過渡電阻對(duì)水電廠線路距離保護(hù)的影響分析

崔 航，肖 飛，宋佳新

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司本溪供電公司，遼寧 本溪 117000；2.松遼水利委員會(huì)水文局嫩江水文水資源中心，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

1 過渡電阻對(duì)繼電保護(hù)的影響

距離保護(hù)是反映故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處的電氣距離，并根據(jù)電氣距離的遠(yuǎn)近而確定動(dòng)作時(shí)間的一種保護(hù)裝置，電氣距離一般以阻抗表示，所以距離保護(hù)又稱為阻抗保護(hù)[1]。其基本原理是用阻抗繼電器測(cè)量保護(hù)安裝處與故障點(diǎn)之間的阻抗Zk（或距離），即保護(hù)安裝處電壓與電流的比值，再將此測(cè)量阻抗ZM與整定阻抗Zset進(jìn)行比較，當(dāng)ZM＞Zset時(shí)，保護(hù)不動(dòng)作；反之，則保護(hù)動(dòng)作。由于電氣距離的大小不隨系統(tǒng)運(yùn)行方式而變化，因此，距離保護(hù)比電流、電壓保護(hù)的范圍更確定，且較為靈敏，不受（或很少受）系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響[2]。但這些是在發(fā)生金屬性短路故障時(shí)才存在的理想狀況，實(shí)際上電力系統(tǒng)中的短路一般都不是金屬性的，而是在短路點(diǎn)往往都存在著過渡電阻Rg。該過渡電阻主要是故障點(diǎn)的弧光電阻，此過渡電阻的存在，將使距離保護(hù)的測(cè)量阻抗發(fā)生變化[3]，一般情況下是使保護(hù)范圍縮短，但有時(shí)候也能引起保護(hù)的超范圍動(dòng)作或反方向誤動(dòng)作[4]。Rg一般為純電阻，假設(shè)流過Rg的電流為Iì，則繼電器的測(cè)量阻抗為

式中：ZR為過渡電阻在繼電器測(cè)量阻抗中引起的附加分量；ZL為測(cè)量阻抗；是保護(hù)安裝處的電流值；在單側(cè)電源的情況下=，ZR為純電阻性，一般不會(huì)引起超越。在雙側(cè)電源的情況下，≠，ZR就有電抗分量。由正方向短路和反方向短路分析，超前相上的阻抗繼電器，由于附加阻抗是阻容性的，使它在區(qū)外故障時(shí)易超越[5]；落后相上的阻抗繼電器，由于附加阻抗是阻感性的，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)故障時(shí)可能拒動(dòng)。

2 過渡電阻對(duì)阻抗繼電器的影響分析

2.1 正向短路

圖1 是正向經(jīng)Rg短路的系統(tǒng)圖，圖中ES，ER表示模擬雙側(cè)電源線路。加在阻抗繼電器上的電壓UM、電流IM和Rg上的電流IZ都是指故障相或故障相間的電壓、電流值。

圖1 正向短路系統(tǒng)圖

式中：UMφ為故障相電壓；IMφ為M處故障相電流，輸電線路上正負(fù)序阻抗值相等可推導(dǎo)出：

式中：Z1，Z0分別為正序阻抗值和零序阻抗值。

式中：ZK為故障F到保護(hù)安裝處的正序阻抗；I∑為和電流；C為電流分配系數(shù)；Za為由過渡電阻產(chǎn)生的附加阻抗。

式中：j為虛數(shù)單位，極坐標(biāo)中表示電路中的相位角；θ為阻抗角。

由圖2a)可知：物體在漂移了80 min后第1次出現(xiàn)和岸線相交的情況。隨著時(shí)間的推移，矩形區(qū)域逐漸擴(kuò)大，表明物體軌跡的預(yù)測(cè)精度在逐漸下降，而且預(yù)測(cè)區(qū)域一直存在和河岸相交的情況且相交的區(qū)域越來越大。該結(jié)果表明：在第80 min時(shí)刻，物體就有可能觸岸擱淺，但此時(shí)擱淺的概率較小，隨著時(shí)間的推移，物體停止漂移的概率將越來越大，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值后就將逐漸減小。由圖2b)可知：漂移物沿岸線最終停止的位置距初始位置的下游距離概率分布情況呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)，變化幅度較大。

由于IM與I∑相位可能不一致，因此，附加阻抗Za可能呈現(xiàn)純阻性、電阻電感性或電阻電容性，導(dǎo)致阻抗繼電器的測(cè)量阻抗發(fā)生變化（如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)R代表電阻，縱坐標(biāo)JX代表電抗），從而造成區(qū)內(nèi)故障時(shí)阻抗繼電器可能拒動(dòng)（當(dāng)Za為純阻性或電阻電感性時(shí)）。一般裝于送電端的阻抗繼電器，由于附加阻抗Za呈阻容性而易超越。

圖2 附加阻抗特性導(dǎo)致測(cè)量阻抗變化示意圖

把過渡電阻對(duì)阻抗繼電器測(cè)量阻抗變化的影響用公式（8）表示的附加阻抗來表達(dá)后，則加于保護(hù)上的電壓（母線電壓）為

上述附加阻抗性質(zhì)的變化是由于I∑與IM的相位不同造成的。由圖1 可知，I∑與IM的相位變化是由于故障點(diǎn)側(cè)電流IM與IN的相位不同造成的，因?yàn)镮∑=IM+IN。還有一種附加阻抗性質(zhì)的變化不是完全由故障點(diǎn)兩側(cè)的電流相位不一致造成的，而是由于兩個(gè)故障相的電流相位不一致造成的。這種情況發(fā)生在兩相短路接地的情況中。

如圖3 所示，B，C兩相經(jīng)Rg接地短路情況，相間的電弧電阻可以忽略不計(jì)。Rg為桿塔、大地電阻或外物電阻，例如樹木放電時(shí)，該電阻是樹木電阻和大地電阻。

圖3 兩相經(jīng)Rg 接地短路

此時(shí)，裝于M母線上的接地阻抗繼電器（相阻抗）中的B相繼電器的測(cè)量阻抗為

式中：UMB，IB分別為B相的電壓和電流；Z′a為B相的附加阻抗；I∑B，I∑C分別為B相和C相的和電流；C′為電流分配系數(shù)。B相的阻抗角為θ′，計(jì)算公式：

同理，C相繼電器的測(cè)量阻抗為

式中：Z″a為C相的附加阻抗；UMC，IC分別為C相的電壓和電流；I∑B，I∑C分別為B相和C相的和電流；C″為電流分配系數(shù)。C相的阻抗角為θ″，計(jì)算公式：

圖4 為兩相接地短路的向量圖，由圖4 可知，由于(I∑B+I∑C)落后于(IB+K·3I0)，θ′是負(fù)角，所以B相阻抗繼電器的附加阻抗Za′為電阻電容性的，B相阻抗繼電器易在區(qū)外短路時(shí)超越。從圖4中還可看到，由于(I∑B+I∑C)超前(IB+K·3I0)，θ′是正角，所以C 相阻抗繼電器的附加阻抗Z″a為電阻電感性的，區(qū)內(nèi)短路時(shí)可能會(huì)拒動(dòng)。

圖4 兩相接地短路向量圖

B相、C相阻抗繼電器測(cè)量阻抗的變化如圖5所示，當(dāng)發(fā)生兩相接地短路時(shí)，過渡電阻上流的是兩故障相電流之和。由于兩故障相電流相位相差較大，造成兩故障相上的接地阻抗繼電器（相阻抗）測(cè)量阻抗中的附加阻抗性質(zhì)不同。超前相上的阻抗繼電器，由于附加阻抗是阻容性的，使它區(qū)外故障時(shí)易超越；落后相上的阻抗繼電器，由于附加阻抗是阻感性的，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)故障時(shí)可能拒動(dòng)。

圖5 兩相故障經(jīng)過渡電阻接地的測(cè)量阻抗

2.2 反向短路

反向經(jīng)Rg短路的示意圖見圖6。加于阻抗繼電器上的電壓UM、電流IM是按照規(guī)定正方向所繪畫，故流經(jīng)Rg上的電流I∑是按IM的方向畫出的。

圖6 反向短路系統(tǒng)圖

阻抗繼電器的測(cè)量阻抗：

若按公式（7）計(jì)算得的θ角為正角，則Za是阻感性的。在阻抗復(fù)數(shù)平面上，-Za應(yīng)向左下方畫( -R，-JX)如圖7中的Z′a。若計(jì)算得的θ角為負(fù)角，則Za是阻容性的。在阻抗復(fù)數(shù)平面上，-Za應(yīng)向左上方畫( -R，-JX)，如圖7 中的Z″a。相應(yīng)的繼電器測(cè)量阻抗分別為圖7 中的ZJ′和ZJ″。

圖7 反向短路時(shí)附加阻抗圖

需要指出，超高壓輸電線路阻抗角很大（約85°），上述超越和失去方向的可能性也增大。對(duì)于超越最嚴(yán)重的情況，是在區(qū)外最近處發(fā)生故障；而對(duì)于失去方向性最嚴(yán)重的情況，則是在背后母線上發(fā)生故障[8]。

圖8 為由于過渡電阻使相鄰線路保護(hù)失去選擇性的情況。圖8（a）為短路系統(tǒng)圖，標(biāo)注了距離保護(hù)Ⅰ段、Ⅱ段的動(dòng)作范圍，圖8（b）為保護(hù)A的Ⅰ段ZⅠA和保護(hù)B的Ⅱ段ZⅡB的動(dòng)作特性圓。在單側(cè)電源情況下，保護(hù)A的出口經(jīng)過渡電阻短路，若測(cè)量阻抗落入圖8 中繪有陰影的區(qū)域，甚至在AD線以內(nèi)，保護(hù)A拒動(dòng)，保護(hù)B越線跳閘。

圖8 相鄰線始端經(jīng)電阻接地姆歐繼電器越級(jí)跳閘

對(duì)于阻抗繼電器還要考慮BC兩相短路經(jīng)電阻Rg接地的情況。即使是單側(cè)電源供電，對(duì)B相阻抗繼電器來說，Rg上也受到C相電動(dòng)勢(shì)的助增。這與上述雙側(cè)電源供電線路上的情況在本質(zhì)上是相同的，且由于C相電動(dòng)勢(shì)落后于B相電動(dòng)勢(shì)120°，問題還要嚴(yán)重的多，若是反方向故障，要失去方向性。這一現(xiàn)象也可用電壓向量圖來分析[9]。

過渡電阻會(huì)導(dǎo)致在區(qū)內(nèi)故障時(shí)繼電器不動(dòng)作，但不影響相間故障。相間故障時(shí)的過渡電阻主要是電弧電阻，電弧電阻是非線形的。電弧壓降值Uarc≈（3%～5%）EPP，是常數(shù)，與電流無關(guān)。對(duì)于 故 障 環(huán)路電動(dòng) 勢(shì)PP=(ZS+ZL)IìPP+arc，近似認(rèn)為(ZS+ZL)PP與arc相差90°，則過渡電阻引起的附加分量ZR≈（3%～5%）(ZS+ZL)?，F(xiàn)代姆歐繼電器在阻抗平面上的動(dòng)作特性是以向量ZS+ZL為直徑的圓，所以對(duì)電弧電阻有足夠的反應(yīng)能力。至于距離保護(hù)Ⅱ段，可以采用瞬時(shí)測(cè)量技術(shù)[10]，一旦繼電器動(dòng)作就擴(kuò)大特性圓在第Ⅰ象限的動(dòng)作區(qū)。

單相故障時(shí)，接地電阻可能很大，但接地距離繼電器在提高對(duì)接地電阻的反應(yīng)能力時(shí)，應(yīng)能避開負(fù)荷，不能依靠很靈敏的零序電流元件來避開負(fù)荷，因?yàn)楫?dāng)相鄰線兩相運(yùn)行或遠(yuǎn)方有故障時(shí)都會(huì)有零序電流出現(xiàn)，而此時(shí)本線可能帶重負(fù)荷，所以距離繼電器本身應(yīng)有避開負(fù)荷的能力[11]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用能容許較大的過渡電阻而不致拒動(dòng)的阻抗繼電器，可防止過渡電阻對(duì)繼電器工作的影響。例如，對(duì)于過渡電阻只能使測(cè)量阻抗的電阻部分增大的單電源線路，可采用不反應(yīng)有效電阻的電抗型阻抗繼電器；在雙側(cè)電源線路上，可采用可減小過渡電阻影響的多邊形動(dòng)作特性的阻抗繼電器。

利用所謂“瞬時(shí)測(cè)量回路”來固定阻抗繼電器的動(dòng)作，相間短路時(shí)，過渡電阻主要是電弧電阻，其數(shù)值在短路瞬間最小，經(jīng)過0.10～0.15 s 后，就迅速增大。根據(jù)上述特點(diǎn)，通常距離保護(hù)的第Ⅱ段可采用瞬時(shí)測(cè)量回路，以便將短路瞬間的測(cè)量阻抗值固定下來，使過渡電阻的影響減至最小。在后續(xù)的研究中，應(yīng)考慮雙側(cè)電源線路故障時(shí)距離保護(hù)裝置的動(dòng)作特性，評(píng)估阻抗繼電器的耐受過渡電阻能力，為優(yōu)化縱聯(lián)距離保護(hù)的整定計(jì)算提供依據(jù)。