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

第三章電網(wǎng)的

距離保護(hù)第一節(jié)距離保護(hù)概述一、距離保護(hù)的基本概念電流保護(hù)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(hù)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(hù)裝置，距離保護(hù)就是適應(yīng)這種要求的一種保護(hù)原理。距離保護(hù)：反應(yīng)保護(hù)安裝地點(diǎn)至故障點(diǎn)之間的距離，并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近而確定動(dòng)作時(shí)限的一種保護(hù)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(hù)安裝處至故障點(diǎn)間的阻抗值。距離保護(hù)保護(hù)范圍通常用整定阻抗的大小來實(shí)現(xiàn)。正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)安裝處測量到的阻抗為負(fù)荷阻抗，即 (3-1)式中——被保護(hù)線路母線的相電壓，測量電壓；——被保護(hù)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(hù)線路任一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)安裝處的測量電壓為，測量電流為故障電流，這時(shí)的測量阻抗為保護(hù)安裝處到短路點(diǎn)的短路阻抗，

(3-2)當(dāng)短路點(diǎn)在保護(hù)范圍以外時(shí)，即>時(shí)繼電器不動(dòng)。當(dāng)短路點(diǎn)在保護(hù)范圍內(nèi)，即<時(shí)>繼電器動(dòng)作。二、時(shí)限特性距離保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間t與保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)之間的距離l的關(guān)系稱為距離保護(hù)的時(shí)限特性，目前獲得廣泛應(yīng)用的是階梯型時(shí)限特性，稱為距離保護(hù)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段距離保護(hù)的第Ⅰ段是瞬時(shí)動(dòng)作的，是保護(hù)本身的固有動(dòng)作時(shí)間。以保護(hù)3為例，其起動(dòng)阻抗的整定值必須躲開這一點(diǎn)短路時(shí)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0.8~0.85）：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(hù)第Ⅱ段。距離Ⅱ段整定值的選擇不超過下一條線路距離Ⅰ段的保護(hù)范圍，同時(shí)高出一個(gè)的時(shí)限，以保證選擇性。引入可靠系數(shù)，則保護(hù)3的起動(dòng)阻抗為距離Ⅰ段和Ⅱ段的聯(lián)合工作構(gòu)成本線路的主保護(hù)。三、距離保護(hù)的組成三段式距離保護(hù)裝置一般由以下四種元件組成，其邏輯關(guān)系如圖3-2所示。

第二節(jié)阻抗繼電器阻抗繼電器是距離保護(hù)裝置的核心元件，其主要作用是測量短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處之間的距離，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。阻抗繼電器按其構(gòu)成方式可分為單相式和多相補(bǔ)償式。單相式阻抗繼電器是指加入繼電器的只有一個(gè)電壓(可以是相電壓或線電壓)和一個(gè)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(dòng)作特性，并用一定的幾何圖形把它表示出來。一、具有圓及直線動(dòng)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．全阻抗繼電器（1）幅值比較全阻抗繼電器的動(dòng)作與邊界條件為：

或

比較兩電壓量幅值的全阻抗繼電器的電壓形成回路：（2）相位比較相位比較的動(dòng)作特性如圖3-6所示，繼電器的動(dòng)作與邊界條件為與的夾角小于等于，即(3-6)兩邊同乘以電流量得(3-7)上式中，量超前于量時(shí)角為正，反之為負(fù)。構(gòu)成相位比較的電壓形成回路如圖3-7所示。2.方向阻抗繼電器(1)幅值比較方向阻抗繼電器的動(dòng)作特性為一個(gè)圓，動(dòng)作具有方向性，幅值比較的動(dòng)作與邊界條件為：(3-8)兩邊同乘以電流得(3-9)（2）相位比較相位比較的方向阻抗繼電器動(dòng)作特性如圖3-8（b）所示，其動(dòng)作與邊界條件為(3-10)分式上下同乘以電流(3-11)方向阻抗繼電器相位比較的電壓形成回路，如圖3-10所示。3．偏移特性阻抗繼電器（1）幅值比較偏移特性阻抗繼電器的動(dòng)作特性，圓的直徑為與之差。動(dòng)作條件：兩邊同乘以電流：（2）相位比較偏移特性阻抗繼電器相位比較分析，如圖3-12所示，其相位比較的動(dòng)作與邊界條件為兩邊同乘以電流得(3-15)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。4．直線特性阻抗繼電器幅值比較動(dòng)作條件：相位比較動(dòng)作條件：(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(gè)電氣量幅值的方法來構(gòu)成，也可以用比較兩個(gè)電氣量相位的方法來實(shí)現(xiàn)。1微機(jī)保護(hù)中幅值比較的實(shí)現(xiàn)：設(shè)由傅氏算法算出的電壓和電流實(shí)、虛部分別用、和、表示，

2.微機(jī)保護(hù)中相位比較的實(shí)現(xiàn)在微機(jī)保護(hù)中，相位比較既可以用阻抗形式實(shí)現(xiàn)，也可以用電壓的形式實(shí)現(xiàn)。在用電壓比較方式的情況下，分為相量比較和瞬時(shí)采樣值比較兩種：(1)相量比較方式。動(dòng)作范圍：比相動(dòng)作條件：動(dòng)作范圍：比相動(dòng)作條件：(2)瞬時(shí)采樣值比較方式。這種算法只需要用相隔1/4工頻周期的兩個(gè)采樣值就可以完成比相，故可稱為比相的兩點(diǎn)積算法。由于該方法用瞬時(shí)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(jìn)行比相。二．具有多邊形動(dòng)作特性的阻抗繼電器如圖3-16所示，阻抗繼電器準(zhǔn)四邊形動(dòng)作特性，準(zhǔn)四邊形以內(nèi)為動(dòng)作區(qū)，以外為不動(dòng)區(qū)，即測量阻抗末端位于準(zhǔn)四條邊上為動(dòng)作邊界。設(shè)測量阻抗的實(shí)部為，虛部為，則圖3-16在第Ⅳ象限部分的特性可以表示為(3-36)

第Ⅱ象限部分的特性可以表示為(3-37)

第Ⅰ象限部分的特性可以表示為(3-38)綜合以上三式，動(dòng)作特性可以表示為（3-39）其中

若取，，，則，，，式（3-39）又可表示為(3-40)該式可以方便地在微機(jī)保護(hù)中實(shí)現(xiàn)。

三.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(dāng)保護(hù)出口短路時(shí)，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(dòng)作條件為當(dāng)時(shí)，該式變?yōu)椋藭r(shí)被比較的兩個(gè)電壓變?yōu)橄嗟?，理論上處于?dòng)作邊界，實(shí)際上，由于繼電器的執(zhí)行元件動(dòng)作需要消耗一定的功率，因此，在這樣情況下繼電器不動(dòng)作。對于相位比較的方向阻抗繼電器，其動(dòng)作條件為 ，當(dāng)時(shí)，無法進(jìn)行比相，繼電器也不動(dòng)作。這種不動(dòng)作的范圍，稱為保護(hù)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)。1．記憶回路對瞬時(shí)動(dòng)作的距離I段方向阻抗繼電器，在電壓的回路中廣泛采用“記憶回路”的接線，即將電壓回路看作是一個(gè)對50HZ工頻交流的串聯(lián)諧振回路，其原理接線圖如圖3-17所示，圖3-18是常用的實(shí)際接線之一。圖3-18中，、、是在原幅值比較的測量電壓回路中接入一個(gè)串聯(lián)諧振回路。取，則諧振回路中的電流與外加測量電壓同相位，所以在電阻上的壓降也與外加電壓同相位，記憶電壓通過記憶變壓器T與同相位。.引入記憶電壓以后，幅值比較的動(dòng)邊條件為：(3-41)

在出口短路時(shí)，=0，由于諧振回路的儲能作用，記憶電壓在衰減到零之前存在，且與故障前同相位。由于繼電器記錄了故障前的電壓，故方向阻抗繼電器消除了死區(qū)。2．引入第三相電壓記憶回路只能保證方向阻抗繼電器在暫態(tài)過程中正確動(dòng)作，但它的作用時(shí)間有限。為了克服這一缺點(diǎn)，再引入非故障相電壓。圖3-19（a）所示為在方向阻抗繼電器中引入第三相電壓，并將第三相電壓和記憶回路并用的方案。由圖3-19（a）可見，第三相電壓為C相，它通過高阻值的電阻R接到記憶回路中和的連接點(diǎn)上。正常時(shí)，由于電壓較高且、處于工頻諧振狀態(tài)，而R值又很大，使作用在上的電流主要來自且是電阻性的，第三相電壓基本上不起作用。當(dāng)系統(tǒng)中AB相發(fā)生突然短路時(shí)，突然為零,此時(shí)記憶回路發(fā)揮了作用，使繼電器得到一個(gè)和故障前相位相同的極化電壓，但它將逐漸衰減到零，這時(shí)第三相電壓的作用表現(xiàn)出來，圖3-19（b）為圖3-19(a)在保護(hù)出口AB兩相短路時(shí),記憶電壓消失后的等值電路。電阻R中的電流與同相位,因?yàn)殡娮鑂的數(shù)值遠(yuǎn)大于的值,而在、支路中的分流為在電阻上的壓降

從向量圖3-19（c）中可以看出，超前近，電阻上電壓降超前，即極化電壓與故障前電壓同相位。因此，當(dāng)出口兩相短路時(shí)，第三相電壓可以在繼電器中產(chǎn)生和故障前電壓（即）同相的而且不衰減的極化電壓，以保證方向阻抗繼電器正確動(dòng)作，即能消除死區(qū)。3．記憶電壓對方向阻抗繼電器特性的影響方向阻抗繼電器的穩(wěn)態(tài)特性：

(2)方向阻抗繼電器的初態(tài)特性相位比較的方向阻抗繼電器在引入記憶電壓以后，其動(dòng)作與邊界條件已變?yōu)椋?/p>

①保護(hù)正方向短路此處為和短路點(diǎn)過渡阻抗之和，從而有繼電器動(dòng)作條件為(3-46)如果短路前為空載，則，從而有(3-47)在記憶回路作用下的動(dòng)態(tài)特性圓擴(kuò)大了動(dòng)作范圍，而又不失去方向性，因此，對消除死區(qū)和減小過渡電阻的影響都是有利的。

②保護(hù)反方向短路系統(tǒng)的接線及參數(shù)如圖3-23所示，此時(shí)短路電流由供給，但仍假定電流的正方向由母線流向被保護(hù)線路，且，因，，，若短路前是空載，則在記憶作用消失前，記憶電壓，繼電器的動(dòng)作條件為(3-48)將代入上式，得(3-49)此時(shí)繼電器的動(dòng)作特性為以向量（）為直徑所作的圓，如圖3-24所示，圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)。當(dāng)反方向短路時(shí)，必須出現(xiàn)一個(gè)正的短路阻抗才可能引起繼電器的動(dòng)作，但實(shí)際上繼電器測量到的是，在第Ⅲ象限，因此，在反方向短路時(shí)的動(dòng)態(tài)過程中，繼電器有明確的方向性。四、阻抗繼電器的精工電流和精工電壓

精工電流：當(dāng)時(shí)，繼電器的動(dòng)作阻抗，即比整定阻抗縮小了10%。因此，當(dāng)時(shí)，就可以保證起動(dòng)阻抗的誤差在10%以內(nèi)，而這個(gè)誤差在選擇可靠系數(shù)時(shí)，已經(jīng)被考慮進(jìn)去了。精工電壓：精工電流和整定阻抗的乘積：第三節(jié)阻抗繼電器的接線方式

一、對距離保護(hù)接線方式的要求根據(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：繼電器的測量阻抗應(yīng)能準(zhǔn)確判斷故障地點(diǎn)，即與故障點(diǎn)至保障安裝處的距離成正比。繼電器的測量阻抗應(yīng)與故障類型無關(guān)，即保護(hù)范圍不隨故障類型而變化。.阻抗繼電器的常用接線方式

二、反應(yīng)相間短路阻抗繼電器的接線三相短路如圖3-26所示，由于三相對稱，三個(gè)阻抗繼電器~的工作情況完全相同，以為例分析。設(shè)短路點(diǎn)至保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的距離為L千米，線路每千米的正序阻抗為，則保護(hù)安裝地點(diǎn)的電壓：三個(gè)繼電器的測量阻抗均等于短路點(diǎn)到保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的正序阻抗，三個(gè)繼電器均能正確動(dòng)作。2．兩相短路設(shè)以AB兩相短路為例，分析此時(shí)三個(gè)阻抗繼電器的測量阻抗。對而言能正確動(dòng)作。、測量阻抗大于，不能動(dòng)作。但能正確動(dòng)作，所以和拒動(dòng)不會(huì)影響整套保護(hù)的動(dòng)作。3.中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)中兩相接地短路繼電器的測量阻抗為

三、反應(yīng)接地短路阻抗繼電器的接線在大接地電流系統(tǒng)中，零序電流保護(hù)不能滿足要求時(shí)，一般采用接地距離保護(hù)。單相接地故障時(shí)，只有故障相電壓降低，電流增大，而任何相間電壓都是很高的。因此應(yīng)將故障相的電壓和電流加入到繼電器中，即采用表3-1所示的第四種接線方式。當(dāng)發(fā)生A相單相接地短路時(shí)，對A相阻抗繼電器，接入繼電器的電壓為

(3-53)式中——稱為零序補(bǔ)償電流，其中，為常數(shù)；、、——分別為線路的正序阻抗、負(fù)序阻抗和零序阻抗，且。接入繼電器的電流，則故障相阻抗繼電器的測量阻抗為它能正確地測量從短路點(diǎn)到保護(hù)安裝地點(diǎn)間的阻抗。這種接線方式同樣能夠正確反應(yīng)兩相接地短路和三相短路。第四節(jié)影響距離保護(hù)正確工作的因素及采取的防止措施影響距離保護(hù)正確動(dòng)作的因素很多，如電網(wǎng)的接線中可能具有分支電路；在Y/Δ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(bǔ)償；電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩；短路點(diǎn)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。一、短路點(diǎn)過渡電阻對距離保護(hù)的影響當(dāng)短路點(diǎn)存在過渡電阻時(shí)，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)，當(dāng)線路的出線端經(jīng)過短路時(shí)，保護(hù)1的測量阻抗為，保護(hù)2的測量阻抗為。.