接地距離繼電器眼中的過(guò)渡電阻

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一背景

在電力系統(tǒng)的接地故障中，少有金屬性接地故障，多數(shù)接地故障都是經(jīng)過(guò)渡電阻接地的?；趫A特性的距離繼電器除了有方向阻抗繼電器之外，往往附帶有零序電抗繼電器，以排除過(guò)渡電阻造成的超越性質(zhì)的誤動(dòng)。

對(duì)于過(guò)渡電阻造成誤動(dòng)的理論分析，有些資料語(yǔ)焉不詳，比如某距離保護(hù)說(shuō)明書這么描述“該繼電器（指方向阻抗繼電器）可以測(cè)量很大的故障過(guò)渡電阻，但在對(duì)側(cè)電源的助增下可能超越，因而引入第二部分零序電抗繼電器以防止超越”。

有些描述不夠準(zhǔn)確，比如某論文中提到“超高壓大負(fù)荷線路末端經(jīng)電阻故障，由于對(duì)側(cè)電源提供的短路電流與本側(cè)短路電流相位不同，過(guò)渡電阻在阻抗繼電器中會(huì)呈現(xiàn)出電感或電容分量?！?/span>

二理論分析

本文試圖分析單相接地短路時(shí)，過(guò)渡電阻對(duì)于接地距離繼電器的影響，指出其造成距離繼電器誤動(dòng)的本質(zhì)原因。

設(shè)圖示的線路MN上的F點(diǎn)經(jīng)過(guò)渡電阻R發(fā)生AG短路，過(guò)渡電阻一般為純阻性。

對(duì)于M側(cè)的安裝的線路保護(hù)，其看到的計(jì)算阻抗：

輸電線路一般有正負(fù)序阻抗相等，則零序補(bǔ)償系數(shù)：

對(duì)于過(guò)渡電阻 Rg 其上流過(guò)的是故障電流 I_f，U_FA = I_f * Rg，對(duì)于A相接地短路有：

考慮到 I_MA 為負(fù)荷電流 I_FHMA 與故障電流 I_fMA 的疊加，且M側(cè)感受到的故障電流是流過(guò) Rg 的故障電流 I_f 的分流。則：

式中 C_M1、C_M0 分別被稱為M側(cè)的正序、零序分流系數(shù)，考慮輸電線路及發(fā)電機(jī)的正序阻抗、負(fù)序阻抗近似相等，有 C_M1 ≈ C_M2。

以正序網(wǎng)絡(luò)為例，考慮正序分流系數(shù)的解析表達(dá)：

同理零序分流系數(shù)：

由于線路以及發(fā)電機(jī)的正序、零序阻抗的阻抗角基本都在70°~80°之間，因此C_M1、C_M0、K是實(shí)數(shù)或者相角極小的復(fù)數(shù)，從工程實(shí)用化計(jì)算的角度看 2C_M1 + C_M0(K+1) 可被近似看作實(shí)數(shù)。若故障前線路空載 I_FHMA = 0：

則此時(shí) ΔZ 近似為實(shí)數(shù)，即電阻性質(zhì)。若故障前線路重載，負(fù)荷電流 I_FHMA 相比于故障電流 I_f 不可忽略不計(jì)（當(dāng)過(guò)渡電阻阻值不可忽略不計(jì)時(shí)，會(huì)一定程度減小相同故障點(diǎn)、相同故障類型的故障電流），那么 I_FHMA/I_f0 的值將影響 ΔZ ，使其變成阻容性或阻抗性。當(dāng)M側(cè)為送電側(cè)，I_FHMA 超前于 I_f，則 ΔZ 為阻容性；當(dāng)M側(cè)為受電側(cè)，I_FHMA 滯后于 I_f0，則 ΔZ 為阻抗性。假設(shè)故障點(diǎn)位于MN的中點(diǎn) |U_M|0|| = |U_N|0||，相關(guān)電氣量如下圖所示：

三對(duì)保護(hù)行為的影響

過(guò)渡電阻對(duì)于距離保護(hù)的不利影響往往體現(xiàn)在三個(gè)方面：

①對(duì)送電側(cè)而言，在稍超出整定范圍處經(jīng)過(guò)渡電阻短路時(shí)，距離保護(hù)看到的過(guò)渡電阻形成的 ΔZ 為阻容性，此時(shí)易形成超越誤動(dòng)。

② 對(duì)送電端而言，在保護(hù)出口處經(jīng)過(guò)小過(guò)渡電阻短路時(shí)，距離保護(hù)看到的過(guò)渡電阻形成的 ΔZ為阻容性，若方向繼電器以母線電壓為極化電壓阻抗圓過(guò)原點(diǎn)，此時(shí)易拒動(dòng)；③ 對(duì)受電側(cè)而言，在其背后的出口處經(jīng)過(guò)小過(guò)渡電阻短路，距離保護(hù)看到的過(guò)渡電阻形成的 -ΔZ 位于第Ⅱ象限（對(duì)方向阻抗繼電器而言，反方向故障時(shí)其比相方程中計(jì)算阻抗取 -Z ），此時(shí)距離保護(hù)易誤動(dòng)。這個(gè)問(wèn)題可以這么理解，假設(shè)故障前潮流方向由M流向N，N側(cè)為受端。假設(shè)N側(cè)背后N'側(cè)亦裝有保護(hù)，N'側(cè)為送端，N'側(cè)看到的過(guò)渡電阻形成的 ΔZ 為阻容性（位于第Ⅳ象限）。此時(shí)N側(cè)與N'側(cè)處的保護(hù)感受到的電壓相同，電流相差180°。所以N側(cè)看到的 -ΔZ 與 N' 側(cè) ΔZ 相比，幅值相同，相位相差180°。零序電抗繼電器處理了①，將方向阻抗圓割掉部分，寧可損失部分動(dòng)作區(qū)域（可能的拒動(dòng)，畢竟還有其它原理保護(hù)備用），也不允許保護(hù)誤動(dòng)。方向距離繼電器的正序極化電壓處理了②③，即正方向短路時(shí)，阻抗圓包含原點(diǎn)，包括Ⅲ、Ⅳ象限的部分區(qū)域；反方向短路時(shí)，阻抗圓向Ⅰ象限高拋，遠(yuǎn)離原點(diǎn)。所以其一般無(wú)②、③所描述的誤拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，這也是采用正序電壓作為極化電壓相比于母線電壓作為極化電壓的相對(duì)優(yōu)勢(shì)之一。

綜上所述，線路上發(fā)生單相接地故障時(shí)，線路兩側(cè)分到的故障電流基本是同相位的（或者相位相差很?。?，關(guān)于這一點(diǎn)已經(jīng)被無(wú)數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際錄波波形以及仿真波形所驗(yàn)證。并且零序電抗繼電器的方程為：

此處比相方程分母上的極化電壓 I₀×Z_D 就是假設(shè)過(guò)渡電阻上流過(guò)的故障電流近似與保護(hù)安裝處感受到的零序電流同相位，這也從另外一個(gè)角度側(cè)面反證明了分流系數(shù)近似為實(shí)數(shù)， 零序電抗繼電器作為一種原理成熟的繼電器，它的正確性與實(shí)用性早已在工程現(xiàn)場(chǎng)被反復(fù)驗(yàn)證。單相接地短路時(shí)，過(guò)渡電阻之所以在距離繼電器的視角下被看成阻容性或者阻抗性主要是受負(fù)荷電流的影響。如果距離繼電器能剔除負(fù)荷電流對(duì)于繼電器的影響（比如突變量距離），那么必將取得更好的容納過(guò)渡電阻的能力。也正是由于對(duì)于距離保護(hù)而言，始終無(wú)法克服過(guò)渡電阻的影響，所以距離保護(hù)中基于阻抗原理的單端測(cè)距方法，廠家的技術(shù)說(shuō)明書只能宣稱多相故障可以達(dá)到的測(cè)距精度。

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