（电力系统及其自动化专业论文）自适应接地距离继电器的研究.pdf

e a r t hf a u l to fs i n g l e - p h a s ei st h em o s tf a m i l i a rf a u l ti nt r a n s m i s s i o nl i n eo fh i g h v o l t a g e ，a n dt h ef a u l tr e s i s t a n c em a yc a u s et h eo v e r r e a c ho ru n d e r r e a c ho ft h e t r a d i t i o n a lg r o u n dd i s t a n c er e l a ya tt h eg r o u n df a u l tc o n d i t i o n s s oh o wt oi m p r o v et h e c a p a c i t yo ft h ee a r t h f a u l tr e s i s t a n c ee n d u r a n c eo fag r o u n dd i s t a n c er e l a ya n da v o i d i t so v e r r e a c he f f e c t i v e l yi sap o p p r o b l e mi nt h eg r o u n dd i s t a n c er e l a yr e s e a r c h nt h i s p a p e r , aa d a p t i v eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i cg r o u n dd i s t a n c er e l a yi s p r o p o s e d t h er e l a yt a k e su + - 砜a si t sp o l a r i z a t i o nv o l t a g e ( u m i st h ep o s i t i v e v o l t a g ei ne a r t hf a u l tp h a s e ，u m i st h ev o l t a g ei ne a r t hf a u l tp h a s e ) ，a n di tc a na d j u s t i t so p e r a t i n gb o r d e ra u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf a u l tr e s i s t a n c e ，g ot h e n e wr e l a yc a na d a p tt od i f f e r e n te a r t hr e s i s t a n c ea n dc a nr e f l e c tt h ee a r t h - f a u l tu pt oa s u p e rh i 出r e s i s t a n c e i na d d i t i o n ，am o d i f i c a t i o no fa d a p t i v eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i ci s a l s op r o p o s e dt oa v o i do v e r t e a c hi nt h i sp a p e r t h em o d i f i e da d a p t i v eg r o u n dd i s t a n c e r e l a yc a ne f f e c t i v e l ya v o i dt r a n s i e n t s t a t eo v e r r e a c h ，a sw e l la sr e f l e c tt h ee a r t h - f a u l t u pt oah i g hr e s i s t a n c e m a n ys i m u l a t i o n sa n di n v e s t i g a t i o n sa b o u tt h ea d a p t i v eg r o u n dd i s t a n c er e l a ya r e r u ni n 】0 k vm a d5 0 0 k vs y s t e m a n dt h es i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ea d a p t i v eg r o u n d d i s t a n c er e l a yh a se x c e l l e n ta d a p t a b i l i t ya n ds e l e c t i v i t yn o to n l yi n11 0 k vs y s t e mb u t a l s oi n5 0 0 k vs y s t e m ，a n dt h ee f f e c tt n f n su pt r u m p s k e yw o r d s ：a d a p t i v e ；g r o u n dd i s t a n c er e l a y ；e a r t h f a u l tr e s i s t a n c e ； t r a n s i e n t s t a t e0 v b ：v f g e a e h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘壁或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：剀 签字日期：二口。歹年f 月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨差盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞墨茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：口口5 年 导师签名 猛施靛 签字日期：刀于年，月fo 日料阳训m 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 距离保护的发展及研究现状 在高压输电线路保护中，距离保护无疑占有极其重要的地位，距离保护 的保护原理具有很多优点。例如，受电力系统运行方式和结构变化的影响较 小，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。 距离保护装置的发展是随着电力系统的发展以及硬件技术的发展而不 断发展的。从上个世纪2 0 年代初，距离保护装置出现后，距离保护经历了机 电型、整流型、感应型、晶体管型、集成电路型和微机型等几个发展阶段。 最近几年来，继电保护装置随着高科技的快速发展，更新换代周期越来越短， 一些集成和微机保护己逐步代替了整流型和晶体管型保护装置成为主流产 品，在2 2 0 k v 及以上电压等级的电网中，微机型距离保护装置己占据了主导 地位。 j 9 9 4 年第一套微机型高压输电线路保护装置的投入运行，标志着距离保 护的发展进入了一个崭新的发展阶段。与传统距离保护相比，微机距离保护 具有许多优点。常规模拟式保护阻抗组件虽有许多种构成方法，也可以实现 多种不同的动作特性，但受硬件实现的限制，通常仍以圆特性为基础并均直 接按动作方程完成其判别功能。因此，传统的距离保护往往有以下几个缺点： ( 1 ) 系统振荡时保护容易误判断而动作。( 2 ) 母线故障时保护有死区。( 3 ) 实 现起来较复杂，接线复杂，维护量大。( 4 ) 动作速度与微机保护比不够迅速， 等等。而微机式距离保护充分利用微机的巨大的计算、分析、储存和逻辑判 断能力，可以实现任何性能完善且复杂的保护原理，可以实现复杂的动作特 性，而且整定值可分别独立整定计算，解决了许多传统距离保护难以解决的 问题。 以获得广泛应用的1 l 型微机距离保护为例。1 l 型微机相间距离保护与传 统相间距离保护的基本构成均符合高压线路保护四统一设计原则，两者最重 要的区别在于其阻抗动作特性有所不同。传统相间距离保护的阻抗特性一般 为带偏移特性的方向阻抗圆，而1 1 型微机相间距离保护的阻杭特性为多边形。 此特性的采用，在以下几个方面大有改进：( 1 ) 在保护区末端经过渡电阻短路 天津大学硕士学位论文第一章绪论 时具有防止超范围动作的能力；( 2 ) 具有出口经过渡电阻短路时可靠动作的能 力；( 3 ) 保证正向出口故障可靠动作的能力：( 4 ) 反应故障点过渡电阻能力；( 5 ) 避越负荷阻抗的能力等。此外还解决了长期以来在高低压网内直馈线保护无 法用作相邻变压器后备保护的困扰。 c s l l 0 0 系列保护是在吸取了w x h ( b ) 1 1 型保护、w x h ( b ) - 1 5 型保护经验 的基础上发展的第三代微机保护，在性能上有了进一步的提高。其所做的改 进措施主要集中在振荡闭锁及其相关的部分。 以上是国内距离保护的发展情况。国外距离保护装置有a b b 公司的 l z 9 6 、r a z f e ，西门子公司的7 s l 3 2 ，美国g e 公司的t l s ，还有英国r e y r o l l e 公司的t h r 等。 美国g e 公司的t l s 距离保护的特点是：( 1 ) 考虑了躲过c v t 过渡过程影 响，从而防止了距离保护暂态超越；( 2 ) 采用正序电压作为极化量，且带有记 忆功能，因此主要特性呈可变姆欧继电器特点。因此，区内短路时允许有较 大的过渡电阻而不影响正确动作。在反方向故障时，继电器具有明确的方向 性。又由于正序电压分量有记忆作用，故消除了出口短路时的“动作死区”： ( 3 1 在相间故障情况下，继电器的动作特性沿r 轴方向有较大的动作区，从而 增强了抗过渡电阻的能力；( 4 ) 阻抗组件带有上抛特性，因此躲负荷能力强， 适用于重负荷长线路，且阻抗偏移系数可自由整定。 对距离保护的改进研究与相邻学科的发展密切相关。回顾继电保护技术 发展史可以清楚地看出相邻科学技术的重大进展都将引起继电保护技术的 巨大变革。近些年来，相邻学科的发展十分迅速。在数字信号处理领域，出 现了一种不同于传统傅氏变换的、全新的数字信号处理工具一一小波变换。 傅氏变换只是一种纯频域的分析方法，它在频域的定位是完全准确的，而在 时域无任何定位性( 或称为分辩能力) 。而小波变换在时域和频域都有很好的 分辩能力，从而为处理非平稳、突发的奇异性信号提供了有力工具。 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 处理的非线性映像，具有很强的容错性、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。 在计算机硬件方面，从早期的z 8 0 芯片到功能强大的8 0 c 1 9 6 ，再到最新的 d s p ，计算机芯片的发展可调日新月异。由于硬件条件的大大改善，特别是 d s p 在继电保护中的应用，使得开发研制功能完善、速度快、高可靠性的微 机高压线路保护装置成可能。 根据相邻学科的发展，近些年来，对距离保护的改进研究主要集中在两 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 个方面：一是从保护原理上对距离保护进行改进；二是从距离保护所采用的 数字滤波器和算法上进行改进。 由于距离保护的基本原理仍然是建立在工频电气量的基础上，需要从短 路的暂态信号中估计出基波信息的相量。因此，对距离保护所采用的数字滤 波器和算法上所进行的改进，主要是围绕如何最佳地估计出基频分量来进行 的。为了提高全周傅氏算法的速度，m a n n 和m o r r i s o n 及g i l c h r i s t ， b o c k e f e l l e r - u d r e n 提出了短数据窗技术；为了提高糟度，h o p e 和 u m a m a h e s w a r e n ，p h a d k e 等及s c h w e i t z e r 提出了应用长数据窗算法。这两项技 术都是基于傅立叶运算及与奇、偶方波相关技术。另外，s a c h d e r 和b a r i b e a u 提出了最小二乘法技术。所有这些技术对故障感应噪声都采取了不同的简化 假定，程度不同地影响到计算精度和响应速度。 另外，随着计算机保护的发展，白适应保护的研究已发展多年，取得了 令人瞩目的丰硕成果“，但是仍处在初级阶段，用于实际生产的自适应保护 装置更是寥若晨足。因此，大力开展自适应继电保护的研究有着重要的理论 和现实意义。 1 2 自适应继电保护的基本概念及其发展的条件 自适应继电保护是在2 0 世纪8 0 年代提出的一个较新的研究课题。自适应继电 保护可以定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性 能、特性或定值的保护，其基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变 化，进一步改善保护的性能。这种新型保护的出现引起了人们的极大关注和* 趣。 从继电保护发展的历史来看，自适应的思想早已存在于许多常规保护之中。 随着电力系统的出现，继电保护技术就相伴而生。在1 9 世纪末已开始利用熔断器 防止在发生短路时损害设备，建立了过电流保护原理，1 9 0 5 1 9 0 8 年研制出电流 差动保护，自1 9 1 0 年起升始采用方向性电流保护，于2 0 世纪2 0 年代初生产出距离 保护，在3 0 年代初已出现了快速动作的高频保护。从继电保护的基奉原理上看， 到2 0 世纪2 0 年代末现在普遍应用的继电保护原理基本上都己建立，迄今在保护原 理方面没有出现突破性进展。事实上，继电保护从诞生的那一天起，便刀图适应 系统运行方式和故障状态的变化，在传统保护中也有许多白适应性能。例如过电 流保护的反时限动作特性，差动保护的谐波制动特性，距离保护中考虑转换性故 障以及防止系统振荡误动的方法等。这些特性或方法作为继电器的固有特性，在 继电器设计或安装时就已成为装置的一部分，在投入运行时能执行某项给定的自 继电器设计或安装时就已成为装置的一部分，在投入运行时能执行某项给定的自 天津大学硕士学位论文第一章绪论 适应功能。它们或使保护动作时间加快，或减少保护发生误动作的可能性，对于 改善保护的性能有明显的效果，以至于成为这些保护不可或缺的组成部分。 自适应保护使保护的灵敏性和可靠性在一个更高的基础上实现统一，从而大 幅提高了保护性能。继电保护的灵敏性和可靠性是同一问题的两个方面。这两个 方面是对立统一的。如果强调其中的某一个因素，则必然会导致对另一个方面的 妥协例如，如果我们强调保护的可靠性( 选择性) ，即不发生误动的能力，则很可 能会导致保护动作时间的延长，保护的灵敏度降低，发生拒动的可能性增加。反 之，亦然。传统的继电保护通常都是考虑最不利的情况，在满足保护装置灵敏性 的前提下，却牺牲了保护装置的可靠性，使系统在正常的运行条件下，保护的性 能远远不能达到最优，出现误动作或延时动作。在某些特定的情况下，这些误动 作会对电力系统产生灾难性的影响。而自适应保护充分认识到了这一点，通过一 系列自适应构想的实施，使保护的整定值和整定时间自适应于系统条件的变化， 从而在一个更高的、动态的基础上实现灵敏性和可靠性这一对矛盾的统一，使保 护更加精确和更具有选择性，从而大幅提高了保护的性能。文献 2 7 中“重置保 护系统可靠性与安全性的逻辑图”很直观地说明了这一点。因此自适应保护从出 现的那一天起，就引起了人们的极大兴趣，人们不断地提出新的自适应构想，并 运用于生产实践中去。 自适应继电保护实质上是一个具有反馈的控制系统。电力系统继电保护实质 上属于电力系统自动控制的范畴，它的主要作用是切除发生故障的设备以保证电 力系统的正常运行，同时也包括自动重合闸。当我们考虑自适应保护时，就必须 进一步计及电力系统运行状态和故障过程的变化。从这一观点来看，自适应保护 实质上是一个具有反馈的控制系统。在自适应继电保护中系统运行状态和故障过 程变化的信息，可以就地获得或利用各种通信方式从调度或相邻变电站得到。电 力系统调度自动化和变电站的综合自动化以及微机的智能作用，为获得更多的有 用信息，并加以实时处理提供了有利条件。就地获取信息简单易行，应首先予以 考虑。利用通信方式由远端获取信息比较复杂，对快速传送数据信息的要求也较 高，但如能显著改进保护性能，且通道能满足要求，用这种方式实现自适应保护 也是合理的。 微机保护技术的逐步成熟给自适应保护提供了前所未有的发展机遇。微机保 护的特点为自适应保护的实现提供了更多的选择。另外一方面，现在微机保护的 原理基本上是旧有常规保护的翻版，旧有常规保护的问题，影响旧有常规保护的 因素，在微机保护中仍然存在，所以出现这种情况，其原因之一就是对微机的智 能作用认识不足或没有找到有效的方法进一步发挥其智能作用，其次是受长期形 成的模拟式保护思维方式的束缚。为了使我国的微机保护进一步提高智能化的水 天津大学硕士学位论文第一章绪论 平，取得突破性的进展，自适应保护是一条正确有效的途径，自适应的思想对于 微机保护是很有必要的。 从继电保护诞生的那一天起，人们便开始了对提高保护性能的追求，自适应 保护无疑是提高保护性能的一条十分有效的途径。较少的投入，明显的收益，这 正是人们自适应保护的研究乐此不疲的根本原因。因此，大力开展自适应继电保 护的研究有着重要的理论和现实意义。 1 3 接地距离继电器的研究现状 提高接地距离保护的耐受过渡电阻能力曾经是继电保护的一个研究热点。传 统的方向阻抗继电器，在正向两相和单相经过渡电阻外部接地短路时，都可能出 现超范围动作现象，且允许的过渡电阻也较小，因而方向阻抗继电器作为接地故 障的测量元件是不够理想的【2 8 】。为此，必须研究开发具有新原理的接地距离继 电器。文献 2 9 1 分析了按比较三相补偿电压和零序电流相位原理构成的多向补偿 接地距离继电器的静态运行特性，指出该继电器具有容许较大过渡电阻的优点， 在j j 5 0 0 型距离保护装置中采用了这一继电器作为接地故障的测量元件 3 0 】，但 当本侧电源超前对侧电源的相角增大时，该继电器可能拒动。文献 3 l 】提出了综 合比相式新型接地距离继电器，该继电器综合了电抗元件，姆欧元件，选相元件 和方向元件的性能，具有优良的选相功能，同时，在防止继电器区外稳态超越和 提高保护耐受过渡电阻能力方面其性能都有所提高。文献 3 2 】中对几种类型的突 变量距离继电器的性能进行了分析和比较。其中，反应于补偿电压相位突变量的 距离继电器的动作特性与传统的多相补偿距离继电器相同，且能保护三相短路。 文献 1 0 介绍了以以。吼( d 。为故障前相电压，吼为故障后相电压) 为极化 分量的接地距离继电器，并探讨了其如何使距离继电器提高对过渡电阻的反应能 力，但其超越较严重。 还有人提出了基于微分方程算法接地电抗继电器方案，在该方案中，建议用 正序和负序电流的故障分量的和近似代替流过故障点的故障电流，通过解微分方 程求解故障距离，来判定故障是否在保护区内，实验结果表明，这种接地电抗继 电器反应高阻按地故障的能力明显提高，但继电器耐受过渡电阻的能力受正序和 负序运行参数变化的影响较大。实际电力系统中，系统的零序网络相对比较稳定， 因此文献 1 推荐用流过继电器的零序电流代替流过故障点的故障电流。由于解 微分方程算法是以瞬时值计算为基础的，数学模型简单，计算速度快，保护耐受 过渡电阻能力强，因而成为微机接地距离保护的优选算法。但基于微分方程算法 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 接地电抗继电器在电力系统某些运行方式下存在区外稳态超越问题。针对这一问 题，文献【3 3 提出了相位补偿原理视在距离新算法，用该算法实现的接地距离继 电器能根据系统运行工况的变化选择不同的零序电流的相位补偿值，保证区外故 障时，保护不超范围误动。但相位补偿原理视在距离新算法接地距离继电器的性 能受角度整定值的影响较大。 丘极化接地距离继电器在反映高阻接地故障各方面显示出优良的性能，是目 前为线路保护装置中广泛采用的接地距离保护的测量元件。通过对厶极化接地距 离继电器稳态超越机理分析和研究，文献 2 3 提出了一种能克服j 。极化距离继电 器区外稳态超越问题的新方案，即双下偏厶极化接地距离保护方案，单相接地故 障时，该方案能在保证整定点以外的故障保护不误动的前提下，对于区内故障有 尽可能高的耐受过渡电阻能力。然而不难看出，在接地距离继电器的发展过程中 各种继电器都是以简单双侧电源单回线路系统为研究模型，从传统的方向阻抗继 电器发展到了双下偏厶极化接地距离保护方案。双下偏厶极化接地距离保护方 案的优点是对这种研究的模型来说，在接地距离保护方案中，它具有最高的耐过 渡电阻能力。然而其研究的模型也决定了它的先天不足，对于较复杂的系统模型， 特别是有环网、平行双回线或下一段线路为分支线路时，流过故障点的故障电流 与补偿电压的相位关系己经不能象单回线中那样反映区内故障和区外故障。因此 继电器的动作特性，协调好允许过渡电阻能力和超越能力是十分必要的。 1 4 论文所做工作和章节安排 为了提高接地距离继电器承受过渡电阻的能力，并有效的防止其超越，本文 提出了能根据接地电阻大小自动调整动作边界的自适应接地距离继电器；分析了 该继电器在正、反向单相接地短路时的动作特性；在此基础上，采用了修正方程 以防止其暂态超越；并在1l o k v 和5 0 0 k v 系统中验证了所提自适应接地距离继电 器的可行性。 围绕这个目的，论文共分五章进行介绍。第一章主要分析和介绍了距离保护 的发展现状及其改进研究、自适应继电保护的基本概念及其发展的条件和接地距 离继电器的研究现状；第二章介绍了高压输电线路距离保护存在的问题，接着分 析了常用的正序电压作极化量接地距离继电器的原理和其耐受过渡电阻能力。第 三章提出并分析了新型自适应接地距离继电器的动作方程，然后又提出了自适应 接地距离继电器的修正方程并进行了证明分析；第四章主要介绍了自适应接地距 离继电器的计算机仿真验证的情况，包括仿真试验平台a t p 和数据处理工具 天津大学硕士学位论文第一章绪论 m a t l a b 的简介、傅氏算法和差分傅立叶算法原理、仿真模型的建立和仿真结果 的分析；第五章对全文做出总结，给出了相应的结论。 天津大学硕士学位论文 第二章常用的正序电压作极化量接地距 离继电器的特性分析及过渡电阻对其影响 第二章常用的正序电压作极化量接地距离继电器的特性分析及 过渡电阻对其影响 2 1 距离保护的基本原理及存在问题 距离保护是高压输电线路的一种最基本的继电保护类型。由于它的动作原理 是反应保护安装点到故障点的阻抗值，因而等价于反应到故障点的距离，这种保 护又叫阻抗保护。距离保护的主要元件为距离( 阻抗) 继电器，它可根据其端子上 所加的电压d ，和电流j ，测知保护安装点至故障点的阻抗值，此阻抗称为继电器 ，7 的测量阻抗，即继电器的测量阻抗z ，就是口，和j ，的比值( z ，= ；= r + j x ) 。 在一般的情况下，发生短路之后，总是伴随有电流的增大、电压的降低、线路始 端测量阻抗的减小、以及电压和电流之间相位角的变化，当测量阻抗小于阻抗继 电器的整定阻抗值时，保护就会动作。如图2 1 所示，其中1 为全阻抗继电器 的动作特性( 无方向性) ，2 为方向阻抗继电器的动作特性( 短路出口存在死区) ， 3 为偏移特性的阻抗继电器的动作特性。此外尚有动作特性为椭圆形、四边形、 直线形的阻抗继电器等。 j x i 顾劢 心 y 1 ， 图2 1 用复数平面分析阻抗继电器的特性 距离保护受网络结构和系统运行方式的影响较小，因此距离保护长期以来一 直是复杂电网中高压输电线路最重要的也是应用最广泛的保护方案。但是，距离 天津大学硕士学位论文第二章常用的正序电压作极化量接地距 离继电器的特性分析及过渡电阻对其影响 保护的性能也存在一些问题，当应用于超高压线路时，这些问题更为突出： 1 、避越最大负荷的能力； 2 、反映经过渡电阻短路的能力； 3 、过渡电阻造成的稳态超越； 4 、短路电流暂态分量引起暂态超越； 5 、系统振荡可能引起保护误动作： 6 、在保护安装处发生正方向短路时，由于电压趋近于零可能使保护拒动； 7 、在具有串联电容补偿的线路上反方向串补电容后短路时，保护可能失去 方向性； 8 、方向阻抗继电器在反方向经小弧光电阻接地短路可能误动，在正方向经 高电阻接地短路时可能拒动； 9 、正方向接地短路，方向阻抗继电器用于选相时可能误选相； 10 、线路非全相运行状态下阻抗继电器可能误动； 由于传统距离保护自身的局限性，上述有些问题难以得到很好的解决，在某 些条件下，问题甚至还会变得很突出，严重影响距离保护的性能，威胁输电线路 的安全运行。下面主要分析一下短路点过渡电阻对距离保护的影响。 2 2 常用的正序电压作极化量接地距离继电器j 原理分析 高压输电线路最常见的故障是单相接地，由于过渡电阻的存在，传统的接地 距离继电器会受其影响出现拒动或超越误动现象。针对不足，目前接地距离继电 器所用极化电压为玩+ e 删( 驴。是故障后正序电压，0 1 为移相角，它的作用是 将方向阻抗特性向第1 象限偏移，以扩大允许故障过渡电阻的能力，其取值范围 为0 。3 0 。) ，其动作方程为： 9 眯船f 竖一 2 7 0 。( 2 - 1 ) 。瓯- ( l + k 3 ，o ) x z “ 上式中k = 兰势，以图2 2 所示的两机系统为例，假设线路阻抗角与系 统阻抗角相同，m 和n 例保护的电流规定正方向与图中所标箭头一致。 天津大学硕士学位论文 第二章常用的正序电压作极化量接地距 离继电器的特性分析及过渡电阻对其影响 图2 2 双端电源系统结构图 j 经。厂 。 ( a ) 正方向教障的偏移特性圆 j 承 (稚区) 弦 一 z j ( b ) 反方向故障的抛球特性圆 图2 3 式( 2 1 ) 的动作特性 由于正序电压主要由非故障相形成，基本保留了故障前母线电压相位，所以 它很好的防止了出口短路的动作死区。另一方面，当正方向故障时，其动作特性 为一偏移特性圆，如图2 3 的( a ) 所示；而当反方向故障时，其动作特性为一抛 球特性圆，如图2 3 的( b ) 所示。这样保证了接地继电器具有方向性。 天津大学硕士学位论文第二章常用的正序电压作极化量接地距 离继电器的特性分析及过渡电阻对其影响 2 3 正序电压作极化量接地距离继电器耐受过渡电阻能力的分析 由图2 - 2 所示，设故障前f 点的电压为口。，从f 点看进去，系统的等值阻 抗为z ：。由戴维南定理可以得出： 0 = 蜘去 a r s 半一嚎嘲乏 由此可见，盯g 兰铲是由系统决定的常量( 吼为接地故障后，故障相短路点 处电压；月。为故障点的接地电阻，是纯阻抗) 。这样，如图2 - - 4 所示，可以推 出过f 点和o 点的曲线为一圆弧，而口，随r 。变化而变化的运动轨迹就是此圆弧 ( 此圆弧为接近半圆的小半弧) 。 蠢： 、l 斌莎 另外，从图上还可得出： 0 图2 4 向量图分析 e m u | u j u f卟 z s + z l z l f 一己， 矗 壶肌 天津大学硕士学位论文 第二章常用的正序电压作极化量接地距 离继电器的特性分析及过渡电阻对其影响 0 ，为接地故障后，故障相测量电压e 由此可见吼与以的关系：保护安装 处电压向量与故障点电压向量分别随r 。变化的运动轨迹相似，都为圆弧( 接近半 圆的小半弧) 。 图2 5 式( 2 1 ) 的电压向量图分析 根据图2 - - 2 ，当f 处发生单相接地短路故障时，作出式( 2 。1 ) 的电压向量分 析图，如图2 - - 5 所示( 口和0 。分别为补偿电压0 m 一( j + k 3 i o ) z 。在不同r 。 时，所对应的数值) 。可以看出：图中阴影部分为式( 2 1 ) 的动作边界，而且其动 作边界是固定的不动的。当接地电阻较小时，短路点处电压和式f 2 1 ) 中的补 偿电压以一( 厶+ 拦3 厶) x z 。分别见图中的矽；与驴。此时，补偿电压0 。落在 阴影中，继电器可以动作。当接地电阻增加时，短路处电压顺着圆弧o f 上移， 见图中的o ，；同时，补偿电压也会上移至0 ，从而移出阴影部分，即离开了动 作区，继电器出现拒动。显然，引起拒动的原因是式( 2 1 ) 的动作边界固定，无 法随过渡电阻的变化而将动作边界动态地调整。虽然式( 2 1 ) 还引入的移相角 8 l ，将方向阻抗特性向第1 象限偏移，在一定程度上提高了承受过渡电阻能力， 但很有限。 2 4 本章小结 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。在电网中，9 0 左右的线路故障为单相接地故障，所以研究单相接 地故障时，保护有选择的快速、准确地切除故障点，对保证电力系统安全稳 定运行有着重要的现实意义。 天津大学硕士学位论文 第二章常用的正序电压作极化量接地距 离继电器的特性分析及过渡电阻对其影响 当输电线路发生接地故障时，过渡电阻的存在将对保护的动作性能产生 不利影响，特别是对于超高压远距离输电线路保护，这种影响更为显著。产 生上述现象的主要原因是当前所用接地距离继电器动作边界固定所致，也就 是说接地距离继电器的“测距”存在一定“误差”，不能正确反应实际故障 距离。当过渡电阻达到一定数值时“测距误差”的增大将使得保护发生误动 或拒动。 天津大学硕士学位论文第三章新型的接地距离继电器 第三章新型的接地距离继电器 从继电保护诞生的那一天起，人们便开始了对提高保护性能的追求，自适应 保护无疑是提高保护性能的一条十分有效的途径。较少的投入，明显的收益，这 正是人们自适应保护的研究乐此不疲的根本原因。因此，自适应保护成为近年来 继电保护领域中新的发展方向。 在上一章分析了当前所用接地距离继电器的特性及过渡电阻对其影响的 基础上，本章提出了一种自适应接地距离继电器的新方案。该方案区别于当 前接地距离继电器的矾+ x e 州作为极化电压，而采用矗瓯作为极化电压，从 而使继电器具有极强的抗过渡电阻能力。为了防止其超越，又提出了自适应接地 距离继电器的修正方程并进行了证明分析。 3 1 新型的自适应接地距离继电器的提出与分析 正序电压作为极化量接地距离继电器”7 】耐受过渡电阻能力较差的原因是 动作方程的动作边界固定。如果要增强接地距离继电器对接地电阻的反映能 力，就必须使接地距离继电器的动作边界具备自适应性，以便能够随接地电 阻的增加而变化，如上章图2 5 所示，这种变化可以归结为保护的动作边界 以o 点为圆心做逆时针旋转，理想的旋转角度是使旋转后的动作边界能够和接 地故障点电压向量重合，这样就可以完全不受过渡电阻的影响，但实际上由于接 地距离继电器利用的是线路一侧的电压量、电流量进行保护计算，这一理想旋转 角度是无法测量到的，因此只能采用某种近似的手段获得。 3 1 1 自适应接地距离继电器的提出 程 本章提出了一种随过渡电阻变化而动态调整动作边界的自适应动作方 船百高等多南面q 7 旷 rrtt ( 3 1 ) 天津大学硕士学位论文第三章新型的接地距离继电器 此方程将当前接地距离继电器所用的以故障后正序电压作为极化电压，改为 故障后正序电压与故障后电压之差作为极化电压。整定阻抗z 。取线路全长阻抗 的8 5 。 从图3 1 中可以直观地看出来，式( 3 1 ) 将驴l 。一玩作为极化电压无疑是一 个绝佳的选择。此时式( 3 一1 ) 的动作边界与0 。一玩相垂直，同时随着驴，的改变 而改变，而且总保持落后u ，一个小角度。 a ，： 图3 1 ，7 7 7 7 0 ， 具体证明如下： 由前面的推导已知，接地点处电压变化圆弧与保护所测电压变化圆弧是相似 形，且直线m m 与直线f o 平行，因此直线a 与直线b 为平行线。上一章已经 推出b 超前0 ，的角度为a r g z ：( 很接近9 0 。的锐角) ，所以ur 的垂线c 超前直线b 的角度为s ，= 9 0 。一a r g z 。，玩+ - 以落后a 的角度为s ：，最终我们得到此方程的 动作边界是一个随接地电阻增大而旋转的动态边界，并且落后d ，的角度为 s + 岛。这种动态特性保证了它对高阻接地故障的灵敏反映，而略微落后的小角 度蜀+ 岛则又使式( 3 1 ) 有一定防超越的能力。 3 1 2 自适应接地距离继电器在复平面上的分析 1 、保护正方向单相接地短路 天津大学硕士学位论文第三章新型的接地距离继电器 z s 辛：卜一z ：厂叫 图3 2 正方向短路时，分析动作特性的系统接线 令0 。= 0 o j = 0 。，j ，= j + + k x 3 。分别为保护安装处故障相正序电压、 相电压和相补偿电流，z ，为测量阻抗，由图3 - - 1 可得： 则补偿电压为； i u s = z ，0 ? a 一- z s 生+ z s 3 2 拈卧ijx z z d = 糍她 ( 3 - 3 ) g e i ( 3 - 3 ) 式代入式( 3 - 1 ) 得： 鲥 彳曙警财。( 3 - 4 )9 0 0 钾1 i 上 2 7 旷 式( 3 4 ) 在复平面上的动作区如何呢? 证明方法如下。 鲥 船笺孚xu s l 恤轴奶。p ， 从式( 3 5 ) 中可以看出，它对应的动作特性曲线是圆，过z 。的端点和 z 。蔫eu 端点的线段是此圆舻爪弓氟由于盎e 数值很大，很明显看出， 。 一 j 1 u j l 天津大学硕士学位论文 第三章新型的接地距离继电器 此弦很长即特性圆的半径巨大。 动作特性圆将整个复平面分为动作区和不动作区，而圆外才是动作区，如图 3 3 所示。 蕊藏 - s ，。 魔o ：刃善。一 口 专产鼍* 、c 图3 3 动作区分析图1 动作特性圆将整个复平面分为动作区和不动作区，而圆外才是动作区，如图 3 - - 3 所示。 设爿磅- 1 ) 她磊蔫幽赋( 3 - 艚慨 蚶一“懵箍q ，o o 一。 隆s ， 双端电源供电时，根据系统稳定运行的要求，两侧的电势差一般不超过7 0 。， 因此接地故障后的保护安装处正序电压d ，、落后于电源应的角度更不会超过 n 7 0 。，所以得到1 8 0 0 2 7 0 。，- 1 2 5 。 a r g o 。，因此s 只能落在复平 止u j l 面第1 象限和第象限。设s 落在第1 象限，则式( 3 6 ) 在复平面如图3 3 所示。 当测量阻抗为z ，和z ：时，所对应的极化量超前补偿量的角度分别为口和口，而 9 0 。( - ) 口 o 。，0 。 口 2 7 0 。，由此可见，圆外为动作区。 证明方法2 ： 式( 3 4 ) 还可以化为下式 天津大学硕士学位论文 第三章新型的接地距离继电器 ，。 爿增z j x ( 鼍- 彳k - 1 ) 了+ z s x u j e ：，。 。， 9 0 4 抛i 乏_ 2 7 0 。 ( 3 7 ) 上式中，誓由故障前系统运行方式确定。当系统运行方式一定时，警为 常数，所以( 誓1 ) 、z 。誓和z 。都可以看作常数。设它们在复平面上的坐 标分别为( m ，n ) 、( a ，b ) 和( k ，j ) ，而乙的坐标为( x ，y ) ，如图3 - - 4 所示。 因为1 8 驴 一嗄警- 1 ) 2 7 。，所以m 、n 均小于。；而- 7 0 0 警 。，所以a 、 b 均大于o ；很明显k 和j 也均大于0 。 j 五| 乙( k ，j ) d隘( x ，。 ( m ，n ) 彳 喝链翼妨蟹山 乃卑- 池。晕 图3 4 动作区分析图2 z j z z d = ( x k ) + ( y j ) i z 州警一1 ) + z sx 百u j ! = ( x + y i ) ( m “) + 口+ 6 i = 1 t i x n y + m y i + n x i + a + b i = n i x - n y + a + f f i x + m y + b ) i 天津大学硕士学位论文 第三章新型的接地距离继电器 式( 3 1 ) 所代表的动作方程的动作边界条件是z ，一z ：。 z a 。掣争一1 ) + z 。宰 止e 相垂直，因此由二直线垂直判定定理可以得出： 化简得 ( x y ) ( m x n y + a ) + ( y j ) ( n x + m y + b ) = 0 xz + y z ( 兰+ k + 堕) x ( - 旦+ j 一鸟y 苎+ 马：0 ( 3 - 8 ) mmmmm m 得出自适应方程的动作特性曲线是圆。 圆心为： ( - 旦+ 竺+ 堕上+ 些1 、2 m22 m 。2 m22 m 7 将复平面的o ( o ，o ) 点带入式( 3 8 ) 等号的左边得( 些+ 堕) ，因为m 、n 均 m m 小于0 ，而a 、b 、k 和j 均大于0 ，因此得出芒十旦) 。由点在圆外的判定 m m 定理，得出o ( o ，o ) 在圆的外部。 此圆以过z 。的端点和( 旦+ 旦，b 竺) 点的线段为直径。动作特性圆将整 li nmi n 个复平面分为动作区和不动作区。在出口发生单相接地短路时，吼为零，而驴，。不 为零，所以极化电压d ，也不为零，出口不存在“死区”。保护的出口对应复平面 的o ( o ，o ) 点，说明o ( o ，0 ) 位于动作区，而o ( o ，o ) 在圆外，这样便证明式( 3 4 ) 在复平面的动作区为圆的外部。 j x 众 动作区 孙呱。 口 r r m 一 图3 5 正方向短路动作特性 天津大学硕士学位论文 第三章新型的接地距离继电器 正方向短路时，( 3 4 ) 式给出的自适应接地距离继电器的动作特性如图3 5 所示。由于此圆半径巨大，只画其一部分，阴影部分是动作区。由此特性可以很 明显看出，动作区的扩大使其耐受过渡电阻的能力大大提高了；但与此同时也会 带来超越误动。此外，还应指出：动作区虽然包括坐标原点，但并不意味者会失 去方向性，因为此方程是在保护正方向短路前提下导出的，不适用保护反向短路 的情况。 l u j = z j i s 卜鑫 则补偿电压为 一 _ z ；_ 图3 6 反方向短路时，分析动作特性的系统接线 ( 3 9 ) 扩甜，嘎= 箍艚 ( 3 - 1 0 ) 将( 3 - 1 0 ) 式代入( 3 1 ) 式化简变换得到继电器反向时动作条件为 鲥 一馏篙李恤e 虬- u ：7 。p 此时动作特性如图3 7 所示( 也只画出一部分) 阴影部分为动作区。而当 反向短路时，继电器测到的阻抗是- ( z 。+ b ) ，位于第象限，所以此继电器具 有明确的方向性。 天津大学硕士学位论文第三章新型的接地距离继电器 动作区 uu趴，一 口 一 图3 7 反方向短路动作特性 3 2 自适应接地距离继电器的修正方程 当正方向短路时，以正序电压作极化量的接地距离继电器会超越误动， 常用的消除误动的办法是：在其动作特性上加一个零序电抗继电器进行修正。 这样继电器在正方向短路时，其动作特性在复平面的动作区( 阴影部分) 如图3 8 所示，可以看出零序电抗继电器已经将图中所示超越部分排除在外了。 零序逃电器一 八 、，一n n x c ： 胙甏办一 d 图3 8 本文所提出的自适应动作方n ( 3 1 ) 的动作区会不会也包含上述的超越区 域呢? 如图3 9 所示，很明显，自适应方程由于其动作边界的圆弧特性已经将 这一部分排除在外了。这己恰恰能够印证前面推导的，式( 3 - 1 ) 的旋转动态边界 落后d ，一个大小为s 。+ g ：的小角度可使式( 3 1 ) 具有一定防超越的能力。 天津大学硕士学位论文 第三章新型的接地距离继电器 j 飞碳黼躞一 m h 7 图3 9 那么自适应方程( 3 1 ) 是否存在其他超越部分昵? 由上一节分析可知，式 ( 3 1 ) 所代表的自适应接地距离继电器在正方向发生短路时的动作特性是一个大 圆的圆外，因此有很强的耐受过渡电阻能力。但是由于动作区很大，从而使得在 对侧电源助增情况下，区外经过渡电阻短路时，测量阻抗也有可能落入动作区造 成保护超越误动作。为了防止超越误动，可以采用式( 3 1 2 ) 的直线特性对式( 3 1 ) 进行“相与”修正。 鲥 - 母 图4 - 2 等效发电机 在三相稳态电源的参数中给出了电源系统的电压等级、频率和初相角等 值，系统阻抗的参数中给出了发电机的内部阻抗。 系统阻抗是根据发电机的容量s 。和出口电压u 。来求得的。查书可知， 汽轮发电机的正、负序阻抗为x ，= x ：= 髟= o 1 6 ，零序阻抗为x 。= 0 0 6 ， 且均为标么值。基准值z 。公式为： 7 一u 气 一? sb ( 4 1 ) 天津大学硕士学位论文 第四章a t p 仿真试验及结果分析 2 、线路模型 线路部分包括线路和断路器。 a t p 中线路可以直接用一个三相的线路元件表示，可以根据仿真研究的 线路选择n 形集中参数模型或分布参数模型。另外，还可以在该元件的参数中 给出线路的长度和单位长度的电阻、电感、电容值。 断路器则更简单，直接用一个三相开关表示，在开关的参数中给出断路 器动作的时刻。 3 、故障模拟 在a t p 中故障是通过开关和一些辅助的元件构成的，设置开关动作的时 间就可以模拟故障的发生时刻；改变开关在线路上的位置可以设置故障发生地 点。 电网中的故障包括单相接地故障、两相接地故障、两相相间故障以及三 相故障，其中，每种故障又都包括经过渡电阻故障和不经过过渡电阻故障这 两种情况。改变开关三相各自的参数和连接情况，就可以仿真上述各种故障类 型。本文研究的是接地距离继电器，所以只考虑