应对单相高阻接地故障的和阻抗继电器研究

由各自母线流向线路为正；下标 A 表示 A 相测量量， 下标 0 表示零序分量，下标 M 和 N 分别表示 M 侧与 N 侧测量量；K 为零序补偿系数。 由于系统无故障，且不考虑线路分布电容，故存 在关系：
Z L ，NB = Z SN ，直线 AP、BQ 为平行于 R 轴的直线。
由于测量阻抗变化轨迹的作图法已较为经典，参考文 献 [1]中有详细步骤，此处只列出相关的重要结论： Z AM 的轨迹为以 FO 为弦、 2 ∠OAP 为圆心角的圆弧
资助信息：国家自然科学基金项目(51277110)；国家重点基础研究 发展计划项目(973 计划) (2009CB219700)；湖北省自然科学基金(2 012FFA075)。
[1]和序分量距离继电器[1,7]都属于全分量原理的保护，
其带过渡电阻能力有了一定程度的提升。近些年涌现 出一系列具有自适应动作特性的距离继电器 [8-14]，它 们大多在电压平面上被研究，性能优于阻抗平面上得 到的继电器，但由于工作电压或极化电压使用了记忆 量或突变量，这些继电器只能瞬时动作。还有学者提 出距离保护新算法[15]，同样提高了距离保护的耐过渡 电阻能力。然而，各类距离继电器归根结底都是基于 单端量的，信息量的不足导致其先天性地较难应对故 障特征较弱的单相高阻接地故障，尤其是线路受端存 在的“同相问题”难以解决[13-14]。 事实上，阻抗平面可以直观地反映线路两端距离 元件的测量阻抗之间的关系，从而通过测量阻抗这一 桥梁方便地实现对线路两端信息的有效整合，这是电 压平面所无法实现的。按照这一思路，本文利用阻抗 平面提出了和阻抗的概念，其值在正常运行和区外故
M N
(1) (2)
Z AN
& & U U NA = = NA & & & I NA + KI N0 I NA
在阻抗平面上作出 RG 由 0→∞变化时 Z AM 与 Z AN 的变化轨迹，如图 2 所示。图 2 中，AM = Z SM ，MN =
&和I & 分别表示相电压和相电流，电流取 其中， U
& +I & =0 I MA NA & −I & Z =U & U MA MA L NA
综合式(1)~(4)有： Z AM + Z AN = Z L
(3) (4) (5)
FGO ； Z AN 的轨迹为以 FO 为弦、2( π − ∠OBQ )为圆 心角的圆弧 FG ′O ；线段 FO 即为阻抗 Z F 。 此时，若假设式 (5)成立，且 RG ≠0，则根据式 (6) (7)有 CΣM = −CΣN 。但由于 CΣM 、 CΣN 均为正实数， CΣM 不可能等于 −CΣN ，故线路发生非金属性接地时，式(5)
1 引言
单相接地故障是高压输电线路上发生概率最高的 故障。不同于相间短路的电弧电阻，接地故障的过渡 电阻可以高达数十乃至数百欧姆， 故障特征不再显著， 可能导致保护拒动，引发严重事故[1-3]。因此，针对单 相高阻接地故障的保护是继电保护领域长期关注的问 题。 距离保护凭借其灵敏度高、受系统运行方式影响 小、兼具测距功能等优点，被广泛使用于高压输电线 路[1,4]。但由于要躲避负荷，距离保护同样面临着高阻 故障时灵敏度不足的问题。为了提升距离保护的带过 渡电阻能力，国内学者提出了大量的改进方法和新原 理。其中，零序电抗继电器[5-6]、多相补偿距离继电器
2 和阻抗概念的提出
& E M
F ′′ M
F
& U M & I M & U N
N
F′
& E N
RG
ZSM
Z LM
ZL
Z LN
& I N
ZSN
图 1. 双端电源系统模型
图 1 中，M 为送端，N 为受端， F 、 F ′ 、 F ′′ 均 为单相接地故障点，故障相为 A 相， RG 为过渡电阻。 为便于分析，假设系统各处阻抗角均相等，零序阻抗 与正序阻抗之比均相等， 且不考虑线路分布电容影响。 阻抗元件分别安装于母线 M、 N，系统各处阻抗标示 如图中所示。
必不成立，圆弧 FGO 与 FG ′O 也必不重合。
由式(5)可知，在正常状态的系统中，线路两侧测 N-530
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
Z AM =
B
jX N
R′
θN
Q
C
θM
& U MA & & I MA + KI M0 & U NA = ZL + & + KI & I
MA
(11)
M0
= Z L − Z AN
此时，两侧测量阻抗保持了式 (5)中的关系，故 Z AN 的变化轨迹与 Z AM 的变化轨迹重合，均为以 F ′O 为弦、2 θ M 为圆心角的劣弧。 若令故障发生在 F ′′ ，即故障点位于 M 处保护的 反向、N 处保护的正向，通过同样的分析可以发现， 式(5)仍然成立， Z AM 的变化轨迹与 Z AN 的变化轨迹重 合，均为以 F ′′O 为弦、2 θ N 为圆心角的优弧。
N-530
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学接地故障时不为 零且数值较大。进而提出了和阻抗继电器的原理：该 继电器采集线路两端距离元件的测量阻抗来计算线路 的和阻抗值， 并设置了仅和线路参数相关的动作门槛， 因此保护可以延时动作，作为对单相高阻接地故障的 后备保护。该继电器弱化了对本地信息的处理要求， 且对数据同步要求低，容易实现。EMTDC/PSCAD 数 字仿真验证了和阻抗继电器对区内故障的高灵敏度及 对区外故障的可靠性。
Z AN 满足式(5)的关系时，二者将在阻抗平面上重合。
2.2 线路内部发生单相接地故障时的两端测量 阻抗关系
单相接地故障发生在 F 时，M 处元件和 N 处元件 的测量阻抗分别为： & R 3I 0k G Z AM = Z LM + R & +I &F + I & + KI & I
M1 M1 M2 M0
F
G
O
M
θN
A
R
2.4 和阻抗的定义
定义线路的和阻抗为：
θM
jX ′
C′
P
ZP = ZM + ZN − ZL
(12)
Z M 和 Z N 分别为 M 侧和 N 侧接地距离继电器的测
量阻抗。结合 1.1~1.3 的分析可知，当系统处于正常 状态或者接地故障位于线路 MN 之外时， Z P =0；而当 线路 MN 上发生非金属性接地故障时， Z P ≠0。因此， 有可能利用 Z P 的故障特征构成针对非金属性接地故 障的保护。
MA M0 MA
CΣN 分别为与 M 侧、N 侧电流分布系数有关的系数， CΣ = C1 + C2 +(1+ K ) C0 ；Z kΣ 为从故障端口观察复合序 网的等值阻抗， Z R 表示测量阻抗附加分量， Z F 为利
用故障前 F 处电压电流计算所得的阻抗值，其值为： & + ( Z +Z ) E & ( Z +Z ) E SM LM N Z F = SN LN M (8) & −E & E
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
应对单相高阻接地故障的和阻抗继电器研究
何山 1，徐琛 1，邵冲 1，林湘宁 1，张锐 1，李正天 2
1 2 江西省电力科学研究院 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) Email: hs708885971@, 851558154@
Research on Summation Relay with Ability to Identify High-Resistance Ground Fault
He Shan1, Xu Chen1, Shao Chong1, Lin Xiangning1, Zhang Rui1, Li Zhengtian2
摘 要： 针对单相高阻接地故障的保护是继电保护领域长期关注的问题。由于高阻接地的故障特征不 明显，传统距离保护无法应对；而自适应距离保护使用了记忆量，只能瞬时跳闸，无法作为单相高阻 接地故障的后备保护。本文在阻抗平面上分析了线路两端测量阻抗之间存在的关系，提出了和阻抗的 概念；构建了使用全分量且判据简单的和阻抗继电器，它对单相高阻接地故障有较高的灵敏度，可以 作为后备保护。 关键词： 和阻抗；和阻抗继电器；单相高阻接地故障
量阻抗之和等于线路正序阻抗。 为在同一图中分析两侧测量阻抗的变化情况，可 以在阻抗平面上分别以母线 M 和母线 N 为坐标原点、 坐标轴方向与各自的电压电流参考方向相对应建立坐 标系 I：R-M-jX 和坐标系 II： R′ -N- jX ′ 。这样， Z AM 为坐标系 I 中的点，Z AN 为坐标系 II 中的点； 当 Z AM 和
式(6)(7)中，下标 1 、 2 分别表示正、负序分量； 上标 R 表示正常状态分量， F 表示故障分量； CΣM 、
2.1 系统正常状态下的两端测量阻抗关系
双端电源系统处于正常状态时，线路 MN 上无零 序电流，M 处与 N 处保护的测量阻抗分别为： & & U U MA Z AM = = MA & & & I + KI I
Z AN
⎡ ⎤ 1 = Z LM + Z F ⎢1 − ⎥ (6) ⎣ 1 + 3RG ( CΣM Z F + Z kΣ ) ⎦ = Z LM + Z RM & R 3I 0k G = Z LN + R & +I &F + I & + KI & I