基于多功能实验系统的距离保护动作逻辑分析

李惜玉 张鑫桂 容慧娴

摘要：介绍了TQXBZ-III多功能继电保護及变电站综合自动化实验培训系统的特点和功能。阐述三段式距离保护原理，计算了距离保护的一系列整定参数，并在多功能实验系统上对算例进行仿真试验，最后分析了试验结果及其动作逻辑行为。

关键词：变电站综合自动化;微机保护;距离保护;逻辑行为

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0125-03

由于电流、电压保护的整定值选择、保护范围以及灵敏系数等方面都直接受电网接线方式及系统运行方式的影响，因此，在35kV以上电压等级的复杂网络中，很难满足选择性、灵敏性以及快速切除故障线路的要求。为此，电网采用了性能更加完善的距离保护。[1]距离保护以其动作快、原理简单、受网络和系统运行方式影响小，普遍应用于110kV的主保护和220线路的后备保护。距离保护的动作反应保护安装处到故障点的阻抗值，等价于反应保护安装处到故障点的距离，因此，距离保护又叫阻抗保护。在一般情形下，短路故障出现后，总是伴随有电流的增大、电压的降低、线路始端测量阻抗的减小以及电压和电流之间相位差的变化，当测量阻抗小于阻抗继电器的整定阻抗值时，该阻抗继电器就会动作，及时切除故障线路。[2]它是一种理想的测量方式，只要使用互感器及测量误差就能保证动作的选择性，所以它固有的动作时间段（距离I段保护）能保护本段线路全长的大部分，距离II段保护能保护本段线路全长并延伸到相邻线路的30～40%，距离III段保护能保护本段线路全长并能作为相邻线路距离保护的远后备保护。[3]

一、多功能继电保护及变电站综合自动化实验培训系统的简介

1.系统构成及其特点

TQXBZ-III多功能继电保护及变电站综合自动化实验培训系统由TQWX-III微机型继电保护试验测试仪、TQXBZ-III多功能微机保护实验装置、成组保护接线图、控制回路模块、按钮开关、保护模式切换开关及直流电源等构成。该实验系统具有如下特点：

（1）适用范围广，综合性强。该系统既可作为《电力系统继电保护》、《电力系统微机保护》、《发电厂电气部分》和《变电站综合自动化技术》等相关课程实验教学的设备，也可成为电力相关专业学生课程设计、毕业设计和创新研究的开放平台。这样的系统既有效地缩小占地面积、节约成本，又能实现实验仿真的高效率进行。同时，系统组态灵活，可利用多套实验系统组成任意结构的电力系统网络进行专业综合实验。

（2）系统仿真度高，接近电力系统现场实际情况。该系统采用数字化技术进行高精度实验信号的传递和处理，完全替代传统实验系统调压器、移相器、滑线电阻和测量仪表等构成的“地摊”式实验设备，与电力系统进行继电保护的试验方法完全相同。这样，实验结果更加符合工程实际，也使仿真效果大大提升。

（3）实验现象直观明了。配备个人计算机，可直观显示实验过程中的各种测试数据、动作特性曲线、波形图等。系统采用实验台结构，接线操作方便。同时，可以方便地进行设置和修改实验条件和实验数据，仿真结果现象直观，一目了然。[4，5]

2.系统功能

（1）常规保护实验。该系统包含常规电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器、差动继电器、中间继电器和时间继电器等实验功能。

（2）单个微机继电器实验。该系统可进行微机电流、电压（低电压、过电压）、反时限电流、零序电流、负序电流、零序电压、负序电压、功率方向、零序功率方向、负序功率方向、阻抗元件、差动元件等单个微机继电器特性实验。

（3）综合保护实验。该系统可实现微机线路综合保护功能、短线路保护实验功能、电力设备综合保护实验功能和三相一次重合闸（检同期、检无压）实验功能。[6]

二、三段式距离保护的原理

三段式距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离大小（或阻抗），并根据该距离的远近判断是否动作及确定动作时间的长短的一种保护装置。当故障点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短;当故障点距保护安装处远时，其测量阻抗较大，动作时间增长，这样就保证了保护装置有选择性地切除故障线路。[1]

1.距离保护的基本原理

如图1（a）所示，当图中d点发生短路故障时，保护1测量的阻抗值为Zd，保护2测量的阻抗值为ZAB+Zd。由于保护1离故障点较近，保护2离故障点较远，所以保护1的动作时间可以做到比保护2的动作时间短。因此，由保护1切除故障线路而保护2不致误动作。这种选择的配合，是靠适当地选择各个保护的整定值和动作时限来完成的。上图1（b）就是目前广泛应用的具有三段动作范围的阶梯型时限特性，分别称为距离保护的I、II、III段，能够很好的满足继电保护装置的速动性、选择性和灵敏性的要求。[1，4]

2.距离保护的整定计算

距离保护的整定计算，就是根据被保护电力系统的实际运行情况，计算出距离I段、II段和III段测量元件的整定阻抗以及确定距离II段和III段的动作时限。[7]

（1）距离保护的整定计算原则。

1）距离I段保护的整定。一般认为距离保护的第I段是无动作时限的速动段，按躲开下一条线路出口处短路的原则来整定，也就是按躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定的。考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器等误差，引入可靠系数（一般取为0.8～0.85），可得：

=（0.8～0.85）ZAB                         （1）

其中ZAB为线路AB的正序阻抗。由于距离I段保护是瞬时动作的，一般可认为距离I段的动作时限=0s。

按照上式整定后，距离I段保护无法保护本段线路的全长而是只能保护本线路全长的80%～85%。因此，为了及时切除本段线路末端15%～20%范围内出现的故障，需要设置距离II段保护。[1，7]

2）距离II段保护的整定。距离II段保护按与相邻线路距离I段保护相配合的原则进行整定。为保证下级线路上发生故障时，上级线路保护处的距离II段保护不致于越级跳闸，其距离II段保护的动作范围不应该超出下级线路I段保护的动作范围，引入可靠系数（一般取为0.8）。以图1为例，可知：

（2）

其中ZBC为线路BC的正序阻抗。

为保证下级线路首段发生故障时，由该级的距离I段保护迅速切断故障线路而上级的距离II段保护不动作，上级距离II段的动作时限应比下级的距离I段保护的动作时限大一个时间级差（一般取为0.5s），即=0+0.5=0.5s。

一般要求距离II段保护能够保护本段线路的全长，因此需要校验本线路末端短路时的灵敏系数。由于是反应于数值的下降而动作，其灵敏系数定义为：

即                                 （3）

一般要求。当校验灵敏系数不能满足要求时，则应进一步延伸保护范围，使距离II段保护与下一条线路的距离II段保护相配合，此时的动作时限也相应延长为1～1.2s。

距离I段保护和距离II段保护的联合动作构成本段线路的主保护，为了作为本段线路和相邻线路的保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，还应该装设距离III段保护。Ⅲ段阻抗继电器作为I、II段阻抗继电器的后备，在任何一次系统条件下都是成立的。[1，4，7，8]

3）距离III段保护的整定。距离III段保护按躲开最小负荷阻抗的原则进行整定。当线路上流过最大负荷电流且母线电压最低时（用表示），在线路首端所测量到的负荷阻抗值最小，为

（4）

其中，正常運行时母线电压的最小值一般取为0.9的额定电压。参照过电流保护的整定原则，考虑到外部故障切除后，在电动机自启动的条件下，距离III段保护必须立即返回的要求，其整定值应为：

（5）

其中，距离III段保护的可靠系数一般取为1.2～1.25;电动机自启动系数KMs一般取为1.5～2.5;阻抗元件的返回系数Kre一般取为1.15～1.25。

当距离III段保护采用方向阻抗继电器时，需要考虑其起动阻抗随阻抗角φk的变化关系及正常运行时负荷潮流和功率因数的变化，整定值应为：

（6）

其中，阻抗元件的最大灵敏角φsen取线路阻抗角φk，φL取正常运行时负荷阻抗角的最大值，负荷功率因数一般取为0.85～0.95。

距离III段保护的动作时限tIII按阶梯原则进行整定。距离III段保护的动作时限应比与之配合的相邻元件的距离III段保护的动作时限大一个时间级差，但考虑到距离III段保护一般不经振荡闭锁，所以动作时限不应该小于最大的振荡周期（1.5～2s）。

当距离III段保护作为本段线路距离I、II段保护的近后备保护时，其灵敏系数应按本段线路末端短路的情况进行校验，即;当距离III段保护作为相邻元件的远后备保护时，其灵敏系数应按相邻元件末端短路的情况进行校验，即（其中取相邻元件末端短路时对应的分支系数最大值）。[1，4，7，9，10]

（2）距离保护的整定值。

表1 距离保护模型及各段整定值（KZ=18.33）

选定实验模型 110kV线路模型

距离I段 距离II段 距离III段

一次整定值（Ω） 25.6 40.96 651.72

二次整定值（Ω） 1.397 2.235 35.555

整定时限（S） 0 0.5 1.0

三、实验仿真

1.实验模型及接线

本实验用110kV输电线路模型，如图2所示，110kV线路保护安装于A变电站1QF处。实验接线如图3所示。将TQXDB-III多功能微机保护实验装置的三相电流接线端与成组保护接线图上1QF处电流互感器二次侧三相电流插孔相连，装置的三相电压接线端与A母线电压互感器二次侧插孔相连，装置的跳、合闸接线端分别与跳、合闸插孔相连。[4]

2.实验数据

表2 AB线路不同地点发生各种类型短路三段保护动作情况

（过渡电阻 Rf=Rg=0）

AB线路故障类型 A相接地短路 AB两相短路

距A点30%处 距A点50%处 距A点70%处 距A点99%处 距A点30%处 距A点50%处 距A点70%处 距A点99%处

保护动作逻辑 距离I段保护动作 距离I段保护动作 距离II段保护动作 距离III段保护动作 距离I段保护动作 距离I段保护动作 距离I段保护动作 距离II段保护动作

动作电阻值（Ω） 0.44 0.66 0.79 0.93 -0.01 -0.02 -0.04 -0.04

动作电抗值（Ω） 0.68 1.09 1.52 2.13 0.5 0.86 1.22 1.71

动作阻抗值（Ω） 0.81 1.27 1.71 2.32 0.5 0.86 1.22 1.71

表3 BC线路不同地点发生各种类型短路三段保护动作情况

（过渡电阻 Rf=Rg=0）

BC线路故障类型 A相接地短路 AB两相短路

距B点30%处 距B点50%处 距B点70%处 距B点99%处 距B点30%处 距B点50%处 距B点70%处 距B点99%处

保护动作逻辑 距离III段保护动作 距离III段保护动作 距离III段保护动作 距离III段保护动作 距离II段保护动作 距离III段保护动作 距离III段保护动作 距离III段保护动作

动作电阻值（Ω） 1.02 0.99 0.94 0.76 -0.04 -0.05 -0.05 0.00

动作电抗值（Ω） 2.67 2.98 3.18 3.61 2.13 2.41 2.65 3.03

动作阻抗值（Ω） 2.86 3.14 3.32 3.69 2.13 2.41 2.65 3.03

3.实验结果分析

（1）从表2可知，在AB线路上距A点50%处发生A相接地短路时距离I段保护动作;在距A点70%处发生A相接地短路时距离II段保护动作;在AB线路上距A点70%处发生AB两相短路时距离I段保护动作;在距A点99%处发生AB两相短路时距离II段保护动作，因此可知距离I段保护的保护范围为本段线路全长的50%～70%。

（2）从表2和表3可知，在AB线路上距A点70%处发生A相接地短路时距离II段保护动作;在距A点99%处发生A相接地短路时距离III段保护动作;在BC线路上距B点30%处发生AB两相短路时距离II段保护动作;在距B点50%处发生AB两相短路时距离III段保护动作，因此可知距离II段保护的保护范围为本段线路全长的70%～99%，并不能保護本段线路的全长。

（3）从表2和表3可知，距离III段保护能保护本段线路的全长，并能够作为相邻线路距离保护的远后备保护。

（4）距离保护三段间的配合，可保证本段线路发生故障后1s时间内切除故障线路。

四、结论

由于距离保护既反应出现故障时电流的增大又反应出现故障时电压降低，因而距离保护的灵敏度比电流、电压保护的灵敏度高。

距离I段保护的保护范围不受系统运行方式的影响，距离II段保护和距离III段保护受系统运行方式的影响较小，因此距离保护的保护范围较稳定。

根据距离保护的工作原理可知，距离保护可以在任何形状的多电源电网中保证动作的选择性，有效提高系统运行的稳定性，因此，距离保护被广泛应用于电网系统中。

只能在被保护线路全长的50%～70%的范围内实现瞬时切除（距离I段保护）故障线路。

在被保护线路全长的70%～99%的范围内需经过0.5s的延时（距离II段保护）才能切除故障线路，在被保护线路的末端甚至需经过1s的延时（距离III段保护）才能切除故障线路，这在220kV及以上电压等级的网络中，有时不能满足电力系统稳定运行的要求，因此，不能作为主保护来应用。

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[6]周有庆，邵霞，彭红海.多功能微机保护与变电站综合自动化实验培训系统[J].电气时空，2004，（5）：23-24.

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（责任编辑：刘翠枝）