阻抗圓動作特性的保護校驗方法討論

吳發寬

（廣東大唐國際潮州發電有限責任公司，廣東潮州，515723）

0 引言

電力行業屬于技術密集性行業，電力設備具有結構復雜、覆蓋區域廣的特點，特別是在經濟高速發展的今天，電力系統通常采用大機組、高電壓、大電網、交直流遠距離設備，電網和電網之間往往實行互聯。這就意味著，一旦某一電網發生故障，如果不及時消除，就有可能擴大，波及相鄰的系統，嚴重情況下會導致大面積停電。造成電力設備發生故障的因素有很多，如自然災害、設備本身缺陷及人為的破壞等等，這些因素都會使電力運行條件發生變化。

電力系統的運行狀態分為正常工作狀態、不正常工作狀態和故障狀態三種，繼電保護的主要功能是自動、迅速、有選擇性的將故障元件切除，保障電力系統正常運轉。近年來，繼電保護在電力系統中越來越受到有關管理、科研和工程技術人員的重視，主要有以下原因：①電力設備出現故障，不僅會造成供電系統意外停電而導致電力公司經濟效益減少，而且可能會給用戶造成重大的經濟損失，從而引發客戶的不滿和抱怨，因此需要在故障發生時，迅速的找出并切除故障設備，保護電氣設備免遭損害，保障電力系統正常運轉，改善電力質量和用戶服務水平；②電力部門希望盡量快速的發現故障原因并及時的進行修復，從而縮短停電時間，減少因停電維護而造成的影響，降低成本，增加經濟效益。阻抗繼電器的主要任務是測量故障點到保護安裝地點之間的距離（或阻抗）并與整定值進行比較以確定是否動作，當故障發生時,通過對故障前后數據的分析、比較,作出跳閘、報警并快速切除故障,以免造成系統或設備的進一步損壞，因此必須要能正確區分被保護元件是處于正常運行還是發生故障，區分被保護元件是處于區內故障還是區外故障。

1 阻抗繼電器及其動作特性

阻抗繼電器的作用是測量保護安裝處到輸電線路故障點之間的阻抗，這個阻抗反映了故障點距離保護安裝處的距離。由于輸電線路的阻抗具有一定的穩定性，不會隨著電網運行方式的變化而變化，同時也與短路故障的類型無關，因此阻抗繼電器同時兼有可靠性和靈敏性，并且對于各種復雜的電網結構能夠更好的適應，因此得到了廣泛的應用。

原則上來說，短路的情況下，繼電器測量到的測量阻抗要落在與整定阻抗相同向的直線上，且測量阻抗要小于整定阻抗，但實際上受互感器誤差、故障點過渡電阻等因素的影響，繼電器實際測量到的測量阻抗一般并不能嚴格地落在與整定阻抗同向的直線上，而是落在該直線附近的一個區域中，其中動作區域為圓形的稱為圓特性，根據動作性圓在阻抗復平面上位置和大小的不同，圓特性可分為偏移圓特性、方向圓特性、全阻抗圓特性和上拋圓特性等幾種。圓特性阻抗繼電器不僅能判斷出短路阻抗的大小，而且能判斷出短路阻抗的方向，即圓特性阻抗繼電器不但能反應輸入到繼電器的工作電流(測量電流)和工作電壓(測量電壓)的大小，而且能反應它們之間的相角關系。其中全阻抗圓特性無方向性，方向阻抗圓存在電壓死區，偏移阻抗圓特性結合了全阻抗圓特性和方向阻抗圓特性的優點，應用范圍較為廣泛。當測量阻抗落在該動作區域以內時，就判斷為區內故障，阻抗繼電器給出動作信號；當測量阻抗落在該動作區域以外時，判斷為區外故障，阻抗繼電器不動作。

2 圓特性阻抗圓繼電器的分類

2.1 偏移圓特性的原理

偏移圓特性在阻抗復數平面上是一個包括座標原點在內的圓，圓內為動作區，圓外為非動作區，圓周上為臨界動作點，如圖1。它有兩個整定阻抗，即正方向整定阻抗 和反方向 ，其中 為偏移度，特性圓的直徑是兩整定阻抗對應矢量末端的連線，半徑為 ，當測量阻抗落在圓內或圓周上時，其末端到圓心的距離一定小于或等于圓的半徑；而當測量阻抗落在圓外時，其末端到圓心的距離一定大于圓的半徑。通常用 表示處于臨界動作狀態的阻抗，測量阻抗 的阻抗角不同，對應的動作阻抗也是不同的。偏移圓特性比較動作方程為：

2.2 方向圓特性的原理

圖1

方向圓特性對于不同的 阻抗角，動作阻抗是不同的，在整定阻抗的方向上，動作阻抗最大，正好等于整定阻抗；其它方向的動作阻抗都小于整定阻抗。

當線路出口故障或母線故障時，極化電壓可能降低到很小的值，正方向故障時，繼電器可能因極化電壓過小而拒動；反向故障，又可能因極化電壓中的干擾電壓而誤動。為了解決這一問題，方向阻抗繼電器引入了記憶回路，將極化回路制作成工頻諧振回路，故障發生后，依靠諧振回路供給極化電壓，使繼電器短期內可靠工作，以消除方向阻抗繼電器的動作死區。

圖2

2.3 全阻抗圓特性的原理

全阻抗圓特性在阻抗復數平面上是一個以坐標原點為圓心，以整定阻抗 為半徑的圓，圓內為動作區，圓外為非動作區，圓周上為臨界動作區，如圖3。

當測量阻抗正好位于圓周上時，繼電器剛好動作，此時的阻抗就是繼電器的起動阻抗 ，由于這種特陛是以原點為圓心而作的圓，因此不論加入繼電器電壓電 流之間的角度為多大,繼電器的起動阻抗在數值上均于整定阻抗，全阻抗圓特性動作方程式為

圖3

全阻抗圓特性在各個方向上的動作阻抗都相同，它在正向或反向故障的情況下具有相同的保護區，即阻抗元件本身不具方向性，這就意味著，在保護正方向出口處短路時（母線殘壓近似為零），阻抗繼電器將出現死區。全阻抗圓特性的阻抗元件可以應用于單側電源的系統中；當應用于多側電源系統時，應與方向元件相配合。

2.4 上拋圓特性原理

在偏移圓特性中，如果 與 都在第一象限，則動作特性變化成上拋圓特性，如圖4。

圖4

3 阻抗圓特性的校驗方法探討

筆者從事繼電保護多年，常采用以下兩種方法進行檢驗：

3.1 檢校方法1

3.2 校檢方法2

選取靈敏角在15度、30度……下測其動作阻抗，以方向圓特性阻抗繼電器為例，假設其正常運行時的測量阻抗為3.5＜30°?,最大靈敏角為75°，當整定阻抗最大不能超過4.95?時，該阻抗器正常運行不動作，其公式為cos(75° -30° )=4.95?。

3.3 兩種校檢方法的對比分析

通過比較兩種校驗方法發現，第一種方法不能證明是一個正圓的動作特性，第二種方法既能證明阻抗繼電器是一個正圓動作特性，也能測出最大靈敏角、正向阻抗和反向阻抗，簡單可行。

4 結論

隨著社會的發展，用戶對電力質量的要求越來越高，繼電保護裝置的發展和采用，最大限度的保護了電力系統正常運轉，具有明顯的經濟效益和社會效益，日益成為工程技術人員關注的熱點問題。因此，繼電保護人員要熟練地掌握阻抗繼電器的工作原理，對于阻抗繼電器在非故障狀態下要不誤動，當發生故障時采取故障分量的方法來判斷故障的大小和方向，對于內部故障采取切除故障設備的方式，對于外部故障則切除非故障設備，根據現場實際情況，采用合理的檢驗方法，嚴格按照規程檢驗。

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