防范交流失壓引起距離Ⅲ段保護(hù)誤動(dòng)的措施探討

陳水耀 黃少鋒 裘愉濤 楊松偉

?

防范交流失壓引起距離Ⅲ段保護(hù)誤動(dòng)的措施探討

陳水耀1,2, 黃少鋒1, 裘愉濤3, 楊松偉2

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京 102206；2.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司, 浙江 杭州 311232;3.國網(wǎng)浙江省電力公司, 浙江 杭州310007)

距離III段保護(hù)作為本線和相鄰線路的后備保護(hù)，動(dòng)作區(qū)往往采用阻抗偏移特性。由于保護(hù)在啟動(dòng)后退出PT斷線判別功能，非故障線路距離III段保護(hù)在區(qū)外故障伴隨交流失壓時(shí)容易誤動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)變電站母線全停。為防止距離Ⅲ段保護(hù)誤動(dòng)，從電壓回路和動(dòng)作特性兩個(gè)方面提出防范對(duì)策：1) 公共電壓的直流電源、重動(dòng)回路及切換回路均按雙重化設(shè)計(jì)，從源頭上避免交流失壓；2) 根據(jù)電流值有條件開放阻抗偏移特性，提高距離III段保護(hù)的容錯(cuò)能力。

交流失壓；距離III段；誤動(dòng)；阻抗偏移；雙重化設(shè)計(jì)

0 引言

距離保護(hù)由于其受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響小，保護(hù)范圍穩(wěn)定，相鄰線路間保護(hù)容易配合等優(yōu)點(diǎn)而在高壓電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中，很多因素會(huì)影響距離保護(hù)的動(dòng)作性能，如電網(wǎng)閃斷、串補(bǔ)電容、過渡電阻、故障限流器、系統(tǒng)振蕩、系統(tǒng)諧波、特殊接線形式、電壓互感器接線、PT斷線等電壓回路異常會(huì)導(dǎo)致測(cè)量阻抗不能真實(shí)反映故障點(diǎn)與保護(hù)安裝處的距離，使得距離保護(hù)的選擇性和靈敏性出現(xiàn)問題。國內(nèi)不少文獻(xiàn)[1-9]對(duì)距離保護(hù)影響因素開展了研究，提出了防范措施。

僅針對(duì)PT斷線來說，微機(jī)保護(hù)在正常運(yùn)行時(shí)已具備斷線檢測(cè)功能，并閉鎖距離保護(hù)，但在保護(hù)啟動(dòng)后，PT斷線判別功能將退出運(yùn)行。此時(shí)若再發(fā)生PT斷線，測(cè)量阻抗落在原點(diǎn)附近。當(dāng)距離保護(hù)采用方向特性或偏移特性時(shí)，保護(hù)會(huì)誤動(dòng)。本文通過一起實(shí)際案例分析了PT斷線對(duì)距離Ⅲ段保護(hù)的影響，并從電壓回路冗余設(shè)計(jì)和改進(jìn)保護(hù)動(dòng)作特性兩個(gè)方面提出了防范措施。

1 故障案例分析

微機(jī)保護(hù)在保護(hù)未啟動(dòng)前若二次回路失壓，可以綜合利用電壓量、電流量、開關(guān)量進(jìn)行PT斷線檢測(cè)，及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)并閉鎖距離保護(hù)，減少保護(hù)誤動(dòng)的可能性。常用的PT斷線判據(jù)為

(1) 不對(duì)稱失壓判據(jù)

(2) 對(duì)稱失壓判據(jù)

(2)

但在實(shí)際運(yùn)行中，微機(jī)保護(hù)因PT斷線而誤動(dòng)的事件屢有發(fā)生。2007年，某電網(wǎng)220 kV變電站由于現(xiàn)場(chǎng)施工人員走錯(cuò)工作地點(diǎn)，誤將鋼絲繩投入相鄰的110 kV線路間隔，先后造成線路和母線故障，線路保護(hù)、母差保護(hù)正確動(dòng)作。180 ms后，110 kV母差保護(hù)中央信號(hào)光字燈端子短路，直流饋線屏上小開關(guān)越級(jí)跳開，PT切換屏直流電源消失，導(dǎo)致220 kV交流小母線失壓(如圖1所示)，該變電站多條220 kV電源進(jìn)線距離Ⅲ段保護(hù)誤動(dòng)跳閘[10]。該變電站線路后備保護(hù)配置三段接地距離保護(hù)、四段零序電流保護(hù)。

圖1交流失壓過程示意圖

根據(jù)電壓和電流，可得保護(hù)安裝處的測(cè)量電阻和測(cè)量電抗。由于PT對(duì)稱斷線，三相電壓均為0，理論上：=0/=0。根據(jù)裝置記錄顯示，三條線路的阻抗實(shí)測(cè)值分別為：=0/=0；=0/=0；=0/=-0.01，位于保護(hù)動(dòng)作區(qū)內(nèi)。于是距離III段保護(hù)動(dòng)作行為符合設(shè)計(jì)要求。但這對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來隱患。國內(nèi)其他地方也曾發(fā)生過保護(hù)啟動(dòng)后再發(fā)生PT斷線，導(dǎo)致距離III段保護(hù)誤動(dòng)作的事件，嚴(yán)重時(shí)有可能造成變電站母線全停。

2 距離Ⅲ段保護(hù)誤動(dòng)原因分析

從故障案例看，相比距離Ⅰ段、距離Ⅱ段保護(hù)，距離Ⅲ段保護(hù)更容易誤動(dòng)。這主要取決于距離保護(hù)的動(dòng)作特性。以CSC-101A的多邊性特性為例，在重合或手合到故障線路時(shí)，距離保護(hù)動(dòng)作特性在原多邊形特性的基礎(chǔ)上加上一個(gè)包括原點(diǎn)的小矩形特性(見圖2)，以保證PT在線路側(cè)時(shí)也能可靠切除出口故障，稱為阻抗偏移特性動(dòng)作區(qū)?？紤]到距離Ⅲ段保護(hù)的后備性能，距離Ⅲ段保護(hù)始終采用阻抗偏移特性動(dòng)作區(qū)(包含原點(diǎn))。這正是距離Ⅲ段保護(hù)更容易誤動(dòng)的原因。

圖2距離保護(hù)動(dòng)作特性

盡管各廠家距離保護(hù)動(dòng)作特性設(shè)計(jì)不完全相同，但距離Ⅲ段保護(hù)普遍采用阻抗偏移特性。試驗(yàn)結(jié)果表明(具體見表1)：保護(hù)啟動(dòng)未復(fù)歸時(shí)發(fā)生PT斷線，若斷線前保護(hù)判別為正方向故障，則所有主流保護(hù)廠家的距離Ⅲ段保護(hù)均會(huì)動(dòng)作；若失壓前保護(hù)判別為反方向故障，大部分廠家的距離Ⅲ段保護(hù)會(huì)動(dòng)作。

而距離Ⅰ段、距離Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作區(qū)經(jīng)方向元件把關(guān)，不易受PT斷線的影響。為解決距離保護(hù)出口故障的死區(qū)問題，CSC-101A在距離保護(hù)中設(shè)置了專門的方向元件，對(duì)于對(duì)稱故障，采用記憶電壓，即以故障前的記憶電壓同故障后電流比相來判別故障方向。對(duì)于不對(duì)稱故障，采用負(fù)序方向作為方向判別依據(jù)。此外，相間I段、距離Ⅱ段還需經(jīng)突變量方向元件把關(guān)。距離Ⅰ段保護(hù)的動(dòng)作條件：方向元件判為正方向，且計(jì)算阻抗在整定的四邊形范圍內(nèi)；距離Ⅱ段保護(hù)的動(dòng)作條件：方向元件判為正方向動(dòng)作或非反方向，且計(jì)算阻抗在整定的四邊形范圍內(nèi)；距離Ⅲ段保護(hù)的動(dòng)作條件：不對(duì)稱故障，方向元件判為正方向動(dòng)作或非反方向，且計(jì)算阻抗在整定的四邊形范圍(包括原點(diǎn))內(nèi)；三相對(duì)稱故障，計(jì)算阻抗在整定的四邊形范圍(包括原點(diǎn))內(nèi)。

表1 典型線路保護(hù)距離III段動(dòng)作行為記錄

注1、2：PSL602 G、PRS-752距離Ⅲ段保護(hù)采用記憶方向元件，PT斷線前反方向故障保護(hù)不動(dòng)作。

故障案例中PT斷線時(shí)區(qū)外故障已經(jīng)切除，雖然電壓有突變，但電流基本沒有變化。距離Ⅰ段保護(hù)、距離Ⅱ段的突變量方向元件不滿足要求，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。而距離Ⅲ段保護(hù)判為三相對(duì)稱故障，且測(cè)量阻抗落在四邊形范圍內(nèi)，滿足動(dòng)作條件。這正是故障案例中距離Ⅲ段保護(hù)誤動(dòng)的原因。

3 距離Ⅲ段保護(hù)防誤措施

國家電網(wǎng)公司2015年發(fā)布的變電站防全停反措[11]要求提高雙母線接線方式母線電壓互感器二次回路的可靠性，防止因母線電壓互感器二次回路原因造成相關(guān)線路的距離保護(hù)在區(qū)外故障時(shí)先啟動(dòng)后失壓，距離保護(hù)誤動(dòng)導(dǎo)致全站停電事故。因此，需要從源頭上提高交流電壓公共回路可靠性，并提高距離保護(hù)對(duì)PT斷線的容錯(cuò)能力。

3.1 交流公共電壓回路冗余設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)變電站220 kV系統(tǒng)交流電壓一般采用母線PT方式，在雙母線接線方式下存在交流電壓公共切換回路。正常情況下交流電壓回路通過PT隔離閘刀輔助觸點(diǎn)重動(dòng)回路接入交流小母線，其目的是實(shí)現(xiàn)隔離、防止反充電，同時(shí)通過母聯(lián)開關(guān)及其隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)的重動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)兩段母線電壓并列(如圖3所示)。早期220 kV變電站大多采用這種方式。這種方式采用單路直流供電，重動(dòng)采用普通的中間繼電器，如一組重動(dòng)繼電器損壞，該組交流電壓將失去；在直流電源消失時(shí)，將造成全所交流電壓失去。

目前新工程設(shè)計(jì)已經(jīng)對(duì)切換回路進(jìn)行改進(jìn)[12]，重動(dòng)采用雙位置繼電器，采用單路直流供電，在直流電源消失時(shí)，雙位置繼電器觸點(diǎn)可以保持原來的狀態(tài)，交流電壓可正常接入。但在一組 PT檢修，電壓回路并列拉開PT閘刀時(shí)，如操作不當(dāng)可能造成反充電，使運(yùn)行PT空氣開關(guān)跳開造成全所交流電壓失去。

圖3 公共電壓切換回路

為進(jìn)一步提高交流公共電壓回路的可靠性，直流電源、重動(dòng)回路及切換回路均采用雙重化設(shè)計(jì)，其中重動(dòng)繼電器采用普通中間繼電器，兩個(gè)繼電器觸點(diǎn)采用并聯(lián)方式接入電壓回路(如圖4所示)。當(dāng)一路直流電源消失或重動(dòng)繼電器損壞時(shí)，確保不失去交流電壓。

圖4改進(jìn)的公共電壓切換回路

3.2 距離Ⅲ段保護(hù)自適應(yīng)阻抗偏移特性

電壓回路采取雙重化設(shè)計(jì)從源頭上減少交流失壓的可能性，但并無法徹底消除距離Ⅲ段保護(hù)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。如雙母線接線的一組母線PT檢修時(shí)，往往維護(hù)接線型式不變而PT二次回路進(jìn)行并列。若PT正常運(yùn)行的母線發(fā)生故障，另一條母線電源線路的距離Ⅲ段保護(hù)會(huì)誤動(dòng)而導(dǎo)致母線全停。因此，有必要從距離Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作特性本身提高對(duì)PT斷線的容錯(cuò)能力。

PT斷線與出口處故障時(shí)距離保護(hù)的測(cè)量電壓和測(cè)量阻抗相同，但測(cè)量電流卻存在明顯差異。PT斷線時(shí)測(cè)量電流為負(fù)荷電流，而出口處故障時(shí)測(cè)量電流為故障電流。根據(jù)電流特征，在距離Ⅲ段保護(hù)中增設(shè)有條件開放阻抗偏移特性的功能(可以通過控制字投退)，即采取自適應(yīng)阻抗偏移特性。若不滿足式(3)的條件則保留原阻抗偏移特性，若滿足式(3)的條件則采用“反”阻抗偏移特性，即原多邊形特性的基礎(chǔ)上扣除小矩形特性部分(不包含原點(diǎn))，見圖5所示。

圖5改進(jìn)后距離III段保護(hù)動(dòng)作特性

Fig. 5 Improved action characteristics of distance protection III

若區(qū)外故障伴隨PT斷線，測(cè)量阻抗進(jìn)入小矩形區(qū)后測(cè)量電流均為正常負(fù)荷電流，不滿足阻抗偏移特性開放條件，距離Ⅲ段保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

若線路正方向出口故障，假設(shè)距離Ⅰ段、Ⅱ段保護(hù)均不動(dòng)作。在正常運(yùn)行方式下滿足阻抗偏移特性開放條件，距離Ⅲ段保護(hù)延時(shí)出口。在弱電源運(yùn)行方式下，若故障電流小于1.2倍額定電流(見式(4))，不滿足阻抗偏移特性開放條件，距離Ⅲ段保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，由相鄰線路后備保護(hù)切除故障。對(duì)弱電源線路可退出阻抗偏移特性的有條件開放功能。

綜上所述，距離Ⅲ段保護(hù)在故障時(shí)仍采用阻抗偏移特性，保證正方向出口處故障能可靠動(dòng)作，而PT斷線時(shí)采用“反”阻抗偏移特性，可以有效防止保護(hù)誤動(dòng)。此設(shè)計(jì)思路也同樣適用于采用圓特性的距離保護(hù)。

4 結(jié)論

現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定[10]：距離Ⅲ段保護(hù)作為本線和相鄰線路的后備保護(hù)。但距離Ⅲ段保護(hù)的保護(hù)范圍大，更容易受過負(fù)荷和直流偏磁[13-14]的影響導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。此外，微機(jī)保護(hù)采用主后一體化設(shè)計(jì)，距離Ⅲ段保護(hù)在實(shí)際運(yùn)行中基本沒有正確動(dòng)作的機(jī)會(huì)，但誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)卻很大。因此，需要從設(shè)備選型、回路設(shè)計(jì)、動(dòng)作特性等方面提高距離Ⅲ段保護(hù)的可靠性：

1) 新建變電站220 kV線路采用線路PT，減少電壓公共回路。傳統(tǒng)變電站交流電壓切換回路的直流電源、重動(dòng)回路及切換回路均應(yīng)按雙重化配置。

2) 強(qiáng)化主保護(hù)、弱化后備保護(hù)，新改建220 kV及以上線路配置雙套光纖差動(dòng)保護(hù)，降低對(duì)后備保護(hù)的依賴性[15]。

3) 距離Ⅲ段保護(hù)采用自適應(yīng)阻抗偏移特性，若測(cè)量阻抗位于原點(diǎn)附近，根據(jù)電流值確定是否帶阻抗偏移特性(包含原點(diǎn))，以避免區(qū)外故障同時(shí)伴有PT斷線時(shí)距離保護(hù)誤動(dòng)。

[1] 馬慧, 張開如, 高芳, 等. 電網(wǎng)閃斷對(duì)距離保護(hù)的影響[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(17): 81-86.

MA Hui, ZHANG Kairu, GAO Fang, et al. Effect of power grid flash broken on distance protection[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(17): 81-86.

[2] 陳福鋒, 錢國明, 薛明軍. 適用于串聯(lián)電容補(bǔ)償線路的距離保護(hù)新原理[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010, 34(12): 61-66.

CHEN Fufeng, QIAN Guoming, XUE Mingjun. Research on new principle of distance protection adapted to series capacitor compensated line[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(12): 61-66.

[3] 陳學(xué)偉, 高厚磊, 向珉江, 等. 基于電子式互感器微分輸出的改進(jìn)R-L模型距離保護(hù)算法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(6): 283-289.

CHEN Xuewei, GAO Houlei, XIANG Minjiang, et al. Improved R-L model distance protection algorithm based on differential output of electronic transducers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 283-289.

[4] 徐妍, 陸廣香, 徐曉敏, 等. 關(guān)于工頻變化量距離保護(hù)可靠性的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(20): 51-57.

XU Yan, LU Guangxiang, XU Xiaomin, et al. Research on the reliability of the distance protection using power frequency variable components[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(20): 51-57.

[5] 黃少鋒, 趙遠(yuǎn), 申洪明, 等. 一種基于功角計(jì)算的振蕩閉鎖方案[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2015, 39(2): 89-91, 126.

HUANG Shaofeng, ZHAO Yuan, SHEN Hongming, et al. A scheme for swing blocking based on calculation of power angle[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(2): 89-91, 126.

[6] 師洪濤, 卓放, 楊禎, 等. 基于改進(jìn)正弦調(diào)制電流注入的三相交流電源系統(tǒng)諧波阻抗測(cè)量研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(8): 257-264.

SHI Hongtao, ZHUO Fang, YANG Zhen, et al. Study of harmonic impedance measurement for three-phase AC power system based on an improved modulated current injection method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(8): 257-264.

[7] 邱建, 曾耿輝, 李一泉, 等. 220 kV兩相式電鐵牽引站供電線路的短路計(jì)算及其保護(hù)整定原則分析[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2015, 31(4): 47-53.

QIU Jian, ZENG Genghui, LI Yiquan, et al. Analysis on the short circuit fault calculation and the protection setting principles of 220 kV two-phase supply lines of electrified railway[J]. Power System and Clean Energy, 2015, 31(4): 47-53.

[8] 李樂, 李英武, 袁野. 變電站設(shè)計(jì)中電壓互感器選擇有關(guān)問題分析[J]. 低壓電器, 2014(8): 61-65.

LI Le, LI Yingwu, YUAN Ye. Analysis of some related selection problem about potential transformer in substation design[J]. Low Voltage Apparatus, 2014(8): 61-65.

[9] 汪本進(jìn), 吳細(xì)秀, 徐思恩, 等. 復(fù)奉特高壓直流電壓二次電壓異常原因[J]. 高壓電器, 2016, 52(1): 7-14.

WANG Benjin, WU Xixiu, XU Si’en, et al. Investigate on the failure mechanism of the DC voltage divider for its secondary voltage jumping abnormally in Fulong and Fengxian substation[J]. High Voltage Apparatus, 2016, 52(1): 7-14.

[10] 國家電網(wǎng)公司2007年繼電保護(hù)設(shè)備分析報(bào)告[R]. 國家電力調(diào)度通信中心, 2008.

Analysis report of protective relay of the State Grid in 2007[R]. State Electric Dispatch and Telecommunication Center, 2008.

[11] 國家電網(wǎng)公司防止變電站全停十六項(xiàng)措施(試行)[S]. 國家電網(wǎng)公司, 2015.

Sixteen measures to prevent substation shutdown in State Grid (trial)[S]. State Grid, 2015.

[12] GB/T 14285-2006繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[S]. GB/T 14285-2006 technical code for relaying protection and security automatic equipment[S].

[13] 柳煥章, 周澤昕. 線路距離保護(hù)應(yīng)對(duì)事故過負(fù)荷的策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 25(31): 112-117．

LIU Huanzhang, ZHOU Zexin. Post-fault over-load maloperation countermeasure of transmission line distance protection[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 25(31): 112-117.

[14] 鄭濤, 盧婷, 楊國生, 等. GIC引發(fā)直流偏磁對(duì)距離保護(hù)Ⅲ段動(dòng)作性能影響的分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(2): 1-5.

ZHENG Tao, LU Ting, YANG Guosheng, et al. Analysis of the effects on distance protection zone Ⅲ relays caused by DC bias induced from geomagnetic induced current[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(2): 1-5.

[15] 劉欣, 黃少鋒, 張鵬. 相電流差突變量選相在混壓同塔輸電線跨電壓故障中的適應(yīng)性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(11): 118-126.

LIU Xin, HUANG Shaofeng, ZHANG Peng. Adaptability analysis of phase-selector based on sudden-change of phase- current-difference in cross-voltage fault occurred in mixed-voltage transmission lines[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(11): 118-126.

(編輯 魏小麗)

Discussion on measures to prevent malfunction of distance protection Ⅲ due to AC voltage losing

CHEN Shuiyao1, 2, HUANG Shaofeng1, QIU Yutao3, YANG Songwei2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Maintenance Branch, Hangzhou 311232, China;3. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310007, China)

Distance protection III is backup protection of own line and adjacent line. Its action zone often has impedance offset characteristics. Because the PT breakage discriminating element will exit once the protection starts, the distance protection III of non-fault line will trip incorrectly when external fault occurs accompanied by AC voltage losing, even leading to all blackout of substation bus in serious case. To prevent malfunction of distance protection III, two measures are put forward based on voltage circuit and action characteristics: 1) DC power supply, reinitiated circuit and switch circuit of public voltage are all dual-designed which can avoid AC voltage losing from the source; 2) the impedance offset characteristics is opened conditionally according to the current value which improve the tolerance ability of distance protection III.

AC voltage losing; distance protection III; malfunction; impedance offset; dual-design

10.7667/PSPC152059

2015-11-25；

2016-02-20

陳水耀(1976－)，男，通信作者，博士生，高級(jí)工程師，從事繼電保護(hù)技術(shù)管理和檢修管理工作；E-mail：chen-shuiyao@sgcc.com.cn

黃少鋒(1958－)，男，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事繼電保護(hù)和故障分析的理論研究工作。