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)

摘要: 介绍了工频变化量距离保护的基本原理，着重阐述其动作的快速性，对保护定值的校验方法进行了比较说明和分 析，指出其存在的不足之处，最后说明了工频变化量距离保护在使用时应注意的问题。 关键词: 工频变化量距离保护; 定值校验; 功率倒向 中图分类号: TM56 文献标识码: B 文章编号: 1006 －7345 ( 2014) 增刊－0044 －04

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。

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△ U op = △ U － 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

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

△ IZ set ，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 Z set 上压降之差。极化电 压△ E K 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:

式中: Z set ———为保护的整定阻抗其动作方 程为:

也就是 ( 2)

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 Z K 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 U op. lod 然后

在半个周期内积分直到电压变化量大于整定电压 U set 。即满足方程式:

其中: ω = 2π f = 314 rad。

在计算过程中，并不需要积累半个工频周期

Δ U op ≥ 1. 05 U N 。可得 Δ U op = m 1. 05 U N ， 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:

相间故障:

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 U set ，阻抗元件就处于动作 状

态。这样，当在保护安装处故障时，因 Δ U op 有

较大值，上式中积分较短时间就可以达到定值 U set ，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 U φ = m ( 1

设故障前线路空载，即负荷电流 I lo 为零，则上式 简化为: a

接地故障:

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Δ I 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

• K ) IZ set ，相间故障按 U φφ = m 2 IZ set 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

U φφ = 2 I φφ Z set + ( 1 － m 1. 05) 槡3 U N 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， U φ 为故障相电压，非故障相电 压保持正常， I φ 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:

U φ = ( 1 + 0. 667 ) * 5 * 5 + ( 1 － m 1. 05 ) *

57. 74 = 41. 67 + 57. 74 － m 60. 63 = 99. 41

－ m 60. 63

当 m 取1. 1 时，电压为32. 72 V。设置 故障状态参数为 U a = 32. 72 ∠0° V， U b = 57. 74 ∠ －120° V， U c = 57. 74 ∠120° V; I a = 5 ∠ －90° A， I b = I c = 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 U a = 44. 85 ∠0° V， U b = 57. 74 ∠ －120° V， U c = 57. 74 ∠120° V; I a = 5 ∠ －90° A， I b = I c = 0。故障持续时间为30 ms，保护不动 作。

第42 卷

云南电力技术

2014 年增刊

相间故障时， U φφ 为故障相间电压，非故障相 电压不变， I φφ 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 I φ 。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:

100 = 50 +

100 － m 105 = 150 － m 105 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 U φ = U φφ /1. 73 =

34. 5 /1. 73 = 19. 9 V，设置故障状态参数为 U a = 57. 74∠0° V， U b = 19. 9 ∠ －120° V， U c = 19. 9 ∠120° V; I a = 0， I b = 5 ∠180° A， I c = 5 ∠0° A， 即 U bc = 34. 5∠270° V， I bc = 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 U a = 57. 74 ∠0° V， U b = 55. 5 /1. 73 = 32

∠ －120° V， U c = 32 ∠120° V; I a = 0， I b = 5 ∠180° A， I c = 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 U φ = U φφ /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

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:

IZ set + ( 1 －105% m ) U N = IZ K －5% U N 当 m 取1. 0，故障点恰好位于保护范围末 端，即 Z set = Z K ; 当 m 取1. 1，在保护范围 内故障，即 Z set ＞ Z K ; 当 m 取0. 9，在保护范围 外内故障，即 Z set ＜ Z K 。

整理上式得:

单相接地测量阻抗:

相间短路测量阻抗:

Z K = Z set + 105% ( 1 － m ) U N /2 I 故障时测量阻抗范围如表1。

表1 故障时测量阻抗范围

故障类型	m		_Z_K	ZK/	Zset ZK	/ZL
单相接地	1. 0.	1 9	4. 5.	3 0. 73 1.	86 0. 15 0.	73 97
相间短路	1.	1	3.	95 0.	79 0.	67
	0.	9	6.	05 1.	21 1.	03
注: 式中	_Z_set	= 5.	0 Ω	，I= 5. 0	A，K= 0.	667，
	_Z_L	= _Z_set	/85%	= 5. 88	Ω

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。