多相补偿距离继电器的保护范围浅析

范春菊，杨 练

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240)

0 引言

随着电网的发展，电力系统之间的联系越来越紧密，出现大量的环网。在这种多电源电力系统中，距离保护是对应输电线路故障的主要保护方法。在超高压输电系统中，距离保护不仅可以借助高频通道构成高频闭锁距离保护，也可以在高频通道出现问题的时候，担当主保护和后备保护的作用，距离保护被广泛地应用在超高压输电线路保护中［1]。

多相补偿距离保护在电力系统中有着比较广泛的应用［2]。该继电器保护范围与传统距离保护相同，并不需要选相，具有较强的抗过渡电阻能力，还具有明确的方向性。该保护的实现方式有好几种，其中以负序分量的继电器更为多见。在输电线路发生接地故障时，系统会出现负序分量和零序分量，基于负序分量的多相补偿距离继电器也可以动作。由于故障特征的不同，保护范围会有所变化。本文详细分析了多相补偿距离继电器应用在输电线路接地短路时的保护范围的变化规律，以突出序分量保护的特点以及继电保护的基本要求的重要性。

1 多相补偿距离继电器的工作原理

相间多相补偿距离继电器的基本原理是反应三相补偿电压的相序的。其中，三相补偿电压为

式中，Zy为距离保护的整定阻抗。

在发生不对称短路时，各序的补偿电压为

动作方程采用如下不等式:

也就是说，负序补偿电压和正序补偿电压满足不等式(3)，即为区内故障，便可实施保护动作。

2 两相相间短路时的动作行为

对于图1所示的单侧电源输电线路，当输电线路XY发生BC两相短路时，在短路点有以下特点，正序电压和负序电压相等，即，并且。由于是单侧电源线路，假设各元件的各序阻抗角相等，则流过输电线路的正序电流，负序电流大小相等，方向相反。

图1 单侧电源输电线路系统

在各种故障类型下，保护安装处所测量到的正、负序电压，正、负序补偿电压相量如图2所示。图中的为保护安装处测量到的正、负序电压;为正、负序补偿电压为故障点处的正、负序电压。

图2 各种故障位置的补偿电压相量图

由图2可以看出，在各种故障位置情况下，正、负序补偿电压是不同的。由于故障点的正、负序电压相等，正、负序电流幅值相等，在区外故障(F1)时，保护安装处的负序补偿电压小于正序补偿电压;在保护范围末端(F2即Y点)短路时，负序补偿电压等于正序补偿电压，保护处于临界动作状态;而在区内故障(F3)时，负序补偿电压大于正序补偿电压，保护动作。

在输电线路发生两相相间短路时，由于正、负序电流幅值相等，方向相反，保护范围不变。而当故障类型发生变化时，保护范围也将发生相应的变化。为了详细研究保护范围的变化趋势，可以设置不同故障类型时的保护范围末端，而在这点故障时，保护安装处测量到的正序补偿电压和负序补偿电压相等，利用两个补偿电压相等的方程式可以求出故障点距离保护安装处的距离与线路阻抗，系统阻抗等关系，进而可以分析出多相补偿距离继电器的不同保护特性。下面对两种故障类型进行详细的分析。

3 单相接地短路时的动作行为分析

对于图1所示的单侧电源输电线路，当输电线路XY发生A相接地短路时，短路点的各序电压和电流的关系为

正负序电压分布情况如图3所示。从图3可以看出，在故障点处正序电压的幅值大于负序电压幅值。如果故障点在保护范围末端F1点，那么此时，由于正序电压大于负序电压，正序补偿电压幅值大于负序补偿电压幅值，保护不动作;而随着短路点向母线X处靠拢，负序补偿电压的幅值在增加，而正序补偿电压的幅值在下降，当故障点位置处于F2点时，正、负序补偿电压幅值相等，保护处于临界动作状态;如果故障点进一步靠近保护安装处，负序补偿电压幅值大于正序补偿电压幅值，保护可以可靠动作。显然，当输电线路发生单相接地短路时，相间多相补偿距离继电器的保护范围将缩小，保护范围可以通过解析的方法求解。

图3 单相接地短路时补偿电压相量图

假设当故障点的位置在F2时，出现正序，负序补偿电压幅值相等，即|。设临界动作点离保护安装处的阻抗为Zx，则此时的正序和负序补偿电压为

且正负序补偿电压的模值相等:|U·'1|=|U·'2|。由上可得到

考虑到式(4)的存在，则可以得到

考虑到是单侧电源线路，则在正方向区内发生短路时有

将上式代入式(7)，可以得到

式中，输电线路零序补偿系数:K0=(Z0－Z1)/Z1。

显然，保护范围与线路的零序补偿系数有关。同时，也跟输电线路的整定阻抗以及背侧的系统的零序阻抗有关。背侧的系统零序阻抗越大，保护范围越小;输电线路的整定阻抗越大，保护范围越大。但是，不会超过原有的相间短路的保护范围，因为背侧的系统零序阻抗不会小于零。

4 两相接地短路时的动作行为分析

对于图1所示的单侧电源输电线路，当输电线路XY发生BC两相接地短路时，各序电压和各序电流的关系为

正负序电压分布情况如图4所示。从图可以看出，在故障点处正序电压等于负序电压。因为是两相接地短路，则。所以，正序电压的分布曲线的斜率大于负序分布电压曲线的斜率。当短路点靠近保护范围末端时，显然存在负序补偿电压模值大于正序补偿电压模值的结果，保护可以可靠动作。可是，当短路点逐渐向母线X点靠近时，负序补偿电压在减小，而正序补偿电压也在减小。当达到一定范围后，正序补偿电压反向，由于正序电流大于负序电流，正序补偿电压的变化速度大于负序补偿电压的变化速度。所以，随着短路点不断靠近母线X处(即测量阻抗ZJ→0时)，有可能出现|，保护出现死区。死区的大小可以求解得到。

图4 两相接地短路时的电压分布图

设F4点是死区边缘，也就是说F4点处发生短路时，继电器刚刚动作。设Zx为F4点到母线X处的阻抗，则联立式(5)和(10)，可以得到

从上式可以看出，只有当Zy＞2Z0S时，多相补偿距离继电器用在两相接地短路时出现死区，且Zy越大，死区越大;死区还与保护安装处的零序系统阻抗有关，零序阻抗越小，死区越大，零序阻抗越大，死区越小。

4.结语

本文通过图例与解析的方法，详细分析了多相补偿距离继电器的动作原理，工作特点及其在各种故障类型下的动作情况。多相补偿距离继电器对于输电线路的两相相间短路，具有良好的保护范围和自适应性。对于输电线路的单相接地短路和两相接地短路，保护的性能会受到影响。在发生单相接地短路时，多相补偿距离继电器的保护范围会缩小，缩小的程度与保护装置的整定阻抗以及背侧的系统零序阻抗有关;在发生两相接地短路时，多相补偿距离继电器的保护会在保护出口有死区，死区的大小保护装置的整定阻抗以及背侧的系统零序阻抗有关。

［1] 贺家李，宋从矩电力系统继电保护原理(第三版)［M] .北京，中国电力出版社，2006

［2] 朱盛石高压电网继电保护原理与技术(第三版)［M] .北京，中国电力出版社，2006