李惜玉 張?chǎng)喂? 容慧嫻

摘要：介紹了TQXBZ-III多功能繼電保護(hù)及變電站綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能。闡述三段式距離保護(hù)原理，計(jì)算了距離保護(hù)的一系列整定參數(shù)，并在多功能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上對(duì)算例進(jìn)行仿真試驗(yàn)，最后分析了試驗(yàn)結(jié)果及其動(dòng)作邏輯行為。

關(guān)鍵詞：變電站綜合自動(dòng)化;微機(jī)保護(hù);距離保護(hù);邏輯行為

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）32-0125-03

由于電流、電壓保護(hù)的整定值選擇、保護(hù)范圍以及靈敏系數(shù)等方面都直接受電網(wǎng)接線方式及系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，因此，在35kV以上電壓等級(jí)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，很難滿足選擇性、靈敏性以及快速切除故障線路的要求。為此，電網(wǎng)采用了性能更加完善的距離保護(hù)。[1]距離保護(hù)以其動(dòng)作快、原理簡單、受網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)運(yùn)行方式影響小，普遍應(yīng)用于110kV的主保護(hù)和220線路的后備保護(hù)。距離保護(hù)的動(dòng)作反應(yīng)保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的阻抗值，等價(jià)于反應(yīng)保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的距離，因此，距離保護(hù)又叫阻抗保護(hù)。在一般情形下，短路故障出現(xiàn)后，總是伴隨有電流的增大、電壓的降低、線路始端測(cè)量阻抗的減小以及電壓和電流之間相位差的變化，當(dāng)測(cè)量阻抗小于阻抗繼電器的整定阻抗值時(shí)，該阻抗繼電器就會(huì)動(dòng)作，及時(shí)切除故障線路。[2]它是一種理想的測(cè)量方式，只要使用互感器及測(cè)量誤差就能保證動(dòng)作的選擇性，所以它固有的動(dòng)作時(shí)間段（距離I段保護(hù)）能保護(hù)本段線路全長的大部分，距離II段保護(hù)能保護(hù)本段線路全長并延伸到相鄰線路的30～40%，距離III段保護(hù)能保護(hù)本段線路全長并能作為相鄰線路距離保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)。[3]

一、多功能繼電保護(hù)及變電站綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)系統(tǒng)的簡介

1.系統(tǒng)構(gòu)成及其特點(diǎn)

TQXBZ-III多功能繼電保護(hù)及變電站綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)系統(tǒng)由TQWX-III微機(jī)型繼電保護(hù)試驗(yàn)測(cè)試儀、TQXBZ-III多功能微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置、成組保護(hù)接線圖、控制回路模塊、按鈕開關(guān)、保護(hù)模式切換開關(guān)及直流電源等構(gòu)成。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）適用范圍廣，綜合性強(qiáng)。該系統(tǒng)既可作為《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)》、《電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)》、《發(fā)電廠電氣部分》和《變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)》等相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)備，也可成為電力相關(guān)專業(yè)學(xué)生課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新研究的開放平臺(tái)。這樣的系統(tǒng)既有效地縮小占地面積、節(jié)約成本，又能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)仿真的高效率進(jìn)行。同時(shí)，系統(tǒng)組態(tài)靈活，可利用多套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成任意結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)。

（2）系統(tǒng)仿真度高，接近電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。該系統(tǒng)采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行高精度實(shí)驗(yàn)信號(hào)的傳遞和處理，完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)壓器、移相器、滑線電阻和測(cè)量儀表等構(gòu)成的“地?cái)偂笔綄?shí)驗(yàn)設(shè)備，與電力系統(tǒng)進(jìn)行繼電保護(hù)的試驗(yàn)方法完全相同。這樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加符合工程實(shí)際，也使仿真效果大大提升。

（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明了。配備個(gè)人計(jì)算機(jī)，可直觀顯示實(shí)驗(yàn)過程中的各種測(cè)試數(shù)據(jù)、動(dòng)作特性曲線、波形圖等。系統(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，接線操作方便。同時(shí)，可以方便地進(jìn)行設(shè)置和修改實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果現(xiàn)象直觀，一目了然。[4，5]

2.系統(tǒng)功能

（1）常規(guī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)包含常規(guī)電流繼電器、電壓繼電器、功率方向繼電器、阻抗繼電器、差動(dòng)繼電器、中間繼電器和時(shí)間繼電器等實(shí)驗(yàn)功能。

（2）單個(gè)微機(jī)繼電器實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)可進(jìn)行微機(jī)電流、電壓（低電壓、過電壓）、反時(shí)限電流、零序電流、負(fù)序電流、零序電壓、負(fù)序電壓、功率方向、零序功率方向、負(fù)序功率方向、阻抗元件、差動(dòng)元件等單個(gè)微機(jī)繼電器特性實(shí)驗(yàn)。

（3）綜合保護(hù)實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)微機(jī)線路綜合保護(hù)功能、短線路保護(hù)實(shí)驗(yàn)功能、電力設(shè)備綜合保護(hù)實(shí)驗(yàn)功能和三相一次重合閘（檢同期、檢無壓）實(shí)驗(yàn)功能。[6]

二、三段式距離保護(hù)的原理

三段式距離保護(hù)是反應(yīng)故障點(diǎn)至保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的距離大?。ɑ蜃杩梗?，并根據(jù)該距離的遠(yuǎn)近判斷是否動(dòng)作及確定動(dòng)作時(shí)間的長短的一種保護(hù)裝置。當(dāng)故障點(diǎn)距保護(hù)安裝處近時(shí)，其測(cè)量阻抗小，動(dòng)作時(shí)間短;當(dāng)故障點(diǎn)距保護(hù)安裝處遠(yuǎn)時(shí)，其測(cè)量阻抗較大，動(dòng)作時(shí)間增長，這樣就保證了保護(hù)裝置有選擇性地切除故障線路。[1]

1.距離保護(hù)的基本原理

如圖1（a）所示，當(dāng)圖中d點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)1測(cè)量的阻抗值為Zd，保護(hù)2測(cè)量的阻抗值為ZAB+Zd。由于保護(hù)1離故障點(diǎn)較近，保護(hù)2離故障點(diǎn)較遠(yuǎn)，所以保護(hù)1的動(dòng)作時(shí)間可以做到比保護(hù)2的動(dòng)作時(shí)間短。因此，由保護(hù)1切除故障線路而保護(hù)2不致誤動(dòng)作。這種選擇的配合，是靠適當(dāng)?shù)剡x擇各個(gè)保護(hù)的整定值和動(dòng)作時(shí)限來完成的。上圖1（b）就是目前廣泛應(yīng)用的具有三段動(dòng)作范圍的階梯型時(shí)限特性，分別稱為距離保護(hù)的I、II、III段，能夠很好的滿足繼電保護(hù)裝置的速動(dòng)性、選擇性和靈敏性的要求。[1，4]

2.距離保護(hù)的整定計(jì)算

距離保護(hù)的整定計(jì)算，就是根據(jù)被保護(hù)電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，計(jì)算出距離I段、II段和III段測(cè)量元件的整定阻抗以及確定距離II段和III段的動(dòng)作時(shí)限。[7]

（1）距離保護(hù)的整定計(jì)算原則。

1）距離I段保護(hù)的整定。一般認(rèn)為距離保護(hù)的第I段是無動(dòng)作時(shí)限的速動(dòng)段，按躲開下一條線路出口處短路的原則來整定，也就是按躲過本線路末端短路時(shí)的測(cè)量阻抗來整定的。考慮到阻抗繼電器和電流、電壓互感器等誤差，引入可靠系數(shù)（一般取為0.8～0.85），可得：

=（0.8～0.85）ZAB ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中ZAB為線路AB的正序阻抗。由于距離I段保護(hù)是瞬時(shí)動(dòng)作的，一般可認(rèn)為距離I段的動(dòng)作時(shí)限=0s。

按照上式整定后，距離I段保護(hù)無法保護(hù)本段線路的全長而是只能保護(hù)本線路全長的80%～85%。因此，為了及時(shí)切除本段線路末端15%～20%范圍內(nèi)出現(xiàn)的故障，需要設(shè)置距離II段保護(hù)。[1，7]

2）距離II段保護(hù)的整定。距離II段保護(hù)按與相鄰線路距離I段保護(hù)相配合的原則進(jìn)行整定。為保證下級(jí)線路上發(fā)生故障時(shí)，上級(jí)線路保護(hù)處的距離II段保護(hù)不致于越級(jí)跳閘，其距離II段保護(hù)的動(dòng)作范圍不應(yīng)該超出下級(jí)線路I段保護(hù)的動(dòng)作范圍，引入可靠系數(shù)（一般取為0.8）。以圖1為例，可知：

（2）

其中ZBC為線路BC的正序阻抗。

為保證下級(jí)線路首段發(fā)生故障時(shí)，由該級(jí)的距離I段保護(hù)迅速切斷故障線路而上級(jí)的距離II段保護(hù)不動(dòng)作，上級(jí)距離II段的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)比下級(jí)的距離I段保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限大一個(gè)時(shí)間級(jí)差（一般取為0.5s），即=0+0.5=0.5s。

一般要求距離II段保護(hù)能夠保護(hù)本段線路的全長，因此需要校驗(yàn)本線路末端短路時(shí)的靈敏系數(shù)。由于是反應(yīng)于數(shù)值的下降而動(dòng)作，其靈敏系數(shù)定義為：

即 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

一般要求。當(dāng)校驗(yàn)靈敏系數(shù)不能滿足要求時(shí)，則應(yīng)進(jìn)一步延伸保護(hù)范圍，使距離II段保護(hù)與下一條線路的距離II段保護(hù)相配合，此時(shí)的動(dòng)作時(shí)限也相應(yīng)延長為1～1.2s。

距離I段保護(hù)和距離II段保護(hù)的聯(lián)合動(dòng)作構(gòu)成本段線路的主保護(hù)，為了作為本段線路和相鄰線路的保護(hù)裝置和斷路器拒絕動(dòng)作的后備保護(hù)，還應(yīng)該裝設(shè)距離III段保護(hù)。Ⅲ段阻抗繼電器作為I、II段阻抗繼電器的后備，在任何一次系統(tǒng)條件下都是成立的。[1，4，7，8]

3）距離III段保護(hù)的整定。距離III段保護(hù)按躲開最小負(fù)荷阻抗的原則進(jìn)行整定。當(dāng)線路上流過最大負(fù)荷電流且母線電壓最低時(shí)（用表示），在線路首端所測(cè)量到的負(fù)荷阻抗值最小，為

（4）

其中，正常運(yùn)行時(shí)母線電壓的最小值一般取為0.9的額定電壓。參照過電流保護(hù)的整定原則，考慮到外部故障切除后，在電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)的條件下，距離III段保護(hù)必須立即返回的要求，其整定值應(yīng)為：

（5）

其中，距離III段保護(hù)的可靠系數(shù)一般取為1.2～1.25;電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)系數(shù)KMs一般取為1.5～2.5;阻抗元件的返回系數(shù)Kre一般取為1.15～1.25。

當(dāng)距離III段保護(hù)采用方向阻抗繼電器時(shí)，需要考慮其起動(dòng)阻抗隨阻抗角φk的變化關(guān)系及正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷潮流和功率因數(shù)的變化，整定值應(yīng)為：

（6）

其中，阻抗元件的最大靈敏角φsen取線路阻抗角φk，φL取正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷阻抗角的最大值，負(fù)荷功率因數(shù)一般取為0.85～0.95。

距離III段保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限tIII按階梯原則進(jìn)行整定。距離III段保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)比與之配合的相鄰元件的距離III段保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限大一個(gè)時(shí)間級(jí)差，但考慮到距離III段保護(hù)一般不經(jīng)振蕩閉鎖，所以動(dòng)作時(shí)限不應(yīng)該小于最大的振蕩周期（1.5～2s）。

當(dāng)距離III段保護(hù)作為本段線路距離I、II段保護(hù)的近后備保護(hù)時(shí)，其靈敏系數(shù)應(yīng)按本段線路末端短路的情況進(jìn)行校驗(yàn)，即;當(dāng)距離III段保護(hù)作為相鄰元件的遠(yuǎn)后備保護(hù)時(shí)，其靈敏系數(shù)應(yīng)按相鄰元件末端短路的情況進(jìn)行校驗(yàn)，即（其中取相鄰元件末端短路時(shí)對(duì)應(yīng)的分支系數(shù)最大值）。[1，4，7，9，10]

（2）距離保護(hù)的整定值。

表1 距離保護(hù)模型及各段整定值（KZ=18.33）

選定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?110kV線路模型

距離I段 距離II段 距離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

整定時(shí)限（S） 0 0.5 1.0

三、實(shí)驗(yàn)仿真

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图敖泳€

本實(shí)驗(yàn)用110kV輸電線路模型，如圖2所示，110kV線路保護(hù)安裝于A變電站1QF處。實(shí)驗(yàn)接線如圖3所示。將TQXDB-III多功能微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置的三相電流接線端與成組保護(hù)接線圖上1QF處電流互感器二次側(cè)三相電流插孔相連，裝置的三相電壓接線端與A母線電壓互感器二次側(cè)插孔相連，裝置的跳、合閘接線端分別與跳、合閘插孔相連。[4]

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 AB線路不同地點(diǎn)發(fā)生各種類型短路三段保護(hù)動(dòng)作情況

（過渡電阻 Rf=Rg=0）

AB線路故障類型 A相接地短路 AB兩相短路

距A點(diǎn)30%處 距A點(diǎn)50%處 距A點(diǎn)70%處 距A點(diǎn)99%處 距A點(diǎn)30%處 距A點(diǎn)50%處 距A點(diǎn)70%處 距A點(diǎn)99%處

保護(hù)動(dòng)作邏輯 距離I段保護(hù)動(dòng)作 距離I段保護(hù)動(dòng)作 距離II段保護(hù)動(dòng)作 距離III段保護(hù)動(dòng)作 距離I段保護(hù)動(dòng)作 距離I段保護(hù)動(dòng)作 距離I段保護(hù)動(dòng)作 距離II段保護(hù)動(dòng)作

動(dòng)作電阻值（Ω） 0.44 0.66 0.79 0.93 -0.01 -0.02 -0.04 -0.04

動(dòng)作電抗值（Ω） 0.68 1.09 1.52 2.13 0.5 0.86 1.22 1.71

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

表3 BC線路不同地點(diǎn)發(fā)生各種類型短路三段保護(hù)動(dòng)作情況

（過渡電阻 Rf=Rg=0）

BC線路故障類型 A相接地短路 AB兩相短路

距B點(diǎn)30%處 距B點(diǎn)50%處 距B點(diǎn)70%處 距B點(diǎn)99%處 距B點(diǎn)30%處 距B點(diǎn)50%處 距B點(diǎn)70%處 距B點(diǎn)99%處

保護(hù)動(dòng)作邏輯 距離III段保護(hù)動(dòng)作 距離III段保護(hù)動(dòng)作 距離III段保護(hù)動(dòng)作 距離III段保護(hù)動(dòng)作 距離II段保護(hù)動(dòng)作 距離III段保護(hù)動(dòng)作 距離III段保護(hù)動(dòng)作 距離III段保護(hù)動(dòng)作

動(dòng)作電阻值（Ω） 1.02 0.99 0.94 0.76 -0.04 -0.05 -0.05 0.00

動(dòng)作電抗值（Ω） 2.67 2.98 3.18 3.61 2.13 2.41 2.65 3.03

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

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）從表2可知，在AB線路上距A點(diǎn)50%處發(fā)生A相接地短路時(shí)距離I段保護(hù)動(dòng)作;在距A點(diǎn)70%處發(fā)生A相接地短路時(shí)距離II段保護(hù)動(dòng)作;在AB線路上距A點(diǎn)70%處發(fā)生AB兩相短路時(shí)距離I段保護(hù)動(dòng)作;在距A點(diǎn)99%處發(fā)生AB兩相短路時(shí)距離II段保護(hù)動(dòng)作，因此可知距離I段保護(hù)的保護(hù)范圍為本段線路全長的50%～70%。

（2）從表2和表3可知，在AB線路上距A點(diǎn)70%處發(fā)生A相接地短路時(shí)距離II段保護(hù)動(dòng)作;在距A點(diǎn)99%處發(fā)生A相接地短路時(shí)距離III段保護(hù)動(dòng)作;在BC線路上距B點(diǎn)30%處發(fā)生AB兩相短路時(shí)距離II段保護(hù)動(dòng)作;在距B點(diǎn)50%處發(fā)生AB兩相短路時(shí)距離III段保護(hù)動(dòng)作，因此可知距離II段保護(hù)的保護(hù)范圍為本段線路全長的70%～99%，并不能保護(hù)本段線路的全長。

（3）從表2和表3可知，距離III段保護(hù)能保護(hù)本段線路的全長，并能夠作為相鄰線路距離保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)。

（4）距離保護(hù)三段間的配合，可保證本段線路發(fā)生故障后1s時(shí)間內(nèi)切除故障線路。

四、結(jié)論

由于距離保護(hù)既反應(yīng)出現(xiàn)故障時(shí)電流的增大又反應(yīng)出現(xiàn)故障時(shí)電壓降低，因而距離保護(hù)的靈敏度比電流、電壓保護(hù)的靈敏度高。

距離I段保護(hù)的保護(hù)范圍不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，距離II段保護(hù)和距離III段保護(hù)受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響較小，因此距離保護(hù)的保護(hù)范圍較穩(wěn)定。

根據(jù)距離保護(hù)的工作原理可知，距離保護(hù)可以在任何形狀的多電源電網(wǎng)中保證動(dòng)作的選擇性，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此，距離保護(hù)被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)系統(tǒng)中。

只能在被保護(hù)線路全長的50%～70%的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)切除（距離I段保護(hù)）故障線路。

在被保護(hù)線路全長的70%～99%的范圍內(nèi)需經(jīng)過0.5s的延時(shí)（距離II段保護(hù)）才能切除故障線路，在被保護(hù)線路的末端甚至需經(jīng)過1s的延時(shí)（距離III段保護(hù)）才能切除故障線路，這在220kV及以上電壓等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)中，有時(shí)不能滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，因此，不能作為主保護(hù)來應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）