電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理第三章-電網(wǎng)的距離保護(hù)

主講人：肖仕武電力工程系四方研究所Office:教五B309NorthChinaElectricPowerUniversity第三章

電網(wǎng)的距離保護(hù)第三章電網(wǎng)的距離保護(hù)一、距離保護(hù)的作用原理二、阻抗繼電器三、阻抗繼電器的接線方式四、集成電路型方向阻抗繼電器的接線和特性分析五、距離保護(hù)的整定原則及對(duì)距離保護(hù)的評(píng)價(jià)六、影響距離保護(hù)正確工作的因素及防止方法第一節(jié)距離保護(hù)作用原理一、距離保護(hù)的基本概念

電流保護(hù)：反映故障電流大小。簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、接線可靠；受運(yùn)行方式的影響，很難保證選擇性、靈敏性、快速性。

距離保護(hù)：反應(yīng)故障點(diǎn)至保護(hù)安裝點(diǎn)之間的距離（或阻抗），并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近而確定動(dòng)作時(shí)間。是反應(yīng)測(cè)量阻抗降低而動(dòng)作的阻抗保護(hù)。

阻抗繼電器：輸入為電壓（UJ）、電流（IJ），測(cè)量阻抗ZJ（保護(hù)安裝點(diǎn)至短路點(diǎn)之間的阻抗）。距離保護(hù)的基本概念

距離保護(hù)是反應(yīng)測(cè)量阻抗變化的阻抗保護(hù)。測(cè)量阻抗是復(fù)數(shù)。是保護(hù)安裝處至短路故障處之間線路的阻抗。設(shè)線路單位長(zhǎng)度阻抗為二、距離保護(hù)的時(shí)限特性t=f(l)短路點(diǎn)距離保護(hù)安裝點(diǎn)近時(shí)，小，動(dòng)作時(shí)間短；短路點(diǎn)距離保護(hù)安裝點(diǎn)遠(yuǎn)時(shí)，大，動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)；階梯型時(shí)限特性，距離I、II、III段。距離Ⅰ段：（1）保護(hù)本線路全長(zhǎng)的80～85％；（2）瞬時(shí)動(dòng)作，即動(dòng)作時(shí)限為0s。距離Ⅱ段：（1）保護(hù)本線路全長(zhǎng)，但不超過(guò)下一條線路距離Ⅰ段的保護(hù)范圍；（2）延時(shí)

t動(dòng)作，一般動(dòng)作時(shí)限為0.5s。距離Ⅲ段：（1）保護(hù)本線路全長(zhǎng)，下一級(jí)線路全長(zhǎng)，甚至更遠(yuǎn)；（2）延時(shí)動(dòng)作，一般動(dòng)作時(shí)限為：三、距離保護(hù)的主要組成元件起動(dòng)元件構(gòu)成：過(guò)電流繼電器、低阻抗繼電器、反映負(fù)序、零序電流的繼電器。三段式距離保護(hù)的組成元件和邏輯框圖第二節(jié)阻抗繼電器

阻抗繼電器：計(jì)算保護(hù)安裝點(diǎn)至短路點(diǎn)之間的測(cè)量阻抗，與整定阻抗比較，確定保護(hù)是否應(yīng)該動(dòng)作。是距離保護(hù)中的核心元件。阻抗是復(fù)數(shù)，是向量，既有大?。ǚ担灿蟹较颍ㄏ辔唬┦请娏骰ジ衅鱐A的變比；是電壓互感器TV的變比；阻抗繼電器的測(cè)量阻抗可以在阻抗復(fù)平面圖上進(jìn)行表示。測(cè)量阻抗是阻抗復(fù)平面圖上的一個(gè)向量。三種阻抗動(dòng)作區(qū)：1.全阻抗繼電器特性2.方向阻抗繼電器特性3.偏移阻抗繼電器特性阻抗繼電器的動(dòng)作特性阻抗繼電器的動(dòng)作特性由阻抗復(fù)平面圖上的阻抗動(dòng)作區(qū)來(lái)表示。阻抗動(dòng)作區(qū)：是阻抗復(fù)平面圖上的一個(gè)區(qū)域，當(dāng)測(cè)量阻抗落在區(qū)域內(nèi)，則阻抗繼電器認(rèn)為是內(nèi)部故障，繼電器動(dòng)作二、復(fù)平面分析圓或直線特性的阻抗繼電器

1.全阻抗繼電器動(dòng)作特性：阻抗動(dòng)作區(qū)是一個(gè)以原點(diǎn)為圓心、為半徑的圓。即唯一取決于短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的阻抗大小（幅值），與測(cè)量阻抗的阻抗角無(wú)關(guān)，也與短路發(fā)生在保護(hù)安裝處的正向或反向無(wú)關(guān)。缺點(diǎn)：無(wú)方向性，即反方向短路故障時(shí)也可能動(dòng)作。是整定阻抗。動(dòng)作方程：（1）比幅式

（2）比相式阻抗形式：電壓形式：阻抗形式：電壓形式：幅值比較和相位比較之間的關(guān)系（互換性）：（1）幅值比較原理：（2）相位比較原理：，或平行四邊型法則：成立條件：（1）A、B、C、D為同一頻率正弦交流量；（2）短路暫態(tài)過(guò)程中的非周期分量和諧波分量不成立。2.方向阻抗繼電器動(dòng)作特性：阻抗動(dòng)作區(qū)是以為直徑，以為圓心的圓。動(dòng)作區(qū)的圓弧經(jīng)過(guò)原點(diǎn)。方向阻抗繼電器的阻抗動(dòng)作區(qū)主要位于第一象限。方向阻抗繼電器具有方向性。當(dāng)線路正向故障時(shí)，測(cè)量阻抗位于阻抗復(fù)平面圖上的第一象限。如果線路反向故障時(shí)，測(cè)量阻抗位于阻抗復(fù)平面圖上的第三象限。阻抗形式：電壓形式：（1）比幅式動(dòng)作方程（2）比相式動(dòng)作方程阻抗形式：電壓形式：3.偏移特性阻抗繼電器阻抗動(dòng)作區(qū)是一個(gè)以為圓心，以為半徑的圓。該動(dòng)作區(qū)圓偏向第三象限。是介于0～1之間的實(shí)數(shù)。阻抗動(dòng)作圓的直徑為：可以把方向阻抗繼電器和全阻抗繼電器看成是偏移特性阻抗繼電器的兩個(gè)特例。（1）全阻抗繼電器：即當(dāng)（2）方向阻抗繼電器：即當(dāng)（2）比相式動(dòng)作方程阻抗形式：（1）比幅式動(dòng)作方程電壓形式：阻抗形式：電壓形式：其中，極化電壓為，補(bǔ)償電壓為測(cè)量阻抗、整定阻抗、起動(dòng)阻抗的意義和區(qū)別1、測(cè)量阻抗：由加入繼電器的測(cè)量電壓和測(cè)量電流計(jì)算得出。2、整定阻抗：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。由線路阻抗整定計(jì)算得出。3、起動(dòng)阻抗：表示當(dāng)繼電器剛好動(dòng)作時(shí)，加入繼電器電壓和電流的比值，整定阻抗模值隨的不同而改變。三、阻抗繼電器交流回路原理接線以偏移特性阻抗繼電器為例，說(shuō)明其實(shí)現(xiàn)硬件原理。偏移特性阻抗繼電器動(dòng)作方程：（2）比相式動(dòng)作方程阻抗形式：（1）比幅式動(dòng)作方程電壓形式：阻抗形式：電壓形式：電磁式阻抗繼電器更容易實(shí)現(xiàn)電壓形式的動(dòng)作方程。電壓形式：電壓形式：（1）比幅式動(dòng)作方程（2）比相式動(dòng)作方程實(shí)現(xiàn)過(guò)程：（1）得到加入繼電器電流在某一已知阻抗上的壓降；（2）電壓的加和減，并求模值（3）最后進(jìn)行比幅或比相，確定是否動(dòng)作。1.電抗互感器DKB的工作原理電抗互感器DKB的作用是把電流互感器二次電流變換成與之成正比的電壓，即，同時(shí)也起到將繼電保護(hù)回路與電流互感器二次隔離以降低干擾的作用。電抗互感器DKB的輸出和輸入之間的關(guān)系為：式中Z取決于DKB本身的勵(lì)磁阻抗和次級(jí)繞組外接電阻R。1、電抗互感器次級(jí)開(kāi)路時(shí)的原理分析電抗互感器的鐵心中有空氣隙，使得初級(jí)繞組1和次級(jí)繞組2、3間的互感系數(shù)M接近常數(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)，次級(jí)開(kāi)路時(shí)的阻抗角不可調(diào)。2、電抗互感器次級(jí)W3側(cè)接有電阻性負(fù)載時(shí)的原理分析通過(guò)在電抗互感器DKB二次側(cè)繞組W3上接入不同的電阻，實(shí)現(xiàn)調(diào)整模擬阻抗角Z的不同。式中Z取決于DKB本身的勵(lì)磁阻抗和次級(jí)繞組外接電阻R。2.阻抗繼電器的交流回路原理接線實(shí)現(xiàn)電壓動(dòng)作方程中各電壓的加和減。四、幅值比較回路

Uab=Ua-Ub>0動(dòng)作Iab=Ia-Ib>0動(dòng)作整流電路：極化繼電器J：直流型繼電器。具有電流單方向動(dòng)作的繼電器。流過(guò)反方向電流時(shí)不動(dòng)作。五、相位比較回路1.測(cè)量瞬時(shí)值同時(shí)為正或同時(shí)為負(fù)的與門(mén)比相電路

－測(cè)量?jī)蒀、D同時(shí)為正或負(fù)的持續(xù)時(shí)間。則波形C和D中，一個(gè)周波內(nèi)（即20ms內(nèi)）瞬時(shí)值同時(shí)為正或同時(shí)為負(fù)的時(shí)間大于等于10ms?；虬雮€(gè)周波內(nèi)（即10ms內(nèi)）瞬時(shí)值同時(shí)為正或同時(shí)為負(fù)的時(shí)間大于等于5ms。2.測(cè)量瞬時(shí)值為一正一負(fù)的異或門(mén)比相回路－測(cè)量C、D一為正、一為負(fù)的持續(xù)時(shí)間3.脈沖式比相回路4.過(guò)渡過(guò)程對(duì)相位比較式繼電器的影響

暫態(tài)超越：短路暫態(tài)過(guò)程中的非周期分量使保護(hù)超范圍

動(dòng)作的情況。即保護(hù)范圍外故障時(shí)可能誤動(dòng)。

最大靈敏角下：<5％。

措施：（1）對(duì)極化電壓和補(bǔ)償電壓進(jìn)行濾波；

（2）正負(fù)半周比相、與門(mén)輸出。

六、四邊型特性阻抗繼電器A-O-C:功率方向繼電器，動(dòng)作范圍<180o；AB：電抗型阻抗繼電器，傾斜5o～7o，防止超越；BC：電阻型阻抗繼電器，傾斜70o，微機(jī)距離保護(hù)中阻抗元件的多邊形動(dòng)作特性圖中第二象限的邊界線傾斜15°，是為了保證線路發(fā)生金屬性短路故障時(shí)保護(hù)可靠動(dòng)作，該邊界長(zhǎng)度由保護(hù)區(qū)X定值決定；為了克服線路末端故障過(guò)渡電阻的影響，使多邊形與實(shí)軸相交45°－60°；α值的選擇條件應(yīng)以躲開(kāi)線路末端故障的越線現(xiàn)象為準(zhǔn)。一、對(duì)接線方式的基本要求一

1.

ZJ∝l

(保護(hù)至短路點(diǎn)的距離)

2.

ZJ與故障類型無(wú)關(guān)第三節(jié)阻抗繼電器的接線方式阻抗繼電器的接線方式阻抗繼電器的接線方式是繼電器電流、電壓的選取方式。阻抗繼電器的接線方式主要有兩種：1、0°接線方式，反應(yīng)相間短路故障；2、相電壓和具有K3I0補(bǔ)償?shù)南嚯娏鹘泳€，反應(yīng)接地短路故障。二、相間短路阻抗繼電器的0°接線方式1.三相短路※相間短路電流保護(hù)不能滿足要求時(shí)，采用相間短路距離保護(hù)。結(jié)論：J1、J2、J3的測(cè)量阻抗均能正確反映短路點(diǎn)到保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的線路阻抗，均能正確動(dòng)作。0°接線方式的3個(gè)阻抗繼電器為：2.兩相短路（AB）

3.兩相接地短路三、接地短路阻抗繼電器的接線方式※零序電流保護(hù)不能滿足要求時(shí)，考慮采用接地距離保護(hù)。相電壓和具有K3I0補(bǔ)償?shù)南嚯娏鹘泳€方式的3個(gè)阻抗繼電器為：可以反映單相接地短路、兩相接地短路、三相短路故障。特別是用來(lái)正確反映單相接地短路故障。單相接地短路故障分析其中，阻抗繼電器：1.單相接地短路（A）3.三相短路

2.兩相接地短路（AB）；結(jié)論：各故障相的阻抗繼電器的測(cè)量阻抗均能正確動(dòng)作；在每個(gè)保護(hù)安裝地點(diǎn)需要裝設(shè)三個(gè)接于不同相的阻抗繼電器，以反應(yīng)不同相的接地短路。第四節(jié)集成電路型方向阻抗繼電器的接線和特性分析

一、方向阻抗繼電器的死區(qū)及消除死區(qū)的方法方向阻抗繼電器的死區(qū)：當(dāng)保護(hù)安裝處正向附近短路故障時(shí)，由于阻抗繼電器的輸入電壓為零，因而會(huì)造成方向阻抗繼電器拒動(dòng)。對(duì)于相位比較形式的方向阻抗繼電器，當(dāng)輸入電壓時(shí)，，則方向阻抗繼電器無(wú)法判斷的相位，從而導(dǎo)致拒動(dòng)。1.記憶回路模擬的記憶回路：一個(gè)串聯(lián)諧振回路?；芈返淖杂烧袷幗穷l率為：對(duì)于快速動(dòng)作的繼電器，可以選擇以下振蕩角頻率：方向阻抗繼電器的死區(qū)消除的方法利用故障前的電壓相位來(lái)代替故障后的電壓相位。電磁型阻抗繼電器是采用模擬記憶回路來(lái)實(shí)現(xiàn)用故障前的電壓相位來(lái)代替故障后的電壓相位。方向阻抗繼電器的死區(qū)消除的方法2.高Q值50Hz帶通有源濾波器利用帶通有源濾波器響應(yīng)特性的時(shí)間延遲作用，也能夠起到記憶故障前電壓相位的作用。3.引入非故障相電壓直接利用或部分利用非故障相的電壓來(lái)消除兩相短路時(shí)的死區(qū)。如AB相間短路的0°接線阻抗繼電器，在電壓回路中引入第三相電壓UC后，就可以克服近處相間短路的死區(qū)問(wèn)題。其中，這種方法不能消除三相短路時(shí)的死區(qū)。二極化回路記憶作用對(duì)繼電器動(dòng)作特性的影響1.正方向發(fā)生故障分析（用故障前電壓相位代替故障后）正方向上經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障，則有，系統(tǒng)電源電壓為：所以，則正方向發(fā)生故障分析方向阻抗繼電器動(dòng)作方程：用故障前電壓代替故障后的電壓后動(dòng)作方程為：，其中是故障前電壓。所以可得：因?yàn)檎r(shí)，所以2.反方向發(fā)生故障（用故障前電壓相位代替故障后）用故障前電壓相位代替故障后電壓相位后的動(dòng)作方程為：三、阻抗繼電器的精確工作電流對(duì)于幅值比較式全阻抗繼電器，其理想的動(dòng)作方程為：或令：，則有但實(shí)際的幅值比較式全阻抗繼電器的動(dòng)作方程為：下面對(duì)實(shí)際的幅值比較式全阻抗繼電器性能進(jìn)行分析。當(dāng)滿足時(shí)，動(dòng)作方程變換為：，即阻抗繼電器的精確工作電流經(jīng)過(guò)變換后，實(shí)際比幅式全阻抗繼電器動(dòng)作方程為：則繼電器的實(shí)際起動(dòng)阻抗為：由上式可見(jiàn)，當(dāng)加入阻抗繼電器電流較小時(shí)，繼電器的起動(dòng)阻抗將下降，使阻抗繼電器實(shí)際保護(hù)范圍縮短。精確動(dòng)作電流（精工電流）：當(dāng)時(shí)，繼電器的起動(dòng)阻抗，即比整定阻抗縮小了10%。第五節(jié)距離保護(hù)的整定原則及對(duì)距離保護(hù)的評(píng)價(jià)整定阻抗：動(dòng)作時(shí)限：距離Ⅰ段只能保護(hù)線路首端一部分。距離Ⅰ段的保護(hù)范圍不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，也不受故障類型的影響。1、距離Ⅰ段2、距離Ⅱ段整定阻抗：動(dòng)作時(shí)限：其中，是最小分支系數(shù)。距離Ⅱ段能夠保護(hù)本線路全長(zhǎng)及下級(jí)線路首端一部分。，可靠系數(shù)（1）與相鄰距離保護(hù)第Ⅰ段配合，并考慮分支系數(shù)；（2）躲開(kāi)線路末端變壓器低壓側(cè)出口短路時(shí)的阻抗值，考慮分支系數(shù)。最終整定阻抗取（1）（2）中的最小者。距離Ⅱ段的靈敏度校驗(yàn)：3.距離Ⅲ段動(dòng)作時(shí)限：，能夠保護(hù)本線路全長(zhǎng)、下級(jí)線路全長(zhǎng)及更遠(yuǎn)。整定阻抗：對(duì)距離