四川革什扎水电开发有限责任公司 四川省丹巴县 626302
摘要：吉牛距离保护是高频通道的纵联保护，对被保护线路全线任何地点的任何故障均能瞬时有选择性切除。详细分析了吉牛电站允许超出的高频保护方案，从物理概念出发，对发电机在系统暂态摇摆过程中，分析了线路保护在允许超出的保护方案中，其摇摆过程的距离保护行为，表明该方案能够满足在稳定摇摆过程防止跳闸，同时在不稳定暂态下跳闸。并且，依据该种方案，从电气设备及电力系统稳定角度，得到距离保护正常切除故障的典型故障切除时间。
关键字：距离保护；暂态稳定；电气摇摆；保护特性
引言
革什扎河流域总装机容量42.3万千瓦，其中吉牛电站24万千瓦，通过吉牛电站220kV线路与丹巴500kV变电站相连，因而线路距离保护是确保电站安全稳定运行的重要方面。暂态稳定分析的重要内容是评估暂态期间保护系统的行为。暂态稳定关心的是电力系统遭受严重干扰下保持同步的能力，因而保护系统的满意行为对保证系统稳定性是至关重要的[1]。保护继电器必须能够区分故障，稳定的系统摇摆和失步情况。当继电器启动断路器操作切出故障元件时，确保在稳定的功率摇摆期间没有引起进一步的继电器动作使非故障元件不必要的开断是很重要的。非故障元件的跳开将进一步恶化系统并可能导致系统不稳定。
距离保护对所测量的电压和所测量的电流之比起反应。当表示网络有效阻抗的上述比率小于继电保护设定值时继电器动作。虽然直接距离保护能对许多情况提供适当的保护。然而当线路两端的同时高速跳闸对维持系统稳定十分重要时，它不能令人满意。纵差保护方案则适合于此类应用。
1 吉牛电站距离保护方案
纵差距离保护方案需要使用它们所保护的线路两端的通信通道。装在每一端的继电器要确定故障使保护线路的内部还是外部，这个信息要通过通信通道在线路两端间传送。对于内部故障，受保护线路两端的断路器都跳闸;而对于外部故障要闭锁跳闸。
图1是吉牛电站距离保护方案运行的原理图示。
图1 吉牛电站高频保护方案
图2 吉牛电站A的继电器保护特性
区域1的相间和接地方向距离保护覆盖线路阻抗的80%。继电器的动作导致当地断路器的跳闸。继电器无需远端的信息就可瞬时动作。
区域2的相间和接地方向保护，覆盖被保护线路的阻抗120%。保证检测到所有区内故障，在经约25ms的延迟后，如果没有闭锁信号从远端发来，就跳开当地断路器。这个延时是等待从令一端送来闭锁信号的时间。如果在0.4s时未切除故障，区域2就跳开当地断路器，而不管是否收到远端的闭锁信号。
图2是吉牛电站典型区域1和区域2的继电器特性。如果在吉牛电站站内的继电器所测量到的视在阻抗在区域1特性圆内，在吉牛电站内的断路器就会立即跳闸。
如果两端的继电器测量到的视在阻抗都在区域2的特性圆内，两侧的断路器将以高速跳闸。
如果视在阻抗仅在电站的继电器的区域2的特性圆内，则电站的断路器在0.4s的时延后跳闸，条件是这个阻抗在区域2内保持0.4s[2]。
2 摇摆过程中的距离保护行为
继电器的行为取决于两端所测量的阻抗。在机电振荡时，由距离继电器所测量到的阻抗可能在继电器特性圆之内。视在阻抗的实际轨迹取决于发电机内电压，励磁调节器和调速器动作的变化，也取决于系统中受互联网络影响的所有电机之间的相互作用。由文献[3]知，在两机系统中，当线路两端的电压幅值相等时，阻抗的轨迹呈现成一条直线，它与整个系统阻抗垂直平分线。从两端内节点到阻抗轨迹上任何一点的接线所形成的角等于相应的功角 ，当 时，电流为零，阻抗是无穷大。当 度时电气中心的电压为零。因此，继电器实际上看到的是电气中心处的三相故障。此时，电气中心和阻抗中心重合在一起。吉牛电站通过一个强输电系统与主系统相连，电气中心可能在升压变压器内或者可能就在发电机本身以内。在系统扰动后，角度、电压和电流都不断变化。起初转子角变化很快，在稳定情况下当达到峰值后变化缓慢；然后角度下降，振荡也变化更小直至达到平衡点。如果系统不稳定，角度逐渐增加直至它达到180度，即滑过一个磁极。除非系统被继电保护系统解列，否则接下来会更快速地连续滑过磁极。在滑动期间，电气中心附近点的电压和视在阻抗很快地振荡[4]。
在功率摇摆情况下，用逐步稳定仿真计算求出继电器的阻抗，并与继电器的动作特性想比较，所计算出的视在阻抗的轨迹以及继电器特性如图3所示。
图3 阻抗的轨迹及继电器特性
一个定时的第二区域与高频闭锁线路两端之间通信的保护行为并不取决于线路对端的继电器。如果两端的阻抗轨迹在第二区域特性内足够长以使定时器动作或进入了第一区域特性内，则跳闸动作。
3 防止在暂态情况下的跳闸
纵差高频保护要求在稳定摇摆过程防止跳闸，同时允许在不稳定暂态下跳闸。在摇摆过程中，发电机的电流和电压有较大周期性变化，其频率是其磁极滑差率的函数，这可能导致绕组应力和脉动转矩，它们可以激发有危害作用的机械振动。经验表明对于线路较短，线路阻抗小于发电机总阻抗时，较小的跳闸特性是令人满意的[5]。文献[6]利用具有线性特性的“欧姆”元件来控制摇摆时的跳闸角度范围；文献[7]利用算法实现“凸透镜”和“花生状”特性用于线路保护，具有优良的响应特性。在吉牛电站高频保护中，用失步继电器的工作原理防止电压下降太快而快速跳闸。失步继电器对于稳定摇摆不动作，它们必须检测到所有不稳定摇摆，而且其设定值在正常负荷下不启动。失步锁闭在线路保护动作之前检测其条件。为了确保在故障情况下线路保护不被闭锁，失步闭锁的设定值使正常负荷情况不在闭锁区域内。
图4 断路器接线示意图
表1 正常切除故障的典型故障切除时间
4 故障切除时间
为了充分测试距离保护行为的快速性，需要对故障切除时间做定性的分析。故障元件的切除需要继电保护系统检测所发生的故障并启动断路器，它将使故障元件从系统中分离出去。因此总的故障切除时间的构成是继电器动作时间和断路器开断时间。继电器动作时间是从短路电流初始时间把跳闸信号送到断路器的时间。断路器开断时间是从跳闸信号启动到断路器电流断开的时间。图4给出正常切除故障的时间。母线A、母线B同为3周波的断路器。系统通信媒介是光纤。考虑在母线A的继电器的区域1内和母线B的继电器的区域2内（但在区域1外）的故障。对于图4所示的典型继电器时间，如表1所示。从母线A切除故障的时间是91ms而从母线B切除故障的时间是114ms。
5 结束语
距离保护通过监视系统的适当参量来检测不正常的存在，从而决定应跳开哪一个断路器以及向这些断路器的跳闸回路加电。优良的纵差高频保护方案，不但能够满足对被保护线路全线任何地点的任何故障均能瞬时有选择性切除，而且能够保证机组在稳定摇摆过程中防止跳闸，同时允许在不稳定暂态下跳闸，甚至能够提高保护装置的自适应性[8]。保护装置的可靠性、快速性取决于通信的可靠性与通信时间，随着通信技术的发展，微机保护的成熟和保护算法的完善，大规模电网智能型距离保护是可以实现的。
参考文献
[1]Westinghouse Electric Corporation，Applied Protective Relaying，a new “Silent Sentinels” publication，Newark，1976.
[2]J.H.Neher，A Comprehensive Method of Determining the Performance of distance Relays［J］. IEEE Trans on Power Systems，1989，56(2)：833-844.
[3]IEEE Working Group Report，Out of Step Relaying for Generators［J］. IEEE Trans on Power Systems，2004，96(3):1556-1564.
[4]H.M. Rustebakke，Electric Utility Systems and Practices，John Wiley & Sons，1983.
[5]Edith Clarke, Impedances Seen by Relays during Power Swings with and without Faults[J]. IEEE Trans on Power Systems，2003，64(3):372-384.
[6]C.R.Mason，A New Loss-of-Excitation Relay for Synchronous Generators[J]. IEEE Trans on Power Systems，1995，68(2):1240-1245.
[7]C.R. Mason，Relay Operation during System Oscillations[J]. IEEE Trans on Power Systems，2000，6(3):1513-1514.
[8]陈皓，微机保护原理及算法仿真.中国电力出版社，2006.
作者简介
李政（1975—），男，四川革什扎水电开发有限责任公司，工程师，硕士研究生，从事电力生产工作。
论文作者:李政,张志辉,李巍
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/28
标签：继电器论文; 阻抗论文; 故障论文; 断路器论文; 线路论文; 电站论文; 时间论文; 《基层建设》2019年第11期论文;