多邊形阻抗距離I段保護(hù)誤動(dòng)分析與邏輯優(yōu)化

錢政旭，戚宣威，曹文斌，王松，潘武略，方愉冬

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

距離保護(hù)利用保護(hù)安裝處測量電壓和電流的比值反應(yīng)故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離，具有保護(hù)范圍明確、受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響小等優(yōu)點(diǎn)［1-3］，廣泛應(yīng)用于110 kV 及以上電壓等級(jí)的輸電線路［4］。目前，常見的距離保護(hù)按阻抗特性元件分為圓特性和多邊形特性［5-7］。其中，多邊形特性距離保護(hù)由多段阻抗特性直線圍合而成，因其耐過渡電阻能力強(qiáng)、有方向判別功能并具有較強(qiáng)的負(fù)荷適應(yīng)性［8］，常作為多級(jí)串供型輸電線路的主保護(hù)。

多邊形特性距離保護(hù)是通過設(shè)置動(dòng)作邊界的負(fù)荷限制電阻線來躲事故過負(fù)荷時(shí)的最小負(fù)荷［9-11］，若設(shè)置不合理將導(dǎo)致保護(hù)區(qū)外事故過負(fù)荷誤動(dòng)。2021 年以來，某地區(qū)電網(wǎng)接連發(fā)生三次區(qū)外相間故障，調(diào)查結(jié)果為非故障相的測量阻抗落入多邊形阻抗元件距離Ⅰ段動(dòng)作范圍內(nèi)而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)的事件，保護(hù)越級(jí)跳閘而失去選擇性。分析表明，該類誤動(dòng)問題是由于保護(hù)的多邊形特性距離保護(hù)Ⅰ段的動(dòng)作區(qū)設(shè)置不合理，其多邊形阻抗元件的負(fù)荷限制定值過大，導(dǎo)致非故障相的測量阻抗先于故障相落入動(dòng)作區(qū)引發(fā)誤動(dòng)。本文對(duì)此問題開展錄波分析、機(jī)理解析，并深入探究其動(dòng)作區(qū)設(shè)置邏輯，提出了應(yīng)對(duì)優(yōu)化策略，同時(shí)對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行了測試校核，確保多邊形阻抗元件可靠動(dòng)作。

1 故障分析

由于三次誤動(dòng)故障情況類似，本文以其中一次誤動(dòng)為例開展現(xiàn)場故障分析。

表1為該間隔線路保護(hù)裝置距離Ⅰ段定值，根據(jù)定值可計(jì)算其動(dòng)作區(qū)。

表1 距離I段整定值

圖1為保護(hù)第一次動(dòng)作報(bào)文，圖2為其保護(hù)動(dòng)作錄波。

圖1 保護(hù)動(dòng)作報(bào)文

圖2 保護(hù)動(dòng)作錄波

通過錄波數(shù)據(jù)分析可知，保護(hù)啟動(dòng)前B 相電壓明顯下降，A、C相電壓明顯升高，線電壓保持不變，初步分析系統(tǒng)已經(jīng)處于B 相單相接地運(yùn)行狀態(tài)。之后A、B相電流明顯增大（有效值從0.5 A增大到1.5 A），表明線路此時(shí)故障已轉(zhuǎn)換為A、B兩相短路接地故障。

如圖3所示，對(duì)錄波中跳閘信號(hào)出口時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析可知，A、B相短路阻抗一直在距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)外，但是A、C相短路阻抗在保護(hù)啟動(dòng)6 ms后即進(jìn)入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)內(nèi)。

圖3 跳閘出口時(shí)刻阻抗向量圖

在發(fā)生A、B兩相接地短路故障期間，故障點(diǎn)處的電壓和電流存在如下關(guān)系：

根據(jù)故障點(diǎn)電壓、電流，可以推導(dǎo)測量阻抗為：

式中：ZL為故障點(diǎn)到保護(hù)測量處的線路正序阻抗。

根據(jù)現(xiàn)場定值單，本線路的阻抗角為60°，假如|Z1|=|ZL|且兩者正序阻抗角相同，則ZmCA剛好位于R軸。一般情況下，故障點(diǎn)到保護(hù)測量處的線路正序阻抗ZL與故障分析復(fù)合序網(wǎng)中的正序等值阻抗Z1的阻抗角接近；若忽略35 kV 負(fù)荷側(cè)的正序阻抗，則有|Z1|＞|ZL|，故ZmCA=×Z1+ZL將位于R軸的下方附近。

根據(jù)解析可以得到在A、B相間短路期間，各相間測量阻抗的相對(duì)相位關(guān)系如圖4 所示（圖4 中紅色虛線框代表動(dòng)作區(qū)）。此時(shí)測量阻抗ZmCA貼近R軸，存在落入多邊形阻抗元件動(dòng)作區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 AB相間短路期間相間阻抗分布

對(duì)比圖3和圖4可得，測量阻抗分布特性與故障的實(shí)測阻抗分布一致，通過理論計(jì)算驗(yàn)證，符合實(shí)際錄波現(xiàn)象。

此外，多邊形阻抗元件為了保證方向性，R軸下方的方向偏移角取15°，也就是動(dòng)作區(qū)第Ⅳ象限的底邊與R軸夾角為-15°，故測量阻抗ZmCA即使位于R軸下方附近，也有很大可能會(huì)落入動(dòng)作區(qū)。

綜上所述，通過分析動(dòng)作錄波發(fā)現(xiàn)，A、B相間短路故障期間，由于非故障相A、C相間阻抗進(jìn)入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)，從而導(dǎo)致距離Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作。分析其動(dòng)作區(qū)發(fā)現(xiàn)，其形狀比較扁平，動(dòng)作區(qū)向右側(cè)延伸較多，在第Ⅳ象限的動(dòng)作區(qū)甚至大于第Ⅰ象限動(dòng)作區(qū)，導(dǎo)致末端故障時(shí)非故障相阻抗可能落入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)。

2 保護(hù)邏輯優(yōu)化

2.1 多邊形阻抗保護(hù)動(dòng)作區(qū)分析

如圖5所示，多邊形阻抗距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)由6段動(dòng)作邊界構(gòu)成，將其編號(hào)為1-6 段動(dòng)作邊界。其中，邊界1、2 保證故障方向性的可靠選擇，邊界3由負(fù)荷限制電阻值決定，邊界6由距離Ⅰ段定值計(jì)算的電抗值確定。

圖5 距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)示意圖

根據(jù)誤動(dòng)問題特性，要縮小動(dòng)作區(qū)的第Ⅳ象限區(qū)域，相關(guān)的邊界為2 和3，而邊界2 保證了故障方向性的可靠選擇。邊界3 與R軸的交點(diǎn)（即負(fù)荷限制電阻定值）按躲負(fù)荷進(jìn)行整定，且距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段共用同一定值。對(duì)于距離I段的動(dòng)作區(qū)，該負(fù)荷限制電阻值整定過大，導(dǎo)致動(dòng)作區(qū)較多的偏入了第四象限。因此，為保護(hù)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)專用的電阻分量，不與距離Ⅱ段、Ⅲ段共用電阻分量，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)軟件自適應(yīng)優(yōu)化距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)，解決末端故障時(shí)非故障相阻抗可能落入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)的問題。

如圖6所示，黑色虛線框?yàn)閳A阻抗動(dòng)作區(qū)，藍(lán)色框?yàn)槎噙呅巫杩箘?dòng)作區(qū)，紅色虛線框?yàn)槟骋浑娮瓒ㄖ礡set下的距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)。對(duì)比圓阻抗元件與多邊形阻抗元件的動(dòng)作區(qū)可知，其電抗分量XDZ是由阻抗定值ZDZ折算到X方向的值。電阻分量RDZ為負(fù)荷限制電阻定值，按照躲負(fù)荷阻抗整定，為距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段共用。通常，RDZ對(duì)于距離Ⅱ段、Ⅲ段合適，而由于中低壓線路較短，距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)的電抗分量相對(duì)于負(fù)荷限制電阻定值比較小，會(huì)引起距離Ⅰ段多邊形動(dòng)作區(qū)過于扁平，線路末端故障時(shí)非故障相阻抗可能落入動(dòng)作區(qū)。

圖6 圓阻抗元件與多邊形阻抗元件動(dòng)作區(qū)

因此，結(jié)合誤動(dòng)發(fā)生的邏輯可知，多邊形阻抗元件的負(fù)荷電阻限制值是動(dòng)作區(qū)邊界設(shè)置的關(guān)鍵參數(shù)。

2.2 動(dòng)作區(qū)邏輯判據(jù)優(yōu)化

基于設(shè)計(jì)原理，距離保護(hù)多邊形阻抗元件的動(dòng)作區(qū)在4個(gè)象限的分布原則是：第Ⅰ象限占有的區(qū)域應(yīng)最大。如果動(dòng)作區(qū)的負(fù)荷限制電阻定值過大，以致第Ⅳ象限的動(dòng)作區(qū)大于第Ⅰ象限的動(dòng)作區(qū)，違背動(dòng)作區(qū)設(shè)計(jì)原則。當(dāng)?shù)冖裣笙藓偷冖粝笙薜拿娣e相等時(shí)，可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的電阻分量約為5倍電抗分量。考慮一定的裕度，距離Ⅰ段專用電阻分量取4倍電抗分量作為上限，從而保證第Ⅰ象限動(dòng)作區(qū)大于第Ⅳ象限動(dòng)作區(qū)。

綜合以上因素和原則，優(yōu)化后距離Ⅰ段多邊形動(dòng)作區(qū)使用的電阻分量RsetI由裝置內(nèi)部按下述公式計(jì)算得到：

由式（9）可知，RsetI的取值由3 個(gè)值的最小值決定。其中，第一個(gè)值中Rset的含義為距離Ⅱ、Ⅲ段多邊形的電阻定值，對(duì)應(yīng)定值項(xiàng)為負(fù)荷限制電阻定值。由于距離Ⅰ段需單獨(dú)設(shè)置較小的負(fù)荷限制電阻，且若Rset值過小會(huì)失去負(fù)荷限制作用，因此根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取第二個(gè)值中，Rr/LZ是距離Ⅰ段容許的過渡電阻值折算到二次的值，Rr為距離Ⅰ段容許過渡電阻值（一般取10 Ω）；LZ為阻抗一二次的換算系數(shù)（TV變比/TA變比）。而ZZD為距離Ⅰ段定值，φlm為線路正序靈敏角。此值的含義為考慮線路接地故障時(shí)的過渡電阻，以提高距離保護(hù)動(dòng)作的可靠性。第三個(gè)值4XsetI的設(shè)置原因是當(dāng)多邊形動(dòng)作區(qū)第Ⅰ象限和Ⅳ象限面積相等時(shí)，電阻分量為5倍XsetI，考慮一定裕度，按4倍XsetI封住電阻分量的上限。

此外，增加防止定值輸入錯(cuò)誤的手段，取上述所得RsetI與XsetI/2的最大值，其中XsetI/2作為距離Ⅰ段多邊形專用電阻分量的下限，近似等于所整定距離Ⅰ段定值對(duì)應(yīng)的圓特性外圍的最小四邊形特性電阻定值RDZmin。因此，的最終取值為：

根據(jù)上述邏輯判據(jù)畫出優(yōu)化后的動(dòng)作區(qū)，如圖7內(nèi)紅色虛線框所示。

圖7 優(yōu)化后的距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)

由圖7可知，由于將RsetI取值中負(fù)荷限制電阻定值Rset縮小為原來的同時(shí)電抗定值從8XsetI減小為4XsetI，動(dòng)作區(qū)發(fā)生相應(yīng)改變，優(yōu)化后的距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)不再扁平化，理論上可躲過末端故障時(shí)非故障相阻抗可能落入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)的誤動(dòng)問題。經(jīng)裝置內(nèi)部修改后的公式計(jì)算可得，第Ⅳ象限的動(dòng)作區(qū)面積小于第Ⅰ象限，理論上符合整定原則，滿足動(dòng)作要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用測試儀中的距離模塊將電壓、電流等數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電氣量模擬線路上的各段故障，校驗(yàn)保護(hù)邏輯優(yōu)化后的動(dòng)作區(qū)，并進(jìn)行故障回放測試。

3.1 動(dòng)作區(qū)校驗(yàn)

如圖5所示，將動(dòng)作區(qū)邊界分為阻抗邊界和角度邊界兩種類型。其中，邊界1 和2 是角度邊界，校驗(yàn)值等于邊界角度±2°；邊界3 和4 為阻抗邊界，校驗(yàn)值為電阻定值的1.05倍和0.95倍；邊界5和6 為阻抗邊界，校驗(yàn)值為電抗定值的1.05 倍和0.95倍。

針對(duì)不同工況下線路阻抗的變化，通過修改相關(guān)整定值，滿足對(duì)RsetI不同取值的邏輯驗(yàn)證。分析可知，距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)可用以下4種工況逐一驗(yàn)證，每個(gè)工況下均模擬相間與三相短路故障。

1）工況一：采用表1中的整定值，表2所示為電阻定值計(jì)算結(jié)果。

表2 電阻定值計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，RsetI取4.452 Ω。

試驗(yàn)測試結(jié)果如圖8所示，右側(cè)圖中綠色的+號(hào)為測試點(diǎn)經(jīng)試驗(yàn)返回的正確動(dòng)作顯示，整理后見表3。

表3 工況一距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)測試結(jié)果

圖8 工況一距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)測試結(jié)果

2）工況二：修改負(fù)荷限制電阻定值Rset為6.0 Ω，其余定值如表1 所示，計(jì)算可得RsetI取3.0 Ω。試驗(yàn)測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 工況二距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)測試結(jié)果

3）工況三：修改TA 變比為100/1，使阻抗一二次的換算系數(shù)LZ為3.5，其余定值如表1所示，計(jì)算可得RsetI取3.457 Ω。試驗(yàn)測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 工況三距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)測試結(jié)果

4）工況四：修改負(fù)荷限制電阻定值Rset為0.1 Ω，其余定值如表1 所示，計(jì)算可得RsetI取0.556 Ω。試驗(yàn)測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 工況四距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)測試結(jié)果

綜上，4 種工況下對(duì)應(yīng)4 個(gè)距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)，對(duì)其分別進(jìn)行相間和三相短路故障模擬距離Ⅰ段保護(hù)試驗(yàn)，結(jié)果均能可靠正確動(dòng)作。

3.2 故障回放測試

針對(duì)此次線路保護(hù)裝置距離Ⅰ段誤動(dòng)問題，利用增強(qiáng)故障回放模塊，導(dǎo)入該保護(hù)故障錄波文件，如圖12所示進(jìn)行故障回放。

圖12 故障錄波回放

結(jié)果顯示，動(dòng)作區(qū)優(yōu)化后的保護(hù)裝置距離Ⅰ段能躲過該區(qū)外故障，保護(hù)可靠不動(dòng)作。

若將距離Ⅱ段、Ⅲ段相間距離阻抗定值整定同Ⅰ段，由于距離Ⅱ段、Ⅲ段Rset取值公式為：

計(jì)算可得Rset取8.904 Ω，保護(hù)動(dòng)作，故障選相A、B、C。同樣方法導(dǎo)入另兩次誤動(dòng)錄波，現(xiàn)象均與此次誤動(dòng)錄波回放試驗(yàn)現(xiàn)象相同。上述試驗(yàn)證明距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)定值優(yōu)化方案具備可行性。

4 結(jié)語

本文針對(duì)一起距離Ⅰ段保護(hù)誤動(dòng)事件，通過分析其誤動(dòng)錄波，推演其數(shù)學(xué)原理，指出多邊形阻抗元件動(dòng)作區(qū)設(shè)置存在的問題。由于距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段共用同一負(fù)荷限制電阻定值，導(dǎo)致區(qū)外故障時(shí)非故障相相間阻抗無法躲過第Ⅳ象限內(nèi)的負(fù)荷限制邊界，落入距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)。

由此提出適用于多邊形阻抗元件的定值優(yōu)化方案，為距離Ⅰ段設(shè)置獨(dú)立的負(fù)荷限制電阻定值限制條件，實(shí)現(xiàn)保護(hù)軟件自適應(yīng)優(yōu)化距離Ⅰ段動(dòng)作區(qū)。并且，利用保護(hù)測試裝置進(jìn)行優(yōu)化后的動(dòng)作區(qū)邊界校驗(yàn)，導(dǎo)入故障錄波驗(yàn)證方案是可行的。

本文提出的多邊形阻抗元件動(dòng)作區(qū)優(yōu)化思路適用于所有多邊形阻抗元件，為提升距離保護(hù)應(yīng)對(duì)區(qū)外故障時(shí)的可靠性提供了保障。