過渡電阻對距離保護的影響及其對策分析

任圓 蔡清亮 高德艷

摘要：在我國快速發(fā)展過程中，經(jīng)濟在快速發(fā)展，社會在不斷進步，110kV線路多采用距離保護作為線路主保護，而短路點過渡電阻的存在使阻抗繼電器的測量阻抗發(fā)生變化，易造成距離保護拒動。針對過渡電阻對距離保護的影響問題，基于PSCAD仿真平臺搭建110kV雙側(cè)電源輸電線路及線路距離保護的仿真模型，分析在不同短路情況下保護的動作特性，并基于此線路對仿真結(jié)果進行測試驗證。仿真結(jié)果表明，過渡電阻對距離保護會產(chǎn)生較大影響，而零序電流保護元件抗過渡電阻干擾的能力較強，作為110kV線路的后備保護，與距離保護配合具有較高的可靠性，能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：線路保護;過渡電阻;PSCAD/EMTDC;仿真分析

引言

短路故障點的過渡電阻是影響距離保護正確工作的因素之一。當(dāng)線路發(fā)生接地短路時，由于過渡電阻的存在，必將引起測量阻抗的變化，從而對接地距離保護的正確工作帶來影響。本文通過分析單側(cè)電源線路和雙側(cè)電源線路出口故障時過渡電阻對不同距離保護工作的影響，比較傳統(tǒng)型距離保護、自適應(yīng)距離保護、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)距離保護躲過渡電阻特性的各自優(yōu)缺點，提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)距離保護硬件設(shè)計和工作原理。

1距離保護的分類、配置與整定

1.1距離保護的分類

1）阻抗繼電器阻抗繼電器是反映測量阻抗變化的距離保護，通過判斷測量阻抗是否落入其動作區(qū)域來判定是否動作：當(dāng)落入保護動作區(qū)域時，保護動作;否則，不動作。其中，保護安裝處的測量阻抗表達式為 式中： 分別表示保護安裝處的電壓、電流和零序電流，且φ=A，B，C;K表示零序電流補償系數(shù);α表示故障點到保護安裝處的距離百分比;Zl表線路阻抗; 分別表示故障點的電壓和電流;R表示過渡電阻; 表示過渡電阻引起的故障附加阻抗。阻抗繼電器常見的動作特性有方向圓、四邊形、偏移圓和全阻抗等。2）距離繼電器距離繼電器是按照故障點的電壓邊界條件建立動作判據(jù)，即利用故障相補償電壓在保護范圍臨界點存在相位突變180°的特點，來判別區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障：當(dāng)判定為區(qū)內(nèi)故障時，保護動作;否則，不動作。其中，補償電壓表達式為 式中：Zset表示整定阻抗;其他符號定義與式（1）中相同。補償電壓在正常運行態(tài)、振蕩、兩相運行和區(qū)外故障時，均能夠正確反映整定點電壓;唯有在保護區(qū)內(nèi)故障時，方不能準(zhǔn)確反映整定點的電壓。為判斷補償電壓相位是否存在突變，距離繼電器需引入起參考作用的極化量（可以是電壓、電流，或電壓與電流構(gòu)成的復(fù)合量）來比相。在保護判據(jù)中選擇不同的極化量，可構(gòu)成具有不同動作特性的保護方案，如極化距離繼電器、工頻變化量距離繼電器、多相補償距離繼電器、電抗繼電器等。

1.2距離保護的整定

距離保護整定原則是按金屬性故障來校驗靈敏度，且不計及弧光電阻的影響。1）阻抗繼電器在符合逐級配合原則的前提下，盡可能提高距離保護的靈敏度。對于配合有困難時，采用不完全配合，即后備保護之間定值不配，按時間段相配的原則整定，時間級差采用0.3～0.4s。距離I段：按可靠躲過本線路末端故障整定。如500kV輸電線路可靠系數(shù)取0.6～0.8;220kV輸電線路可靠系數(shù)取0.6～0.7;同桿或部分同桿的平行雙回線可靠系數(shù)取0.5～0.6。對于超短線路（如小于5km），為防止超越應(yīng)停用距離I段。

2過渡電阻對距離保護的影響

關(guān)斷零序保護，在仿真模型中的斷路器2、斷路器6、斷路器3和斷路器5中只配備距離保護和重合閘保護，而斷路器1、斷路器4只配備簡單的電源保護，觀察斷路器動作情況。在仿真實驗中設(shè)置故障開始時間為0.2s，持續(xù)時間0.6s。以單相故障為例進行分析，故障點位于線路AB長度50%處。110kV架空輸電線路發(fā)生接地故障時短路點的過渡電阻一般不超過40Ω。一般來講，過渡電阻值越大對距離保護的影響越大，本文設(shè)置接地點過渡電阻分別為1Ω，30Ω和60Ω，以對比分析在較小、中等、較大的過渡電阻情況下距離保護的動作情況。線路AB發(fā)生A相永久性接地故障時，保護2和保護6的動作信號圖如圖5所示。由上至下分別是當(dāng)過渡電阻為1Ω，30Ω和60Ω時保護2處的繼電器測量的電平信號。保護2和保護6在過渡電阻為1Ω和30Ω的接地故障發(fā)生后迅速發(fā)出跳閘信號，故障被立即切除，但是在過渡電阻為60Ω時不動作。通過觀察阻抗軌跡，若阻抗軌跡落入整定的阻抗圓中，保護動作，否則不動作?？梢钥闯觯?dāng)過渡電阻為1Ω和30Ω時，A相測量阻抗軌跡在圈內(nèi)，即短路點位于保護范圍內(nèi)，距離保護能夠動作，可靠地切除故障;而隨著過渡電阻增大，阻抗軌跡逐漸遠(yuǎn)離阻抗圓。在過渡電阻值增大到60Ω時，阻抗軌跡并沒有落入整定的阻抗圓中，距離保護拒動。由以上仿真結(jié)果可知：不同阻值的過渡電阻對距離保護的影響不同，過渡電阻越大，對保護的影響越明顯，超出一定范圍會造成保護拒動，距離保護失效。

3采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)距離保護

采用ANN構(gòu)成的自適應(yīng)接地距離保護系統(tǒng)，按電力系統(tǒng)實時狀態(tài)自動設(shè)置傾斜角α。站計算機采集所需的電壓、電流量，經(jīng)過處理，將相關(guān)的數(shù)據(jù)送回保護系統(tǒng)，由ANN估算傾斜角α以供距離保護應(yīng)用。此方法的基本思想是基于現(xiàn)時運行的繼電保護中，當(dāng)某段線路發(fā)生非金屬性短路時，過渡電阻的阻值在實際線路保護中是不能被確定的，因此，流過過渡電阻的電流fI·在保護中也是測不到的，這使得通過計算傾斜角a來實現(xiàn)自適應(yīng)距離保護的算法變得復(fù)雜化、非線性化。通過把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到自適應(yīng)距離保護，對需要保護的雙端輸電線路用PSASP（電力系統(tǒng)分析綜合程序）進行仿真。對仿真線路進行大量試驗以獲得相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以計算出傾斜角a。再把實際保護線路能測得的數(shù)據(jù)結(jié)合已經(jīng)計算出的傾斜角a一起輸入到三層BP網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，以獲得一個訓(xùn)練好的三層BP網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)線路發(fā)生短路時，通過把線路的實時測量數(shù)據(jù)輸入到已訓(xùn)練的BP網(wǎng)絡(luò)中，ANN就能估算出傾斜角a，以實現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自適應(yīng)距離保護的應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的并行運算能力、極強的自適應(yīng)性、高度的魯棒性和容錯能力，對于非線性系統(tǒng)的求解比傳統(tǒng)計算方法有著無與倫比的優(yōu)勢，它解決了某些傳統(tǒng)計算方法難于求解或不能求解的問題，很適合于處理電力系統(tǒng)這樣復(fù)雜的非線性大規(guī)模動態(tài)系統(tǒng)。近十幾年來，ANN在故障診斷、智能控制、繼電保護、優(yōu)化運算、負(fù)荷預(yù)測等方面有相當(dāng)多的應(yīng)用研究成果出現(xiàn)。

結(jié)語

本文通過數(shù)值化的方式，分析了系統(tǒng)各因素對單端電源雙回線路負(fù)荷側(cè)縱聯(lián)距離保護承受過渡電阻能力的影響。線路互感、有源側(cè)零序阻抗、無源側(cè)零序阻抗的變化均不會對負(fù)荷側(cè)縱聯(lián)距離元件的承受最大過渡電阻能力產(chǎn)生明顯影響，有源側(cè)系統(tǒng)運行方式是影響距離保護承受過渡電阻能力的主要因素。

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