過渡電阻對距離保護的影響及解決方法

1、過渡電阻對距離保護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)院研電班，）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。繼電保護作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的第一屏障，始終承擔(dān)著無可替代的作用。作為動作于跳閘的繼電保護，在技術(shù)上要滿足四個要求，即可靠性、選擇性、速動性和靈敏性。可靠性是對繼電保護性能的最根本要求?？煽啃园ò踩院托刨囆浴０踩允且罄^電保護在不需要它動作時可靠不動作，即不發(fā)生誤動作。信賴性是要求繼電保護在規(guī)定的保護范圍內(nèi)發(fā)生了應(yīng)該動作的故障時可靠動作，即不發(fā)生拒絕動作。繼電保護的誤動作和拒動

2、作都會給電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害。然而，由于短路時一般都不是金屬性的，而是在短路點存在過渡電阻。接地短路時過渡電阻的存在，尤其大的過渡電阻，往往會影響到保護裝置的性能，造成保護誤動、拒動，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，對樹枝放電時還包括樹枝電阻。每個桿塔的接地電阻，在土壤電阻率較低的地區(qū)一般為10；在電阻率較高的地方，可達30，甚至更高一些。接地故障時最大的過渡電阻發(fā)生在導(dǎo)線對樹枝放電之時。在實際電力系統(tǒng)中，過渡電阻受當(dāng)時故障方式、地質(zhì)條件和天氣情況等因素的影響，可能達到比較大的數(shù)值，例如單相接地故障，接地電阻可能達到100 (220k

3、v線路)、300(500kv線路)和400 (750kv線路)。高阻接地故障都是單相故障。距離保護因其很多優(yōu)點，在高壓輸電線路保護中，占有極其重要的地位。例如，受電力系統(tǒng)運行方式和結(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)用最廣泛的保護方案之一14。接地距離保護反應(yīng)輸電線路接地故障。距離繼電器測量故障阻抗并判定故障位于保護區(qū)內(nèi)或區(qū)外。理想的距離繼電器僅對保護安裝點和整定點之間的故障動作而對此區(qū)外的故障不動作。距離保護作為主保護通常整定為

4、保護線路全長的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，距離保護階梯時限延時配合的和段，保證了不同線路故障的選擇性5。系統(tǒng)重負(fù)荷時或過渡電阻較大的區(qū)外故障，距離保護不誤動，這是最基本的要求6。傳統(tǒng)距離繼電器假設(shè)故障點電壓為零，通過電壓和電流比值測量故障阻抗。實際上，除了人為構(gòu)造的短路，故障點電壓幾乎不可能為零，從而故障點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。在有負(fù)荷的情況下，過渡電阻部分會由于對側(cè)電源的助增作用而轉(zhuǎn)換成為感抗或容抗，導(dǎo)致距離保護超越或者保護范圍縮短，大的過渡電阻也會造成距離保護范圍縮短。當(dāng)經(jīng)過大的過渡電阻接地，重負(fù)荷時故

5、障電流可能小于負(fù)荷電流。測量阻抗實際上由負(fù)荷電流和過渡電阻決定。單相接地故障過渡阻抗達到300時，傳統(tǒng)距離保護的測量阻抗相對誤差可能超過60%。目前除距離保護外的各種接地保護方案中，除線路差動保護外，幾乎都不能夠為高阻接地故障提供可靠有效的保護。但是電流差動保護中制動量隨負(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，由于動作電流很小而制動電流很大，動作量有可能小于制動量而拒動。負(fù)荷電流的大小直接影響了差動保護的靈敏度。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，降低了差動保護區(qū)內(nèi)故障耐過渡電阻的能力7。為了提高

6、縱聯(lián)差動保護裝置的耐過渡電阻能力，一般都在裝置中配有零序差動保護作為輔助保護。零序差動保護比分相電流差動保護靈敏度高，受電容電流影響少。但是差動保護不能作為后備保護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中，應(yīng)用相電壓補償式方向元件的方案，具有方向性強，在系統(tǒng)振蕩過程中反方向經(jīng)任何過渡電阻短路時不誤動、能自然地適用于兩相運行的線路，能切除單相重合閘過程中的短路等優(yōu)點，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，理論分析和實踐經(jīng)驗均表明，當(dāng)過渡電阻達到一定值時，該方向元件可能拒動，尤其是線路末端短路時，容許的過渡電阻更小。由上

7、可以看出，各原理的保護都不能很好地解決高阻接地時保護誤動或拒動問題。保護誤動或拒動，會給電力系統(tǒng)安全運行帶來重大的損失，甚至有可能會威脅到電力系統(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具有較高的學(xué)術(shù)和工程研究價值。1 國內(nèi)外克服過渡電阻的方法國內(nèi)外為解決重負(fù)荷時經(jīng)過渡電阻接地短路或輸電線路末端高阻接地故障，傳統(tǒng)距離保護無法正確動作的問題，進行了一系列的實驗研究。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

8、服過渡電阻零序電抗繼電器以零序電流為極化量，其動作判據(jù)為：其中：為線路零序阻抗，為線路正序阻抗，為線路A、B、C中某一相。在單相經(jīng)過渡電阻短路接地時，繼電器中增加了附加測量阻抗，為短路點故障電流。只要和的相位相同，則特性直線的下傾角恰好與的相角相同，永遠(yuǎn)與特性直線平行，不影響繼電器的動作，具有較強的躲過渡電阻能力，這是理想的電抗特性，如圖1-1所示：圖中取。特性直線下傾角是安全裕度，包含了超前于的相角和可能的角度誤差。對于給定的系統(tǒng)，超前于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的相角可被實際的角自動跟蹤。但特性直線傾斜角對阻抗角的自適應(yīng)并不是不受限制的。在假設(shè)時，角必須滿

9、足才能保證下確動作。如果不滿足這個條件，特性直線轉(zhuǎn)動的角度太大，區(qū)內(nèi)故障時就會拒動。當(dāng)過渡電阻增大到某一臨界值時，會出現(xiàn)所謂的“同相”問題，當(dāng)過渡電阻進一步增大時，角就不再滿足上述條件了，保護的動作方程將失效，此時應(yīng)將保護閉鎖。所以零序電抗繼電器采用下面兩個判據(jù)：式(1-1)第一個判據(jù)為輔助判據(jù)，滿足條件即可以使得。目前采用相電壓和零序電流相位來檢測“同相”點，以過渡電阻達到“同相”點為臨界點，切換不同的動作方程以提高耐受過渡電阻能力。該方法的缺點是在出口處經(jīng)過渡電阻接地短路時，保護將拒動。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，會發(fā)生區(qū)外故障超范圍動作而區(qū)內(nèi)故障時拒動的情況。零序電

10、抗繼電器雖然在理論上具有很強的抗過渡電阻能力，但還是受系統(tǒng)運行方式及過渡電阻大小的影響，在實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個獨立元件完成。R元件完成躲負(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軸方向獨立移動以適應(yīng)不同數(shù)值的過渡電阻。D元

11、件要保證出口和背后母線經(jīng)過渡電阻短路時能可靠動作。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中獲得廣泛應(yīng)用。在送端區(qū)外經(jīng)過渡電阻故障時，測量阻抗的電抗分量比實際線路電抗小，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繼電器的主要弱點。因此其動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必須落后于才能滿足，防止在雙側(cè)電源的受電側(cè)可能發(fā)生的不正確動作。1.3采用復(fù)合特性距離繼電器克服過渡電阻圓

12、與四邊形特性的復(fù)合：在相間短路時，過渡電阻較小，應(yīng)用圓特性；在接地短路時，過渡電阻較大，此時利用接地短路出現(xiàn)的零序電流在圓特性上迭加一個四邊形特性以防止阻抗繼電器拒動，如圖1-3所示。方向圓與上拋圓的復(fù)合：既能容許在接近保護范圍末端短路時有較大的過渡電阻，又能防止在正常運行情況下負(fù)荷阻抗較小時阻抗繼電器誤動作，見圖1-4，通過動作特性的復(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)繼電保護是在上世紀(jì)80年代提出的一個較新的研究課題，它可以定義為：能根據(jù)電力系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的變化信息，在線計算并修改繼電保護的整定值

13、，以獲得最佳保護性能的繼電保護系統(tǒng)。自適應(yīng)繼電保護系統(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)運行方式的靈活性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實現(xiàn)自適應(yīng)繼電保護的關(guān)鍵在于當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，如何實時、快速、準(zhǔn)確地判出系統(tǒng)的運行方式和故障類型。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)距離保護那樣盲目地縮小動作范圍。在可靠防止距離保護超越誤動作的前提下，擴大了距離保護的動作范圍。自適應(yīng)繼電保護系統(tǒng)尚屬理論研究階段，要達到大范圍應(yīng)用于工程實際，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)

14、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，具有強大的模式識別能力，可以對任何復(fù)雜的狀態(tài)或過程進行分類和識別，有很強的容錯性、魯棒性和冗余度，廣泛應(yīng)用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個不同的500kv/100MVA系統(tǒng)，,線路參數(shù)為：,故障為C相接地，接地電阻為200，故障起始時間為0.1s，持續(xù)時間為0

15、.1s，電源啟動時間為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，故障點的C相電壓為零，保護裝置能夠辨別出故障，啟動保護。圖2-3 金屬性接地故障點處的電流同電壓一樣，電流也與非故障時有很大差別，保護裝置能啟動保護，不會誤動和拒動。圖2-4金屬性接地時的電壓有效值曲線由圖2-4可以看出，金屬性接地時對電壓的影響是明顯的，電壓波動的很厲害，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，保護安裝處的電壓波形與正常時的差別不大，保護難以判斷，這時就需要采用上述的

16、繼電器來克服這個缺點，從而防止保護拒動或者誤動。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)200高電阻接地時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)致繼電保護裝置失靈，誤動作，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1 張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護.中國電力出版社，2005，9122 朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護原理與技術(shù).北京：中國電力出版社，2005，1281313 沈冰，何奔騰.特(超)高壓輸電線路保護原理與技術(shù)的研究.杭州：浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，20074 周玉蘭，程逍.2004年全國電網(wǎng)繼電保護裝置運行中的問題分析.電力設(shè)備，2006，7(l):13175 洪維海.過渡電阻及其對方向阻抗選相元件的影響.西北電力技術(shù)，1999，8(4)：59626 王梅義.高壓電網(wǎng)繼電保護運行技術(shù).北京:電力工業(yè)出版社，19817 賀家李，葛耀中.超高壓輸電線路故障分析與繼電保護.北京：科學(xué)出版社，19878 李清波，劉沛.光纖縱差