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高壓線路保護故障測距工程應用分析

輸電線路發(fā)生故障后，繼電保護裝置將切除故障線路，同時需做到快速查找故障點，及時恢復供電。快速、準確定位故障能有效縮短故障修復時間，并減輕巡線負擔，提高供電可靠性。由此，準確故障測距一直受到電網(wǎng)運行管理部門和專家學者的普遍關注[1]。而繼電保護裝置要求其具有實時特性，主要任務是切除發(fā)生在保護區(qū)內(nèi)的故障，因而較難給出精確的故障定位。因此需要安裝故障測距裝置，利用線路故障前、后的電壓、電流波形，在離線方式下采用行波測距法精確地確定故障點，以便檢修人員進行搶修。

繼電保護常采用故障分析法進行測距，其中又分為單端量法和雙端量法，單端量法在大多數(shù)情況下無法消除對側(cè)系統(tǒng)以及過渡電阻的影響，因此測距精度不能得到有效保障[2]。近年來，隨著光纖通信技術和全球定位系統(tǒng)的快速發(fā)展，雙端量法測距受到業(yè)界的廣泛關注。雙端量法可從原理上消除過渡電阻和運行方式的影響，具有很好的發(fā)展與應用前景[3]。通過新疆電網(wǎng)一起220 kV線路接地短路故障后，高頻距離保護在遠故障端測距誤差較大，由此對比了雙端量和單端量測距的精度，并對高頻距離保護和光纖差動保護配合時產(chǎn)生的測距問題做了詳細分析，對此類事故分析具有一定的參考。

1微機保護裝置故障測距介紹

1.1　雙端量法測距

圖1　雙端系統(tǒng)圖

由圖1所示的雙端系統(tǒng)圖可知，能夠利用基于兩側(cè)各相電流、電壓量的測距公式如下：

(1)

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)，消去RF可求出由M端到故障點的距離DMF為

(3)

式(3)中：Z為單位距離阻抗；DL為線路全長?？梢婋p端測距不受過渡電阻的影響，也不受零序網(wǎng)絡的影響，式中電流量已正確進行電容電流補償。

1.2　單端法測距

表1　阻抗繼電器輸入電壓和電流即能正確測距的故障

表1中k為零序電流補償系數(shù)，k=(Z0-Z1)/(3×Z1)，其中Z0為線路零序電抗，Z1為線路正序電抗。

2事件分析

1)保護動作情況：2015年5月1日10時54分， 220 kV 2276號線發(fā)生C相接地故障，兩側(cè)保護動作情況如表2所示。

圖2和圖3為兩側(cè)變電站故障錄波器錄波。

2)測距情況：根據(jù)實際巡線，故障位置在距M變電站側(cè)61.5 km處，圖4為故障線路示意圖。

表2　兩側(cè)保護動作情況

圖2　M變電站側(cè)故障錄波圖

圖3　N變電站側(cè)故障錄波圖

根據(jù)圖4，在此對兩側(cè)保護動作行為進行分析：

1) 光纖電流差動保護和縱聯(lián)距離保護，對于區(qū)內(nèi)金屬性故障兩側(cè)可同時動作；

2) 距離快速段保護主要確保近端故障可以快速切除，因此此次故障過程中僅近故障端的M變電站距離快速段動作；

圖4　故障線路示意圖

3) 后備距離Ⅰ段保護，在故障測量阻抗落入70%距離Ⅰ段整定動作區(qū)時可以保證30 ms出口。實際距離Ⅰ段按照70%ZL整定，故障點在靠近M變電站側(cè)37.5%ZL處，M變電站側(cè)距離Ⅰ段可滿足30 ms出口要求，而N變電站側(cè)距離Ⅰ段動作時間超過30 ms。

3故障測距計算

由故障線路信息可知：

線路全長164 km；零序阻抗：R0=18.42 Ω，X0=150.8 Ω，Z0=151.920 8 Ω，角度83°；正序阻抗：R1=8.348 Ω，X1=53.35 Ω，Z1=53.999 2 Ω，角度81°。M變電站側(cè)CT變比為1200/1，N變電站側(cè)CT變比為800/1。

可得，M變電站側(cè)線路正序電抗為：29.10 Ω，N變電站側(cè)線路正序電抗為：19.40 Ω。

3.1　M變電站側(cè)測距計算

采用理論測距驗證計算時可使用故障錄波器的波形；但由于故障錄波器的采樣頻率及濾波的特性與保護裝置的有較大區(qū)別，同時保護裝置在進行測距計算時，進行了參數(shù)修正及濾波加窗處理，因此，通過故障錄波器的數(shù)據(jù)計算結果只能做定性的參考分析，采用表1中三相阻抗繼電器計算公式，在圖2故障錄波中對高頻保護動作后20 ms數(shù)據(jù)窗進行理論計算，得出距離保護動作后的阻抗分析如圖5所示。

計算結果為

Zc=R+jX=2.99+j11.30 Ω

(5)

可得，故障點距M變電站側(cè)計算距離值為

(6)

計算距離為63.68 km，比高頻保護測距值(64.58 km)誤差較小，原因是高頻保護裝置測距是在高頻保護動作后10 ms進行，計算采用數(shù)據(jù)窗如圖2所示，計算過程中故障已切除(光差保護先動作)，只有半個周波，因此B套高頻保護裝置計算誤差較大。

圖5　M變電站側(cè)側(cè)阻抗分析圖

3.2　N變電站側(cè)高頻保護測距分析

由表2中動作時序可知，A套差動保護9 ms動作，B套縱聯(lián)距離28 ms動作，距離Ⅰ段35 ms動作，B套高頻保護測距在縱聯(lián)距離動作后10 ms。由圖3故障錄波高頻保護裝置的計算采用數(shù)據(jù)窗可看出，B套高頻保護開始測距時開關已跳開，故障電流已消失，測距數(shù)據(jù)跨窗，已無實際測量意義。

由于縱聯(lián)距離保護自身原理特性決定，縱聯(lián)距離保護動作較光纖差動保護慢，高阻接地故障時會更慢，測距問題也就會更加突出。

3.3　N變電站側(cè)測距計算

由于N變電站側(cè)高頻保護已無法準確測距，在此，可通過故障錄波理論計算，對圖3中線路故障相電壓、電流進行頻譜分析，如圖6所示，得出如下主要結論：

1)線路故障后0~20 ms，C相電壓含有3次以上的高頻諧波，故障后20~40 ms，C相電壓諧波含量明顯降低；

2)線路故障后0~20 ms，C相電流諧波較故障后20~40 ms也有所減少；

網(wǎng)絡空間主權理念下，網(wǎng)絡恐怖主義這一非傳統(tǒng)領域的安全威脅構成對本國主權的侵犯，對國家安全產(chǎn)生嚴重影響，才能迫使國家積極主動對外尋求合作防范網(wǎng)絡恐怖主義的襲擊。同時各國在行使網(wǎng)絡空間主權時應秉承互相尊重的理念，防止借網(wǎng)絡反恐之名干涉別國內(nèi)政。明確網(wǎng)絡空間主權，也使得各國打擊網(wǎng)絡恐怖主義有了明確的分工，有助于建立和平安全有序的網(wǎng)絡格局。我國政府對網(wǎng)絡主權非常重視，在《國家安全法》和《網(wǎng)絡安全法》中均確立了“網(wǎng)絡空間主權”的概念，表達了我國捍衛(wèi)網(wǎng)絡空間主權、積極開展國際合作的態(tài)度和立場。

3)由于諧波對測距精度影響較大，因此，測距一般在保護動作后，斷路器斷開前比較穩(wěn)定的一個周波取數(shù)據(jù)窗進行計算。

按照上述分析，對圖3中理論計算數(shù)據(jù)窗(故障后20~40 ms)，采用表1中三相阻抗繼電器計算公式計算，阻抗分析如圖7所示。

計算結果為

Zc=R+jX=4.54+j12.01 Ω

(7)

可得，故障點距N變電站側(cè)計算距離值為

(8)

通過故障錄波的理論計算值為101.53 km，N變電站側(cè)保護裝置故障測距結果：A套100.9 km，B套134.65 km。經(jīng)過實際巡線，故障距離為102.493 km?？梢?，高頻保護可采用動作前的電壓電流波形進行測距計算，但是，由于光線保護和高頻保護之間沒有聯(lián)系，高頻保護不可能預知光差保護已經(jīng)切除故障，無法進行采取使用距離保護動作前的波形進行測距計算。

圖6　N變電站側(cè)故障電壓電流頻譜圖

圖7　N變電站側(cè)側(cè)阻抗分析圖

通過M變電站側(cè)和N變電站側(cè)故障錄波及動作信息可知：

1) 大電源側(cè)(M變電站)電壓相對較為穩(wěn)定，測量阻抗也更為準確，M變電站側(cè)B套高頻保護距離快速段，距離Ⅰ段均可靠動作，即便采用單端算法測距誤差也在國標范圍內(nèi)。N變電站側(cè)B套高頻保護縱聯(lián)距離在28 ms動作，縱聯(lián)距離測距時開關已跳開(差動保護先動作，且開關切除速度快)，故障電流已消失，測距數(shù)據(jù)跨窗，已無實際測量意義。再深入分析，N變電站側(cè)為弱電源側(cè)，特性為短路電流小，電壓也容易波動，有可能會導致距離元件因靈敏度不足而不能啟動，這對測距也會有很大影響。

2) 根據(jù)對圖6的分析，考慮到故障初始階段可能存在諧波等會影響測量阻抗計算的因素，因此保護測距實際是在本保護動作后10 ms才進行測量阻抗的計算，考慮到開關的實際分閘時間一般在60～80 ms左右，因此這種測距方案可以保證取到穩(wěn)定的故障數(shù)據(jù)進行測量阻抗的計算。如果開關分閘時間過小，則存在開關分閘過程中或者分斷后才取到測距數(shù)據(jù)的可能，此種情況下的測距數(shù)據(jù)已經(jīng)不能反映真實的故障數(shù)據(jù)，因此測距誤差會相對較大。

3) 此次暴露的問題是在縱聯(lián)距離保護和光纖差動保護配合時，如果縱聯(lián)距離慢動且開關快切時，則有可能出現(xiàn)遠端的縱聯(lián)距離保護測距不準的情況，近端由于有其他保護快速動作，一般不會出現(xiàn)問該情況。

4建議與措施

1) 保護裝置光纖差動保護及距離保護都具有測距功能，縱差保護測距功能在帶過渡電阻故障時優(yōu)于距離保護，但考慮到光纖差動退出運行的可能性，仍保留距離保護測距功能，現(xiàn)場應優(yōu)選光纖差動保護的測距結果，方便現(xiàn)場事故處理。當只能依靠距離保護測距時，應考慮采用大電源側(cè)的測距數(shù)據(jù)進行分析。

2) 在縱聯(lián)距離和光纖差動配合的情況下，對于遠端故障，如果需要提高高頻保護測距精度，可以將光纖保護的動作信號接入到高頻保護，光纖差動保護在計算出遠端故障時，才發(fā)出動作信號至高頻保護，修改高頻保護測距啟動程序，當高頻保護采集到差動保護動作信號時，開始記錄測距波形，不再依靠高頻保護動作后10 ms啟動測距程序的方法，其他情況按原保護邏輯進行。

3) 建議加快電網(wǎng)線路保護雙光纖化改造，利用光纖保護測距的優(yōu)越性。

4) 建議盡快建設行波測距主站，接入廠站端行波測距裝置，實現(xiàn)故障點快速定位。

5結論

1) 通過計算分析，諧波對測距精度影響較大，故障初始階段可能存在諧波等會影響測量阻抗計算

的因素，考慮到開關的實際分斷時間一般在60～80 ms左右，線路保護裝置測距一般在保護動作后10 ms，取數(shù)據(jù)窗進行計算測量阻抗；

2) 在縱聯(lián)距離保護和光纖差動保護配合時，如果縱聯(lián)距離慢動且開關快切時，則有可能出現(xiàn)遠端的縱聯(lián)距離保護測距不準的情況，近端由于有其他保護快速動作，一般不會出現(xiàn)該情況；

3) 現(xiàn)場分析優(yōu)先采用光纖差動保護的測距結果，縱聯(lián)距離測距結果用以輔助，還可以借助故障錄波器測距結果，或者專門的行波測距結果；

4) 建議加快電網(wǎng)線路保護雙光纖化改造，及行波測距主站，實現(xiàn)故障點快速定位。

參 考文獻

[1]葛耀中.新型繼電保護和故障測距的原理與技術[M].西安：西安交通大學出版社，2007:256-333.

[2]林富洪, 曾惠敏. 基于分布參數(shù)模型的高壓輸電線路單相接地故障單端測距方法[J].電網(wǎng)技術, 2011, 35(4):201-205.

[3]夏經(jīng)德, 索南加樂, 王莉, 等.基于輸電線路縱向阻抗縱聯(lián)保護新原理的研究[J]．電力系統(tǒng)保護與控制, 2011, 39(4):43-51.

陳軍(1974)，碩士、高級工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度自動化工作；

張麗(1982)，碩士、工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護工作；

南東亮(1985)，碩士、工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護工作；

常喜強(1976)，碩士研究生導師、高級工程師，主要從事電網(wǎng)運行控制管理工作；

張鋒(1978)，碩士、工程師，主要從事電網(wǎng)運行控制管理工作；

牛嘉鑫(1988)，碩士、工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護工作。

陳軍1，張麗1，南東亮2，常喜強1，張鋒1，牛嘉鑫2

(1.國網(wǎng)新疆電力公司調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊830011；

2.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊830011)

摘要：介紹了基于故障分析的單端量測距、雙端量測距方法，通過新疆電網(wǎng)一起220 kV線路接地短路故障，發(fā)現(xiàn)在縱聯(lián)距離保護和光纖差動保護配合時，如果縱聯(lián)距離慢動且開關快切時，則有可能出現(xiàn)遠端的縱聯(lián)距離保護測距不準的情況。針對此次故障，進行測距計算分析，得出線路保護裝置測距一般在保護動作后10 ms，取數(shù)據(jù)窗進行計算測量阻抗。現(xiàn)場分析時應優(yōu)先采用光纖差動保護的測距結果，縱聯(lián)距離測距結果用以輔助，還可以借助故障錄波器測距結果，或者專門的行波測距結果。

關鍵詞：高壓輸電線路；繼電保護；故障測距；故障分析

Abstract：The fault location method using single terminal data and two terminal data is introduced. Taking the grounding fault of a 220 kV line in Xinjiang power grid for example, it is found that when the pilot distance protection is cooperated with optical-fiber differential protection, if the pilot distance protection is slow and the breaker is switched off quickly, the fault location of pilot distance protection in the remote terminal may be inaccurate. According to the fault, the fault location is calculated and analyzed, and it is obtained that the fault location of line protection device is done in 10 ms after the protection action, and the data window is adopted to calculate and measure the impedance. During on-site analysis, it should give preference to the fault location results of optical-fiber differential protection, the fault location results of pilot distance protection can be of great assistance, and can also use the fault location results of fault recorder or the results of a special traveling wave fault location.

Key words：high-voltage transmission line; relay protection; fault location; fault analysis

(收稿日期：2015-08-17)

作者簡介：

中圖分類號：TM863

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)01-0054-04