多相補償距離繼電器的保護范圍淺析

范春菊，楊 練

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240)

0 引言

隨著電網的發展，電力系統之間的聯系越來越緊密，出現大量的環網。在這種多電源電力系統中，距離保護是對應輸電線路故障的主要保護方法。在超高壓輸電系統中，距離保護不僅可以借助高頻通道構成高頻閉鎖距離保護，也可以在高頻通道出現問題的時候，擔當主保護和后備保護的作用，距離保護被廣泛地應用在超高壓輸電線路保護中［1]。

多相補償距離保護在電力系統中有著比較廣泛的應用［2]。該繼電器保護范圍與傳統距離保護相同，并不需要選相，具有較強的抗過渡電阻能力，還具有明確的方向性。該保護的實現方式有好幾種，其中以負序分量的繼電器更為多見。在輸電線路發生接地故障時，系統會出現負序分量和零序分量，基于負序分量的多相補償距離繼電器也可以動作。由于故障特征的不同，保護范圍會有所變化。本文詳細分析了多相補償距離繼電器應用在輸電線路接地短路時的保護范圍的變化規律，以突出序分量保護的特點以及繼電保護的基本要求的重要性。

1 多相補償距離繼電器的工作原理

相間多相補償距離繼電器的基本原理是反應三相補償電壓的相序的。其中，三相補償電壓為

式中，Zy為距離保護的整定阻抗。

在發生不對稱短路時，各序的補償電壓為

動作方程采用如下不等式:

也就是說，負序補償電壓和正序補償電壓滿足不等式(3)，即為區內故障，便可實施保護動作。

2 兩相相間短路時的動作行為

對于圖1所示的單側電源輸電線路，當輸電線路XY發生BC兩相短路時，在短路點有以下特點，正序電壓和負序電壓相等，即，并且。由于是單側電源線路，假設各元件的各序阻抗角相等，則流過輸電線路的正序電流，負序電流大小相等，方向相反。

圖1 單側電源輸電線路系統

在各種故障類型下，保護安裝處所測量到的正、負序電壓，正、負序補償電壓相量如圖2所示。圖中的為保護安裝處測量到的正、負序電壓;為正、負序補償電壓為故障點處的正、負序電壓。

圖2 各種故障位置的補償電壓相量圖

由圖2可以看出，在各種故障位置情況下，正、負序補償電壓是不同的。由于故障點的正、負序電壓相等，正、負序電流幅值相等，在區外故障(F1)時，保護安裝處的負序補償電壓小于正序補償電壓;在保護范圍末端(F2即Y點)短路時，負序補償電壓等于正序補償電壓，保護處于臨界動作狀態;而在區內故障(F3)時，負序補償電壓大于正序補償電壓，保護動作。

在輸電線路發生兩相相間短路時，由于正、負序電流幅值相等，方向相反，保護范圍不變。而當故障類型發生變化時，保護范圍也將發生相應的變化。為了詳細研究保護范圍的變化趨勢，可以設置不同故障類型時的保護范圍末端，而在這點故障時，保護安裝處測量到的正序補償電壓和負序補償電壓相等，利用兩個補償電壓相等的方程式可以求出故障點距離保護安裝處的距離與線路阻抗，系統阻抗等關系，進而可以分析出多相補償距離繼電器的不同保護特性。下面對兩種故障類型進行詳細的分析。

3 單相接地短路時的動作行為分析

對于圖1所示的單側電源輸電線路，當輸電線路XY發生A相接地短路時，短路點的各序電壓和電流的關系為

正負序電壓分布情況如圖3所示。從圖3可以看出，在故障點處正序電壓的幅值大于負序電壓幅值。如果故障點在保護范圍末端F1點，那么此時，由于正序電壓大于負序電壓，正序補償電壓幅值大于負序補償電壓幅值，保護不動作;而隨著短路點向母線X處靠攏，負序補償電壓的幅值在增加，而正序補償電壓的幅值在下降，當故障點位置處于F2點時，正、負序補償電壓幅值相等，保護處于臨界動作狀態;如果故障點進一步靠近保護安裝處，負序補償電壓幅值大于正序補償電壓幅值，保護可以可靠動作。顯然，當輸電線路發生單相接地短路時，相間多相補償距離繼電器的保護范圍將縮小，保護范圍可以通過解析的方法求解。

圖3 單相接地短路時補償電壓相量圖

假設當故障點的位置在F2時，出現正序，負序補償電壓幅值相等，即|。設臨界動作點離保護安裝處的阻抗為Zx，則此時的正序和負序補償電壓為

且正負序補償電壓的模值相等:|U·'1|=|U·'2|。由上可得到

考慮到式(4)的存在，則可以得到

考慮到是單側電源線路，則在正方向區內發生短路時有

將上式代入式(7)，可以得到

式中，輸電線路零序補償系數:K0=(Z0－Z1)/Z1。

顯然，保護范圍與線路的零序補償系數有關。同時，也跟輸電線路的整定阻抗以及背側的系統的零序阻抗有關。背側的系統零序阻抗越大，保護范圍越小;輸電線路的整定阻抗越大，保護范圍越大。但是，不會超過原有的相間短路的保護范圍，因為背側的系統零序阻抗不會小于零。

4 兩相接地短路時的動作行為分析

對于圖1所示的單側電源輸電線路，當輸電線路XY發生BC兩相接地短路時，各序電壓和各序電流的關系為

正負序電壓分布情況如圖4所示。從圖可以看出，在故障點處正序電壓等于負序電壓。因為是兩相接地短路，則。所以，正序電壓的分布曲線的斜率大于負序分布電壓曲線的斜率。當短路點靠近保護范圍末端時，顯然存在負序補償電壓模值大于正序補償電壓模值的結果，保護可以可靠動作。可是，當短路點逐漸向母線X點靠近時，負序補償電壓在減小，而正序補償電壓也在減小。當達到一定范圍后，正序補償電壓反向，由于正序電流大于負序電流，正序補償電壓的變化速度大于負序補償電壓的變化速度。所以，隨著短路點不斷靠近母線X處(即測量阻抗ZJ→0時)，有可能出現|，保護出現死區。死區的大小可以求解得到。

圖4 兩相接地短路時的電壓分布圖

設F4點是死區邊緣，也就是說F4點處發生短路時，繼電器剛剛動作。設Zx為F4點到母線X處的阻抗，則聯立式(5)和(10)，可以得到

從上式可以看出，只有當Zy＞2Z0S時，多相補償距離繼電器用在兩相接地短路時出現死區，且Zy越大，死區越大;死區還與保護安裝處的零序系統阻抗有關，零序阻抗越小，死區越大，零序阻抗越大，死區越小。

4.結語

本文通過圖例與解析的方法，詳細分析了多相補償距離繼電器的動作原理，工作特點及其在各種故障類型下的動作情況。多相補償距離繼電器對于輸電線路的兩相相間短路，具有良好的保護范圍和自適應性。對于輸電線路的單相接地短路和兩相接地短路，保護的性能會受到影響。在發生單相接地短路時，多相補償距離繼電器的保護范圍會縮小，縮小的程度與保護裝置的整定阻抗以及背側的系統零序阻抗有關;在發生兩相接地短路時，多相補償距離繼電器的保護會在保護出口有死區，死區的大小保護裝置的整定阻抗以及背側的系統零序阻抗有關。

［1] 賀家李，宋從矩電力系統繼電保護原理(第三版)［M] .北京，中國電力出版社，2006

［2] 朱盛石高壓電網繼電保護原理與技術(第三版)［M] .北京，中國電力出版社，2006