工频变化量距离保护检验

代家鹏，刘颂华

(云南电网公司电力教育中心，昆明 650204)

1 前言

220 kV及以上输电线路，由于稳定性问题突出，对线路保护的快速性提出很高的要求:即在全线路范围内故障要实现全线速动，保护动作延时控制在20～40 ms以内。线路纵联保护利用通道传送两端的故障信息，可以实现全线速动。但对系统稳定影响较大的线路出口附近故障，纵联保护由于通道中的发信或停信控制环节，必然使保护带有一定的延时，不可能很快。设置独立于通道的超高速独立跳闸保护来解决这个问题，是继电保护发展的一个重要方向。不同厂家的快速独立主保护原理一般不同，调试方法也与传统方法相差较大，利用故障分量原理构成的工频变化量距离保护就是这样的超高速保护。

2 工频变化量距离保护原理

电力系统发生短路故障时，其短路电流、电压可分解为故障前负荷状态的电流、电压分量和故障分量，反应工频变化量的继电器只考虑故障分量，不受负荷状态的影响。故障分量的两个主要特征:一是故障点的电压故障分量最大，系统中性点为零。由故障分量构成的方向元件可以消除电压死区。二是保护安装处的电压故障分量与电流故障分量间的相位关系由保护至背后 (面对故障点的背后)系统中性点间的阻抗决定，不受系统电动势和短路点过渡电阻的影响，按其原理构成的阻抗元件动作范围和方向性明确。

阻抗元件是距离保护的核心元件，它不仅能测量故障点到保护安装处的距离还能反映故障点的方向。为了获得各种不同动作特性的阻抗元件，常选用不同的极化电压与工作电压进行比相。为正确区分区内、区外和反向故障状态，工作电压一般取为线路保护范围末端的电压△Uop=△U－△IZset，其在正常运行时表示保护末端的线路工作电压;在区内故障时它并不对应系统中任何真实点电压，仅表示保护安装处电压变化量△U与电流化量△I在模拟阻抗Zset上压降之差。极化电压△EK取故障点故障前的工作电压记忆值，其幅值与相位要保证在任何故障情况下基本不变。

图1 正方向故障工频变化量电气量示意图

由图1可得，正方向保护范围内故障，保护安装处的工频故障分量电流、电压可以分别表示为:

取工频故障分量距离元件的工作电压为:

其动作方程为:

正方向区内故障时上述方程式满足动作要求。实际上的距离元件为了加快保护动作速度，并不去计算ZK的大小，而是通过比较工作电压与极化电压幅值大小来实现的。

对接地故障工作电压为:

对于相间故障工作电压为:

在微机保护中用半周绝对值积分算法实现快速动作的过程是:首先去掉负荷分量Uop.lod然后在半个周期内积分直到电压变化量大于整定电压Uset。即满足方程式:

其中:ω =2πf=314 rad。

在计算过程中，并不需要积累半个工频周期的数据，而是在计算过程中不断对上式进行判别，只要积分值一达到Uset，阻抗元件就处于动作状态。这样，当在保护安装处故障时，因有较大值，上式中积分较短时间就可以达到定值Uset，从而继电器有很快的动作速度，一般出口故障时，动作时间小于5 ms。其它位置故障动作时间小于15 ms。这个时间远小于纵联保护的通道配合时间15～25 ms，从原理上保证了动作的快速性。

3 工频变化量距离保护定值检验

3.1 试验参数计算和设置

工频变化量距离保护的定值与接地、相间距离Ⅰ段定值相同，考虑互感器的误差，一般取线路全长阻抗的80%～85%。在做定值检验时，传统距离保护的试验方法是固定电流值，调整电压大小以检验动作阻抗:即接地故障按Uφ=m(1+K)IZset，相间故障按 Uφφ=m2IZset设置电压。当m为0.95时，加入的故障参数应使保护动作;当m为1.05时，加入的故障参数应使保护不动作。由于工频变化量距离保护的阻抗特性边界受电源侧等值阻抗Zs的影响，所以不能用此方法进行检验，而应结合其动作原理，将其视为由电流变化量ΔI构成的过压继电器进行测试。在检验时输入参数既要形成故障分量的电流和电压，也要扣除负荷分量。由于故障前短路点的位置不可预知，因此也无法确定故障前短路点电压，但正常运行时整个线路电压变化不大，可将整定电压取为1.05UN，动作方程可等价为。可得，m 为可靠动作系数，当m=1.1倍时，保护动作，当m=0.9倍时，保护不动作，根据动作方程 (1)推导出短路电压为:

何泽倒腾苗木有几手，在乡里还有三百多亩的苗木基地，有时候还开展一些黄杨、紫檀、红栗木等较贵重木材的收集贩卖，免不了和李站长打交道，一来二去都熟了，很多方面也都互相照应着点。

设故障前线路空载，即负荷电流Iloa为零，则上式简化为:

以上计算表明工频变化量距离保护定值校验时也可采用电流恒定计算模式，通过设置短路电流和整定阻抗，按m的取值计算出短路电压即可校验阻抗定值。

接地故障时，Uφ为故障相电压，非故障相电压保持正常，Iφ为故障相电流，电流滞后电压角度为线路阻抗角 (设为90°)。加适当故障相电流I。例如某线路工频变化量距离保护整定阻抗为5 Ω，零序补偿系数0.667。取故障电流为5 A，则计算电压为:

Uφ=(1+0.667)*5*5+(1－m1.05)*57.74=41.67+57.74－m60.63=99.41－ m60.63

当m取1.1时，电压为32.72 V。设置故障状态参数为 Ua=32.72∠0°V，Ub=57.74∠ －120°V，Uc=57.74∠120°V;Ia=5∠ －90°A，Ib=Ic=0。故障持续时间为30 ms，保护应动作。

当m取0.9时，电压为44.85 V，设置故障状态参数为 Ua=44.85∠0°V，Ub=57.74∠ －120°V，Uc=57.74∠120°V;Ia=5∠ －90°A，Ib=Ic=0。故障持续时间为30 ms，保护不动作。

相间故障时，Uφφ为故障相间电压，非故障相电压不变，Iφφ为故障相间电流，线电流滞后故障相间电压角度为线路阻抗角 (设为90°)。加适当故障相电流Iφ。取故障相电流为5 A，两相电流相位相反，按上例计算BC相间故障电压为:

当m取1.1时，电压为34.5 V，此电压为相间电压，试验时要按相电压设置，一种方法是固定故障相间电压相位为120°，则Uφ=Uφφ/1.73=34.5/1.73=19.9 V，设置故障状态参数为Ua=57.74∠0°V，Ub=19.9∠ －120°V，Uc=19.9∠120°V;Ia=0，Ib=5∠180°A，Ic=5∠0°A，即Ubc=34.5∠270°V，Ibc=10∠180°A，故障持续时间为30 ms，保护应动作。

当m取0.9时，电压为55.5 V，设置故障状态参数为Ua=57.74∠0°V，Ub=55.5/1.73=32∠－120°V，Uc=32∠120°V;Ia=0，Ib=5∠180°A，Ic=5∠0°A，故障持续时间为30 ms，保护应不动作。

更简便一点的方法是设置两故障相电压相位相反，大小为Uφ=Uφφ/2=34.5/2=17.25 V，此时对应的BC相间测量阻抗应满足要求。但这种方式将会产生零序电压与实际短路故障不同，检验中非故障相电压相位改变会影响保护的动作结果，不能真实地模拟故障状态。试验中要控制非故障相电压与故障线电压之间的相位在－150°～40°之间，以减小零序分量对保护动作的影响。从上述检验过程来看，工频变化量距离保护在m取1.1倍时的电压值低于边界电压，保护动作，m取0.9倍时的电压值大于边界电压，保护不动作。因此该保护在原理上还是属于欠量保护的范畴。检验中，当整定阻抗Zset很小且设置短路电流为额定值时，计算出的短路电压可能出现负值，此时应提高短路电流，使电压不为负值或很小，以保证保护的方向性和阻抗计算的精确性。此时更能真实地模拟保护出口处短路情况，保护能快速动作。

3.2 试验原理分析

下面我们从故障分析入手说明工频变化量距离保护的定值检验原理，按《电力系统继电保护规定汇编》中的规定，距离保护遵循“在整定值10%偏差校验”，并保证一定的灵敏度。

考虑到金属故障且故障点处5%暂态误差的影响，上述门坎电压取为105%UN，由图1可知区内故障时故障点电压有等式:

当m取1.0，故障点恰好位于保护范围末端，即Zset=ZK;当m取1.1，在保护范围内故障，即Zset＞ZK;当m取0.9，在保护范围外内故障，即Zset＜ZK。

整理上式得:

化简有:

单相接地测量阻抗:

相间短路测量阻抗:

故障时测量阻抗范围如表1。

表1 故障时测量阻抗范围

表中测量阻抗表明:工频变化量距离保护用1.1倍和0.9倍故障参数检验定值的方法，实际的测量阻抗远远偏离整定值，并且测量阻抗有时已超越线路全长。对于单相接地故障，测量阻抗已达0.86倍和1.15倍整定阻抗、0.73倍和0.97倍线路阻抗;对于相间短路故障，测量阻抗已达0.79倍和1.21倍整定阻抗、0.67倍和1.03倍线路阻抗。不能可靠校验出整定阻抗附近的动作情况，更不能满足传统所遵循的“在整定值10%偏差校验”的规定。从试验数据来看，测量阻抗值缺乏一致性，说明工频变化量距离保护定点校验的方法存在较大离散性。其实校验定值时应按m=1.0设置参数，但保护又不一定能动作。试验中能叠加一定的非周期分量模拟保护的实际工作状态，效果稍好一些。因此，在校验时应该使用继电保护试验仪，逐一找出故障电压的边界值，以此值为准进行10%误差的考核，上述1.1倍和0.9倍的检验方法只是简单地保证在定值附近可靠地动作和不动作的情况，并非传统意义的距离保护定值检验。检验中我们虽然没有真正测出了保护的整定值，但考虑该保护主要反映故障暂态分量，测试仪不能如实模拟，因此带来了一些离散性，线路故障时它是能保证应有灵敏度的。

4 应注意的问题

工频变化量距离保护作为保护装置的快速动作段，其主要作用是线路出口故障时，保护能快速动作，以减小对系统稳定的影响，其保护范围整定线路全长的80～85%。实际上在程序编写过程中，为克服系统振荡、计算误差的影响，从提高可靠性的角度出发，在动作方程中使用了浮动门槛，取值超出5%，由于动作门槛的提高，在同样m的取值下，测量阻抗减小，保护动作速度必然加快，体现了快速保护的特点。由此带来了保护范围缩小的缺点，可由保护线路全长80%左右的稳态距离I段或纵联保护来弥补。

工频变化量距离保护的动作速度很快，这是它的一个突出优点。由动作方程可知，当保护背后电源的运行方式越大 (即ZS越小)，而本线路越长时 (此时保护整定阻抗越大，保护范围末端离保护安装处越远)，出口短路动作速度越快。这说明工频变化量距离保护用于大电源侧不存在问题。当用于小电源侧 (即ZS过大)或超短线路 (3公里以下)时，工频变化量距离保护灵敏度会降低。因为对于短线路，稳态距离I段和工频变化量距离保护都难以整定保护范围，所以现场一般是将其退出运行。

线路末端断路器因故跳闸，线路空载运行，在“容升效应”的作用下，线路末端电压会大幅度升高，由于工频变化量距离保护的动作量ΔUop反映的是保护范围末端的电压。所以保护范围末端电压升高将造成该保护误动，此时在装置里设置了整定阻抗值很大的全阻抗元件进行闭锁，在上述情况下，流过保护的电流只是本线路狠下的电容电流，全阻抗元件不动作，工频变化量距离保护就不会误动。

图2 功率倒向示意图

在环网或平行线路上发生短路后会出现功率倒向问题，如图2所示，L2线路3号保护出口发生短路，在非故障线路L1中短路电流由N端流向M端 (图中实线所示)，L1线路1号保护判断为反方向短路，综合比较两端方向元件动作行为满足非故障线路特征，所以两端保护都不误动。故障应由L2线路的保护切除，如果L2线路两侧均投入工频变化量距离保护或者3、4号断路器跳闸时间不能完全一致。例如3号保护中的工频变化量距离保护超高速 (4 ms)发出跳闸命令，在3号断路器快速跳开后，4号断路器尚未跳开期间，L1线路中的短路功率是从M端流向N端(图中虚线所示)，与3号断路器跳开前功率流向相反，产生功率倒向。L1线路1号保护方向判别要从反变正;2号保护方向判别要从正变反，存在两端方向元件动作速度的“竞赛”问题。严重情况是1号保护从反变正动作速度快于2号保护从正变反，例如1号保护中的工频变化量距离保护快速动作，2号保护中的正方向元件延迟返回，则在短暂的时间内L1线路两端的保护均判断为正方向故障，则L1线路两端纵联保护误动作。虽然保护装置采取了反方向元件优先动作并闭锁正方向元件和纵联保护40 ms内不动作再次动作要加上25 ms的延时等措施来解决功率倒向问题。这是针对正、反方向元件动作速度不一致而导致纵联保护误动的有效措施。其中并没有考虑到工频变化量距离保护的超高速动作行为，如果故障时该保护快速动作切除故障时间小于40 ms，则仍然会导致纵联保护误动。现实的解决方法是在平行双回线中，线路两端保护装置中的工频变化量距离保护退出运行，以免造成纵联保护误动。

5 结束语

工频变化量距离保护是一套不依赖通道的超高速保护，是全线速动纵联保护的有益补充，其原理有别于传统的距离保护，主要用于快速切除保护出口处的故障;其定值检验的方法也有别于传统距离保护的动作边界搜索，只是在整定值附近做一个可靠动作的值和一个可靠不动作的值以代替定值检验，试验中存在较大的离散性，但并不影响验证其保护范围。在特殊结构的线路上使用工频变化量距离保护，要根据运行方式注意合理投退，既发挥其快速动作的特点，又要防止其导致其它保护误动或本身灵敏度降低的缺点。

［1］国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材(上、下册)［M］，中国电力出版社，2009.

［2］南京南瑞继保电气有限公司.RCS－900系列超高压线路成套保护装置技术和使用说明书［Z］.

［3］韩笑，等.电网微机保护测试技术 ［M］.中国水力水电出版社，2005.

［4］国家电力调度通信中心.电力系统继电保护规定汇编［M］.北京:中国电力出版社，2000，5.