工頻變化量距離保護(hù)在m取1.1倍時的電壓值低于邊界電壓，保護(hù)動作，m取0.9倍時的電壓值大于邊界電壓，保護(hù)不動作。因此該保護(hù)在原理上還是屬于欠量保護(hù)的范疇。檢驗中，當(dāng)整定阻抗Zset很小且設(shè)置短路電流為額定值時，計算出的短路電壓可能出現(xiàn)負(fù)值，此時應(yīng)提高短路電流，使電壓不為負(fù)值或很小，以保證保護(hù)的方向性和阻抗計算的精確性。此時更能真實地模擬保護(hù)出口處短路情況，保護(hù)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(hù)的定值檢驗原理，按《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)規(guī)定匯編》中的規(guī)定，距離保護(hù)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(tài)誤差的影響，上述門坎電壓取為105%UN，由圖1可知區(qū)內(nèi)故障時故障點電壓有等式:

當(dāng)m取1.0，故障點恰好位于保護(hù)范圍末端，即Zset=ZK;當(dāng)m取1.1，在保護(hù)范圍內(nèi)故障，即Zset＞ZK;當(dāng)m取0.9，在保護(hù)范圍外內(nèi)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(hù)用1.1倍和0.9倍故障參數(shù)檢驗定值的方法，實際的測量阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)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(dá)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(tǒng)所遵循的“在整定值10%偏差校驗”的規(guī)定。從試驗數(shù)據(jù)來看，測量阻抗值缺乏一致性，說明工頻變化量距離保護(hù)定點校驗的方法存在較大離散性。其實校驗定值時應(yīng)按m=1.0設(shè)置參數(shù)，但保護(hù)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(hù)的實際工作狀態(tài)，效果稍好一些。因此，在校驗時應(yīng)該使用繼電保護(hù)試驗儀，逐一找出故障電壓的邊界值，以此值為準(zhǔn)進(jìn)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(tǒng)意義的距離保護(hù)定值檢驗。檢驗中我們雖然沒有真正測出了保護(hù)的整定值，但考慮該保護(hù)主要反映故障暫態(tài)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(yīng)有靈敏度的。

4 應(yīng)注意的問題

工頻變化量距離保護(hù)作為保護(hù)裝置的快速動作段，其主要作用是線路出口故障時，保護(hù)能快速動作，以減小對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，其保護(hù)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(tǒng)振蕩、計算誤差的影響，從提高可靠性的角度出發(fā)，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(hù)動作速度必然加快，體現(xiàn)了快速保護(hù)的特點。由此帶來了保護(hù)范圍縮小的缺點，可由保護(hù)線路全長80%左右的穩(wěn)態(tài)距離I段或縱聯(lián)保護(hù)來彌補。

工頻變化量距離保護(hù)的動作速度很快，這是它的一個突出優(yōu)點。由動作方程可知，當(dāng)保護(hù)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(hù)整定阻抗越大，保護(hù)范圍末端離保護(hù)安裝處越遠(yuǎn))，出口短路動作速度越快。這說明工頻變化量距離保護(hù)用于大電源側(cè)不存在問題。當(dāng)用于小電源側(cè) (即ZS過大)或超短線路 (3公里以下)時，工頻變化量距離保護(hù)靈敏度會降低。因為對于短線路，穩(wěn)態(tài)距離I段和工頻變化量距離保護(hù)都難以整定保護(hù)范圍，所以現(xiàn)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(yīng)”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(hù)的動作量ΔUop反映的是保護(hù)范圍末端的電壓。所以保護(hù)范圍末端電壓升高將造成該保護(hù)誤動，此時在裝置里設(shè)置了整定阻抗值很大的全阻抗元件進(jìn)行閉鎖，在上述情況下，流過保護(hù)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(hù)就不會誤動。

圖2 功率倒向示意圖

在環(huán)網(wǎng)或平行線路上發(fā)生短路后會出現(xiàn)功率倒向問題，如圖2所示，L2線路3號保護(hù)出口發(fā)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(hù)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(hù)都不誤動。故障應(yīng)由L2線路的保護(hù)切除，如果L2線路兩側(cè)均投入工頻變化量距離保護(hù)或者3、4號斷路器跳閘時間不能完全一致。例如3號保護(hù)中的工頻變化量距離保護(hù)超高速 (4 ms)發(fā)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(chǎn)生功率倒向。L1線路1號保護(hù)方向判別要從反變正;2號保護(hù)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(yán)重情況是1號保護(hù)從反變正動作速度快于2號保護(hù)從正變反，例如1號保護(hù)中的工頻變化量距離保護(hù)快速動作，2號保護(hù)中的正方向元件延遲返回，則在短暫的時間內(nèi)L1線路兩端的保護(hù)均判斷為正方向故障，則L1線路兩端縱聯(lián)保護(hù)誤動作。雖然保護(hù)裝置采取了反方向元件優(yōu)先動作并閉鎖正方向元件和縱聯(lián)保護(hù)40 ms內(nèi)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(dǎo)致縱聯(lián)保護(hù)誤動的有效措施。其中并沒有考慮到工頻變化量距離保護(hù)的超高速動作行為，如果故障時該保護(hù)快速動作切除故障時間小于40 ms，則仍然會導(dǎo)致縱聯(lián)保護(hù)誤動?，F(xiàn)實的解決方法是在平行雙回線中，線路兩端保護(hù)裝置中的工頻變化量距離保護(hù)退出運行，以免造成縱聯(lián)保護(hù)誤動。

5 結(jié)束語

工頻變化量距離保護(hù)是一套不依賴通道的超高速保護(hù)，是全線速動縱聯(lián)保護(hù)的有益補充，其原理有別于傳統(tǒng)的距離保護(hù)，主要用于快速切除保護(hù)出口處的故障;其定值檢驗的方法也有別于傳統(tǒng)距離保護(hù)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(hù)范圍。在特殊結(jié)構(gòu)的線路上使用工頻變化量距離保護(hù)，要根據(jù)運行方式注意合理投退，既發(fā)揮其快速動作的特點，又要防止其導(dǎo)致其它保護(hù)誤動或本身靈敏度降低的缺點。

［1］國家電力調(diào)度通信中心.國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)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(hù)裝置技術(shù)和使用說明書［Z］.

［3］韓笑，等.電網(wǎng)微機保護(hù)測試技術(shù) ［M］.中國水力水電出版社，2005.

［4］國家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)規(guī)定匯編［M］.北京:中國電力出版社，2000，5.