一种改善距离保护动作特性的方法及其应用

杨 胜，何胜利

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210061)

当前线路距离保护，通常采用正序电压极化的三段式方向阻抗继电器构成的距离保护。正序电压极化相当于在电压回路中引入了健全相的电压，配合记忆电压元件，理论上使得各种故障情况下，该极化元件均具有较好的自适应性，具有较大的抗过度电阻能力，消除了背后短路时的误动，因此得到了广泛的运用[1-4]。然而由于电力系统运行方式的复杂性、各种电磁干扰及误差、正序电压极化原理的复杂性，实际运行中，特别是发生出口处正反方向三相故障时，距离继电器处理方法复杂，动作特性不理想。

1 正序电压极化的方向阻抗继电器原理

双电源系统如图1所示。保护正常运行在主程序，进行采样通信及装置内部器件检查等工作，产生中断后进入保护程序[2]。

图1 双电源电力系统图

图1中，E，E'分别为两侧电源电势，U为保护安装处母线电压，Zs，Zs'分别为两侧阻抗。距离继电器的测量方法分2种[5]，以正序电压的大小来区分。当正序电压较大时，进入相间距离保护元件，此时采用以不带记忆特性的正序电压为极化电压；当正序电压较小时，进入低压距离继电器元件，采用带记忆特性的正序电压为极化电压。故障时两种极化电压基本保留了故障前电压的相位，有很好的方向性，距离继电器具有很高的可靠性。相间距离继电器与低压距离继电器均采用比较工作电压和极化电压的相位的方法判别是否进入动作区。当发生故障时，距离保护装置起动元件动作、振荡闭锁元件开放、区分出相间距离与低压距离、选相元件选出故障相、对故障量进行计算、判断是否进入动作区后，距离保护相应元件经延时出口并切除故障。

上述方法是当前正序方向阻抗继电器最常用方法。然而在实际运行及大量试验中，当发生出口、反方向三相故障时，其动作特性均不理想。特别是振荡中出口反方向三相故障，低压距离继电器处理方法复杂，动作特性不理想。

2 复合电压极化的方向阻抗继电器

复合电压极化的方向阻抗继电器将低压距离继电器与相间距离继电器合并为一个复压极化方向阻抗继电器，其做法一直使用记忆电压，并对记忆电压实时更新。低压距离继电器用相间电压极化，代替正序极化，而相间距离也采用记忆电压，且记忆电压等于当前正序电压。

工作电压：

极化电压：

动作方程：

式（1—3）中：Zzd为继电器的整定阻抗；下标 ΦΦ 表示相间AB，BC或CA；下标1为正序；下标M为记忆量；Arg为2个向量的相位差。

此处，极化电压固定使用记忆电压，记忆电压储存48点，即2个周波，并实时更新。

为保证线路出口正反方向动作的可靠性，对距离继电器设置了门槛电压，其幅值取最大弧光压降，本文取9 V。以AB相为例，当U1ab＞9 V时，极化电压，记忆电压取当前实际正序电压；当U1ab＜9 V 时，40 ms内，极化电压，即用48点以前的记忆量线电压；40 ms后记忆作用消失，此时极化电压仍然采用线电压，同时对其进行相应处理。

当发生正方向故障时，Ⅰ，Ⅱ段距离继电器暂态动作后，将继电器的门槛倒置，即将动作圆下抛，使特性圆包含原点，以保证继电器动作后能保持到故障切除。当发生反方向故障时，Ⅰ，Ⅱ段距离继电器不动，此时置正门槛，将动作圆上抛，保证继电器一直不动[1，2]。为保证Ⅲ段距离继电器的后备性能，Ⅲ段门槛总是倒置，即进入低压距离元件后固定下抛，使其特性包含原点。同理对于接地距离保护，用相电压取代相正序电压作为极化量即可。采用上述复合电压极化的方向阻抗继电器的动作特性圆如图2—4 所示[3，4]。

图2 正方向故障暂态特性

图3 反方向故障暂态特性

图4 正方向三相故障稳态特性

图 2—4 中，Zzd1，Zzd2，Zzd3分别为相间距离Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段整定值。记忆作用消失后，极化电压使用相间电压，比正序电压具有更明确的物理意义。 作为极化电压，直接反应相间阻抗的值。当三相故障时，正序电压理论上等于相间电压，但是考虑到数据窗影响、响应延时、计算量等，采用相间电压作为低压距离的极化电压，有以下优势:

（1）近端三相短路时，正序极化的优势不复存在。对称故障时相间正序电压理论上等同于线电压，但对于实际系统而言，两者存在一定差别，暂态过程中，相电压的计算更准确。

（2）采用线电压，避免了正序相间电压的缺陷。由于正序相间电压是由Uab，Ubc，Uca3个线电压计算得出，当系统突然发送生近端三相短路，暂态过程中3个线电压立即跌变到接近0，在此过程中，3个线电压均存在计算误差，导致计算所得的正序电压误差更不可靠。

（3）线电压计算快，较正序电压快约5 ms，在不考虑新算法的情况下，对40 ms的记忆作用环节有明显的改善。故能更快更稳定的进入记忆环节，同时更快更稳的确定区内外故障，然后将动作圆相应上抛或下抛，使距离元件能正确动作。

（4）记忆作用消失至故障切除时间内，线电压、正序电压数值均很小，相比而言正序电压会带来更大误差，导致动作圆即使能做出上抛或下抛，也可能因误差大导致故障点漂移到动作圆外，使低压距离继电器返回。

（5）正序电压的算取较费时间。正序电压由ABC三相电压计算得出，最快需3/4周波即15 ms才能算准。由此导致在故障发生的瞬间，若电压突然降为极低，正序电压需要较长时间才能下降到9 V以下。

（6）记忆电压作用时间。目前记忆电压存储长度、作用时间无明确做法。各厂家记忆电压时间过长，导致故障时，记忆电压与实际电压相位偏差已非常大，完全不能反映故障时电压相位，是导致错误动作的又一原因。则记忆电压作用时间48点或72点（2个或3个周波）比较合适，过长则无法反映故障。

（7）振荡闭锁的考虑。正序方向距离继电器需与振荡闭锁配合，振荡过程中，电压电流相位一直变化，当发生出口反方向三相故障时，残压很低而故障前电压又不能准确反映故障前相位，故只能加长记忆电压时间，导致低压距离继电器难以正确动作。

此时复合电压极化的方向阻抗继电器及记忆电压元件逻辑图如图5、图6所示。

图5 复压极化距离继电器逻辑图

图6 记忆电压元件逻辑图

3 其他优化处理

上述复压极化的方向阻抗继电器，从理论上提高了方向阻抗继电器的动作特性。同时对距离相关的其他元件作了一定的优化，改善了其动作特性。

（1）选相元件优化。将选相逻辑推后处理。采用先阻抗测量，后跳闸逻辑，最后在进行故障选相生成故障报告。此法可缩短动作时间，并避免了因选相错误造成的误拒动问题[6-8]；

（2）振荡闭锁元件的优化。由于距离Ⅰ，Ⅱ段模块处理方式不同，则对各段距离继电器采用完全独立的振荡闭锁元件，使具有更高的独立性，且每个元件开放之前都要先判相应距离段启动，提高了保护的正确性。逻辑图如图7所示。

图7 优化后的振荡闭锁元件（以相间距离I段为例）

图7中，ΔImax为突变量启动元件；ZPP1为相间距离I段的启动标志；Un为额定电压；Ucos为振荡中心电压，open_ZB_zpp1则为振荡闭锁开放相间距离Ⅰ段。

（3）记忆电压元件的优化。缩短记忆电压窗口至48点，即2个周波40 ms；且记忆电压作用时间48点比较合适，过长则无法反映故障，与当前的电气量差别已较大，无使用价值；

（4）距离Ⅰ段的优化。采用反时限原理优化距离Ⅰ段保护逻辑，当测量阻抗值小于整定值80%时，距离Ⅰ段快速出口，保证装置能够快速切除系统重大故障，确保系统稳定性和安全性。当测量阻抗接近整定值时长延时出口，保证距离Ⅰ段可靠不超越，防止装置失去选择性。通过优化，装置能在25 ms快速动作，又能可靠防止超越；

4 试验结果及结论

基于复压极化的方向阻抗继电器原理，在TI dsp28335平台上开发一套66kV线路相间距离保护测控装置。其保护配置为：三段式相间距离保护、距离后加速保护、双回线速动保护、不对称故障速动保护、四段零序过流保护、三段式复压过流保护、过流后加速、充电保护、三相一次重合闸、低频减载、低压减载、紧急状态保护、小电流接地选线、同期手合遥合等。将基于复压极化原理本系列装置与传统的正序电压极化线路距离保护装置一并做数模试验，考察近端5%三相故障、近端0点故障、振荡中近端5%三相故障、振荡中0点故障，考察距离Ⅰ段动作情况。数模试验的系统图如图8所示。每种试验40次，共640次，记录错误动作次数；试验结果如表1所示。

图8 数模试验系统图

表1 试验结果对照表 次

模型参数：线路全长L=100 km，R1=6.403 Ω，XL1=36.401 Ω，R0=30.46 Ω，XL0=115.67 Ω， 电压互感器（TV）的变比为 110kV/100 V，电流互感器（TA）的变比为1200 A/5 A，不接地系统。

定值：正序阻抗z1=8.1 Ω，正序阻抗角z1deg=80°，偏移阻抗角zppdeg=0°，线路全长L=100 km，相间距离I段Z1zd=5.7 Ω，延时定值Tz1zd=0 s。

由表1可知，正序电压极化的距离继电器在近端0点处故障有一定的误/拒动可能，振荡中误/拒动几率较大，而采用复合电压极化的距离继电器则大幅提高了动作正确率，非振荡中正确率达100%，振荡中有残压时正确率亦为100%，在理论上无法解决的振荡中0点故障，正确率也大幅提高。距离I段动作时间对照表，如表2所示。

表2 距离I段动作时间对照表 ms

由表1和表2可知，优化后的复压极化方向阻抗继电器，较常规动作正确率、出口时间上均有较大提高。

5 结束语

本文提出了一种复合电压极化方向阻抗继电器理论，并基于此开发了一套线路相间距离保护测控装置。通过试验表明，本系统的速动性、可靠性均有较大提高。现场运行一年来，动作正确率达100%，取得了良好的社会经济效益。

[1]尹项根，曾克娥.电力系统继电保护原理与应用上册[M].武汉：华中科技大学出版社，2001.

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[8]林湘宁，刘 沛，冯兴学.自适应振荡闭锁判据的理论基础[J].电力系统自动化，2004，28(6)：45-50.