基于多功能實驗系統(tǒng)的距離保護動作邏輯分析

李惜玉 張鑫桂 容慧嫻

摘要：介紹了TQXBZ-III多功能繼電保護及變電站綜合自動化實驗培訓系統(tǒng)的特點和功能。闡述三段式距離保護原理，計算了距離保護的一系列整定參數(shù)，并在多功能實驗系統(tǒng)上對算例進行仿真試驗，最后分析了試驗結果及其動作邏輯行為。

關鍵詞：變電站綜合自動化;微機保護;距離保護;邏輯行為

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0125-03

由于電流、電壓保護的整定值選擇、保護范圍以及靈敏系數(shù)等方面都直接受電網接線方式及系統(tǒng)運行方式的影響，因此，在35kV以上電壓等級的復雜網絡中，很難滿足選擇性、靈敏性以及快速切除故障線路的要求。為此，電網采用了性能更加完善的距離保護。[1]距離保護以其動作快、原理簡單、受網絡和系統(tǒng)運行方式影響小，普遍應用于110kV的主保護和220線路的后備保護。距離保護的動作反應保護安裝處到故障點的阻抗值，等價于反應保護安裝處到故障點的距離，因此，距離保護又叫阻抗保護。在一般情形下，短路故障出現(xiàn)后，總是伴隨有電流的增大、電壓的降低、線路始端測量阻抗的減小以及電壓和電流之間相位差的變化，當測量阻抗小于阻抗繼電器的整定阻抗值時，該阻抗繼電器就會動作，及時切除故障線路。[2]它是一種理想的測量方式，只要使用互感器及測量誤差就能保證動作的選擇性，所以它固有的動作時間段（距離I段保護）能保護本段線路全長的大部分，距離II段保護能保護本段線路全長并延伸到相鄰線路的30～40%，距離III段保護能保護本段線路全長并能作為相鄰線路距離保護的遠后備保護。[3]

一、多功能繼電保護及變電站綜合自動化實驗培訓系統(tǒng)的簡介

1.系統(tǒng)構成及其特點

TQXBZ-III多功能繼電保護及變電站綜合自動化實驗培訓系統(tǒng)由TQWX-III微機型繼電保護試驗測試儀、TQXBZ-III多功能微機保護實驗裝置、成組保護接線圖、控制回路模塊、按鈕開關、保護模式切換開關及直流電源等構成。該實驗系統(tǒng)具有如下特點：

（1）適用范圍廣，綜合性強。該系統(tǒng)既可作為《電力系統(tǒng)繼電保護》、《電力系統(tǒng)微機保護》、《發(fā)電廠電氣部分》和《變電站綜合自動化技術》等相關課程實驗教學的設備，也可成為電力相關專業(yè)學生課程設計、畢業(yè)設計和創(chuàng)新研究的開放平臺。這樣的系統(tǒng)既有效地縮小占地面積、節(jié)約成本，又能實現(xiàn)實驗仿真的高效率進行。同時，系統(tǒng)組態(tài)靈活，可利用多套實驗系統(tǒng)組成任意結構的電力系統(tǒng)網絡進行專業(yè)綜合實驗。

（2）系統(tǒng)仿真度高，接近電力系統(tǒng)現(xiàn)場實際情況。該系統(tǒng)采用數(shù)字化技術進行高精度實驗信號的傳遞和處理，完全替代傳統(tǒng)實驗系統(tǒng)調壓器、移相器、滑線電阻和測量儀表等構成的“地攤”式實驗設備，與電力系統(tǒng)進行繼電保護的試驗方法完全相同。這樣，實驗結果更加符合工程實際，也使仿真效果大大提升。

（3）實驗現(xiàn)象直觀明了。配備個人計算機，可直觀顯示實驗過程中的各種測試數(shù)據(jù)、動作特性曲線、波形圖等。系統(tǒng)采用實驗臺結構，接線操作方便。同時，可以方便地進行設置和修改實驗條件和實驗數(shù)據(jù)，仿真結果現(xiàn)象直觀，一目了然。[4，5]

2.系統(tǒng)功能

（1）常規(guī)保護實驗。該系統(tǒng)包含常規(guī)電流繼電器、電壓繼電器、功率方向繼電器、阻抗繼電器、差動繼電器、中間繼電器和時間繼電器等實驗功能。

（2）單個微機繼電器實驗。該系統(tǒng)可進行微機電流、電壓（低電壓、過電壓）、反時限電流、零序電流、負序電流、零序電壓、負序電壓、功率方向、零序功率方向、負序功率方向、阻抗元件、差動元件等單個微機繼電器特性實驗。

（3）綜合保護實驗。該系統(tǒng)可實現(xiàn)微機線路綜合保護功能、短線路保護實驗功能、電力設備綜合保護實驗功能和三相一次重合閘（檢同期、檢無壓）實驗功能。[6]

二、三段式距離保護的原理

三段式距離保護是反應故障點至保護安裝地點之間的距離大?。ɑ蜃杩梗?，并根據(jù)該距離的遠近判斷是否動作及確定動作時間的長短的一種保護裝置。當故障點距保護安裝處近時，其測量阻抗小，動作時間短;當故障點距保護安裝處遠時，其測量阻抗較大，動作時間增長，這樣就保證了保護裝置有選擇性地切除故障線路。[1]

1.距離保護的基本原理

如圖1（a）所示，當圖中d點發(fā)生短路故障時，保護1測量的阻抗值為Zd，保護2測量的阻抗值為ZAB+Zd。由于保護1離故障點較近，保護2離故障點較遠，所以保護1的動作時間可以做到比保護2的動作時間短。因此，由保護1切除故障線路而保護2不致誤動作。這種選擇的配合，是靠適當?shù)剡x擇各個保護的整定值和動作時限來完成的。上圖1（b）就是目前廣泛應用的具有三段動作范圍的階梯型時限特性，分別稱為距離保護的I、II、III段，能夠很好的滿足繼電保護裝置的速動性、選擇性和靈敏性的要求。[1，4]

2.距離保護的整定計算

距離保護的整定計算，就是根據(jù)被保護電力系統(tǒng)的實際運行情況，計算出距離I段、II段和III段測量元件的整定阻抗以及確定距離II段和III段的動作時限。[7]

（1）距離保護的整定計算原則。

1）距離I段保護的整定。一般認為距離保護的第I段是無動作時限的速動段，按躲開下一條線路出口處短路的原則來整定，也就是按躲過本線路末端短路時的測量阻抗來整定的?？紤]到阻抗繼電器和電流、電壓互感器等誤差，引入可靠系數(shù)（一般取為0.8～0.85），可得：

=（0.8～0.85）ZAB ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中ZAB為線路AB的正序阻抗。由于距離I段保護是瞬時動作的，一般可認為距離I段的動作時限=0s。

按照上式整定后，距離I段保護無法保護本段線路的全長而是只能保護本線路全長的80%～85%。因此，為了及時切除本段線路末端15%～20%范圍內出現(xiàn)的故障，需要設置距離II段保護。[1，7]

2）距離II段保護的整定。距離II段保護按與相鄰線路距離I段保護相配合的原則進行整定。為保證下級線路上發(fā)生故障時，上級線路保護處的距離II段保護不致于越級跳閘，其距離II段保護的動作范圍不應該超出下級線路I段保護的動作范圍，引入可靠系數(shù)（一般取為0.8）。以圖1為例，可知：

（2）

其中ZBC為線路BC的正序阻抗。

為保證下級線路首段發(fā)生故障時，由該級的距離I段保護迅速切斷故障線路而上級的距離II段保護不動作，上級距離II段的動作時限應比下級的距離I段保護的動作時限大一個時間級差（一般取為0.5s），即=0+0.5=0.5s。

一般要求距離II段保護能夠保護本段線路的全長，因此需要校驗本線路末端短路時的靈敏系數(shù)。由于是反應于數(shù)值的下降而動作，其靈敏系數(shù)定義為：

即 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

一般要求。當校驗靈敏系數(shù)不能滿足要求時，則應進一步延伸保護范圍，使距離II段保護與下一條線路的距離II段保護相配合，此時的動作時限也相應延長為1～1.2s。

距離I段保護和距離II段保護的聯(lián)合動作構成本段線路的主保護，為了作為本段線路和相鄰線路的保護裝置和斷路器拒絕動作的后備保護，還應該裝設距離III段保護。Ⅲ段阻抗繼電器作為I、II段阻抗繼電器的后備，在任何一次系統(tǒng)條件下都是成立的。[1，4，7，8]

3）距離III段保護的整定。距離III段保護按躲開最小負荷阻抗的原則進行整定。當線路上流過最大負荷電流且母線電壓最低時（用表示），在線路首端所測量到的負荷阻抗值最小，為

（4）

其中，正常運行時母線電壓的最小值一般取為0.9的額定電壓。參照過電流保護的整定原則，考慮到外部故障切除后，在電動機自啟動的條件下，距離III段保護必須立即返回的要求，其整定值應為：

（5）

其中，距離III段保護的可靠系數(shù)一般取為1.2～1.25;電動機自啟動系數(shù)KMs一般取為1.5～2.5;阻抗元件的返回系數(shù)Kre一般取為1.15～1.25。

當距離III段保護采用方向阻抗繼電器時，需要考慮其起動阻抗隨阻抗角φk的變化關系及正常運行時負荷潮流和功率因數(shù)的變化，整定值應為：

（6）

其中，阻抗元件的最大靈敏角φsen取線路阻抗角φk，φL取正常運行時負荷阻抗角的最大值，負荷功率因數(shù)一般取為0.85～0.95。

距離III段保護的動作時限tIII按階梯原則進行整定。距離III段保護的動作時限應比與之配合的相鄰元件的距離III段保護的動作時限大一個時間級差，但考慮到距離III段保護一般不經振蕩閉鎖，所以動作時限不應該小于最大的振蕩周期（1.5～2s）。

當距離III段保護作為本段線路距離I、II段保護的近后備保護時，其靈敏系數(shù)應按本段線路末端短路的情況進行校驗，即;當距離III段保護作為相鄰元件的遠后備保護時，其靈敏系數(shù)應按相鄰元件末端短路的情況進行校驗，即（其中取相鄰元件末端短路時對應的分支系數(shù)最大值）。[1，4，7，9，10]

（2）距離保護的整定值。

表1 距離保護模型及各段整定值（KZ=18.33）

選定實驗模型 110kV線路模型

距離I段 距離II段 距離III段

一次整定值（Ω） 25.6 40.96 651.72

二次整定值（Ω） 1.397 2.235 35.555

整定時限（S） 0 0.5 1.0

三、實驗仿真

1.實驗模型及接線

本實驗用110kV輸電線路模型，如圖2所示，110kV線路保護安裝于A變電站1QF處。實驗接線如圖3所示。將TQXDB-III多功能微機保護實驗裝置的三相電流接線端與成組保護接線圖上1QF處電流互感器二次側三相電流插孔相連，裝置的三相電壓接線端與A母線電壓互感器二次側插孔相連，裝置的跳、合閘接線端分別與跳、合閘插孔相連。[4]

2.實驗數(shù)據(jù)

表2 AB線路不同地點發(fā)生各種類型短路三段保護動作情況

（過渡電阻 Rf=Rg=0）

AB線路故障類型 A相接地短路 AB兩相短路

距A點30%處 距A點50%處 距A點70%處 距A點99%處 距A點30%處 距A點50%處 距A點70%處 距A點99%處

保護動作邏輯 距離I段保護動作 距離I段保護動作 距離II段保護動作 距離III段保護動作 距離I段保護動作 距離I段保護動作 距離I段保護動作 距離II段保護動作

動作電阻值（Ω） 0.44 0.66 0.79 0.93 -0.01 -0.02 -0.04 -0.04

動作電抗值（Ω） 0.68 1.09 1.52 2.13 0.5 0.86 1.22 1.71

動作阻抗值（Ω） 0.81 1.27 1.71 2.32 0.5 0.86 1.22 1.71

表3 BC線路不同地點發(fā)生各種類型短路三段保護動作情況

（過渡電阻 Rf=Rg=0）

BC線路故障類型 A相接地短路 AB兩相短路

距B點30%處 距B點50%處 距B點70%處 距B點99%處 距B點30%處 距B點50%處 距B點70%處 距B點99%處

保護動作邏輯 距離III段保護動作 距離III段保護動作 距離III段保護動作 距離III段保護動作 距離II段保護動作 距離III段保護動作 距離III段保護動作 距離III段保護動作

動作電阻值（Ω） 1.02 0.99 0.94 0.76 -0.04 -0.05 -0.05 0.00

動作電抗值（Ω） 2.67 2.98 3.18 3.61 2.13 2.41 2.65 3.03

動作阻抗值（Ω） 2.86 3.14 3.32 3.69 2.13 2.41 2.65 3.03

3.實驗結果分析

（1）從表2可知，在AB線路上距A點50%處發(fā)生A相接地短路時距離I段保護動作;在距A點70%處發(fā)生A相接地短路時距離II段保護動作;在AB線路上距A點70%處發(fā)生AB兩相短路時距離I段保護動作;在距A點99%處發(fā)生AB兩相短路時距離II段保護動作，因此可知距離I段保護的保護范圍為本段線路全長的50%～70%。

（2）從表2和表3可知，在AB線路上距A點70%處發(fā)生A相接地短路時距離II段保護動作;在距A點99%處發(fā)生A相接地短路時距離III段保護動作;在BC線路上距B點30%處發(fā)生AB兩相短路時距離II段保護動作;在距B點50%處發(fā)生AB兩相短路時距離III段保護動作，因此可知距離II段保護的保護范圍為本段線路全長的70%～99%，并不能保護本段線路的全長。

（3）從表2和表3可知，距離III段保護能保護本段線路的全長，并能夠作為相鄰線路距離保護的遠后備保護。

（4）距離保護三段間的配合，可保證本段線路發(fā)生故障后1s時間內切除故障線路。

四、結論

由于距離保護既反應出現(xiàn)故障時電流的增大又反應出現(xiàn)故障時電壓降低，因而距離保護的靈敏度比電流、電壓保護的靈敏度高。

距離I段保護的保護范圍不受系統(tǒng)運行方式的影響，距離II段保護和距離III段保護受系統(tǒng)運行方式的影響較小，因此距離保護的保護范圍較穩(wěn)定。

根據(jù)距離保護的工作原理可知，距離保護可以在任何形狀的多電源電網中保證動作的選擇性，有效提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，因此，距離保護被廣泛應用于電網系統(tǒng)中。

只能在被保護線路全長的50%～70%的范圍內實現(xiàn)瞬時切除（距離I段保護）故障線路。

在被保護線路全長的70%～99%的范圍內需經過0.5s的延時（距離II段保護）才能切除故障線路，在被保護線路的末端甚至需經過1s的延時（距離III段保護）才能切除故障線路，這在220kV及以上電壓等級的網絡中，有時不能滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求，因此，不能作為主保護來應用。

參考文獻：

[1]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]李樹戈.影響高壓輸電線路距離保護性能的主要因素[J].新疆電力技術，2011，（3）：12-16.

[3]洪佩孫.距離保護與阻抗保護[J].江蘇電機工程，2001，（1）：48-49，54.

[4]周有慶，等.TQXBZ-III多功能繼電保護及變電站綜合自動化實驗培訓系統(tǒng)實驗指導書[Z].湖南：長沙同慶電氣信息有限公司.

[5]李惜玉，謝創(chuàng)立.多功能繼電保護及變電站自動化自動化系統(tǒng)教學應用[J].中國電力教育，2013，（17）：102-103，117.

[6]周有慶，邵霞，彭紅海.多功能微機保護與變電站綜合自動化實驗培訓系統(tǒng)[J].電氣時空，2004，（5）：23-24.

[7]陳少華，陳衛(wèi)，何瑞文，等.電力系統(tǒng)繼電保護[M].北京：機械工程出版社，2009.

[8]李曉明.Ⅲ段距離保護作為后備保護的性能分析[J].繼電器，2005，（15）：9-12，89.

[9]甘思燊.影響高壓電線路距離保護性能的因素[J].廣東科技，2012，（11）：78-80，104.

[10]萬千云，梁惠盈，齊立新，等.電力系統(tǒng)運行實用技術問答[M].北京：中國電力出版社，2005.

（責任編輯：劉翠枝）