110kV 三段式相间距离保护电力系统继电保护仿真报告

在电力系统中，继电保护是确保系统安全稳定运行的重要组成部分。110kV 三段式相间距离保护作为关键环节之一，对于及时准确地切除故障、保障电力系统的可靠性至关重要。本文将探讨110kV 三段式相间距离保护的参数整定计算、仿真分析，以及过渡电阻和系统振荡对其的影响。

距离保护参数整定计算

第一段（瞬时动作段）

距离保护的第一段旨在迅速切除线路首端附近的故障。其工作原理基于一个以保护装置安装位置为中心，整定阻抗 \(Z_{set1}\) 为半径的圆。整定阻抗 \(Z_{set1}\) 通常依据被保护线路末端的最大短路阻抗来设定，计算公式为：

\(Z_{set1} = K_{rel1} \times Z_{L}\)

其中，\(K_{rel1}\) 是可靠系数，通常取0.8至0.85之间；\(Z_{L}\) 表示被保护线路的正序阻抗。例如，若线路正序阻抗 \(Z_{L} = 10 \Omega\)，且 \(K_{rel1} = 0.8\)，则 \(Z_{set1} = 0.8 \times 10 = 8 \Omega\)。

第二段（限时动作段）

第二段不仅需要与邻近线路的第一段保护协调，还要确保在线路末端发生故障时具有足够的灵敏度。整定阻抗 \(Z_{set2}\) 的计算方法如下：

\(Z_{set2} = K_{rel2} \times (Z_{L} + K_{b.min} \times Z'_{set1})\)

这里，\(K_{rel2}\) 也是可靠系数，范围在0.8至0.85；\(K_{b.min}\) 是最小分支系数；\(Z'_{set1}\) 则是相邻线路第一段的整定阻抗。假设相邻线路第一段的整定阻抗 \(Z'_{set1} = 6 \Omega\)，\(K_{b.min} = 1.2\)，\(Z_{L} = 10 \Omega\)，\(K_{rel2} = 0.8\)，则 \(Z_{set2} = 0.8 \times (10 + 1.2 \times 6) = 0.8 \times (10 + 7.2) = 13.76 \Omega\)。此外，第二段的动作时间 \(t_2\) 通常比相邻线路第一段的动作时间多一个时间级差 \(\Delta t\)，一般 \(\Delta t = 0.3 - 0.5s\)。

第三段（后备保护段）

第三段作为本线路及邻近线路保护的后备措施，其整定阻抗 \(Z_{set3}\) 应避开正常运行状态下的最小负荷阻抗 \(Z_{L.min}\)，计算公式为：

\(Z_{set3} = \frac{K_{rel3} \times U_{N}}{I_{L.max}}\)

其中，\(K_{rel3}\) 为可靠系数，取1.2至1.3；\(U_{N}\) 为额定线电压；\(I_{L.max}\) 为最大负荷电流。第三段的动作时间 \(t_3\) 需要比相邻线路第二段的动作时间多一个时间级差 \(\Delta t\)。

仿真分析

建立仿真模型

为了深入研究110kV 三段式相间距离保护，我们可以通过专业的电力系统仿真软件（如PSCAD/EMTDC）构建仿真模型。下面是一个简化的代码示例，展示了如何在PSCAD中创建一个基础的电力系统模型（实际代码更为复杂）：

// 创建电源模块
ACSOURCE Source1
{
    FREQ = 50;
    MAG = 110kV;
}

// 创建线路模块
LINE Line1
{
    R = 0.1;
    L = 0.8e-3;
    C = 0.01e-6;
    LENGTH = 50km;
}

// 创建距离保护模块
DISTANCE_PROTECTION Protection1
{
    Zset1 = 8ohm;
    Zset2 = 13.76ohm;
    Zset3 =...; // 根据上述计算确定具体值
    t2 = 0.4s;
    t3 = 0.8s;
}

上述代码首先定义了一个频率为50Hz、幅值为110kV的交流电源

Source1

随后，创建了一条电阻为0.1Ω、电感为0.8mH、电容为0.01μF、长度为50km的输电线路

Line1

最后，添加了一个距离保护模块

Protection1

并根据前面计算出的整定阻抗和动作时间进行了相应的配置。

不同故障情景下的仿真

线路首端故障： 在仿真模型中设置线路首端发生三相短路故障，可以看到距离保护的第一段迅速响应并切除故障线路。这是因为故障发生在第一段保护范围内，其测量阻抗小于 \(Z_{set1}\)，从而触发保护机制，从故障发生到故障清除的时间非常短，有效地防止了故障范围的扩大。

线路末端故障： 当线路末端出现故障时，第一段保护不会启动，因为测量阻抗超过了 \(Z_{set1}\)。在这种情况下，第二段保护将发挥作用。由于其整定阻抗和动作时间的恰当设定，当满足动作条件时，能够迅速切断故障。

过渡电阻和系统振荡对距离保护的影响

过渡电阻的存在可能会导致测量阻抗的变化，进而影响距离保护的正确动作。系统振荡同样可能干扰保护装置的判断，特别是在振荡周期较长的情况下，可能导致保护误动或拒动。因此，在设计和应用距离保护时，必须充分考虑到这些因素的影响，以提高保护的可靠性和准确性。

在故障点存在的电阻被称为过渡电阻，这种电阻会改变测量阻抗，进而影响距离保护的行为特性。通常情况下，过渡电阻会导致测量阻抗增加，这可能引起保护区域的缩小。例如，在发生接地短路的情况下，过渡电阻可能包括电弧电阻或杆塔接地电阻等成分。为了研究这种效应，我们可以在仿真模型中的故障点添加不同值的过渡电阻来进行分析。

// 在故障点加入过渡电阻
FAULT Fault1
{
    TYPE = 3PH;
    R = 10ohm; // 假设过渡电阻为10Ω
    LOCATION = 0.9; // 故障点位于线路90%位置
}

加入过渡电阻之后，可以看到距离保护的测量阻抗有所增加。如果过渡电阻过高，则可能导致保护装置无法正确响应。因此，在实际配置保护时，需要考虑到过渡电阻的影响，并相应地调整保护的设定，比如使用带有偏移功能的阻抗继电器等策略来增强保护的稳定性。

电力系统中的另一个常见问题是系统振荡，它会导致测量阻抗出现周期性的波动。在系统振荡期间，如果距离保护错误启动，可能会引发非必要的断电事件。为此，我们可以在仿真模型中重现系统振荡的情景以进行评估。

// 模拟系统振荡
OSCILLATION Osc1
{
    START_TIME = 5s;
    DURATION = 10s;
    FREQUENCY = 0.5Hz;
}

在上述示例中，系统在第5秒开始振荡，持续时间为10秒，振荡频率为0.5赫兹。在此期间，测量阻抗会经历大幅度的周期性变化。为了应对这种情况，距离保护应采用特定的识别机制来避免因振荡而误触发，例如安装振荡锁定设备，在系统振荡时锁定保护功能，以防误操作。一旦振荡结束，再次激活保护，以确保护在电力系统故障时能有效响应。

通过对110千伏三阶段相间距离保护的参数设定、仿真测试，以及对过渡电阻与系统振荡影响的研究，我们可以更加深刻地理解并运用这项关键的继电保护技术，为电力系统的安全运行提供支持。无论是电力系统的设计、保养还是故障诊断，这些知识都是极其宝贵的。希望通过今天的讲解，您能对110千伏三阶段相间距离保护有一个更加全面的理解。