基于距离保护的输电线路继电保护设计研究

基于距离保护的输电线路继电保护设计研究

李富龙

大唐哈尔滨第一热电厂  黑龙江省哈尔滨市150078

摘要：电力系统的复杂性和多样性与日俱增，覆盖的范围也在增大。目前电力系统逐渐向大规模供电容量、跨区域传输、高电压等级和直流输电领域靠拢，因此对所配置的继电保护设施要求更加严格和规范。电网中，继电保护系统的设计与配置问题直接影响其安全运行。若保护方法设计或结构不合理，则保护装置会产生误动或拒动，使事故范围进一步增大，电力品质下降，对国民经济造成影响，甚至会引起人员及设备等安全事故的发生。

关键词：输电线；路继电保护；设计

一、研究背景

输电线路继电保护是针对输电线路系统故障以及异常情况做出的用以保护系统的措施。当部分系统发生故障时，继电保护会迅速将故障点从故障系统中切除，以保证更多设备的安全和剩余系统的稳定运行。继电保护发展历程。继电保护技术是伴随着电力系统发展应运而生并且不断进步。100多年前出现一次式继电器，之后出现二次式继电器，正式开始了继电保护技术的发展历程。随着感应型电流继电器、高频载波保护装置等诸多技术和设备得到应用,整个继电保护技术得到快速进步和发展。近20年来，光纤通道的继电保护技术出现，得到广泛应用，随着相关材料、结构、工艺技术的发展，继电保护装置同样飞速发展。

二、输电线路继电保护设计

基于上述背景，分析如何去设计这种输电线路的继电保护装置和关键点，且根据110kV 输电线路的保护与距离保护原理分析做好其继电保护的整定计算。

1、110kV 线路保护和距离保护的原理。我国110kV 及以上电压等级的电力系统单相短路的概率最高，二相接地短路次之。采用零序电流保护、接地距离保护等方法可达到接地故障的要求。三相短路不接地故障的概率较低，三相短路基本不会接地，而采用相间距离保护能有效地切断故障。输电线路的失效无非是绝缘下降、雷击、外力损坏等 。我国110kV 输电线路由于避雷线的存在，其接地电阻一般都在52以下，而单相高电阻接地多是由于枝条的生长引起的，由于采用零序过流的备用保护，使其在地面上的接地电阻通常较高，从而使其发生故障。利用零序电流进行接地保护，可取得良好的接地效果，而使用阻抗式继电器来解决变压器之间的短路问题。随着机械设备的发展，计算机的应用范围越来越广，其新特点是集后备和主保护于一体，二次配线的简化，通过扩充通讯功能，实现监控、运行保护装置、自检、故障定位、报警等重要功能，进而推动继电器保护的数字化发展。

2、110kV 线路保护整定计算

该设备是由两个四边形相间、接地距离继电器和三相间接地距离继电器组成。介绍采用正序极化法进行Ⅰ、Ⅱ段继电器的故障转换电阻的良好保护；并在此基础上，使阻抗特性发生变化，朝向第一象限移动，有利于转换电阻的测定，为避免继电器在发生接地故障时发生跳闸，该继电器具有零序电抗特征。在正序极化电压的变化下，电流通过不同的距离继电器。

（1）短路时母线的残压计算。通常情况下，保护器的安装部位为母线，对这里及短路部位的阻抗值进行测量，并与整体阻抗进行对比判断是否工作，这对阻抗的保护同样起着很大的影响，公式为 ：Zj=Uj/Ij。                

如图所示，在线路上的所谓汇流故障相位电压下降，加上各个故障点位置 的 相电压Ukφ ：Uφ=Ukφ+I1Z1+I2Z2+I0Z0+I0Z1-I0Z1=Ukφ+（Iφ+K3I0）Z1，式中的零序电流补偿系数为 ：K=（Z0-Z1）/3Z1，在传输线失效时，从保护器的位置至短路点的电压下降：U=（Iφ+K3I0）Z1，在母线的位置计算相间故障电压公式为 ：Uφ=Ukφφ+IφφZ1，此时 IφφZ1则表示线路电压降变换后的值，求解本式是按照 U=（Iφ+K3I0）Z1各自获得的失效相位电压，然后再进行相间电压的计算。而作为通用的剩余压力计算公式，可计算任何故障类型、任何相、任意相间的电压。

（2）接地距离继电器

本次从零序电抗和正序电压极化方向的阻抗继电器两个方面进行介绍。零序电抗继电器的极化电压分别为U0Pφ=Uφ-（Iφ+K×3I0）×ZZD、UPφ=-I0×ZDZZD，其中的 ZZD 表示模拟阻抗。比相方程为 ：

根据 Iφ 和 I0属于同向性，A 的倾角是不一样的，而直线 A 在相位上的倾角是 Iφ+K×3I0。在这一点上相对于 I0差异进行分析，相反其与 R轴是互相平行的。并且在与过渡电阻电压降相等的情况下，会发生线性 A 及其阻抗彼此平行的情况，所以该特性具有自适应的特点。如果二者都有相位，那么零序电抗的特征倾角就会降低12°，此时则会变现为78°，也不会出现超越的现象。

3、距离保护与零序电流保护整定计算

（1）距离保护整定计算。当前，已知的第一条线 L1相关的最大容量是180MVA，最小容量是120MVA，在 AB 线上最大传输功率是10MW，功率因数是0.85，长度是30km，阻抗是0.40Ω/km，那么对各种方式运行下的阻抗进行计算，取系统的平均电压 U=115kV，可以得到 ：Zs.max=U2/Smin=1152/120=110.2Ω，由于该方法的敏感性计算与预计的结果不符，故选择0.48kA 的操作电流进行检验，计算灵敏度为如下公式 ：

通过计算得到其数值满足要求，动作时间取值为2s，根据以上的整定计算可以得到满足系统过电流继电保护的要求，在动作期间需要按照阶梯原则处理。

（2）零序电流保护的整定计算原理。需要注意的是，110kV 输电线路的电压等级为大容量的电力系统，当电力系统发生接地失效时，将产生零序分量，而由零序成分组成的零序保护。这种方法在某些接地系统中起到了很好的防护作用。整定计算。整定计算输电线路的零序电流保护如下公式 ：

其中 ：I0.max 表示流过保护的最大零序电流，Krel表示为可靠系数，本次取值为1.2～1.3。II0.oper=Krel3I0.ust，其中的取值为1.1～1.2 ；I0.ust 表示在不同时期重合闸期间的最大零序电流。I`0.dz=K`K3 I0.bt=1.2×3×4.6=16.56kA因此本次零序电流的最终整定计算值为16.56kA。

三、输电线路继电保护技术

1、主保护包含行波暂态保护和微分欠压保护两种。对于高压直流输电线故障后的保护措施，目前采用的有ABB和西门子两种保护方案。这两种方案是在线路出现故障时，分别采用极波检测和电压微分的方式来对故障反映的反行波做出判断，从而对线路做出相应的保护措施。行波保护在直流输电线路中可靠性好，不存在动作死点。微分欠压保护也是线路主保护的一种，通过电压、电流的微分以及电压幅值水平，即是否欠压来作为判断依据。

2、后备保护。后备保护包含低电压保护、纵连差动保护。低电压保护，是在电压的变化率和线路电压值超过设定值时，保护动作。纵联差动保护比较来自整流站和逆变站的直流电流，如果两站电流差值超过设定值，则保护动作，主要反映的是高阻线路故障，不过，纵连差动保护通常动作速度较慢。

随着科学技术的不断进步，超高压、特高压直流输电线路中的继电保护同样会面临着一系列的挑战。随着大数据人工智能、新技术不断涌现，微电子技术、信息技术等的不断创新发展，使得继电保护技术有更为可靠的技术支撑，继电保护技术将向更高技术程度发展。

参考文献

[1] 宋国兵,高淑萍,蔡新雷,张健康.输电线路继电保护技术综述[J].电力系统自动化,2019,36(22):123-129.

[2] 郑小江,姚刚,吴通华,洪丰.综述输电线路继电保护技术的应用[J].电子技术与软件工程,2019(24):212.