過渡電阻對距離保護(hù)的影響及解決方法

1、過渡電阻對距離保護(hù)的影響及解決方法張偉導(dǎo)師：劉自發(fā)（華北電力大學(xué)、電氣與電子工程學(xué)院研電1006 班，1102201024)0前言隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越龐大，電壓等級 越來越高，如何有效、安全、可靠地提高 輸送能力，是我國電網(wǎng)面臨的迫切需要解 決的問題。繼電保護(hù)作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn) 行的第一屏障，始終承擔(dān)著無可替代的作 用。作為動(dòng)作于跳閘的繼電保護(hù)，在技術(shù) 上要滿足四個(gè)要求，即可靠性、選擇性、 速動(dòng)性和靈敏性。可靠性是對繼電保護(hù)性 能的最根本要求?？煽啃园ò踩院托?賴性。安全性是要求繼電保護(hù)在不需要它 動(dòng)作時(shí)可靠不動(dòng)作，即不發(fā)生誤動(dòng)作。信 賴性是要求繼電保護(hù)在規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi) 發(fā)生了應(yīng)該動(dòng)作的故

2、障時(shí)可靠動(dòng)作，即不 發(fā)生拒絕動(dòng)作。繼電保護(hù)的誤動(dòng)作和拒動(dòng) 作都會(huì)給電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害。然而， 由于短路時(shí)一般都不是金屬性的，而是在 短路點(diǎn)存在過渡電阻。接地短路時(shí)過渡電 阻的存在，尤其大的過渡電阻，往往會(huì)影 響到保護(hù)裝置的性能，造成保護(hù)誤動(dòng)、拒 動(dòng)，或者靈敏性不滿足要求等。過渡電阻一般為純電阻。接地故障的 過渡電阻包括電弧電阻和桿塔接地電阻， 對樹枝放電時(shí)還包括樹枝電阻。每個(gè)桿塔 的接地電阻，在土壤電阻率較低的地區(qū)一 般為10C；在電阻率較高的地方，可達(dá) 30。，甚至更高一些。接地故障時(shí)最大的 過渡電阻發(fā)生在導(dǎo)線對樹枝放電之時(shí)。在 實(shí)際電力系統(tǒng)中，過渡電阻受當(dāng)時(shí)故障方 式、地質(zhì)條件和天氣情況

3、等因素的影響， 可能達(dá)到比較大的數(shù)值，例如單相接地故 障，接地電阻可能達(dá)到 100 c （220kv線路卜 300 建（500kv 線路）和 400 c （750kv 線路）。 高阻接地故障都是單相故障。距離保護(hù)因其很多優(yōu)點(diǎn)，在高壓輸電 線路保護(hù)中，占有極其重要的地位。例如， 受電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)變化的影響較 小，能瞬間切除輸電線 85%90%范圍內(nèi)的 各種故障，保護(hù)范圍較長且較穩(wěn)定，適合 于遠(yuǎn)距離重負(fù)荷的高壓線路，具有一定的 耐受過渡電阻的能力，等等。因此距離保 護(hù)一直是復(fù)雜電網(wǎng)中高壓輸電線路最重要 應(yīng)用最廣泛的保護(hù)方案之一 14。接地距離保護(hù)反應(yīng)輸電線路接地故障。 距離繼電器測量故障阻

4、抗并判定故障位于 保護(hù)區(qū)內(nèi)或區(qū)外。理想的距離繼電器僅對 保護(hù)安裝點(diǎn)和整定點(diǎn)之間的故障動(dòng)作而對 此區(qū)外的故障不動(dòng)作。距離保護(hù)作為主保 護(hù)通常整定為保護(hù)線路全長的80%90% ,并且通常期望阻抗測量誤差少于± 5%。對于I段之外的故障，距離保護(hù)階梯時(shí)限延 時(shí)配合的H和出段，保證了不同線路故障 的選擇性5。系統(tǒng)重負(fù)荷時(shí)或過渡電阻較 大的區(qū)外故障，距離保護(hù)不誤動(dòng)，這是最 基本的要求6。傳統(tǒng)距離繼電器假設(shè)故障點(diǎn)電壓為零， 通過電壓和電流比值測量故障阻抗。實(shí)際 上，除了人為構(gòu)造的短路，故障點(diǎn)電壓幾 乎不可能為零，從而故障點(diǎn)電壓將影響到 故障阻抗的測量，尤其對于高阻接地故障 和重負(fù)荷單相接地故障。

5、在有負(fù)荷的情況 下，過渡電阻部分會(huì)由于對側(cè)電源的助增 作用而轉(zhuǎn)換成為感抗或容抗，導(dǎo)致距離保 護(hù)超越或者保護(hù)范圍縮短，大的過渡電阻 也會(huì)造成距離保護(hù)范圍縮短。當(dāng)經(jīng)過大的 過渡電阻接地，重負(fù)荷時(shí)故障電流可能小 于負(fù)荷電流。測量阻抗實(shí)際上由負(fù)荷電流 和過渡電阻決定。單相接地故障過渡阻抗 達(dá)到300 Q時(shí)，傳統(tǒng)距離保護(hù)的測量阻抗相對誤差可能超過 60%。目前除距離保護(hù)外的各種接地保護(hù)方 案中，除線路差動(dòng)保護(hù)外，幾乎都不能夠 為高阻接地故障提供可靠有效的保護(hù)。但 是電流差動(dòng)保護(hù)中制動(dòng)量隨負(fù)荷電流的增 大而增大，在重負(fù)荷情況下發(fā)生經(jīng)大電阻 接地故障時(shí)，由于動(dòng)作電流很小而制動(dòng)電 流很大，動(dòng)作量有可能小于制動(dòng)

6、量而拒動(dòng)。 負(fù)荷電流的大小直接影響了差動(dòng)保護(hù)的靈 敏度。在超高壓、長線路或電纜線路上， 分布電容的等值容抗大大減少，電容電流 將使輸電線路兩端電流的大小和相位都發(fā) 生嚴(yán)重畸變，降低了差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)故障耐 過渡電阻的能力7。為了提高縱聯(lián)差動(dòng)保 護(hù)裝置的耐過渡電阻能力，一般都在裝置 中配有零序差動(dòng)保護(hù)作為輔助保護(hù)。零序 差動(dòng)保護(hù)比分相電流差動(dòng)保護(hù)靈敏度高， 受電容電流影響少。但是差動(dòng)保護(hù)不能作 為后備保護(hù)且需要交換兩端信息同步交換。在高壓和超高壓輸電線路的方向高頻 保護(hù)中，應(yīng)用相電壓補(bǔ)償式方向元件的方 案，具有方向性強(qiáng)，在系統(tǒng)振蕩過程中反 方向經(jīng)任何過渡電阻短路時(shí)不誤動(dòng)、能自 然地適用于兩相運(yùn)行的線

7、路，能切除單相 重合閘過程中的短路等優(yōu)點(diǎn)，因而1978年以來就在我國 220kv、330kv和500kv 線路上得到了應(yīng)用。但是，理論分析和實(shí) 踐經(jīng)驗(yàn)均表明，當(dāng)過渡電阻達(dá)到一定值時(shí)， 該方向元件可能拒動(dòng)，尤其是線路末端短 路時(shí)，容許的過渡電阻更小。由上可以看出，各原理的保護(hù)都不能 很好地解決高阻接地時(shí)保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)問 題。保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，會(huì)給電力系統(tǒng)安全 運(yùn)行帶來重大的損失，甚至有可能會(huì)威脅 到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。高阻接地的問題在 國內(nèi)外一直沒有得到較好的解決，研究具 有較高耐受過渡電阻能力的距離保護(hù)具有 較高的學(xué)術(shù)和工程研究價(jià)值。1國內(nèi)外克服過渡電阻的方法國內(nèi)外為解決重負(fù)荷時(shí)經(jīng)過渡電阻接 地短

8、路或輸電線路末端高阻接地故障，傳 統(tǒng)距離保護(hù)無法正確動(dòng)作的問題，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。研究主要集中在零序電抗繼電器、多邊形特性繼電器、復(fù)合特 性繼電器、改進(jìn)的正序電壓極化的接地距 離繼電器、自適應(yīng)距離繼電器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 距離繼電器及其它一些方法。1.1采用零序電抗繼電器克服過渡電阻零序電抗繼電器以零序電流I0為極化量，其動(dòng)作判據(jù)為：180 Y/rg 上匚C？6tf其中：_ _ 'U =U：p'Zzd I： :"，3kI0 ,k - Zlo - ZL1 3Z L1,Zlo為線路零序阻抗，Zl1為線路正序阻抗，中為線路A、B、C中某一相。在單相經(jīng)過渡電阻 Rg短路接地時(shí)，

9、繼 電器中增加了附加測量阻抗Zr =%I f/（I甲+3kI0）, If為短路點(diǎn)故障電流。只要IF和I0的相位相同，則特性直線的下傾角恰好與 Zr的相角相同，Zr永遠(yuǎn)與特性直線平行，R。不影響繼電器的 y動(dòng)作，具有較強(qiáng)的躲過渡電阻能力，這是理想的電抗特性，如圖1-1所示：閹1-1零序電抗繼電器現(xiàn)作特性圖中取6=0。特性直線下傾 6角是 安全裕度，包含了 Io超前于If的相角和可 能的角度誤差。對于給定的系統(tǒng)，I0超前于IF的最大相位差可以估算出來。 接地電阻在測量阻抗中引起的附加分量ZR的相角可被實(shí)際的日角自動(dòng)跟蹤。但特性直線 傾斜角對Zr阻抗角的自適應(yīng)并不是不受 限制的。在假設(shè) 6 = 0時(shí)

10、，日角必須滿足 久-180 <9才能保證下確動(dòng)作。如果不滿足這個(gè)條件，特性直線轉(zhuǎn)動(dòng)的角度 太大，區(qū)內(nèi)故障時(shí)就會(huì)拒動(dòng)。當(dāng)過渡電阻 增大到某一臨界值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)所謂的“同 相”問題，當(dāng)過渡電阻進(jìn)一步增大時(shí)，8角就不再滿足上述條件了，保護(hù)的動(dòng)作方程 將失效，此時(shí)應(yīng)將保護(hù)閉鎖。所以零序電 抗繼電器采用下面兩個(gè)判據(jù)：/?<arg <LS0J 人.*】*0；5<嗎匹3&0'-6'卜(IF式(1-1)第一個(gè)判據(jù)為輔助判據(jù)，滿足 條件即可以使得Q-1800<日 <支。目 前采用相電壓和零序電流相位來檢測“同 相”點(diǎn)，以過渡電阻達(dá)到“同相”點(diǎn)為臨 界點(diǎn)，

11、切換不同的動(dòng)作方程以提高耐受過 渡電阻能力。該方法的缺點(diǎn)是在出口處經(jīng) 過渡電阻接地短路時(shí)，保護(hù)將拒動(dòng)。受電 端在過渡電阻超過出現(xiàn)同向問題的臨界過 渡電阻時(shí)，會(huì)發(fā)生區(qū)外故障超范圍動(dòng)作而 區(qū)內(nèi)故障時(shí)拒動(dòng)的情況。零序電抗繼電器 雖然在理論上具有很強(qiáng)的抗過渡電阻能力， 但還是受系統(tǒng)運(yùn)行方式及過渡電阻大小的 影響，在實(shí)際使用過程中需靈活應(yīng)用。1.2 采用多邊形特性距離繼電器克服過渡 電阻多邊形繼電器8特性包括四邊形特性、 五邊形特性及類似的特性，它們具有較好 的耐受過渡電阻的能力。圖1-2所示為四邊形特性距離繼電器。它將距離繼電器的 測量距離功能、方向判別功能和躲負(fù)荷功 能分別由3個(gè)獨(dú)立元件完成。R元件

12、完成 躲負(fù)荷功能，其特性如 R直線；X元件完 成測距功能，其特性如 X特性直線；D元 件完成方向判別功能，其特性如D特性折 線。R整定電阻的選擇應(yīng)兼顧避開負(fù)荷狀態(tài)和提高對過渡電阻的反應(yīng)能力，可在R軸方向獨(dú)立移動(dòng)以適應(yīng)不同數(shù)值的過渡電 阻。圖13四地影構(gòu)件D元件要保證出口和背后母線經(jīng)過渡 電阻短路時(shí)能可靠動(dòng)作。由于具有優(yōu)越的 耐受過渡電阻能力，四邊形特性距離繼電 器在距離保護(hù)中獲得廣泛應(yīng)用。在送端區(qū) 外經(jīng)過渡電阻故障時(shí)，測量阻抗的電抗分 量比實(shí)際線路電抗小，線路越長，負(fù)荷越 重，情況越嚴(yán)重。對這種情況，如果 X元 件與R軸平行，則發(fā)生超越的可能性比圓 特性方向阻抗繼電器還大，這是四邊形特 性距離

13、繼電器的主要弱點(diǎn)。因此其動(dòng)作特 性直線必須下傾防止這種超越。特性直線 的下傾降低了對區(qū)內(nèi)故障時(shí)耐受過渡電阻 的能力910。對單相故障，X元件采用零 序電抗繼電器，零序電抗繼電器要求I0必須落后于Ucp才能滿足L -180 <6 <邛 防止在雙側(cè)電源的受電側(cè)可能發(fā)生的不正 確動(dòng)作。1.3 采用復(fù)合特性距離繼電器克服過渡電圓與四邊形特性的復(fù)合：在相間短路 時(shí)，過渡電阻較小，應(yīng)用圓特性；在接地短路時(shí)，過渡電阻較大，此時(shí)利用接地短 路出現(xiàn)的零序電流在圓特性上迭加一個(gè)四 邊形特性以防止阻抗繼電器拒動(dòng)，如圖1-3所示。圖方向倒與上拋回復(fù)合方向圓與上拋圓的復(fù)合：既能容許在 接近保護(hù)范圍末端短路時(shí)

14、有較大的過渡電 阻，又能防止在正常運(yùn)行情況下負(fù)荷阻抗 較小時(shí)阻抗繼電器誤動(dòng)作，見圖1-4,通過動(dòng)作特性的復(fù)合，可以獲得各種不同的 復(fù)合特性，適用于復(fù)雜電網(wǎng)對保護(hù)的特殊 要求1112。1.4 采用自適應(yīng)接地距離繼電器克服過渡 電阻自適應(yīng)繼電保護(hù)是在上世紀(jì)80年代提出的一個(gè)較新的研究課題，它可以定義 為：能根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài) 的變化信息，在線計(jì)算并修改繼電保護(hù)的 整定值，以獲得最佳保護(hù)性能的繼電保護(hù) 系統(tǒng)。自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)在選擇性，快 速性和靈敏性方面明顯優(yōu)于常規(guī)繼電保護(hù) 系統(tǒng)，這不僅使現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)能夠傳送更 多的功率，而且還可以改善電力系統(tǒng)運(yùn)行 方式的靈活性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)自適

15、 應(yīng)繼電保護(hù)的關(guān)鍵在于當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)， 如何實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地判出系統(tǒng)的運(yùn)行 方式和故障類型。新判據(jù)的多邊形阻抗特 性用純電抗線來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電抗下傾線， 不再像傳統(tǒng)距離保護(hù)那樣盲目地縮小動(dòng)作 范圍。在可靠防止距離保護(hù)超越誤動(dòng)作的 前提下，擴(kuò)大了距離保護(hù)的動(dòng)作范圍。自 適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)尚屬理論研究階段，要 達(dá)到大范圍應(yīng)用于工程實(shí)際，還有大量的 問題需要解決。1.5 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)距離繼電器克服過渡電 阻人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一門新興的多學(xué)科領(lǐng) 域的邊緣交叉學(xué)科，它是一種并行處理的 非線性映射，具有強(qiáng)大的模式識別能力， 可以對任何復(fù)雜的狀態(tài)或過程進(jìn)行分類和 識別，有很強(qiáng)的容錯(cuò)性、魯棒性和冗余度, 廣泛應(yīng)用

16、于模式識別和模式分類等方面。 將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)是近幾年 來的熱門課題，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)距離繼電器 也只停留在理論研究階段。2算例分析圖2-1典型500kv電壓等級的系統(tǒng)圖圖2-1所示為一典型的 500kv電壓等 級的系統(tǒng)圖，TLine1長度為500km,TLine2 長度為200km,兩端連接到2個(gè)不同的500kv/100MV A系統(tǒng)§ , S，線路參數(shù)為：B =0.1378E -3(/m),XL1 =0.2630E -3C1 /m),XC1 =500.1314(M1J *m),R0 =0.1417E -3C1 /m),XL0 -0.8307E -3(11/m),XC1 -8

17、00.5217(M'J*m)故障為C相接地，接地電阻為200c , 故障起始時(shí)間為 0.1s,持續(xù)時(shí)間為0.1s, 電源啟動(dòng)時(shí)間為0.05s,下面分別對比了金 屬性接地和高阻接地的電壓電流波形圖。圖2-2金屬性接地的三相電壓波形圖從圖2-2能看出，金屬性接地，故障點(diǎn)的C相電壓為零，保護(hù)裝置能夠辨別出 故障，啟動(dòng)保護(hù)。圖2-3金屬性接地故障點(diǎn)處的電流同電壓一樣，電流也與非故障時(shí)有很 大差別，保護(hù)裝置能啟動(dòng)保護(hù)，不會(huì)誤動(dòng) 和拒動(dòng)。圖2-4金屬性接地時(shí)的電壓有效值曲線由圖2-4可以看出，金屬性接地時(shí)對 電壓的影響是明顯的，電壓波動(dòng)的很厲害, 有效值變化顯著。圖2-5經(jīng)200。高電阻接地的電壓

18、波形圖從圖2-4中能看出，經(jīng)高電阻接地的 C相短路，保護(hù)安裝處的電壓波形與正常 時(shí)的差別不大，保護(hù)難以判斷，這時(shí)就需 要采用上述的繼電器來克服這個(gè)缺點(diǎn)，從 而防止保護(hù)拒動(dòng)或者誤動(dòng)。圖2-6經(jīng)200。高電阻接地的電流波形圖與2-3相比，短路電流幅值也縮小了近三 倍。圖2-7經(jīng)200C高電阻接地時(shí)的電壓有效值變化 曲線2-7表明，經(jīng)高阻接地的故障使電壓 有效值變化并不明顯，故障不易被發(fā)現(xiàn)。3 結(jié)論由以上分析可知，高阻接地故障對系 統(tǒng)的影響是很大的，可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝 置失靈，誤動(dòng)作，從而不能正確切除故障， 或者引起更嚴(yán)重的后果，我們今后還需要 在這方面做很多工作，來提高電力系統(tǒng)的 安全性與可靠性。參考文獻(xiàn)1張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù).中國電力 出版社，2005, 9122朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原