中外微機型輸電線路繼電保護之比較摘要：通過對幾種中外微機型輸電線路繼電保護進行的比較，分析了它們的特點，并就一些關(guān)鍵技術(shù)進行了探討。

關(guān)鍵字：微機保護線路保護重合閘收發(fā)訊機0前言微機型繼電保護由于具有功能強、維護調(diào)試方便等一系列優(yōu)點，自問世以來就受到普遍重視與歡迎，近年來更是在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。由于輸電線路保護在繼電保護中具有重要地位，且隨著超高壓、長距離輸電線路的發(fā)展，對輸電線路保護的功能提出了更新更高的要求，加之輸電線路保護本身具有的復(fù)雜功能和邏輯，使微機保護在輸電線路保護這一領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合自身體會，對國內(nèi)外常用的幾種微機型線路保護裝置的一些特點進行了分析與比較，主要側(cè)重于原理與功能方面的探討。這里介紹的保護裝置是國產(chǎn)WXB-11型線路微機保護和美國SchweizerEngineeringLaboratary推出的SEL-321型線路保護裝置、SEL-279型自動重合閘裝置和ABB公司的TCF-10B型移頻式高頻收發(fā)訊機。1裝置簡介WXB-11型微機線路保護采用插件式結(jié)構(gòu)，設(shè)置了硬件完全相同的高頻、距離、零序、綜重4個插件，每個插件獨立完成一種保護功能。其人機對話功能通過打印機和人機對話插件完成。同高頻收發(fā)訊機配合可以實現(xiàn)110kV及以上電壓等級的輸電線路繼電保護的全部功能。此外，該保護能儲存故障前20ms和故障后40ms的各相電壓、電流采樣值并打印出來，相當于故障錄波，并具有故障測距功能。

SEL-321型微機保護采用一體化機箱，面板上設(shè)有液晶顯示屏和控制按鈕，正常運行時可以從液晶顯示屏上讀出各相電壓、電流有效值，并且可以顯示日期等信息。該裝置具有15個可編程觸點輸出，面板上還設(shè)有一個RS-232標準串行口，可以與個人電腦聯(lián)接，這樣可以方便地進行整定和事件報告。保護動作前后的電壓、電流及各部分的動作過程都記錄在事件報告中，供運行人員查閱。在保護功能方面，具有四段三相/相間阻抗圓；兩段振蕩閉鎖用矩形阻抗特性；兩段負荷阻抗特性；四段接地阻抗圓；四段矩形接地阻抗特性；四段反時限相電流過流元件并模擬復(fù)歸功能；反時限負序/零序電流元件(以上電流元件可由功率方向或阻抗元件控制)；四段瞬動或定時限負序電流/零序電流元件。除了以上保護功能外，該保護也具有故障測距功能。該保護本身不具備重合閘功能，該功能由其他裝置來實現(xiàn)。該保護可以與高頻收發(fā)訊機配合，構(gòu)成輸電線路的全線速動保護。2阻抗元件在WXB-11型微機線路保護中，高頻部分和距離部分各自設(shè)有獨立的相間阻抗元件，距離部分還設(shè)有接地阻抗元件(阻抗元件均采用多邊形特性)，如圖1所示。圖1WXB-11型微機保護阻抗元件動作特性阻抗元件動作特性確定為多邊形，一是因為通過阻抗計算求得的X和R分量和此動作特性相比較以判斷是否在區(qū)內(nèi)最方便；二是此種特性容易滿足長線路和短線路的不同要求。對短線路可以加大RDZ/XDZ值，以增強允許過渡電阻的能力；對長線路則可以減小RDZ/XDZ值，以避越負荷阻抗。圖中第二象限和第四象限的邊界線均傾斜15°，是因為tg15°≈1/4，實現(xiàn)最方便。為了提高長線路避越負荷阻抗的能力，多邊形的一邊與實軸的夾角選定為60°，α角的選擇原則應(yīng)以躲區(qū)外故障時的超越為準。

SEL-321的阻抗動作特性則比較復(fù)雜。圖2是三相/相間阻抗特性，圖3是接地阻抗特性。圖2SEL-321型微機保護的三相/相間阻抗特性圖3SEL-321型微機保護接地阻抗特性從以上圖中可以看出，SEL-321的三相/相間阻抗特性是典型的方向阻抗圓特性，振蕩閉鎖用的阻抗特性則采用矩形特性。所有阻抗特性都可以設(shè)置為正/反方向，其接地阻抗特性則分為方向圓特性和矩形兩種，正向三段，反向一段，可在整定時選擇所需的阻抗特性。3啟動元件和振蕩閉鎖WXB-11型微機線路保護的高頻、距離、零序、綜重4個插件中都設(shè)有各自的由差突變量原理構(gòu)成的啟動元件，用于啟動各自的判別程序。4個啟動元件還可以驅(qū)動中間繼電器QDJ，除綜重以外的三個QDJ接成三取二回路，即只有當三個QDJ中有兩個動作時，跳閘回路才允許開放。此外，高頻插件中的QDJ還可以驅(qū)動QXJ，啟動收發(fā)訊機發(fā)訊。

SEL-321型微機保護中的各段相間/三相阻抗元件和接地阻抗元件都設(shè)有各自的過電流啟動元件，可獨立整定，用于啟動各段阻抗元件。

這兩種微機保護中都設(shè)有振蕩閉鎖元件。WXB-11型微機保護除了常規(guī)的阻抗三段之外，按感受阻抗先有突變而后持續(xù)0.1s不變的原理來檢出振蕩中的短路故障，從而設(shè)置了帶0.2s延時的相間一段和接地一段，該原理動作條件如下：

a.感受阻抗先有一個突變；

b.阻抗突變后又在0.2s內(nèi)電阻分量變化很??；

c.阻抗0.2s均在一段范圍內(nèi)。

當滿足上述三個條件后，保護動作不再選相，一律跳三相。

SEL-321型的振蕩閉鎖原理與傳統(tǒng)的同心圓振蕩閉鎖原理相同，只是動作特性由同心圓改為兩個矩形，如圖2。當感受阻抗在這兩個矩形之間的停留時間長于設(shè)定值時，保護的有關(guān)各段將被閉鎖，被閉鎖的時間也可以整定。4控制與邏輯WXB-11的各項控制功能是由控制字來實現(xiàn)的。4個獨立的保護元件中均有各自的控制字，每個控制字由16位二進制數(shù)來表示，若置“1”則投入該功能，置“0”則閉鎖該功能。這些控制字作為定值的一部分，確定了保護的功能。

SEL-321的控制與邏輯功能是通過一種名叫SEL-logic的邏輯表達式來表示的。該保護的每段保護區(qū)、振蕩閉鎖元件和各項內(nèi)部固定邏輯(如手合故障線路等)都有固定的邏輯變量與之相對應(yīng)，還可以人為設(shè)置一些邏輯變量，這些邏輯變量與邏輯運算符配合構(gòu)成了邏輯表達式，從而大大豐富了保護功能提高了保護靈活性，可以適應(yīng)不同的保護要求，這可以說是SEL-321獨具特色的一項功能。這里舉兩例說明：

例1.MTCS=M2P+Z2G

式中MTCS表示在高頻或其他通訊手段控制下的跳閘功能，M2P表示相間距離段，Z2G表示接地距離二段，“+”表示“或”邏輯，所以該式的意思是在相間距離二段或接地距離二段動作，并滿足通訊邏輯時，保護將出口跳閘。

例2.MTU=M1P+Z1G+M2PT+Z2GT+M3PT+Z3GT+51NT

式中MTU表示無條件跳閘，其他變量的含義是：

M1P——相間距離一段帶延時；

Z1G——接地距離一段帶延時；

M2PT、M3PT——相間距離二、三段帶延時；

51NT——零序反時限過流帶延時。

顯然上式的意思是以上任一種保護功能動作時，保護將無條件出口跳閘。5零序保護與過電流保護WXB-11的零序保護主要性能包括：

a.設(shè)置了4段全相運行時投入的零序保護、兩段非全相運行時投入的不靈敏段零序保護。各段零序保護的方向元件均可由控制字整定投入或退出；重合加速全相運行零序保護二、三、四段亦可由控制字分別投入或退出；后加速時間固定為0.1s，另外零序一段在重合閘后帶0.1s延時投入；

b.本裝置保護由IA或3I0突變量啟動，為防止電流互感器斷線導(dǎo)致零序保護誤動，特設(shè)置了3U0突變量閉鎖，此功能可由控制字整定投入或退出。

由以上可見，WXB-11的零序保護的核心是定時限過流特性，而SEL-321的零序保護除設(shè)有定時限過流元件之外，還設(shè)有反時限過流元件，同時SEL-321還設(shè)有定時限/反時限相電流/負序電流元件。大量使用反時限過電流元件是歐美繼電保護的一個重要特點，不僅早期的感應(yīng)型元件，后期發(fā)展起來的集成電路(SolidState)繼電保護以及微機保護中都廣泛采用了這種特性。美國和國際電工委員會(IEC)各自規(guī)定了4種反時限過流元件特性曲線及公式。

選擇哪一條反時限特性曲線完全取決于負荷特性和與其他相鄰繼電保護相配合。反時限特性特別適用于保護直配線、變壓器、電動機以及低壓配電線路，尤其是在線路有分支線，且分支線用高壓熔斷器保護時具有更優(yōu)秀的保護特性。在我國，反時限過流保護應(yīng)用的范圍很小，還沒有充分認識到它的優(yōu)越性，應(yīng)用反時限原理的繼電器也僅有感應(yīng)型和用電容充放電來模擬等幾種，作者認為在這方面應(yīng)向國外同類繼電保護學習。6事件報告WXB-11在系統(tǒng)故障時能通過打印機打印多種信息，如故障時刻、故障類型、短路點距保護安裝處距離、各種保護動作情況和動作時間順序及每次故障前20ms和故障后40ms各相電壓/電流采樣值。

SEL-321在以下四種情況之一時，產(chǎn)生事件報告。

a.保護出口跳閘；

b.鍵入Trigger(啟動報告)命令；

c.由SEL-logic控制的啟動報告的事件發(fā)生；

d.外部啟動。

產(chǎn)生的事件報告有4種形式，可根據(jù)需要任選一種：

a.摘要模式：簡要顯示故障信息及動作順序；

b.缺省模式：每隔1/4周期記錄一次采樣值及繼電器動作順序；

c.延長模式：每隔1/16周期記錄一次采樣值及繼電器動作順序；

d.計算機模式：通過RS-232標準串行口與PC機相聯(lián)，并應(yīng)用專門程序讀出事件詳細記錄并產(chǎn)生故障錄波圖。7高頻保護WXB-11型微機保護的高頻保護元件在相間故障時用高頻距離保護，單相接地故障時用高頻零序方向保護，但同裝置內(nèi)的距離和零序保護插件相互獨立。高頻保護自身帶有方向元件，其主要性能如下：

a.相電流差突變量啟動元件在電網(wǎng)發(fā)生故障時，啟動元件動作驅(qū)動QDJ，并首先執(zhí)行一個由相電流差突變量原理構(gòu)成的選相程序，判斷故障類型及相別；

b.若判斷為相間故障時，則計算故障相間阻抗，并由帶記憶的多邊形方向阻抗動作特性判別方向；正方向時，驅(qū)動TXJ動作，并等待對側(cè)信息。在兩側(cè)均為正方向時出口跳三相，如果經(jīng)100ms不跳閘，進入振蕩閉鎖狀態(tài)，閉鎖高頻距離；

c.如判斷為單相接地故障，由零序方向元件判別方向，在對側(cè)也是正方向時出口跳閘，如判斷為反方向，立即進入振蕩閉鎖狀態(tài)；

d.通過控制字可以選擇閉鎖式或允許式兩種工作方式。

閉鎖式：由QDJ觸點啟動發(fā)信，由TXJ控制停信。裝置的收信輸入端子監(jiān)視收發(fā)訊機收信繼電器觸點的狀態(tài)，保護動作的判據(jù)是QDJ動作后至少連續(xù)5ms后收不到信號，并且本側(cè)在停信狀態(tài)。

允許式：不用QDJ觸點去啟動發(fā)信，而用TXJ常開觸點去控制發(fā)信，向?qū)?cè)發(fā)送允許信號。保護動作跳閘的判據(jù)是本側(cè)判斷為正方向，同時有收到對側(cè)發(fā)來的允許信號；

e.本裝置工作于閉鎖方式時，要求收發(fā)訊機具有遠方啟動功能。

SEL-321型微機保護本身不設(shè)有單獨的高頻保護，但是可以通過整定值選擇高頻保護邏輯，并與該保護中有關(guān)阻抗元件配合，構(gòu)成完整的高頻保護。SEL-321最常用的高頻保護邏輯叫做“方向比較解鎖式”(簡稱DCUB)，這是一種國外常見而國內(nèi)很少見的高頻保護邏輯，這里有必要做一介紹。

方向比較解鎖系統(tǒng)(DCUB)，在正常運行時連續(xù)傳送一個閉鎖信號，而在線路故障時傳送一個解鎖信號，這要求收發(fā)訊機是一種長期發(fā)訊移頻式收發(fā)訊機。正常運行時長期發(fā)送一個閉鎖(監(jiān)控)頻率，區(qū)內(nèi)故障時，發(fā)訊機將頻率改變?yōu)椤敖怄i”(跳閘)頻率。正常運行時發(fā)信功率為1W，區(qū)內(nèi)故障發(fā)訊機移頻后將發(fā)信功率增至10W。

簡化的DCUB邏輯框圖如圖4所示，保護示意圖和直流回路圖如圖5所示。如圖，每個斷路器的故障檢測元件應(yīng)檢測出被保護線路上的所有故障，它可以是相間/接地距離元件，也可以是方向元件，但必須將保護區(qū)延伸到下一線路始端。兩側(cè)的發(fā)收訊機使用不同的工作頻率，也就是說每臺收發(fā)訊機的發(fā)信頻率和收信頻率不同，這是DCUB邏輯一個獨具的特色。在正常運行時，收訊機收到對側(cè)發(fā)來的閉鎖頻率，解鎖頻率收不到，因此或1輸出為0，從而與1、與2輸出為0，或2輸出為0，RR不動作，CKJ不出口。區(qū)內(nèi)故障時，如FI，兩側(cè)故障檢測元件P均動作，啟動收發(fā)訊機將頻率移至解鎖頻率，并準備好跳閘回路，如果收訊機收到解鎖頻率，經(jīng)或2直接輸出啟動RR，從而CKJ出口跳閘，同時使與1輸出為0，停止計時。若由于區(qū)內(nèi)故障，信道被破壞，收訊機收不到解鎖頻率，這時由于兩個頻率都消失，或1輸出為1，與1輸出也為1，在時間元件計時未到150ms之前與2輸出也為1，從而經(jīng)或2輸出啟動RR出口跳閘。在150ms后，或2將被閉鎖，同時輸出閉鎖信號。區(qū)外故障時，如FE，很顯然兩側(cè)的P和RR只能有一個動作而不可能同時動作，保護不會出口跳閘。正常運行時，如果信道故障，兩個頻率都消失，則在150ms后閉鎖保護并發(fā)信號。圖4簡化的DCUB邏輯框圖圖5應(yīng)用DCUB邏輯的線路保護示意圖和直流回路圖DCUB邏輯與我國通用的閉鎖式和允許式高頻邏輯相比，既具有閉鎖式的可靠性，又具有允許式的安全性，同時由于采用長期發(fā)信，能起到信道監(jiān)視的作用，保證不會誤跳閘，只有在區(qū)外故障后150ms內(nèi)信道故障這種極惡劣的情況下保護才可能誤動。而且由于不需要啟動元件，簡化了直流回路，使得整套保護更加簡單可靠。以上這些優(yōu)點使這種邏輯成為高頻保護中最具優(yōu)越性的邏輯，在國外已泛應(yīng)用，技術(shù)上也十分成熟，而在國內(nèi)這種邏輯卻很少，我們應(yīng)當認真加以研究。

這里順便介紹一下DCUB邏輯所需要的TCF-10B型可編程移頻收發(fā)訊機，它除了具有前面介紹過的基本邏輯之外，還具有遠方跳閘功能，即在正常運行時，發(fā)訊機發(fā)出中心頻率fc，區(qū)內(nèi)故障時發(fā)出解鎖頻率fh=fc+Δf，遠方跳閘時發(fā)出另一個下移的頻率f1=fc-Δf,fc可在面板上整定，Δf則取決于收發(fā)訊機帶寬。這套收發(fā)訊機采用插件式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部主要采用集成電路元件和晶體振蕩器。此外，TCF-10B還可以選擇設(shè)置語言接口插件，可聯(lián)接電話進行全雙工通信。8重合閘在我國，對于重合閘裝置的基本要求是能確定故障相，能檢無壓或檢同期，在故障后經(jīng)一定延時重合，且只重合一次。WXB-11的綜重元件靠軟件來實現(xiàn)了以上功能。對于轉(zhuǎn)換性故障，在單跳后又三跳時，由軟件保證重新計時，軟件同時設(shè)置一個計數(shù)器，以模擬重合閘電容充電，每次上電復(fù)位或重合后都有15s的充電時間準備，以防止多次重合。如保護發(fā)出單跳令，但充電未準備好，此時將由綜重發(fā)三跳令，以防止線路長期非全相運行。

而在國外，在高電壓輸電線路上常采用瞬時重合閘，即在斷路器跳開后立即重合，不經(jīng)延時也不檢同期，這是因為國外的輸電線路大都采用多回線環(huán)網(wǎng)供電，且采用全線路速動保護。此外國外還通常采用多次重合閘，每次重合閘的時間可以整定。參考文獻［1］認為多次重合閘確實能提高重合成功率，但是第二、三次重合成功率要明顯小于第一次重合。

SEL-279就是根據(jù)以上原則設(shè)計的微機型重合閘裝置，它用軟件模擬一個多觸點的時間繼電器，如圖6所示。圖6SEL-279的時間特性從圖上可以看出，這個時間繼電器共有8個重合時間整定點MT1D至MT8D，一個閉鎖時間整定點MTPD。每個整定點的延時均可獨立整定，也可以不整定。對于每個重合閘整定點，可分別通過控制字來整定為非同期，檢無壓或檢同期。當斷路器跳閘啟動重合閘后，重合時間繼電器動作，每到達一個整定點，如果滿足該點所規(guī)定的重合閘條件即可發(fā)重合令，如不滿足就繼續(xù)計時，直至到達合適的整定點。如果重合成功，則時間繼電器繼續(xù)計時至MTPD，然后啟動復(fù)位定時器(<時間另行整定)，復(fù)位計時器時間到后，回到起始(復(fù)位)狀態(tài)。如在某一整定點重合不成功，重合時間繼電器繼續(xù)計時，到達下一個重合整定點再發(fā)重