过渡电阻对距离保护的影响及解决方法

性直线必须下倾防止这种超越。特性直线
界点，切换不同的动作方程以提高耐受过 渡电阻能力。该方法的缺点是在出口处经
的下倾降低了对区内故障时耐受过渡电阻 的能力[9~10]。对单相故障，X 元件采用零
过渡电阻接地短路时，保护将拒动。受电 端在过渡电阻超过出现同向问题的临界过 渡电阻时，会发生区外故障超范围动作而 区内故障时拒动的情况。零序电抗继电器 虽然在理论上具有很强的抗过渡电阻能力， 但还是受系统运行方式及过渡电阻大小的 影响，在实际使用过程中需灵活应用。
的耐受过渡电阻的能力。图 1-2 所示为四
边形特性距离继电器。它将距离继电器的
测量距离功能、方向判别功能和躲负荷功
能分别由 3 个独立元件完成。R 元件完成
躲负荷功能，其特性如 R 直线；X 元件完 成测距功能，其特性如 X 特性直线；D 元 件完成方向判别功能，其特性如 D 特性折
圆与四边形特性的复合：在相间短路 时，过渡电阻较小，应用圆特性；在接地
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 10 Ω ；在电阻率较高的地方，可达 30 Ω ，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
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
障电流。只要 IF 和 I0 的相位相同，则特性
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
为高阻接地故障提供可靠有效的保护。但
离继电器、自适应距离继电器、神经网络
是电流差动保护中制动量随负荷电流的增
距离继电器及其它一些方法。
大而增大，在重负荷情况下发生经大电阻
1.1 采用零序电抗继电器克服过渡电阻
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
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]。
式(1-1)第一个判据为辅助判据，满足
条件即可以使得 ϕL −180。< θ < ϕL 。目
前采用相电压和零序电流相位来检测“同
重，情况越严重。对这种情况，如果 X 元 件与 R 轴平行，则发生超越的可能性比圆 特性方向阻抗继电器还大，这是四边形特 性距离继电器的主要弱点。因此其动作特
相”点，以过渡电阻达到“同相”点为临
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
2 算例分析
方向圆与上抛圆的复合：既能容许在 接近保护范围末端短路时有较大的过渡电 阻，又能防止在正常运行情况下负荷阻抗 较小时阻抗继电器误动作，见图 1-4，通 过动作特性的复合，可以获得各种不同的 复合特性，适用于复杂电网对保护的特殊 要求[11~12]。 1.4 采用自适应接地距离继电器克服过渡 电阻
线。R 整定电阻的选择应兼顾避开负荷状 态和提高对过渡电阻的反应能力，可在 R 轴方向独立移动以适应不同数值的过渡电 阻。
ϕL −180。< θ < ϕL 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
序电抗继电器，零序电抗继电器要求 I0 必 须落后于Uϕ 才能满足ϕL −180。< θ < ϕL ，
防止在双侧电源的受电侧可能发生的不正 确动作。 1.3 采用复合特性距离继电器克服过渡电 阻
1.2 采用多边形特性距离继电器克服过渡
电阻 多边形继电器[8]特性包括四边形特性、
五边形特性及类似的特性，它们具有较好
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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。
图中取 δ = 0 。特性直线下倾δ 角是 安全裕度，包含了 I0 超前于 IF 的相角和可 能的角度误差。对于给定的系统， I0 超前 于 IF 的最大相位差可以估算出来。接地电
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阻在测量阻抗中引起的附加分量 ZR 的相 角可被实际的θ 角自动跟踪。但特性直线 倾斜角对 ZR 阻抗角的自适应并不是不受 限制的。在假设 δ = 0 时，θ 角必须满足
零序电抗继电器以零序电流 I0 为极
化量，其动作判据为：
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，
达到 300 Ω 时，传统距离保护的测量阻抗
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相对误差可能超过 60%。
一系列的实验研究。研究主要集中在零序
目前除距离保护外的各种接地保护方
电抗继电器、多边形特性继电器、复合特
案中，除线路差动保护外，几乎都不能够
性继电器、改进的正序电压极化的接地距
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
障，接地电阻可能达到 100 Ω (220kv 线 路)、300 Ω (500kv 线路)和 400 Ω (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]。
图 2-1 典型 500kv 电压等级的系统图
图 2-1 所示为一典型的 500kv 电压等 级的系统图，TLine1 长度为 500km，TLine2
长度为 200km，两端连接到 2 个不同的
500kv/100MVA 系统 S1 ， S2 ,线路参数为： = R1 0.1378E − 3(Ω / m) , = X L1 0.2630E − 3(Ω / m) ,
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短路时，过渡电阻较大，此时利用接地短 路出现的零序电流在圆特性上迭加一个四 边形特性以防止阻抗继电器拒动，如图 1-3 所示。
1.5 采用神经网络距离继电器克服过渡电 阻
人工神经网络是一门新兴的多学科领 域的边缘交叉学科，它是一种并行处理的 非线性映射，具有强大的模式识别能力， 可以对任何复杂的状态或过程进行分类和 识别，有很强的容错性、鲁棒性和冗余度， 广泛应用于模式识别和模式分类等方面。 将人工神经网络应用于电力系统是近几年 来的热门课题，目前神经网络距离继电器 也只停留在理论研究阶段。
自适应继电保护是在上世纪 80 年代 提出的一个较新的研究课题，它可以定义 为：能根据电力系统运行方式和故障状态 的变化信息，在线计算并修改继电保护的 整定值，以获得最佳保护性能的继电保护 系统。自适应继电保护系统在选择性，快 速性和灵敏性方面明显优于常规继电保护 系统，这不仅使现有电力网络能够传送更 多的功率，而且还可以改善电力系统运行 方式的灵活性和系统的稳定性。实现自适 应继电保护的关键在于当系统发生故障时， 如何实时、快速、准确地判出系统的运行 方式和故障类型。新判据的多边形阻抗特 性用纯电抗线来代替传统的电抗下倾线， 不再像传统距离保护那样盲目地缩小动作 范围。在可靠防止距离保护超越误动作的 前提下，扩大了距离保护的动作范围。自 适应继电保护系统尚属理论研究阶段，要 达到大范围应用于工程实际，还有大量的 问题需要解决。