1、一种新型接地距离保护的研究一种新型接地距离保护的研究 1 卞孝琴 2 陈璐璐 1 南京供电公司 2 南京理工大学 摘要：在超高压、特高压系统中，系统发生接地短路故障时，一般不是金属性接地短路故障，而存在着过渡电阻。过渡电阻的存在会对距离保护造成严重的影响，研究接地距离保护对过渡电阻的承受能力，对提高距离保护的性能有着现实意义。某一新型的接地阻抗继电器是以故障相的正序电压与故障相电压之差为极化电压，然而其承受过渡电阻的能力有待提高。本文对其进行了修正，采用移相来提高它的承受过渡电阻的能力；增加一个零序电抗器来提高其防超越的能力。分析了修正后的继电器的动作方向性，不存在电压死区的问题，并且具有灵敏
2、度高等特点。采用 MATLAB 对 500kV 系统进行了仿真分析，对送电侧、受电侧、移相前后差等各种不同情况下进行仿真数据计算，仿真数据结果表明，修正后的继电器具有良好的动作特性。 关键词:接地阻抗继电器，过渡电阻，稳态超越，Matlab 中图分类号：TF806 文献标识码： A 0 引言 在超高压、特高压系统中，系统发生接地短路故障时，一般会存在着过渡电阻。这些过渡电阻一般都是纯电阻，它是由电弧电阻，杆塔接地电阻和对树枝放电时的树枝电阻组成的。在实际电力系统中，过渡电阻还受当时故障方式、地质条件和天气情况等因素的影响，可能达到很高的数值。过渡电阻会给距离保护方案造成很大的影响1。 因此研究
3、如何消除过渡电阻在接地距离保护中的影响，对提高距离保护的性能有着现实意义，一直也是继电保护工作者研究的热点。 国内外的研究主要集中在突变量阻抗接地继电器、四边形特性继电器、复合特性接地方向阻抗继电器、零序电流极化接地距离继电器、零序（正序、负序）电压极化神经网络距离继电器。 除了以上克服过渡电阻影响的常规方法外，文献2提出了一种多相补偿接地距离继电器，它是按比较三相补偿电压和零序电流相位原理构成的，该继电器能够承受较大的过渡电阻，在 JJ-500 型距离保护装置中就采用了这一继电器作为接地故障的测量元件。但继电器处于送电侧时，同时两端电源的相角差增大时，该继电器可能会发生拒动3。文献4提出了使
4、用人工神经网络的自适应距离保护，人工神经网络虽然具有强大的模式识别能力，对任何复杂的状态或过程都具有较好自适应、很强的容错性和优良的非线性处理能力，但是应用该方法必须通过大量样本的训练，而电力系统有不同的故障类型，样本训练有一定的困难。目前神经网络距离继电器也只停留在理论研究阶段。 1 以为极化电压的接地距离保护的基本原理 图 1 双端系统 一个双端系统如图 1 所示，若继电器采用阻抗继电器的 A 相工作电压与 A 相电流（A 相零序电流）比相实现时，也就是零序电抗继电器的动作方程可以写为 （1.1） 保护安装处 M 侧母线上 A 相各序电压为 式中、 、分别为 M 侧正序、负序、零序电流的分
5、配系数， 、 、 ，一般情况下，有，而、 。 保护安装处的 A 相电压为 于是 （1.2） 其中，由此，可以采用作为极化电压。 以作为极化电压新型的接地距离保护的动作方程为5 （1.3） 随变化而变化，其运动轨迹如图 2 所示(以送电侧为例)，图中的阴影部分为动作区域，动作边界随着过渡电阻变化而变化的，当过渡电阻较小时，极化电压为图 2 所示的，阻抗继电器的工作电压是在动作区域内的（即落在的阴影处） ，但是随着过渡电阻的逐渐增大，极化电压随着圆弧向上，当极化电压落在图中处，阻抗继电器的工作电压可能会超出动作区域（落在的阴影外） ，因此该阻抗继电器在一定程度上可以承受过渡电阻的影响，但是不能完全
6、消除。 图 2 与工作电压随过渡电阻变化的关系图 2 对以为极化量的接地方向距离保护方案的修正 2.1 采用移相提高承受过渡电阻的能力 由式（1.2）看出，可以用代替的前提是假设两者的相角差为 90，但是，实际上和的相位不完全相差 90，因此以为极化量的继电器还是会受到过渡电阻的影响，为了提高继电器对过渡电阻的承受能力，可以对极化电压进行适当的移相，使和的相位相差刚好为 90。 移相角 越大，对保护范围末端的高阻接地故障反应越灵敏，但是当移相角 过大时，可能会使该继电器的动作方向不明确，所以可以取移相角，因此，移相后的新型的接地距离保护的动作方程为 （2.1） 可以将上式改写如下式 （2.2）
7、 当线路正方向发生单相接地短路时，继电器的动作方程可以化成： （2.3） 动作特性如图 3 所示，圆外为动作区。 图 3 移相后的正方向接地时的动作特性 当处于动作方程右侧边界时，做出如图 3 中所示，因、 ，所以超前的角度等于。因此，C 点（端点）轨迹是以为弦内含的角弧（大于半圆） 。当处于动作方程左侧边界时，做出如图 3 中所示，超前的角度等于，故C1 点（端点）轨迹是以为弦内含的角弧（小于半圆） 。 设直线是该动作特性圆的直径， ，所以，因此；同时有 可见，移相 后，动作特性与原来相比，动作特性圆向 R 轴的正方向移动，因此随着 的增大，动作特性包含第一象限的区域增大，可增大区内单相接地
8、时允许的过渡电阻，这在较短线路的接地距离保护中是需要的。 由图 3 可以知道，以为极化电压的接地距离保护方案的动作区域是在一个圆的圆外，因此，该继电器的耐过渡电阻的能力就非常大，它几乎覆盖了整个电阻区域，但是实际情况下，正方向短路时由于，因此图3（）可以化简成图 4，阴影部分为动作区域。反方向短路时，简化后动作特性如图 5 所示。 图 4 正方向动作特性图 5 反方向动作特性 对比图 4 和图 5 可以看到原点（0，0）在正方向接地故障时的动作区内，而不在反方向接地故障时的动作区内，因此，以为极化电压进行移相后（超前方向移相） ，继电器有明确的方向性，即正向出口单相接地时可靠动作、反向出口单相
9、接地时不误动。 同时，在保护安装处的出口发生单相接地短路时，保护安装处的电压很小，但是正序电压会比较大，这样极化电压就不会很小，那么保护安装处的出口就不会存在电压死区的问题。 2.2 采用附加零序电抗器提高防超越能力 在两端电源的情况下，过渡电阻 Rg 的存在有时不仅仅能够使保护安装处的测量阻抗 Zm 变大，还可以使保护安装处的测量阻抗 Zm 变小。如果因过渡电阻 Rg 的存在使保护安装处的测量阻抗 Zm 较小，从而使区外短路故障被判为区内短路故障而造成的保护误动作的现象称为稳态超越。当加上一个零序电流继电器以后，当接地距离继电器发生正方向接地故障时，其动作特性如图 6 所示的阴影部分，从图中
10、可以看出超越部分已经被零序电流继电器排除出去了。 图 6 防止超越的动作特性 当这种新型继电器加上零序电流继电器后，动作特性如图 7 所示，因此，该新型的接地距离保护方案具有一定的防止超越误动的能力。 图 7 防止超越的动作特性 但是因为该继电器的动作区域在圆形外，这就使得它的动作区域很大，动作区域的增大，可以很有效的防止过渡电阻的影响，但是同时又带来了负面影响，那就是有助增电源及外汲电流的情况下发生区外短路故障极有可能是的测量阻抗落入动作区域，造成继电器的误动作。再加上一个零序电抗器，如图 8（a）所示，在图中可以明显看出，新型的接地距离保护方案的优势消除了，即它所承受的过渡电阻的能力下降了
11、；如果加大零序电抗的整定阻抗 Zset，如图 8（b）所示，可以看成将原本的零序电抗器向右平移一点点，这样就能够在很强的耐受过渡电阻能力的前提下，比较有效的防止超越。所增加的零序电抗器的动作方程为 （2.4） 其中，通常整定阻抗为线路全长的 90%。 （a） （b） 图 8 送电侧正方向时的防止超越的动作特性 在继电器处于送电侧时，保护安装处的测量阻抗的变化的大致轨迹如图 8（b）中的粗线所示，从图中可以看出，测量阻抗可能会到达防止超越的部分，如果进入到超越的部分，零序电抗器可以发挥作用，防止超越误动。 以上讨论的是继电器处于送电侧的情况，如果继电器处于受电侧，那么情况将有所改变，因为当继电器
12、处于受电侧时，零序电抗器的动作特性曲线将会发生些微的变化，如图 9 所示，图中的粗线表示的是测量阻抗的大致轨迹。从图中可以看出测量阻抗一定会进入超越区域，因此，加上的零序电抗器能够很好的防止超越误动，但是同时由于继电器处于受电侧，会使该新型的接地距离保护方案的耐受过渡电阻的能力比处于送电侧时的有所下降。 图 9 受电侧正方向时的防止超越的动作特性 3 仿真分析 3.1 仿真模型的建立 MATLAB 仿真模型如图 10 所示，保护安装在 M、N 处。整定区为线路的 85%。 在 500kV 高压系统中，总长 300km，发电机的参数为；线路的正序分布参数为， ， ；线路的负序分布参数为， ， ；
13、线路的零序分布参数为， ， 。过渡电阻达到 300。 图 10 仿真模型 仿真时，故障点选取可以通过改变断路器两端线路的长度来改变。实验中，分别选取故障点在在保护反方向出口、正方向出口、保护范围内线路的 20%、40%处、近保护范围末端 60%、80%处、保护范围外部线路末端 300km 处 7 个点，过渡电阻从 0 到 300，步长为 20。 3.2 承受过渡电阻能力仿真分析 将以正序电压为极化量和以为极化量的继电器分别用 MATLAB 仿真，仿真时两端的电势的相位差为 60，将仿真得到的数据进行处理得到的结果如图 11（a） 、 （b）所示，从图中可以看出，以为极化量的继电器的承受过渡电阻
14、能力明显比以正序电压为极化量的继电器的能力强。但是随着短路点离测量点越远，继电器的承受过渡电阻的能力还是有待提高。以为极化量的继电器处在送电侧的承受过渡电阻的能力是高于处于受电侧的。 送电侧 （b）受电侧 图 11 两种极化量电压的继电器承受过渡电阻的比较 3.3 采用移相后承受过渡电阻能力的仿真分析 将移相前和移相后分别用 MATLAB 仿真，将仿真得到的数据处理得到的结果如图 12（a） 、 （b）所示，从图中可以看出，送电侧和受电侧移相后承受过渡电阻的能力均增强，送电侧短路点距离测量点越远，效果越明显；受电侧短路点距离测量点越近，效果越明显。同时移相后在反方向出口处，继电器同样不动作，这
15、就表明移相后在不影响继电器的动作方向性的基础上，继电器耐受过渡电阻的能力增强，修正后的动作方程是可行的。 （a） 送电侧（b） 受电侧 图 12 移相前后的继电器承受过渡电阻的比较 对比图 12（a）和（b）可以知道以为极化量的继电器移相后在送电侧与受电侧的承受过渡电阻的能力是有区别的，明显的，继电器在送电侧的承受过渡电阻的能力略强，这是因为在受电侧与送电侧，相量的改变轨迹与继电器的工作电压的改变轨迹不尽相同，因此，会存在着一定的差别。 3.4 附加零序电抗器的仿真分析 将附加的零序电抗器移相前和移相后分别用 MATLAB 仿真，结果表明，零序电抗器的承受过渡电阻的能力较强，但是在反方向时，继电器的有时动作，有时不动作，这就说明继电器的方向性不明确，为提高新型的接地距离保护方案的超越能力，新增加的零序电抗器的动作方程与以为极化量的动作方程所得的结果必须同时满足，因此将两者所得的结果进行综合分析，所得的结果如图 13 所示。在图中，两者综合的曲线只比以
