陳水耀 黃少鋒 裘愉濤 楊松偉

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防范交流失壓引起距離Ⅲ段保護誤動的措施探討

陳水耀1,2, 黃少鋒1, 裘愉濤3, 楊松偉2

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院, 北京 102206；2.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司, 浙江 杭州 311232;3.國網(wǎng)浙江省電力公司, 浙江 杭州310007)

距離III段保護作為本線和相鄰線路的后備保護，動作區(qū)往往采用阻抗偏移特性。由于保護在啟動后退出PT斷線判別功能，非故障線路距離III段保護在區(qū)外故障伴隨交流失壓時容易誤動，嚴重時會引發(fā)變電站母線全停。為防止距離Ⅲ段保護誤動，從電壓回路和動作特性兩個方面提出防范對策：1) 公共電壓的直流電源、重動回路及切換回路均按雙重化設(shè)計，從源頭上避免交流失壓；2) 根據(jù)電流值有條件開放阻抗偏移特性，提高距離III段保護的容錯能力。

交流失壓；距離III段；誤動；阻抗偏移；雙重化設(shè)計

0 引言

距離保護由于其受系統(tǒng)運行方式影響小，保護范圍穩(wěn)定，相鄰線路間保護容易配合等優(yōu)點而在高壓電網(wǎng)中得到廣泛應用。但在實際應用中，很多因素會影響距離保護的動作性能，如電網(wǎng)閃斷、串補電容、過渡電阻、故障限流器、系統(tǒng)振蕩、系統(tǒng)諧波、特殊接線形式、電壓互感器接線、PT斷線等電壓回路異常會導致測量阻抗不能真實反映故障點與保護安裝處的距離，使得距離保護的選擇性和靈敏性出現(xiàn)問題。國內(nèi)不少文獻[1-9]對距離保護影響因素開展了研究，提出了防范措施。

僅針對PT斷線來說，微機保護在正常運行時已具備斷線檢測功能，并閉鎖距離保護，但在保護啟動后，PT斷線判別功能將退出運行。此時若再發(fā)生PT斷線，測量阻抗落在原點附近。當距離保護采用方向特性或偏移特性時，保護會誤動。本文通過一起實際案例分析了PT斷線對距離Ⅲ段保護的影響，并從電壓回路冗余設(shè)計和改進保護動作特性兩個方面提出了防范措施。

1 故障案例分析

微機保護在保護未啟動前若二次回路失壓，可以綜合利用電壓量、電流量、開關(guān)量進行PT斷線檢測，及時發(fā)出告警信號并閉鎖距離保護，減少保護誤動的可能性。常用的PT斷線判據(jù)為

(1) 不對稱失壓判據(jù)

(2) 對稱失壓判據(jù)

(2)

但在實際運行中，微機保護因PT斷線而誤動的事件屢有發(fā)生。2007年，某電網(wǎng)220 kV變電站由于現(xiàn)場施工人員走錯工作地點，誤將鋼絲繩投入相鄰的110 kV線路間隔，先后造成線路和母線故障，線路保護、母差保護正確動作。180 ms后，110 kV母差保護中央信號光字燈端子短路，直流饋線屏上小開關(guān)越級跳開，PT切換屏直流電源消失，導致220 kV交流小母線失壓(如圖1所示)，該變電站多條220 kV電源進線距離Ⅲ段保護誤動跳閘[10]。該變電站線路后備保護配置三段接地距離保護、四段零序電流保護。

圖1交流失壓過程示意圖

根據(jù)電壓和電流，可得保護安裝處的測量電阻和測量電抗。由于PT對稱斷線，三相電壓均為0，理論上：=0/=0。根據(jù)裝置記錄顯示，三條線路的阻抗實測值分別為：=0/=0；=0/=0；=0/=-0.01，位于保護動作區(qū)內(nèi)。于是距離III段保護動作行為符合設(shè)計要求。但這對電力系統(tǒng)的安全運行帶來隱患。國內(nèi)其他地方也曾發(fā)生過保護啟動后再發(fā)生PT斷線，導致距離III段保護誤動作的事件，嚴重時有可能造成變電站母線全停。

2 距離Ⅲ段保護誤動原因分析

從故障案例看，相比距離Ⅰ段、距離Ⅱ段保護，距離Ⅲ段保護更容易誤動。這主要取決于距離保護的動作特性。以CSC-101A的多邊性特性為例，在重合或手合到故障線路時，距離保護動作特性在原多邊形特性的基礎(chǔ)上加上一個包括原點的小矩形特性(見圖2)，以保證PT在線路側(cè)時也能可靠切除出口故障，稱為阻抗偏移特性動作區(qū)?？紤]到距離Ⅲ段保護的后備性能，距離Ⅲ段保護始終采用阻抗偏移特性動作區(qū)(包含原點)。這正是距離Ⅲ段保護更容易誤動的原因。

圖2距離保護動作特性

盡管各廠家距離保護動作特性設(shè)計不完全相同，但距離Ⅲ段保護普遍采用阻抗偏移特性。試驗結(jié)果表明(具體見表1)：保護啟動未復歸時發(fā)生PT斷線，若斷線前保護判別為正方向故障，則所有主流保護廠家的距離Ⅲ段保護均會動作；若失壓前保護判別為反方向故障，大部分廠家的距離Ⅲ段保護會動作。

而距離Ⅰ段、距離Ⅱ段保護動作區(qū)經(jīng)方向元件把關(guān)，不易受PT斷線的影響。為解決距離保護出口故障的死區(qū)問題，CSC-101A在距離保護中設(shè)置了專門的方向元件，對于對稱故障，采用記憶電壓，即以故障前的記憶電壓同故障后電流比相來判別故障方向。對于不對稱故障，采用負序方向作為方向判別依據(jù)。此外，相間I段、距離Ⅱ段還需經(jīng)突變量方向元件把關(guān)。距離Ⅰ段保護的動作條件：方向元件判為正方向，且計算阻抗在整定的四邊形范圍內(nèi)；距離Ⅱ段保護的動作條件：方向元件判為正方向動作或非反方向，且計算阻抗在整定的四邊形范圍內(nèi)；距離Ⅲ段保護的動作條件：不對稱故障，方向元件判為正方向動作或非反方向，且計算阻抗在整定的四邊形范圍(包括原點)內(nèi)；三相對稱故障，計算阻抗在整定的四邊形范圍(包括原點)內(nèi)。

表1 典型線路保護距離III段動作行為記錄

注1、2：PSL602 G、PRS-752距離Ⅲ段保護采用記憶方向元件，PT斷線前反方向故障保護不動作。

故障案例中PT斷線時區(qū)外故障已經(jīng)切除，雖然電壓有突變，但電流基本沒有變化。距離Ⅰ段保護、距離Ⅱ段的突變量方向元件不滿足要求，保護不會動作。而距離Ⅲ段保護判為三相對稱故障，且測量阻抗落在四邊形范圍內(nèi)，滿足動作條件。這正是故障案例中距離Ⅲ段保護誤動的原因。

3 距離Ⅲ段保護防誤措施

國家電網(wǎng)公司2015年發(fā)布的變電站防全停反措[11]要求提高雙母線接線方式母線電壓互感器二次回路的可靠性，防止因母線電壓互感器二次回路原因造成相關(guān)線路的距離保護在區(qū)外故障時先啟動后失壓，距離保護誤動導致全站停電事故。因此，需要從源頭上提高交流電壓公共回路可靠性，并提高距離保護對PT斷線的容錯能力。

3.1 交流公共電壓回路冗余設(shè)計

傳統(tǒng)變電站220 kV系統(tǒng)交流電壓一般采用母線PT方式，在雙母線接線方式下存在交流電壓公共切換回路。正常情況下交流電壓回路通過PT隔離閘刀輔助觸點重動回路接入交流小母線，其目的是實現(xiàn)隔離、防止反充電，同時通過母聯(lián)開關(guān)及其隔離開關(guān)的輔助觸點的重動回路實現(xiàn)兩段母線電壓并列(如圖3所示)。早期220 kV變電站大多采用這種方式。這種方式采用單路直流供電，重動采用普通的中間繼電器，如一組重動繼電器損壞，該組交流電壓將失去；在直流電源消失時，將造成全所交流電壓失去。

目前新工程設(shè)計已經(jīng)對切換回路進行改進[12]，重動采用雙位置繼電器，采用單路直流供電，在直流電源消失時，雙位置繼電器觸點可以保持原來的狀態(tài)，交流電壓可正常接入。但在一組 PT檢修，電壓回路并列拉開PT閘刀時，如操作不當可能造成反充電，使運行PT空氣開關(guān)跳開造成全所交流電壓失去。

圖3 公共電壓切換回路

為進一步提高交流公共電壓回路的可靠性，直流電源、重動回路及切換回路均采用雙重化設(shè)計，其中重動繼電器采用普通中間繼電器，兩個繼電器觸點采用并聯(lián)方式接入電壓回路(如圖4所示)。當一路直流電源消失或重動繼電器損壞時，確保不失去交流電壓。

圖4改進的公共電壓切換回路

3.2 距離Ⅲ段保護自適應阻抗偏移特性

電壓回路采取雙重化設(shè)計從源頭上減少交流失壓的可能性，但并無法徹底消除距離Ⅲ段保護誤動的風險。如雙母線接線的一組母線PT檢修時，往往維護接線型式不變而PT二次回路進行并列。若PT正常運行的母線發(fā)生故障，另一條母線電源線路的距離Ⅲ段保護會誤動而導致母線全停。因此，有必要從距離Ⅲ段保護動作特性本身提高對PT斷線的容錯能力。

PT斷線與出口處故障時距離保護的測量電壓和測量阻抗相同，但測量電流卻存在明顯差異。PT斷線時測量電流為負荷電流，而出口處故障時測量電流為故障電流。根據(jù)電流特征，在距離Ⅲ段保護中增設(shè)有條件開放阻抗偏移特性的功能(可以通過控制字投退)，即采取自適應阻抗偏移特性。若不滿足式(3)的條件則保留原阻抗偏移特性，若滿足式(3)的條件則采用“反”阻抗偏移特性，即原多邊形特性的基礎(chǔ)上扣除小矩形特性部分(不包含原點)，見圖5所示。

圖5改進后距離III段保護動作特性

Fig. 5 Improved action characteristics of distance protection III

若區(qū)外故障伴隨PT斷線，測量阻抗進入小矩形區(qū)后測量電流均為正常負荷電流，不滿足阻抗偏移特性開放條件，距離Ⅲ段保護不會動作。

若線路正方向出口故障，假設(shè)距離Ⅰ段、Ⅱ段保護均不動作。在正常運行方式下滿足阻抗偏移特性開放條件，距離Ⅲ段保護延時出口。在弱電源運行方式下，若故障電流小于1.2倍額定電流(見式(4))，不滿足阻抗偏移特性開放條件，距離Ⅲ段保護不會動作，由相鄰線路后備保護切除故障。對弱電源線路可退出阻抗偏移特性的有條件開放功能。

綜上所述，距離Ⅲ段保護在故障時仍采用阻抗偏移特性，保證正方向出口處故障能可靠動作，而PT斷線時采用“反”阻抗偏移特性，可以有效防止保護誤動。此設(shè)計思路也同樣適用于采用圓特性的距離保護。

4 結(jié)論

現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定[10]：距離Ⅲ段保護作為本線和相鄰線路的后備保護。但距離Ⅲ段保護的保護范圍大，更容易受過負荷和直流偏磁[13-14]的影響導致保護誤動。此外，微機保護采用主后一體化設(shè)計，距離Ⅲ段保護在實際運行中基本沒有正確動作的機會，但誤動的風險卻很大。因此，需要從設(shè)備選型、回路設(shè)計、動作特性等方面提高距離Ⅲ段保護的可靠性：

1) 新建變電站220 kV線路采用線路PT，減少電壓公共回路。傳統(tǒng)變電站交流電壓切換回路的直流電源、重動回路及切換回路均應按雙重化配置。

2) 強化主保護、弱化后備保護，新改建220 kV及以上線路配置雙套光纖差動保護，降低對后備保護的依賴性[15]。

3) 距離Ⅲ段保護采用自適應阻抗偏移特性，若測量阻抗位于原點附近，根據(jù)電流值確定是否帶阻抗偏移特性(包含原點)，以避免區(qū)外故障同時伴有PT斷線時距離保護誤動。

[1] 馬慧, 張開如, 高芳, 等. 電網(wǎng)閃斷對距離保護的影響[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(17): 81-86.

MA Hui, ZHANG Kairu, GAO Fang, et al. Effect of power grid flash broken on distance protection[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(17): 81-86.

[2] 陳福鋒, 錢國明, 薛明軍. 適用于串聯(lián)電容補償線路的距離保護新原理[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010, 34(12): 61-66.

CHEN Fufeng, QIAN Guoming, XUE Mingjun. Research on new principle of distance protection adapted to series capacitor compensated line[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(12): 61-66.

[3] 陳學偉, 高厚磊, 向珉江, 等. 基于電子式互感器微分輸出的改進R-L模型距離保護算法[J]. 電工技術(shù)學報, 2014, 29(6): 283-289.

CHEN Xuewei, GAO Houlei, XIANG Minjiang, et al. Improved R-L model distance protection algorithm based on differential output of electronic transducers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 283-289.

[4] 徐妍, 陸廣香, 徐曉敏, 等. 關(guān)于工頻變化量距離保護可靠性的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(20): 51-57.

XU Yan, LU Guangxiang, XU Xiaomin, et al. Research on the reliability of the distance protection using power frequency variable components[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(20): 51-57.

[5] 黃少鋒, 趙遠, 申洪明, 等. 一種基于功角計算的振蕩閉鎖方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015, 39(2): 89-91, 126.

HUANG Shaofeng, ZHAO Yuan, SHEN Hongming, et al. A scheme for swing blocking based on calculation of power angle[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(2): 89-91, 126.

[6] 師洪濤, 卓放, 楊禎, 等. 基于改進正弦調(diào)制電流注入的三相交流電源系統(tǒng)諧波阻抗測量研究[J]. 電工技術(shù)學報, 2015, 30(8): 257-264.

SHI Hongtao, ZHUO Fang, YANG Zhen, et al. Study of harmonic impedance measurement for three-phase AC power system based on an improved modulated current injection method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(8): 257-264.

[7] 邱建, 曾耿輝, 李一泉, 等. 220 kV兩相式電鐵牽引站供電線路的短路計算及其保護整定原則分析[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2015, 31(4): 47-53.

QIU Jian, ZENG Genghui, LI Yiquan, et al. Analysis on the short circuit fault calculation and the protection setting principles of 220 kV two-phase supply lines of electrified railway[J]. Power System and Clean Energy, 2015, 31(4): 47-53.

[8] 李樂, 李英武, 袁野. 變電站設(shè)計中電壓互感器選擇有關(guān)問題分析[J]. 低壓電器, 2014(8): 61-65.

LI Le, LI Yingwu, YUAN Ye. Analysis of some related selection problem about potential transformer in substation design[J]. Low Voltage Apparatus, 2014(8): 61-65.

[9] 汪本進, 吳細秀, 徐思恩, 等. 復奉特高壓直流電壓二次電壓異常原因[J]. 高壓電器, 2016, 52(1): 7-14.

WANG Benjin, WU Xixiu, XU Si’en, et al. Investigate on the failure mechanism of the DC voltage divider for its secondary voltage jumping abnormally in Fulong and Fengxian substation[J]. High Voltage Apparatus, 2016, 52(1): 7-14.

[10] 國家電網(wǎng)公司2007年繼電保護設(shè)備分析報告[R]. 國家電力調(diào)度通信中心, 2008.

Analysis report of protective relay of the State Grid in 2007[R]. State Electric Dispatch and Telecommunication Center, 2008.

[11] 國家電網(wǎng)公司防止變電站全停十六項措施(試行)[S]. 國家電網(wǎng)公司, 2015.

Sixteen measures to prevent substation shutdown in State Grid (trial)[S]. State Grid, 2015.

[12] GB/T 14285-2006繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S]. GB/T 14285-2006 technical code for relaying protection and security automatic equipment[S].

[13] 柳煥章, 周澤昕. 線路距離保護應對事故過負荷的策略[J]. 中國電機工程學報, 2011, 25(31): 112-117．

LIU Huanzhang, ZHOU Zexin. Post-fault over-load maloperation countermeasure of transmission line distance protection[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 25(31): 112-117.

[14] 鄭濤, 盧婷, 楊國生, 等. GIC引發(fā)直流偏磁對距離保護Ⅲ段動作性能影響的分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(2): 1-5.

ZHENG Tao, LU Ting, YANG Guosheng, et al. Analysis of the effects on distance protection zone Ⅲ relays caused by DC bias induced from geomagnetic induced current[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(2): 1-5.

[15] 劉欣, 黃少鋒, 張鵬. 相電流差突變量選相在混壓同塔輸電線跨電壓故障中的適應性分析[J]. 電工技術(shù)學報, 2015, 30(11): 118-126.

LIU Xin, HUANG Shaofeng, ZHANG Peng. Adaptability analysis of phase-selector based on sudden-change of phase- current-difference in cross-voltage fault occurred in mixed-voltage transmission lines[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(11): 118-126.

(編輯 魏小麗)

Discussion on measures to prevent malfunction of distance protection Ⅲ due to AC voltage losing

CHEN Shuiyao1, 2, HUANG Shaofeng1, QIU Yutao3, YANG Songwei2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Maintenance Branch, Hangzhou 311232, China;3. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310007, China)

Distance protection III is backup protection of own line and adjacent line. Its action zone often has impedance offset characteristics. Because the PT breakage discriminating element will exit once the protection starts, the distance protection III of non-fault line will trip incorrectly when external fault occurs accompanied by AC voltage losing, even leading to all blackout of substation bus in serious case. To prevent malfunction of distance protection III, two measures are put forward based on voltage circuit and action characteristics: 1) DC power supply, reinitiated circuit and switch circuit of public voltage are all dual-designed which can avoid AC voltage losing from the source; 2) the impedance offset characteristics is opened conditionally according to the current value which improve the tolerance ability of distance protection III.

AC voltage losing; distance protection III; malfunction; impedance offset; dual-design

10.7667/PSPC152059

2015-11-25；

2016-02-20

陳水耀(1976－)，男，通信作者，博士生，高級工程師，從事繼電保護技術(shù)管理和檢修管理工作；E-mail：chen-shuiyao@sgcc.com.cn

黃少鋒(1958－)，男，博士生導師，長期從事繼電保護和故障分析的理論研究工作。