继电保护整定计算的简化

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随着电网的不断扩大，继电保护整定计算的任务也越来越繁重。而随着电力体制改革，保护科的人数由1996年的10个人减到目前的8个人，每个人的工作量都大大增加了。这促使我们进行深入思考，能不能在不违背规程的条件下对整定计算进行一些简化。
目前国内220 kV以上系统的继电保护整定计算一般都遵循国家电力部1994年12月批准、1995年5月开始实施的《220～500 kV电网继电保护装置运行整定规程》。1994年以前国内的保护以整流型和晶体管型为主，有一些集成电路保护，微机保护开始推广。对于整流型和晶体管型保护来讲，阻抗继电器实现起来非常复杂，所以，大部分厂家的产品只有相间距离保护，没有接地距离保护。因此，规程上虽然有接地距离保护的计算，但是实际中接地距离保护并未得到充分的应用。近几年，随着微机保护的普及，河南电网已实现了线路保护微机化，接地距离保护已经普遍应用。接地保护的普遍应用，给整定计算增加了很大的工作量。
    中试控股电力讲解实际上在一些功能上，接地距离保护和零序保护类似；在整定计算上，接地距离和相间距离相近。根据接地距离保护的这些特点，可以对继电保护整定计算进行一些有益的简化。我们主要从三个方面对整定计算工作进行了简化：取消零序Ⅰ段、简化零序Ⅳ段计算、统一相间距离保护和接地距离保护。

2　取消零序Ⅰ段   2．1　线路参数对零序保护和接地距离保护的影响　　    
    在接地距离保护没有得到普遍应用时，对接地故障，零序保护有其不可替代的作用。但线路零序参数的不准确会给零序保护的计算增加一些不确定因素，因为零序Ⅰ段的动作是不带延时的，这些不确定因素的影响很可能会导致零序Ⅰ段的误动。通过多年来的对比，只要提供的线路长度、杆塔结构和线路型号误差不大，计算的线路正序参数与实测参数的误差较小(基本上不超过10％)，而计算的零序参数与实测参数的误差较大。表2是一些实例。
计算的线路零序参数误差较大的主要原因在于不同地质条件对零序参数的影响无法在零序参数的计算中得到精确的反映。另外，根据文献［5］的分析，500 kV线路地线采用的分段绝缘设计会造成零序参数在地线绝缘间隙击穿时和不击穿时呈现不同的数值。
虽然下发了有关文件，要求基建时必须提供线路的实测参数，但是由于种种原因，实测参数往往不能及时得到。而且大部分老线路没有实测数据，不可能把这些线路停下来进行参数测试。中试控股电力讲解对于500 kV线路，由于在试验时线路中流过的电流不足以把地线绝缘间隙击穿，因此获取相关的零序参数难度更大。
目前的短路计算程序在对零序互感的处理上，不可避免地都存在着忽略和简化。
这些因素造成零序电流的计算存在较大的误差，这种误差对零序后备保护的影响相对要小一些，因为零序Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段带有延时。而零序Ⅰ段是瞬动的，一旦越级，肯定误动。为了防止零序Ⅰ段误动，现在有些省采用增大可靠系数的办法，但是可靠系数取多少没有统一的标准。而且，如果可靠系数取得过高，对于一些不是很长的线路来讲，零序Ⅰ段在出口故障也无灵敏度，这样就从根本上失去了保护的作用。
接地距离保护用的是IA＋K·3I0［2］，零序参数对它的影响体现在补偿系数K上，K＝(Z0－Z1)/(3 Z1)［2］，因此零序参数的误差对接地距离保护的影响要小得多。
    2．2　零序Ⅰ段和接地距离Ⅰ段的保护范围
零序Ⅰ段保护的保护范围不固定，当系统方式变化较大时，保护范围变化也较大。在计算零序Ⅰ段的方式下，零序Ⅰ段保护范围可以达到全线的70％～80％，但在常见方式下，零序Ⅰ段保护范围要远远小于70％，甚至只有不到10％，最严重的时候，在保护出口故障，故障零序电流也达不到零序Ⅰ段的动作值。
接地距离Ⅰ段可以保护线路的70％，这个范围比较稳定，基本不受系统方式变化的影响。
微机线路保护对接地距离保护有特殊考虑，有的采用四边形特性［6］，有的在R方向上有一定的补偿［7］。因此在Ⅰ段范围内发生经过渡电阻的接地故障，接地距离在R方向上的动作范围要明显大于仅反映电流的零序电流保护，所以接地距离Ⅰ段的抗过渡电阻性能比零序Ⅰ段好。
    2．3　主保护对各种故障的反映
常用的线路主保护包括高频保护、零序Ⅰ段、相间距离Ⅰ段、接地距离Ⅰ段，表3是各种主保护对保护范围内的各种简单故障的反映情况。
从表3可以看出，零序保护能反映的故障，接地距离都可以正确反映。
    2．4　主保护的动作时间
目前河南省内用的最多的220 kV线路保护是11、15型和901B、902B型，表4是厂家提供的各种保 护的动作时间：
可以看出，零序Ⅰ段和接地距离Ⅰ段动作时间基本上一样，对接地故障都能正确反映，而接地距离Ⅰ段的保护范围稳定，抗过渡电阻能力强，受零序参数误差影响小。因此取消零序Ⅰ段保护对系统保护的整体性能没有影响。
国内许多专家对取消零序Ⅰ段也持肯定态度。 LFP系列微机保护原来在设计上根本就没有考虑零序Ⅰ段保护，在推广初期，由于当时接地距离保护没有得到普遍应用，根据运行单位的要求才加上了零序Ⅰ段。从实际运行情况来看，零序Ⅰ段的取消没有给电网带来任何影响。相反，取消零序Ⅰ段给电网运行带来了一些便利：1)杜绝了因零序参数误差过大引起的零序Ⅰ段误动。2)基建项目投运过程中，减少了周围改定值的压力。基建项目的投运时间往往比较紧张，当网络变化大时，周围零序Ⅰ段定值的改动量就比较大，在短时间内大量地改定值，给运行方式的安排带来了很大压力。取消零序Ⅰ段后，不用考虑零序Ⅰ段的越级问题，由于接地距离Ⅰ段和相间距离Ⅰ段与运行方式变化无关，零序和距离后备段保护因为由时间配合把关，只要系统主保护能够投入运行，这些后备保护不会越级，因此保护定值可以逐步安排更改，大大减轻了新设备投运前改定值的工作量，从而减小了电网运行的事故隐患。
    在实际操作中，根据各种型号保护的特点，如果保护的零序Ⅰ段可以用控制字或压板进行投退，就采用人为硬性退出零序Ⅰ段的办法；中试控股电力讲解如果保护的零序Ⅰ段不能用控制字或压板进行投退，就取其最大刻度。
3　零序Ⅳ段的简化计算
在规程［1］开始实行以前，零序Ⅳ段的整定方法为：与相邻零序保护的Ⅲ段或Ⅳ段配合整定，要求在相邻线末灵敏度不小于1．2。
而文献［1］中，只对零序Ⅲ段的灵敏度提出了明确的要求，对零序Ⅳ段的要求是：
“2．6．3接地故障保护最末一段(例如零序电流Ⅳ段)，应以适应下述短路点接地电阻值的接地故障为整定条件：220 kV线路，100Ω；330 kV线路，150Ω；500 kV线路，300Ω。对应于上述条件，零序电流保护最末一段的动作电流定值应不大于300 A。”
    “4．2．1．14零序电流Ⅳ段定值(最末一段)应不大于300 A，按与相邻线路在非全相运行中不退出工作的零序电流Ⅲ段或Ⅳ段配合整定。”
    依照文献［1］，我们对零序Ⅳ段的计算进行了简化：如果零序Ⅲ段大于300 A，零序Ⅳ段电流定值直接取300 A，时间与相邻线路的零序Ⅲ段配；如果零序Ⅲ段不大于300 A，零序Ⅳ段的电流定值和时间都与相邻线路的零序Ⅲ段或Ⅳ段配。
由于绝大多数开关的零序Ⅲ段都是大于300 A的，因此这种计算方法节省了大量的零序Ⅳ段电流定值的配合计算时间。
4　接地距离和相间距离计算的统一
文献［4］从保护机理的角度得出结论：在相同计算条件下，接地距离定值一定小于或等于相间距离定值。本文再从规程对接地距离和相间距离的要求出发，进一步讨论接地距离和相间距离整定计算统一的可行性。
   
 4．1　接地距离Ⅰ段和相间距离Ⅰ段
文献［1］中躲线末故障的相间距离Ⅰ段和接地距离Ⅰ段的计算公式是一样的，只是接地距离Ⅰ段的可靠系数比相间距离Ⅰ段要小一些。Ⅰ段保护躲线末的目的主要是为了防止区外故障的超越，如果按接地距离Ⅰ段的可靠系数对相间距离Ⅰ段进行计算，相间距离Ⅰ段就能更可靠地防止超越。
单回线带单台变时，无论是线路故障还是变压器内部故障，都会造成该变压器停运，对用户和电网的影响都是一样的，因此允许Ⅰ段保护深入变压器，这种情况下采用文献［1］表3中计算接地距离Ⅰ段的第2个公式或是表4中计算相间距离Ⅰ段的第2个公式都是一样的。
因此，接地距离Ⅰ段和相间距离Ⅰ段的计算可以完全统一起来。
    4．2　接地距离Ⅱ段和相间距离Ⅱ段　　规程上对接地距离Ⅱ段和相间距离Ⅱ段的灵敏度要求是完全一样的，即：50 km以下线路，不小于1．5；50～200 km线路，不小于1．4；200 km以上线路，不小于1．3。这也是文献［1］表3中接地距离Ⅱ段的第1个公式和表4中相间距离Ⅱ段第2个公式的具体内容。
文献［1］表4中相间距离Ⅱ段计算的第1、第3、第4个公式分别与表3中接地距离Ⅱ段的第2、第6、第5个公式一一对应。中试控股电力讲解在阻抗定值计算时，相间距离用的可靠系数比接地距离计算的略大。在时间上，与相邻线路Ⅱ段配时，相间距离Ⅱ段和接地距离Ⅱ段的时间计算公式是一样的；与相邻线路Ⅰ段配　　时，接地距离Ⅱ段的起始时间直接用1 s，而相间距离Ⅱ段用的起始时间是一个时间级差Δt，这个时间级差习惯上取0．5 s。在表3中，接地距离Ⅱ段的第3个公式是和相邻线路的纵联保护配合的计算公式，这个公式实际上对相间距离也是适用的，规程第“4．2．3．7”条要求“相间距离Ⅱ段定值，按本线路末端发生金属性相间短路故障有足够灵敏度整定，并与相邻线路相间距离Ⅰ段或纵联保护配合，动作时间取0．5 s左右”，这就是说相间距离Ⅱ段可以与相邻线路的纵联保护配合，只不过时间不是接地距离Ⅱ段的1 s。因此，可以看出，计算相间距离Ⅱ段的各种方法和公式都包含在接地距离Ⅱ段的计算方法中。
计算接地距离Ⅱ段的第4个公式是接地距离和零序保护配合时用的。不同原理的保护之间进行定值的配合计算，非常困难，因为零序电流保护的范围在不同的电网方式下是不一样的。因此，其保护范围末端所对应的正序阻抗也是不一样的，这个对应阻抗的计算十分困难。所以，在接地距离保护的计算时，基本上不用该公式进行阻抗计算。实在不好配的情况下，不同原理之间的保护一般只考虑时间上的配合。
接地距离Ⅱ段的第7个配合公式是根据接地距离保护的特点，要求其躲过变压器其它侧母线单相接地和两相接地故障，与相间距离Ⅱ段相比，这是更苛刻的要求。
从以上分析可以知道，同样的电网结构下，采用同样的配合方式，接地距离Ⅱ段的阻抗定值要比相间距离Ⅱ段要小，时间要长。而且，接地距离Ⅱ段和相间距离Ⅱ段的灵敏度要求是一致的。因此，相间距离Ⅱ段采用接地距离Ⅱ段的定值后，对定值间的配合关系和灵敏度完全没有影响。
    4．3　接地距离Ⅲ段和相间距离Ⅲ段　　规程对相间距离Ⅲ段的灵敏度没有具体要求，但根据文献［1］表4中的配合公式得出的Ⅲ段阻抗定值不会小于相间距离Ⅱ段的阻抗定值，因此相间距离Ⅲ段的灵敏度不会小于相间距离Ⅱ段。在文献［1］表3中对接地距离Ⅲ段的灵敏度给出了明确的要求，即：接地距离Ⅲ段是本线路正序阻抗的1．8～3倍。实际上，该要求对中长线路来讲是较难满足的，另外该要求所强调的灵敏度实际上可以由零序电流Ⅳ段来完成。因此，规程的“4．2．2．7”条规定：“接地距离Ⅲ段，按与相邻线路接地距离Ⅱ段配合整定。若配合有困难，可与相邻线路接地距离Ⅲ段配合整定。当本线路设有阶段式零序电流保护作为接地故障的基本保护时，接地距离Ⅲ段可退出运行。”在河南，所有线路保护都配有阶段式零序保护，而且根据规程的要求，零序电流Ⅳ段的电流定值都不大于300 A。因此，在河南电网中按规程规定，接地距离Ⅲ段是可以退出运行的。既然可以退出运行，接地距离Ⅲ段保护就不必再考虑一定要满足1．8～3．0的灵敏度要求。
从文献［1］的表3和表4中可以看出，与Ⅱ段保护类似，相间距离Ⅲ段的第1、第3个配合计算公式与接地距离Ⅲ段的第2、第3个配合计算公式一一对应，只是可靠系数不一样。因此配合出来的定值，接地距离Ⅲ段不会大于相间距离Ⅲ段。相间距离Ⅲ段的第2个计算公式主要是考虑到相间距离Ⅲ段和相邻变压器的后备保护进行配合，由于公式中的“电网运行最低线电压”和“系统背侧系统等价电抗”的确定比较困难，实际的做法通常是，校核相间距离Ⅲ段是否伸出到变压器的110 kV母线。没有超过110kV母线，认为相间距离Ⅲ段可以和变压器的差动保护进行配合；如果超过110 kV母线，则对变压器相间后备保护的动作时间提出限制或对110 kV侧的母差和出线保护提出限制。相间距离Ⅲ段的第四个公式对躲负荷阻抗提出了要求，接地距离保护对负荷阻抗同样可以正确测量，因此躲负荷的要求同样对接地距离Ⅲ段适用。
通过以上分析，可以采用接地距离Ⅲ段的配合公式计算相间距离Ⅲ段，同时要考虑接地距离Ⅲ段躲负荷阻抗，以及校核接地距离Ⅲ段与变压器保护的配合问题。
5　结论
毫无疑问，我们提出的继电保护整定计算R简化方法完全满足整定计算规程的要求。继电保护整定计算的简化可以提高工作效率，对运行方式的安排也提高了灵活性。表5是对简化继电保护整定计算的一个评价。
采用简化方法后，零序计算减少了零序Ⅳ段的配合和灵敏度计算工作，可以减少1／5的工作量；距离保护减少了相间距离的配合工作，可以减少1/3的工作量。

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