基于故障電流的距離保護加速動作判據(jù)研究

郭 濤，齊 巖，汪承茂，宋正輝，張 杰

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

引言

繼電保護是保障電力系統(tǒng)安全運行的重要防線，保護設(shè)備的合理配置和正確整定是確保其可靠發(fā)揮作用的關(guān)鍵[1]。長久以來國內(nèi)外許多專家和學者進行了大量的研究工作，對傳統(tǒng)的距離保護做出改進或提出新型的距離保護原理。文獻[2]將方向圓特性調(diào)節(jié)為透鏡特性，并且對于距離保護因為潮流轉(zhuǎn)移引起誤動的問題進行研究分析，證明該特性具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)特性，但不能縮短距離保護整定時間。文獻[3]提出了一種短線路自適應(yīng)距離保護方案，將電抗性繼電器與四邊形阻抗繼電器的動作特性結(jié)合起來構(gòu)成新的繼電器動作特性，具有較強的抗過度電阻能力和負荷限制特性,但主要適用于短線路。本文提出以阻抗修正系數(shù)為基礎(chǔ)的新的時間整定系數(shù)加速距離保護ΙΙ段動作，減少延時時間，使繼電器具有彈性動作時間。

1 傳統(tǒng)距離保護分析

1.1 距離保護原理

距離保護利用短路發(fā)生時電壓電流同時變化的特征，通過測量電壓電流比值，計算出測量阻抗的大小，再與整定阻抗進行比較[4]。當測量阻抗小于整定阻抗時，則故障處到保護安裝處的距離小于保護整定距離，判定為區(qū)內(nèi)故障，繼電器保護動作；當測量阻抗大于整定阻抗，則故障處到保護安裝處的距離大于保護的整定距離，判定為區(qū)外故障；本線路的繼電器不動作，由下一線路的繼電器動作將故障切除。

1.2 距離保護時限特性

距離保護包含動作特性和時限特性，動作時間與保護安裝地點至短路點之間距離的關(guān)系稱為距離保護的時限特性，距離保護Ι 段為瞬時速動段，由于保護裝置具有固有動作時間，實際情況會有延時。距離保護ΙΙ、ΙΙΙ段對應(yīng)的動作延時，會比與之配合的保護上升一個時間極差Δt[5]。與三段式電流保護類似，三段式距離保護為了保證相關(guān)保護設(shè)備的選擇性和速動性，Δt通常情況下取0.5 s。其中ΙΙ 段保護為定時限距離保護段，固定延時一般為0.3 s～0.6 s。ΙΙΙ段的延時不小于3 s，延時計算方式與距離保護ΙΙ段相似。

2 距離保護加速動作原理

2.1 傳統(tǒng)距離保護不足分析

距離保護的三段式階梯原則，由于Ι 段的動作時間為保護裝置固有動作時間，無法對于Ι 段保護進行加速，且距離保護ΙΙ 段的保護范圍必須超過距離保護Ι 段的保護范圍，為本條線路的全部長度和下一線路30%～40%，因此本研究主要討論對于距離保護ΙΙ段加速。

如圖1 所示的方向圓阻抗特性中：圓1 是以距離保護Ι 段整定阻抗為直徑的圓；圓2 是以距離保護ΙΙ段整定阻抗為直徑的圓。

圖1 距離保護ΙΙ段方向圓特性保護范圍

由傳統(tǒng)的距離保護ΙΙ 段的時間整定可知，在線路AB上，故障點發(fā)生在K、B兩點間的任意位置，繼電器的固定動作時間都為0.5 s。體現(xiàn)在阻抗復平面中，當測量阻抗的取值范圍在到到ZAB之間時，無論測量阻抗Zm的大小多少，即不管故障點離坐標原點有多近，繼電器的動作時間都固定為0.5 s。這就體現(xiàn)了傳統(tǒng)繼電器ΙΙ段保護時間整定方法存在缺陷，無法在保證下一線路繼電器保護選擇性的前提下根據(jù)故障點距離使繼電器具有彈性動作時間。

2.2 新型距離保護加速動作修正系數(shù)

針對在保證傳統(tǒng)繼電器ΙΙ段保護時間整定方法存在的缺陷，尋找在滿足下一線路繼電器保護選擇性的前提下通過對本線路保護ΙΙ段的加速來提高繼電器的整體動作時間，使保護能更加快速地切除故障，提高距離保護的速動性，使繼電器具有彈性動作時間的方法。因此，引入離保護ΙΙ 段阻抗修正指數(shù)r，通過對原有距離保護ΙΙ 段的延時進行修正，根據(jù)故障點位置靈活地改變繼電器的動作時間。通過測量阻抗與AB 輸電線路的線路阻抗的比值來反映故障發(fā)生點的距離，再將該比值進行r次方的修正，加速后的ΙΙ段保護的整定時間：

首先，將K 點動作的時間設(shè)置為0.1 s，B 點動作的時間設(shè)置為0.3 s，當故障發(fā)生在A、B 兩點時，將數(shù)據(jù)代入式（1）可得：

兩式相除可得：

本研究主要是針對線路AB 段而言，而距離保護ΙΙΙ 段主要是距離保護Ι 段和ΙΙ 段的后備保護，只有在主保護拒動時才發(fā)揮作用，所以，不考慮距離保護ΙΙΙ段的加速。則保護1的距離保護ΙΙ段的動作延時整定為：

3 仿真驗證

3.1 模型設(shè)計

根據(jù)圖2 的電力系統(tǒng)單側(cè)電源接線圖在MATLAB/simulink中建立相應(yīng)的仿真系統(tǒng)模型。

圖2 電力系統(tǒng)單側(cè)電源接線圖

仿真系統(tǒng)模型參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)模型參數(shù)

采用微機保護中的RL 模型解微分方程算法計算輸電線路的阻抗。輸電線路阻抗為電阻與電抗串聯(lián)的形式，忽略線路的分布電容。在RL 模型算法中，線路圖可簡單看做電阻和電感串聯(lián)接入電源，則電壓電流方程為：

式中，R、L值未知，u、i可由測量得到。u1、u2，i1、i2分別為在不同時刻t1、t2時的電壓電流值，D1、D2為不同時刻電流的倒數(shù)。u1=Ri1+LD1，u2=Ri2+LD2；因此可推導R、L。

將所求R、L代入下面公式：

為了減小差分運算的誤差，采用兩樣點之間的的中間值進行計算。Ts為采樣間隔在同一個系統(tǒng)中，無論發(fā)生相間故障還是接地故障，距離保護的整定值是相同的，將測量阻抗與整定阻抗比較[6]，最后按照公式（6）輸出保護的動作時間曲線。圖3 為仿真流程圖。

圖3 AB兩相短路圖

3.2 針對不同故障類型仿真

保持AB 的總長度為100 km，改變兩π 型輸電線路模塊的長度參數(shù)，模擬在AB 線路上的不同位置發(fā)生的故障。在AB 母線之間的線路上取9 個樣點，每個樣點間的間隔距離為10 km，通過對取樣點測量阻抗以及保護ΙΙ段的動作時間進行分析。

（1）兩相短路故障

針對距離保護ΙΙ 段而言，只需要看線路長度為80 km～90 km 的動作時間，距離保護ΙΙ 段的加速區(qū)域研究范圍就在這段范圍之內(nèi)。傳統(tǒng)的時間極差的時間范圍在0.3 s～0.6 s，這說明只要距離保護ΙΙ段動作時間在這段范圍內(nèi)都可以保證下一級線路保護的選擇性，圖4為AB兩相短路故障仿真圖。

圖4 AB兩相短路圖

針對兩相短路故障進行仿真，兩相短路采樣點仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示，可以看出，當相間短路故障發(fā)生在AB 輸電線路的80%處時，保護ΙΙ 段的動作時間為0.33 s左右，短路故障發(fā)生在AB輸電線路的90%處時，保護ΙΙ 段的動作時間為0.6 s 左右，與表格中數(shù)值對比，取樣點動作時間值滿足下一級保護的選擇性要求。且在這段線路上發(fā)生故障保護ΙΙ段的動作時間隨著測量阻抗的變化而變化，證明了推論的正確性?？擅黠@看出距離保護ΙΙ段的加速可以明顯提高距離保護的速動性，有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

表2 兩相短路采樣點仿真結(jié)果

（2）單相接地故障

針對單相接地故障進行仿真，單相接地故障采樣點具體數(shù)據(jù)如表3：當線路的80 km～90 km 內(nèi)發(fā)生單相接地短路故障，保護的動作時間遠遠超過了距離保護ΙΙ 段的動作時間要求。因此，保護ΙΙ 段的加速方法對于單相接地故障來說沒有起到加速的作用，但是單相接地故障下不需要立即跳閘，能發(fā)出故障信號即可。

表3 單相接地故障采樣點仿真結(jié)果

4 結(jié)論

（1）相間短路時該方法可以加快斷路器的跳閘速度，實現(xiàn)了距離保護ΙΙ段整定時間的自適應(yīng)變化，可以根據(jù)短路故障發(fā)生的位置調(diào)整ΙΙ段保護的動作時間，與傳統(tǒng)距離保護ΙΙ段的固定延時相比，該方法下的距離保護的速動性要求更高，更能適應(yīng)電網(wǎng)的變化。

（2）保護ΙΙ 段的加速方法對于單相接地故障來說沒有起到加速的作用，但單相接地故障下不需要立即跳閘，能發(fā)出故障信號即可，因此對保護裝置沒有影響。