一種新型接地距離保護的研究

1、<p>　　一種新型接地距離保護的研究</p><p>　　一種新型接地距離保護的研究 </p><p>　　1卞孝琴 2陳璐璐 </p><p>　　1南京供電公司 2南京理工大學(xué) </p><p>　　摘要：在超高壓、特高壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障時，一般不是金屬性接地短路故障，而存在著過渡電阻。過渡電阻的存在會對距離保護造

2、成嚴(yán)重的影響，研究接地距離保護對過渡電阻的承受能力，對提高距離保護的性能有著現(xiàn)實意義。某一新型的接地阻抗繼電器是以故障相的正序電壓與故障相電壓之差為極化電壓，然而其承受過渡電阻的能力有待提高。本文對其進行了修正，采用移相來提高它的承受過渡電阻的能力；增加一個零序電抗器來提高其防超越的能力。分析了修正后的繼電器的動作方向性，不存在電壓死區(qū)的問題，并且具有靈敏度高等特點。采用MATLAB對500kV系統(tǒng)進行了仿真分析，對送電側(cè)、受電側(cè)、移相

3、前后差等各種不同情況下進行仿真數(shù)據(jù)計算，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果表明，修正后的繼電器具有良好的動作特性。 </p><p>　　關(guān)鍵詞:接地阻抗繼電器，過渡電阻，穩(wěn)態(tài)超越，Matlab </p><p>　　中圖分類號：TF806文獻標(biāo)識碼： A </p><p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　在超高壓、特高壓

4、系統(tǒng)中，系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障時，一般會存在著過渡電阻。這些過渡電阻一般都是純電阻，它是由電弧電阻，桿塔接地電阻和對樹枝放電時的樹枝電阻組成的。在實際電力系統(tǒng)中，過渡電阻還受當(dāng)時故障方式、地質(zhì)條件和天氣情況等因素的影響，可能達到很高的數(shù)值。過渡電阻會給距離保護方案造成很大的影響[1]。 </p><p>　　因此研究如何消除過渡電阻在接地距離保護中的影響，對提高距離保護的性能有著現(xiàn)實意義，一直也是繼電保護工作者研究

5、的熱點。 </p><p>　　國內(nèi)外的研究主要集中在突變量阻抗接地繼電器、四邊形特性繼電器、復(fù)合特性接地方向阻抗繼電器、零序電流極化接地距離繼電器、零序（正序、負(fù)序）電壓極化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)距離繼電器。 </p><p>　　除了以上克服過渡電阻影響的常規(guī)方法外，文獻[2]提出了一種多相補償接地距離繼電器，它是按比較三相補償電壓和零序電流相位原理構(gòu)成的，該繼電器能夠承受較大的過渡電阻，在JJ-5

6、00型距離保護裝置中就采用了這一繼電器作為接地故障的測量元件。但繼電器處于送電側(cè)時，同時兩端電源的相角差增大時，該繼電器可能會發(fā)生拒動[3]。文獻[4]提出了使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)距離保護，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然具有強大的模式識別能力，對任何復(fù)雜的狀態(tài)或過程都具有較好自適應(yīng)、很強的容錯性和優(yōu)良的非線性處理能力，但是應(yīng)用該方法必須通過大量樣本的訓(xùn)練，而電力系統(tǒng)有不同的故障類型，樣本訓(xùn)練有一定的困難。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)距離繼電器也只停留在理論研究階段

7、。 </p><p>　　1 以為極化電壓的接地距離保護的基本原理 </p><p><b>　　圖 1 雙端系統(tǒng) </b></p><p>　　一個雙端系統(tǒng)如圖1所示，若繼電器采用阻抗繼電器的A相工作電壓與A相電流（A相零序電流）比相實現(xiàn)時，也就是零序電抗繼電器的動作方程可以寫為 </p><p><b>　

8、?。?.1） </b></p><p>　　保護安裝處M側(cè)母線上A相各序電壓為 </p><p>　　式中、、分別為M側(cè)正序、負(fù)序、零序電流的分配系數(shù)，、、，一般情況下，有，而、。 </p><p>　　保護安裝處的A相電壓為 </p><p><b>　　于是 </b></p><p&g

9、t;<b>　?。?.2） </b></p><p>　　其中，由此，可以采用作為極化電壓。 </p><p>　　以作為極化電壓新型的接地距離保護的動作方程為[5] </p><p><b>　?。?.3） </b></p><p>　　隨變化而變化，其運動軌跡如圖2所示(以送電側(cè)為例)，圖中的陰

10、影部分為動作區(qū)域，動作邊界隨著過渡電阻變化而變化的，當(dāng)過渡電阻較小時，極化電壓為圖2所示的，阻抗繼電器的工作電壓是在動作區(qū)域內(nèi)的（即落在的陰影處），但是隨著過渡電阻的逐漸增大，極化電壓隨著圓弧向上，當(dāng)極化電壓落在圖中處，阻抗繼電器的工作電壓可能會超出動作區(qū)域（落在的陰影外），因此該阻抗繼電器在一定程度上可以承受過渡電阻的影響，但是不能完全消除。 </p><p>　　圖2 與工作電壓隨過渡電阻變化的關(guān)系圖 <

11、;/p><p>　　2對以為極化量的接地方向距離保護方案的修正 </p><p>　　2.1 采用移相提高承受過渡電阻的能力 </p><p>　　由式（1.2）看出，可以用代替的前提是假設(shè)兩者的相角差為90°，但是，實際上和的相位不完全相差90°，因此以為極化量的繼電器還是會受到過渡電阻的影響，為了提高繼電器對過渡電阻的承受能力，可以對極化電壓進行

12、適當(dāng)?shù)囊葡?，使和的相位相差剛好?0°。 </p><p>　　移相角θ越大，對保護范圍末端的高阻接地故障反應(yīng)越靈敏，但是當(dāng)移相角θ過大時，可能會使該繼電器的動作方向不明確，所以可以取移相角，因此，移相后的新型的接地距離保護的動作方程為 </p><p><b>　　（2.1） </b></p><p>　　可以將上式改寫如下式 &l

13、t;/p><p><b>　?。?.2） </b></p><p>　　當(dāng)線路正方向發(fā)生單相接地短路時，繼電器的動作方程可以化成： </p><p><b>　?。?.3） </b></p><p>　　動作特性如圖3所示，圓外為動作區(qū)。 </p><p>　　圖3 移相后的正方

14、向接地時的動作特性 </p><p>　　當(dāng)處于動作方程右側(cè)邊界時，做出如圖3中所示，因、，所以超前的角度等于。因此，C點（端點）軌跡是以為弦內(nèi)含的角?。ù笥诎雸A）。當(dāng)處于動作方程左側(cè)邊界時，做出如圖3中所示，超前的角度等于，故C1點（端點）軌跡是以為弦內(nèi)含的角?。ㄐ∮诎雸A）。 </p><p>　　設(shè)直線是該動作特性圓的直徑，，所以，因此；同時有 </p><p>

15、;　　可見，移相θ后，動作特性與原來相比，動作特性圓向R軸的正方向移動，因此隨著θ的增大，動作特性包含第一象限的區(qū)域增大，可增大區(qū)內(nèi)單相接地時允許的過渡電阻，這在較短線路的接地距離保護中是需要的。 </p><p>　　由圖3可以知道，以為極化電壓的接地距離保護方案的動作區(qū)域是在一個圓的圓外，因此，該繼電器的耐過渡電阻的能力就非常大，它幾乎覆蓋了整個電阻區(qū)域，但是實際情況下，正方向短路時由于，因此圖3（）可以化簡

16、成圖4，陰影部分為動作區(qū)域。反方向短路時，簡化后動作特性如圖5所示。 </p><p>　　圖4 正方向動作特性圖5 反方向動作特性 </p><p>　　對比圖4和圖5可以看到原點（0，0）在正方向接地故障時的動作區(qū)內(nèi)，而不在反方向接地故障時的動作區(qū)內(nèi)，因此，以為極化電壓進行移相后（超前方向移相），繼電器有明確的方向性，即正向出口單相接地時可靠動作、反向出口單相接地時不誤動。 同時，在保

17、護安裝處的出口發(fā)生單相接地短路時，保護安裝處的電壓很小，但是正序電壓會比較大，這樣極化電壓就不會很小，那么保護安裝處的出口就不會存在電壓死區(qū)的問題。 </p><p>　　2.2采用附加零序電抗器提高防超越能力 </p><p>　　在兩端電源的情況下，過渡電阻Rg的存在有時不僅僅能夠使保護安裝處的測量阻抗Zm變大，還可以使保護安裝處的測量阻抗Zm變小。如果因過渡電阻Rg的存在使保護安裝處

18、的測量阻抗Zm較小，從而使區(qū)外短路故障被判為區(qū)內(nèi)短路故障而造成的保護誤動作的現(xiàn)象稱為穩(wěn)態(tài)超越。當(dāng)加上一個零序電流繼電器以后，當(dāng)接地距離繼電器發(fā)生正方向接地故障時，其動作特性如圖6所示的陰影部分，從圖中可以看出超越部分已經(jīng)被零序電流繼電器排除出去了。 </p><p>　　圖6 防止超越的動作特性 </p><p>　　當(dāng)這種新型繼電器加上零序電流繼電器后，動作特性如圖7所示，因此，該新型的

19、接地距離保護方案具有一定的防止超越誤動的能力。 </p><p>　　圖7 防止超越的動作特性 </p><p>　　但是因為該繼電器的動作區(qū)域在圓形外，這就使得它的動作區(qū)域很大，動作區(qū)域的增大，可以很有效的防止過渡電阻的影響，但是同時又帶來了負(fù)面影響，那就是有助增電源及外汲電流的情況下發(fā)生區(qū)外短路故障極有可能是的測量阻抗落入動作區(qū)域，造成繼電器的誤動作。再加上一個零序電抗器，如圖8（a）

20、所示，在圖中可以明顯看出，新型的接地距離保護方案的優(yōu)勢消除了，即它所承受的過渡電阻的能力下降了；如果加大零序電抗的整定阻抗Zset，如圖8（b）所示，可以看成將原本的零序電抗器向右平移一點點，這樣就能夠在很強的耐受過渡電阻能力的前提下，比較有效的防止超越。所增加的零序電抗器的動作方程為 </p><p><b>　?。?.4） </b></p><p>　　其中，通常

21、整定阻抗為線路全長的90%。 </p><p><b>　?。╝）（b） </b></p><p>　　圖8 送電側(cè)正方向時的防止超越的動作特性 </p><p>　　在繼電器處于送電側(cè)時，保護安裝處的測量阻抗的變化的大致軌跡如圖8（b）中的粗線所示，從圖中可以看出，測量阻抗可能會到達防止超越的部分，如果進入到超越的部分，零序電抗器可以發(fā)揮作用

22、，防止超越誤動。 </p><p>　　以上討論的是繼電器處于送電側(cè)的情況，如果繼電器處于受電側(cè)，那么情況將有所改變，因為當(dāng)繼電器處于受電側(cè)時，零序電抗器的動作特性曲線將會發(fā)生些微的變化，如圖9所示，圖中的粗線表示的是測量阻抗的大致軌跡。從圖中可以看出測量阻抗一定會進入超越區(qū)域，因此，加上的零序電抗器能夠很好的防止超越誤動，但是同時由于繼電器處于受電側(cè)，會使該新型的接地距離保護方案的耐受過渡電阻的能力比處于送電側(cè)

23、時的有所下降。 </p><p>　　圖9 受電側(cè)正方向時的防止超越的動作特性 </p><p><b>　　3 仿真分析 </b></p><p>　　3.1 仿真模型的建立 </p><p>　　MATLAB仿真模型如圖10所示，保護安裝在M、N處。整定區(qū)為線路的85%。 </p><p>　

24、　在500kV高壓系統(tǒng)中，總長300km，發(fā)電機的參數(shù)為；線路的正序分布參數(shù)為，，；線路的負(fù)序分布參數(shù)為，，；線路的零序分布參數(shù)為，，。過渡電阻達到300Ω。 </p><p><b>　　圖10 仿真模型 </b></p><p>　　仿真時，故障點選取可以通過改變斷路器兩端線路的長度來改變。實驗中，分別選取故障點在在保護反方向出口、正方向出口、保護范圍內(nèi)線路的20

25、%、40%處、近保護范圍末端60%、80%處、保護范圍外部線路末端300km處7個點，過渡電阻從0到300Ω，步長為20Ω。 </p><p>　　3.2 承受過渡電阻能力仿真分析 </p><p>　　將以正序電壓為極化量和以為極化量的繼電器分別用MATLAB仿真，仿真時兩端的電勢的相位差為60°，將仿真得到的數(shù)據(jù)進行處理得到的結(jié)果如圖11（a）、（b）所示，從圖中可以看出，以

26、為極化量的繼電器的承受過渡電阻能力明顯比以正序電壓為極化量的繼電器的能力強。但是隨著短路點離測量點越遠，繼電器的承受過渡電阻的能力還是有待提高。以為極化量的繼電器處在送電側(cè)的承受過渡電阻的能力是高于處于受電側(cè)的。 </p><p>　　送電側(cè) （b）受電側(cè) </p><p>　　圖11 兩種極化量電壓的繼電器承受過渡電阻的比較 </p><p>　　3.3 采用移相

27、后承受過渡電阻能力的仿真分析 </p><p>　　將移相前和移相后分別用MATLAB仿真，將仿真得到的數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果如圖12（a）、（b）所示，從圖中可以看出，送電側(cè)和受電側(cè)移相后承受過渡電阻的能力均增強，送電側(cè)短路點距離測量點越遠，效果越明顯；受電側(cè)短路點距離測量點越近，效果越明顯。同時移相后在反方向出口處，繼電器同樣不動作，這就表明移相后在不影響繼電器的動作方向性的基礎(chǔ)上，繼電器耐受過渡電阻的能力增強，

28、修正后的動作方程是可行的。 </p><p>　?。╝） 送電側(cè)（b） 受電側(cè) </p><p>　　圖12 移相前后的繼電器承受過渡電阻的比較 </p><p>　　對比圖12（a）和（b）可以知道以為極化量的繼電器移相后在送電側(cè)與受電側(cè)的承受過渡電阻的能力是有區(qū)別的，明顯的，繼電器在送電側(cè)的承受過渡電阻的能力略強，這是因為在受電側(cè)與送電側(cè)，相量的改變軌跡與繼電器

29、的工作電壓的改變軌跡不盡相同，因此，會存在著一定的差別。 </p><p>　　3.4 附加零序電抗器的仿真分析 </p><p>　　將附加的零序電抗器移相前和移相后分別用MATLAB仿真，結(jié)果表明，零序電抗器的承受過渡電阻的能力較強，但是在反方向時，繼電器的有時動作，有時不動作，這就說明繼電器的方向性不明確，為提高新型的接地距離保護方案的超越能力，新增加的零序電抗器的動作方程與以為極化

30、量的動作方程所得的結(jié)果必須同時滿足，因此將兩者所得的結(jié)果進行綜合分析，所得的結(jié)果如圖13所示。在圖中，兩者綜合的曲線只比以為極化量的曲線略微降低，因此增加一個零序電抗器，距離保護的耐過渡電阻能力并沒有多少減弱，但是卻能夠有效的防止超越。 </p><p>　　送電側(cè) （b）受電側(cè) </p><p>　　圖13 附加零序電抗器后的承受過渡電阻能力分析 </p><p>

31、;<b>　　4 結(jié)論 </b></p><p>　　本文研究的是在超高壓、特高壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障時，如何提高抗過渡電阻的能力，對以為極化量的繼電器進行修正，采用移相和附加一個零序電抗器來提高它的承受過渡電阻的能力和防超越的能力。通過仿真分析證明了修正后的以為極化量的繼電器的在500kV系統(tǒng)適用性。 </p><p><b>　　參考文獻 <

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