超高压电网继电保护专题分析.doc

超高压电网继电保护专题分析

课程性质：选 修
授课对象：本科（第三、四、五章）
学时：30
授课对象：硕士研究生 （第二、三、四、五章）
学时：40

绪论 高压电网超高压电网的特点及对继电保护的要求
一 电网的电压等级
我国各级电网的电压等级：
低压：6KV、10KV 、35KV、66KV（东北电网有）
中压：110KV
高压：220KV、330KV、
超高压：500KV、750KV（在建设中）
按国际规定，电压大于400KV的属于超高压，电压大于1000KV的属于特高压。
目前世界上最高电压等级：1150KV

二 高压、超高压电网对继电保护提出的要求
1 可靠性与安全性
可靠性是指在发生本保护范围内的故障时，保护装置应可靠动作，发出跳闸命令。安全性是指发生不属于本保护范围内的故障时保护装置应不错误动作。对高压、超高压电网则更加强调其重要性。
解决的方法是加强保护的配置。例如在220KV及以上电压等级的输电线路上，要求保护配置双重化。
2 速动性
对高压、超高压电网来说，快速切除故障尤其重要。因为这对于保持电网稳定是至关重要的。其次，保护装置的快速动作还有利于躲开电流互感器饱和的影响。因为发生故障时从故障开始到电流互感器饱和需要一定时间。
3 选择性
当系统发生故障时，继电保护装置应保证仅将故障设备从系统中切除。以使停电范围最小。当断路器拒动时，可由上一级的保护装置切除上一级断路器。对高压母线，一般应配置断路器失灵保护。
4 灵敏性
灵敏性是指在最不利的条件下，例如最小运行方式、保护范围末端故障、故障类型为短路电流最小的情况等，保护装置对故障的反映能力。在高压、超高压电网中，远后备保护的灵敏度往往难以满足要求，因此采取加强主保护措施，对断路器拒动则采用失灵保护作为近后备保护。
三 高压、超高压电网继电保护面临的一些特殊问题
1 输电线路参数得分布性、线路中的一些补偿装置例如串联补偿电容，并联补偿电抗器，从而使短路电流中含有各种谐波分量。同时由于高压、超高压输电线路的电感与电阻的比值增大，故障后短路电流中非周期分量的衰减速度慢。
2 高压输电线路线间距离大，绝缘子串长，输电线路经过森林，因此发生接地故障时的过渡电阻大。
3 为增加输电线路的传输功率，输电线路装有串联补偿电容，它是一个集中的负电抗，对保护的工作行为产生影响。
4 高压、超高压输电线路的分布电容对保护的工作带来影响。
5 在220KV及以上电压等级的输电线路中，采用分相操作的断路器，线路上发生单相故障时仅跳开故障相的断路器。因此存在两相运行的非全相问题。非全相产生负序和零序分量，对保护造成一定影响。
6 某些电网中出现的多端线路对保护的工作带来一定的影响。
7 高压、超高压电网中采用电容式电压互感器（CVT），CVT的暂态过程对保护装置带来影响。

第二章短路故障的过渡电阻对继电保护的影响

第一节短路故障的过渡电阻

一电弧电阻
实际上在输电线路上发生金属性短路的几率是很少的。大多数短路故障是经过过渡电阻短路。对于相间短路，过渡电阻主要是电弧电阻，而对于接地故障则比较复杂。过渡电阻包括：电弧电阻、其他接地物电阻、杆塔接地电阻。
电弧电阻由电弧的电压、流过电弧的电流和电弧的长度决定。其关系式：

其等效电阻为：
另一种算法认为电弧的电位梯度为，而电弧的电位梯度与电流无关。因而电弧的电压为：
电弧的电阻为：
二 杆塔接地电阻
在我国，110KV及以上电压等级的输电线路上，均装设有避雷线，各杆塔由避雷线连接在一起，所以，杆塔接地电阻并非每个杆塔的接地电阻，而是由避雷线连在一起的一串杆塔的等值电阻。杆塔接地阻抗的表达式为：

式中：
两杆塔间避雷线的零序阻抗；
每个杆塔的零序电阻；
导线与避雷线之间的零序互感阻抗；
结论：
（1） 杆塔接地阻抗的阻抗角都很小，可认为是纯电阻。
（2） 当避雷线全接地时，杆塔接地阻抗一般小于3欧姆。
（3） 相间短路时，过渡电阻的初始值可考虑为4~8欧姆，接地短路时，当避雷线与绝缘子串之间有良导体连接时，过渡电阻可考虑为5~7欧姆。
第二节短路故障过渡电阻对继电保护的影响
一 短路故障过渡电阻对距离保护的影响
（一）影响阻抗继电器测量误差的因数分析

M

向量图：

M母线的电压为：

对M端接于故障相间或故障相的阻抗继电器的测量阻抗为：

式中：为附加阻抗，它使测量阻抗产生了误差。分析到向量图可得：

可见，是一个复数。它是流过过渡电阻的电流与流过保护侧的电流之比。设M侧为送电侧，N侧为受电侧，则附加阻抗对于M侧偏于容性，对于N侧附加阻抗偏于感性。
如图所示； 送电侧 受电侧

以下分析M侧阻抗继电器感受到的附加阻抗与哪些因数有关。
（1）负荷电流的影响
当越大时，负荷电流越大，此时、之间的夹角越大。因此，对附加阻抗的相角影响越大。
（2）短路点位置和阻抗角变化产生的影响
设线路空载，并设，则复数为：

由于空载，所以：
所以：
令： 并考虑到：
则：
所以；

取不同的值和值，分别作出和的变化曲线如教材中图2—6所示。
（二）各种短路故障情况下附加阻抗的表达式
1 三相经过渡电阻短路 （）

式中：为正序电流分配系数。
2 两相经过渡电阻短路（）

两相经过渡电阻短路。故障点的边界条件：
，，

故障点F的各相电压：

故障点F处各相间电压：

M侧保护安装处的各相电压为：

M侧保护安装处的各相间电压为：

流过M侧保护的各相电流为：

M侧的各个相间阻抗继电器测量阻抗分别为：

M侧三个接地阻抗继电器的测量阻抗分别为：

3单相经过渡电阻短路（）

故障点的边界条件为：
，，

故障点F的各相电压：

故障点F处各相间电压：

M侧保护安装处的各相电压为：

M侧保护安装处的各相间电压为：

流过M侧保护的各相电流为：

M侧的各个相间阻抗继电器测量阻抗分别为：

M侧三个接地阻抗继电器的测量阻抗分别为：

4 两相经过渡电阻接地短路（略）
（三）应用图解法分析阻抗继电器的动作行为
1 三相短路

图2—11 三相短路时阻抗继电器的粗粮阻抗

由以上分析可见，对于三相经过渡电阻短路，三个相间阻抗继电器与三个接地阻抗继电器的测量阻抗均相同。其测量阻抗为加附加阻抗。附加阻抗等于。为F点故障时M侧正序电流分配系数。当为实数时，附加阻抗为纯电阻性，平行于轴。图中阴影区为从出口到F点时相同过渡电阻的情况。当为复数时，附加电阻不是纯电阻性，正如本节一开始分析的那样，送电端阻抗继电器感受的过渡电阻偏于容性，而受电端感受的过渡电阻偏于感性。所以送电侧阻抗继电器易产生超越而误动，受电侧阻抗继电器易产生区内故障保护拒动问题。

2 BC两相经过渡电阻短路

图2—12（a）BC两相短路时三个相间阻抗继电器的测量阻抗
图中，线为全系统总阻抗。，线为。
因为： ， 。
图中蓝色阴影区为故障相间阻抗继电器的测量阻抗（BC相间阻抗元件）。其测量阻抗为：
。图中也是按为实数画出的。
绿色阴影区为AB相间阻抗继电器的测量阻抗范围。由于其附加阻抗的第一项为，所以可作出线段，连接，该线段与线段的夹角为 。附加阻抗的第二项为，所以，绿色阴影线与水平轴的夹角为。
红色阴影区为CA相间阻抗继电器的测量阻抗范围。其作图方法与AB相阻抗继电器的作法一样。只是由于两项附加阻抗的角度分别为和。所以，测量阻抗的范围位于图中的第二象限区域。

结论：发生BC两相故障时，故障相间阻抗继电器的测量阻抗范围随正序电流分配系数的幅角变化，保护范围可能伸长或缩短。
非故障相间阻抗继电器一般不会动作。但当保护背后系统阻抗很小时，CA相阻抗继电器可能动作。AB相阻抗继电器测量阻抗的电抗分量比实际电抗分量小。
当发生BC两相经过渡电阻短路时，三个接地阻抗继电器的测量阻抗范围如下图。

图2—12（b）BC两相短路时三个接地阻抗继电器的测量阻抗
图中，因为A相无故障，且线路为空载，所以A相阻抗继电器的测量阻抗为无穷大。
图中兰色阴影区域为B相阻抗继电器的测量阻抗范围。其中，，附加阻抗的第一项为，所以线与线垂直，且，附加阻抗的第二项为，所以，阴影线与水平轴的夹角为。
红色阴影区域为C相阻抗继电器的测量阻抗范围。其中，，附加阻抗的第一项为，所以线与线垂直，且，附加阻抗的第二项为，所以，阴影线与水平轴的夹角为。

结论：发生BC两相故障时，接于A相的接地阻抗继电器不会动作。而接
于B、C相的阻抗继电器均可能动作。尤其时保护背后系统阻抗很小时，更容易动作。且B相阻抗继电器测量阻抗的电抗分量比实际的电抗分量小。

3 单相经过渡电阻短路

图2—13（a）A相接地短路时三个相间阻抗继电器的测量阻抗
上图是发生A相经过渡电阻短路时三个相间阻抗继电器的测量阻抗范围。由图中可以看出，由于BC相无故障，且故障前线路空载，所以BC相阻抗继电器的测量阻抗为无穷大。
图中红色阴影区域为AB相阻抗继电器的测量阻抗范围。其中，，附加阻抗的第一项为，所以线与线垂直，且，附加阻抗的第二项为，所以，阴影线与水平轴的夹角为。
红色阴影区域为C相阻抗继电器的测量阻抗范围。其中，，附加阻抗的第一项为，所以线与线垂直，且，附加阻抗的第二项为，当与阻抗角一致时，可作出线为该值，且与为一直线。附加阻抗的第三项为，所以，阴影线与水平轴的夹角为。
蓝色阴影区域为CA相阻抗继电器的测量阻抗范围。其中，，附加阻抗的第一项为，所以线与线垂直，且，附加阻抗的第二项为，当与阻抗角一致时，可作出线为该值，且与为一直线。附加阻抗的第三项为，所以，阴影线与水平轴的夹角为。

结论：发生A相接地故障时，接于BC相的相间阻抗继电器不会动作。而接于AB、CA相的阻抗继电器在近处短路时均可能动作。尤其时保护背后系统阻抗很小时，更容易动作。

图2—13（b）A相接地短路时三个接地阻抗继电器的测量阻抗
上图是发生A相经过渡电阻短路时三个相阻抗继电器的测量阻抗范围。由图中可以看出，由于A相故障，其测量阻抗为。为图中红色阴影部分。
图中绿色阴影区域为B相阻抗继电器的测量阻抗范围。其中，，附加阻抗的第一项为，即为线段，与线垂直。附加阻抗的第二项为，所以作出，该线段与线段的夹角为。附加阻抗的第三项为，所以，阴影线与水平轴的夹角为。
蓝色阴影区域为C相阻抗继电器的测量阻抗范围。其中，，附加阻抗的第一项为，所以线与线垂直。附加阻抗的第二项为，所以作出线段，该线段与线段的夹角为。附加阻抗的第三项为，所以，阴影线与水平轴的夹角为。
结论：发生A相接地故障时，接于A相的阻抗继电器测量阻抗为。若为实数时，其电阻分量平行于R轴。当为复数时，其测量到的电阻分量不是纯电阻，可引起保护范围伸长或缩短。两个非故障相的阻抗继电器一般不会动作。当保护背后系统阻抗很小时，有可能动作。当利用接地阻抗继电年器作为选相元件时，有可能误选相。
二短路故障过渡电阻对负序、零序功率方向元件的影响
21 1

图2—14
分析M母线处1、2号保护中负序功率方向继电器的行为。M母线的负序电压为：

设的阻抗角为，则落后于的角度为。对2号保护处的负序功率方向元件，其正方向电流为：，与一致，所以其相位关系为下图（a），负序功率方向元件不动作。对1号保护处的负序功率方向元件，其正方向电流为与 相反，所以其相位关系如下图（b），负序功率方向元件动作。可见，过渡电对负序功率方向元件没有影响。

图（a） 图（b）
三 短路故障过渡电阻对电流相位差动高频保护的影响

由于相差动高频保护是比较线路两侧操作电流的相位，操作电流为：，所以当发生不对称短路时，主要是比较负序电流的相位，所以我们分析两侧负序电流的相位。
由图2—14可得：

可见，两侧负序电流的相位差仅与故障点两侧的负序阻抗的相位差有关，与过渡电阻无关。
当发生区内三相短路时，相差动高频保护只能比较两侧正序电流的相位。下图是内部故障时的正序网络。

图2—15
由该图可得：

由以上两式求出：

当：时，这相当于金属性短路状态。

这是我们以前讲过的情况，例如，电势超前电势的角度为，在MN线路的末端发生短路，M侧阻抗的阻抗角为，N侧阻抗的阻抗角为，则两侧阻抗角的差为。所以与的相位差为。
当：时，这相当于无故障正常运行状态。
当：时，

作出向量图如下图所示。

图2—15（b）

可见，受过渡电阻的影响，两侧正序电流的相位差大，保护拒动。

第三节减少短路故障过渡电阻对继电保护影响的方法

一 采用阻抗复数平面上在正R轴方向有更大动作区的动作特性
以下是国内外距离保护装置中阻抗继电器采用的动作特性。

WXB—11微机保护阻抗元件 LFP—941微机保护阻抗元件

瑞典ASEA公司的RAZFE 瑞士BBC公司的LZ96距离保护
距离保护装置中的阻抗特性 保护装置中起动元件+ZA91

瑞士BBC公司的LZ96距离保护
保护装置中起动元件+KE91

二 利用阻抗继电器的动态特性提高继电器保护过渡电阻的能力

我们已经知道，为了消除方向阻抗继电器在正方向出口发生三相金属性短路的死区，应增加记忆回路。而具有记忆回路的阻抗继电器在正方向发生短路，记忆作用存在时，其动作特性是一个包含坐标原点的圆特性，保护过渡电阻的能力大大提高。

静态特性

动态特性

三 利用健全相电压作为极化电压
1 利用第三相电压作为辅助极化电压的相间阻抗继电器（中国）
相 别
主 极 化 电 压
辅助极化电压
AB相

BC相

CA相

以下分析正方向AB两相短路时接于M侧的AB相间阻抗继电器的静态特性，设短路前空载，系统中的正序与负序参数相等。根据故障分析的知识，在AB两相短路时有：
，

对AB相阻抗继电器的补偿电压：

极化电压为：

继电器的动作方程为：

将补偿电压与极化电压代入动作方程中得：

所以有：

所以：

式中：
因此：继电器的动作方程为：

阻抗继电器的动作特性如图示。

上图中红色圆特性为两相短路的稳态特性。且它只代表正方向短路的特性。
当发生正方向三相短路故障时：

所以：
继电器的动作方程为：

其特性为上图中的兰色圆特性。它仍是一个过坐标原点的圆。在正方向出口发生三相短路时，保护回拒动。解决方法是使极化电压带记忆。带记忆后，在短路初瞬，主极化电压为：，所以极化电压为：

继电器的动作方程为：

式中：
一般情况下，，所以有：，说明带记忆的初态特性比图中的红色圆还要大，因而具有更强的保护过渡电阻的能力。
2 利用正序电压作为辅助极化电压的阻抗继电器（GE公司SLY60/80）
对AB相阻抗继电器的补偿电压：

极化电压为：

补偿电压为：

继电器的动作方程为：

式中：
其动作特性为包含坐标原点的圆。说明保护过渡电阻能力强，且正方向出口两相短路无死区。当发生三相短路时，，所以：
，继电器的动作特性为过坐标原点的圆特性，在正方向出口三相短路有死区。
3 利用非故障相电压作为极化电压的接地阻抗继电器
（1）（GE公司SLY61/81）
A相阻抗继电器补偿电压：

极化电压： ，
所以：
即：
设短路前空载，当正方向发生A相单相接地故障时，有：

所以：

继电器的动作方程为：

该继电器的动作特性是包含坐标原点的圆特性。具有明确的方向性，保护过渡电阻的能力增强了。该继电器也能反映三相短路故障，当正方向三相短路时，极化电压为：

补偿电压为：

所以三相短路时继电器的动作方程为：

其特性为过坐标原点的圆特性。但正方向出口三相短路有死区，应采用记忆措施。
（2）瑞士BBC公司的LZX51和LZ96接地阻抗继电器
对A相阻抗继电器，极化电压与补偿电压分别为：

设短路前空载，当发生正方向A相故障时，、，则极化电压与补偿电压分别为：

该继电器的动作方程为：

为实数。其动作特性是一个包含坐标原点的圆特性。
当发生正方向三相短路时，极化电压为：

补偿电压为：

所以，继电器的动作方程为：

它是一个过坐标原点的圆特性。正方向出口三相短路有死区。为消除死区，对采用记忆措施。此时极化电压为：

继电器的动作方程为：

四 采用以电流为极化量的接地阻抗继电器
1 利用流过过渡电阻的电流为极化量的接地阻抗继电器
以A相继电器为例。极化电压与补偿电压分别为：

继电器的动作方程为：

所以，继电器的动作方程为：

考虑到，可改写为：

1

2

当为负值时，动作特性如图中的直线1，当为正值时，动作特性如图中的直线2所示。动作方程中的值应取有符号的值。该动作特性与附加阻抗平行。具有自适应特点。但实际上我们无法得到流过过渡电阻的电流，因而无法实现这种自适应特性。
2 利用保护安装侧的零序电流作极化量的接地阻抗继电器
极化电压为： 则：

继电器的动作方程为：

2
1

、均为负值时，且情况
当为负值时，其动作特性如图中的红色直线2。的值变化时，动作特性也自动变化。图中兰色直线1为以故障支路的零序电流为极化量的动作特性。
现讨论与那些因数有关。

设故障点在线路末端，则：

（1）当、均为负值时，，如上图所示。发生经过渡电阻的接地故障时，附加阻抗与蓝色线平行，而继电器的动作特性是红色直线，所以易发生区外故障的超越行为。而区内故障时保护过渡电阻的能力却是无穷大。
（2）当、均为正值时，，如下图所示。发生经过渡电阻的接地故障时，附加阻抗与蓝色线3平行，而继电器的动作特性是红色直线4，所以易发生区外故障的超越行为。而区内故障时保护过渡电阻的能力却是无穷大。
4
3

、均为正值时，且情况
为防止超越可将动作特性顺时针旋转一个角度，，即可防止超越。以下的分析将会看到，这种继电器在反方向故障时会误动，为防止反方向故障时继电器误动，可将A、B、C相三个继电器组成“与门”关系，因为反方向A相接地故障B相阻抗继电器可靠不动。而发生正方向A相接地故障时，必须保证三个阻抗继电器均可靠动作，为此，继电器的另一边界顺时针旋转，其动作特性方程为：

用阻抗形式表示：

动作特性为下图所示。

（3）反方向发生A相接地故障时，A相阻抗继电器的动作特性
在反方向发生接地故障时，对于处于正方向的继电器来说，感受到的电流方向为负，与正方向故障相位相差180度。所以：

所以继电器的动作方程为：

考虑到的相角为后，其动作特性为：

反方向A相接地故障时，B、C相阻抗继电器的动作行为：
B相继电器：

C相继电器：

式中：

B相继电器的动作方程为：

C相继电器的动作方程为：

当 时，B、C相继电器的动作特性与A相继电器动作特性一样。而 如果以短路方向作为测量阻抗的正方向，则B、C相阻抗继电器的测量阻抗范围在图解法中分析过。如下图所示。

C相
B相

可见，由于过渡电阻的影响，C相阻抗继电器可能误动，而B相阻抗继电器不会误动。因而采用“与门”方案，可防止反向故障误动。
采用“与门”方案后，正方向A相故障时，B、C相继电器能否可靠动作呢？
在正方向A相接地故障时，B、C相继电器的动作方程分别为：
B相继电器：
C相继电器：
各相阻抗继电器的测量阻抗如前分析。

C相 B相

可见，对C相阻抗继电器，过渡电阻是向上增加的，为使其可靠动作，应将左侧动作边界向上翘。
五 采用瞬时测量方法

过渡电阻的特点：短路以开始过渡电阻较小，随着时间增加，受风力影响电弧拉长，过渡电阻增大。利用这一特点，可将继电器一开始的动作状态记忆下来，从而保证保护正确动作。但该方法仅能用于辐射线路上。
六 用计算机实现高阻接地故障的判断
Z

从保护安装处到F点的线路用、等值。对两个不同时刻，建立电压与电流的方程如下：（以A相故障为例）

式中： ，
、是流过过渡电阻的电流，在保护安装处无法得到，可采用保护安装处的电流代替。

令：

则以上两式变为：

联立上两式，可求出：

如果与的相位完全相同，理论上，该方法求出的就是保护安装处到F点的感抗，不受过渡电阻的影响，而所求出的过渡电阻不是真实的过渡电阻，而是被放大了的值。
实际上由于与的相位不完全相同，因此还是会受过渡电阻的影响。
另外，在微机保护装置中，采用了电抗与电阻可独立整定的多边形特性，可使保护过渡电阻的能力增强。