基于距离保护的输电线路继电保护设计研究.pdf

2023 年 10 月Oct.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.011基于距离保护的输电线路继电保护设计研究（安徽建筑大学，安徽 合肥 230022）摘要 以220 kV电网输电线路继电保护设计为研究目的，对电网运行方式和输电线路继电保护进行分析；以距离保护的为例，通过MATLAB/Simulink仿真软件对单侧电源单回路的220 kV电网输电线路系统和距离保护模块进行建模、仿真模拟。仿真结果显示，该设计满足保护的要求。关键词 继电保护；220 kV；距离保护；仿真中图分类号TM773文献标识码A文章编号1672蛳9943（2023）05蛳0036蛳030引言电力系统的复杂性和多样性与日俱增，覆盖的范围也在增大。目前电力系统逐渐向大规模供电容量、跨区域传输、高电压等级和直流输电领域靠拢，因此对所配置的继电保护设施要求更加严格和规范咱1-3暂。电网中，继电保护系统的设计与配置问题直接影响其安全运行。若保护方法设计或结构不合理，则保护装置会产生误动或拒动，使事故范围进一步增大，电力品质下降，对国民经济造成影响，甚至会引起人员及设备等安全事故的发生。如何合理地选择保护方法，进行准确地整定和计算，选用可靠的保护设备，是确保电网安全运行的关键咱源暂。1输电线路继电保护分析一般情况下，继电保护装置由测量部分、逻辑部分和执行部分 3 个部分组成，其装置的原理结构如图 1 所示。图 1继电保护装置的原理结构220 kV 电网是目前主要的输电网络，它的线路联系密切。为了保证系统的稳定，要求能够迅速切除出现的故障。一般情景下，对于 220 kV 输电线路，需要使用的是 2 种全线速动的保护，并且该线路的后备保护方式选择的是近后备方式。当近端出现故障时，主保护整定时间的要求不超过 20 ms；当远端出现故障时，主保护整定时间要求不超过 30 ms（不包括通道传输中的时间）。220 kV 电网输电线路的继电保护装置，分为纵联保护、零序电流保护和距离保护。纵联保护工作时，需要与通信通道相配合，若通信通道发生意外情况，纵联保护的正确动作率常常低于其他保护；零序电流保护通常存在着灵敏性不足的问题，并且由于零序电流很大，会对其正常运行产生影响，而距离保护不存在这些问题。由距离保护的工作原理可知，系统的运行方式对它的各段保护的性能影响比较小，并且保护范围不会因为短路种类的不同而发生变化，保护范围是比较稳定的。所以可以运用在多电源复杂的网络中，对于不要求全线速动的高压线路，可以选择距离保护作为线路的主保护。综合考虑，本文选择距离保护来实现对 220 kV 电网输电线路的继电保护。2输电线路保护设计220 kV 输电线路的保护线路分为单侧电源单回路线路和双电源单回路线路。但双电源单回路线路主保护选择使用纵联保护，而本文主要研究距离保护，故采用单侧电源单回路线路。其系统线路图如图 2 所示。其中，电压源的线电压为 10.5 kV，内阻为Zg=（0.008 929+j0.052 061 2）；变压器的容量为 100 MVA，按照 Yg-Yg 的方法接线；线路AB和线路BC的长度为 100 km，线路AB和线路BC的正序阻抗选择值都为Z1=（0.05+j0.3）/km，它们的零序阻抗选择值都为Z0=（0.15+j0.9）/km；负荷容量为SLD=（12+j9）MVA。基金项目：大学生创新创业训练计划项目基金（JZDX20220291、S202010878247、JZDX20220293、JZDX20220288）；安徽省高校省级自然科学研究项目（KJ2020A0487）整定值输入信号输出信号测量部分逻辑部分执行部分能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5362023 年 10 月Oct.,20233距离保护仿真3.1距离保护仿真模型距离保护仿真模型由电源、变压器、断路器、输电线路和故障发生器组合而成，进而实现距离保护的目标。仿真模型如图 3 所示。程秀芝，等基于距离保护的输电线路继电保护设计研究图 3距离保护模块仿真模型3.2仿真结果分析3.2.1120 km 处发生故障时的电压、电流波形仿真以 120 km 处发生各类故障为例。（1）设置AB相间短路故障，这种情况下，可以得到测量电压和测量电流的波形如图 4 所示。从图中可以看出，AB两相电压幅值下降，电流幅值上升；C相的电压、电流基本不发生变化。（a）AB 相间短路时的测量电压波形（b）AB 相间短路时的测量电流波形图 4AB 相间短路时电压和电流波形仿真（2）设置AB两相接地短路故障，这种情况下，可以得到测量电压和测量电流的波形如图 5 所示。从图中可以看出，AB两相电压幅值下降，电流幅值上升；而C相电压则保持不变，电流也不变。图 2单侧电源单回路线路系统10.5 kV10 kV10/220 kVABC220 kV100 km100 kmS用户电源变压器断路器电压电流故障模块段段保护动作情况相间段零序补偿距离相间段零序补偿距离零序补偿距离相间段段OROROROR时间/s21.510.50-0.5-1-1.5-2-2.50.10.150.20.250.30.350.4时间/s1 5001 0005000-500-1 000-1 5000.10.150.20.250.30.350.4abcABCABCYg YgVIabcABCabcABCabcABCabcABCABC112311231123112311231123372023 年 10 月Oct.,2023（a）AB 两相接地短路时的测量电压波形（b）AB 两相接地短路时的测量电流波形图 5AB 两相接地短路时电压和电流波形仿真这 2 种故障的情况下，距离保护三段的动作情况如图 6 所示。从图中可以发现，当设置 120 km 处发生故障时，不管是哪种故障，距离保护段不发生动作；距离保护段发生动作，并且动作时间有0.6 s 延迟；距离保护段也发生动作，并且动作时间有 1.1 s 延迟，满足设计的要求。（a）距离保护段动作情况（b）距离保护段动作情况（c）距离保护段动作情况图 6距离保护三段在 2 种故障下的动作情况3.2.2不同距离处发生故障的动作结果选择 40、120、190 km 处发生故障，最终的动作结果如图 7 所示。从图中可以看出，动作时间分别为 0.1、0.6、1.1 s，满足设计的要求。（a）40 km 故障保护动作情况（b）120 km 故障保护动作情况（c）190 km 故障保护动作情况图 7不同供电距离发生故障的保护动作情况（下转第 55 页）时间/s2.521.510.50-0.5-1-1.5-2-2.500.050.10.150.20.250.30.350.40.45时间/s2 0001 5001 0005000-500-1 000-1 5000.050.10.150.20.250.30.350.40.45时间/s0.20.40.60.81.21.41.61.8012时间/s0.20.40.60.81.21.41.61.801210-110时间/s0.20.40.60.81.21.41.61.801210时间/s0.20.40.60.81.21.41.61.801210时间/s0.20.40.60.81.21.41.61.801210时间/s0.20.40.60.81.21.41.61.801210能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5382023 年 10 月Oct.,2023（上接第 38 页）4结论通过改变“Three-Phase PI Section Line”模型的参数，可以控制故障发生的地点。由仿真结果可知，距离保护对各种故障都起保护作用。距离保护段所保护的范围为 85 km 之内的输电线路，距离保护段所保护的范围为 150 km 之内的输电线路，距离保护段所保护的范围为全部的输电线路。参考文献1罗信庄.电力系统 220 kV 输电线路施工技术 J.中国新技术新产品，2016（3）：111.2金超亮，周原，李化，等.220 kV 母线高压电抗器投切对电力系统的影响 J.广东电力，2017，30（5）：119-123.3喻泓成.220 kV 以下电力系统继电保护整定探讨 J.魅力中国，2017（3）：60-61.4陈莫勇.110 kV 电力系统继电保护探究 J.通讯世界，2016（11）：167-168.作者简介程秀芝（1975-），女，副教授，工学硕士，长期从事电气工程研究工作。收稿日期：2023-03-20图 3试验钻孔与对照钻孔第 1 个月瓦斯抽采浓度分析图 4试验钻孔与对照钻孔第 2 个月瓦斯抽采浓度分析由图 3、4 分析可知，在第 1 个月的时间轴线上，对照组的 8 个抽采孔的单孔浓度为 5.6%21.3%，平均抽采浓度为 11.5%。试验组抽取的 12 个抽采孔瓦斯浓度为 12.7%33.6%，平均浓度达 23.8%，试验组钻孔平均抽采浓度比对照组钻孔抽采浓度提高 107%，表明取得了较好的抽采效果，且封孔后流量与浓度能够快速升高。在抽采第 2 个月时间内，对照组的 8 个抽采孔的单孔浓度为 1.1%3.7%，平均抽采浓度为 2.2%；试验组钻孔抽采浓度为 0.9%4.4%，平均浓度 2.7%；试验组钻孔比对照组钻孔抽采浓度提高 22.7%。因此，经过优化设计后的试验组钻孔具有更加显著的抽采效果，瓦斯抽采浓度较高，且高浓度抽采时间持续较长。根据瓦斯浓度与时间横轴的分析对比，对照组钻孔在历经 45 d 时出现低浓度的急速衰减，而试验组钻孔经过 55 d 后出现低浓度的衰减拐点，但是此时瓦斯抽采浓度仍高于对照组钻孔抽采浓度。这说明优化设计后，延长了瓦斯的抽采周期，有利于后期进行抽采效果评价。4结论（1）经过对比实验，优化钻孔设计后，将终孔位置控制在煤层顶板以上 25 m 范围，能够提高瓦斯抽采浓度，达到理想的抽采效果。相较于原设计终孔层位为过煤穿岩 0.5 m，抽采浓度在第 1 个月提高了 107%，第 2 个月提高了 22.7%，能够保持较高浓度的抽采水平。（2）优化设计之后，试验组钻孔比对照组钻孔的瓦斯抽采衰减周期延长了近 10 d，且能够保持较高位浓度的抽采，有利于缩短工作面的瓦斯预抽期、快速达到抽采评价条件，确保工作面的顺利接替。参考文献1郭盼盼.穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯布置方式研究 J.能源技术与管理，2021（6）：54-55.2 崔宝库，张根.不同布置方式下穿层钻孔瓦斯抽采数值模拟研究 J.能源与环保，2020（8）：45-49.3 郝从猛.突出煤层水力冲孔卸压消突合理出煤率考察研究 J.华北科技学院学报，2022（4）：60-64.4 柴锡军，杨程涛，熊俊杰.煤层水力冲孔喷嘴的设计研究 J.煤矿机械，2022（11）：15-17.5 王敏.“两堵一注”带压注浆封孔工艺在上社煤矿的试验应用 J.煤炭与化工，2021（5）：97-100.作者简介陈刚（1985-），男，工程师，毕业于河南理工大学采矿工程专业，长期从事煤矿生产技术管理工作。收稿日期：2023-02-15瓦斯抽采天数/d101520253054035302520151050试验钻孔对照钻孔试验钻孔对照钻孔瓦斯抽采天数/d1015202530554.543.532.521.510.50能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.555