继电保护原理3

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1、第3章 电网的距离保护 第3章 电网的距离保护 3.1 距离保护的基本原理 3.1.1 距离保护的基本原理 距离保护是反应保护安装处至故障点的距离，并根据距离的远近而确定动作 时限的一种保护装置。测量保护安装处至故障点的距离，实际上是测量保护 安装处至故障点之间的阻抗（称测量阻抗）大小，故又称阻抗保护。 测量阻抗通常用Zm表示，它定义为保护安装处测量电压 与测量电流之比，即 式中， Zm为一复数 ，在复平面上既可 以用极坐标形式表 示，也可以用直角 坐标形式表示，即 式中 测量阻抗的阻抗值；测量阻抗的阻抗角；测量阻抗的实部，称测量电阻；测量阻抗的虚部，称测量电抗 第3章 电网的距离保护电力系统

2、正常运行时， 近似为额定电压， 为负荷电流，Zm为负荷阻 抗。负荷阻抗的量值较大，其阻抗角为数值较小的功率因数角(一般功率 因数不低于0.9，对应的阻抗角不大于25.8)，阻抗性质以电阻性为主。当线路故障时，母线测量电压为 ，输电线路上测量电流为 这时测量阻抗为保护安装处到短路点的短路阻抗，即 在短路以后，母线电压下降，而流经保护安装处的电流增大，这样短路阻抗 比正常时测量到的阻抗大大降低，所以距离保护反应的信息量测量阻抗 Zm在故障前后的变化比电流变化大，因而比反应单一物理量的电流保护 灵敏度高。 距离保护的实质是用整定阻抗Zset与被保护线路的测量阻抗Zm比较。当短路 点在保护范围以内时，

3、即ZmZset时，保护动作；当ZmZset时，保护 不动作。因此，距离保护又称低阻抗保护。 第3章 电网的距离保护3.1.2 三相系统中测量电压和测量电流的选取 在单相系统中，测量电压 就是保护安装处的电压，测量电流 就是被保护元件中流过的电流，系统金属性短路时两者间的关系为 式中，为单位长度线路的复阻抗，单位为 r1、x1分别为单位长度线路的正序电阻和正序电抗 。上式是距离保护能够用测量阻抗来正确表示故障距离的前提和基础，即只 有测量电压、测量电流之间满足该式，测量阻抗才能准确反应故障的距离 。 在实际三相系统中，可能发生多种不同的短路故障，而在各种 不对称短路时，各相的电压、电流都不再简单

4、地满足上式，需 要寻找满足上式的电压、电流接入保护装置，以构成在三相系 统中可以用的距离保护。 第3章 电网的距离保护现以下图所示网络中k点发生短路故障时的情况为例，对此问题予以分析 故障点k处A、B、C的三相电压；流过保护安装处的三相电流；流过保护安装处A相的正序、负序、零序电流；被保护线路单位长度的正序、负序、零序阻抗， 一般情况下可按正、负序阻抗相等考虑； K零序电流补偿系数， 可以是复数。 设第3章 电网的距离保护按照对称分量法，可以算出K点短路时M母线上各相的电压为 对于不同类型和相别的短路， 故障点的边界条件是不同的， 下面就几种故障情况予以分析 。 加一个 减一个 再进行整理第3

5、章 电网的距离保护1. 单相接地短路故障以A相接地为例，当A相发生金属性短路时， 则有： 若令：则上式变为 与右式具有相同的形式 因而由 算出的测量阻抗能够正确反应故障的距离，从而可以实现对 故障区段的比较和判断。 对于非故障相B、C，若令 由于 不为零， 无法变成 无法变成 所以B、C两非故障相的测量电压、电流不能准确地反应故障的距离。 即A相单相接地时，B、C两相的工作状态与正常负荷状态相差不大，所以在 A相故障时，B、C两相电压、电流算出的测量阻抗接近负荷阻抗，对应的距 离一般都大于整定距离，由它们构成的距离保护一般都不会动作。同理，B相或C相单相接地时情况与此一样。第3章 电网的距离保

6、护2. 两相接地短路故障 系统发生金属性两相接地故障时，故障点处两接地相的电压都为0，以B、C两相接地故障为例，即 令可以得到 可以得到 上两式均与式 形式相同，所以由 或 作出的 测量和判断都能够正确反应故障距离。 非故障相A相故障点处的电压UKA0， 之间不存在 关系 ，且保护安装处的电压、电流均接近正常值，所以B、C两相接地故障时， 用 算出的距离不能正确反应故障的距离，且一般均大于整定距离 。 因则B、C两相接地时可得 令也可得到 形式，因而用它们作为距离保护的测量电压和测量电流 ，同样能够正确反应故障距离。 第3章 电网的距离保护由于在B、C两相接地故障的情况下， 之间不存 在 的关

7、系，所以由它们构成测量电压、测量电流 都不能正确测量故障距离。 由于在测量电压、电流中含有非故障相的电压、电流，且电 压高、电流小，因此它们一般不会动作。 同理可知A、B两相或C、A两相接地故障时各故障相和非故 障相元件的动作情况与B、C两相接地时相同。 第3章 电网的距离保护3. 两相不接地短路故障 在金属性两相短路的情况下，故障点处两故障相的对地电压相等，各相电压都不为0 ，现以A、B两相故障为例，因 则有令可得形式而非故障相C相故障点处的电压与故障相电压不等，作相减运算时不能 被消掉，所以它不能用来进行故障距离的判断。 4. 三相对称短路 三相对称短路时，故障点处的各相电压相等，且三相系

8、统对称 时均为0。这种情况下，选用任意一相的电压、电流或任意两 相间的电压、电流差作为距离保护的测量电压和电流，都可得 到与式 相同的形式，即能正确判断故障距离。 第3章 电网的距离保护5. 故障环路的概念及测量电压、电流的选取 由以上对各种短路类型下正确测量故障距离的分析，可以寻找出接入距离 保护中电压、电流间的规律。 在系统中性点直接接地系统中，发生单相接地时，故障电流在故障相与大 地之间流通；两相接地短路时，故障电流既可在两故障相与大地间流通 ，也可在两故障相间流通；两相不接地短路时，故障电流在两故障相间 流通；而三相短路时，故障电流可在任何两相间流通。 如果把故障电流可以流通的通路称为

9、故障环路，则在单相接地短路时，存 在一个故障相与大地之间的故障环路(相地故障环路)；两相接地短路 时，存在两个故障相与大地间的(相地)故障环路和一个两故障相间的 (相相)故障环路；三相短路接地时，存在三个相地故障环路和三个 相相故障环路。 上述分析表明，故障环路上的电压和环路中流通的电流之间满足 用 它们作为测量电压和测量电流所算出的测量阻抗，能够正确反应保护安 装处到故障点的距离。而非故障环路上的电压、电流之间不满足 由它们算出的测量阻抗就不能正确反应故障距离。第3章 电网的距离保护距离保护应取故障环路上的电压、电流作为判断故障距离的依据，而用非 故障环路上的电压、电流计算得到的距离一般大于

10、保护安装处到故障点 的距离。 对于接地短路，取相地故障环路，测量电压为保护安装处故障相对地电 压，测量电流为带有零序电流补偿的故障相电流，由它们算出的测量阻 抗能够准确反应单相接地故障、两相接地故障和三相接地故障下的故障 距离，这种合理选取相地环路中电流、电压的方法称为接地距离保护 接线方式。 对于相间短路，故障环路为相相故障环路，取测量电压为保护安装处两 故障相的电压差，测量电流为两故障相的电流差，由它们算出的测量阻 抗能够准确反应两相短路、三相短路和两相接地短路情况下的故障距离 ，这种合理选取相相环路中电流、电压的方法称为相间距离保护接线 方式。 两种接线方式的距离保护在各种不同类型短路时

11、的动作情况如表3-1所示。 第3章 电网的距离保护 3.1.3 距离保护的时限特性 距离保护是利用测量阻抗来反应保护安装处至短路点之间的距离，当两个故 障点分别发生在线路的末端或下一级线路始端时，保护同样存在无法区分 故障点选择性的问题，为了保证选择性，目前获得广泛应用的是阶梯形时 限特性，这种时限特性与三段式电流保护的时限特性相同，一般也做成三 阶梯式，即有与三个动作范围相对应的三个动作时限，如图所示。 距离I段为无延时的速 动段，其动作时限仅为 保护装置的固有动作时 间。 距离II段为带延时的速动 段，其动作时限和启动值 要与相邻下一条线路保护 的I段和II段相配合。 距离III段为本线路

12、和相邻线路(元件)的后备保护，其动作时限的整定原则与 过电流保护相同，即比下一条变电站母线出线保护的最大动作时限大一个时 限级差，其动作阻抗应按躲过正常运行时的最小负荷阻抗来整定。 第3章 电网的距离保护3.1.4 距离保护的组成 距离保护装置一般由以下五个部分组成： 1. 启动部分 作用：当被保护线路发生故障时，瞬间启动保护装置，以判断线路是否发生 了故障，并兼有后备保护的作用。 所用元件：通常采用过电流继电器或阻抗继电器。为了提高元件的灵敏度， 也可采用反应负序电流或零序电流分量的复合过滤器。 2. 测量部分 作用：用来测量保护安装处至故障点之间的距离，并判别短路故障的方向。 所用元件：通

13、常采用带方向性的阻抗继电器作测量元件。如果阻抗继电器是 不带方向性的，则需增加功率方向元件来判别故障的方向。 3. 延时部分 作用：用来提供距离保护段、段所需要的动作时限特性。 所用元件：通常采用时间继电器或延时电路作为时间元件。 4. 振荡闭锁部分 作用：用来防止当电力系统发生振荡时，距离保护的误动作。在正常运行或 系统发生振荡时，将保护闭锁，而当系统发生短路时，解除闭锁开放保护。 5. 电压回路断线失压闭锁部分 用来防止电压互感器二次回路断线失压时，引起阻抗继电器的误动作。 第3章 电网的距离保护 3.2 阻抗继电器及其动作特性 阻抗继电器是距离保护装置的核心元件，它主要用来作测量元 件，

14、也可以作启动元件兼作功率方向元件。 阻抗继电器种类繁多： 按其构成方式不同分为电磁型、整流型、晶体管型、集成电路 型和微机型； 按其构成原理不同可分为幅值比较、相位比较和多输入量时序 比较； 按其动作特性不同可分为圆特性、直线特性、四边形特性、苹 果形特性等； 按阻抗继电器的接线方式不同可分为单相式、多相式、滤序式 、多相补偿式等。 第3章 电网的距离保护3.2.1 用复数阻抗平面分析阻抗继电器的特性 按相测量阻抗的继电器称为单相式阻抗继电器，加入继电器中的量只有一 个电压和一个电流。由于电压与电流之比是阻抗，所以测量阻抗可以通 过测量电压和电流来实现。 继电器动作情况取决于测量阻抗的值Zm，

15、当测量阻抗小于预定的整定值时 动作，大于整定值时不动作。 因测量阻抗Zm可以写成R+jX这种复数形式，故可以在复数阻抗平面上用作 图法表示出来，如图所示。 图中相量Zm的模值为 幅角为第3章 电网的距离保护对于输电线路，同样可以在复数阻抗平面上用相量Z表示其阻抗。如图所 示的系统，如果各段线路的阻抗角相同，则该线路在复数阻抗平面上的 形状是一条直线，并超前R轴 角，将线路BC的B端(保护B的安装处) 置于坐标原点，保护B正方向的线路阻抗画在第象限，并超前R轴 角，用相量ZBC表示；保护B反方向的线路AB的阻抗画在第象限，用 ZAB表示，如图所示。 第3章 电网的距离保护对于单相阻抗继电器的动作范围，原则上在阻抗复数平面上用一个小方框 表示就可以满足要求，如图所示。 但是当短路点有过渡电阻存在时，阻抗继电器的测量阻抗将不在幅角为 的直线上。 此外，电压互感器，电流互感器都存在角误差，这样也将使测量阻抗角发 生变化。 所以，要求阻抗继电器的动作范围不是以 为幅角的直线，应将其动作 范围扩大，扩大为一个面或圆(但整定值不变)。 目前已经实现的有圆特性，椭圆特性，橄榄特性，苹果特性，直线特性， 四边形特性等。 在以上各种特性的继