如何优化距离保护效果：影响因素解析

1.过渡电阻

前面章节的分析大多是以金属性短路为例进行的，但在实际工况下，电力系统的短路一般都不是金属性的，而是在短路点存在过渡电阻。过渡电阻的存在使距离保护的测量阻抗、测量电压等发生变化，有可能造成距离保护的不正确工作。

1）过渡电阻的性质

短路点的过渡电阻Rg 是一种瞬间状态的电阻，是当电气设备发生相间短路或相对地短路时，短路电流从一相流到另一相或从一相流入接地部位的途径中所通过的电阻。相间短路时，过渡电阻主要是电弧电阻。在短路初瞬间，电弧电流特别大，几个周期后，随着电弧电阻逐渐变大，电弧电流变小。相间故障的电弧电阻一般在数欧至十几欧之间。接地短路时，过渡电阻主要是杆塔及其接地电阻。铁塔的接地电阻与大地电导率有关，对于跨越山区的高压线路，铁塔的接地电阻可达数十欧。当导线通过树木或其他物体对地短路时，过渡电阻更大。对于500 kV 的线路，最大过渡电阻可达300 Ω，对于220 kV 线路，最大过渡电阻约为100 Ω。一旦故障消失，过渡电阻也随之消失。

2）单侧电源线路上过渡电阻的影响

如图3−2−6（a）所示，在没有助增分支和外汲分支的单侧电源线路上，过渡电阻中流过的短路电流与保护安装处的电流为同一个电流，此时保护安装处测量电压和测量电流的关系为

可以看出，Rg 的存在总是使继电器的测量阻抗值增大、阻抗角变小、保护范围缩短。

图3−2−6　单侧电源线路上过渡电阻的影响

（a）系统示意；（b）对不同安装地点的距离保护的影响

当B2 与B3 之间的线路始端经过渡电阻 Rg 短路时，B2 处保护的测量阻抗为，B1 处保护的测量阻抗 Rg 的数值较大时，可能出现超出其Ⅰ段范围而仍位于其Ⅱ段范围内的情况，在此种故障情况下，B1 处的Ⅱ段动作切除故障，从而失去了选择性，同时也降低了动作的速度。由图可见，保护装置距短路点越近，受过渡电阻影响越大；保护装置的整定阻抗越小，受过渡电阻的影响越大。

短路点过渡电阻对距离保护的影响（微课）

3）双侧电源线路上过渡电阻的影响

双侧电源线路上过渡电阻的影响如图3−2−7所示。

图3−2−7　双侧电源线路上过渡电阻的影响

（a）系统示意；（b）对不同安装地点的距离保护的影响

若双侧电源线路没有助增支路和外汲支路，如图3−2−7（a）所示，过渡电阻中的短路电流不再与保护安装处的电流为同一个电流，这时保护安装处测量电压和测量电流的关系为

令 Im=Ik′，则继电器的测量阻抗为

对测量阻抗的影响取决于两侧电源提供的短路电流 Ik′和 Ik′之间的相位关系，可能增大，也可能减小。若在故障前M 端为送端，N 端为受端，则M 侧电源电动势的相位超前N 侧。这样，在两端系统阻抗的阻 抗角相同的情况下， Ik′的相位将超前将具有负的阻抗角，即表 现为阻容性质的阻抗，它的存在有可能使总的测量阻抗变小。反之，若M 端为受端，N 端为送端，则将具有正的阻抗角，即表现为阻感性质 的阻抗，它的存在总是使测量阻抗变大。在系统振荡加故障的情况下， Ik′和 Ik′之间的相位差可能在0°～360°的范围内变化，此时测量阻抗末端的轨迹为圆。

当B2 与B3 之间的线路始端经过渡电阻 Rg 短路时，B2 处保护的测量阻抗为而B1 处保护的测量阻抗为

综上所述，在M 端为送端的情况下，B1 处的总测量阻抗因过渡电阻的影响而严重减小的情况下，相邻的下级线路始端短路时可能使测量阻抗落入其Ⅰ段范围内，造成其Ⅰ段误动作。过渡电阻的存在导致保护测量阻抗变小，进一步引起保护误动作。

4）克服过渡电阻影响的措施

从上述分析中可知，对于方向特性阻抗继电器来说，在被保护区的始端和末端短路时过渡电阻的影响比较大，而在保护区的中部短路时过渡电阻的影响比较小。在整定值相同的情况下，动作特性在+R 轴方向所占的面积越小，受过渡电阻 Rg 的影响就越大。此外，由于接地短路故障时的过渡电阻远大于相间短路故障时的过渡电阻，所以过渡电阻对接地距离元件的影响大于对相间距离元件的影响。目前，采用能容许较大的过渡电阻而不至于拒绝动作的测量元件或采用瞬时测量来固定阻抗继电器的动作来克服过渡电阻的影响。

2.电力系统振荡

电力系统正常运行时，系统各发电机之间同步运行，各发电机之间的电动势相角差δ 不变，系统中各点电压和各回路的电流不变。系统短路切除太慢或遭受较大冲击，如输送功率过大、系统故障或操作等原因造成暂态稳定破坏，都可能引起系统振荡。此时系统中各电源电势间的相角差发生变化，系统中各点的电压、电流和功率的幅值和相位都将发生周期性变化，导致保护误动作。通常在系统振荡若干个周期后，可自行恢复同步运行，或者电力系统自动解列装置动作将系统解列，或切除部分负荷来加速恢复同步运行。因此，系统振荡为电力系统的短时运行异常情况，但并非短路故障，距离保护不应动作。因此，需要对受振荡影响可能误动作的距离保护进行暂时的闭锁。

下面分析系统振荡时的电气量变换规律，进而分析其对阻抗继电器的影响，最后讨论防止保护误动作的措施。

1）系统振荡时的电压、电流分布

图3−2−8（a）所示为辐射型双侧电源网络，如在全相运行时系统发生振荡，此时三相对称，可以用其中一相来讨论。

(www.xing528.com)

图3−2−8　辐射型双侧电源网络

（a）系统示意；（b）系统阻抗角与线路阻抗角相等时的相量图； （c）阻抗角不相等时的相量图

设Z M、Z N分别为 M、N 两侧电源阻抗，Z L表示线路阻抗，ZΣ =ZM+ZN+ ZL 是振荡回路总阻抗，两侧电源电动势分别为和。以电动势 为参考相量，N 侧电动势 E N滞后M 侧电动势 E M的相位角为δ ，则振荡电流可以写成

振荡电流滞后电动势（ EM　− EN ）的角度为系统总阻抗角

振荡时系统中性点电位仍保持为零，但电网中其他各点电压随δ 的变化而变化，振荡时两侧母线电压为

图3−2−8（b）所示为以 EM 为参考相量，即电动势 EM 落在实轴上，E N 滞后 E M的相位角为δ ，系统阻抗角与线路阻抗角相等时的相量图。从原点作（M　− UN ）的垂线，垂足z 表示MN 线路的最低电压点，称为振荡中心，该中心不随δ 的变化而变化，始终位于系统总阻抗的中点。当δ =180°时，振荡中心电压降低为零，而此时振荡电流最大，从电压和电流的数值关系来看，相当于在振荡中心发生了三相短路，但电力系统其实处于不正常运行状态，继电保护装置必须有效区分，才能保证距离保护在系统振荡时的可靠工作。

图3−2−8（c）所示为系统阻抗角与线路阻抗角不相等时的相量图，此时两侧电动势相等。电压相量MU 和NU 的端点不能落在 EM 和 EN 的连线上。从原点作（UM　− UN ）的垂线，可找到某一δ 角下振荡中心电压，此时振荡中心随δ 角的改变而移动。

2）系统振荡对距离保护的影响

假设系统两侧电动势相等，线路MN 上装设距离保护装置，如图3−2−8（a）所示，在系统振荡时M 侧阻抗继电器的测量阻抗为

在近似计算中，设h=1，系统阻抗和线路阻抗相等，则有

在图3−2−9 中，Zm.M 随δ 变化的轨迹为直线当δ =180°时，即保护安装处到振荡中心的阻抗。

图3−2−9　测量阻抗的变化

振荡影响与保护安装地点有关，越靠近振荡中心，振荡影响越大。它还与继电器整定值有关，一般来说，继电器整定值越小，振荡影响越小。振荡中心在保护范围以外或位于保护的反方向时，振荡影响下的距离保护也不会误动作。另外，其还与保护动作时限有关，如果距离保护的动作时限大于测量阻抗穿越继电器动作特性的时间，可以躲开振荡影响。对于距离保护Ⅲ段，由于它的动作时限较长，一般大于系统振荡周期，故其不会因振荡而误动作。但对于距离保护Ⅰ段和Ⅱ段，由于其动作时限短，振荡时保护可能会误动作，应该设置振荡闭锁回路，以防止系统振荡时距离保护误动作。

振荡对距离保护的影响（动画）

3.振荡闭锁装置

所谓振荡闭锁装置，就是当系统发生振荡而非短路时，及时地封锁继电保护装置以防止其误动作的装置。当系统发生短路故障时，振荡闭锁装置将继电保护装置开放。因此振荡闭锁装置正确工作的前提是必须有效区分短路和振荡，而电力系统发生振荡和短路时主要区别如下：

（1）系统振荡时，电流和各点电压的幅值作周期性变化，只有在δ = 180°时才出现最严重的情况，且变化速度较慢，而短路时电流突然增大，电压突然降低，变化速度较快。因此，可以利用电气量的变化速度区别短路与振荡，构成振荡闭锁装置。

（2）振荡时三相对称，系统中没有负序分量出现，而短路时总会出现负序分量，即使三相对称短路，也往往由于各种不对称的原因在短路瞬间出现负序分量。因此，可以利用负序分量、零序分量构成振荡闭锁装置。

（3）振荡时，任一点电流和电压之间的相位关系随δ 的变化而改变，而短路时，电流和电压之间的相位角是不变的。

（4）振荡时，测量阻抗的电阻分量变化较大，变化率取决于振荡周期，而短路时，测量阻抗的电阻分量虽然因弧光放电略有变化，但分析计算表明其电弧电阻变化率远小于振荡所对应的电阻变化率。

根据以上分析可知，振荡闭锁装置从原理上可分为两种，一种是利用负序分量（或负序分量增量）的出现与否来实现，另一种是利用电流、电压或测量阻抗变化速度的不同来实现。

上述振荡与短路的区别是振荡闭锁装置的理论依据，无论采用哪种原理构成的闭锁装置都应满足以下基本要求：

（1）系统正常运行或没有发生短路而只是系统振荡时，应可靠闭锁保护。

（2）当保护区内发生短路时，不论系统有无振荡，保护应不被闭锁而能正确动作。

（3）短路后紧接着出现振荡时，保护不应该无选择性地动作。

（4）振荡过程中发生短路时，保护应能正确动作，但允许延时动作。

（5）振荡平息后，振荡闭锁装置应自动复归，准备好下一次动作。在保护复归前，不允许振荡闭锁装置再次起动。