繼電保護電網(wǎng)距離保護PPT課件

1、3.1 距離保護的基本原理與構(gòu)成 一、距離保護的基本概念 電流保護對于容量大、電壓高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，難于滿足電網(wǎng)對保護的要求。一般只適用于35kv及以下電壓等級的配電網(wǎng)。 對于110kv及以上電壓等級的復(fù)雜電網(wǎng)，必須采用性能更加完善的保護裝置，距離保護就是適應(yīng)這種要求的一種保護原理。 距離保護：反應(yīng)保護安裝地點至故障點之間的距離，并根據(jù)距離的遠近而確定動作時限的一種保護裝置。 主要元件為距離繼電器，可根據(jù)其端子上所加的電壓和電流測知保護安裝處至故障點間的阻抗值。距離保護保護范圍通常用整定阻抗 的大小來實現(xiàn)。setZ第1頁/共51頁 二、測量阻抗與故障距離 正常運行時保護安裝處測量到的阻抗為負

2、荷阻抗，即 式中 被保護線路母線的相電壓，測量電壓； 被保護線路的電流，測量電流； 測量電壓與測量電流之比，測量阻抗。 在被保護線路任一點發(fā)生故障時，保護安裝處的測量電壓為 ，測量電流為故障電流 ，這時的測量阻抗為保護安裝處到短路點的短路阻抗 ， 當短路點在保護范圍以外時，即 時繼電器不動。當短路點在保護范圍內(nèi)，即 時，繼電器動作。LmmmZIUZmUmImZkmUUkIkZkkkmmmZIUIUZmsetZZmsetZZset1setZz L第2頁/共51頁 三、測量電壓和測量電流的選取 用測量阻抗來表示故障距離的前提：三相系統(tǒng)中，不同的短路應(yīng)該選取不同的測量電壓和測量電流才能滿足要求。一般

3、情況下：1mmmmkmkUI ZI ZI z L011 12200011(3)3AkAAkAkAkkAAkzzUUI z LIz LIz LUIIz Lz01011(3)3BkBBkzzUUIIz Lz01011(3)3CkCCkzzUUIIz Lz第3頁/共51頁 1. 單相接地短路（ ） A相金屬性短路，可取B、C相電壓電流不能反映短路點距離 2. 單相接地短路（ ） B、C兩相接地短路，可取另外：可取(1)k01(3)AAkUIKIz L0kAUmAAUU03mAAIIKI(1,1)k0kBkCUUmBBUU03mBBIIKI03mCCIIKImCCUU1()BCBCkUUIIz LmB

4、CBCUUUmBCBCIII第4頁/共51頁 3. 兩相短路（ ） A、B相短路， 4. 三相短路（ ） 測量電壓和測量電流可任取(2)kkAkBUU1()ABABkUUIIz LmABABUUUmABABIII可取(3)k第5頁/共51頁 四、時限特性 距離保護的動作時間t與保護安裝處到故障點之間的距離l的關(guān)系稱為距離保護的時限特性，目前獲得廣泛應(yīng)用的是階梯型時限特性，稱為距離保護的、段ZZZ312保 護 3的 I段保 護 3的 II段保 護 3的 III段I3tI2tII2tII3tIII3ttIII2tI1t圖 3-1距 離 保 護 的 時 限 特 性lACB第6頁/共51頁 距離保護的

5、第段是瞬時動作的， 是保護本身的固有動作時間。以保護3為例，其起動阻抗的整定值必須躲開這一點短路時所測量到的阻抗 ，即 ?？紤]到阻抗繼電器和電流、電壓互感器的誤差，需引入可靠系數(shù) （一般取0.80.85）： 為了切除本線路末端15%20%范圍以內(nèi)的故障，需要設(shè)置距離保護第段。距離段整定值的選擇不超過下一條線路距離段的保護范圍，同時高出一個 的時限，以保證選擇性。 引入可靠系數(shù) ，則保護3的起動阻抗為ItABZABIact.3ZZrelKAB)85. 08 . 0(Zact.3ZtrelK)Z(Zact.2ABrelact.3ZK距離段和段的聯(lián)合工作構(gòu)成本線路的主保護。第7頁/共51頁 五、距離

6、保護的組成 啟動部分：判別系統(tǒng)是否發(fā)生故障。 測量部分 振蕩閉鎖部分 電壓回路斷線部分 配合邏輯部分 出口部分第8頁/共51頁3.2 阻抗繼電器及其動作特性 一、阻抗繼電器的概念： 阻抗繼電器是距離保護裝置的核心元件，其主要作用是測量短路點到保護安裝處之間的距離，并與整定阻抗值進行比較，以確定保護是否應(yīng)該動作。 單相式阻抗繼電器是指加入繼電器的只有一個電壓 （可以是相電壓或線電壓)和一個電流 （可以是相電流或兩相電流之差）的阻抗繼電器。 和 的比值稱為繼電器的測量阻抗 。由于 可以寫成 的復(fù)數(shù)形式，所以可以利用復(fù)數(shù)平面來分析這種繼電器的動作特性，并用一定的幾何圖形把它表示出來。 mUmImUm

7、ImZmZjXR 第9頁/共51頁ABC(a)TAIZm.Um.ICRjXB(b)ATVBCIset85. 0ZZBCZIsetZk圖3-3 用復(fù)數(shù)平面分析阻抗繼電器的特性 （a）系統(tǒng)圖；(b)阻抗特性圖第10頁/共51頁 二、具有圓及直線動作特性的阻抗繼電器單相式圓特性和直線特性阻抗繼電器的構(gòu)成方法有兩種：比幅式阻抗繼電器，比相式阻抗繼電器。 （一）特性分析及電壓形成回路 1全阻抗圓繼電器 （1）幅值比較全阻抗繼電器的動作與邊界條件為： 或 msetZZmmmsetIZIZzsetzmRjXOk圖34 全阻抗繼電器的動作特性AB第11頁/共51頁 比較兩電壓量幅值的全阻抗繼電器的電壓形成回路

8、：TATXm.IAZIsetm.BTMmUTV圖35 全阻抗繼電器幅值比較電壓形成回路B第12頁/共51頁 （2）相位比較 相位比較的動作特性如圖3-6 所示，繼電器的動作與邊界條件為 與 的夾角小于等于 ，即 兩邊同乘以電流量得 上式中， 量超前于 量時 角為正，反之為負。構(gòu)成相位比較的電壓形成回路如圖3-7所示。msetZZmsetZZ90arg90msetmsetZZZZ9090argarg90msetmsetCDUUUUDCzsetzmRjXOzset-jXRRjXzmzsetzmzset-zm(a)(b)(c) 圖36 相位比較方式分析全阻抗繼電器的動作特性（a）測量阻抗在圓上；（b

9、）測量阻抗在圓內(nèi)；（c）測量阻抗在圓外zmzset+zmzset-zmzsetzset+zmzset+zmOO第13頁/共51頁m.ITXTMsetmZIm.U圖 3 7 全 阻 抗 繼 電 器 相 位 比 較 電 壓 形 成 回 路DCsetmZI第14頁/共51頁 2.方向圓阻抗繼電器 (1) 幅值比較zsetRjXOzsetzsetRjXOzmzm(b)(a)set21Zzmzm-set21Z 圖38 方向阻抗繼電器的動作特性 （a）幅值比較的分析（b）相位比較的分析-第15頁/共51頁 方向阻抗繼電器的動作特性為一個圓，動作具有方向性，幅值比較的動作與邊界條件為： 兩邊同乘以電流得 s

10、etmset2121ZZZBZIUZIAsetmmsetm2121m.ITX.A.BTMm.U圖39 方向阻抗繼電器幅值比較電壓形成回路setm21ZIsetm21ZI第16頁/共51頁 （2）相位比較 相位比較的方向阻抗繼電器動作特性如圖3-8（b）所示，其動作與邊界條件為 分式上下同乘以電流 方向阻抗繼電器相位比較的電壓形成回路，如圖3-10所示。90arg90mmsetZZZ90arg90mmsetUUUm.Im.UTX.C.DTM圖 3 10 方 向 阻 抗 繼 電 器 相 位 比 較 電 壓 形 成 回 路setm21ZI第17頁/共51頁 3偏移圓特性阻抗繼電器 （1）幅值比較偏移

11、特性阻抗繼電器的動作特性，圓的直徑為 與 之差。圖311 偏移特性阻抗繼電器動作特性zsetRjXOzmOset.ZsetZsetZ)(21)(21setsetmsetsetZZZZZsetmmsetm)1(21)1(21ZIUZI動作條件： 兩邊同乘以電流：第18頁/共51頁 （2）相位比較偏移特性阻抗繼電器相位比較分析，如圖所示，其相位比較的動作與邊界條件為兩邊同乘以電流得偏移特性阻抗繼電器幅值比較和相位比較的電壓形成回路與方向阻抗繼電器的類似，這里從略。90arg90setmmsetZZZZ90argarg90setmmmsetmCDZIUUZI第19頁/共51頁 4直線特性阻抗繼電器m

12、setm2ZZZBUZIUAmsetmm290arg90setsetmZZZ90arg90setmsetmmZIZIU幅值比較動作條件：相位比較動作條件：O(a)(b)jXRCOjXRACmset2ZZset2Zset2ZsetZsetZmZsetmZZ mZAAA第20頁/共51頁 (二)阻抗繼電器的比較回路 具有圓或直線特性阻抗繼電器可以用比較兩個電氣量幅值的方法來構(gòu)成，也可以用比較兩個電氣量相位的方法來實現(xiàn)。電壓形成比幅回路mUmI執(zhí)行（輸出）ABBA（a）電壓形成比幅回路mUmI執(zhí)行（輸出）DC90arg90CD（b）圖3-15 阻抗繼電器的構(gòu)成原理方框圖 （a）幅值比較 （b）相位比

13、較第21頁/共51頁 1 微機保護中幅值比較的實現(xiàn)：設(shè)由傅氏算法算出的電壓和電流實、虛部分別用 、 和 、 表示， UmIRmUjUUURUIURIIIImIRmIjIIImm2I2RIRRI2I2RIIRRIRIRmmmjXRIIIUIUjIIIUIUjIIjUUIUZmmIUmmmmm)(ZIUIUZ第22頁/共51頁 2. 微機保護中相位比較的實現(xiàn)在微機保護中，相位比較既可以用阻抗形式實現(xiàn)，也可以用電壓的形式實現(xiàn)。在用電壓比較方式的情況下，分為相量比較和瞬時采樣值比較兩種： (1) 相量比較方式動作范圍：9090比相動作條件：0DICIDRCRUUUU動作范圍：1800比相動作條件：0D

14、ICRDRCIUUUU第23頁/共51頁 (2) 瞬時采樣值比較方式0)()()4()4(DCDCnunuNnuNnu0)4()()()4(DCDCNnununuNnu這種算法只需要用相隔1/4工頻周期的兩個采樣值就可以完成比相，故可稱為比相的兩點積算法。由于該方法用瞬時值比相，受輸入量中的諧波等干擾信號的影響較大，故必須先用數(shù)字濾波算法濾除輸入中的干擾信號，然后再進行比相。第24頁/共51頁RjX圖3-16 阻抗繼電器的準四邊形動作特性O(shè)1432mZ 三、具有多邊形動作特性的阻抗繼電器 圓特性的缺點：整定值較小時，區(qū)內(nèi)經(jīng)過度電阻短路，測量阻抗容易落在區(qū)外；整定值較大時，負荷阻抗有可能落在園內(nèi)

15、。 如圖3-16所示，阻抗繼電器準四邊形動作特性，準四邊形以內(nèi)為動作區(qū)，以外為不動區(qū)，即測量阻抗末端位于準四條邊上為動作邊界。setsetX第25頁/共51頁 設(shè)測量阻抗 的實部為 ，虛部為 ，則圖3-16在第象限部分的特性可以表示為 第象限部分的特性可以表示為 第象限部分的特性可以表示為 綜合以上三式，動作特性可以表示為 mZmRmX1mmsetmtgRXRR2mmsetmtgXRXX4msetm3msetmtgctgRXXXRR4msetm1m3msetm2mtgtgctgtgRXXRXRRX0 ,0 , 0mmmmXXXX0 ,0 , 0mmmmRRRR第26頁/共51頁 若取 ， ，

16、，則 ， ， ，又可表示為 該式可以方便地在微機保護中實現(xiàn)。14214531 . 744125. 0249. 0tgtg211ctg381125. 01245. 0ctg4msetmmmsetmm814141RXXRXRRX第27頁/共51頁 四、 方向阻抗繼電器的死區(qū)及死區(qū)的消除方法 對于方向阻抗繼電器，當保護出口短路時，故障線路母線上的殘余電壓將降低到零，即 。對幅值比較的方向阻抗繼電器，其動作條件為 當 時，該式變?yōu)?，此時被比較的兩個電壓變?yōu)橄嗟?，理論上處于動作邊界，實際上，由于繼電器的執(zhí)行元件動作需要消耗一定的功率，因此，在這樣情況下繼電器不動作。對于相位比較的 方向阻抗繼電器，其動

17、作條件為 當 時，無法進行比相，繼電器也不動作。這種不動作的范圍，稱為保護裝置的“死區(qū)”。利用記憶回路和引入第三相電壓減小和消除死區(qū)。 0mU,2121setmmsetmZIUZI0mUsetmsetm2121ZIZI90arg90mmsetmUUZI0mU第28頁/共51頁3.4 距離保護的整定計算與對距離保護的評價v常用階梯時限配合的三段式距離保護vI、II段采用方向圓特性vIII段作為本線路I、II段的近后備、相鄰下一級線路的遠后備和反向母線保護的后備，因此常用偏移圓特性的測量元件。第29頁/共51頁v以圖3-44 為例，說明三段式距離保護的整定計算。ABC123AZAAZABZBCZB

18、00.5t00.5t圖 3-44 電 力 系 統(tǒng) 接 線 圖ZIZIIZIIIZIZIIZIII第30頁/共51頁 一、距離保護第段的整定 1.動作阻抗對輸電線路，按躲過本線路末端短路來整定，即取 式中 為可靠系數(shù)，取0.80.85。 2動作時限距離保護段的動作時限是由保護裝置的繼電器固有動作時限決定，人為延時為零，即 秒。 二、距離保護第段的整定 1動作阻抗（1）與下一線路的第一段保護范圍配合，并用分支系數(shù)考慮助增及外汲電流對測量阻抗的影響，即ABrelI1actIZZKrelIk0It第31頁/共51頁 式中， 為可靠系數(shù)，取0.8； 為分支系數(shù)，取相鄰線路距離保護第一段保護范圍末端短路時

19、，流過相鄰線路的短路電流與流過被保護線路的短路電流實際可能的最小比值，即（2）與相鄰變壓器的快速保護相配合 BCrelIbraABrelII1actIIZKKZKZrelIIKbraKminABBCbraIIKBbraABIIrelII1actZKZKZ式中， 為變壓器短路阻抗；考慮到 的數(shù)值有較大偏差，所以取 =0.7; 也取實際可能的最小值。BZBZrelIIKbraK?。?）、（2）計算結(jié)果中的小者作 。1actIIZ第32頁/共51頁 2. 動作時限保護第段的動作時限，應(yīng)比下一線路保護第段的動作時限大一個時限階段， 3.靈敏度校驗如靈敏度不能滿足要求，可按照與下一線路保護第段相配合的原

20、則選擇動作阻抗，即 tttt2I1II5 . 1ABactIIsenZZKact.2IIbraABrelIIactIIZKZKZ這時，第段的動作時限應(yīng)比下一線路第段的動作時限大一個時限階段，即ttt2II1II第33頁/共51頁 三、 距離保護的第段的整定 1動作阻抗按躲開最小負荷阻抗來選擇，若第段采用全阻抗繼電器，其動作阻抗為式中 可靠系數(shù)，取1.21.3； 繼電器返回系數(shù),取1.11.15; 考慮電動機自起動時的自起動系數(shù); 最小負荷阻抗， ; 被保護線路可能最大負荷電流。 2動作時限保護第段的動作時限較相鄰與之配合的元件保護的動作時限大一個時限階段，即load.minssrerelIII

21、act.1III1ZZKKKrelIIIKreKssKload.maxIload.minZload.maxNload.min39 . 0IUZtttIII2III第34頁/共51頁 3靈敏度校驗作近后備保護時 作遠后備保護時 5 . 1ABIII1actsenZZK近2 . 1BCbraABIII1act遠senZKZZK第35頁/共51頁若第段采用方向圓特性阻抗繼電器，則方向阻抗繼電器的動作阻抗為loadkrerelIIIload.minIIIact.1cosZssKKKZRjX(a)loadZsetZkload圖3-45 全阻抗繼電器和方向阻抗繼電器靈敏度比較采用方向阻抗繼電器時，保護的靈

22、敏度比采用全阻抗繼電器時可提高)cos(1loadk第36頁/共51頁 四、對距離保護的評價 1主要優(yōu)點（1）能滿足多電源復(fù)雜電網(wǎng)對保護動作選擇性的要求。（2）阻抗繼電器是同時反應(yīng)電壓的降低與電流的增大而動作的，因此距離保護較電流保護有較高的靈敏度。其中段距離保護基本不受運行方式的影響，而、段仍受系統(tǒng)運行方式變化的影響，但比電流保護要小些，保護區(qū)域和靈敏度比較穩(wěn)定。 2. 主要缺點（1）不能實現(xiàn)全線瞬動。對雙側(cè)電源線路，將有全線的30%40%范圍以第段時限跳閘，這對穩(wěn)定有較高要求的超高壓遠距離輸電系統(tǒng)來說是不能接受的。（2）阻抗繼電器本身較復(fù)雜，還增設(shè)了振蕩閉鎖裝置，電壓斷線閉鎖裝置，因此，距

23、離保護裝置調(diào)試比較麻煩，可靠性也相對低些。第37頁/共51頁3.5 影響距離保護正確工作的因素及采取的防止措施 影響距離保護正確動作的因素很多，如： 電網(wǎng)的接線中可能具有分支電路； 在Y/接線變壓器后面發(fā)生短路； 輸電線路可能具有串聯(lián)電容補償； 電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩； 短路點具有過渡電阻； 電流互感器和電壓互感器的誤差、過渡過程及二次回路斷線等等。第38頁/共51頁 一、短路點過渡電阻對距離保護的影響過度電阻：包括電弧電阻、中間物質(zhì)電阻、導(dǎo)線與大地的接觸電阻、金屬塔桿的接地電阻等。最大可達300。當短路點存在過渡電阻時，必然直接影響阻抗繼電器的測量阻抗。例如,對圖3-29(a) 所示的單電源網(wǎng)絡(luò)，

24、當線路 的出線端經(jīng)過 短路時，保護1的測量阻抗為 ，保護2的測量阻抗為 。2AB C12L1LgR(a)(b)OjXK1gZR R2mZ C圖329 過渡電阻對不同安裝地點距離保護的影響（a）電網(wǎng)接線圖；（b）保護范圍圖BRjX保護1的段保護1的段保護2的段2LgRgRgABRZ第39頁/共51頁結(jié)論：對單側(cè)電源線路，過度電阻的存在總使得繼電器的測量值增大，阻抗角變小，保護范圍縮短；保護裝置距短路點越近時，受過渡電阻的影響越大，同時保護裝置的整定值越小，則相對地受過渡電阻的影響也越大。第40頁/共51頁 對雙側(cè)電源的網(wǎng)絡(luò)，短路點的過渡電阻可能使測量阻抗增大，也可能使測量阻抗減小。1()()mk

25、kkkgkkgkgUI ZIIRIZRI Rm1kII1()()jkkmkggkggkkIIZZRRZRR eII若為正，阻抗總是增大；若為負，有可能使得阻抗減小。系統(tǒng)振蕩加故障時，有可能在0360之間變化。第41頁/共51頁 當 為正時，測量阻抗增大，當 為負時，測量阻抗的電抗部分將減小。在后一種情況下，可能導(dǎo)致保護無選擇性的動作（誤動）。為了使阻抗繼電器能正確動作，必須采取措施來消除或減小過渡電阻的影響。 短路點的過渡電阻主要是純電阻性的電弧電阻Rg，且電弧的長度和電流的大小都隨時間而變化，在短路開始瞬間電弧電流很大，電弧的長度很短， Rg很小。隨著電弧電流的衰減和電弧長度的增長， Rg隨

26、著增大，大約經(jīng)0.10.15秒后， Rg劇烈增大。 為了減小過渡電阻對距離保護的影響，通常采用： （1）采用瞬時測定裝置 （2）采用帶偏移特性的阻抗繼電器（+R方向面積增大） （3）采用四邊形特性（每條邊可以分別整定）第42頁/共51頁 二、電力系統(tǒng)振蕩對距離保護的影響及振蕩閉鎖電力系統(tǒng)在正常運行時，所有接入系統(tǒng)的發(fā)電機都處于同步運行狀態(tài)。當系統(tǒng)因短路切除太慢或因遭受較大沖擊時，并列運行的發(fā)電機失去同步，系統(tǒng)發(fā)生振蕩，振蕩時，系統(tǒng)中各發(fā)電機電勢間的相角差發(fā)生變化。因此，可能導(dǎo)致保護誤動作。但通常系統(tǒng)振蕩若干周期后可以被拉入同步，恢復(fù)正常運行。因此，距離保護必須考慮系統(tǒng)振蕩對其工作的影響。 （一）電力系統(tǒng)振蕩時電流、電壓的分布 圖3-32為簡化系統(tǒng)等值電路圖, 當系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，設(shè) 超前于 的相位角為 ， ,且系統(tǒng)中各元件的阻抗角相等，則振蕩電流為：MENEEEENMMN圖3-32 系統(tǒng)振蕩的等值圖swiIMENEZMZLZNZjMNMNswiMLN(1)MEEEEEeIZZZZZ第43頁/共51頁MENE