范春菊，楊 煉

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

傳統(tǒng)的電力距離保護(hù)存在一些缺點(diǎn)，如輸電線路出口短路、保護(hù)有死區(qū)及當(dāng)輸電線路比較短時(shí)保護(hù)的抗過(guò)渡電阻能力比較弱等。隨著保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，故障分量阻抗繼電器被廣泛地應(yīng)用在超高壓輸電線路上。該保護(hù)有較強(qiáng)的抗過(guò)渡電阻的能力，配合高頻通道，既可以作為超高壓輸電線路的主保護(hù)，也可以在高頻通道被損壞時(shí)作為超高壓輸電線路的后備保護(hù)。

“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程中的突變量電流保護(hù)和突變量電壓保護(hù)的概念非常容易理解，故障后的電流量減去故障前的電流量就可以得到突變量電流，并且應(yīng)用于電流保護(hù)，該保護(hù)可以避免正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流對(duì)保護(hù)特性的影響。但是，突變量的距離保護(hù)在理解上和教學(xué)上都與傳統(tǒng)的距離保護(hù)差別比較大。本文主要探討故障分量阻抗繼電器的工作原理，理解方法以及特殊的工作特性，給故障分量繼電器的教學(xué)提供方法，便于學(xué)生以及技術(shù)人員的理解和靈活使用。

1 突變量阻抗保護(hù)的傳統(tǒng)概念

1.1 傳統(tǒng)的阻抗保護(hù)的概念

單相式阻抗繼電器是指加入繼電器的只有一個(gè)電壓(相電壓或線電壓)和一個(gè)電流(相電流或兩相電流之差)的阻抗繼電器［1］，如圖1所示。和的比值稱(chēng)為繼電器的測(cè)量阻抗為

由于測(cè)量阻抗ZJ與輸電線路的長(zhǎng)度有關(guān)，所以，阻抗保護(hù)也可以稱(chēng)為距離保護(hù)。

圖1 用復(fù)數(shù)平面分析阻抗繼電器的特性

1.2 保護(hù)安裝處的突變量阻抗

突變量的電流保護(hù)，是指故障后的電流減去故障前的電流，構(gòu)成突變量電流保護(hù);突變量的電壓保護(hù)是指故障后的電壓減去故障前的電壓，構(gòu)成突變量電壓保護(hù);突變量的阻抗保護(hù)，是否可以照比理解為突變量電壓與突變量電流之比構(gòu)成的突變量阻抗保護(hù)?事實(shí)上，這種方法是不切實(shí)際的。

如圖2所示，采用保護(hù)安裝處的突變量電壓除以突變量電流得到的突變量阻抗是保護(hù)安裝處背側(cè)的綜合系統(tǒng)阻抗［2］，跟故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離沒(méi)有關(guān)系，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)阻抗保護(hù)。怎么實(shí)現(xiàn)突變量的距離保護(hù)呢?必須尋求別的突變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 傳統(tǒng)阻抗繼電器的突變量方法

2 補(bǔ)償電壓突變量保護(hù)教學(xué)方法

前述的保護(hù)不能正確保護(hù)線路內(nèi)故障的主要原因是沒(méi)有考慮到整定阻抗，相應(yīng)的補(bǔ)償電壓以及故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的測(cè)量阻抗，所以，可以考慮采用補(bǔ)償電壓的突變量來(lái)實(shí)現(xiàn)突變量的阻抗保護(hù)。

2.1 故障分量阻抗繼電器的工作原理

基于補(bǔ)償電壓突變量的阻抗保護(hù)的工作原理是比較補(bǔ)償電壓的突變量。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，保護(hù)安裝處可以測(cè)量到正常運(yùn)行時(shí)的補(bǔ)償電壓為

其中，為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的補(bǔ)償電壓，分別為正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)安裝處的測(cè)量電壓和電流，Zzd為保護(hù)的整定阻抗;而在線路發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)安裝處測(cè)量到的電壓突然降低，電流突然增大，此時(shí)故障后的補(bǔ)償電壓為

從上式來(lái)理解突變量阻抗保護(hù)的動(dòng)作特性，基本上無(wú)法看出故障發(fā)生的不同地點(diǎn)對(duì)于突變量阻抗保護(hù)動(dòng)作的影響。對(duì)此，可以采用如下兩種較為容易理解的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)。

2.2 保護(hù)動(dòng)作特性的定量教學(xué)方法

上面的動(dòng)作條件式(4)很抽象不易理解。我們可以將這個(gè)條件式展開(kāi)，結(jié)合傳統(tǒng)的距離保護(hù)進(jìn)行教學(xué)。

從上面的幾個(gè)動(dòng)作條件不難理解，當(dāng)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，補(bǔ)償電壓小于故障前的補(bǔ)償電壓，補(bǔ)償電壓的突變量的絕對(duì)值大于故障前補(bǔ)償電壓的絕對(duì)值，保護(hù)動(dòng)作;而在線路保護(hù)范圍末端短路時(shí)，補(bǔ)償電壓為零，補(bǔ)償電壓突變量的絕對(duì)值等于故障前的補(bǔ)償電壓的絕對(duì)值，保護(hù)處于臨界動(dòng)作狀態(tài);而在區(qū)外發(fā)生短路時(shí)，補(bǔ)償電壓大于零，補(bǔ)償電壓的突變量的絕對(duì)值小于故障前補(bǔ)償電壓的絕對(duì)值，保護(hù)不動(dòng)作。

2.3 突變量阻抗保護(hù)的圖解教學(xué)方法

如果采用電壓矢量圖來(lái)教學(xué)，可以做如下的假設(shè)：①線路故障前是空載;②線路阻抗和系統(tǒng)阻抗的阻抗角相等;③三相故障，可以用單相圖例來(lái)說(shuō)明。

此時(shí)，故障前的補(bǔ)償電壓為電源電勢(shì)，故障后的補(bǔ)償電壓如圖3的各種情況所示。線路故障后的補(bǔ)償電壓，跟故障點(diǎn)的位置有關(guān)，可以用矢量圖來(lái)畫(huà)出。如果是區(qū)外故障，補(bǔ)償電壓在故障點(diǎn)和保護(hù)安裝處的中間，如圖3(a)所示。補(bǔ)償電壓與電源電勢(shì)同向，但數(shù)值較低，|Δ|＜ ||，保護(hù)不動(dòng)作;同理，在區(qū)內(nèi)故障時(shí)，補(bǔ)償電壓在保護(hù)安裝處電壓與故障點(diǎn)電壓的延長(zhǎng)線上，如圖(c)所示，|Δ|＞ ||，保護(hù)動(dòng)作;而在反方向發(fā)生短路時(shí)，如圖3(d)所示，保護(hù)不動(dòng)作，保護(hù)具有明確的方向性。

圖3 繼電器動(dòng)作特性的電壓相量圖

3 突變量保護(hù)與序分量保護(hù)的區(qū)別

在電力系統(tǒng)的故障分析中，應(yīng)該說(shuō)有兩類(lèi)故障分量，即不對(duì)稱(chēng)分量(負(fù)序、零序分量)和突變量。但這兩種故障分量構(gòu)成的保護(hù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)保護(hù)的故障類(lèi)型不同

不對(duì)稱(chēng)分量(負(fù)序、零序分量)保護(hù)只能保護(hù)不對(duì)稱(chēng)故障，因?yàn)閷?duì)稱(chēng)故障時(shí)沒(méi)有序分量;而突變量保護(hù)是反映突變量故障后的保護(hù)，可以保護(hù)各種類(lèi)型故障，以及對(duì)稱(chēng)故障和不對(duì)稱(chēng)故障。

(2)保護(hù)的用途不同

只要故障存在，負(fù)序、零序分量就存在。負(fù)序、零序分量保護(hù)既可以實(shí)現(xiàn)快速主保護(hù)，也可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)的后備保護(hù);突變量只能短時(shí)存在，迄今突變量保護(hù)只作為瞬時(shí)動(dòng)作的主保護(hù)，不能作為后備保護(hù)來(lái)使用。

(3)非全相運(yùn)行時(shí)保護(hù)動(dòng)作特性不同

當(dāng)發(fā)生線路單相接地故障，并且采用單相一次重合閘，則會(huì)出現(xiàn)兩相運(yùn)行狀態(tài)，即非全相運(yùn)行。在兩相運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中就有負(fù)序、零序分量出現(xiàn)。作為反映故障分量的負(fù)序、零序分量保護(hù)要避開(kāi)兩相運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的序分量值，保護(hù)才不會(huì)誤動(dòng)。此時(shí)的整定值有時(shí)候會(huì)比較大，保護(hù)的靈敏度會(huì)比較低，失去了作為故障分量保護(hù)的優(yōu)點(diǎn);在兩相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，突變量保護(hù)測(cè)量到的突變量為零，即在兩相正常運(yùn)行時(shí)沒(méi)有突變量，突變量保護(hù)不會(huì)啟動(dòng)。而當(dāng)線路故障發(fā)生時(shí)就會(huì)出現(xiàn)比較大的突變量，突變量保護(hù)可以迅速動(dòng)作，并且保護(hù)的靈敏度也比較高，所以突變量保護(hù)可以作為線路非全相運(yùn)行時(shí)的主保護(hù)。

(4)振蕩時(shí)保護(hù)的不同特性

不對(duì)稱(chēng)分量和突變量都是故障分量，所以?xún)深?lèi)保護(hù)都不反應(yīng)過(guò)負(fù)荷這種不正常運(yùn)行狀態(tài)。在系統(tǒng)發(fā)生振蕩，且振蕩中心在保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，這兩種保護(hù)都不會(huì)動(dòng)作，因?yàn)檎袷帟r(shí)沒(méi)有序分量和突變量。

但是，在系統(tǒng)發(fā)生振蕩過(guò)程中又發(fā)生線路故障，若故障發(fā)生在兩側(cè)電動(dòng)勢(shì)相角差δ較小的時(shí)刻，由于故障前有較大的電壓，故障后就會(huì)有足夠的序分量來(lái)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，也就是說(shuō)兩類(lèi)故障分量保護(hù)都能正確動(dòng)作;若在δ=180。時(shí)在振蕩中心附近發(fā)生故障，此時(shí)故障點(diǎn)的電壓接近0點(diǎn)，也就是說(shuō)故障前故障點(diǎn)的電壓很低，線路發(fā)生故障時(shí)序分量的值非常小，兩類(lèi)故障分量保護(hù)都不能動(dòng)作。

隨著振蕩時(shí)δ的逐漸減小，故障點(diǎn)故障前的電壓在逐漸增加，負(fù)序、零序分量也在不斷增加，保護(hù)就能動(dòng)作;但是，突變量繼電器永遠(yuǎn)不會(huì)動(dòng)作，不過(guò)，這種故障幾率極小(當(dāng)振蕩、在振蕩中心和δ≈180。三條件巧合)，實(shí)際振蕩中心電壓已降得很低，發(fā)生短路故障的概率也很低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了突變量距離保護(hù)的工作原理及其教學(xué)方法。為了幫助學(xué)生理解突變量阻抗繼電器的工作原理，本文從三個(gè)方面來(lái)闡述，首先提出突變量阻抗繼電器，是指補(bǔ)償電壓突變量，而不是阻抗突變量;其次，通過(guò)補(bǔ)償電壓的詳細(xì)描述，指出區(qū)內(nèi)、外故障時(shí)，由于補(bǔ)償電壓的不同，突變量補(bǔ)償電壓也不同，突變量補(bǔ)償電壓保護(hù)可以區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障;最后，通過(guò)電壓矢量圖法給出了突變量阻抗繼電器的動(dòng)作特性分析方法。另外，本文還給出了突變量阻抗繼電器與傳統(tǒng)的序分量保護(hù)的區(qū)別。通過(guò)本文所述的教學(xué)方法，學(xué)生可以深刻領(lǐng)會(huì)突變量阻抗繼電器的工作原理和工作特性，在實(shí)際應(yīng)用中可以很好地解決復(fù)雜問(wèn)題。

［1］邰能靈，范春菊 現(xiàn)代電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理(第一版)［M］.北京，中國(guó)電力出版社，2011

［2］何仰贊，溫增銀，電力系統(tǒng)分析(上下冊(cè))(第三版)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002

［3］朱盛石高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理與技術(shù)(第三版)［M］.北京，中國(guó)電力出版社，2006