ABSTRACT：Based 0n the theoretical analysis of high-resistance earth-fault characteristies of HV／EHV transmimiOn line，two kinds of rle3iv type earth—fault reactance relays based On faultcomponent are proposed in this paper．these relays can overcome the overreach problem existed in the earth-faile dlstance protection with excellent performance within the protective z。ne． The steady-state characteristics of these protective relaya are studied thoroughly in the paper． KEY WORDS：high-resistance earth-huh； reactance relay；fault component 摘要： 針對故障分量電抗繼電器判據(jù)出現(xiàn)的“同相同題”．在研究高阻接地故障特征的基礎(chǔ)上，提出了幾十新的切換根據(jù)．構(gòu)成了2種完整的新型故障分量電抗繼電器：雙電抗元件故障分量電抗繼電器和雙參考量故障分量電抗繼電器，完全克服了 同相同題 。該文還對繼電器的一些靜態(tài)特性做了較全面的分析和討論。 關(guān)鍵詞：高阻接地故障；電抗繼電器；故障分量 1 前言 如何提高接地距離繼電器，特別是單相接地距離繼電器對高阻接地故障的反應(yīng)能力，是距離繼電器研究的一個重要內(nèi)容。其中電抗繼電器由于在原理上不受過渡電阻的影響，只反應(yīng)故障距離，因而很有實際應(yīng)用價值，得到了較深入地研究。 目前較為實用的是零序電抗繼電器。此外，在文[1]中討論了一種故障分量電抗繼電器，參照圖1和圖2，忽略系統(tǒng)和線路阻抗中的電阻分量．則繼電器判據(jù)為 如果滿足下式，則是區(qū)內(nèi)故障 由平面解析幾何知識，將這個表運式轉(zhuǎn)化為比相形式 式中 U’Y為故障相的補償電壓；△U’Y =U’Y一U’Y/01為補償電壓的故障分量．下標(biāo)“︱0︱”表示該量是故障前的量。由于各量均為相量，為簡單起見省略了相量標(biāo)記。 圖1中ES為送端電源；ZS為其電囂阻抗；ER為受端電源；ZR為其內(nèi)阻抗；ZL為線路MN的阻抗。 線路2端的繼電器分別安裝子母線M 和N處。圖2是對應(yīng)的電壓相量圖．其中Y點為繼電器保護整定末端；F為故障點。電抗繼電器具有不受過渡電阻影響、保護范圍穩(wěn)定的優(yōu)點。但是，它們有一個明顯的不足。如圖2所示，依據(jù)F點單相接地短路的過渡電阻不同。其故障后的電壓相量落在圓弧OHF的不同點上，過渡電阻越大，其位置越靠近F點。如果過渡電阻太大，使得故障后電壓相量落在圓弧的HF段上（如圖中F2點），那么電抗繼電器的判據(jù)就會完全反向，即區(qū)內(nèi)故障拒動而區(qū)外故障誤動。這種情況就是所謂的同相問題”，圓弧上的分界點H稱為“同相點”。 為了避免“同相問題”的影響．一種解決措施就是增加閉鎮(zhèn)條件[1]．在出現(xiàn)“同相問題”的區(qū)間將繼電器閉鎖，防止繼電器在區(qū)外故障時誤動，但這是以犧牲其在區(qū)內(nèi)故障時耐受過渡電阻的能力為代價的；另一種措施就是在同相點前后將判據(jù)切換，使得判據(jù)在整個圓弧上都能正確判斷，如文[2]的雙下偏零序電抗繼電器等。本文通過分析單相接地的特點，為故障分量電抗繼電器找到了2種切換判據(jù)，構(gòu)成了2種新型電抗繼電器。 2 單相接地分析及保護新方案 以受電端為例（母線N處的繼電器），在簡化的電壓相量圖上分析線路發(fā)生單相接地的特點。如圖3和圖4所示，射線RS和RS’分別表示故障前和故障后系統(tǒng)的電壓分布曲線，O為零電位點。F為故障點，而Y1和Y2分別為2種情況的保護整定范圍末靖，如果整定末端為Y1，則F點短路就是區(qū)內(nèi)故障，而對于Y2則F點故障是區(qū)外故障。而“同相問題”在平面幾何圖形上表示就是O點所在的位置不同：在“同相點”之前．O點位于射線RS和RS’之間（圖3）；在“同相點”之后，則0點位于射線RS和RS’之外（下半部）（圖4）。 2．1 雙元件故障分量電抗繼電器 觀察圖3和圖4可見，在“同相點”之前，區(qū)內(nèi)故障< OY’1Y1<90℃，區(qū)外故障OY’2Y2>90℃；而在“同相點”之后則相反，區(qū)內(nèi)故障 OY1Y1>90℃，區(qū)外故障 OY2Y2<90℃，判據(jù)完全相反。但是，無論在“同相點”之前還是之后，有一點是一致的：在故障點2側(cè)的判據(jù)必然相反。因此，利用2個參考點就可以判斷故障點在這2個參考點之內(nèi)還是之外，根據(jù)這一特點，就可以構(gòu)成1個新的電抗繼電器。很顯然，這2個參考點應(yīng)該選擇為保護安裝處的N點和保護范圍末端的y點�？紤]到NN’∥YY’（即△UN∥△U’Y），可以得到新的電抗繼電器動作條件 這個繼電器是在原故障分量電抗繼電器（判據(jù)式（1））的基礎(chǔ)上增加了argUN／AU’Y作為切換爿據(jù)而形成的。如果將增加的判據(jù)也看作是1個電抗元件，那么這個電抗繼電器可以稱作“雙元件故障分量電抗繼電器”，簡稱“雙電抗繼電器”。 2 2 雙參考量故障分量電抗繼電器 故障分量電抗繼電器利用保護范匿末端補償電壓的故障分量與故障后的量比相實現(xiàn)了故障判別。上一小節(jié)介紹了通過增加保護安裝處的故障分量電壓與故障后電壓比相的判據(jù)完成了“同相點”前后的判據(jù)切換。下面討論在不增加參考點的條件下實現(xiàn)判據(jù)切換的方法。 對照繼電器的數(shù)學(xué)表達式與電壓相量圖可知，故障分量電抗繼電器用到了故障分量電壓YY’ （Y取Yl或Y2）和故障后電壓OY，為了實現(xiàn)“同相點”點前后的判據(jù)切換，必須要增加1個條件，如增加1個參加比相的相量。從圖中可見，這個梧量可以取故障后系統(tǒng)電壓分布曲線RS’上韻相量。由于增加了1個電壓相量參加比相，因此將這種繼電器稱為“雙參考量故障分量電抗繼電器”．簡稱“取參量繼電器”。將電抗繼電器中參加比相的2個電壓相量分別與RS’上的相量比相，分別可以構(gòu)成2種切換判據(jù) 2．2．1 故障后電壓相量與RS’上的相量比相 根據(jù)本節(jié)關(guān)于“同相同題”與0點位置的對應(yīng)關(guān)系的敘述可知：“同相點”之前OY1、OF、OY2在射線RS’的上側(cè)（圖3）；而“同相點”之后OYl、OF、OY2在射線RS的下側(cè)（圖4）。將這種關(guān)系用數(shù)學(xué)式表達，就是故障后的電壓相量與RS’上的相量進行比相。結(jié)合電抗繼電器的判據(jù)，可以寫出這種新的電抗繼電器的動作條件為 這里的切換判據(jù)是正弦型的，稚之為“正弦切換判據(jù)式雙參考量故障分量電抗繼電器”，簡稱“正弦雙參量繼電器”。 2．2．2 故障分量電壓相量與RS上的相量比相 同樣根據(jù)“同相問題”與O點位置的對應(yīng)關(guān)系及考慮到故障點處〈FF0=90℃，由平面幾何知識可知：“同相點”之前，〈Y1Y1 S’= 〈FF’S’ = Y2Y2 S’ >90 ℃（圖3）；而“同相點”之后,〈Y1Y1 S’= 〈FF’S’ = Y2Y2 S’ >90 ℃（圖4）。將這種關(guān)系用數(shù)學(xué)式表達，就是故障分量電壓相量與RS’上的相量進行比相。結(jié)合電抗繼電器的判據(jù)，可以寫出這種新的電抗繼電器的動作條件為 3 繼電器在各種情況下的動作情況分析 上一節(jié)從分析系統(tǒng)受電端正向區(qū)內(nèi)、區(qū)外單相經(jīng)過渡電阻短路情況人手，推導(dǎo)出了幾種新的電抗繼電器．理論上它們不受過渡電阻的影響．具有很高的靈敏度。由于這類電抗繼電器的動作范圍很寬（理論上允許過渡電阻大到無窮大），因而必須仔細(xì)分析它們在各種條件下的可靠性。 3．1 箍電器安裝在系統(tǒng)不同倒及各處正向、反向故障情況 根據(jù)繼電器安裝在送電側(cè)還是受電側(cè)、故障發(fā)生在保護區(qū)內(nèi)還是區(qū)外、正向還是反向、過渡電阻是否超過發(fā)生“同相問題”的臨界值，分別對3種繼電器的動作情況做出分析 （1）雙電抗繼電器具有良好的性髓，在各種條件下沒有拒動、誤動的情況； （2）雙參量繼電器在反向故障時容易誤動，如正弦雙參量繼電器安裝于受電側(cè)時會在反向故障時誤動，而余弦雙參量繼電器安裝在任何一錙都會在反向故障時誤動，因此它們在應(yīng)用耐都需要增加方向元件； （3）正弦雙參量繼電器安裝于選電傭在正向故障時其判別結(jié)論與要求完全相反，即區(qū)內(nèi)故障不動而區(qū)外故障動作。解決的辦法無需在送電時將判據(jù)反向，因為考慮到增加了方向元件后，迭電儲繼電器沒有“同相問題”，所以此時繼電器直接使用判據(jù)90°>arg UY／△U’Y>-90° 就可以了。 3．2 出口短路故障的情況 由于雙電抗繼電器元件在判據(jù)中使用了保護安裝處的電壓相量參加比相，因此需要分析在保護安裝處發(fā)生單相接地短路時繼電器的動作情況。 在保護安裝處發(fā)生單相接地短路時arg UN／△UN=arg UN／△U’Y=90 ，判據(jù)（2）不能動作�？梢钥紤]增加（arg UN／△UN=arg UN／△U’N =90°）∩（arg U’Y／△U’Y≠90°）動作判據(jù)，但考慮到計算誤差和測量誤差等的影響，增加這個判據(jù)是要冒反向故障誤動的風(fēng)險的，當(dāng)然這叉可以通過增加方向判據(jù)來彌補；不過由于此時是出口處發(fā)生接地故障，一般情況下其它單相距離繼電器都能夠正確判斷，因此即使不增加這些煩瑣的措施，也不會對保護的整體效果產(chǎn)生大的危害。 3．3 不同過渡電阻短路的情況 （1）金屬性短路（圖2～4中O點） 此時雙電抗繼電器不受影響，仍能夠正確判斷；對于正弦雙參量繼電器，由于相量U’Y與（U’Y一UN）在同一條直線上。繼電器失去了判別標(biāo)準(zhǔn)，無法判斷；由于是金屬性短路，其它單相距離繼電器能夠正確反應(yīng)，所以不是大缺陷；對于余弦雙參量繼電器，根據(jù)分析．此時有可能在反向故障時誤動，同樣需要依靠增加方向判別元件來避免誤動。 （2）過渡電阻為臨界值（圖2～4中H點） 由于此種情況下故障后線路上各點的電壓相量在同一條直線上，所以文中所述幾種電抗繼電器都無法正確判斷，實際上在“同相點”的情況下其它各種電抗繼電器也都會失效。由于文中幾種電抗繼電器沒有引入任何的補償量，所以理論上除“同相點”外幾種繼電器不存在保護死區(qū)。當(dāng)然實用上為避免受測量誤差和計算誤差影響而誤動，會在“同相點”附近將保護閉鎖，造成一定大小的死區(qū)，這個死區(qū)的范圍不大，并且比較穩(wěn)定，與系統(tǒng)運行情況、短路點位置無關(guān)。 （3）過渡電阻為無窮大（圖中F點） 這是正常運行情況，繼電器不該動作。如果任何一個小干擾，使得保護范圍內(nèi)任意一點的補償電壓相量落在其接地特性半圓弧上，就會引起繼電器的誤動。這也是所有電抗繼電器都存在的問題。所以電抗繼電器在應(yīng)用中必須有很強的抗干擾措施。如何采取切實有效的抗干擾措蘸，確保繼電器的穩(wěn)定、正確動作，是這類繼電器研究的一個關(guān)鍵問題。 4 故障分量電抗繼電器在阻抗平面上的特性 由于故障分量電抗繼電器利用了測量電壓或者補償電壓的故障分量，因此它們的特性很難用單一的測量阻抗在阻抗平面上表達。為便于理解和認(rèn)識其特性，以下在一定的簡化條件下推導(dǎo)出判據(jù)式（2）在阻抗平面上的示意圖，以顯示這類繼電器的阻抗特性。而文中其它2種電抗繼電器即使在簡化條件下也很難在阻抗平面上顯示其效果了。首先假設(shè)故障前系統(tǒng)中各點的電壓相等。這個假設(shè)條件也同時表明在故障前系統(tǒng)中流過的電流為零，因此故障后的電流就等于電流的故障分量（△I=I）�？紤]到[1] 因此有 式中z為故障后～ 點繼電器的測量阻抗，Z=UN/I 因此式（2）表示的繼電器動作條件可以表示成測量阻抗的表達式 式中y為系統(tǒng)阻抗角，γ=arg（Zr+Zy）。據(jù)此可以在阻抗平面上表示出該繼電器的測量阻抗特性（圖5） 根據(jù)假設(shè)的前提條件可推知 式中IF是流過過渡電阻RG的電流。 得到IF I/γ，所以過渡電阻在繼電器測量阻抗中引起的附加分量的相位角argZR =arg（IF／I）RG=-90°+γ。式（5）中將阻抗Z和（Z-Zy）旋轉(zhuǎn)了（90°-γ）=-（- 90°+γ’）．正是為了補償這一角度。圖中陰影區(qū)內(nèi)為繼電器動作范圍，它與R軸平行，保護范圍不受過渡電阻的影響。動作區(qū)間呈帶狀分布，說明它有明確的方向性，這也是雙電抗繼電器的與其它電抗繼電器相比的一個優(yōu)點。 5 結(jié)論 （1）故障分量電抗繼電器增加了切換判據(jù)后，充分發(fā)揮了電抗繼電器的優(yōu)點，耐受過渡電阻的能力極強，保護范圍穩(wěn)定。 （2）由于判據(jù)是“自切換”的，沒有引入任何近似量，因而在原理上不存在保護死區(qū)，也不存在超越問題。僅在“同相點”上是個例外．可以稱之為保護的“盲點”。 （3）繼電器判據(jù)的表達式清晰明了，計算簡單，計算量小。 （4）故障分量的應(yīng)用也會出現(xiàn)問題。由于采用了故障分量．這類電抗繼電器必須在故障后短時間內(nèi)動作．這不利于將它們用做后備保護；故障后暫態(tài)過程中存在的大量諧波分量和非周期分量，對于電抗繼電器的抗干擾極為不利。這些問題可以考慮采用文[1]中的用非故障相電量實時測量故障相電量的負(fù)荷分量的辦法解決。 參考文獻： [1] 朱聲石（Zhu Shenshi）高壓電甩繼電保護原理與技術(shù)（The principle and tecbruque of high vohage nework protection rely）[M]北京：中國電力出版社（Beijing;Chia Electncity Press）1995 [2] 葉萍，陳德樹（Ye Ping，chen Deshu）一種姐克駐極化接地距離繼電器區(qū)外穩(wěn)態(tài)超越問題的新方案（A new scbeme of 10 polarized earth-fault distance relay which can overcome the overreach problem）[J]中國電機工程學(xué)報（Pcooeedings of CSEE）,1995,（3）;199-203 作者簡介 劉世明，博士，博士后研究人員．從事為超高壓輸電線路煮機保護研究； 陶惠皂，博士．從事維電保護和變電站綜旨自動讓設(shè)備的開發(fā)和研究； 楊春明．博士，從事繼電保護和變電站緣音自動化設(shè)備的開發(fā)和研究。

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