阻抗圆动作特性的保护校验方法讨论

吴发宽

（广东大唐国际潮州发电有限责任公司，广东潮州，515723）

0 引言

电力行业属于技术密集性行业，电力设备具有结构复杂、覆盖区域广的特点，特别是在经济高速发展的今天，电力系统通常采用大机组、高电压、大电网、交直流远距离设备，电网和电网之间往往实行互联。这就意味着，一旦某一电网发生故障，如果不及时消除，就有可能扩大，波及相邻的系统，严重情况下会导致大面积停电。造成电力设备发生故障的因素有很多，如自然灾害、设备本身缺陷及人为的破坏等等，这些因素都会使电力运行条件发生变化。

电力系统的运行状态分为正常工作状态、不正常工作状态和故障状态三种，继电保护的主要功能是自动、迅速、有选择性的将故障元件切除，保障电力系统正常运转。近年来，继电保护在电力系统中越来越受到有关管理、科研和工程技术人员的重视，主要有以下原因：①电力设备出现故障，不仅会造成供电系统意外停电而导致电力公司经济效益减少，而且可能会给用户造成重大的经济损失，从而引发客户的不满和抱怨，因此需要在故障发生时，迅速的找出并切除故障设备，保护电气设备免遭损害，保障电力系统正常运转，改善电力质量和用户服务水平；②电力部门希望尽量快速的发现故障原因并及时的进行修复，从而缩短停电时间，减少因停电维护而造成的影响，降低成本，增加经济效益。阻抗继电器的主要任务是测量故障点到保护安装地点之间的距离（或阻抗）并与整定值进行比较以确定是否动作，当故障发生时,通过对故障前后数据的分析、比较,作出跳闸、报警并快速切除故障,以免造成系统或设备的进一步损坏，因此必须要能正确区分被保护元件是处于正常运行还是发生故障，区分被保护元件是处于区内故障还是区外故障。

1 阻抗继电器及其动作特性

阻抗继电器的作用是测量保护安装处到输电线路故障点之间的阻抗，这个阻抗反映了故障点距离保护安装处的距离。由于输电线路的阻抗具有一定的稳定性，不会随着电网运行方式的变化而变化，同时也与短路故障的类型无关，因此阻抗继电器同时兼有可靠性和灵敏性，并且对于各种复杂的电网结构能够更好的适应，因此得到了广泛的应用。

原则上来说，短路的情况下，继电器测量到的测量阻抗要落在与整定阻抗相同向的直线上，且测量阻抗要小于整定阻抗，但实际上受互感器误差、故障点过渡电阻等因素的影响，继电器实际测量到的测量阻抗一般并不能严格地落在与整定阻抗同向的直线上，而是落在该直线附近的一个区域中，其中动作区域为圆形的称为圆特性，根据动作性圆在阻抗复平面上位置和大小的不同，圆特性可分为偏移圆特性、方向圆特性、全阻抗圆特性和上抛圆特性等几种。圆特性阻抗继电器不仅能判断出短路阻抗的大小，而且能判断出短路阻抗的方向，即圆特性阻抗继电器不但能反应输入到继电器的工作电流(测量电流)和工作电压(测量电压)的大小，而且能反应它们之间的相角关系。其中全阻抗圆特性无方向性，方向阻抗圆存在电压死区，偏移阻抗圆特性结合了全阻抗圆特性和方向阻抗圆特性的优点，应用范围较为广泛。当测量阻抗落在该动作区域以内时，就判断为区内故障，阻抗继电器给出动作信号；当测量阻抗落在该动作区域以外时，判断为区外故障，阻抗继电器不动作。

2 圆特性阻抗圆继电器的分类

2.1 偏移圆特性的原理

偏移圆特性在阻抗复数平面上是一个包括座标原点在内的圆，圆内为动作区，圆外为非动作区，圆周上为临界动作点，如图1。它有两个整定阻抗，即正方向整定阻抗 和反方向 ，其中 为偏移度，特性圆的直径是两整定阻抗对应矢量末端的连线，半径为 ，当测量阻抗落在圆内或圆周上时，其末端到圆心的距离一定小于或等于圆的半径；而当测量阻抗落在圆外时，其末端到圆心的距离一定大于圆的半径。通常用 表示处于临界动作状态的阻抗，测量阻抗 的阻抗角不同，对应的动作阻抗也是不同的。偏移圆特性比较动作方程为：

2.2 方向圆特性的原理

图1

方向圆特性对于不同的 阻抗角，动作阻抗是不同的，在整定阻抗的方向上，动作阻抗最大，正好等于整定阻抗；其它方向的动作阻抗都小于整定阻抗。

当线路出口故障或母线故障时，极化电压可能降低到很小的值，正方向故障时，继电器可能因极化电压过小而拒动；反向故障，又可能因极化电压中的干扰电压而误动。为了解决这一问题，方向阻抗继电器引入了记忆回路，将极化回路制作成工频谐振回路，故障发生后，依靠谐振回路供给极化电压，使继电器短期内可靠工作，以消除方向阻抗继电器的动作死区。

图2

2.3 全阻抗圆特性的原理

全阻抗圆特性在阻抗复数平面上是一个以坐标原点为圆心，以整定阻抗 为半径的圆，圆内为动作区，圆外为非动作区，圆周上为临界动作区，如图3。

当测量阻抗正好位于圆周上时，继电器刚好动作，此时的阻抗就是继电器的起动阻抗 ，由于这种特陛是以原点为圆心而作的圆，因此不论加入继电器电压电 流之间的角度为多大,继电器的起动阻抗在数值上均于整定阻抗，全阻抗圆特性动作方程式为

图3

全阻抗圆特性在各个方向上的动作阻抗都相同，它在正向或反向故障的情况下具有相同的保护区，即阻抗元件本身不具方向性，这就意味着，在保护正方向出口处短路时（母线残压近似为零），阻抗继电器将出现死区。全阻抗圆特性的阻抗元件可以应用于单侧电源的系统中；当应用于多侧电源系统时，应与方向元件相配合。

2.4 上抛圆特性原理

在偏移圆特性中，如果 与 都在第一象限，则动作特性变化成上抛圆特性，如图4。

图4

3 阻抗圆特性的校验方法探讨

笔者从事继电保护多年，常采用以下两种方法进行检验：

3.1 检校方法1

3.2 校检方法2

选取灵敏角在15度、30度……下测其动作阻抗，以方向圆特性阻抗继电器为例，假设其正常运行时的测量阻抗为3.5＜30°Ω,最大灵敏角为75°，当整定阻抗最大不能超过4.95Ω时，该阻抗器正常运行不动作，其公式为cos(75° -30° )=4.95Ω。

3.3 两种校检方法的对比分析

通过比较两种校验方法发现，第一种方法不能证明是一个正圆的动作特性，第二种方法既能证明阻抗继电器是一个正圆动作特性，也能测出最大灵敏角、正向阻抗和反向阻抗，简单可行。

4 结论

随着社会的发展，用户对电力质量的要求越来越高，继电保护装置的发展和采用，最大限度的保护了电力系统正常运转，具有明显的经济效益和社会效益，日益成为工程技术人员关注的热点问题。因此，继电保护人员要熟练地掌握阻抗继电器的工作原理，对于阻抗继电器在非故障状态下要不误动，当发生故障时采取故障分量的方法来判断故障的大小和方向，对于内部故障采取切除故障设备的方式，对于外部故障则切除非故障设备，根据现场实际情况，采用合理的检验方法，严格按照规程检验。

[1]易晓郑,柳春生.对影响阻抗继电器特性圆的因素分析[J].煤矿机电.2002(03)

[2]董婕.关于工频变化量阻抗继电器的校验方法探讨[J].电力系统保护与控制.2010(02)

[3]李春阳.阻抗继电器的动作特效和动作方程探讨[J].民营科技.2013(08)