距离保护【测量阻抗】计算原理

1
零序补偿系数

先说一个结论:接地阻抗 Zφ = Uφ/(Iφ + 3I0*K)

其中 K 为零序补偿系数,且 K = (Z0 - Z1)/3Z1


推导过程如下(根据正负零序分解):

Uφ = U1 + U2 + U0

= I1*Z1 + I2*Z2 + I0*Z0

= Z1(I1 + I2) + I0*Z0  (输电线路 Z1 = Z2 )

= Z1(Iφ - I0) + I0*Z0  (电流满足 I1 + I2 + I0 = Iφ

= Z1*Iφ + I0*(Z0 - Z1)

= Z1(Iφ + 3I0*(Z0 - Z1)/3Z1)

= Z1(Iφ + 3I0*K)


推导过程虽不复杂,但并不易直观理解,思考几个小问题:

1) 零序补偿系数 K 的作用是什么?

2) Z0 - Z1 的物理含义是什么?

3) Z0、Z1和线路本身的阻抗是什么关系?

4) Z0 和 Z1 哪个数值更大一些?


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自阻抗、互阻抗
1) 自阻抗 Zs

线路本身除了有电阻R,还有感抗X。


导线电流I产生磁通Φ并在导线上感应出电势E,E与I的比值就是感抗X。

微信图片_20211205131927.jpg

导线的自阻抗:Zs = R + jX


2) 互阻抗 Zm

两平行导线1和2,导线2电流I2与导线1交链磁通Φ21而产生感应电势,等效为互阻抗Zm。

微信图片_20211205131932.jpg

导线1的电压降:U1 = I1*Zs + I2*Zm


3
三相电压降

假定三相线路完全对称,各相自阻抗均为Zs,各相间互阻抗均为Zm。


微信图片_20211205131936.jpg

以A相导线为例,导线上压降:

Ua = Ia*Zs + Ib*Zm + Ic*Zm

= Ia*(Zs - Zm) + (Ia + Ib + Ic)*Zm

= Ia*(Zs - Zm) + 3I0*Zm


B、C相有类似结论,可得三相电压示意图:


微信图片_20211205131940.jpg

4
Z1、Z2、Z0 与 Zs、Zm

当通入三相正序或负序电流时,Ia + Ib + Ic = 0。

Uφ  = (Zs - Zm)*Iφ,故有:

Z1 = Z2 = Zs - Zm

当通入三相零序电流时,Ia = Ib = Ic = I0。

Uφ  = (Zs + 2Zm)*Iφ,故有:

Z0 = Zs + 2Zm

上述两式联立,易得:

Z0 - Z1 = 3Zm

注意:Z0 - Z1 体现了线路之间的互感Zm,且Z0 > Z1。


据此,得到三相电压示意图:


微信图片_20211205131948.jpg

5
接地阻抗与相间阻抗
1) 接地阻抗Zφ

Uφ = Iφ*Z1 + I0*(Z0 - Z1)

= Z1(Iφ + 3I0*(Z0 - Z1)/3Z1)

= Z1(Iφ + 3I0*K)

其中 K = (Z0 - Z1)/3Z1,故有:

Zφ = Uφ / (Iφ 3I0*K)

注意:电压Uφ与电流Iφ的比值并不等于线路正序阻抗Z1,当Iφ补偿了3I0*K之后,测量阻抗Zφ等于线路正序阻抗Z1。


2) 相间阻抗 Zφφ

Um = Im*Z1 + I0*(Z0 - Z1)

Un = In*Z1 + I0*(Z0 - Z1)


上面两公式相减,剔除了零序电流I0产生的电压降:

Um - Un = (Im - In)Z1,故有:

Zφφ = Uφφ / Iφφ

6
进一步的思索

  • 若考虑架空地线对输电线路的互感,输电线路Z0和Z1分别会受什么影响?

  • 当Z0 < Z1时,单相短路电流 > 三相短路电流,如何从零序补偿系数的角度来解释?