110kV线路方向四边形距离保护
1 项目背景
距离保护是利用短路时电压、电流同时变化的特征，通过测量保护安装处电压、电流的比值，反应故障点到保护安装处的距离的一种保护，又称之为阻抗保护，在输电网中具有受系统运行方式影响小、保护范围稳定等优点，在110kV及以上电压等级的线路保护中得到了广泛的应用。目前，国内外的高压/超高压线路保护中，除配置有纵联保护外，基本上还配置有三段式距离保护，其中距离Ⅰ段和距离Ⅱ段为主保护，距离Ⅲ段为后各保护。简单而言，在110kV及以上电压等级的线路保护中，距离保护有着不可替代的作用和地位。
为了实现保护的可靠性、选择性、快速性以及灵敬性的要求，距离保护需要满足以下要求：
(1).在线路金属性短路故障时，继电器能够正确测量出母线与短路点之间的阻抗或距离；
(2).在线路经过渡电阻短路故障时，能够防止稳态超越引起的误动等情况； (3).在线路短路故障时，有明确的方向性，即能够保证正向出口短路时保护不拒动，反方向背后母线短路时，保护不误动；
(4).在最小负荷阻抗时，应能够保证保护不误动； (5).系统振荡时不误动。再发生区内故障时不拒动。
上述中的第(1)项是距离保护实现的基础，相关的理论研究已经非常成熟，国内外的距离保护都可满足该项的要求:第(2)(3)4)项主要与过渡电阻对距离保护的影响有关，过渡电阻会导致保护失去选择性和方向性，导致保护出现稳态超越动作和方向性误动等问题，需要研究过渡电阻故障情况下的距离保护动作性能和改进方案；同时，由于线路的最小负荷阻抗与高阻接地时的短路阻抗在阻抗平面上存在交集，导致最小负荷阻抗可能引起距离保护(特别是后备段)误动作，也可以得知保护的耐受过渡电阻能力与躲负荷能力之间存在矛盾,传统的距离保护躲负荷的阻抗整定方法无法较好地解决该问题，需要进一步研究新型的躲负荷保护方案。第(5)项主要与振荡情况下的距离保护动作性能有关，我国提出的振荡解决方案可以很好地保证系统振荡时距离保护不误动，并在故障时能够可靠开放
距离保护。
目前，在距离保护中广泛采用的动作特性主要有阻抗平面上的圆特性和四边形特性，且都有成熟的产品在现场应用，并基本都运行良好，在合理整定的条件下基本完成了，上述的电力系统对距离保护的要求。但随着电力系统的发展，超高压输电线路得到了越来越广泛的应用，城市电网的电压等级也不断升高，出现了更多的重负荷超高压输电线路，使得上述距离保护存在的一些问顾也变得较为迫切和重要，如过渡电阻导致保护超越动作、距离保护失去方向性、线路重负荷导致保护误动等问题。
在目前的距离保护中，一般来说四边形特性的距离保护具有兼顾耐受电阻能力和躲负荷能力的特点，特别是在接地短路情况下，可以较好地解决稳态超越问题，在重负荷线路的保护中得到了一定的应用。四边形特性距离保护的主要特性如下:
(1).采用不同元件实现保护的距离测量功能、方向判别功能和躲负荷功能，通过单独整定各个动作元件可以兼顾耐受过渡电阻能力和躲负荷能力；
(2).在接地短路情况下，等序电抗继电器对过渡电阻有一定程度的自适应能力，可以较好地解决稳态超越问题；
(3).动作判据较多，实现较为复杂，数据处理和计算的工作量更大； (4).躲负荷等参数整定较为困难；
(5).受电侧存在同相问题，需要有相关的解决方法；
(6).由于采用保护安装处的零序电流相位代替故障点电流的相位，在重负荷、长线路、高阻接地等情况时会导致保护范围缩小，动作灵敏性降低、故障测距不准确等问题；
(7).一般不可以单独采用电抗元件，需要与方向元件、选相元件等其他保护元件共同配合。
由于历史原因，在我国的距离保护应用中，更多采用的是姆欧圆动作特性的距离保护，学者和科技工作者也都更为熟悉和了解姆欧圆动作特性的距离保护，而对四边形特性的距离保护介绍的不多，且专门介绍四边形特性距离保护的书籍和相关资料也不多，在工程应用中，除了四方、南自等厂商采用了四边形特性的距离保护，更多的厂家采用的是圆特性的距离保护，如国电南瑞、南瑞继保、深
圳南瑞和许继电气等。在国外的距离保护应用中，一般都会同时配有圆特性和四边形特性的距离保护，以方便用户根据实际的保护应用场合选择合适的动作特性，如ABB、西门子、GE、SEL等。
2 三段式距离保护基本原理和整定计算
2.1
三段式距离保护基本原理
四边形特性距离继电器在阻抗平面上的特性如图2.1所示，其包含三个动作元件X、D、R，分别实现距离测量功能、方向判别功能和躲负荷功能。每个动作元件的动作方程如下所示：
图2.1 四边形特性距离保护阻抗平面示意图
(1)元件的介绍
X元件完成距离测量功能，其特性如图1.1中直线X特性。采用X元件主要是为了区分正方向区内外故障，并提高保护的耐受过渡电阻能力。直线X向下倾斜一个角度，解决保护中的稳态超越问题，但是直线X向下倾斜-个角度同时也降低了保护对过渡电阻的覆盖能力。
在目前的四边形特性距离保护中，电抗特性元件的采用主要是为了解决保护中的稳志起越动作问题，电抗特性元件(X元件)一般采用零序电抗特性，或者同时配备零序电抗特性和负序电抗特性，以方便用户根据具体的应用场合和要求选择合适的电抗特性。
方向元件D元件完成保护中的方向判别功能。需要说明的是，采用图2.1中.的折线D是无法解决出口处正向故障时保护拒动和出口处背后母线故障时保护误动的问题，即正向死区问题和出口处失去方向性问题，因此D元件中的电压需要采用正序电压或者健全相电压，对于三相短路故障，还需采用记忆电压。
在实际的保护应用中，通过采用合理的极化电压为保护特性堤供可靠的乃间保护，如采用记忆的正序电压或者实际的正序电压作为极化电压。对于采用记忆
的或者实际的正序电压作为极化量的圆特性距离保护得到了广泛的研究,基本上可以实现保护方向性的要求。在目前的四边形特性距离保护中，由于电抗特性X元件只能实现距离测量功能，不能区分正方向故障和反方向故障，因此需要采用单独的方向元件D元件才可以实现保护的方向性要求。
躲负荷元件R元件完成保护中的躲负荷功能。需要说明的是, R元件的存在同样降低了保护对过渡电阻的覆盖能力，在R元件的特性整定时，必须综合考虑躲负荷要求和耐受过渡电阻能力。在目前的四边形特性距离保护中，其躲负荷的实现主要有两种方式:一是直接通过躲负荷元件 R元件实现躲负荷功能:二是躲负荷元件与负荷限制继电器配合实现躲负荷功能。前一种方式中，躲负荷元件的整定还需要考虑对保护耐受过渡电阻能力的影响;后一种方式中，由于负荷限制继电器的存在，对躲负荷元件的整定要求可以不高，配合提高保护的耐受过渡电阻能力。躲负荷的整定原则一般也存在两种方式:一是躲负荷元件通过四边形阻抗缝电器中的R元件实现，且R元件的偏转角为线路灵敏角:二是从负荷阻抗特性的角度提出躲负荷整定原则，将R元件或者负荷限制继电器的偏转角固定为60°。
定值：Xset，Rset 。
θ1(15°~ 30°)：保证出口经过渡电阻Rg短路时能可靠动作。
θ2(15°)：保证高压线路金属性短路且有测量角误差时仍能可靠动作。 θ3( ≤φlm=φd 一般取45°或60°)：躲区内短路的过渡电阻。 θ4(7°~10°)：防末端区外经Rg短路时可能出现的超越误动。 (2)方向四边形距离保护的整定原则
如图2-2所示三段距离保护电阻定值Rset皆相同，电阻定值应考虑躲过可能的最大负荷情况并具有1.5倍以上的裕度：二次值：额定电流5A时：Rset<
0.9UN0.9*100?=7Ω，额定电流1A时Rset<35Ω。而各段电抗定值Xset
1.5*3IN1.5*3*5各不相同：XIset