(整理)过渡电阻对距离保护的影响及解决方法

过渡电阻对距离保护的影响及解决方法张伟

导师：刘自发

（华北电力大学、电气与电子工程学院研电１００６班，１１０２２０１０２４）

0前言

随着电网规模越来越庞大，电压等级越来越高，如何有效、安全、可靠地提高输送能力，是我国电网面临的迫切需要解决的问题。继电保护作为电网安全稳定运行的第一屏障，始终承担着无可替代的作用。作为动作于跳闸的继电保护，在技术上要满足四个要求，即可靠性、选择性、速动性和灵敏性。可靠性是对继电保护性能的最根本要求。可靠性包括安全性和信赖性。安全性是要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动作。信赖性是要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不发生拒绝动作。继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统造成严重危害。然而，由于短路时一般都不是金属性的，而是在短路点存在过渡电阻。接地短路时过渡电阻的存在，尤其大的过渡电阻，往往会影响到保护装置的性能，造成保护误动、拒动，或者灵敏性不满足要求等。

过渡电阻一般为纯电阻。接地故障的过渡电阻包括电弧电阻和杆塔接地电阻，对树枝放电时还包括树枝电阻。每个杆塔的接地电阻，在土壤电阻率较低的地区一般为10Ω；在电阻率较高的地方，可达30Ω，甚至更高一些。接地故障时最大的过渡电阻发生在导线对树枝放电之时。在实际电力系统中，过渡电阻受当时故障方式、地质条件和天气情况等因素的影响，可能达到比较大的数值，例如单相接地故障，接地电阻可能达到100Ω(220kv线路)、300Ω(500kv线路)和400Ω(750kv 线路)。高阻接地故障都是单相故障。

距离保护因其很多优点，在高压输电线路保护中，占有极其重要的地位。例如，受电力系统运行方式和结构变化的影响较小，能瞬间切除输电线85%~90%范围内的各种故障，保护范围较长且较稳定，适合于远距离重负荷的高压线路，具有一定的耐受过渡电阻的能力，等等。因此距离保护一直是复杂电网中高压输电线路最重要应用最广泛的保护方案之一[1~4]。

接地距离保护反应输电线路接地故障。距离继电器测量故障阻抗并判定故障位于保护区内或区外。理想的距离继电器仅对保护安装点和整定点之间的故障动作而对此区外的故障不动作。距离保护作为主保护通常整定为保护线路全长的80%~90%，并且通常期望阻抗测量误差少于±5%。对于I段之外的故障，距离保护阶梯时限延时配合的Ⅱ和Ⅲ段，保证了不同线路故障的选择性[5]。系统重负荷时或过渡电阻较大的区外故障，距离保护不误动，这是最基本的要求[6]。

传统距离继电器假设故障点电压为零，通过电压和电流比值测量故障阻抗。实际上，除了人为构造的短路，故障点电压几乎不可能为零，从而故障点电压将影响到故障阻抗的测量，尤其对于高阻接地故障和重负荷单相接地故障。在有负荷的情况下，过渡电阻部分会由于对侧电源的助增作用而转换成为感抗或容抗，导致距离保护超越或者保护范围缩短，大的过渡电阻也会造成距离保护范围缩短。当经过大的

过渡电阻接地，重负荷时故障电流可能小于负荷电流。测量阻抗实际上由负荷电流和过渡电阻决定。单相接地故障过渡阻抗达到300Ω时，传统距离保护的测量阻抗相对误差可能超过60%。

目前除距离保护外的各种接地保护方案中，除线路差动保护外，几乎都不能够为高阻接地故障提供可靠有效的保护。但是电流差动保护中制动量随负荷电流的增大而增大，在重负荷情况下发生经大电阻接地故障时，由于动作电流很小而制动电流很大，动作量有可能小于制动量而拒动。负荷电流的大小直接影响了差动保护的灵敏度。在超高压、长线路或电缆线路上，分布电容的等值容抗大大减少，电容电流将使输电线路两端电流的大小和相位都发生严重畸变，降低了差动保护区内故障耐过渡电阻的能力[7]。为了提高纵联差动保护装置的耐过渡电阻能力，一般都在装置中配有零序差动保护作为辅助保护。零序差动保护比分相电流差动保护灵敏度高，受电容电流影响少。但是差动保护不能作为后备保护且需要交换两端信息同步交换。

在高压和超高压输电线路的方向高频保护中，应用相电压补偿式方向元件的方案，具有方向性强，在系统振荡过程中反方向经任何过渡电阻短路时不误动、能自然地适用于两相运行的线路，能切除单相重合闸过程中的短路等优点，因而1978年以来就在我国220kv、330kv和500kv 线路上得到了应用。但是，理论分析和实践经验均表明，当过渡电阻达到一定值时，该方向元件可能拒动，尤其是线路末端短路时，容许的过渡电阻更小。

由上可以看出，各原理的保护都不能很好地解决高阻接地时保护误动或拒动问题。保护误动或拒动，会给电力系统安全运行带来重大的损失，甚至有可能会威胁到电力系统的稳定性。高阻接地的问题在国内外一直没有得到较好的解决，研究具有较高耐受过渡电阻能力的距离保护具有较高的学术和工程研究价值。1国内外克服过渡电阻的方法

国内外为解决重负荷时经过渡电阻接

地短路或输电线路末端高阻接地故障，传

统距离保护无法正确动作的问题，进行了

一系列的实验研究。研究主要集中在零序

电抗继电器、多边形特性继电器、复合特

性继电器、改进的正序电压极化的接地距

离继电器、自适应距离继电器、神经网络

距离继电器及其它一些方法。

1.1采用零序电抗继电器克服过渡电阻

零序电抗继电器以零序电流

I为极

化量，其动作判据为：

其中：

()() '

0011

3,/3,

ZD L L L U U Z I kI k Z Z Z ???

=-+=-

L

Z为线路零序阻抗，

1L

Z为线路正序阻

抗，?为线路A、B、C中某一相。

在单相经过渡电阻

g

R短路接地时，继

电器中增加了附加测量阻抗

()0

/3

R g f

Z R I I kI

?

=+，

F

I为短路点故

障电流。只要

F

I和

I的相位相同，则特性

直线的下倾角恰好与

R

Z的相角相同，

R

Z

永远与特性直线平行，

g

R不影响继电器的

动作，具有较强的躲过渡电阻能力，这是

理想的电抗特性，如图1-1所示：

图中取0

δ=。特性直线下倾δ

角是

安全裕度，包含了0I 超前于F I 的相角和可能的角度误差。对于给定的系统，0I 超前于F I 的最大相位差可以估算出来。接地电阻在测量阻抗中引起的附加分量R Z 的相角可被实际的θ角自动跟踪。但特性直线倾斜角对R Z 阻抗角的自适应并不是不受限制的。在假设0δ=时，θ角必须满足

180L L ?θ?-<<。才能保证下确动作。如

果不满足这个条件，特性直线转动的角度太大，区内故障时就会拒动。当过渡电阻增大到某一临界值时，会出现所谓的“同相”问题，当过渡电阻进一步增大时，θ角就不再满足上述条件了，保护的动作方程将失效，此时应将保护闭锁。所以零序电抗继电器采用下面两个判据：

式(1-1)第一个判据为辅助判据，满足条件即可以使得180L L ?θ?-<<。

。目前采用相电压和零序电流相位来检测“同相”点，以过渡电阻达到“同相”点为临界点，切换不同的动作方程以提高耐受过渡电阻能力。该方法的缺点是在出口处经过渡电阻接地短路时，保护将拒动。受电端在过渡电阻超过出现同向问题的临界过渡电阻时，会发生区外故障超范围动作而区内故障时拒动的情况。零序电抗继电器虽然在理论上具有很强的抗过渡电阻能力，但还是受系统运行方式及过渡电阻大小的影响，在实际使用过程中需灵活应用。 1.2 采用多边形特性距离继电器克服过渡电阻

多边形继电器[8]特性包括四边形特性、五边形特性及类似的特性，它们具有较好的耐受过渡电阻的能力。图1-2所示为四边形特性距离继电器。它将距离继电器的测量距离功能、方向判别功能和躲负荷功能分别由3个独立元件完成。R 元件完成躲负荷功能，其特性如R 直线；X 元件完成测距功能，其特性如X 特性直线；D 元件完成方向判别功能，其特性如D 特性折线。R 整定电阻的选择应兼顾避开负荷状态和提高对过渡电阻的反应能力，可在R 轴方向独立移动以适应不同数值的过渡电阻。

D 元件要保证出口和背后母线经过渡电阻短路时能可靠动作。由于具有优越的耐受过渡电阻能力，四边形特性距离继电器在距离保护中获得广泛应用。在送端区外经过渡电阻故障时，测量阻抗的电抗分量比实际线路电抗小，线路越长，负荷越

重，情况越严重。对这种情况，如果X 元件与R 轴平行，则发生超越的可能性比圆特性方向阻抗继电器还大，这是四边形特性距离继电器的主要弱点。因此其动作特性直线必须下倾防止这种超越。特性直线的下倾降低了对区内故障时耐受过渡电阻的能力[9~10]。对单相故障，X 元件采用零序电抗继电器，零序电抗继电器要求0I 必

须落后于U ?才能满足180L L ?θ?-<<。

，

防止在双侧电源的受电侧可能发生的不正确动作。

1.3采用复合特性距离继电器克服过渡电阻

圆与四边形特性的复合：在相间短路时，过渡电阻较小，应用圆特性；在接地短路时，过渡电阻较大，此时利用接地短路出现的零序电流在圆特性上迭加一个四边形特性以防止阻抗继电器拒动，如图1-3所示。

方向圆与上抛圆的复合：既能容许在接近保护范围末端短路时有较大的过渡电阻，又能防止在正常运行情况下负荷阻抗较小时阻抗继电器误动作，见图1-4，通过动作特性的复合，可以获得各种不同的复合特性，适用于复杂电网对保护的特殊要求[11~12]。

1.4采用自适应接地距离继电器克服过渡电阻

自适应继电保护是在上世纪80年代提出的一个较新的研究课题，它可以定义为：能根据电力系统运行方式和故障状态的变化信息，在线计算并修改继电保护的整定值，以获得最佳保护性能的继电保护系统。自适应继电保护系统在选择性，快速性和灵敏性方面明显优于常规继电保护系统，这不仅使现有电力网络能够传送更多的功率，而且还可以改善电力系统运行方式的灵活性和系统的稳定性。实现自适应继电保护的关键在于当系统发生故障时，如何实时、快速、准确地判出系统的运行方式和故障类型。新判据的多边形阻抗特性用纯电抗线来代替传统的电抗下倾线，不再像传统距离保护那样盲目地缩小动作范围。在可靠防止距离保护超越误动作的前提下，扩大了距离保护的动作范围。自适应继电保护系统尚属理论研究阶段，要达到大范围应用于工程实际，还有大量的问题需要解决。

1.5 采用神经网络距离继电器克服过渡电阻

人工神经网络是一门新兴的多学科领域的边缘交叉学科，它是一种并行处理的非线性映射，具有强大的模式识别能力，可以对任何复杂的状态或过程进行分类和识别，有很强的容错性、鲁棒性和冗余度，广泛应用于模式识别和模式分类等方面。将人工神经网络应用于电力系统是近几年来的热门课题，目前神经网络距离继电器也只停留在理论研究阶段。

2算例分析

图2-1 典型500kv电压等级的系统图

图2-1所示为一典型的500kv电压等级的系统图，TLine1长度为500km，TLine2长度为200km，两端连接到2个不同的500kv/100MV A系统

1

S，

2

S,线路参数为：1

0.13783(/)

R E m

=-Ω,

1

0.26303(/)

L

X E m

=-Ω,

1

500.1314(*)

C

X M m

=Ω,

0.14173(/)

R E m

=-Ω,

0.83073(/)

L

X E m

=-Ω,

1

800.5217(*)

C

X M m

=Ω

故障为C相接地，接地电阻为200Ω

，

故障起始时间为0.1s，持续时间为0.1s，电源启动时间为0.05s，下面分别对比了金属性接地和高阻接地的电压电流波形图。

图2-2 金属性接地的三相电压波形图

从图2-2能看出，金属性接地，故障点的C相电压为零，保护装置能够辨别出故障，启动保护。

图2-3 金属性接地故障点处的电流

同电压一样，电流也与非故障时有很大差别，保护装置能启动保护，不会误动和拒动。

图2-4金属性接地时的电压有效值曲线

由图2-4可以看出，金属性接地时对电压的影响是明显的，电压波动的很厉害，有效值变化显著。

图2-5 经200Ω高电阻接地的电压波形图

从图2-4中能看出，经高电阻接地的C相短路，保护安装处的电压波形与正常时的差别不大，保护难以判断，这时就需要采用上述的继电器来克服这个缺点，从而防止保护拒动或者误动。

图2-6 经200Ω高电阻接地的电流波形图

与2-3相比，短路电流幅值也缩小了近三倍。

图2-7 经200Ω高电阻接地时的电压有效值变化

曲线

2-7表明，经高阻接地的故障使电压有效值变化并不明显，故障不易被发现。

3结论

由以上分析可知，高阻接地故障对系统的影响是很大的，可能导致继电保护装置失灵，误动作，从而不能正确切除故障，或者引起更严重的后果，我们今后还需要在这方面做很多工作，来提高电力系统的安全性与可靠性。

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附录――仿真接线图