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1、第三章线路阶段式距离保护 3 1距离保护的基本原理 3 3 1距离保护工作原理电流保护一般只适用于35kv及以下电压等级的配电网 对于110kv及以上电压等级的复杂电网 必须采用性能更加完善的保护装置 距离保护就是适应这种要求的一种保护原理 距离保护 反应保护安装地点至故障点之间的距离 并根据距离的远近而确定动作时限的一种保护装置 主要元件为距离继电器 可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至故障点间的阻抗值 距离保护保护范围通常用整定阻抗的大小来实现 测量阻抗 测量电压与测量电流之比 正常运行时保护安装处测量到的阻抗为负荷阻抗 即 在被保护线路任一点发生故障时 测量阻抗为保护安装处到短
2、路点的短路阻抗 3 1 2测量电压测量电流的选取 在单相系统中 测量电压就是保护安装处的电压 测量电流就是线路中的电流 系统金属性短路时两者之间的关系为 在实际三相系统的情况下 故障电流可能流通的通路称为故障环 1 单相接地故障的情况下 存在一个故障相与大地之间的故障环 相 地故障环 2 两相接地故障的情况下 存在两个故障相与大地之间的相 地故障环和一个两故障相之间的故障环 相 相故障环 3 两相不接地故障的情况下 存在一个两故障相之间的相 相故障环 4 三相故障的情况下 存在三个相 地故障环和三个相 相故障环 距离保护的正确工作是以故障距离的正确测量为基础的 所以应以故障环上的电压电流做出的
3、测量作为判断故障范围的依据 对非故障环上电压电流做出的测量应不予反映 以保护安装处故障相对地电压为测量电压 以带有零序电流补偿的故障相电流为测量电流的方式 就能够正确地反应各种接地故障的故障距离 所以它称为接地距离保护接线方式 以保护安装处两故障相相间电压为测量电压 以两故障相电流电流之差为测量电流的方式称为相间距离保护接线方式 3 1 3 时限特性距离保护的动作时间t与保护安装处到故障点之间的距离l的关系称为距离保护的时限特性 目前获得广泛应用的是阶梯型时限特性 称为距离保护的 段 3 1 4距离保护的组成 阻抗继电器是距离保护装置的核心元件 其主要作用是测量短路点到保护安装处之间的距离 并
4、与整定阻抗值进行比较 以确定保护是否应该动作 和的比值称为继电器的测量阻抗 由于可以写成的复数形式 所以可以利用复数平面来分析这种继电器的动作特性 并用一定的几何图形把它表示出来 3 2阻抗继电器及其动作特性 3 2 1园特性阻抗继电器 两种不同的表达形式 绝对值 或幅值 比较动作方程 比较两个量大小的绝对值比较原理表达式 相位比较动作方程 比较两个量相位的相位比较原理表达式 1 偏移圆特性有两个整定阻抗 正方向整定阻抗和反方向整定阻抗 两整定阻抗对应矢量末端的连线就是特性圆的直径 特性圆包括座标原点 圆心 半径 2 方向圆特性 特性 方向阻抗继电器的动作特性是以整定阻抗为直径并且圆周经过坐标
5、原点的一个圆 圆内为动作区 圆外为非动作区 圆周是动作边界 特点 动作具有方向性 方向阻抗继电器特性圆 全阻抗继电器 特性 全阻抗继电器的动作特性是以保护安装点为圆心 以整定阻抗Zset为半径所作的一个圆 圆内为动作区 圆外为非动作区 圆周是动作边界 特点 动作无方向性 动作阻抗与整定阻抗相等 全阻抗继电器特性圆 3 2 2 多边形动作特性的阻抗继电器如图3 8所示 阻抗继电器准四边形动作特性 准四边形以内为动作区 以外为不动区 即测量阻抗末端位于准四条边上为动作边界 设测量阻抗的实部为 虚部为 则图3 8在第 象限部分的特性可以表示为第 象限部分的特性可以表示为第 象限部分的特性可以表示为综
6、合以上三式 动作特性可以表示为 其中若取 则 式 3 11 又可表示为 3 12 该式可以方便地在微机保护中实现 3 3距离保护整定计算与对距离保护的评价 1 距离I段整定原则 躲过下一线路出口短路 2 距离II段 整定原则 1 与下一相邻线路距离I段配合 2 与相邻变压器的快速保护相配合 两者取较小者作为整定阻抗 保护安装处和故障点间分支线对距离保护影响1 助增电流的影响 结论1 助增电流的存在 使AB线路A侧阻抗继电器的测量阻抗增大 这意味着其保护范围将会缩短 相当于灵敏度下降解决 在整定计算中解决 灵敏度校验时引入最大分支系数 2 外汲电流的影响 结论2 汲出电流的存在 使阻抗继电器的测
7、量阻抗减小 保护范围延长 可能造成保护无选择动作 解决 在整定计算中解决 计算动作电流时引入最小分支系数 灵敏度校验 3 距离III段 整定原则 躲过本线路最小负荷阻抗 若采用方向特性 灵敏度校验 4 将整定参数换算到二次侧 5 整定计算举例 例3 1 在图所示110kV网络中 各线路均装有距离保护 已知ZsA max 20 ZsA min 15 ZsB max 25 ZsB min 20 线路AB的最大负荷电流IL max 600A 功率因数为0 85 各线路每公里阻抗Z1 0 4 km 线路阻抗角 70 电动机的自起动系数Kast 1 5 保护5三段动作时间 2s 正常时母线最低工作电压U
8、L min取等于0 9UN UN 110kV 试对其中保护1的相间保护短路 段进行整定计算 各段均采用相间接线的方向阻抗继电器 2 距离I段整定计算 1 动作阻抗 解 1 有关各元件阻抗值的计算 3 距离II段整定计算 1 动作阻抗 按下列两个条件选择 1 与相邻线路保护3的I段配合 2 动作时间 为保护3I段末端发生短路时对保护1而言的最小分支系数 如图3 12所示 当保护3I段末端点短路时 分支系数按下式计算 因而 3 动作时限 与相邻I段瞬时保护配合 2 灵敏性校验 这里 故整定阻抗为 1 动作阻抗 按躲开最小负荷阻抗整定 4 距离III段的整定计算 2 灵敏性校验 1 当本线路末端短路
9、时 满足要求 2 相邻线路末端短路时 3 动作时间 3 3 2对距离保护的评价1 主要优点 1 能满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求 2 阻抗继电器是同时反应电压的降低与电流的增大而动作的 因此距离保护较电流保护有较高的灵敏度 其中 段距离保护基本不受运行方式的影响 而 段仍受系统运行方式变化的影响 但比电流保护要小些 保护区域和灵敏度比较稳定 2 主要缺点 1 不能实现全线瞬动 对双侧电源线路 将有全线的30 40 范围以第 段时限跳闸 这对稳定有较高要求的超高压远距离输电系统来说是不能接受的 2 阻抗继电器本身较复杂 还增设了振荡闭锁装置 电压断线闭锁装置 因此 距离保护装置调试比较
10、麻烦 可靠性也相对低些 3 4距离保护的振荡闭锁 3 4 1振荡闭锁的概念 3 4 2电力系统振荡对距离保护测量元件的影响 3 4 3距离保护的振荡闭锁措施 3 4 1振荡的闭锁的概念及要求 振荡 并联运行的电力系统或发电厂失去同步的现象 振荡原因 联络线中传输的功率过大而导致静稳定破坏 电力系统受到大的扰动 如短路 大机组或重要联络线的误切除等 而导致暂态稳定破坏 振荡特点 系统两侧等效电动势间的夹角在00 3600范围内作周期性变化 系统中各点的电压 线路电流 功率方向以及距离保护的测量阻抗也都呈现周期性变化 振荡闭锁 防止系统振荡时保护误动的措施 系统发生振荡而没有故障时 应可靠地将保护
11、闭锁 且振荡不平息 闭锁不解除 系统发生各种类型的故障时 保护不应被闭锁 以保证保护正确动作 振荡过程中再发生故障时 保护应能够正确地动作 即保护区内故障可靠动作 区外故障可靠不动 若振荡的中心不在本保护的保护区内 则阻抗继电器就不可能因振荡而误动 这种情况下保护可不采用振荡闭锁 3 4 2电力系统振荡对距离保护测量元件的影响 1 电力系统振荡时电流 电压的变化规律 设系统两侧等效电动势和的幅值相等 相角差 即功角 为 等效电源之间的阻抗为 它们之间的相位关系如图3 14 c 所示 以为参考相量 当 在0o 360o之间变化时 相当于相量在0o 360o范围内旋转 由图可以看出电势差的有效值为
12、 所以线路电流的有效值为 电流有效值随 变化的曲线如图3 14 b 所示 变化的轨迹如图3 14 a 中的虚线圆周所示 M N两母线处的电压相量和标在图3 14 a 中 其有效值随 变化的曲线 如图3 14 c 所示 电力系统振荡时 电压最低的这一点称为振荡中心 在系统各部分的阻抗角都相等的情况下 振荡中心的位置就位于阻抗中心处 由图 a 可见 振荡中心电压的有效值可以表示为 2 电力系统振荡时测量阻抗的变化规律 系统振荡时 安装在M点处的测量元件的测量阻抗为 m Z Z m Z m 因为 所以令 所以 如果 和 的幅值不相等 则分析表明 系统振荡时测量阻抗末端的轨迹将不再是一条直线 而是一个
13、圆弧 当 时 设 及 测量阻抗末端的轨迹如图中的虚线圆弧1和2所示 电力系统振荡时 阻抗继电器有可能因测量阻抗进入其动作区而动作 并且整定值越大的阻抗继电器越容易受振荡的影响 在整定值相同的情况下 动作特性曲线在与整定阻抗垂直方向的动作区越大时 越容易受振荡的影响 3 4 3距离保护的振荡闭锁措施 根据对振荡闭锁的要求 利用短路与振荡时电气量变化特征的差异 距离保护一般采用以下几种振荡闭锁措施 1 利用系统故障时短时开放的措施实现振荡闭锁 2 利用阻抗变化率的不同来构成振荡闭锁 3 利用动作的延时实现振荡闭锁 振荡闭锁装置 短时开放 就是在系统没有故障时 距离保护一直处于闭锁状态 当系统发生故
14、障时 短时开放距离保护 若在开放的时间内 阻抗继电器动作 说明故障点位于阻抗继电器的动作范围之内 则保护继续维持开放状态 直至保护动作 将故障线路跳开 若在开放的时间内阻抗继电器未动 则说明故障不在保护区内 则重新将保护闭锁 1 利用系统故障时短时开放的措施实现振荡闭锁 1 反映电压 电流中负序或零序分量的故障判断元件 电力系统系统正常运行或因静稳定破坏而引发振荡时 系统均处于三相对称状态 电力系统发生各种类型的不对称短路时 故障电压 电流中都会出现较大的负序或零序分量 2 反映电流突变量的故障判断元件 系统正常或振荡时电流变化比较缓慢 而在系统故障时电流会出现突变 故障判断元件 起动元件 对
15、系统是否发生故障的判断 仅需要判断系统是否发生了故障 而不需要判出故障的远近及方向 对它的要求是灵敏度高 动作速度快 系统振荡时不误动作 3 利用动作的延时实现振荡闭锁对于按躲过最大负荷整定的III段阻抗继电器来说 测量阻抗落入其动作区的时间一般不会超过1 1 5s 即系统振荡时III段阻抗继电器动作持续的时间不会超过1 1 5s 这样 只要III段动作的延时时间不小于1 1 5s 系统振荡时III段保护就不会误动作 2 利用阻抗变化率的不同来构成振荡闭锁 根据测量阻抗的变化速度不同构成振荡闭锁 3 5距离保护特殊问题的分析 影响距离保护正确动作的因素很多 如电网的接线中可能具有分支电路 输电
16、线路可能具有串联电容补偿 电力系统发生振荡 短路点具有过渡电阻 电流互感器和电压互感器的误差 过渡过程及二次回路断线等等 3 5 1短路点过渡电阻对距离保护的影响1 过渡电阻的性质过渡电阻Rg 是指当相间短路或接地短路时 短路电流从一相流到另一相或相导线流入大地的途径中所通过物质的电阻 包括电弧电阻 中间物质的电阻 相导线与大地之间的接触电阻 金属杆塔的接地电阻等 在相间故障时 过渡电阻主要由电弧电阻组成 电弧电阻具有非线性的性质 其大小与电弧弧道的长度成正比 而与电弧电流的大小成反比 一般可按下式进行估算 在短路初瞬间 电弧电流Ig最大 弧长Lg最短 这时弧阻Rg最小 几个周期后 电弧逐渐伸长 弧阻逐渐变大 相间故障的电弧电阻一般在数欧至十几欧之间 在导线对铁塔放电的接地短路时 铁塔及其接地电阻构成过渡电阻的主要部分 铁塔的接地电阻与大地导电率有关 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它物体对地短路时 过渡电阻更高 对于500kV的线路 最大过渡电阻可达300 而对220kV线路 最大过渡电阻约为100 2 单侧电源线路上过渡电阻的影响 单侧电源线路上
