特高压线路接地距离继电器静态特性分析

特高压线路接地距离继电器静态特性分析刘世明 1,唐永建 2(1.山东大学电气工程学院，山东省济南市经十路 73号，250061) (2烟台东方电子信息产业股份有限公司，山东省烟台市机场路 2号，264000)摘要：特高压输电线路具有显著的分布参数特性，因

1

接地距离继电器特性分析

此线路发生故障时，测量阻抗与故障距离的关系不同于超高压、高压线路故障时的关系，并联电抗器的使用使得情况更加复杂。对于接地距离继电器，为了进行恰当的零序补偿，提出了不同的解决方案。本文通过公式推导、支接阻抗特性仿真等方法，对比分析了这些方案的静态特性。在此基础上，本文提出一种折中的接地距离继电器方案，在计算量和静态精度方面有一定优势。关键词：特高压线路,接地距离继电器,静态特性关键词

根据分析，发生单相故障时，故障相接地继电器的测量电压与测量电流的关系可以用如下公式表示： U = zc1 tanh (γ 1lf ) I I R zc 0 sinh (γ 0lf ) zc1 sinh (γ 1lf ) + I0 I0R zc1 sinh (γ 1lf )

(1)

0引言在高压、超高压输电线路上，距离继电器作为主要的后备保护以及纵联主保护的主要元件发挥了重要作用[1]。这些线路发生金属性短路时，在忽略分布电容影响的前提下，继电器的测量阻抗与故障点到保护安装处的距离成线性关系。基于这种线性关系，通过公式推导，阻抗平面作图等等方法，距离继电器的静态特性已经被分析地非常详细了。然而在特高压输电线路上，由于分布电容很大，输电距离较长，因而其电气量呈现明显的分布参数特性。为了补偿电容电流，特高压输电线路上需要采用并联电抗器。这些特点，使得特高压线路发生金属性短路时，测量阻抗与故障距离不再是线性关系。理论分析和仿真实验证实，对于相间距离继电器，完全可以采用原有的计算方法，只需在计算距离定值时采用分布参数就可以了[2~5]。而对于接地距离继电器，由于需要零序补偿，并且要考虑并联电抗器的中性点小电抗的影响，情况比较复杂。不同的文献从不同的角度出发，给出了接地距离继电器在特高压线路上应用的改进方案或者应用建议。为了更清晰地了解接地距离继电器在特高压输电线参数条件下的特性，本文以带记忆的姆欧继电器为例，从公式推导、支接电阻仿真计算等几个方面讨论了距离继电器的静态特性，并与线性关系条件下的继电器静态特性做了对比分析，以期能够为特高压线路保护的设计、运行、整定和故障分析提供参

考，使得距离保护能够更好地为建设坚强智能电网服务。

cosh (γ 0lf ) cosh (γ 1lf ) U 0 zc1 sinh (γ 1lf )

式中 U 是相电压， I 是相电流， U 0、 I 0分别是零序电压和零序电流。而 I R和 I 0 R则分别是并联电抗器中的相电流和零序电流，它们可以根据并联电抗器的参数和测量电压计算得到：I 0R=

jX SR

U U 0 U0, I R=+ I 0R+ 3 jX NR jX SR

(2)

由于接地继电器的测量电压与测量电流的关系如此复杂，不能够用简单的表达式来表示。为了构造适合具有分布参数特性的特高压线路的接地距离继电器，不同的文献提出了不同的方案： 1.1修正计算公式方案[2,3]先定义两个系数:kuf=

[cosh(γ 0lf ) cosh(γ 1lf )] cosh (γ 1lf )[zc 0 sinh(γ 0lf ) zc1 sinh(γ 1lf )] kif= zc1 sinh (γ 1lf )

(3)

分别称为零序电压系数和零序电流系数。则公式(1)可以表示为：U + kuf U 0= zc1 tanh (γ 1lf ) I I R + kif I 0 I 0 R

(4)

可见，如果采用 U + kuf U 0作为补偿后的电

压，采用 I I R +kif I0 I0R 作为补偿后的电

流，则补偿后的电压和补偿后的电流之间的关系，

就可以用分布参数计算值zc1 tanh(γ1ly)作为接地距离继电器的整定值了。 但是由于零序电压系数kuf和零序电流系数kif是与故障点到继电器安装处的距离有关的参数，因而不能够作为继电器整定参数使用。

根据文献[2,3]的分析，如果采用继电器保护范围末端的参数带入公式(4)计算得到的数值作为系数，则可以保证继电器保护范围的稳定。因而将保护范围末端的线路长度ly带入公式(4)，得到的系数kuy和kiy就分别称为零序电压补偿系数和零序电流补偿系数。由此得到补偿后电压、电流的计算公式：

U=U +kuy U0

I= I I R +kiy I0 I0R

响，文献[4]经过分析认为可以忽略，理由如下：

由于对继电器保护范围的影响主要是考虑保护范围末端故障时的情况；在保护范围末端发生单相接地故障，流过本侧的零序电流很小，分到中性点小电抗上的零序电流就更小，因而可以忽略其影响。

根据上面的分析，接地距离继电器的测量电压和电流的关系有如下表达式：

U ≈Zc1 tanh(γ1lf)//jXSR I +kym I0 (7)

(5)

为了简化公式的表达，其中用符号“//”表

示两个阻抗的并联。

这样，原有的接地距离继电器判据不变，只需要修正零序补偿系数和整定阻抗，就可以实现分布参数的特高压线路的接地故障保护了。

至于由于忽略中性点小电抗和用系统最大零序阻抗代替运行时系统零序阻抗所带来的误差，文献[4]经过仿真分析认为能够满足继电器精度要求。

1.3 无修正方案[5]

虽然特高压输电线的分布参数对继电器的测量电压和测量电流之间的关系有很大影响，但是由于并联电抗器的补偿，这种影响已经被大大抵消了。因此，根据理论分析和仿真验算，文献[5]认为，对于接地距离继电器，可以不采取任何修正，而直接使用普通的保护判据和整定方式，就能够满足要求了。 1.4 支接阻抗特性分析比较

从上面的分析我们知道，在分布参数线路上发生单相接地故障时，接地距离继电器的测量电压和测量电流之间的关系非常复杂，即使定义了零序电压系数、零序电流系数等等，但是这些系数是和故障点位置、系统运行参数等相关的，因而难以在阻抗平面上绘制出三种方案的测量阻抗轨迹进行分析对比。这里考虑采用继电器的支接电阻特性[10]进行对比分析。

所谓支接电阻特性就是在二维坐标系中，以横坐标表示线路沿线的位置，纵坐标表示继电器能够反映的过渡电阻大小，这样在坐标系中就可以清楚地显示在特定的系统运行参数下，某种距离继电器在线路不同处故障时的性能了。

图1给出了在空载情况下线路发生接地故障时，上述三种方案的带记忆姆欧继电器的支接电阻特性。在本文的仿真分析中，采用的参数使用

将补偿后的电压、电流带入带记忆的姆欧接地距离继电器的计算公式，就能够得到满足整定范围静态精度要求的特性了。 1.2 修正整定值方案[4]

为了能够满足特高压线路的分布参数特性，而又不改变原有的继电器表达方式，文献[4]提出了另外一种方案：修改零序补偿系数的计算公式，然后如相间继电器一样以分布参数计算值阻抗代替单纯阻抗参数进行整定。

首先，分析公式(1)，为了不引入零序电压补偿，需要将公式中的零序电压做一个置换——零序电压等于系统零序阻抗乘以零序电流，于是将公式(1)的左侧转变成完全是关于电流量的表达式。因此可以定义一个零序电流系数如下：

zc0 sinh(γ0lf) zc1 sinh(γ1lf)+Zsm0 (cosh(γ0lf) cosh(γ1lf))k=

zc1 sinhγ1lf (6)

其中Zsm0是继电器安装处背端系统的零序阻抗。同样这个系数与故障距离有关，并且Zsm0与系统运行方式有关，不能够作为整定值。经过分析，文献[4]提出，用保护范围末端的线路长度ly和系统最大零序阻抗Zsm0max带入公式(6)，得到的参数kym作为零序补偿系数是可靠的。

其次，对于并联电抗器的中性点小电抗的影

晋东南-南阳-荆门1000kV示范线路参数[5,8]。

通过图1的对比我们可以清楚地看到，采用修正计算公式的方案，继电器的动作范围能够与整定范围完全一致，这与理论分析是一致的。

但是这种方案需要修改保护判据。如果希望采用原有的成熟保护不变，则修正整定值是值得考虑的方案。整定计算时需要对阻抗整定值和

着系统零序阻抗变化而变化。于是可以考虑一种折中的方案：采用如方案1.1中的电流补偿系数、电压补偿系数修正阻抗计算公式；阻抗定值如方案1.2的考虑，将并联电抗器的作用放在距离定值中，并且忽略中性点小电抗器的影响，则计算公式如下：

测量阻抗：Z=

U +kuf U0I +kif I0

整定阻抗：Zy=zc1 tanh(γ1lf)//jXSR

（8）

将上述两个阻抗代入姆欧继电器，就可以得到继电器判据了。

将方案1.1、方案1.2和本折中方案的支接电阻特性绘制在一起比较如下：

图1 接地继电器支接电阻特性比较 Fig 1 tape-resistance character comparison of

phase-to-ground remembered voltage Mho relay

零序补偿系数的整定公式进行修正。修正后的接地距离继电器静态特性稍微有些欠范围，这是由于整定值的修正公式中忽略了中性点小电抗，以及采用系统最大零序阻抗代替运行时的系统零序阻抗而造成的，但是欠范围很小，不到线路全长的2%。

在上述修正整定值的方案中，需要知道继电器背端系统的最大零序阻抗。如果背端系统的最大零序阻抗难以获得，或者零序阻抗的变化范围很大，则这种方案也难以应用，这种情况下可以考虑采用无任何修正的方案。从本文的仿真结果可以看出，虽然这种方案有超越，但是其超越范围不到线路全长的4%，满足继电器静态精度的要求，因而在特高压线路上直接采用具有普通静态特性的继电器及普通整定方法也是可行的。

图2 折中方案接地继电器支接电阻特性比较 Fig 2 tape-resistance character comparison of the

compromised scheme phase-to-ground remembered voltage

Mho relay

从图2中可以看到，折中方案的静态特性比方案2.2更加接近整定范围，这是由于采用了零序电压直接补偿，而不是用系统最大零序阻抗代替。零序电压补偿的引入还避免了运行过程中由于系统零序阻抗的变化而造成的继电器动作范围的变动。而折中方案的计算量比方案1.1要小不少。

3 结论

本文以带记忆的姆欧继电器为例，采用了公式推导和支接电阻特性等方法对几种接地距离继电器方案在具有分布参数特性、带并联电抗器的特高压线路上的静态特性进行分析。在此基础上提出了一种折中方案。分析结果表明，这几种方

2 接地继电器的折中方案

对比分析了上述几种接地继电器方案，可以发现，修正计算公式方案计算比较复杂，特别是对电抗器电流的补偿计算，增加了不小的计算量；而修正整定值的方案整定复杂，并且静态特性随

法都能够满足继电器静态精度要求，不过在可靠性裕度上各有不同，并且在计算量、整定难度上也各不同相同。

文中的分析方法和工具对于其它的距离继电器例如故障分量距离继电器、四边形特性距离继电器等也同样适用，并且能够得出类似的结论。通过对特高压示范工程的两段线路不同侧、不同运行方式的多种组合的分析和仿真计算，验证了本文的分析结论的普遍性。

本文主要分析距离继电器方案的静态特性，这里给出的数字仿真分析仅为了验证本文的结论。特高压输电线路参数对距离继电器暂态特性的影响还需要进一步地深入分析研究，为距离继电器在特高压线路上更好地应用提供帮助。

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作者简介：

刘世明(1972—)，男，湖南宁远人，汉族，博士，教授级高工，从事继电保护和变电站自动化领域教学、科研工作。E-mail: lsm@

唐永建(1970—)，男，山东威海人，汉族，学士，高级工程师，从事变电站自动化领域研发、设计与生产管理工作。E-mail: tangyongjian@

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0c04.html