距离保护在110kV输电线路中的应用仿真研究

周桂珍+++曹菊英

摘 要 距离保护受电力系统运行方式和结构变化的影响较小，保护范围相对较长并且稳定，具备一定的受过渡电阻影响的能力等优点适用于远距离、重负荷的高压线路。作为电力系统重要组成部分的110kV输电线路的继电保护方法中应用最广泛的也是距离保护。本文分析了输电线路距离保护的基本原理，利用MATLAB/SIMULINK对110kV输电线路的距离保护建立仿真模型。仿真结果表明：距离保护能准确的发现短路故障并发出信号让断路器跳闸来实现保护。

【关键词】距离保护 110kV输电线路 继电保护 跳闸

1 引言

110kV输电线路是电力系统的重要组成部分，其安全运行对整个网络的可靠运行和电能质量起着至关重要的作用。因此对110kV输电线路进行保护就显得十分必要。

在高压输电线路继电保护中，距离保护无疑占有非常重要的地位。它的优点是：受电力系统运行方式和结构变化的影响较小，保护范围相对较长并且稳定，具备受过渡电阻影响的能力等适用于远距离、重负荷的高压线路。距离保护一直是在复杂电网中的高压输电线路非常重要、非常广泛的保护方法之一。本文采用距离保护作为110kV输电线路的主要保护方法。

2 距离保护的工作原理

距离保护是反应故障点到保护安装点之间的距离（阻抗），并依靠距离远近来选定动作时间的一种保护。其核心元件是阻抗继电器，通过测量短路点到保护安装地点之间的阻抗，并与整定值进行比较，以确定保护是否应该动作。图1分析三段式距离保护的整定计算。

2.1 距离保护第I段整定

对保护2而言，其I段保护阻抗整定值按躲开下一条线路出口处短路时所测量的阻抗ZAB，即

（1）

同理，保护1第I段阻抗整定值应为

（2）

Krel：I段可靠系数，取0.8～0.9；Z：线路单位长度阻抗；LAB：LBC线路AB、BC的长度。由（1）、（2）可知，距离I段保护范围是本线路总长的80%～90%，并不能保护总长，是瞬时动作的，tI=0。

2.2 距离保护第II段整定

距离II段的阻抗整定值的整定原则是使它不超过下一条线路距离I段的保护范围，同时多出一个时限△t，以保证其选择性。如图1，当BC末端短路时，保护2的整定阻抗为

（3）

（4）

△t取0.5～0.7s。

2.3 距离保护第III段整定

保护2的III段距离保护的动作阻抗的计算原则是根据躲开被保护线路在正常运行时的最小负荷阻抗来整定计算，即

（5）

（6）

△t取0.5～0.7s

式中，—输电线路AB的最小负荷阻抗，

；Kms—电机的自启动系数；Kre—阻抗元件返回系数，一般取1.2。

3 距离保护的接线方式

阻抗继电器是距离保护的核心元件，它是测量短路点到保护安装处距离。本文采用的是单相补偿式距离继电器，继电器的接线方式采用的是 接线方式，具体表示如表1所示。

4 110K输电线路距离保护的仿真

本文的仿真对象是110kV的单端电源的单一回线，如图2所示。

电源电压为10.5KV，经过变压器升压到110kV，通过变压器降压为10.5V，电力系统的负荷电压为10KV.各个系统的参数是：电压源的线电压10.5KV，内阻是Zg=0.001+j0.007Ω；变压器容量是31.5MVA，线路AB、BC各100KM，线路正序阻抗为/km；零序阻抗是；负荷容量为S=1.2+j0.9M，線路的最大负荷电流是200A，母线A的最低工作电压100KV。

4.1 阻抗整定值的计算

=7.4+j44.4Ω

最小负荷阻抗为：

4.2 仿真模型

本文采用的继电器为全阻抗继电器，其动作方程是。Zset的选取为上述计算出来的整定值，将三个不同整定值的距离保护加上延时保护模块组成三段式距离保护模块。仿真过程中距离Ⅰ段保护瞬时动作，保护Ⅱ段和距离保护Ⅲ段分别延时0.05秒和0.07秒。相间短路K1继电器接线模块，K2，K3继电器按表1接线，三者通过或门、数据类型转换等送给系统出口模块。

4.3 仿真结果

仿真时间设置为0.2s， 算法为ode23t。由于保护Ⅰ段能保护85%之内的各种故障，Ⅱ段范围延伸到下一级线路中，保护Ⅲ段是该线路及以下线路的后备保护。为了体现故障发生在线路不同位置时，3段保护的动作情况，本文将故障点分别设置在线路的60KM处和90KM处。

4.3.1 三相短路时仿真波形

当故障点在60KM处发生三相短路时电压电流波形如图3、4所示。 0～0.05S之间系统是正常运行的，保护安装处的电压平稳运行，为标准的三相正弦波，0.05S之后引入故障，到 0.07S故障切除，电压恢复正常运行，电流趋于0。三段式动作保护如图5所示。

保护故障点在60KM处，1-3段全部动作，Ⅰ段最先启动，2 3延时启动，Ⅰ段保护切除故障后，由于动作保持不再重合闸，因此故障消除，故障信息不再出现，3段均回到1的状态。

当故障点在90KM处，，仿真如图6、7。0～0.05S之间系统是正常运行的，保护安装处的电压是平稳运行的，为标准的三相正弦波。0.05S之后引入故障，故障不在1段保护范围内，1段不启动，Ⅱ段启动，0.11S时故障切除，电压恢复正常运行，短路电流增大，0.11秒时故障线路切断无电流通过，电流趋0。三段式动作保护如图8所示。

由于保护故障点在90KM处，2-3段动作，不在1段保护范围内，Ⅲ段较Ⅱ段延时启动，Ⅱ段保护切除故障后，由于动作保持不再重合闸，因此故障消除，故障信息不再出现，Ⅱ、Ⅲ段均回到1的状态。

通过仿真得知系统两相短路时3段保护也能正确动作。

5 结论

本文对三段式距离保护的工作原理进行了分析，并对110kV输电线路发生故障采用三段距离保护进行建模仿真，仿真结果表明，采用三段式距离保护相结合对100%线路上发生的故障能有选择性的快速切除，仿真结果达到了预期目的。

参考文献

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[6]杨兰，杨廷芳，陈众，蔡立红.MATLAB/SIMULINK在继电保护设计中的应用[J].电气传动自动化，2006（01）.

作者简介

周桂珍（1983-），女，湖南省岳阳市人。硕士研究生学历。现为湘南学院电子信息与电气工程学院助教。从事基于神经网络的故障诊断研究。

通讯作者简介

曹菊英（1975-），女，湖南省郴州市人。硕士学位。现为湘南学院电子信息与电气工程学院副教授。从事计算机方向研究。

作者单位

湘南学院电子信息与电气工程学院 湖南省郴州市 423000