過渡電阻對(duì)距離保護(hù)的影響及解決方法

1、過渡電阻對(duì)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)院研電班，）0前言隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越龐大，電壓等級(jí)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(duì)繼電保護(hù)性能的最根本要求。可靠性包括安全性和信賴性。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)

2、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(duì)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10；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(duì)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 (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(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(duì)保護(hù)安裝點(diǎn)和整定點(diǎn)之間的故障動(dòng)作而對(duì)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

4、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(duì)于I段之外的故障，距離保護(hù)階梯時(shí)限延時(shí)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(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(duì)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(huì)由于對(duì)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

5、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時(shí)，傳統(tǒng)距離保護(hù)的測量阻抗相對(duì)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?yàn)楦咦杞拥毓收咸峁┛煽坑行У谋Ｗo(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)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

6、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

7、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

8、服過渡電阻零序電抗繼電器以零序電流為極化量，其動(dòng)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(shí)，繼電器中增加了附加測量阻抗，為短路點(diǎn)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(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：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(duì)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(shí)際的角自動(dòng)跟蹤。但特性直線傾斜角對(duì)阻抗角的自適應(yīng)并不是不受限制的。在假設(shè)時(shí)，角必須滿

9、足才能保證下確動(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)，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)：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。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)，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

10、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(duì)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。D元

11、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(duì)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(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(duì)區(qū)內(nèi)故障時(shí)耐受過渡電阻的能力910。對(duì)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(dòng)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(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。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)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(duì)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

13、，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)

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(qiáng)大的模式識(shí)別能力，可以對(duì)任何復(fù)雜的狀態(tài)或過程進(jìn)行分類和識(shí)別，有很強(qiáng)的容錯(cuò)性、魯棒性和冗余度，廣泛應(yīng)用于模式識(shí)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(jí)的系統(tǒng)圖圖2-1所示為一典型的500kv電壓等級(jí)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/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(shí)間為0.1s，持續(xù)時(shí)間為0

15、.1s，電源啟動(dòng)時(shí)間為0.05s，下面分別對(duì)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(duì)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

16、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)200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(duì)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(hù)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(hù)裝置運(yùn)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(duì)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(hù)運(yùn)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(hù).北京：科學(xué)出版社，19878 李清波，劉沛.光纖縱差