電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù) 第4版 課件 第4章 輸電線路距離保護(hù)1

4.1距離保護(hù)概述1、距離保護(hù)的作用

原因：電流保護(hù)區(qū)隨系統(tǒng)運(yùn)行方式而變化，有時電流速斷保護(hù)或限時電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍將變得很小，甚至沒有保護(hù)區(qū)。對長距離、重負(fù)荷線路，線路的最大負(fù)荷電流可能與線路末端短路時的短路電流相差甚微，采用過電流保護(hù)，其靈敏性也常常不能滿足要求。4.1距離保護(hù)概述在高電壓、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電網(wǎng)中，自適應(yīng)電流保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)還不能得到充分發(fā)揮。2、距離保護(hù)的基本原理工作原理：距離保護(hù)是反應(yīng)故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處之間的距離，并根據(jù)該距離的大小確定動作時限的一種繼電保護(hù)裝置。特點(diǎn)：故障點(diǎn)距保護(hù)安裝處越近時，保護(hù)的動作時限就越短；反之，故障點(diǎn)距保護(hù)安裝處越遠(yuǎn)時，保護(hù)的動作時限就越長。

4.1距離保護(hù)概述故障點(diǎn)總是由離故障點(diǎn)近的保護(hù)首先動作切除，從而保證了在任何形狀的電網(wǎng)中，故障線路都能有選擇性的被切除。距離保護(hù)核心元件：阻抗繼電器。阻抗繼電器：測量故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處的距離。方向阻抗繼電器不僅能測量阻抗的大小，而且還應(yīng)能測量出故障點(diǎn)的方向。4.1距離保護(hù)概述原理：測量故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處的阻抗，實(shí)際上是測量故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處的線路距離。假設(shè)：電壓、電流互感器變比等于1。加入繼電器電壓、電流為、。測量阻抗工作電壓：4.1距離保護(hù)概述設(shè)阻抗繼電器安裝在線路M側(cè)：特點(diǎn)：1）正向保護(hù)區(qū)外短路時，工作電壓大于0。4.1距離保護(hù)概述2）正向保護(hù)區(qū)內(nèi)短路時，工作電壓小于0。3）反向短路，工作電壓大于0。

結(jié)論：檢測工作電壓的相位變化，不僅能測量出阻抗的大小，而且還能檢測出短路故障的方向。1、極化電壓設(shè)極化電壓與測量電壓同相位，以極化電壓作為參考相量。4.1距離保護(hù)概述區(qū)內(nèi)區(qū)外注意：極化電壓只作相位參考量，不參與阻抗測量，任何時候其值不能為零。4.1距離保護(hù)概述動作方程或極化電壓作用：1）極化電壓是按相位比較原理工作的方向阻抗繼電器工作所必須。數(shù)值過大或過小都是不適宜的。4.1距離保護(hù)概述2）可保證方向阻抗繼電器正、反向出口短路故障時有明確的方向性。3）根據(jù)比相原理的阻抗繼電器性能特點(diǎn)的要求，極化電壓有不同的構(gòu)成方式，可獲得阻抗繼電器的不同功能，改善阻抗繼電器性能。

2、插入電壓令4.1距離保護(hù)概述區(qū)內(nèi)短路，大于。插入電壓一般與測量電壓同相。區(qū)外短路，小于。4.1距離保護(hù)概述3、距離保護(hù)時限特性距離保護(hù)的動作時限與保護(hù)安裝處到短路點(diǎn)間距離的關(guān)系，即的關(guān)系稱為時限特性。與三段式電流保護(hù)類似，具有階梯時限特性的距離保護(hù)獲得了廣泛的應(yīng)用。4.1距離保護(hù)概述4、距離保護(hù)的構(gòu)成

距離保護(hù)構(gòu)成：三段式距離保護(hù)裝置一般由啟動元件、方向元件、測量元件、時間元件組成。4.1距離保護(hù)概述啟動元件:發(fā)生故障瞬間啟動保護(hù)裝置。可采用反映負(fù)序電流構(gòu)成或負(fù)序與零序電流的復(fù)合電流構(gòu)成，也可以采用反映突變量的元件作為啟動元件。方向元件：是保證動作的方向性，防止反方向發(fā)生短路故障時，保護(hù)誤動作。4.1距離保護(hù)概述測量元件：用阻抗繼電器實(shí)現(xiàn)，主要作用是測量短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離（或阻抗）。時間元件：主要作用是按照故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的遠(yuǎn)近，根據(jù)預(yù)定的時限特性動作的時限，以保證動作的選擇性。4.1距離保護(hù)概述

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主講人：許建安4.2阻抗繼電器教學(xué)要求：掌握各種阻抗繼電器特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，整定阻抗、測量阻抗及動作阻抗意義；比幅與比相間的轉(zhuǎn)換。阻抗繼電器作用：阻抗繼電器是距離保護(hù)的核心,其主要作用是測量短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離。

加入阻抗繼電器的電壓與電流的比值稱為測量阻抗。4.2阻抗繼電器為了方便比較，通常將測量阻抗與整定阻抗畫在同一阻抗復(fù)數(shù)平面上。4.2阻抗繼電器

所表示的直線段為繼電器動作區(qū)，直線以外的區(qū)域?yàn)榉莿幼鲄^(qū)。

由于互感器的誤差，直線形動作特性不能采用的，必須擴(kuò)大保護(hù)區(qū)。4.2阻抗繼電器4.2.1圓特性阻抗繼電器1、全阻抗繼電器動作方程：特點(diǎn):1)圓的半徑為整定阻抗；2)圓內(nèi)為動作區(qū)；3)動作不具有方向性。4.2阻抗繼電器圓的動作方程為：方程兩邊乘以電流,則方程為若令整定阻抗為：物理意義：正常運(yùn)行時，電壓為額定電壓、電流是負(fù)荷電流，方程不滿足條件，即繼電器不動作；當(dāng)在保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生短路故障時，電壓降低，電流增大，方程滿足條件，保護(hù)起動。4.2阻抗繼電器動作方程兩邊同乘以測量電流,則方程為若令整定阻抗為：2、方向阻抗繼電器4.2阻抗繼電器動作方程：4.2阻抗繼電器

方向阻抗繼電器以電壓形式表示的動作方程為：特點(diǎn)：1）動作具有方向性；2）圓的直徑為整定阻抗；3）圓內(nèi)為動作區(qū)。缺點(diǎn)：當(dāng)加入繼電器的電壓等于零時，保護(hù)存在動作死區(qū)。4.2阻抗繼電器由于在保護(hù)安裝出口處發(fā)生三相短路時，加入繼電器的電壓為零，存在動作死區(qū)。實(shí)用的方向元件必須解決保護(hù)動作死區(qū)問題。動作阻抗：使阻抗繼電器啟動的最大測量阻抗。整定阻抗：指保護(hù)安裝處至保護(hù)區(qū)末端阻抗。4.2阻抗繼電器特點(diǎn)：當(dāng)加入繼電器電壓與電流之間的相位差為不同數(shù)值時，動作阻抗也隨之而變。處于靈敏角狀態(tài)下動作阻抗具有最大值，保護(hù)區(qū)最長，即最靈敏。當(dāng)測量阻抗角等于整定阻抗角時，此時動作阻抗具有最大值，將此角度稱為靈敏角。4.2阻抗繼電器比幅特性與比相特性間的轉(zhuǎn)換：動作方程為：4.2阻抗繼電器動作方程用電壓形式表示時，其方程為：缺點(diǎn)：當(dāng)加入繼電器電壓為零時，也無法比相。存在動作死區(qū)。4.2阻抗繼電器3、偏移特性阻抗繼電器動作方程：4.2阻抗繼電器圓的半徑為：其中動作方程可表示為：4.2阻抗繼電器當(dāng)，方程為：當(dāng)，方程為：全阻抗繼電器4.2阻抗繼電器偏移特性阻抗繼電器比相形式動作方程：4.2阻抗繼電器以電壓形式表示動作方程為：4.2阻抗繼電器小結(jié)：1）測量阻抗：由測量電壓與測量電流的比值，大小與短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處遠(yuǎn)近有關(guān)；2）整定阻抗：一般取保護(hù)安裝點(diǎn)到保護(hù)范圍末端線路的阻抗；3）動作阻抗：使阻抗繼電器動作的最大測量阻抗。4.2阻抗繼電器4.2.2多邊形阻抗繼電器

多邊型阻抗繼電器反應(yīng)故障點(diǎn)過渡電阻能力強(qiáng)、躲過負(fù)荷能力好，在微機(jī)保護(hù)中應(yīng)用的相對廣泛。1、四邊形阻抗繼電器4.2阻抗繼電器動作方程：特點(diǎn)：測量阻抗落入四邊形區(qū)域內(nèi)，保護(hù)動作。但保護(hù)不具方向性。4.2阻抗繼電器2、方向性多邊形阻抗繼電器

為了減小過渡電阻對阻抗保護(hù)的影響，各邊都采用了傾斜角，特性如圖所示。4.2阻抗繼電器動作方程：方向判別的動作方程為：4.2阻抗繼電器3、零序電抗繼電器

為克服單相接地短路時過渡電阻對保護(hù)區(qū)的影響，使阻抗繼電器動作特性適應(yīng)附加測量阻抗的變化、保護(hù)區(qū)穩(wěn)定不變，零序電抗繼電器是廣泛采用的一種阻抗繼電器。其動作特性是過整定阻抗端點(diǎn)有一個傾角的直線。4.2阻抗繼電器

送電側(cè)受電側(cè)

若附加測量阻抗角等于傾斜角，則動作特性與附加阻抗平行。則保護(hù)區(qū)不受過渡電阻的影響。4.2阻抗繼電器動作方程為：4.2阻抗繼電器小結(jié)：（1）多邊形特性阻抗繼電器與直線形零序電抗繼電器在微機(jī)保護(hù)中被廣泛應(yīng)用；（2）其最大優(yōu)點(diǎn)是躲過過渡電阻能力比較強(qiáng)；（3）同時可以采用帶方向性。4.2阻抗繼電器

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主講人：許建安4.3阻抗繼電器接線1、對阻抗繼電器接線要求１）阻抗繼電器的測量阻抗應(yīng)正比于短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處之間的距離；２）阻抗繼電器的測量阻抗應(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；3）阻抗繼電器的測量阻抗應(yīng)不受短路故障點(diǎn)過渡電阻的影響。4.3阻抗繼電器接線2、反映相間短路故障接線當(dāng)時，加在繼電器端子上電壓與電流的相位差為零。接線定義：加入相電壓與同相電流時：4.3阻抗繼電器接線測量阻抗可正確反應(yīng)三相短路故障。4.3阻抗繼電器接線故障相電壓為：測量阻抗為：4.3阻抗繼電器接線保護(hù)安裝處相間電壓為：測量阻抗為：4.3阻抗繼電器接線

為了正確反映保護(hù)安裝處到短路點(diǎn)之間的距離，必須加入相間電壓與同名相的兩相電流差。繼電器1繼電器2繼電器34.3阻抗繼電器接線各種相間短路故障時的測量阻抗:1、三相短路保護(hù)安裝處母線電壓為：4.3阻抗繼電器接線阻抗繼電器1測量阻抗為：說明在被保護(hù)線路發(fā)生三相金屬性短路故障時，三個阻抗繼電器的測量阻抗均等于短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的阻抗。4.3阻抗繼電器接線2、兩相短路（BC）故障相間電壓為：4.3阻抗繼電器接線阻抗繼電器2的測量阻抗為：

保護(hù)區(qū)內(nèi)BC兩相短路時，阻抗繼電器2能正確地測量保護(hù)安裝處至短路點(diǎn)間的阻抗。

阻抗繼電器1、3所加電壓有一相非故障相電壓，電流只有一相故障電流，其測量阻抗較大。4.3阻抗繼電器接線3、兩相接地短路保護(hù)安裝處故障相電壓4.3阻抗繼電器接線阻抗繼電器2測量阻抗為：

上式可見，BC兩相接地短路故障時，阻抗繼器2能正確測量短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處的距離。4.3阻抗繼電器接線將故障點(diǎn)電壓和電流分解為序分量，則3、反映接地接線4.3阻抗繼電器接線保護(hù)安裝處三序分量電壓為4.3阻抗繼電器接線保護(hù)安裝處A相電壓為：4.3阻抗繼電器接線若加入繼電器電壓、電流為則測量阻抗為4.3阻抗繼電器接線

為了正確測量阻抗，加入繼電器電壓、電流應(yīng)為：其中：測量阻抗4.3阻抗繼電器接線

顯然，加入相電壓、帶零序電流補(bǔ)償?shù)南嚯娏?，阻抗繼電器就能正確測量保護(hù)安裝處至短路點(diǎn)間距離。繼電器1繼電器2繼電器34.3阻抗繼電器接線4、反應(yīng)突變量阻抗繼電器（1）反應(yīng)工作電壓相位變化極化電壓取工作電壓前一個周期的值，記為：

動作方程為：4.3阻抗繼電器接線原理：反映阻抗繼電器工作電壓相位突變或幅值突變構(gòu)成的阻抗繼電器。阻抗繼電器測量的是工作電壓前、后周期的相位變化，在穩(wěn)定狀態(tài)下阻抗繼電器不可能動作，只有在發(fā)生短路故障后的第一個周期才有可能動作，所以稱為突變量阻抗繼電器。反映接地短路故障動作方程為：4.3阻抗繼電器接線

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主講人：許建安4.4選相原理

一個CPU判斷十種故障類型和相別耗時太長，因此要求在處理故障之前，預(yù)先進(jìn)行故障類型和相別的判斷。識別出故障相別后，將相應(yīng)的電壓、電流量取出，送至故障判別處理程序，可大量節(jié)約時間。當(dāng)然對故障類型和相別判斷必須要有足夠準(zhǔn)確性。選相元件只承擔(dān)選相任務(wù)，不承擔(dān)測量故障點(diǎn)距離和故障方向的任務(wù)。4.4選相原理要求：1）在保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生任何形式的短路故障時，能判別故障相別，或判別出是單相故障還是多相故障。2）單相接地故障時，非故障相選相元件可靠不動作。3）在正常運(yùn)行時，選相元件應(yīng)該不動作。4）動作速度要快。4.4選相原理故障選相流程：4.4選相原理1、相電流差工頻變化量選相原理：利用系統(tǒng)發(fā)生短路故障時兩相電流差的變化量的幅值特征來區(qū)分各種類型故障。利用對稱分量法可得：4.4選相原理為分析方便，設(shè)1）A相接地短路故障兩非故障相電流差為零。4.4選相原理2）兩相短路（BC）兩相故障相電流差最大。4.4選相原理3）三相短路三個兩相電流差故障分量相等。4.4選相原理4）兩相接地（BC）若金屬性短路，k為實(shí)數(shù)且0＜k＜1一般情況下兩相接地短路與兩相短路相同，故障相電流差最大。4.4選相原理2、對稱分量選相原理：先判斷是否存在零序分量，排除三相短路和兩相短路，再用零序電流和負(fù)序電流進(jìn)行比較，分析單相接地短路和兩相接地短路的區(qū)別。（1）單相接地短路4.4選相原理4.4選相原理定性分析設(shè)（1）A相接地時，（2）B相接地時，和（3）C相接地時，和4.4選相原理（2）兩相接地短路4.4選相原理（3）選相方法以基準(zhǔn)選相區(qū)域，落在在不同相位區(qū)，對應(yīng)了不同的接地故障類型和相別。

4.4選相原理

雖然可以用電流大小來區(qū)別兩種故障，但是測量電流受負(fù)荷電流影響，不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判別，特別在接地電阻較大時。

（1）當(dāng)時，若在內(nèi)，則判為兩相接地短路故障。4.4選相原理4.4選相元件2、余弦電壓選相4.4選相原理＞4.4選相原理如果不計電阻分量，

簡化為：若取4.4選相原理測量阻抗為：其中：4.4選相原理BC相經(jīng)過渡電阻短路時，測量阻抗為4.4選相原理4.4選相原理只要能覆蓋的動作區(qū)，余弦電壓元件會動作。動作判據(jù)為＜＜4.4選相原理

發(fā)生接地短路故障時，滿足A相為特殊相條件，則A相或BC相接地短路故障。若元件動作，則判為BC接地短路故障。若不動作，判A相接地短路故障，實(shí)現(xiàn)了選相。4.4選相原理小結(jié)：1）為了能正確地測量短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處的阻抗，分別裝設(shè)了相間短路和接地短路距離保護(hù)。2）微機(jī)保護(hù)中采用選相，其目的是為節(jié)約微機(jī)時間。3）要求故障類型及相別判斷準(zhǔn)確性要高。4.4選相原理4）選相元件僅承擔(dān)選相任務(wù)，不承擔(dān)測量故障點(diǎn)距離和故障方向。5）相電流差工頻變化量選相原理是比較幅值大小。6）余弦電壓選相是利用故障點(diǎn)過渡電阻特征。4.4選相原理

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4.6啟動元件1、啟動元件的作用（1）閉鎖作用。因啟動元件動作后才給上保護(hù)裝置的電源，所以裝置在正常運(yùn)行發(fā)生異常情況時是不會誤動作的，此時啟動元件起到閉鎖作用，提高了裝置工作的可靠性。（2）在某些距離保護(hù)中，啟動元件與振蕩閉鎖啟動元件為同一個元件，因此啟動元件起到了振蕩閉鎖的作用。4.6啟動元件（3）若保護(hù)裝置中第Ⅰ段和第Ⅱ段用同一阻抗測量元件，則啟動元件動作后按要求自動地將阻抗定值由第Ⅰ段切換到第Ⅱ段。當(dāng)保護(hù)裝置采用Ⅱ、Ⅲ段切換時，同樣按要求能自動地將阻抗定值由第Ⅱ段切換到第Ⅲ段。（4）當(dāng)保護(hù)裝置只用一個阻抗測量元件來反應(yīng)不同短路故障形式時，則啟動元件應(yīng)能按故障類型將適當(dāng)?shù)碾妷骸㈦娏鹘M合加于測量元件上。4.6啟動元件2、對啟動元件的要求（1）能反應(yīng)各種類型的短路故障，即使是三相同時性短路故障，啟動元件也應(yīng)能可靠啟動。（2）在保護(hù)范圍內(nèi)短路故障時，即使故障點(diǎn)存在過渡電阻，啟動元件也應(yīng)有足夠的靈敏度，動作可靠、快速，在故障切除后盡快返回。4.6啟動元件（3）被保護(hù)線路通過最大負(fù)荷電流時，啟動元件應(yīng)可靠不動作；電力系統(tǒng)振蕩時啟動元件不允許動作。（4）當(dāng)電壓回路異常時，阻抗繼電器可能發(fā)生誤動作，此時啟動元件不應(yīng)動作，為此啟動元件應(yīng)采用電流量，不采用電壓量來構(gòu)成啟動元件。4.6啟動元件（5）為能發(fā)揮啟動元件的閉鎖作用，構(gòu)成啟動元件的數(shù)據(jù)采集、CPU等部分最好應(yīng)完全獨(dú)立，不應(yīng)與保護(hù)部分共用。3、負(fù)序、零序電流啟動元件距離保護(hù)啟動元件：1）電流元件2）阻抗元件3）負(fù)序和零序電流元件4）電流突變量元件等4.6啟動元件電流啟動元件優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡單可靠、電壓回路斷線失壓不誤啟動在較高電壓等級的網(wǎng)絡(luò)中，靈敏度難于滿足要求，且振蕩時要誤啟動，只適用于及以下網(wǎng)絡(luò)的距離保護(hù)中。不對稱短路特點(diǎn)：一般三相短路是由不對稱短路發(fā)展而成，所以在三相短路的初瞬間也有負(fù)序電流出現(xiàn)。4.6啟動元件零序電流啟動：提高啟動元件靈敏度，與負(fù)序電流共同構(gòu)成啟動元件。4、序分量濾過器算法獲取負(fù)序零序分量方法1）用負(fù)序、零序?yàn)V過器2）微機(jī)保護(hù)中，通過算法實(shí)現(xiàn)4.6啟動元件1、直接移相原理的序分量濾過器對于序列相應(yīng)公式為4.6啟動元件

設(shè)每周采樣12點(diǎn)，即N=12，根據(jù)移相時的數(shù)據(jù)窗不同有不同的算法。當(dāng)時，電壓相位相對于時滯后角度，對應(yīng)采樣值為當(dāng)分別為8和4時，電壓相量旋轉(zhuǎn)了