彭湃，程漢湘

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

距離保護(hù)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中扮演很重要的角色，廣泛應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)中，距離保護(hù)的核心元件是距離繼電器［1-2］，它是根據(jù)測(cè)量阻抗的大小來反映故障點(diǎn)的遠(yuǎn)近以決定是否發(fā)出跳閘信號(hào)［3-6］。對(duì)于高壓輸電線路，最常見的故障一般是單相接地故障，而接地電阻將會(huì)影響距離保護(hù)的測(cè)量阻抗，從而可能引起保護(hù)的超范圍動(dòng)作或使保護(hù)的范圍縮短，使得保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)［7-9］，鑒于此，已有一些工作者做了大量的研究，文獻(xiàn)［10］提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)距離保護(hù)具有更好的躲過渡電阻特性，文獻(xiàn)［11-12］采用自適應(yīng)的方法來消除接地電阻對(duì)距離保護(hù)的影響。正確地對(duì)距離保護(hù)進(jìn)行配置有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，進(jìn)而提高供電的質(zhì)量，所以有必要對(duì)距離保護(hù)進(jìn)行各方面的研究和分析。

PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)是一款電磁暫態(tài)軟件包，它由很多可視化模塊組成，具有較完善的模型庫，該軟件不僅可以用來分析電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程，而且也可以對(duì)一般的電力電子電路和繼電保護(hù)進(jìn)行有效的仿真應(yīng)用［13］，為繼電保護(hù)的研究提供良好的仿真分析平臺(tái)。

1 距離保護(hù)的原理及整定原則

距離保護(hù)相對(duì)電流、電壓保護(hù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其基本不會(huì)受電網(wǎng)接線方式和系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響。目前廣泛采用的是三段式距離保護(hù)，其系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 距離保護(hù)系統(tǒng)接線圖

如圖1所示，對(duì)于距離Ⅰ段，有保護(hù)1的第1段整定值為:

保護(hù)2的第1段整定值為:

但是對(duì)于距離Ⅱ段，有保護(hù)1的第2段整定值為:

對(duì)于距離Ⅲ段整定值的考慮與過電流保護(hù)相似，其啟動(dòng)阻抗要躲開電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的最小負(fù)荷阻抗來選擇。為了能更好地對(duì)距離保護(hù)的邏輯關(guān)系理解，給出了如圖2所示的三段式距離保護(hù)裝置的組成元件和邏輯框圖。其中Z1、Z2、Z3均為距離元件。

圖2 三段式距離保護(hù)裝置的組成元件和邏輯框圖

2 仿真模型的搭建

電力系統(tǒng)三段式距離保護(hù)采用如圖3所示的仿真模型。模型是由雙側(cè)電源分別經(jīng)過兩斷路器和輸電線路相連，在輸電線路之間加入一個(gè)三相故障源可以用來設(shè)置系統(tǒng)故障的類型和發(fā)生的起止時(shí)間，兩母線分別掛有負(fù)荷。

圖3 雙側(cè)電源的距離保護(hù)系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)通過測(cè)量保護(hù)線路的三相電壓和電流，經(jīng)過如圖4所示的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以將測(cè)量的電壓和電流進(jìn)行FFT變化，然后得到各序分量，最后求得測(cè)量阻抗實(shí)現(xiàn)三段式距離保護(hù)的正確動(dòng)作。

圖4 距離保護(hù)控制系統(tǒng)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 故障時(shí)的動(dòng)作特性仿真分析

將圖3所示的系統(tǒng)中的故障源設(shè)置成A相接地來進(jìn)行故障仿真分析，故障發(fā)生時(shí)間為0.2 s，持續(xù)時(shí)間0.1 s，得到測(cè)量點(diǎn)處的三相電壓和電流波形如圖5所示。

圖5 三相電壓和電流波形

可以看出，線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，將會(huì)對(duì)測(cè)量處的電壓和電流產(chǎn)生一定影響，故障在0.2 s發(fā)生，此時(shí)尤其對(duì)系統(tǒng)電流產(chǎn)生較大影響，使得電流急劇增加，從而使得控制系統(tǒng)中的測(cè)量阻抗在整定值范圍之內(nèi)，斷路器B1動(dòng)作而斷開，電流就會(huì)趨于0，但電壓影響不大。

3.2 影響距離保護(hù)因素的仿真分析

3.2.1 短路點(diǎn)過渡電阻對(duì)保護(hù)的影響

電力系統(tǒng)中的短路一般都不是金屬性的，而是在短路處存在過渡電阻，由于其存在，將會(huì)對(duì)輸電系統(tǒng)的測(cè)量阻抗產(chǎn)生影響，一般下會(huì)使得距離保護(hù)的保護(hù)范圍縮短，過渡電阻的大小也將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響。對(duì)如圖3所示的系統(tǒng)在故障源支路中使用不同電阻值來模擬過渡電阻，得到如圖6、7所示電壓和電流仿真波形。

由圖6、7可以看出，當(dāng)發(fā)生故障出現(xiàn)過渡電阻時(shí)，其會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響，且隨著電阻值的大小影響程度也會(huì)不一樣。當(dāng)電阻值為20 Ω時(shí)，對(duì)繼電保護(hù)影響不大，斷路器仍然在0.2 s故障發(fā)生時(shí)動(dòng)作，因而電流為0，而當(dāng)電阻值提高到25 Ω時(shí)，其已經(jīng)影響到測(cè)量電壓和電流了，從而對(duì)測(cè)量電阻產(chǎn)生了誤差而達(dá)不到動(dòng)作的范圍，導(dǎo)致斷路器不發(fā)生動(dòng)作，最終出現(xiàn)如圖7所示的電流波形。

圖6 過渡電阻R=20 Ω時(shí)的波形

圖7 過渡電阻R=25 Ω時(shí)的波形

3.2.2 輸電線路串聯(lián)電容對(duì)保護(hù)的影響

高壓輸電線路的串聯(lián)電容補(bǔ)償可以很大程度上縮短兩電力系統(tǒng)的電氣距離，雖然可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高傳輸容量，增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但也會(huì)對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生極為不利的影響，其影響的程度一般是由自身的電容值和安裝的位置有關(guān)。故障時(shí)間仍舊為0.2 s對(duì)于不同電容值其仿真波形如圖8、9所示。

圖8 串聯(lián)電容為55 μF時(shí)電壓和電流

由圖8、9可以看出，當(dāng)輸電線路串聯(lián)電容時(shí)電壓和電流都會(huì)受到影響，且主要表現(xiàn)為對(duì)電壓的影響，是因?yàn)槠溲a(bǔ)償系統(tǒng)無從而來影響電壓的穩(wěn)定。當(dāng)電容值為55 μF時(shí)，距離保護(hù)還能夠正常動(dòng)作于線路故障，使得斷路器在0.2 s動(dòng)作，所以會(huì)出現(xiàn)電流為0的情況，而當(dāng)電容值提高到60 μF時(shí)，測(cè)量阻抗已經(jīng)達(dá)到其整定動(dòng)作的范圍，故而斷路器還沒等到故障就已經(jīng)動(dòng)作了，電流提前降為0，同時(shí)電壓也受到了很大的影響。

圖9 串聯(lián)電容為60 μF時(shí)電壓和電流

4 結(jié)束語

(1)利用PSCAD搭建了電力系統(tǒng)距離保護(hù)雙側(cè)電源模型，能很好地對(duì)發(fā)生故障時(shí)測(cè)量點(diǎn)的電壓和電流進(jìn)行仿真分析，從而能夠更加深入地理解距離保護(hù)，為距離保護(hù)的測(cè)量控制系統(tǒng)算法的研究提供了很好的平臺(tái)。

(2)過渡電阻以及輸電線路串聯(lián)電容等都會(huì)一定程度影響到輸電線路上測(cè)量電壓和電流，從而降低距離保護(hù)系統(tǒng)的正確動(dòng)作率，對(duì)于電容器既要考慮到它可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸電系統(tǒng)的傳輸容量，同時(shí)也要看到其對(duì)繼電保護(hù)的不利影響，要綜合考慮各方面因素。

(3)距離保護(hù)的合理配置對(duì)提高電力系統(tǒng)的可靠性、靈敏性、速動(dòng)性有著很重要的意義，使得繼電保護(hù)系統(tǒng)更加完善，將會(huì)推動(dòng)智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展。

［1］賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2004.

［2］朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理與技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

［3］司大軍，束洪春，陳學(xué)允.一種新的相間行波距離保護(hù)方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(11):41-44.

［4］HA HENGXU，ZHANG BAOHUI.Study on reactance relays for single phase to earth fault on EHV transmission lines［C］∥2004 Intematlonal Conference on Power System Technology.Singapore:［s.n.］，2004:1-5.

［5］蔣科，呂飛鵬，郭亮，等.基于感受阻抗的相間距離保護(hù)整定計(jì)算方法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(13):129-133.

［6］鄒亮，李慶民，劉洪順，等.計(jì)及故障限流器和故障過渡電阻的接地距離保護(hù)補(bǔ)償算法［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29(3):56-60.

［7］RADOJEVIC ZORAN M，TERZIJA VLADIMIR V，DJURIC MILENKOB.Numerical algorithm for overhead lines arcing faults detection and distance and directional protection［J］.IEEE Trans on Power Delivery，2000，15(1):31-37.

［8］張舉，李志雷，王興國(guó)，等.一種基于加速阻抗圓的無信道保護(hù)方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(2):75-79.

［9］賀家李，李永麗，董新洲，等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.

［10］李風(fēng)光.距離保護(hù)躲過渡電阻能力研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(8):124-127.

［11］沈冰，何奔騰，張武軍.新型自適應(yīng)繼電器［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(7):39-44.

［12］李巖，陳德樹，尹項(xiàng)根，等.新型自適應(yīng)姆歐繼電器的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(1):80-83.

［13］許烽，翁華，徐政，等.基于PSCAD/EMTDC的大規(guī)模交直流系統(tǒng)快速建模及有效性分析［J］.高電壓技術(shù)，2013，39(11):2762-2772.