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过渡电阻对距离保护的影响及解决方法

张伟

导师：刘自发

（华北电力大学、电气与电子工程学院研电１００６班，１１０２２０１０２４）

0前言

随着电网规模越来越庞大，电压等级越来越高，如何有效、安全、可靠地提高输送能力，是我国电网面临的迫切需要解决的问题。继电保护作为电网安全稳定运行的第一屏障，始终承担着无可替代的作用。作为动作于跳闸的继电保护，在技术上要满足四个要求，即可靠性、选择性、速动性和灵敏性。可靠性是对继电保护性能的最根本要求。可靠性包括安全性和信赖性。安全性是要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动作。信赖性是要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不发生拒绝动作。继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统造成严重危害。然而，由于短路时一般都不是金属性的，而是在短路点存在过渡电阻。接地短路时过渡电阻的存在，尤其大的过渡电阻，往往会影响到保护装置的性能，造成保护误动、拒动，或者灵敏性不满足要求等。

过渡电阻一般为纯电阻。接地故障的过渡电阻包括电弧电阻和杆塔接地电阻，对树枝放电时还包括树枝电阻。每个杆塔的接地电阻，在土壤电阻率较低的地区一般为10Ω；在电阻率较高的地方，可达30Ω，甚至更高一些。接地故障时最大的过渡电阻发生在导线对树枝放电之时。在实际电力系统中，过渡电阻受当时故障方式、地质条件和天气情况等因素的影响，可能达到比较大的数值，例如单相接地故障，接地电阻可能达到100Ω(220kv线路)、300Ω(500kv线路)和400Ω(750kv 线路)。高阻接地故障都是单相故障。

距离保护因其很多优点，在高压输电线路保护中，占有极其重要的地位。例如，受电力系统运行方式和结构变化的影响较小，能瞬间切除输电线85%~90%范围内的各种故障，保护范围较长且较稳定，适合于远距离重负荷的高压线路，具有一定的耐受过渡电阻的能力，等等。因此距离保护一直是复杂电网中高压输电线路最重要应用最广泛的保护方案之一[1~4]。

接地距离保护反应输电线路接地故障。距离继电器测量故障阻抗并判定故障位于保护区内或区外。理想的距离继电器仅对保护安装点和整定点之间的故障动作而对此区外的故障不动作。距离保护作为主保护通常整定为保护线路全长的80%~90%，并且通常期望阻抗测量误差少于±5%。对于I段之外的故障，距离保护阶梯时限延时配合的Ⅱ和Ⅲ段，保证了不同线路故障的选择性[5]。系统重负荷时或过渡电阻较大的区外故障，距离保护不误动，这是最基本的要求[6]。

传统距离继电器假设故障点电压为零，通过电压和电流比值测量故障阻抗。实际上，除了人为构造的短路，故障点电压几乎不可能为零，从而故障点电压将影响到故障阻抗的测量，尤其对于高阻接地故障和重负荷单相接地故障。在有负荷的情况下，过渡电阻部分会由于对侧电源的助增作用而转换成为感抗或容抗，导致距离保护超越或者保护范围缩短，大的过渡电阻也会造成距离保护范围缩短。当经过大的过渡电阻接地，重负荷时故障电流可能小于负荷电流。测量阻抗实际上由负荷电流和过渡电阻决定。单相接地故障过渡阻抗达到300Ω时，传统距离保护的测量阻抗相对误差可能超过60%。

目前除距离保护外的各种接地保护方

案中，除线路差动保护外，几乎都不能够为高阻接地故障提供可靠有效的保护。但是电流差动保护中制动量随负荷电流的增大而增大，在重负荷情况下发生经大电阻接地故障时，由于动作电流很小而制动电流很大，动作量有可能小于制动量而拒动。负荷电流的大小直接影响了差动保护的灵敏度。在超高压、长线路或电缆线路上，分布电容的等值容抗大大减少，电容电流将使输电线路两端电流的大小和相位都发生严重畸变，降低了差动保护区内故障耐过渡电阻的能力[7]。为了提高纵联差动保护装置的耐过渡电阻能力，一般都在装置中配有零序差动保护作为辅助保护。零序差动保护比分相电流差动保护灵敏度高，受电容电流影响少。但是差动保护不能作为后备保护且需要交换两端信息同步交换。

在高压和超高压输电线路的方向高频保护中，应用相电压补偿式方向元件的方案，具有方向性强，在系统振荡过程中反方向经任何过渡电阻短路时不误动、能自然地适用于两相运行的线路，能切除单相重合闸过程中的短路等优点，因而1978年以来就在我国220kv、330kv和500kv 线路上得到了应用。但是，理论分析和实践经验均表明，当过渡电阻达到一定值时，该方向元件可能拒动，尤其是线路末端短路时，容许的过渡电阻更小。

由上可以看出，各原理的保护都不能很好地解决高阻接地时保护误动或拒动问题。保护误动或拒动，会给电力系统安全运行带来重大的损失，甚至有可能会威胁到电力系统的稳定性。高阻接地的问题在国内外一直没有得到较好的解决，研究具有较高耐受过渡电阻能力的距离保护具有较高的学术和工程研究价值。

1国内外克服过渡电阻的方法

国内外为解决重负荷时经过渡电阻接地短路或输电线路末端高阻接地故障，传统距离保护无法正确动作的问题，进行了一系列的实验研究。研究主要集中在零序电抗继电器、多边形特性继电器、复合特性继电器、改进的正序电压极化的接地距

离继电器、自适应距离继电器、神经网络

距离继电器及其它一些方法。

1.1采用零序电抗继电器克服过渡电阻

零序电抗继电器以零序电流

I为极

化量，其动作判据为：

其中：

()() '

0011

3,/3,

ZD L L L U U Z I kI k Z Z Z ???

=-+=-

Z为线路零序阻抗，

Z为线路正序阻

抗，?为线路A、B、C中某一相。

在单相经过渡电阻

R短路接地时，继

电器中增加了附加测量阻抗

()0

R g f

Z R I I kI

=+，

I为短路点故

障电流。只要

I和

I的相位相同，则特性

直线的下倾角恰好与

Z的相角相同，

永远与特性直线平行，

R不影响继电器的

动作，具有较强的躲过渡电阻能力，这是

理想的电抗特性，如图1-1所示：

图中取0

δ=。特性直线下倾δ角是

安全裕度，包含了

I超前于

I的相角和可

能的角度误差。对于给定的系统，

I超前

于

I的最大相位差可以估算出来。接地电

阻在测量阻抗中引起的附加分量

Z的相

角可被实际的θ角自动跟踪。但特性直线

倾斜角对

Z阻抗角的自适应并不是不受

限制的。在假设0

δ=时，θ角必须满足

180

L L

?θ?

-<<

。才能保证下确动作。如

果不满足这个条件，特性直线转动的角度

太大，区内故障时就会拒动。当过渡电阻

增大到某一临界值时，会出现所谓的“同

相”问题，当过渡电阻进一步增大时，θ角

就不再满足上述条件了，保护的动作方程

将失效，此时应将保护闭锁。所以零序电

抗继电器采用下面两个判据：

式(1-1)第一个判据为辅助判据，满足

条件即可以使得180

L L

?θ?

-<<

。。目

前采用相电压和零序电流相位来检测“同