高壓線路保護(hù)故障測(cè)距工程應(yīng)用分析

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高壓線路保護(hù)故障測(cè)距工程應(yīng)用分析

輸電線路發(fā)生故障后，繼電保護(hù)裝置將切除故障線路，同時(shí)需做到快速查找故障點(diǎn)，及時(shí)恢復(fù)供電。快速、準(zhǔn)確定位故障能有效縮短故障修復(fù)時(shí)間，并減輕巡線負(fù)擔(dān)，提高供電可靠性。由此，準(zhǔn)確故障測(cè)距一直受到電網(wǎng)運(yùn)行管理部門(mén)和專家學(xué)者的普遍關(guān)注[1]。而繼電保護(hù)裝置要求其具有實(shí)時(shí)特性，主要任務(wù)是切除發(fā)生在保護(hù)區(qū)內(nèi)的故障，因而較難給出精確的故障定位。因此需要安裝故障測(cè)距裝置，利用線路故障前、后的電壓、電流波形，在離線方式下采用行波測(cè)距法精確地確定故障點(diǎn)，以便檢修人員進(jìn)行搶修。

繼電保護(hù)常采用故障分析法進(jìn)行測(cè)距，其中又分為單端量法和雙端量法，單端量法在大多數(shù)情況下無(wú)法消除對(duì)側(cè)系統(tǒng)以及過(guò)渡電阻的影響，因此測(cè)距精度不能得到有效保障[2]。近年來(lái)，隨著光纖通信技術(shù)和全球定位系統(tǒng)的快速發(fā)展，雙端量法測(cè)距受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。雙端量法可從原理上消除過(guò)渡電阻和運(yùn)行方式的影響，具有很好的發(fā)展與應(yīng)用前景[3]。通過(guò)新疆電網(wǎng)一起220 kV線路接地短路故障后，高頻距離保護(hù)在遠(yuǎn)故障端測(cè)距誤差較大，由此對(duì)比了雙端量和單端量測(cè)距的精度，并對(duì)高頻距離保護(hù)和光纖差動(dòng)保護(hù)配合時(shí)產(chǎn)生的測(cè)距問(wèn)題做了詳細(xì)分析，對(duì)此類事故分析具有一定的參考。

1微機(jī)保護(hù)裝置故障測(cè)距介紹

1.1　雙端量法測(cè)距

圖1　雙端系統(tǒng)圖

由圖1所示的雙端系統(tǒng)圖可知，能夠利用基于兩側(cè)各相電流、電壓量的測(cè)距公式如下：

(1)

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)，消去RF可求出由M端到故障點(diǎn)的距離DMF為

(3)

式(3)中：Z為單位距離阻抗；DL為線路全長(zhǎng)?？梢?jiàn)雙端測(cè)距不受過(guò)渡電阻的影響，也不受零序網(wǎng)絡(luò)的影響，式中電流量已正確進(jìn)行電容電流補(bǔ)償。

1.2　單端法測(cè)距

表1　阻抗繼電器輸入電壓和電流即能正確測(cè)距的故障

表1中k為零序電流補(bǔ)償系數(shù)，k=(Z0-Z1)/(3×Z1)，其中Z0為線路零序電抗，Z1為線路正序電抗。

2事件分析

1)保護(hù)動(dòng)作情況：2015年5月1日10時(shí)54分， 220 kV 2276號(hào)線發(fā)生C相接地故障，兩側(cè)保護(hù)動(dòng)作情況如表2所示。

圖2和圖3為兩側(cè)變電站故障錄波器錄波。

2)測(cè)距情況：根據(jù)實(shí)際巡線，故障位置在距M變電站側(cè)61.5 km處，圖4為故障線路示意圖。

表2　兩側(cè)保護(hù)動(dòng)作情況

圖2　M變電站側(cè)故障錄波圖

圖3　N變電站側(cè)故障錄波圖

根據(jù)圖4，在此對(duì)兩側(cè)保護(hù)動(dòng)作行為進(jìn)行分析：

1) 光纖電流差動(dòng)保護(hù)和縱聯(lián)距離保護(hù)，對(duì)于區(qū)內(nèi)金屬性故障兩側(cè)可同時(shí)動(dòng)作；

2) 距離快速段保護(hù)主要確保近端故障可以快速切除，因此此次故障過(guò)程中僅近故障端的M變電站距離快速段動(dòng)作；

圖4　故障線路示意圖

3) 后備距離Ⅰ段保護(hù)，在故障測(cè)量阻抗落入70%距離Ⅰ段整定動(dòng)作區(qū)時(shí)可以保證30 ms出口。實(shí)際距離Ⅰ段按照70%ZL整定，故障點(diǎn)在靠近M變電站側(cè)37.5%ZL處，M變電站側(cè)距離Ⅰ段可滿足30 ms出口要求，而N變電站側(cè)距離Ⅰ段動(dòng)作時(shí)間超過(guò)30 ms。

3故障測(cè)距計(jì)算

由故障線路信息可知：

線路全長(zhǎng)164 km；零序阻抗：R0=18.42 Ω，X0=150.8 Ω，Z0=151.920 8 Ω，角度83°；正序阻抗：R1=8.348 Ω，X1=53.35 Ω，Z1=53.999 2 Ω，角度81°。M變電站側(cè)CT變比為1200/1，N變電站側(cè)CT變比為800/1。

可得，M變電站側(cè)線路正序電抗為：29.10 Ω，N變電站側(cè)線路正序電抗為：19.40 Ω。

3.1　M變電站側(cè)測(cè)距計(jì)算

采用理論測(cè)距驗(yàn)證計(jì)算時(shí)可使用故障錄波器的波形；但由于故障錄波器的采樣頻率及濾波的特性與保護(hù)裝置的有較大區(qū)別，同時(shí)保護(hù)裝置在進(jìn)行測(cè)距計(jì)算時(shí)，進(jìn)行了參數(shù)修正及濾波加窗處理，因此，通過(guò)故障錄波器的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果只能做定性的參考分析，采用表1中三相阻抗繼電器計(jì)算公式，在圖2故障錄波中對(duì)高頻保護(hù)動(dòng)作后20 ms數(shù)據(jù)窗進(jìn)行理論計(jì)算，得出距離保護(hù)動(dòng)作后的阻抗分析如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果為

Zc=R+jX=2.99+j11.30 Ω

(5)

可得，故障點(diǎn)距M變電站側(cè)計(jì)算距離值為

(6)

計(jì)算距離為63.68 km，比高頻保護(hù)測(cè)距值(64.58 km)誤差較小，原因是高頻保護(hù)裝置測(cè)距是在高頻保護(hù)動(dòng)作后10 ms進(jìn)行，計(jì)算采用數(shù)據(jù)窗如圖2所示，計(jì)算過(guò)程中故障已切除(光差保護(hù)先動(dòng)作)，只有半個(gè)周波，因此B套高頻保護(hù)裝置計(jì)算誤差較大。

圖5　M變電站側(cè)側(cè)阻抗分析圖

3.2　N變電站側(cè)高頻保護(hù)測(cè)距分析

由表2中動(dòng)作時(shí)序可知，A套差動(dòng)保護(hù)9 ms動(dòng)作，B套縱聯(lián)距離28 ms動(dòng)作，距離Ⅰ段35 ms動(dòng)作，B套高頻保護(hù)測(cè)距在縱聯(lián)距離動(dòng)作后10 ms。由圖3故障錄波高頻保護(hù)裝置的計(jì)算采用數(shù)據(jù)窗可看出，B套高頻保護(hù)開(kāi)始測(cè)距時(shí)開(kāi)關(guān)已跳開(kāi)，故障電流已消失，測(cè)距數(shù)據(jù)跨窗，已無(wú)實(shí)際測(cè)量意義。

由于縱聯(lián)距離保護(hù)自身原理特性決定，縱聯(lián)距離保護(hù)動(dòng)作較光纖差動(dòng)保護(hù)慢，高阻接地故障時(shí)會(huì)更慢，測(cè)距問(wèn)題也就會(huì)更加突出。

3.3　N變電站側(cè)測(cè)距計(jì)算

由于N變電站側(cè)高頻保護(hù)已無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)距，在此，可通過(guò)故障錄波理論計(jì)算，對(duì)圖3中線路故障相電壓、電流進(jìn)行頻譜分析，如圖6所示，得出如下主要結(jié)論：

1)線路故障后0~20 ms，C相電壓含有3次以上的高頻諧波，故障后20~40 ms，C相電壓諧波含量明顯降低；

2)線路故障后0~20 ms，C相電流諧波較故障后20~40 ms也有所減少；

網(wǎng)絡(luò)空間主權(quán)理念下，網(wǎng)絡(luò)恐怖主義這一非傳統(tǒng)領(lǐng)域的安全威脅構(gòu)成對(duì)本國(guó)主權(quán)的侵犯，對(duì)國(guó)家安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響，才能迫使國(guó)家積極主動(dòng)對(duì)外尋求合作防范網(wǎng)絡(luò)恐怖主義的襲擊。同時(shí)各國(guó)在行使網(wǎng)絡(luò)空間主權(quán)時(shí)應(yīng)秉承互相尊重的理念，防止借網(wǎng)絡(luò)反恐之名干涉別國(guó)內(nèi)政。明確網(wǎng)絡(luò)空間主權(quán)，也使得各國(guó)打擊網(wǎng)絡(luò)恐怖主義有了明確的分工，有助于建立和平安全有序的網(wǎng)絡(luò)格局。我國(guó)政府對(duì)網(wǎng)絡(luò)主權(quán)非常重視，在《國(guó)家安全法》和《網(wǎng)絡(luò)安全法》中均確立了“網(wǎng)絡(luò)空間主權(quán)”的概念，表達(dá)了我國(guó)捍衛(wèi)網(wǎng)絡(luò)空間主權(quán)、積極開(kāi)展國(guó)際合作的態(tài)度和立場(chǎng)。

3)由于諧波對(duì)測(cè)距精度影響較大，因此，測(cè)距一般在保護(hù)動(dòng)作后，斷路器斷開(kāi)前比較穩(wěn)定的一個(gè)周波取數(shù)據(jù)窗進(jìn)行計(jì)算。

按照上述分析，對(duì)圖3中理論計(jì)算數(shù)據(jù)窗(故障后20~40 ms)，采用表1中三相阻抗繼電器計(jì)算公式計(jì)算，阻抗分析如圖7所示。

計(jì)算結(jié)果為

Zc=R+jX=4.54+j12.01 Ω

(7)

可得，故障點(diǎn)距N變電站側(cè)計(jì)算距離值為

(8)

通過(guò)故障錄波的理論計(jì)算值為101.53 km，N變電站側(cè)保護(hù)裝置故障測(cè)距結(jié)果：A套100.9 km，B套134.65 km。經(jīng)過(guò)實(shí)際巡線，故障距離為102.493 km?？梢?jiàn)，高頻保護(hù)可采用動(dòng)作前的電壓電流波形進(jìn)行測(cè)距計(jì)算，但是，由于光線保護(hù)和高頻保護(hù)之間沒(méi)有聯(lián)系，高頻保護(hù)不可能預(yù)知光差保護(hù)已經(jīng)切除故障，無(wú)法進(jìn)行采取使用距離保護(hù)動(dòng)作前的波形進(jìn)行測(cè)距計(jì)算。

圖6　N變電站側(cè)故障電壓電流頻譜圖

圖7　N變電站側(cè)側(cè)阻抗分析圖

通過(guò)M變電站側(cè)和N變電站側(cè)故障錄波及動(dòng)作信息可知：

1) 大電源側(cè)(M變電站)電壓相對(duì)較為穩(wěn)定，測(cè)量阻抗也更為準(zhǔn)確，M變電站側(cè)B套高頻保護(hù)距離快速段，距離Ⅰ段均可靠動(dòng)作，即便采用單端算法測(cè)距誤差也在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)。N變電站側(cè)B套高頻保護(hù)縱聯(lián)距離在28 ms動(dòng)作，縱聯(lián)距離測(cè)距時(shí)開(kāi)關(guān)已跳開(kāi)(差動(dòng)保護(hù)先動(dòng)作，且開(kāi)關(guān)切除速度快)，故障電流已消失，測(cè)距數(shù)據(jù)跨窗，已無(wú)實(shí)際測(cè)量意義。再深入分析，N變電站側(cè)為弱電源側(cè)，特性為短路電流小，電壓也容易波動(dòng)，有可能會(huì)導(dǎo)致距離元件因靈敏度不足而不能啟動(dòng)，這對(duì)測(cè)距也會(huì)有很大影響。

2) 根據(jù)對(duì)圖6的分析，考慮到故障初始階段可能存在諧波等會(huì)影響測(cè)量阻抗計(jì)算的因素，因此保護(hù)測(cè)距實(shí)際是在本保護(hù)動(dòng)作后10 ms才進(jìn)行測(cè)量阻抗的計(jì)算，考慮到開(kāi)關(guān)的實(shí)際分閘時(shí)間一般在60～80 ms左右，因此這種測(cè)距方案可以保證取到穩(wěn)定的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量阻抗的計(jì)算。如果開(kāi)關(guān)分閘時(shí)間過(guò)小，則存在開(kāi)關(guān)分閘過(guò)程中或者分?jǐn)嗪蟛湃〉綔y(cè)距數(shù)據(jù)的可能，此種情況下的測(cè)距數(shù)據(jù)已經(jīng)不能反映真實(shí)的故障數(shù)據(jù)，因此測(cè)距誤差會(huì)相對(duì)較大。

3) 此次暴露的問(wèn)題是在縱聯(lián)距離保護(hù)和光纖差動(dòng)保護(hù)配合時(shí)，如果縱聯(lián)距離慢動(dòng)且開(kāi)關(guān)快切時(shí)，則有可能出現(xiàn)遠(yuǎn)端的縱聯(lián)距離保護(hù)測(cè)距不準(zhǔn)的情況，近端由于有其他保護(hù)快速動(dòng)作，一般不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)該情況。

4建議與措施

1) 保護(hù)裝置光纖差動(dòng)保護(hù)及距離保護(hù)都具有測(cè)距功能，縱差保護(hù)測(cè)距功能在帶過(guò)渡電阻故障時(shí)優(yōu)于距離保護(hù)，但考慮到光纖差動(dòng)退出運(yùn)行的可能性，仍保留距離保護(hù)測(cè)距功能，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)優(yōu)選光纖差動(dòng)保護(hù)的測(cè)距結(jié)果，方便現(xiàn)場(chǎng)事故處理。當(dāng)只能依靠距離保護(hù)測(cè)距時(shí)，應(yīng)考慮采用大電源側(cè)的測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2) 在縱聯(lián)距離和光纖差動(dòng)配合的情況下，對(duì)于遠(yuǎn)端故障，如果需要提高高頻保護(hù)測(cè)距精度，可以將光纖保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)接入到高頻保護(hù)，光纖差動(dòng)保護(hù)在計(jì)算出遠(yuǎn)端故障時(shí)，才發(fā)出動(dòng)作信號(hào)至高頻保護(hù)，修改高頻保護(hù)測(cè)距啟動(dòng)程序，當(dāng)高頻保護(hù)采集到差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)時(shí)，開(kāi)始記錄測(cè)距波形，不再依靠高頻保護(hù)動(dòng)作后10 ms啟動(dòng)測(cè)距程序的方法，其他情況按原保護(hù)邏輯進(jìn)行。

3) 建議加快電網(wǎng)線路保護(hù)雙光纖化改造，利用光纖保護(hù)測(cè)距的優(yōu)越性。

4) 建議盡快建設(shè)行波測(cè)距主站，接入廠站端行波測(cè)距裝置，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)快速定位。

5結(jié)論

1) 通過(guò)計(jì)算分析，諧波對(duì)測(cè)距精度影響較大，故障初始階段可能存在諧波等會(huì)影響測(cè)量阻抗計(jì)算

的因素，考慮到開(kāi)關(guān)的實(shí)際分?jǐn)鄷r(shí)間一般在60～80 ms左右，線路保護(hù)裝置測(cè)距一般在保護(hù)動(dòng)作后10 ms，取數(shù)據(jù)窗進(jìn)行計(jì)算測(cè)量阻抗；

2) 在縱聯(lián)距離保護(hù)和光纖差動(dòng)保護(hù)配合時(shí)，如果縱聯(lián)距離慢動(dòng)且開(kāi)關(guān)快切時(shí)，則有可能出現(xiàn)遠(yuǎn)端的縱聯(lián)距離保護(hù)測(cè)距不準(zhǔn)的情況，近端由于有其他保護(hù)快速動(dòng)作，一般不會(huì)出現(xiàn)該情況；

3) 現(xiàn)場(chǎng)分析優(yōu)先采用光纖差動(dòng)保護(hù)的測(cè)距結(jié)果，縱聯(lián)距離測(cè)距結(jié)果用以輔助，還可以借助故障錄波器測(cè)距結(jié)果，或者專門(mén)的行波測(cè)距結(jié)果；

4) 建議加快電網(wǎng)線路保護(hù)雙光纖化改造，及行波測(cè)距主站，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)快速定位。

參 考文獻(xiàn)

[1]葛耀中.新型繼電保護(hù)和故障測(cè)距的原理與技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007:256-333.

[2]林富洪, 曾惠敏. 基于分布參數(shù)模型的高壓輸電線路單相接地故障單端測(cè)距方法[J].電網(wǎng)技術(shù), 2011, 35(4):201-205.

[3]夏經(jīng)德, 索南加樂(lè), 王莉, 等.基于輸電線路縱向阻抗縱聯(lián)保護(hù)新原理的研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(4):43-51.

陳軍(1974)，碩士、高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化工作；

張麗(1982)，碩士、工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作；

南東亮(1985)，碩士、工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作；

常喜強(qiáng)(1976)，碩士研究生導(dǎo)師、高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)運(yùn)行控制管理工作；

張鋒(1978)，碩士、工程師，主要從事電網(wǎng)運(yùn)行控制管理工作；

牛嘉鑫(1988)，碩士、工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。

陳軍1，張麗1，南東亮2，常喜強(qiáng)1，張鋒1，牛嘉鑫2

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊830011；

2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊830011)

摘要：介紹了基于故障分析的單端量測(cè)距、雙端量測(cè)距方法，通過(guò)新疆電網(wǎng)一起220 kV線路接地短路故障，發(fā)現(xiàn)在縱聯(lián)距離保護(hù)和光纖差動(dòng)保護(hù)配合時(shí)，如果縱聯(lián)距離慢動(dòng)且開(kāi)關(guān)快切時(shí)，則有可能出現(xiàn)遠(yuǎn)端的縱聯(lián)距離保護(hù)測(cè)距不準(zhǔn)的情況。針對(duì)此次故障，進(jìn)行測(cè)距計(jì)算分析，得出線路保護(hù)裝置測(cè)距一般在保護(hù)動(dòng)作后10 ms，取數(shù)據(jù)窗進(jìn)行計(jì)算測(cè)量阻抗?，F(xiàn)場(chǎng)分析時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用光纖差動(dòng)保護(hù)的測(cè)距結(jié)果，縱聯(lián)距離測(cè)距結(jié)果用以輔助，還可以借助故障錄波器測(cè)距結(jié)果，或者專門(mén)的行波測(cè)距結(jié)果。

關(guān)鍵詞：高壓輸電線路；繼電保護(hù)；故障測(cè)距；故障分析

Abstract：The fault location method using single terminal data and two terminal data is introduced. Taking the grounding fault of a 220 kV line in Xinjiang power grid for example, it is found that when the pilot distance protection is cooperated with optical-fiber differential protection, if the pilot distance protection is slow and the breaker is switched off quickly, the fault location of pilot distance protection in the remote terminal may be inaccurate. According to the fault, the fault location is calculated and analyzed, and it is obtained that the fault location of line protection device is done in 10 ms after the protection action, and the data window is adopted to calculate and measure the impedance. During on-site analysis, it should give preference to the fault location results of optical-fiber differential protection, the fault location results of pilot distance protection can be of great assistance, and can also use the fault location results of fault recorder or the results of a special traveling wave fault location.

Key words：high-voltage transmission line; relay protection; fault location; fault analysis

(收稿日期：2015-08-17)

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TM863

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2016)01-0054-04