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1、主讲人：肖仕武 电气与电子工程学院四方研究所Office: 教五B309,North China Electric Power University,第 三 章 电网距离保护,第三章 电网距离保护,一、距离保护基本原理与构成 二、阻抗继电器及动作特性 三、阻抗继电器的实现方法 四、距离保护的整定计算与对距离保护的评价 五、距离保护的振荡闭锁 六、故障类型判别和故障选相 七、距离保护特殊问题的分析 八、工频故障分量距离保护,第一节 距离保护基本原理及构成,一、距离保护的概念,电流保护：反映故障电流大小。简单、经济、工作可靠，适用于35kV及以下电网；受系统运行方式变化的影响较大，难以满足高压和超
2、高压电网快速、有选择性地切除故障的要求。 距离保护：利用短路时电压、电流同时变化的特征，反应故障点至保护安装点之间的距离，并根据距离的远近而确定动作时间。,通过选取适当的接线方式，使得测量阻抗与故障距离 L 成正比。,M N,R,j X,依据测量阻抗在不同情况下幅值和相位的“差异”，保护就能够区分出系统是否发生故障以及故障发生的范围。,：是测量电流,：是测量电压,：是测量阻抗,：是测量电阻,：是测量电抗,三相系统中测量电压和测量电流的选取（距离保护的接线方式）,若使距离保护正确工作，测量阻抗在不同故障类型情况下均能正确反应故障距离，必须选取适当的接线方式。对接线方式的基本要求：,测量电压、测量
3、电流的选取形式，称为接线方式。,2）测量阻抗应该与故障类型无关，即在故障位置确定情况下，测量阻抗不随故障类型的变化而变化。,， 是故障距离。,1）测量阻抗正比于短路点到保护安装点之间的距离；,阻抗继电器的接线方式主要有两种： 1、相间距离继电器接线（ 0 接线方式），反应相间故障； 2、接地距离继电器接线方式（相电压和具有K3I0补偿的相电流接线），反应接地短路故障。,三相系统中测量电压和测量电流的选取（距离保护的接线方式）,(1) 接地距离保护的接线方式,1) 三相短路,2) 单相接地短路,假设A 接地短路:,3) 两相接地短路,假设AB 接地短路:,4) 两相相间短路,假设AB 相间短路:
4、,（2）相间距离保护的 接线方式,1) 三相短路,2) 两相相间短路,假设AB 相间短路:,3) 两相接地短路,假设AB 接地短路:,4) 单相接地短路,假设A 接地短路:,为保证距离保护的正确工作，测量电压、测量电流应取用故障环路（故障电流流通的回路）上电压、电流量。,接地短路的故障环路为 相地故障环路； 相间短路的故障环路为 相相故障环路。,三、阶段式距离保护（距离保护的时限特性）,每一线路装设有三段式距离保护，段、段、段之间，并与相邻线路三段式距离保护共同构成了较完善的保护系统。,四、距离保护的构成,启动部分：判别系统是否发生故障，故障时能瞬间启动保护 测量部分：测量故障距离（阻抗），由
5、阻抗元件构成，三段 振荡闭锁：系统振荡时，防止距离保护误动 PT 断线： 防止由于测量电压消失而使测量部分误动,第二节 阻抗继电器及其动作特性,阻抗继电器：测量保护安装点至短路点之间的距离，与整定阻抗比较，确定故障范围，决定保护是否应该动作。,由于互感器误差、故障点过渡电阻等因素的影响，Zm并不能严格落在与Zset同向直线上，而是附近的一个区域中，为保证区内故障时正确动作，通常将动作区域设定为圆或四边形。,阻抗继电器的动作特性由阻抗复平面图上的阻抗动作区来表示。,阻抗动作区：是阻抗复平面图上的一个区域，当测量阻抗落在区域内，则阻抗继电器认为是内部故障，继电器动作,一、阻抗继电器的动作特性,阻抗
6、继电器动作区域的形状，称为动作特性（圆特性、四边形特性）；描述动作特性的数学方程，称为动作方程。,1）全阻抗圆特性 以保护按照点为圆心，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。,动作特性取决于短路点到保护安装处之间的阻抗大小，与阻抗角无关。,三种圆特性的阻抗动作区： 1. 全阻抗继电器特性 2. 方向阻抗继电器特性 3. 偏移阻抗继电器特性,动作方程：（1）幅值比较方式（2）相位比较方式,全阻抗圆特性的缺陷：正向、反向故障情况下具有相同的保护区，即阻抗元件本身不具备方向性。,2）方向阻抗圆特性以保护安装点为圆心，以整定阻抗Zset为直径所作的一个圆，圆内为动作区，圆
7、外为非动作区。,动作特性与短路点到保护安装处之间的阻抗大小以及阻抗角都有关。,当测量阻抗的阻抗角不同时，方向阻抗元件的动作阻抗也不相同，当等于整定阻抗的阻抗角set时，动作阻抗达到最大，等于Zset ，此时方向阻抗元件的保护范围最大，工作最灵敏，因此set也称为最大灵敏角sen,动作方程：（1）幅值比较方式,（2） 相位比较方式,方向阻抗元件在第三象限无动作区，当保护反方向发生故障时不动作，阻抗元件本身具有方向性。,3）偏移圆特性有两个整定阻抗，即正方向整定阻抗Zset1和反方向整定阻抗Zset2，以保护安装点为圆心，以两整定阻抗对应矢量末端的连线为直径所作的一个圆，圆内为动作区，圆外为非动作
8、区。,圆心坐标：,圆的半径：,动作方程：（1）幅值比较方式：,动作方程：（2）相位比较方式：,偏移特性阻抗元件在第三象限有一段小的动作区，能够消除方向阻抗元件在正向出口处的保护死区，但同时反方向故障也存在误动的可能，所以没有完全的方向性。,测量阻抗、整定阻抗、起动阻抗的意义和区别,1、测量阻抗 ：,由加入继电器的测量电压和测量电流计算得出。,2、整定阻抗 ：,取继电器安装点到保护范围末端的线路阻,抗作为整定阻抗。由线路阻抗整定计算得出。,3、起动阻抗 ：表示当继电器,刚好动作时，加入继电器电压 和电流 的比值，整定阻抗 模值随 的不同而改变。,幅值比较和相位比较之间的关系（互换性）：（1）幅值
9、比较原理：（2）相位比较原理：,幅值比较方式与相位比较方式之间具有互换性，可以 用其中任意一种来分析，但需要注意： （1）只适用于A、B、C、D为同一频率正弦交流量； （2）短路暂态过程中的非周期分量不成立。,其他圆特性的阻抗继电器,1）上抛圆特性； 2）特性圆的偏转。,其他形状阻抗动作区的阻抗继电器,1）苹果形特性和橄榄形特性阻抗继电器； 2）直线特性的阻抗继电器； 3）多边形特性的阻抗元件； 4）复合特性的阻抗元件,5. 动作角度范围变化对继电器特性的影响,橄榄形（透镜型）继电器：,苹果型继电器：,折线型继电器：,第三节 阻抗继电器的实现方法,阻抗继电器的两种实现方法： （1）精确测量出测
10、量阻抗Zm，然后把它与事先确定的动作特性进行比较。如果Zm在动作区域内，判为内部故障，发出动作信号。 （2）根据阻抗继电器的动作方程，即幅值比较不等式动作方程或相位比较不等式动作方程来实现。,一、幅值（绝对值）比较原理和相位比较原理的实现,1. 模拟式距离保护中的实现,在模拟式距离保护中，绝对值比较原理都是以电压的形式实现的。,模拟式距离保护的相位比较原理也是以电压比较的形式实现的。,2. 数字式距离保护中的实现,在数字式保护（微机保护）中，利用微机强大的数值计算和存储能力，可以精确的计算出 、 和 。然后代入幅值比较不等式动作方程或相位比较不等式动作方程，如果满足不等式方程，则判断为内部故障
11、，发出动作命令。,在数字式保护中，实现的关键是计算 、 和 。,这些关键的相量在微机保护中，可以基于电流、电压的瞬时采样值，通过微机保护的算法计算得到。这些算法包括两点乘积算法、导数算法、傅氏算法和解微分方程算法得到。,二、比较工作电压相位法实现的故障区段判断,1. 比较工作电压相位法的基本原理,工作电压 ：又称为补偿电压。,，其中 是整定阻抗。,M N,可见，补偿电压 就是线路整定点z处的运行电压。 其大小接近线路额定电压，相位基本同 。,M N,（1）正方向区外K2点短路时： 与 同相位。,（2）反方向区外K3点短路时： 与 同相位。,（3）正方向区内K1点短路时： 与 相位相反。,所以应
12、用补偿电压 和 之间的相位关系，可以实现保护区域内故障的判断，即补偿电压和测量电压相位相反时，为区内故障。,，则表示为区内故障。,动作方程为：,2. 以正序电压为参考电压的测量元件,工作电压 ：又称为补偿电压。,参考电压 ：作为判断 相位的参考， 也是一种参考电压。,当采用测量电压 作为参考电压 时，无法保证线路正向出口短路时的选择性。因为当正向出口短路时，有：,，无法确定电压 的相位。,在这种情况下，需要选择其它不同的电压来作为参考电压 。,所以，引入正序电压 作为参考电压 ，即,在接地距离接线方式下，以A相为例，A相正序电压为 在相间距离接线方式下，以BC相为例，其正序电压为,参考电压是正
13、序电压 时在各种故障情况下的分析,（1）A相出口单相接地短路故障。保护安装处的三相电压为：,其中， 、 和 是故障 前母线处B、C和A相的电压。,则A相正序电压为：,出口单相接地故障时，故障相正序电压的相位与该相故障前的电压相位相同，幅值等于其2/3。,参考电压是正序电压 时在各种故障情况下的分析,（2）A、B两相出口接地短路故障。保护安装处的三相电压为：,出口两相接地短路故障时，两故障相正序电压的相位与该两相故障前的电压相位相同，幅值等于其1/3。,（3）A、B两相出口相间短路故障。保护安装处的三相电压为：,经过推导有：,出口两相相间短路故障时，两故障相正序电压的相位与该两相故障前的电压相位
14、相同，幅值等于其1/2。,（4）A、B、C三相出口短路故障。,出口三相短路时，各相正序电压为0，正序参考电压将无法应用。,正序电压 为参考电压的测量元件的动作特性,测量元件的动作方程为：,对于按接地距离保护接线方式而言，有,所以，测量元件的动作方程变为：,正序电压 为参考电压的测量元件的动作特性,（1）在正向故障时的动作特性，即K1、K2点故障,M N,最终有：,（2）在反向故障时的动作特性，即K3点故障,M N,最终有：,以记忆电压为参考电压的测量元件,在以测量电压 或正序电压 为参考电压，在出口三相对称短路时三相电压都降为0，而失去比较的依据，从而产生动作死区。 为了克服上述方法，可以利用故障前的记忆电压作为参考电压 。,
