功率倒向对双回线纵联保护的影响解析

功率倒向对双回线纵联保护的影响解析

田景亦

（深圳供电局有限公司广东深圳518020）

摘要：RCS-941B以纵联距离、纵联零序方向作为主保护，由于该保护在通道中传输逻辑信号，对通道可靠性要求较低。在分析RCS-941B反方向元件优先原则及其躲功率倒向延时对纵联距离、纵联零序方向保护的影响的基础上，结合近期我局110kV平凤I线1267、110kV平凤II线1268同时出现两相接地短路时两回线路故障不能同时快速切除的案例，对RCS-941B纵联保护特性进行了分析，认为在一些情况下RCS-941B的表现并不理想。为提高主保护动作的快速性和可靠性，建议使用纵联电流差动保护作为输电线路主保护。

关键词：RCS-941B；保护动作快速性和可靠性

1RCS-941B允许式纵联保护特性

RCS-941B配有距离方向继电器和零序方向继电器等方向元件，通过综合比较线路两侧方向元件动作行为，经通道交换逻辑信号构成全线快速跳闸的纵联保护，其全线跳闸时间小于30ms。一般采用光纤通道传送方向继电器动作行为的逻辑信号，逻辑信号的性质分为闭锁式信号和允许式信号[1]。

我局主要采用允许式纵联保护，即当保护收到对侧的允许信号才可以出口跳闸。上图1为RCS-941B允许式纵联保护在保护起动后的逻辑框图，其特点有：

a.正方向元件（零序正方向元件、距离方向元件）动作且反方向元件不动即发允许信号，同时在收到对侧允许信号达8ms后纵联保护动作；

b.反方向元件动作优先，这样有利于防止区外故障后，在断合开关的过程中，故障功率方向出现倒方向，短时出现一侧纵联距离元件未返回，另一侧纵联距离元件已动作而出现瞬时误动；

c.如连续50ms未收到对侧允许信号，则其后纵联保护动作需经25ms延时，防止故障功率倒向时保护误动；

d.装置另配有反方向距离继电器，该继电器仅在控制字“弱电源侧”置“1”时才投入，在弱电源侧当零序反方向元件不动作时，若反方向距离继电器动作，判为反方向故障，若反方向距离继电器不动作，且任一相或相间电压小于30V，判为正方向故障；

e.当本装置其它保护（如零序延时段、距离保护）动作跳闸，或外部保护（如母线差动保护）动作跳闸时，立即发允许信号，并在跳闸信号返回后，发信展宽150ms，但在展宽期间若反方向元件动作，则立即返回，停止发信；

f.三相跳闸固定回路动作或三相跳闸位置继电器均动作且无流时，始终发信[2]。

图1允许式纵联保护起动后逻辑图

Fig1：Logicdiagramofpermissivepilotprotectionafterstartup

对于空充线路，在开关分闸侧保护未起动的情况下，空充线路故障收到对侧信号，如本侧TWJ动作，则给对侧发100ms允许信号，确保故障能由对侧快速切除；当用于弱电侧，在线路轻负荷，起动元件不动作情况下，若任一相电压低于34.6V或相间电压低于60V，则收到对侧信号后给对侧发100ms允许信号。其逻辑图见上图2。

反方向优先原则除体现在反方向元件动作即闭锁保护动作外，还体现在反方向元件更高的灵敏度。零序正反方向元件（）由零序功率决定，由3和3×的乘积获得（3、3为自产零序电压电流）。>0时反方向元件动作；<-1VA（In=5A）或<-0.2VA（In=1A）时正方向元件动作。纵联零序保护的正方向元件由零序方向比较过流元件和的与门输出，反方向元件由零序起动过流元件和的与门输出。可见反方向元件灵敏度较正方向元件高。

图3零序方向元件特性

Fig3：Propertyofzerosequencedirectionalrelay

从电流电压的相位关系来看，在正方向短路时，零序电压3超前零序电流3的角度是保护安装处反方向零序阻抗的阻抗角再反一个180度，角度是一个负角；在反方向短路时，零序电压3超前零序电流3的角度是保护安装处正方向零序阻抗的阻抗角，角度是正角。若系统中各元件零序阻抗的阻抗角都为φ，则用相位比较的动作方程为式（1-1），用相量图表示见图3。

图4功率倒向示意图

Fig4Illustrationofpowerconverseintransmissionlines

功率倒向的问题在平行线路或环网中出现，上图4为双回线可能出现功率倒向的示意图。假如在第II回线路4号保护出口发生短路，第I回线两端1、2号保护的正方向元件不会同时动作，故障应由保护3、4切除。但是，如果第II回线的主保护因某种原因不动作，而故障点落在3号保护的第II段、4号保护的第I段，会导致两侧开关分闸时间存在时间差。若4号开关先跳闸，则第I回线的短路功率发生倒向，可能出现一侧正方向元件还未翻转，而另一侧已翻转为正方向元件动作的情况，此时第I回线保护会误动[3]。

针对上述问题，RCS-941B保护引进了防止功率倒向时保护误动的措施。其一，当反方向元件动作时立即闭锁正方向元件发允许信号；其二，设置了功率倒向延时，即在保护起动时若连续50ms未收到对侧信号，则其后纵联保护动作需经25ms延时。50ms内没有收信可以判断出发生了区外故障，随后25ms的延时则是用以躲过了线路两侧方向元件发生竞赛时的不利影响，避免了保护误动。

然而，设置了躲功率倒向的25ms延时影响了纵联保护的动作，不利于快速切除故障。

3110kV平凤I线、平凤II线保护动作情况分析

3.1故障现象描述

图5故障时系统运行方式示意图

Fig5Illustrationofsystemoperatingmodewhenfaultoccurred

2012年6月23日20时52分51秒551毫秒，我局110kV电压等级的同塔双回线路平凤I线1267、平凤II线1268同时发生两相接地短路，其中平凤I线AB相故障，平凤II线AC相故障。上图5为发生故障时系统运行方式示意图，220kV平安站为电源侧，其110kV1M、2M并列运行，#3主变变中中性点直接接地；110kV凤凰站为终端站，110kV平凤Ⅰ线1267由凤凰站110kV旁路1031开关代路运行。平凤I、II线两侧的保护均为RCS-941B保护装置加装FOX-40F光纤接口装置的配置。

由动作报告知故障发生后保护动作情况如下：

由此可见，故障发生后，平凤II线两侧的纵联距离和纵联零序保护均在30ms内快速动作，平凤II线故障持续80ms左右；平凤I线两侧的主保护未动作，而是由平凤I线平安站侧的后备保护切除故障，平凤I线故障持续640ms左右。由于平凤II线切除后平凤I线凤凰站侧为弱电源侧，该侧无短路电流流向线路故障点，保护没有出口。在平凤I线故障的前提下，我们期望主保护能正确、快速动作，下面研究上述情况中RCS-941B主保护未能及时出口的原因。

3.2保护动作分析

整个故障过程可分解为两个阶段，首先是发生接地故障起至平凤II线两侧开关跳闸，其次是平凤II线两侧开关跳闸至平凤I线平安站侧开关跳闸。利用录波图对这两个阶段内故障量和保护动作正确性进行分析。

由于线路零序灵敏角为78度，所以在3超前3角度为12度至192度的范围内，零序正方向元件应动作。

第一阶段（平凤II线两侧开关跳闸前）：

a.平凤II线1268平安站侧：

相电流、相电压及零序电流电压相位关系如图6。由于3超前3约118度，保护判零序功率为正方向，3有效值为6.80V，保护立即发允许信号同时收到对侧允许信号。AC相间阻抗约1.56＜76°，落在距离I段阻抗圆内。综上，纵联距离，纵联零序方向及距离I段正确动作。

b.平凤I线1267平安站侧：

相电流、相电压及零序电流电压相位关系如图7。3超前3约63度左右，保护判零序功率为反方向，不向对侧发允许信号，本侧纵联保护不动作。

图7220kV平安站110kV平凤I线1267相电流、相电压、零序电流电压相位图

Fig7Phasediagramshowingphasecurrents，phasevoltagesandzerosequencecurrentandzerosequencevoltageofPingfengIcollectedbyPing’anSubstation

AB相间阻抗约为2.44Ω∠，落在距离I段阻抗圆圆外，距离II段阻抗圆圆内。3有效值约6.7A，该侧保护零序过流I段退出，II段定值1.00A。综上，纵联保护应不动作，距离II段、零序过流II段正确动作。

a.平凤II线1268凤凰站侧：

相电流、相电压及零序电流电压相位关系如图8。3超前3约170度，保护判零序功率为正方向，保护立即发允许信号并收到对侧允许信号。AC相间阻抗为0.56Ω∠，距离方向阻抗定值2.18Ω，落入纵联距离阻抗圆内。3有效值约30A，零序方向过流定值1.5A。综上，本侧纵联距离、纵联零序方向保护正确动作。

图8110kV凤凰站110kV平凤II线1268相电流、相电压、零序电流电压相位图

Fig8Phasediagramshowingphasecurrents，phasevoltagesandzerosequencecurrentandzerosequencevoltageofPingfengIIcollectedbyFenghuangSubstation

b.平凤I线1267凤凰站侧

相电流、相电压及零序电流电压相位关系如图9。3和3基本上同相位，保护判零序功率方向为反方向，不向对侧发允许信号，本侧纵联保护不动作。

对比凤凰站平凤I、II线保护的故障录波图可以发现：A相电流有效值都很小，这是由于平凤I线发生AB两相接地，平凤II线发生AC两相接地时，故障点处A相短路电流基本由平安站侧提供；平凤I线B相电流与平凤II线B相电流大小相等，相位相差180度，这是由于平凤I线故障点B相短路电流有一部分是由电源侧经平凤II线非故障相B相线路提供的，短路电流由凤凰侧母线流向故障点；平凤I线C相电流亦与平凤II线C相电流大小相等，相位相反，原理同B相。

由此可知，因平凤II线凤凰侧保护距离方向元件动作，所以本侧测量阻抗为反方向，距离方向元件不动作。由于本侧的四段零序保护都经方向，故零序过流保护也不动作。

图10110kV凤凰站110kV平凤I线1267相电流、相电压、零序电流电压相位图

Fig10Phasediagramshowingphasecurrents，phasevoltagesandzerosequencecurrentandzerosequencevoltageofPingfengIcollectedbyFenghuangSubstation

相电流、相电压及零序电流电压相位关系如图10。平凤II线两侧开关跳开后，本侧为弱电源侧，无短路电流流向故障点，仅有负荷电流流过本侧保护，相电压和相电流相位相差180度。3和3基本同相位，保护判零序功率为反方向，故不向平安侧发允许信号，本侧纵联保护不动作。由于测量阻抗为反方向，距离保护不动作。四段零序过流保护经方向，故不动作。

值得注意的是，由录波图知本侧保护在保护起动后71ms发信，92ms发信结束，这说明在这21ms的时间内保护判为正方向故障，这可能是由于在平凤II线开关未完全跳开期间装置正方向元件曾短时动作，而在平凤II线完全分开后，保护判为反方向，故停止发信（尽管对侧收到允许信号，平凤I线纵联保护仍未动作，原因见f）。

b.平凤I线1267平安站侧：

相电流、相电压及零序电流电压相位关系如图11。平凤II线两侧开关跳开后，平凤I线C相电流恢复负荷电流。

平凤II线开关未完全断开前，平凤I线凤凰站侧保护短时判为正方向，并向本侧发21ms的允许信号。由本侧保护录波图知，平凤II线开关跳开后3超前3约93度，保护判定零序功率为正方向，于保护起动后81ms发信给对侧。本侧保护起动后77ms收到对侧允许信号，81ms发信即本侧正方向元件动作，直至98ms不再收到对侧允许信号，但由于RCS-941B保护躲功率倒向的25ms延时（即保护起动后连续50ms未收信则纵联保护动作需经25ms延时），因此平凤I线平安侧纵联保护在收到允许信号时未动作。

图11220kV平安站110kV平凤I线1267相电流、相电压、零序电流电压相位图

Fig11Phasediagramshowingphasecurrents，phasevoltagesandzerosequencecurrentandzerosequencevoltageofPingfengIcollectedbyPing’anSubstation

AB相间阻抗约为2.18Ω∠（距离II段定值11.70Ω），落在距离II段阻抗圆内；B相接地阻抗约为1.71Ω∠，处于距离Ⅰ段阻抗圆动作边界外（接地距离保护偏移角为，灵敏角为，在临界动作阻抗为1.69Ω）。3有效值约7.2A（零序过流I段退出，零序过流II段定值1.00A）。综上，距离II段和零序过流II段正确动作。

3.3小结

110kV平凤I线1267凤凰站侧保护的“弱电源侧”控制字为投入。弱电源回答功能主要用于解决终端线路故障时，弱电源侧保护由于故障特征不明显，正方向元件不能动作从而导致两侧纵联保护都不动作的问题[4]。本例中，由于反方向元件动作，所以弱电源回答不能实现。

综上所述，在110kV平凤I线1267、110kV平凤II线1268同时发生接地故障后，110kV平凤II线1268两侧保护正确动作，重合闸正确动作；110kV平凤I线1267平安侧保护正确动作，重合闸正确动作，且主保护不动作符合装置保护逻辑。

由于该次故障的特殊性，使用零序反方向元件优先原则的RCS-941B保护在平凤I线发生故障时纵联保护未能动作出口，零序功率方向元件判为反方向故障闭锁保护向对侧发允许信号，导致双回线同时故障时无法同时快速切除。同时，在平凤I线一侧保护在短时收到对侧允许信号，且该侧正方向元件动作时纵联保护因RCS-941B躲功率倒向的25ms延时而未动作。令零序反方向元件动作闭锁主保护的初衷是防止功率倒向误动，鉴于上述情况，它也对保护动作的快速性带来不利影响。

4改善方法

使用纵联电流差动保护（如RCS-943A）可以避免上述情况的发生：纵联电流差动保护不使用方向元件，而是将保护装置收到对侧传来的信号（例如光纤电流差动保护通过光纤传送光信号）转换成电信号再与本侧的

电流信号构成差动保护，也就避开了功率导向的问题。在上文所述的平凤I线主保护未动作的案例中，如果将保护装置替换为纵联电流差动保护，则能够在同塔双回输电线路同时出现故障时快速可靠动作切除故障。

参考文献：

[1]张保会，尹项根.电力系统继电保护.中国电力出版社.2005，5.136-137

[2]南瑞继保.RCS-941系列高压输电线路成套保护装置技术和使用说明书.

[3]国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材[M].2009，4.270-272.

[4]唐卓尧等.广东省电力系统继电保护反事故措施及释义（2007版）[S].中国电力出版社.2008.12

[5]南瑞继保.RCS-943系列高压输电线路成套保护装置技术和使用说明书