（电力系统及其自动化专业论文）超（特）高压输电线路保护原理与技术的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 线路两端装置的数据同步是线路电流差动保护的一个非常重要的技术环 节，也是影响保护性能的重要因素。论文通过引入保护装置“时钟差”的概念， 以基于数据通道的方法为基础，参考向量法作辅助，提出了一种新的数据同步 方法。该方法不但能够适应通道延时不一致的情况，而且对于光纤通道收发、 中继等转换装置受到故障电流引起的电磁干扰的影响，造成通信短时故障的情 况，在通信恢复后不进行重新对时，直接投入保护，防止保护由于进入对时程 序而引起拒动。 关键词：电力系统继电保护；距离保护：电流差动保护；自适应保护；数据同 步；超高压输电线路；特高压输电线路 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t e h va n du h vt r a n s m i s s i o nl i n e sa c ta sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h e s e c u r i t y ， s t a b i l i z a t i o na n dt h ee c o n o m i cp r o f i to ft h ew h o l ep o w e rs y s t e mo p e r a t i o n t h e i m p o r t a n c eo fe h va n du h vt r a n s m i s s i o nl i n e se l e v a t e st h er e q u i r e m e n to ft h e p e r f o r m a n c eo fp r o t e c t i v er e l a y i n g t h em i c r o c o m p u t e rb a s e dp r o t e c t i o ne q u i p m e n t s a r en o ww i d e l yu s e di ne h va n du h vt r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h ee f f e c t sa r eg o o da sa w h o l e ，b u ts o m el i m i t a t i o n sa r ea l s of o u n dt h r o u g hl o n g t e r mf i l e do p e r a t i o n s i n o r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，s y s t e m a t i cr e s e a r c h e so fp r i n c i p l ep r o b l e m so fe h v a n du h vt r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o ni sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h et r a i t so fi m p e d a n c el o c u su n d e rd i f f e r e n ts y s t e mc o n d i t i o n sb a s e do n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa r es h o w ni nt h i st h e s i s i t si n f l u e n c eo nr e g u l a rd i s t a n c er e l a y s i sa l s od i s c u s s e di nt h et h e s i sf r o mt h e a s p e c t so ft h ec a p a b i l i t i e s o fa n t i o v e r - r e a c h i n g ，i n t e r n a lr e s i s t a n c et o l e r a n c ea n df a u l td i r e c t i o nd i s t i n g u i s h a b i l i t y t h ee x i s t e n c eo ff a u l tr e s i s t a n c em a ya d da na d d i t i o n a lr e a c t i v eo rc a p a c i t i v e c o m p o n e n tt ot h ei m p e d a n c e s e e n b yt h er e l a y t h i sm a yc a u s ec o n v e n t i o n a l q u a d r a n g u l a rd i s t a n c ep r o t e c t i o nt oo v e r - r e a c ho ru n d e r - r e a c ha td i f f e r e n ts y s t e m c o n d i t i o n s an o v e la d a p t i v ea l g o r i t h mf o rd i g i t a ld i s t a n c er e l a yb a s e do nr e a l t i m e i m p e d a n c el o c u se s t i m a t i o ni sp u tf o r w a r d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd i g i t a ls i m u l a t i o n s h o wt h a tt h en e wp r o t e c t i o nw i t he n h a n c e dr e s i s t i v et o l e r a n c ec a l lo v e r c o m e s t e a d y s t a t eo v e r r e a c h f a u l to nat r a n s m i s s i o nl i n ec o n n e c t e dt ot h eb u sb e h i n dt h ep r o t e c t i o ni se q u a l t of a u l to nt h eb u st h r o u g har e a c t i v e f a u l ti m p e d a n c e s t h i sp r o b l e mh a sn e v e r b e e nn o t i c e d t h es t u d yo fi m p e d a n c el o c u ss e e nb yt h ep r o t e c t i o ns h o w st h e p o s s i b i l i t yf o rd i r e c t i o n a ld i s t a n c ep r o t e c t i o nw i t hq u a d r a n g u l a rc h a r a c t e r i s t i ct o m a l o p e r a t eu p o nt h i sc o n d i t i o n an o v e ld i r e c t i o n a ld i s t a n c er e l a yt h a tc a np r e v e n t t h er e g u l a rd i s t a n c er e l a yf r o mm a l o p e r a t i n gb a s e do nt h es t u d ym e n t i o n e da b o v ei s p u tf o r w a r di nt h et h e s i s t h ed i s t r i b u t e d c a p a c i t a n c ec u r r e n to fu h vt r a n s m i s s i o nl i n ep r o d u c e s 浙江大学博士学位论文 o p e r a t i o n a lc u r r e n to fd i f f e r e n t i a lc u r r e n tp r o t e c t i o no nn o n f a u l ts t a t e sa n de x t e r n a l f a u l t s t h eo p e r a t i o n a lc u r r e n ti sa l s o a f f e c t e db yd i g i t a lf i l t e ra l g o r i t h m sa n d c a p a c i t a n c ec u r r e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o d s i nt h i st h e s i s ，t h ei n f l u e n c e so fd i g i t a l f i l t e ra l g o r i t h m sa n dc a p a c i t a n c ec u r r e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o d sa r es t u d i e db ym a s s d i g i t a l s i m u l a t i o nb a s e do nt h e s y s t e m m o d e lo f10 0 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n e d e m o n s t r a t i o np r o j e c to fc h i n a r e g u l a rt r a n s i e n tc a p a c i t i v ec u r r e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o d sc a nd i m i n i s ht h e e f f e c to fc a p a c i t i v ec u r r e n ta n di n c r e a s et h es e n s i t i v i t yo fc u r r e n td i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n t h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d sr e l yo nv o l t a g e sa n dp a r a m e t e r so ft h e t r a n s m i s s i o nl i n e ，a n da l s or e q u i r ee x t r ac o m p u t a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nc o s t s a n o v e la d a p t i v ec u r r e n td i f f e r e n t i a lr e l a yw i t h o u ta n yc a p a c i t i v ec u r r e n tc o m p e n s a t i o n i sp u tf o r w a r di nt h et h e s i s t h er e l a ya d a p t i v e l ya l t e r st h ec u r r e n tt h r e s h o l db a s e do n t h ee s t i m a t i o no fn o i s el e v e lo ft h ed i f f e r e n t i a lc u r r e n ts i g n a l t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dd i g i t a ls i m u l a t i o ns h o wt h a tt h en e wa d a p t i v er e l a yh a sv e r yh i g hs e n s i t i v i t y a g a i n s th i g h - r e s i s t a n c eg r o u n df a u l t s t h ea p p l i c a t i o no f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kc a u s e sn e wp r o b l e m st o t r a n s m i s s i o nl i n ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n i nt h ef i b e rn e t w o r k ，t h er o u t e so fs e n d i n g a n dr e c e i v i n gc a l lb ed i f f e r e n t ，t h a tm e a n s ，t h et i m el a t e n c yo fs e n d i n ga n dr e c e i v i n g d a t ac a r lb ed i f f e r e n t t h i sc a nc a u s ea na d d i t i o n a le r r o rt ot h ep r o t e c t i o nw h i c h a s s u m e st h es e n d i n ga n dr e c e i v i n gr o u t e sa r ee q u a l i nt h i st h e s i s ，an e wm e t h o d b a s e do nd c e ( d e v i c ec l o c ke r r o r ) i sp u tf o r w a r d t h en e wm e t h o db a s e do nt h ef a c t t h a tt h ec h a n n e ll a t e n c yo fs e n d i n ga n dr e c e i v i n gc a nb ed i f f e r e n t p r o v i d i n ga c c u r a t e c h a n n e ll a t e n c yo f b o t hs e n d i n ga n dr e c e i v i n g ，t h en e wm e t h o dm a k e st h ep r o t e c t i o n m o r er e l i a b l e k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e mp r o t e c t i v er e l a y i n g ；d i s t a n c er e l a y ；d i f f e r e n t i a l c u r r e n tp r o t e c t i o n ；a d a p t i v er e l a y ；d a t as y n c h r o n i z a t i o n ；e h vt r a n s m i s s i o nl i n e ； it h vt r a n s m i s s i o ni ，i n e 浙江大学博士学位论文 o 1 课题的背景与意义 绪论 改革开放以来，为了适应经济快速发展的要求，我国电力工业一直保持着飞 速发展，1 9 8 7 年我国发电装机容量突破1 0 0 g w ；1 9 9 5 年装机容量突破2 0 0 g w ， 位居世界第2 ：2 0 0 5 年跨越了5 0 0 g w 大关。今后1 0 2 0 年，我国电力工业仍 将保持持续、快速增长的态势。预计到2 0 1 0 年，我国装机总容量将超过1 0 0 0 g w 。 目前，我国己形成由东北、西北、华北、华东、华中和南方电网互联而发展起来 的大区电网。按照规划，到2 0 1 0 年，我国将形成北、中、南三大跨区互联电网， 到2 0 2 0 年，一个覆盖全国的统一电网将初具规模，基本实现“西电东送、南北互 供、全国联网”的发展战略。 为了提高安全稳定运行水平，提高经济效益，满足大容量、远距离输电的需 要，解决输电线路中走廊紧张的问题，大电网的主干线路将采用超高压、特高压 线路。到目前为止，大量的5 0 0 k v 超高压线路已经投入运行，7 5 0 k v 特高压示 范线路已于2 0 0 5 年9 月正式投运【l - 6 ，晋东南南阳荆门1 0 0 0 k v 特高压示范工 程也已经开工1 1 。超高压和特高压线路在电网中的地位非常重要，作为电网安 全稳定运行的哨兵，继电保护及安全装置将承担更大的责任，如何提高保护装置 的性能和安全性，给继电保护工作者提出了新的任务和要求【m l 。 距离保护由于具备只需要测量单端电气量、灵敏度高等优点，在电力系统中 得到广泛的应用。线路发生接地故障时，过渡电阻( 包括电弧电阻、杆塔接地电 阻和树木电阻) 的值很大；超高压和特高压输电线路线间距离较大，绝缘子串较 长，发生相间短路故障时过渡电阻也可能很大。过渡电阻的存在会严重影响距离 保护的性能，可能造成区外故障时距离保护超越，区内故障时保护范围减小，以 及线路出口故障时失去方向性。研究如何提高距离保护对过渡电阻的耐受能力， 对提高距离保护的性能有着现实意义，一直是继电保护工作者研究的热点【1 2 2 2 】。 特高压主要是指高于5 0 0 k v 的电压等级，目前主要有7 5 0 k v 和1 0 0 0 k v 这两 个电压等级。目前世界上已有加拿大、美国等多个国家建成了7 5 0 k v 输电系统， 其中加拿大有1 3 0 0 0 多公里的7 3 5 k v 输电线路，并有着有4 0 多年的系统运行和 第1 页 浙江大学博士学位论文 保护控制经验。此外，前苏联、美国、日本均建成了1 0 0 0 k v 电网，但与7 5 0 k v 输电系统相比，其运行经验还很不足。在我国，特高压输变电技术得到了长足的 发展，西北电网7 5 0 k v 输变电示范工程已于2 0 0 5 年9 月成功投运，是目前我国 运行中电压等级最高的输变电工程，也是世界上这一电压等级输变电工程中海拔 最高的工程。7 5 0 k v 输变电工程的成功投运，标志着我国电力设备制造和电网运 行控制技术达到了世界先进水平。另外，晋东南南阳荆门1 0 0 0 k v 特高压示范 工程也已经开工 7 - 1 1 j 。在我国，特高压输电技术是一个新生事物，与其相关问题 的研究是当前人们关注的焦点。特别对于1 0 0 0 k v 特高压输电系统，在我国刚刚 起步，国内尚无运行经验，国外可借鉴的经验也不是很多，因此更加需要深入研 究。由于特高压线路自然功率较大，波阻抗较小，单位长度电容较大，最优输电 半径大，因此线路的电容电流也就较大。与超高压系统相比，特高压系统中有效 电阻更小，短路后暂态的衰减时间常数更大，暂态问题比超高压更严重，相对于 保护的动作速度，可以认为整个保护的动作过程都在暂态过程中完成，所以更容 易受到暂态过程的影响。特高压输电线路长度长、线路阻抗大，线间距离长、杆 塔高，发生故障时的过渡电阻大，造成在线路中发生故障时，流入故障点的电流 较小，导致差动保护的灵敏度下降【。0 0 m 7 1 。因此，研究线路暂态过程对特高压线 路差动保护的影响，以及如何在保证保护可靠性的基础上提高保护的灵敏度是很 有意义的。 通信网络的不断发展使得保护设备之间的数据交换能力得到了很大的提高， 推动了继电保护的发展。早期的继电保护设备通过电力线高频载波进行通信，由 于信号通道的传输能力低，因此只能传送简单的相位或者方向信息。随着近年来 光纤通信网络的发展，保护设备之间实时电气量的数据交换成为现实，从而使电 流差动保护原理成为输电线路保护中很有发展前景的保护原理。近年来，随着电 力通信网络的进一步发展和完善，从节省通信资源和提高数据传输安全性的角度 出发，普遍采用复用通道的数字同步网络( s d h ) 作为传输信道，自愈环网或可变 路由的光纤通道逐渐增多。采用s d h 复用通道时，当业务通道光纤中断时，能够 利用通信网络的自愈功能，在极短的时间内使业务从失效故障中恢复，从而提高 数据传输的可靠性。但s d h 网络也给线路差动保护带来新的问题，那就是收、发 通道延时很有可能是不一致的，这就使得目前一些基于通道的数据同步方法不再 第2 页 浙江大学博士学位论文 适用。因此研究适用于s d h 自愈环网的数据同步对时方法对于继电保护具有实际 意义【2 9 2 1 。 0 2 课题研究现状 从1 9 0 1 年产生的感应式过流继电器开始，继电保护技术随着电力系统的发 展得到不断的发展，期间经历了机电型、晶体管型、集成电路型和微机型四个阶 段。计算机技术在继电保护领域的广泛应用是继电保护发展历史上重要的里程 碑。早在2 0 世纪6 0 年代就有了用小型计算机实现继电保护的设想，随着计算机 技术的飞速发展，微处理器的运算能力不断提高，价格不断下降，使得基于计算 机的继电保护得到了快速的发展，为各种新原理的提出和实现创造了条件 【l5 - 2 2 , 4 2 , 4 3 1 。 距离保护是反应故障点至保护安装点之间的距离( 阻抗) ，并根据距离远近而 确定动作与否的一种保护装置。作为一种性能较为完善的保护装置，距离保护在 结构复杂的超高压电网中得到了广泛的应用i ”。2 2 】。电力系统中的短路故障一般都 不是金属性的，在短路点往往存在着过渡电阻。在双电源系统中，由于在故障点 存在过渡电阻，距离继电器测量到的阻抗除了取决于故障距离还取决于系统功 角、负荷阻抗等系统参数，这使得测量阻抗偏离实际的故障线路阻抗，从而可能 导致常规的距离继电器在区外故障时发生超越，或者在区内故障时缩小保护范围 1 5 - 2 2 】。为了提高距离继电器对过渡电阻的耐受能力，国内外文献对此进行了广泛 的研究：文献f 1 8 2 2 ，4 4 ，4 5 1 提出采用不同的继电器动作特性来提高保护对过渡电 阻的耐受能力。文献【1 8 2 2 ，4 6 提出采用零序电抗元件作为测距元件，零序电抗 元件的下倾角会影响区内故障时的耐受过渡电阻能力，针对这个问题，文献 【4 7 5 4 进行了广泛的讨论和研究，并提出了改进措施。文献 5 5 - 5 7 】提出采用负序 电抗元件作为测距元件。文献 5 8 6 1 提出利用解微分方程的办法计算出保护安装 点到故障点之间的线路阻抗。文献 6 2 6 7 提出利用自适应原理和人工智能的方 法，自适应的改变继电器的动作特性，从而达到提高保护的耐受过渡电阻能力的 目的。 众所周知，受端系统反向经过渡电阻故障时，普通方向阻抗继电器会误动， 必须采取相应的措施【1 8 也, 4 6 】。由于实际中的过渡电阻是纯电阻，所以在分析反向 第3 页 浙江大学博士学位论文 故障对输电线路距离保护的影响时，以往都是将过渡电阻当成纯电阻处理。然而 实际上，还存在“过渡电阻”为复数的情况。在母线的分支支路( 例如降压变压器 及其低压侧) 发生金属性故障时，按照目前的分析方法，该支路阻抗( 接近纯电抗) 也应该当作“过渡电阻”来处理，所以其更确切的名称应该为“过渡阻抗”。过渡阻 抗为复数时，对保护的影响以前从未引起人们的注意，显然它与纯电阻时对保护 影响是不同的，有必要进行研究。 电流差动保护是基于基尔霍夫电流定律构成的，由于其原理简单，不受系统 振荡的影响，有天然的选相能力等优点，在电力系统中得到了广泛的应用，是超 高压和特高压线路保护的首选保护原理【1 8 - 2 2 , 2 5 - 2 7 】。在超高压和特高压线路中，差 动保护的灵敏度受到分布电容电流的影响，国内外文献对这个问题进行了广泛的 探讨，目前主要采用电容电流补偿的方法：文献f 2 l ，6 8 7 0 提出了基于线路稳态 模型的补偿方案；文献 7 1 7 4 提出了基于线路时域暂态兀模型的补偿方案：行波 差动和基于贝瑞隆模型的差动是基于线路分布参数模型，由于模型中考虑了分布 电容，因此没有明确的求解电容电流的过程，但可以认为也是电容电流补偿的一 种，文献 7 5 s o 对此进行了广泛的研究。电容电流补偿方案由于依赖于线路模型， 因此受到线路结构和参数的影响，由于引入了电压量，还会受到t v 断线的影响。 除此之外，电容电流补偿方案还会受到计算量、通信等方面的限制。因此，研究 无需补偿的电流差动方案十分具有实用价值。 线路两端装置的数据同步是线路电流差动保护非常重要的技术环节，也是影 响保护性能的重要因素。随着线路电压的不断升高，输电线路的长度也越来越长， 特别对于1 0 0 0 k v 特高压线路，其输电半径超过1 0 0 0 k m 【2 4 2 6 】。对于如此长的线 路，信号的传递时间不能忽略，必须对接收到的数据进行同步，中外文献对此进 行了广泛的研究。文献 3 8 4 1 提出了基于g p s 的对时方案，g p s 技术能够提供 高精度的统一时钟，从根本上解决了差动保护的对时问题。基于g p s 的对时方 法虽然精度很高，但由于依赖于g p s 卫星信号，因此会受到自然环境和社会环 境等因素的制约，鉴于继电保护装置的特殊性，不能作为保护装置唯一的同步方 法。文献【2 9 3 3 】提出了基于数据通道的对时方案，这类方案主要基于通道收、发 数据延时一致的前提。s d h 自愈环网中。在通信线路故障时会发生路由改变， 导致通道收、发延时不一致，使得该类方法的应用受到影响。文献 2 9 3 0 提出了 第4 页 浙江大学博士学位论文 基于参考相量的对时方案，该类方案基于线路两端测量到的电气量，因此不受路 由改变的影响，但是参考相量方法在线路切除、t v 断线等工况下不能进行数据 同步，此外在系统中存在较大的暂态谐波时数据同步精度也会大大下降。 0 3 论文的主要工作 对于超高压和特高压线路保护，至今还有一些问题没有得到较好的解决，本 文的研究工作正是围绕着这些问题展开，其主要内容和安排如下： 1 距离保护受到过渡电阻的影响很大，要找到解决方案，必须首先对距离 保护测量阻抗的性质进行深入的研究。因此论文的第l 章从距离保护测量阻抗的 理论推导入手，研究了测量阻抗随着过渡电阻变化轨迹的特性，并结合常用的距 离继电器动作特性，分析了各种系统参数对距离保护的影响，以及应该注意的问 题。 2 四边形距离继电器由于在区内故障时具有耐受过渡电阻强的优点，得到 了广泛的应用。然而区外故障时，却容易受到过渡电阻的影响，造成保护超越。 针对这个问题，论文第2 章提出了基于阻抗轨迹估计的自适应四边形距离继电器 方案，该方案利用故障前的电压、电流相位，实时的调整保护的动作特性，达到 防止区外超越的目的。 3 论文第3 章对母线分支支路故障的情况进行了详细的讨论，发现这种情 况下四边形距离继电器存在误动的可能，并在此基础上提出了一种能够防止保护 误动的自适应判据。此外，在第3 章中结合第1 、2 章中的结论，提出了一个自 适应距离继电器的整体方案。 4 常规的差动保护原理基于基波相量，因此必须采用滤波算法对瞬时波形 进行滤波。滤波算法的窗长应该如何选择，是否应该采用差分算法对于差动保护 在特高压线路上的应用是很重要的问题。另外，为了提高差动保护的灵敏度，往 往会采用电容电流补偿算法，对于不同的补偿算法，滤波算法的选取也是人们关 心的问题。论文的第4 章，以晋东南一南阳一荆门1 0 0 0 k v 特高压示范工程为背 景，针对不同滤波算法和补偿算法对不平衡差流的影响展开了深入的研究。 5 线路电流差动保护为了提高保护的灵敏度，通常会采用电容电流补偿算 法减小不平衡差流的影响。然而由于补偿算法必须引入电压量，受到t v 断线以 第5 页 浙江大学博士学位论文 及c v t 暂态的影响，此外还存在计算量大、受到电网结构影响等缺点，因此其 应用受到限制。论文第5 章通过对暂态差流信号的分析，提出了一种不采用补偿 算法的自适应电流差动保护判据，该判据不依赖于电压量，通过实时评估差流信 号的噪声水平，自适应的调整动作门槛，在保证保护选择性的基础上，提高区内 故障时的灵敏度。 6 线路两端装置的数据同步是线路电流差动保护的一个非常重要的技术环 节，也是影响保护性能的重要因素。论文第6 章对s d h 自愈环网中电流差动保 护的对时方案进行了研究，引入了“时钟差”的概念，以基于通道的对时法为基础， 参考相量法作为辅助，提出了一种新的适用于s d h 光纤网络的通信对时方案。 7 第7 章对论文的主要结论进行了总结。 第6 页 浙江大学博士学位论文 第1 章距离继电器阻抗轨迹的研究 距离保护是反应故障点至保护安装点之间的距离( 阻抗) ，并根据距离远近而 确定动作与否的一种保护装置。作为一种性能较为完善的保护装置，距离保护在 结构复杂的高压电网中得到了广泛的应用 1 2 - 2 1 】。 电力系统中的短路故障一般都不是金属性的，在短路点往往存在着过渡电 阻。距离继电器测量到的阻抗除了取决于故障距离，还受到过渡电阻、系统功角、 负荷阻抗等系统参数的影响，在不同的故障条件下将会导致距离继电器失去选择 性或者性能下降。要解决这个问题，首先必须研究各种故障条件下距离继电器测 量阻抗的特点，并在此基础上对具体的继电器动作特性进行分析 8 7 - 9 9 】。本文以继 电器的测量阻抗随着过渡电阻从0 到无穷大变化的轨迹为研究对象，通过理论推 导，分析了不同系统参数条件下阻抗轨迹的特点。一般的距离继电器为了解决出 口故障时的方向判别问题，通常采用记忆的故障前电压作为极化电压，因此仅仅 在在阻抗平面上对继电器进行分析是不够的。为此，本章提出了“方向阻抗”的概 念，并在阻抗平面和方向阻抗平面上分别分析了阻抗轨迹对常见的距离继电器动 作特性的影响。 1 1 距离继电器的基本工作原理 z 。 一 j 图1 - 1 不同位置故障时系统图 f i g 1 is y s t e md i a g r a m 以图1 1 中安装在m 处的距离保护为例，其保护范围为m p 之间的线路。按 照继电保护选择性的要求，当故障发生在m p 之间( 如f 1 ) 时，保护应该动作。而 当故障发生在反向线路上( 如f 3 ) 以及正向保护范围以外( 如f 2 ) 时，则保护不应动 作。距离保护的主要元件为距离继电器，它可以根据其端子上所加的电压和电流 来测量故障点到保护安装处的阻抗值，这个阻抗值被称为距离继电器的测量阻 抗，即 第7 页 浙江大学博士学位论文 z ：争- ，+ 豇：i z l 么仍( 1 - 1 ) j m 式中，z 为一个复数，可以分解为电阻分量和电抗分量。图1 2 在阻抗平面 上表示了f l 、f 2 、f 3 发生金属性故障时保护的测量阻抗。当电力系统正常运行时， u m 近似为额定电压相量，1 。为负荷电流相量，此时测量阻抗z = 劭为负荷阻抗。 如图1 2 中所示，负荷阻抗的电阻分量很大。当系统发生金属性故障时，其测量 阻抗总是落在与r 轴正方向夹角为妒，的直线上，如图2 中的a b 所示，且故障 发生点距离保护安装处的距离与测量阻抗的绝对值成正比。其中p ，是线路的阻抗 角，对于2 2 0 k v 以上的线路，一般不低于7 5 。对于正向金属性故障( f l ，f 2 ) ， 测量阻抗总是落在第1 象限；而反向金属性故障( f 3 ) 时，测量阻抗则落在第1 i i 象 限。因此，不难根据测量阻抗的相位以及绝对值的大小来判断故障的发生位置。 a j x jlf + z f 2 ，z d z f z f i z m 嘧。 z f 3 i ? 图1 2 距离保护测量阻抗示意图 f i g 1 - 2i m p e d a n c e sm e s s r u e db yr e l a y 1 2 常用的距离继电器特性 在分析距离继电器动作特性时，往往在阻抗平面上对继电器的测量阻抗和动 作特性进行讨论，然而为了提高出c i 故障时继电器的方向性，通常采用故障前记 忆电压作为极化电压，这时就不能再直接利用测量阻抗对继电器的动作特性进行 分析。下面结合姆欧距离继电器和四边形距离继电器这两种最为常见的距离继电 第8 页 浙江大学博士学位论文 器动作特性对这个问题进行说明。 1 2 1 可变姆欧继电器1 2 1 4 6 9 0 i 在出口故障时，由于电压为0 ，根据式( 1 - 1 ) 计算出的测量阻抗为0 ，因此无 法判断故障方向。可变姆欧继电器通过引入了记忆的故障前电压作为极化电压， 解决了出口故障时方向的判别问题。其判据为： 咿 哪( 孝薪 2 7 0 。 m z ， 式中u 邮) 为记忆的故障前电压，u 。和l 分别为保护测量到的电压和电流相 量，z d z 是保护的整定阻抗。为由于采用了记忆的故障前电压，因此故障后可变 姆欧继电器具有动态的动作特性。当图1 1 所示的系统在f l 点发生正向故障时， 设从m 向g l 看入的等效阻抗为z 。，则有： e m = “+ z 因此，式( 1 2 ) 中的判据变为 咿a r s ( 麓 0 ，因此动作圆向a b 的左侧偏移，如图1 3 ( a ) 中的圆2 ；当保护安装在受电侧 时，l 落后【，m ( 0 1 ，r 0 ，因此动作圆向a b 的右侧偏移，如图1 - 3 ( a ) 中的圆3 。 由图可知，正向故障时可变姆欧继电器的动作区包含了原点，出口金属性故障时 保护肯定能够动作，并能够耐受一定的过渡电阻。 第9 页 浙江大学博士学位论文 一 猕。一 心。i 钞一 j 厂 莨 、 ，旷r 0 图1 3 正，反向故障时可变姆欧继电器的动作特性 f i g 1 - 3m h oo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f f o r w a r d & b a c k w a r df a u l t 当图1 1 所示的系统在f 3 发生反向故障的时候，设m 向g 2 看入的等效阻抗 为乙，则有：e 。= u 。一z 。i ， 因此，式( 1 2 ) 中的判据变为 咄“ 鹕( 笼 2 7 n r 肌一鹕彘。 ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) 此时可变姆欧继电器的动作特性如图1 3 ( b ) 所示是一个位于r 轴上方的抛 圆。当系统的负荷为0 的时候，1 0 和【( 0 1 同相，此时可变姆欧的动作特性是以 一四为直径的圆，如图l - 3 ( b ) 中的圆l 所示；当保护安装在送电侧时，e 落后 【f 0 1 ，r 0 ，因此动作圆向a b 的右侧偏移，如图1 - 3 ( b ) 中的 圆3 。 图1 - 3 ( a ) 和图1 3 ( b ) 所示的可变姆欧继电器的动作特性是由于引入了故障前 的记忆电压而得到的，故障后一段时间以后，记忆电压就变为了故障后电压，可 变姆欧继电器的动作特性也就退化成过原点的方向阻抗继电器。在系统稳态运行 时，可变姆欧继电器的动作特性同传统的方向阻抗继电器相同，当应用在重负荷 长线时，负荷阻抗有可能落入动作区，导致整定困难。 第1 0 页 浙江大学博士学位论文 显然，对于正向故障和反向故障，可变姆欧继电器的动作特性是不同的，因 此应该针对这两种情况下的测量阻抗和动作特性分别进行分析。另外，可变姆欧 继电器的动作特性经过变换能够在阻抗平面上直接进行分析。 1 2 2 四边形继电器1 2 1 , 4 6 , 9 0 四边形特性距离继电器以其在阻抗平面上呈四边形而得名。它将距离继电器 的测距功能、方向判别功能以及躲负荷功能分别由三个元件完成。图1 - 4 为常规 四边形特性距离继电器动作特性。距离继电器的四边形特性由方向线o h 和o g ， 电抗线a c 和f d ，电阻线c d 和a f 组成。 乞 坦 一几 o 、 一幡 图1 - 4 四边形距离保护动作特性 f i g1 4d i s t a n c ep r o t e c t i o nw i t hq u a d r a n g u l a rc h a r a c t e r i s t i c ，r 当测量阻抗z = 导处于四边形阻抗继电器范围内，并且方向元件同时动作，则判 1 定为区内故障。为了消除出口故障时的死区，方向元件的极化电压u 。通常采用 记忆电压或正序电压。方向元件的测量阻抗( 下文称方向阻抗) 为： u 么”5 亍 ( 1 - 7 ) 方向元件的动作方程为：一 a r g ( z 。) l ，则f 的 轨迹在直线c e 左侧，且m 越大半径越小；若m o 占 o 1 3 2 2 反向故障时测量阻抗的推导 以 “ 图l 一7 反向故障时系统图 f i g 1 7s y s t e md i a g r a mo f b a c kf a u l t ( 1 - 1 9 ) ( 1 2 0 ) 参见图1 - 7 ，当故障点f 位于保护背后时，式( 1 1 1 y - ( 1 1 3 ) q ，电压、电流的关 系仍然成立，根据图】7 可得： u m = ur + z d i 。 根据式( 1 - 1 1 ) ( 1 - 1 3 ) 以及式( 1 2 1 ) n - i 得反向故障时保护的测量阻抗为 式中： ? 7 1 2 2 停 d o 垆 2 占 r 盖8 乙 图1 - 8 正反向故障时保护的测量阻抗轨迹 f i g 1 - 1 8l o c io f i m p e d a n c eo f f o r w a r d b a c k w a r d f a u l t 1 3 2 3 2 负荷阻抗随功角变化的轨迹 负荷阻抗是故障前保护测量到的测量阻抗，根据式( 1 1 8 ) 可知负荷阻抗主要 受功角以及故障点两侧等效系统阻抗的影响。对于某个固定的系统结构，当系统 发生振荡时，功角占是周期性变化的，式( 1 1 8 ) 所示的负荷阻抗也随着j 变化， 根据第1 3 1 节中圆的反演的知识可知，由于本文忽略了系统阻抗和线路阻抗中 的电阻分量并且假设两侧电势的幅值相同，因此负荷阻抗随着占从o 到2 石变化 的轨迹为平行r 轴的直线，下称负荷阻抗轨迹。负荷阻抗轨迹与j x 轴的截距为 _，7 刍i 三红。根据式( 1 1 8 ) 不难得到2 矗的相角为： a r g ( z 朋) = 0 j 石 ( 1 - 2 9 ) + 1 8 0 。一万 万 0 式中七= 考，是故障点两侧等效系统阻抗之比。显然，随着j 从。到2 石变化， 负荷阻抗轨迹从r 轴正方向无穷远处沿着r 轴负方向运动。 当k = l 时，系统的电气中心位于保护安装处，负荷阻抗轨迹位于r 轴上，当 0 s 艿 万时，负荷阻抗位于r 轴正半轴；当万= 万时，负荷阻抗位于原点；当 g i 占 l 时，此时电气中心位于保护反方向，负荷阻抗轨迹位于r 轴上方，如 图1 - 8 ( a ) 中直线l l ，。当占= o 时，a r g ( z 一) 2 0 ；当占= 石时，a r g ( z 竹) = 一三；当 占= 2 万时，a r g ( ) = 万。如果考虑稳态运行时占( 一手，詈) ，如果保护安装在送 电俱o ，则有万( o ，三) ，此时负荷阻抗位于第1 v 象限，负荷阻抗的相角范围是 ( 一要，o ) ，在j 一。、占= 要时达到最小值一手；如果保护安装在受电侧，则有则 t 有占( 一号，o ) ，此时负荷阻抗位于第1 i i 象限，负荷阻抗的相角范围是( 一万，一等) ， 在t 寸。、占= 一三2 时达到最大值一等。 1 3 2 3 3 功角和负荷阻抗对测量阻抗轨迹的影响 在振荡中发生正向出口故障的时候，分为以下3 种情况： 当占= 0 时，根据式( 1 1 3 ) , - - ( 1 1 5 ) 可得此时的测量阻抗为 z ：兰些r