高压线路距离保护设计中的几个关键技术邹运和

朱发国+李冬丽

摘 要：距离保护相对其它保护元件具有较大优越性，而距离保护设计对于一些中小企业来说有一定技术门槛。文章概括了设计开发高压线路保护装置的主要内容和实现方法，重点讲解了距离保护所包括的阻抗特性的一种典型实现方法、振荡闭锁的作用和实现方法、以及如何在振荡时进行选相三个方面的内容。深刻理解上述原理和方法，解决好这三个技术难点问题，就基本掌握了距离保护装置的设计精要，是做好距离保护装置开发的关键前提。

关键词：距离保护；振荡闭锁；振荡中心；阻抗圆特性；故障选相

引言

近年来，国内外专家对高压线路保护的研究为我们创新了先进的设计理念和较为完整的保护理论算法。这是我们研制高压线路保护装置的科学理论基础。现代通信技术和电子技术的快速发展为我们提供了良好的微机保护技术平台，对于保障保护装置性能指标提供了条件。在此基础上，我们可以研制出适合我国高压线路的保护装置，本文将对距离保护总体架构和功能设计等作简单介绍，而将重点放在三个关键技术点上。

1 保护功能原理及振荡闭锁

《GB50062 -2008电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定，按照系统稳定性，以及对保护的要求不同，110kV高压线路可以安装线路纵联保护、距离保护或电流保护，而在电流保护无法满足要求时多采用距离保护[4]。振荡发生时，三相电压电流周期性变化，电压跌落到最低点，电流恰好达到了最大值，类似发生了三相对称短路，易引起距离保护误动。此时需要闭锁距离一、二段，距离三段靠1.5s[1]以上延时躲过最大振荡周期而不会误动，而在振荡中故障真实发生时，又要求开放距离保护切除故障。

实现振荡闭锁可以有多种方法，现介绍一种通过计算振荡中心电压及静稳破坏条件，来判断系统是否振荡及振荡中对称故障开放元件是否动作。而对于不对称故障，则通过计算振荡中不对称故障开放元件，结合实际选相结果及继电器的动作情况，决定是否切除故障。不对称故障开放元件判据为：I2+I0≥mI1，计算较为简单，这里只说振荡中对称故障开放元件。

图1 振荡时电压电流关系图

振荡时线路两端电压和电流相位关系如图1所示，振荡中心电压可以通过计算得到[1]。

将系统状态分为4个区域[1]：

正常区：此时系统稳定运行没有发生振荡。

预备区：通过穿过此区域的时间可识别系统是否振荡或故障。发生短路时一般在20ms以内穿过此区域。振荡时穿过此区域的时间肯定大于20ms，于是设振荡标志，否则不设振荡标志。

测速区：通过测量穿过此区域的时间来测量滑差。若有振荡标志，在此区域内计数器N累加。每一步计数器累加2，即N←N+2。若无振荡标志，保持N=0。

当线路上发生短路故障时，线路短路阻抗压降将会对振荡中心电压计算产生影响，此时需要补偿一个角度[1]，为高压线路的阻抗角，可以在一次参数整定表中查到。

动作区：振荡时不会停留在动作区，在进入动作区后每一步计数器递减1，即N←N-1。由于动作区δ的宽度约为测速区的2倍，振荡时当N递减到零，应刚好穿出动作区，N=0是保护动作的必要条件，所以振荡时能够有效地闭锁保护。如果是振荡中发生三相短路故障，将停留在动作区，N必将递减到零，然后开放保护，保护的动作将有很小的延时，其对距离保护的闭锁和开放都是非常可靠的。

这种按照的变化鉴别振荡的方法有以下优点：

a.在阻抗平面上的动作区很窄，使得预备区很宽，从而能有效地识别振荡。

b.在阻抗平面上的动作区很长，可以适用于长线路。

c.负序、零序分量消失，系统三相恢复对称，回到正常区后，发生三相短路保护，动作就不增加延时。

系统振荡中又同时发生故障的几率很小，因为振荡时绝大部分时间电压低于额定值，必然降低了再发生故障的可能。再考虑振荡时应力求使系统尽快恢复稳定，尽可能减小误跳闸几率，所以对振荡中故障的检测和处理就要谨慎得多，对保护动作的快速性要求降低。所以振荡中故障处理可以有合理的延时，以保证动作的正确性。

振荡闭锁与阶段式距离、相继速动等都是距离保护需要重点考虑的问题，其它还有阶段式零序过流保护、三相一次重合闸、合闸于故障加速保护等，与中低压系统的保护元件没有太大区别，这里就不一一介绍。

随着第三次工业革命在全球范围内逐步推进，绿色能源（可再生能源）逐步取代化石能源已经是大势所趋，由于可再生能源在全球分布相对广泛而均匀，将来智能电网的电源将形成小型分布式与大型集中式并重的格局。因此还需考虑弱馈线路的保护。对弱馈线路有特定的判别处理方法，能够简单有效检出弱馈线路并正确测量故障情况，主要是针对分布式小电源接入情况而设，原则上在线路故障时小电源应该迅速从系统中解列，待系统稳定后再重新并入。

2 距离保护特性及实现方法

距离元件是以输电线路阻抗为考查对象，计算故障点到保护安装处的线路阻抗值，与保护范围整定值比较，以确定是否区内故障的保护形式。距离保护的分段原理与分段电流保护类似，只是各段的保护范围有区别，距离保护对故障的测量精度要高得多。距离保护特性常用的有圆特性、四边形特性、电抗特性等，其实现方法有相位比较方法和幅值比较方法等[2]，本文仅以偏移特性圆距离继电器的比相式判据原理说明距离继电器的实现方法。

当线路上发生单相接地或相间短路故障时，其阻抗特性和动作区域范围可以用图2偏移特性圆表示。向量Zzd- Zzd是特性圆的直径，当测量阻抗落在圆内或圆上时，向量ZJ-Zzd领先ZJ-Zzd的夹角在90°～270°之间，测量阻抗将位于距离保护动作区内。

图2 距离保护偏移圆特性计算用图

（2）式中，UJ，IJ可以通过对电流电压采样值的计算获得，Zzd是整定阻抗，Zzd为阻抗偏移量。endprint

其他阻抗特性判据实现公式在相关资料均能以类似的方法推导出来，这里不再详述。

3 振荡中故障选相处理

选相测量是距离保护常用的测量方式，选相测量的好处主要是通过降低计算量，来保证故障相的精确实时测量。在没有振荡发生情况下的选相比较容易处理，而振荡发生时，原来的电压选相、电流选相、补偿电压突变量选相等选相元件不再适用，本文介绍一种在振荡时发生故障的选相方法，供参考。

通过一组电力系统振荡中发生两相短路故障的动态模拟数据加以分析。

图3 高压输电线路一次系统及故障模拟图[3]

图3[3]为模拟高压线路一次系统图，保护安装在系统侧BRK2处。试验模拟系统发生了振荡并在K3点发生BC两相短路故障，用故障录波仪测得电压电流数据用于故障分析。

下面是波形图，V2，I2为本侧电压电流，V1A为对侧A相电压，F点开始，在线路中段位置发生了BC两相故障。

图4记录了一组波形数据，模拟的是振荡中发生BC两相故障，三相电压处于振荡状态，故障发生后，故障相依旧在振荡，从波形本身看不出有太大变化。我们利用数字仿真软件记录了该波形在每一时刻的电压变化率数据：

表中所记录的为F点之后连续10个周波的点（△t为故障后时间，单位ms），每隔9.6ms记录一组电压变化率数据。该变化率是电压向量随时间的变化率。以Ua电压为例说明，以20ms工频周期计，9.6ms向量转了，△UA可以由Ua变化前后的两相量直接合成得到。

图5 电压变化率示意图

从表1可以看出，在故障起始的近2个周波内，故障相BC的变化量特征仍不明显，这是因为故障开始时，计算向量所用的数据窗夹杂着故障前和故障后的数据，致使计算结果出现较大出入，再者，故障时的暂态过程，再加上三相电压全相振荡的影响，不同的故障时刻，其电压变化率故障特征出现的时间也会有差别等等。试验中的其他类型故障的波形，均显示了相同的特征，并且经过了多次反复仿真测试确定，这一结果是真实可信的。

由于三相电压同步振荡，各相电压的变化率差别主要取决于电压幅值的大小。故障发生后，故障相电压的幅值首先有较大幅度的跌落，故障相电压幅值比正常相小，故障相电压变化率也比正常相要小，这是显然的。故障状态稳定后，这一规律被固定下来，这种故障相电压变化率特征应用于振荡中发生的大多数不对称故障的选相，是没有问题的。

4 结束语

高压线路保护是电力继电保护的重要内容之一，也是电力部门非常重视的关键技术点，其保护原理较之中低压系统的单电流量或单电压量保护，其复杂度和计算量都有增加，其保护元件以及相互之间的配合也复杂很多。电力系统继电保护设计开发创新是无止境的，如何将继电保护做得更完善，更可靠、好用，永远是众多继保工程师需要研究的课题之一。

参考文献

[1]朱声石.高压电网继电保护原理与技术-第三版[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2]张志竟，黄玉铮，等.电力系统继电保护原理与运行分析[M].北京：中国电力出版社.

[3]DL/T 871-2004电力系统继电保护产品动模试验.电力行业标准.

[4]GB50062-2008电力装置的继电保护和自动装置-保护功能配置.endprint