电网距离保护作用原理及实现.doc

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第三章电网的距离保护

第一节距离保护的作用原理

一﹑基本概念

电流保护的优点：

简单﹑可靠﹑经济。

缺点：

选择性﹑灵敏性﹑快速性很难满足要求（尤其35kV以上的系统）。

距离保护的性能比电流保护更加完善。

，反映故障点到保护安装处的距离——距离保护，它基本上不说系统的运行方式的影响。

二﹑距离保护的时限特性

距离保护分为三段式：

I段：

，瞬时动作主保护

II段：

，t=0.5’’

III段：

躲最小负荷阻抗，阶梯时限特性。

————后备保护

第二节阻抗继电器

阻抗继电器按构成分为两种：

单相式和多相式

单相式阻抗继电器：

指加入继电器的只有一个电压UJ（相电压或线电压）和一个电流IJ（相电流或两相电流之差）的阻抗继电器。

——测量阻抗

ZJ=R+jX可以在复平面上分析其动作特性

它只能反映一定相别的故障，故需多个继电器反映不同相别故障。

多相补偿式阻抗继电器：

加入的是几个相的补偿后的电压。

它能反映多相故障，但不能利用测量阻抗的概念来分析它的特性。

本节只讨论单相式阻抗继电器。

一﹑阻抗继电器的动作特性、

BC线路距离I段内发生单相接地故障，Zd在图中阴影内。

由于1）线路参数是分布的，Ψd有差异

2）CT,PT有误差

3）故障点过渡电阻

4）分布电容等

所以Zd会超越阴影区。

因此为了尽量简化继电器接线，且便于制造和调试，把继电器的动作特性扩大为一个圆，见图。

圆1：

以od为半径——全阻抗继电器（反方向故障时，会误动，没有方向性）

圆2：

以od为直径——方向阻抗继电器（本身具有方向性）

圆3：

偏移特性继电器

另外，还有椭圆形，橄榄形，苹果形，四边形等

二﹑利用复数平面分析阻抗继电器

它的实现原理：

幅值比较原理

相位比较原理

（一）全阻抗继电器

特性：

以保护安装点为圆心（坐标原点），以Zzd为半径的圆。

圆内为动作区。

Zdz.J——测量阻抗正好位于圆周上，继电器刚好动作，这称为继电器的起动阻抗。

无论Ψd多大，，它没有方向性。

1.幅值比较原理：

两变同乘，且，所以，这也就是动作方程。

2.相位比较原理

分子分母同乘以IJ，

（二）方向阻抗继电器

以Zzd为直径，通过坐标原点的圆。

圆内为动作区。

Zdz.J随ΨJ改变而改变，当

ΨJ等于Zzd的阻抗角时，Zdz.J最大，即保护范围最大，工作最灵敏。

Ψlm——最大灵敏角，它本身具有方向性。

1.幅值比较原理：

2.相位比较原理：

（三）偏移特性阻抗继电器

正方向：

整理阻抗Zzd

反方向：

偏移-αZzd（α<1）

圆内动作。

圆心

半径：

Zdz.J随ΨJ变化而变化,但没有安全的方向性。

1.幅值比较原理

2.相位比较原理

总结三种阻抗的意义：

1）测量阻抗ZJ：

由加入继电器的电压UJ与电流IJ的比值确定。

2）整定阻抗Zzd：

一般取继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗。

全阻抗继电器：

圆的半径

方向阻抗继电器：

在最大灵敏角方向上圆的直径

偏移特性阻抗继电器：

在最大灵敏角方向上由原点到圆周的长度。

3）起动阻抗（动作阻抗）Zdz.J：

它表示当继电器刚好动作时，加入继电器的电压UJ和电流IJ的比值。

除全阻抗继电器以外：

Zdz.J随ΨJ的不同而改变。

当ΨJ=Ψlm时，Zdz.J=Zzd，此时最大。

三﹑阻抗继电器的构成

主要由两大基本部分组成：

电压形成路和幅值比较或相位比较回路。

UA﹑UB﹑UC﹑UD基本上是由UJ和IJZzd组合而成。

而UJ可直接从PT二次侧取得，必要时经YB变换。

而IJZzd则经过DKB获得。

（一）方向阻抗继电器交流回路的原理接线

其它的继电器的交流回路的组成，可参照此图自行作成。

（二）幅值比较回路

将UA和UB分别整流后进行幅值比较，有两种类型：

1．均压式

UA整流后在R1上产生Ua，

UB整流后在R2上产生Ub。

继电器反应Uab=Ua-Ub而动作。

2．环流式

UA整流后在R1回路产生Ia,

UB整流后在R2回路产生Ib。

继电器反应Ia-Ib而动作。

（三）相位比较回路

它是以测定UC和UD同时为正的时间来判断它们的相位。

2．脉冲式比相电路

加移相器后移相90º，

第三节阻抗继电器的接线方式

一﹑基本要求

要使ZJ正比于ld，且与故障类型无关。

二﹑常用接线方式

参见P90，表3-2，其中0º接线，+30º接线和-30º接线的阻抗继电器用于反映各种相间短路。

相电压和具有k3I0补偿的相电流接线用于反映各种接地故障。

三﹑分析

（一）母线残压计算公式：

假设：

Z1=Z2，不计负荷电流

（其中：

k=（Z0-Z1）/3Z1，零序补偿系数）

同理：

（二）0º接线方式的分析（设nPT=nl=1）

1．三相短路

因为三相对称，继电器1，继电器2，继电器3工作情况完全相同，所以就以继电器1为例分析。

同理ZJ2=Zj3=Z1ld

结论：

在三相短路时，ZJ1，ZJ2，ZJ3均等于短路点到保护安装处点的线路正序阻抗。

2．两相短路

以BC两相短路为例。

结论：

接于故障环路的阻抗继电器可以正确反映保护安装处到故障点之间的线路正序阻抗。

其余两只阻抗继电器的测量阻抗很大，不会动作。

这也就是为什么要用三个阻抗继电器并分别接于不同相间的原因。

3．中性点直接接地电网的两相接地短路

仍然以BC两相接地短路为例

结论：

同两相短路。

（三）接地短路阻抗继电器的接线方式

以A相接地短路为例

可见：

它能正确测量以短路点到保护安装处之间线路正序阻抗。

均不动

所以必须采用三个阻抗继电器。

该接线方式能正确反映两相短路和三相短路。

（自行分析）

第四节方向阻抗继电器的特性分析

由于方向阻抗继电器的应用最为广泛，故进一步分析之。

一﹑方向阻抗继电器的死区和清除方法

（一）产生死区的原因

在保护正方向出口发生相间短路时，UJ=0，继电器不动作。

发生这种情况的一定范围，就称为“死区”。

1．幅值比较式

而实际上，继电器的执行元件动作需要一定的功率，所以继电器不动。

2．相位比较式

因为UJ=0，无法比相，所以继电器不动。

（二）消除死区的方法

引入极化电压UP，要求如下：

1）与UJ同相位

2）出口短路时，UP应具有足够的数值或能保持一段时间逐渐衰减到零。

（三）获取极化电压的方法

分析如下：

1．记忆回路

它是由一个R，L，C组成的工频串联谐振电路。

因为wL=1/wc，电路呈纯阻性，所以当出口短路时，UJ=0。

借助谐振，Up在一定时间内逐渐衰减，其相位保持原先的相位不变。

这就相当于把原先的电压记忆下来，故称为“记忆回路”。

2．引入非故障电压

正常运行时，UAB较大，RS又很大。

IR主要由UAB产生，第三相电压基本上不起作用。

当AB相间短路时，UAB=0，记忆回路发挥作用。

但Up将逐渐衰减到零，此时第三相电压的作用将表现出来。

因为，所以IS与UAC同相位。

见左边向量图，Up与UAB（EAB）同相位

所以出口两相短路时，因为第三相电压而产生的Up可保证继电器的方向性。

但三相短路时，无第三相电压，故不能消除出口三相短路的死区。

其它方法：

集成电路保护中，利用高Q值的50HZ带通有源滤波器响应特性的时间延迟，起到记忆作用。

微机保护中，可用故障前电压与故障电流比相来实现。

（二）极化电压的引入对方向阻抗继电器初态特性的影响

稳态特性：

在正常运行和短路后达到稳态时的继电器动作特性。

初态特性：

在发生短路的最初瞬间，继电器的动作特性。

短路发生后，Up有一个过渡过程。

继电器特性则由初态特性逐步向稳态特性过渡。

1．稳态特性分析

分析如下：

（1）幅值比较式

BA

B’A’

当临界动作时，，

所以引入Up不改变继电器的静态特性。

而当正方向出口短路时，UJ=0

能满足，故能消除死区，且能防止反方向出口短路时误动。

（2）相位比较式

因为Up与UJ同相位，所以

所以极化电压Up并不改变继电器的稳态特性。

而正方向出口短路时，，而。

因而继电器能够正确判别方向，即能消除死区。

2．初态特性（设nl=nPT=1）

（1）正方向短路时：

空载

其动作特性是以Zzd，-Zs末端连线为直径的圆。

结论：

1）初态特性圆包括坐标原点，故保证出口短路时可靠动作。

2）初态特性圆比稳态特性圆大，有利于躲过渡电阻的影响。

3）正方向的保护范围不变。

（2）反方向短路时

其动作特性是Zzd，Z0’末端的连线为直径的圆。

结论：

在反方向短路时，继电器有明确的方向性。

第五节阻抗继电器的精确工作电流

阻抗继电器式利用测量阻抗来反映故障点的位置，即与的比值，其动作特性在理想条件下是常数，也就是说与无关。

例：

全阻抗继电器（整流型）

理想临界动作条件：

.即

实际上执行元件是需要动作功率的，即实际临界动作条件为：

由此可见，与，有关（）

的关系曲线可绘制如下图

由图可见，当较小时，将比整定阻抗明显减小，即实际的保护范围将比整定范围小，这将影响到与它相邻的保护的配合，而可能引起非选择性动作。

每个阻抗继电器都有它实际的曲线，为了把动作阻抗与整定阻抗的差距限制在一定的范围内，规定了精确工作电流这项指标。

精确工作电流：

是指继电器的动作阻抗与整定阻抗之间的差距等于整定阻抗的10％（即＝0.9）时，加入阻抗继电器的电流。

记做。

当保护范围末端短路时，应大于或等于，才能保证，此误差在选择可靠系数时已考虑。

第六节影响距离保护正确动作的因素及防止方法

阻抗继电器的测量阻抗时受很多因素影响的。

主要有：

①．短路点的过渡电阻；

②．电力系统振荡；

③．保护安装处与故障点之间有分支电路；

④．CT,PT的误差；

⑤．PT二次回路断线；

⑥．串连补偿电容。

本节着重讨论①,②两因素的影响及相应的措施。

一.短路点过渡电阻的影响及相应措施：

短路一般是非金属性的，即存在过渡电阻使得测量阻抗变化，保护范围可能缩短，可能

超范围或反方向误动。

（一）.过渡电阻的影响：

1.过渡电阻的性质：

————电弧电阻

————电弧电阻，杆塔电阻，大地电阻

阻抗继电器感受到的可能不是纯电阻性的。

其中为附加阻抗，，α为超前的角度

讨论：

①.,单侧电源网络

纯电阻性增大

②..双侧电源网络

受电侧α>0,电阻电感性电抗部分增大

送电侧α<0,电阻电容性电抗部分减小

2.单侧电源网络中过渡电阻的影响

BC线路出口经短路

当较大，超出其Ⅰ段范围而落入Ⅱ段范围内，而仍在Ⅱ段的保护范围内，则保护1和2将同时以第Ⅱ段时限动作，造成保护误动。

小结：

①.短路点距保护安装处越近，影响越大，反之影响越小；

②.保护装置整定值越小，相对的受过渡电阻影响越大

3.双侧电源网络中过渡电阻的影响：

BC线路出口经短路

M侧为送电侧

①.保护3：

正方向出口短路，α<0，落在第四象限，拒动

②.保护2：

反方向出口短路，落在第二象限，误动

③.保护1：

区外短路，落入动作特性圆，误动

以上分析是针对方向阻抗继电器，对其它特性阻抗继电器也有类似的情形。

一般而言，

阻抗继电器动作特性在＋R轴方向上所占面积越大，受过渡电阻的影响就越小。

（二）.减小过渡电阻的措施：

两种措施：

①．在保护范围不变的前提下，采用动作特性在＋R轴方向上有较大面积的阻抗继电器（参看P105.图3－58）

②.采用瞬时测量装置：

（——电弧长度，——电弧电流）

短路初瞬，较小，较大（有非周期分量），所以很小；0.1～0.15s后，拉长，减小（非周期分量衰减），所以增大。

距离Ⅰ段：

t小于40ms，很小，可以忽略不计

距离Ⅱ段：

t为或很长，应采取措施。

距离Ⅲ段：

因为特性圆较大，影响较小

所谓瞬时测量，就是把距离元件的最初动作状态通过起动元件的动作固定下来。

当电弧电阻增大时，距离元件不会因为电弧电阻的增大而返回，仍以预定的动作时限跳闸。

短路初瞬，起动元件1：

Ⅱ段阻抗元件2动作，因而起动中间继电器3，3起动后通过其触点①自保持。

而当,阻抗元件2返回。

保护仍能在时间元件4动作后，经中间继电器3的触点②去跳闸。

注：

d点短路，保护3的Ⅰ段动作于跳闸，保护5Ⅱ段跳。

对保护1，因d点在其第Ⅱ段保护范围内，起动元件和Ⅱ段测量元件动作，若采用瞬时测量，则会误动。

所以只在单回线辐射形电网中的距离Ⅱ段上采用。

二．电力系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路

振荡时，系统中各发电机电势间的相角差随时间作周期性变化，从而使系统中各点电压，线路电流以及距离保护的测量阻抗也将发生周期性变化，可能导致距离保护和企图确保护动作。

但通常系统振荡若干周期后，多数情况下能自行恢复同步，若此时保护误动，势必造成不良后果，因而使不允许的。

（一）.系统振荡使，电压，电流的变化规律

几点假设：

①.全相振荡时，系统三相对称，故可只取一相分析；

②.两侧电源电势和电势相等，相角差为

③.系统中各元件阻抗角均相等，以表示

④．不考虑负荷电流的影响，不考虑振荡同时发生短路。

电流：

振荡电流的有效值随变化（包络线）

电压：

系统中总有一点的电压为最低，其值为由0向相量所做的垂线的长度，该点则称为振荡中心，以z表示。

当且系统中各元件阻抗角相等时，振荡中心的位置在全系统纵向阻抗的中点（即处）。

当时，，I最大，相当于在线路z点发生三相短路。

振荡周期：

电压的一个最大值到下一个最大值所经历的时间，一般发生在0.25~2.5s的范围内。

（二）.系统振荡时测量阻抗时测量阻抗的变化规律

M侧：

因为（参看P108）

所以

,

,

,

可见，当变化，幅值变化，阻抗角亦变化。

注：

可能在第一象限，也可能在第三象限。

（三）.系统振荡时时距离保护的影响：

当测量阻抗进入特性圆内，阻抗继电器就要误动。

全阻抗继电器误动的相角，方向阻抗继电器误动的相角。

因为T＝0.25～2.5之间，所以就可躲振荡的影响

小结：

①.在相同定值下，全阻抗继电器所受（振荡）影响大

②.当保护安装点越靠近振荡中心，受影响越大

措施：

①.延长保护装置的动作时间（如距离Ⅲ段）

②.把定值压低，使振荡中心位于特性圆外

③.增设振荡闭锁回路。

（四）.振荡闭锁回路

1．基本要求：

①.当系统只发生振荡而无故障时，应可靠闭锁保护；

②.区外故障而引起系统振荡时，应可靠闭锁保护

③.区内故障，不论系统是否振荡，都不应闭锁保护。

根据上述基本要求，振荡闭锁回路目前主要采用两种原理：

①.利用短路时出现负序分量而振荡时无负序分量的原理

②.利用振荡和短路时电气量变化速度不同的原理

2．利用负序（和零序）分量元件起动的振荡闭锁回路

起动元件可以利用短路时出现的负序或零序分量起动，也可以利用这些分量的增量或突变量来起动（P115,图3-71）

具体接线参看附录四

①.当系统只振荡，起动元件不动作，保护不会开放；

②.内部短路时，起动元件立即动作，然后自保持，短时开放保护（在此期间允许保护跳闸）

③.外部短路引起系统振荡：

起动元件立即起动（同②），短时开放保护，但在阻抗继电器误动前，短时开放回路已复归，将保护跳闸回路闭锁。

3．反应阻抗变化速度的振荡闭锁回路

利用振荡时各段动作时间不同实现的振荡闭锁

区内故障时：

，，同时动作。

振荡时：

先动（t1）,后动（t2）

第七节距离保护的整定计算原则及对距离保护的评价

一、距离保护的整定计算原则

1.距离保护I段的整定

ABC

123

456

原则：

按躲过线路末端故障整定。

2.距离保护II段的整定

原则1：

与相邻线路的距离I段配合

原则2：

按躲过线路末端变压器低压母线短路整定

（考虑到的计算误差大）

取上述两项中数值小者作为保护II段定值。

动作时间：

灵敏度校验：

按本线路末端故障校验灵敏度。

要求大于1.25。

若灵敏度不满足要求，应与相邻线路距离保护II段配合。

3.距离保护III段整定

原则：

按躲过输电线路的最小负荷阻抗整定。

求最小负荷阻抗：

考虑外部故障切除后，电动机自启动时，距离保护III段应可靠返回。

对于全阻抗继电器，其整定值为：

对于方向阻抗继电器。

其整定阻抗为：

动作时间按阶梯时限原则整定。

在负荷阻抗同样的条件下，采用方向阻抗继电器比采用全阻抗继电器时，距离保护三段的灵敏度高。

灵敏度校验：

近后备的灵敏度：

要求大于1.5

远后备的灵敏度：

求大于1.2

说明方向阻抗比全阻抗继电器灵敏度高的图。

4.最小精确工作电流校验

按各段保护范围末端短路的最小短路电流整定。

二、对距离保护的评价

1.选择性

在、多电源的复杂网络中能保证动作的选择性。

2.快速性

距离保护的第一段能保护线路全长的85%，对双侧电源的线路，至少有30%的范围保护要以II段时间切除故障。

3.灵敏性

由于距离保护同时反应电压和电流，比单一反应电流的保护灵敏度高。

距离保护第一段的保护范围不受运行方式变化的影响。

保护范围比较稳定。

第二、第三段的保护范围受运行方式变化影响。

（分支系数变化）

4.可靠性

由于阻抗继电器构成复杂，距离保护的直流回路多，振荡闭锁、断线闭锁等使接线复杂，可靠性较电流保护低。

应用：

在35KV~110KV作为相间短路的主保护和后备保护，采用带零序电流补偿的接线方式，在110KV线路中也可作为接地故障的保护。

在220KV线路中作为后备保护。

另外，接地阻抗继电器还可作重合闸装置中的选相元件，与高频收发信机配合，可构成高频闭锁（或允许）式距离保护。