電力系統(tǒng)繼電保護(hù)2

1、第2章 電網(wǎng)的距離保護(hù) 2.1 距離保護(hù)的基本原理 電流、電壓保護(hù)的主要優(yōu)點(diǎn)是簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)，但它們的靈敏性受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響較大，特別是在重負(fù)荷、長距離、電壓等級(jí)高的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，很難滿足選擇性、靈敏性以及快速切除故障的要求，為此，必須采用性能完善的保護(hù)裝置，因而就引入了“距離保護(hù)”。 距離保護(hù)的時(shí)限特性 距離保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間與保護(hù)安裝地點(diǎn)至短路點(diǎn)之間距離的關(guān)系t=f(l)，稱為距離保護(hù)的時(shí)限特性。圖2.1 距離保護(hù)的基本原理 距離保護(hù)的主要組成元件 圖2.2 三段式距離保護(hù)的原理框圖 (2.1)(2.2)(2.3) (1)啟動(dòng)回路 啟動(dòng)回路主要由啟動(dòng)元件組成。啟動(dòng)元件可由過電流繼電器、

2、低阻抗繼電器或反應(yīng)于負(fù)序和零序電流的繼電器構(gòu)成。 (2)測(cè)量回路(Z、Z和Z) 測(cè)量回路的段和段由阻抗繼電器Z和Z組成，而第段由測(cè)量組抗繼電器Z組成。 (3)邏輯回路 邏輯回路主要由門電路和時(shí)間電路組成。 門電路包括與門和或門，時(shí)間電路主要由t和t兩個(gè)時(shí)間繼電器構(gòu)成。 (4)其他部分 輔助相電流元件：接于相電流，作為輔助啟動(dòng)元件之用。重合閘后加速回路：瞬時(shí)加速段或段。執(zhí)行元件：出口、信號(hào)、切換等其他功能。 2.2 阻抗繼電器 阻抗繼電器是距離保護(hù)裝置的核心元件，其主要作用是測(cè)量短路點(diǎn)到保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的阻抗，并與整定阻抗值進(jìn)行比較，以 確定保護(hù)是否應(yīng)該動(dòng)作。 阻抗繼電器可按以下不同方法分類：

3、根據(jù)其構(gòu)造原理的不同，分為電磁型、感應(yīng)型、整流型、晶體管型、集成電路型和微機(jī)型等。 根據(jù)其比較原理的不同，分為幅值比較式和相位比較式兩大類。 根據(jù)其輸入量的不同，分為單相式和多相式兩種。(2.4) 阻抗復(fù)平面分析法是最常用、最簡捷直觀的方法，它需要經(jīng)過以下步驟： 阻抗繼電器在阻抗復(fù)平面上的動(dòng)作特性圖2.3 在阻抗復(fù)平面上分析阻抗繼電器特性(a)網(wǎng)絡(luò)接線；(b)被保護(hù)線路的測(cè)量阻抗及動(dòng)作特性 (可從動(dòng)作條件判別式取等號(hào)求得)。繼電器的測(cè)量阻抗Zr沿一定的軌跡變化而使繼電器始終處于臨界動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，這一軌跡便稱為繼電器的動(dòng)作特性。 求出阻抗繼電器在各種運(yùn)行情況下感受到的阻抗(測(cè)量阻抗Zr)。 按動(dòng)作

4、條件判別式在阻抗平面上分析它們是否滿足該式，從而決定其是否動(dòng)作。 阻抗繼電器的基本原則 由于阻抗繼電器都是接于電流互感器和電壓互感器的二次側(cè)，其測(cè)量阻抗與系統(tǒng)一 次側(cè)的阻抗之間存在下列關(guān)系： 如果保護(hù)裝置的一次側(cè)整定阻抗經(jīng)計(jì)算以后為Zset，則按式(2.5)，繼電器的整定阻抗應(yīng)該為： 利用復(fù)數(shù)平面分析圓或直線特性阻抗繼電器 (2.5)(2.6) (1)全阻抗繼電器圖2.4 全阻抗繼電器的動(dòng)作特性(a)幅值比較式；(b)相位比較式 (2.8)(2.9) 將兩個(gè)相量均以電流 乘之，即可得到可比較其相位的兩個(gè)電壓分別為： 圖2.5 相位比較方式分析全阻抗繼電器的動(dòng)作特性(a)測(cè)量阻抗在圓內(nèi)；(b)測(cè)

5、量阻抗在圓外 當(dāng) 時(shí)，繼電器啟動(dòng)，則它們之間的關(guān)系符合下式: 圖2.6 幅值比較與相位比較之間的關(guān)系 (2.10)(2.11) 必須注意： 它只適用于 為同一頻率的正弦交流量； 只適用于相位比較方式動(dòng)作范圍為 和幅值比較方式，且動(dòng)作條件為 的情況；(2.12)(2.13) 對(duì)短路暫態(tài)過程中出現(xiàn)的非周期分量和諧波分量，以上轉(zhuǎn)換關(guān)系顯然是不成立的。因此，不同比較方式構(gòu)成的繼電器受暫態(tài)過程的影響不同。 (2)方向阻抗繼電器圖2.7 方向阻抗繼電器的動(dòng)作特性(a)幅值比較式的分析；(b)相位比較式的分析 用幅值比較方式分析，如圖2.7(a)所示，繼電器能夠啟動(dòng)(即測(cè)量阻抗Zr位于圓內(nèi))的條件是： 等式

6、兩端均以電流 乘之，即變?yōu)槿缦聝蓚€(gè)電壓的幅值的比較： 用相位比較方式分析，如圖2.7(b)所示，當(dāng)Zr位于圓周上時(shí)，阻抗Zr與(Zr-Zset)之間的(2.14)(2.15) 相位差為=90，類似于對(duì)全阻抗繼電器的分析，同樣可以證明，27090是繼電器能夠啟動(dòng)的條件。 將Zr與(Zr-Zset)均以電流 乘之，即可得到比較相位的兩個(gè)電壓分別為： (3)偏移特性的阻抗繼電器 圓的直徑為|Zset+Zset|，圓心的坐標(biāo)為 圓的半徑為：(2.16) 現(xiàn)對(duì)其構(gòu)成方式分析如下：圖2.8 具有偏移特性的阻抗繼電器(a)幅值比較式的分析；(b)相位比較式的分析 用幅值比較方式分析,如圖2.8(a)所示，繼

7、電器能夠啟動(dòng)的條件為: 或等式兩端均以電流 乘之，即變?yōu)槿缦聝蓚€(gè)電壓的幅值的比較: 用相位比較方式的分析,如圖2.8(b)所示,當(dāng)Zr位于圓周上時(shí),相量(Zr+Zset)與(Zr-Zset)之間的 相 位 差 為 = 9 0 , 同 樣 可 以 證明,27090也是繼電器能夠啟動(dòng)的條件。將(Zr+Zset)和(Zr-Zset)均以電流(2.18)(2.17) 乘之，即可得到用以比較其相位的兩個(gè)電壓為: Zr是繼電器的測(cè)量阻抗，由加入繼電器中電壓 與電流 的比值確定，Zr的阻抗角就是 和 之間的相位差 。 Zset是繼電器的整定阻抗，一般取繼電器安裝點(diǎn)到保護(hù)范圍末端的線路阻抗作為整定阻抗。對(duì)全阻

8、抗繼電器而言，就是圓的半徑；對(duì)方向阻抗繼電器而言，就是在最大靈敏角方向上的圓的直徑；而對(duì)偏移特(2.19) 性阻抗繼電器，則是最大靈敏角方向上由原點(diǎn)到圓周上的長度； Zop.r是繼電器的啟動(dòng)阻抗，它表示當(dāng)繼電器剛好動(dòng)作時(shí)，加入繼電器中電壓 與電流 的比值，除全阻抗繼電器以外，Zop.r是隨著 的不同而改變的，當(dāng) 時(shí)，Zop.r的數(shù)值最大，等于Zset。 (4)功率方向繼電器(2.20)(2.21) (5)具有直線特性的繼電器圖2.9 功率方向繼電器的動(dòng)作特性(a)幅值比較式的分析；(b)相位比較式的分析(2.22)圖2.10 具有直線特性的繼電器(a)幅值比較式的分析；(b)相位比較式的分析；

9、(c)電抗型繼電器(2.23)(2.24) (6)動(dòng)作角度范圍變化對(duì)繼電器特性的影響 (7)繼電器的極化電壓和補(bǔ)償電壓 當(dāng)保護(hù)范圍外部故障時(shí)，ZKZset，則 與 同相位； 當(dāng)保護(hù)范圍末端故障時(shí)，ZK=Zset，則 =0，繼電器應(yīng)處于臨界動(dòng)作的條件； 當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)部故障時(shí)，ZKZset，則 與 相位差180。圖2.11 240 120時(shí)的動(dòng)作特性(a)方向阻抗繼電器；(b)功率方向繼電器圖2.12 四邊形阻抗繼電器圖2.13 對(duì)兩個(gè)邊折線的分析(a)折線的構(gòu)成；(b)Zr位于動(dòng)作范圍內(nèi)；(c)Zr位于動(dòng)作范圍外圖2.14 連續(xù)式相位比較回路原理接線圖圖2.15 連續(xù)式相位比較回路工作原理的分析

10、(a)內(nèi)部故障；(b)外部故障 2.3 阻抗繼電器的接線方式 根據(jù)距離保護(hù)的工作原理，加入繼電器的電壓 和電流 應(yīng)滿足以下要求： 繼電器的測(cè)量阻抗正比于短路點(diǎn)到保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的距離； 繼電器的測(cè)量阻抗應(yīng)與故障類型無關(guān)，也就是保護(hù)范圍不隨故障類型而變化。 (1)三相短路(2.25) (2)兩相短路 (3)中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)中的兩相接地短路圖2.16 三相短路時(shí)測(cè)量阻抗的分析(2.26)圖2.17 A、B兩相短路時(shí)測(cè)量阻抗的分析圖2.18 A、B兩相接地短路時(shí)測(cè)量阻抗的分析(2.27)(2.28) 當(dāng)采用 和 的接線方式時(shí)，則繼電器的測(cè)量阻抗為：(2.29)(2.30)(2.31) 為了反映任一

11、相的單相接地短路，接地距離保護(hù)也必須采用三個(gè)阻抗繼電器，其接線方式分別為： 2.4 距離保護(hù)的整定計(jì)算 (1)距離保護(hù)第段的整定(2.32) (2)距離保護(hù)第段的整定圖2.19 選擇整定阻抗的網(wǎng)絡(luò)接線(2.35)(2.36)(2.37) 對(duì)于距離段，在本線路末端短路時(shí)，其測(cè)量阻抗即為ZAB，因此，靈敏系數(shù)為： (3)距離保護(hù)第段的整定 參照過電流保護(hù)的整定原則，考慮到外部故障切除后，在電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)的條件下，保護(hù)第段必須立即返回的要求，應(yīng)采用：(2.38)(2.39) 可求得繼電器的啟動(dòng)阻抗為：(2.40)(2.41)圖2.20 線路始端測(cè)量阻抗的相量圖 選擇繼電器的 ，則圓的直徑即段整定阻抗為

12、:圖2.21 第段啟動(dòng)阻抗的整定 (4)阻抗繼電器的精確工作電流的校驗(yàn) 根據(jù)距離保護(hù)的工作原理，它可以在多電源的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中保證(2.42)圖2.22 復(fù)合特性的阻抗繼電器 動(dòng)作的選擇性。 距離段是瞬時(shí)動(dòng)作的，但是它只能保護(hù)線路全長80%85%，因此，兩端合起來就使得在30%40%的線路長度內(nèi)的故障不能從兩端瞬時(shí)切除，在一端須經(jīng)0.5s的延時(shí)才能切除。在220kV及以上電壓的網(wǎng)絡(luò)中，有時(shí)候這不能滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，因而，不能作為主保護(hù)來應(yīng)用。 由于阻抗繼電器同時(shí)反應(yīng)于電壓的降低和電流的增大而動(dòng)作，因此，距離保護(hù)較電流、電壓保護(hù)具有較高的靈敏度。此外， 距離段的保護(hù)范圍不受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化

13、的影響，其他兩段受到的影響也比較小，因此，保護(hù)范圍比較穩(wěn)定。 由于距離保護(hù)中采用了復(fù)雜的阻抗繼電器和大量的輔助繼電器，再加上各種必要的閉鎖裝置，因此，接線復(fù)雜，可靠性比電流保護(hù)低，這也是它的主要缺點(diǎn)。 2.5 影響距離保護(hù)正確動(dòng)作的因素及其對(duì)策 (1)短路點(diǎn)過渡電阻的性質(zhì) 根據(jù)這些數(shù)據(jù)可知電弧實(shí)際上呈現(xiàn)有效電阻，其值可按下式?jīng)Q定：(2.43)圖2.23 架空輸電線路短路時(shí)產(chǎn)生的電弧(a)電弧電阻隨時(shí)間變化曲線；(b)經(jīng)電弧短路時(shí)電弧上電流、電壓的波形 (2)單側(cè)電源線路上過渡電阻的影響圖2.24 單側(cè)電源線路經(jīng)過渡電阻Rg短路的等效圖圖2.25 過渡電阻對(duì)不同安裝地點(diǎn)距離保護(hù)影響的分析 (3)

14、雙側(cè)電源線路上過渡電阻的影響圖2.26 雙側(cè)電源通過Rg路的接線圖(2.44)(2.45)(2.46)(2.47) (4)過渡電阻對(duì)不同動(dòng)作特性阻抗元件的影響圖2.27 過渡電阻對(duì)不動(dòng)作特性阻抗元件影響的比較(a)網(wǎng)絡(luò)接線；(b)對(duì)影響的比較圖2.28 可減小過渡電阻影響的動(dòng)作特性(a)多邊形動(dòng)作特性 ；(b)既允許有較大過渡電阻又能防止負(fù)荷阻抗較小時(shí)誤動(dòng)的動(dòng)作特性 ；(c)圓與四邊形組合的動(dòng)作特性 (1)電力系統(tǒng)振蕩時(shí)電壓電流的分布(2.48)圖2.29 瞬時(shí)測(cè)量裝置的原理接線圖 1保護(hù)裝置的啟動(dòng)元件(或第段)；2第段阻抗元件；3瞬時(shí)測(cè)量的中間繼電器；4第段時(shí)間元件圖2.30 兩側(cè)電源系統(tǒng)中

15、的振蕩(a)系統(tǒng)接線；(b)系統(tǒng)阻抗角和線路阻抗角相等時(shí)的相量圖；(c)阻抗角不等時(shí)的相量圖(2.49)(2.50)(2.51)(2.52)(2.53)(2.54)(2.55)(2.56)(2.57)(2.58) (2)電力系統(tǒng)振蕩對(duì)距離保護(hù)的影響圖2.31 電力系統(tǒng)振蕩時(shí)電流電壓的變化圖2.32 分析系統(tǒng)振蕩用的系統(tǒng)接線圖 M點(diǎn)的母線電壓為：(2.59)(2.60)(2.61)圖2.33 系統(tǒng)振蕩時(shí)測(cè)量阻抗的變化(2.62)圖2.34 系統(tǒng)振蕩時(shí)，不同安裝地點(diǎn)距離保護(hù)測(cè)量阻抗的變化圖2.35 當(dāng)h1時(shí)測(cè)量阻抗的變化圖2.36 系統(tǒng)振蕩時(shí)M變電所測(cè)量阻抗的變化圖 (3)振蕩閉鎖回路 電力系統(tǒng)發(fā)

16、生振蕩和短路時(shí)的主要區(qū)別 如下： 振蕩時(shí)，電流和各點(diǎn)電壓的幅值均作周期性變化(如圖2.31所示)，只在=180時(shí)才出現(xiàn)最嚴(yán)重的現(xiàn)象；而短路后，短路電流和各點(diǎn)電壓的值，當(dāng)不計(jì)其衰減時(shí)，是不變的。此外，振蕩時(shí)電流和各點(diǎn)電壓幅 值的變化速度( 和 )較慢，而短路時(shí)電流 是突然增大，電壓也突然降低，變化速度很快。 振蕩時(shí)，任一點(diǎn)電流與電壓之間的相位關(guān)系都隨的變化而改變；而短路時(shí)，電流和電壓之間的相位是不變的。 振蕩時(shí)，三相完全對(duì)稱，電力系統(tǒng)中沒有負(fù)序分量出現(xiàn)；而當(dāng)短路時(shí)，總要長期(在不對(duì)稱短路過程中)或瞬間(在三相短路開始時(shí))出現(xiàn)負(fù)序分量。 振蕩時(shí)，測(cè)量阻抗的電阻分量變化較大，變化速率取決于振蕩周期；

17、而短路時(shí)，測(cè)時(shí)阻抗的電阻分量雖然因弧光放電而略有變化，但分析計(jì)算表明其電弧電阻變化率遠(yuǎn)小于振蕩所對(duì)應(yīng)的電阻的變化率。 構(gòu)成振蕩閉鎖回路時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求： 系統(tǒng)發(fā)生振蕩而沒有故障時(shí)，應(yīng)可靠地 將保護(hù)閉鎖，且振蕩不停息，閉鎖不應(yīng) 解除。 系統(tǒng)發(fā)生各種類型的故障(包括轉(zhuǎn)換性故障)，保護(hù)應(yīng)不被閉鎖而能可靠地動(dòng)作。 在振蕩的過程中發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)應(yīng)能正確地動(dòng)作。 先故障而后又發(fā)生振蕩時(shí)，保護(hù)不致無選擇性的動(dòng)作。 1)利用負(fù)序(和零序)分量元件啟動(dòng)的振蕩閉鎖回路 負(fù)序電壓過濾器圖2.37 負(fù)序電壓過濾器原理接線圖(2.63)圖2.38 負(fù)序電壓過濾器相量圖(a)加入正序電壓；(b)加入負(fù)序電壓(2.64) 負(fù)序電流過濾器圖2.39 負(fù)序電流過濾器原理接線圖(2.65) 如果只輸入負(fù)序電流時(shí)，如圖2.40(b)所示，輸出電壓為：圖2.40 負(fù)序電流過濾器的相量圖(a)加入正序電流；(b)加入負(fù)序電流 集成電路型對(duì)稱分量過濾器 利用負(fù)序(或零序)電流增量元件啟動(dòng)的振蕩閉鎖回路 2)反映測(cè)量阻抗變化速度的振蕩閉鎖回路 (4)新型振蕩閉鎖工作原理(2.66)(2.67)圖2.41 產(chǎn)生負(fù)序和零序