过渡电阻对水电厂线路距离保护的影响分析

崔 航，肖 飞，宋佳新

（1.国网辽宁省电力有限公司本溪供电公司，辽宁 本溪 117000；2.松辽水利委员会水文局嫩江水文水资源中心，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

1 过渡电阻对继电保护的影响

距离保护是反映故障点至保护安装处的电气距离，并根据电气距离的远近而确定动作时间的一种保护装置，电气距离一般以阻抗表示，所以距离保护又称为阻抗保护[1]。其基本原理是用阻抗继电器测量保护安装处与故障点之间的阻抗Zk（或距离），即保护安装处电压与电流的比值，再将此测量阻抗ZM与整定阻抗Zset进行比较，当ZM＞Zset时，保护不动作；反之，则保护动作。由于电气距离的大小不随系统运行方式而变化，因此，距离保护比电流、电压保护的范围更确定，且较为灵敏，不受（或很少受）系统运行方式变化的影响[2]。但这些是在发生金属性短路故障时才存在的理想状况，实际上电力系统中的短路一般都不是金属性的，而是在短路点往往都存在着过渡电阻Rg。该过渡电阻主要是故障点的弧光电阻，此过渡电阻的存在，将使距离保护的测量阻抗发生变化[3]，一般情况下是使保护范围缩短，但有时候也能引起保护的超范围动作或反方向误动作[4]。Rg一般为纯电阻，假设流过Rg的电流为Iì，则继电器的测量阻抗为

式中：ZR为过渡电阻在继电器测量阻抗中引起的附加分量；ZL为测量阻抗；是保护安装处的电流值；在单侧电源的情况下=，ZR为纯电阻性，一般不会引起超越。在双侧电源的情况下，≠，ZR就有电抗分量。由正方向短路和反方向短路分析，超前相上的阻抗继电器，由于附加阻抗是阻容性的，使它在区外故障时易超越[5]；落后相上的阻抗继电器，由于附加阻抗是阻感性的，导致区内故障时可能拒动。

2 过渡电阻对阻抗继电器的影响分析

2.1 正向短路

图1 是正向经Rg短路的系统图，图中ES，ER表示模拟双侧电源线路。加在阻抗继电器上的电压UM、电流IM和Rg上的电流IZ都是指故障相或故障相间的电压、电流值。

图1 正向短路系统图

式中：UMφ为故障相电压；IMφ为M处故障相电流，输电线路上正负序阻抗值相等可推导出：

式中：Z1，Z0分别为正序阻抗值和零序阻抗值。

式中：ZK为故障F到保护安装处的正序阻抗；I∑为和电流；C为电流分配系数；Za为由过渡电阻产生的附加阻抗。

式中：j为虚数单位，极坐标中表示电路中的相位角；θ为阻抗角。

由图2a)可知：物体在漂移了80 min后第1次出现和岸线相交的情况。随着时间的推移，矩形区域逐渐扩大，表明物体轨迹的预测精度在逐渐下降，而且预测区域一直存在和河岸相交的情况且相交的区域越来越大。该结果表明：在第80 min时刻，物体就有可能触岸搁浅，但此时搁浅的概率较小，随着时间的推移，物体停止漂移的概率将越来越大，当到达峰值后就将逐渐减小。由图2b)可知：漂移物沿岸线最终停止的位置距初始位置的下游距离概率分布情况呈现出先增加后减少的变化趋势，变化幅度较大。

由于IM与I∑相位可能不一致，因此，附加阻抗Za可能呈现纯阻性、电阻电感性或电阻电容性，导致阻抗继电器的测量阻抗发生变化（如图2所示，图中横坐标R代表电阻，纵坐标JX代表电抗），从而造成区内故障时阻抗继电器可能拒动（当Za为纯阻性或电阻电感性时）。一般装于送电端的阻抗继电器，由于附加阻抗Za呈阻容性而易超越。

图2 附加阻抗特性导致测量阻抗变化示意图

把过渡电阻对阻抗继电器测量阻抗变化的影响用公式（8）表示的附加阻抗来表达后，则加于保护上的电压（母线电压）为

上述附加阻抗性质的变化是由于I∑与IM的相位不同造成的。由图1 可知，I∑与IM的相位变化是由于故障点侧电流IM与IN的相位不同造成的，因为I∑=IM+IN。还有一种附加阻抗性质的变化不是完全由故障点两侧的电流相位不一致造成的，而是由于两个故障相的电流相位不一致造成的。这种情况发生在两相短路接地的情况中。

如图3 所示，B，C两相经Rg接地短路情况，相间的电弧电阻可以忽略不计。Rg为杆塔、大地电阻或外物电阻，例如树木放电时，该电阻是树木电阻和大地电阻。

图3 两相经Rg 接地短路

此时，装于M母线上的接地阻抗继电器（相阻抗）中的B相继电器的测量阻抗为

式中：UMB，IB分别为B相的电压和电流；Z′a为B相的附加阻抗；I∑B，I∑C分别为B相和C相的和电流；C′为电流分配系数。B相的阻抗角为θ′，计算公式：

同理，C相继电器的测量阻抗为

式中：Z″a为C相的附加阻抗；UMC，IC分别为C相的电压和电流；I∑B，I∑C分别为B相和C相的和电流；C″为电流分配系数。C相的阻抗角为θ″，计算公式：

图4 为两相接地短路的向量图，由图4 可知，由于(I∑B+I∑C)落后于(IB+K·3I0)，θ′是负角，所以B相阻抗继电器的附加阻抗Za′为电阻电容性的，B相阻抗继电器易在区外短路时超越。从图4中还可看到，由于(I∑B+I∑C)超前(IB+K·3I0)，θ′是正角，所以C 相阻抗继电器的附加阻抗Z″a为电阻电感性的，区内短路时可能会拒动。

图4 两相接地短路向量图

B相、C相阻抗继电器测量阻抗的变化如图5所示，当发生两相接地短路时，过渡电阻上流的是两故障相电流之和。由于两故障相电流相位相差较大，造成两故障相上的接地阻抗继电器（相阻抗）测量阻抗中的附加阻抗性质不同。超前相上的阻抗继电器，由于附加阻抗是阻容性的，使它区外故障时易超越；落后相上的阻抗继电器，由于附加阻抗是阻感性的，导致区内故障时可能拒动。

图5 两相故障经过渡电阻接地的测量阻抗

2.2 反向短路

反向经Rg短路的示意图见图6。加于阻抗继电器上的电压UM、电流IM是按照规定正方向所绘画，故流经Rg上的电流I∑是按IM的方向画出的。

图6 反向短路系统图

阻抗继电器的测量阻抗：

若按公式（7）计算得的θ角为正角，则Za是阻感性的。在阻抗复数平面上，-Za应向左下方画( -R，-JX)如图7中的Z′a。若计算得的θ角为负角，则Za是阻容性的。在阻抗复数平面上，-Za应向左上方画( -R，-JX)，如图7 中的Z″a。相应的继电器测量阻抗分别为图7 中的ZJ′和ZJ″。

图7 反向短路时附加阻抗图

需要指出，超高压输电线路阻抗角很大（约85°），上述超越和失去方向的可能性也增大。对于超越最严重的情况，是在区外最近处发生故障；而对于失去方向性最严重的情况，则是在背后母线上发生故障[8]。

图8 为由于过渡电阻使相邻线路保护失去选择性的情况。图8（a）为短路系统图，标注了距离保护Ⅰ段、Ⅱ段的动作范围，图8（b）为保护A的Ⅰ段ZⅠA和保护B的Ⅱ段ZⅡB的动作特性圆。在单侧电源情况下，保护A的出口经过渡电阻短路，若测量阻抗落入图8 中绘有阴影的区域，甚至在AD线以内，保护A拒动，保护B越线跳闸。

图8 相邻线始端经电阻接地姆欧继电器越级跳闸

对于阻抗继电器还要考虑BC两相短路经电阻Rg接地的情况。即使是单侧电源供电，对B相阻抗继电器来说，Rg上也受到C相电动势的助增。这与上述双侧电源供电线路上的情况在本质上是相同的，且由于C相电动势落后于B相电动势120°，问题还要严重的多，若是反方向故障，要失去方向性。这一现象也可用电压向量图来分析[9]。

过渡电阻会导致在区内故障时继电器不动作，但不影响相间故障。相间故障时的过渡电阻主要是电弧电阻，电弧电阻是非线形的。电弧压降值Uarc≈（3%～5%）EPP，是常数，与电流无关。对于 故 障 环路电动 势PP=(ZS+ZL)IìPP+arc，近似认为(ZS+ZL)PP与arc相差90°，则过渡电阻引起的附加分量ZR≈（3%～5%）(ZS+ZL)。现代姆欧继电器在阻抗平面上的动作特性是以向量ZS+ZL为直径的圆，所以对电弧电阻有足够的反应能力。至于距离保护Ⅱ段，可以采用瞬时测量技术[10]，一旦继电器动作就扩大特性圆在第Ⅰ象限的动作区。

单相故障时，接地电阻可能很大，但接地距离继电器在提高对接地电阻的反应能力时，应能避开负荷，不能依靠很灵敏的零序电流元件来避开负荷，因为当相邻线两相运行或远方有故障时都会有零序电流出现，而此时本线可能带重负荷，所以距离继电器本身应有避开负荷的能力[11]。

3 结语

综上所述，采用能容许较大的过渡电阻而不致拒动的阻抗继电器，可防止过渡电阻对继电器工作的影响。例如，对于过渡电阻只能使测量阻抗的电阻部分增大的单电源线路，可采用不反应有效电阻的电抗型阻抗继电器；在双侧电源线路上，可采用可减小过渡电阻影响的多边形动作特性的阻抗继电器。

利用所谓“瞬时测量回路”来固定阻抗继电器的动作，相间短路时，过渡电阻主要是电弧电阻，其数值在短路瞬间最小，经过0.10～0.15 s 后，就迅速增大。根据上述特点，通常距离保护的第Ⅱ段可采用瞬时测量回路，以便将短路瞬间的测量阻抗值固定下来，使过渡电阻的影响减至最小。在后续的研究中，应考虑双侧电源线路故障时距离保护装置的动作特性，评估阻抗继电器的耐受过渡电阻能力，为优化纵联距离保护的整定计算提供依据。