距離保護(hù)的基本原理及應(yīng)用舉例

1、第三章 線路階段式距離保護(hù),3.1 距離保護(hù)的基本原理,3.3.1 距離保護(hù)工作原理 電流保護(hù)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)安裝地點至故障點之間的距離，并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近而確定動作時限的一種保護(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 的大小來實現(xiàn)。,故障時，首先判斷故障的方向 ：,若故障位于保護(hù)區(qū)的正方向上，則設(shè)法測出故障點到保護(hù)安裝處的距離Lk，并將Lk與Lset

2、相比較，若Lk小于Lset，說明故障發(fā)生在保護(hù)范圍之內(nèi)，這時保護(hù)應(yīng)立即動作，跳開對應(yīng)的斷路器；若Lk大于Lset，說明故障發(fā)生在保護(hù)范圍之外，保護(hù)不應(yīng)動作，對應(yīng)的斷路器不會跳開。,若故障位于保護(hù)區(qū)的反方向上，則無需進(jìn)行比較和測量，直接判為區(qū)外故障。,測量阻抗：測量電壓與測量電流之比。,正常運行時保護(hù)安裝處測量到的阻抗為負(fù)荷阻抗 ，即,在被保護(hù)線路任一點發(fā)生故障時，測量阻抗為保護(hù)安裝處到短路點的短路阻抗。,3.1.2 測量電壓測量電流的選取,在單相系統(tǒng)中，測量電壓就是保護(hù)安裝處的電壓，測量電流就是線路中的電流，系統(tǒng)金屬性短路時兩者之間的關(guān)系為：,在實際三相系統(tǒng)的情況下?,故障電流可能流通的通路稱

3、為故障環(huán) 。,1、單相接地故障的情況下，存在一個故障相與大地之間的故障環(huán)(相-地故障環(huán)) 。,2、兩相接地故障的情況下，存在兩個故障相與大地之間的相-地故障環(huán)和一個兩故障相之間的故障環(huán)(相-相故障環(huán)) 。,3、兩相不接地故障的情況下，存在一個兩故障相之間的相-相故障環(huán) 。,4、三相故障的情況下，存在三個相-地故障環(huán)和三個相-相故障環(huán) 。,距離保護(hù)的正確工作是以故障距離的正確測量為基礎(chǔ)的，所以應(yīng)以故障環(huán)上的電壓電流做出的測量作為判斷故障范圍的依據(jù)，對非故障環(huán)上電壓電流做出的測量應(yīng)不予反映。,以保護(hù)安裝處故障相對地電壓為測量電壓、以帶有零序電流補償?shù)墓收舷嚯娏鳛闇y量電流的方式，就能夠正確地反應(yīng)各種

4、接地故障的故障距離，所以它稱為接地距離保護(hù)接線方式。,以保護(hù)安裝處兩故障相相間電壓為測量電壓、以兩故障相電流電流之差為測量電流的方式稱為相間距離保護(hù)接線方式。,3.1.3、時限特性 距離保護(hù)的動作時間t與保護(hù)安裝處到故障點之間的距離l的關(guān)系稱為距離保護(hù)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(hù)的、段,3.1.4 距離保護(hù)的組成,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)該動作。 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

5、的幾何圖形把它表示出來。,3.2 阻抗繼電器及其動作特性,3.2.1 園特性阻抗繼電器兩種不同的表達(dá)形式， 絕對值(或幅值)比較動作方程：比較兩個量大小的絕對值比較原理表達(dá)式； 相位比較動作方程：比較兩個量相位的相位比較原理表達(dá)式。,1、偏移圓特性 有兩個整定阻抗：正方向整定阻抗和反方向整定阻抗，兩整定阻抗對應(yīng)矢量末端的連線就是特性圓的直徑。特性圓包括座標(biāo)原點。,圓心：,半徑：,2、方向圓特性,特性：方向阻抗繼電器的動作特性是以整定阻抗為直徑并且圓周經(jīng)過坐標(biāo)原點的一個圓，圓內(nèi)為動作區(qū)，圓外為非動作區(qū)，圓周是動作邊界。 特點：動作具有方向性；,方向阻抗繼電器特性圓,全阻抗繼電器,特性：全阻抗繼電

6、器的動作特性是以保護(hù)安裝點為圓心、以整定阻抗Zset為半徑所作的一個圓。圓內(nèi)為動作區(qū)，圓外為非動作區(qū)，圓周是動作邊界。 特點： 動作無方向性； 動作阻抗與整定阻抗相等。,全阻抗繼電器特性圓,3.2.2多邊形動作特性的阻抗繼電器 如圖3-8所示，阻抗繼電器準(zhǔn)四邊形動作特性，準(zhǔn)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(zhǔn)四條邊上為動作邊界。,設(shè)測量阻抗 的實部為 ，虛部為 ，則圖3-8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,其中 若取 ， ， ，則 ， ， ，式（3-11）又可表示為 (3-12) 該式可以方

7、便地在微機(jī)保護(hù)中實現(xiàn)。,3.3 距離保護(hù)整定計算與對距離保護(hù)的評價,1、距離I段 整定原則：躲過下一線路出口短路,2、距離II段,整定原則 （1）與下一相鄰線路距離I段配合。,（2）與相鄰變壓器的快速保護(hù)相配合。,兩者取較小者作為整定阻抗。, 保護(hù)安裝處和故障點間分支線對距離保護(hù)影響 1、助增電流的影響：,結(jié)論1,助增電流的存在，使AB線路A側(cè)阻抗繼電器的測量阻抗增大，這意味著其保護(hù)范圍將會縮短，相當(dāng)于靈敏度下降 解決：在整定計算中解決。靈敏度校驗時引入最大分支系數(shù).,2、外汲電流的影響：,結(jié)論2,汲出電流的存在，使阻抗繼電器的測量阻抗減小，保護(hù)范圍延長，可能造成保護(hù)無選擇動作。 解決：在整定

8、計算中解決，計算動作電流時引入最小分支系數(shù)。,靈敏度校驗：,3、距離III段,整定原則：躲過本線路最小負(fù)荷阻抗,若采用方向特性,靈敏度校驗,4、將整定參數(shù)換算到二次側(cè),5、整定計算舉例 【例 3-1】 在圖所示110kV網(wǎng)絡(luò)中,各線路均裝有距離保護(hù)，已知Z sA.max=20、Z sA.min=15、Z sB.max=25、Z sB.min=20，線路AB的最大負(fù)荷電流 I L.max=600A，功率因數(shù)為0.85，各線路每公里阻抗Z 1=0.4/km，線路阻抗角=70，電動機(jī)的自起動系數(shù)K ast=1.5，保護(hù)5三段動作時間=2s，正常時母線最低工作電壓U L,min取等于0.9U N (U

9、 N=110kV)。試對其中保護(hù)1的相間保護(hù)短路、段進(jìn)行整定計算。（各段均采用相間接線的方向阻抗繼電器）,2.距離I段整定計算,（1）動作阻抗,解,1、有關(guān)各元件阻抗值的計算,3.距離II段整定計算,（1）動作阻抗。按下列兩個條件選擇,1）與相鄰線路保護(hù)3的I段配合,（2）動作時間,為保護(hù)3 I段末端發(fā)生短路時對保護(hù)1而言的最小 分支系數(shù)，如圖3-12所示，當(dāng)保護(hù)3I 段末端 點短 路時，分支系數(shù)按下式計算,因而,（3）動作時限，與相鄰I段瞬時保護(hù)配合,（2）靈敏性校驗,這里,故整定阻抗為,（1）動作阻抗。按躲開最小負(fù)荷阻抗整定,4.距離III段的整定計算,（2）靈敏性校驗。 1）當(dāng)本線路末端

10、短路時,滿足要求,2）相鄰線路末端短路時：,（3）動作時間,3.3.2 對距離保護(hù)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(hù)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(hù)較電流保護(hù)有較高的靈敏度。其中段距離保護(hù)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(hù)要小些，保護(hù)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(yuǎn)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

11、，距離保護(hù)裝置調(diào)試比較麻煩，可靠性也相對低些。,3.4距離保護(hù)的振蕩閉鎖,3.4.1振蕩閉鎖的概念,3.4.2 電力系統(tǒng)振蕩對距離保護(hù)測量元件的影響,3.4.3 距離保護(hù)的振蕩閉鎖措施,3.4.1振蕩的閉鎖的概念及要求,振蕩并聯(lián)運行的電力系統(tǒng)或發(fā)電廠失去同步的現(xiàn)象。,振蕩 原因,聯(lián)絡(luò)線中傳輸?shù)墓β蔬^大而導(dǎo)致靜穩(wěn)定破壞,電力系統(tǒng)受到大的擾動（如短路、大機(jī)組或 重要聯(lián)絡(luò)線的誤切除等）而導(dǎo)致暫態(tài)穩(wěn)定破壞 。,振蕩 特點,系統(tǒng)兩側(cè)等效電動勢間的夾角在003600范圍內(nèi)作周期性變化。,系統(tǒng)中各點的電壓、線路電流、功率方向 以及距離保護(hù)的測量阻抗也都呈現(xiàn)周期性變化。,振蕩閉鎖防止系統(tǒng)振蕩時保護(hù)誤動的措施

12、。,系統(tǒng)發(fā)生振蕩而沒有故障時，應(yīng)可靠地將保護(hù)閉鎖，且振蕩不平息，閉鎖不解除。 系統(tǒng)發(fā)生各種類型的故障時，保護(hù)不應(yīng)被閉鎖，以保證保護(hù)正確動作。 振蕩過程中再發(fā)生故障時，保護(hù)應(yīng)能夠正確地動作（即保護(hù)區(qū)內(nèi)故障可靠動作，區(qū)外故障可靠不動）。 若振蕩的中心不在本保護(hù)的保護(hù)區(qū)內(nèi)，則阻抗繼電器就不可能因振蕩而誤動，這種情況下保護(hù)可不采用振蕩閉鎖。,3.4.2 電力系統(tǒng)振蕩對距離保護(hù)測量元件的影響,1電力系統(tǒng)振蕩時電流、電壓的變化規(guī)律,設(shè)系統(tǒng)兩側(cè)等效電動勢 和 的幅值相等，相角差（即功角）為 ，等效電源之間的阻抗為,它們之間的相位關(guān)系如圖3-14(c)所示。以 為參考相量，當(dāng)在0o360o 之間變化時，相當(dāng)于

13、相量 在0o360o 范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。,由圖可以看出電勢差的有效值為,所以線路電流的有效值為,電流有效值隨變化的曲線如圖3-14(b)所示。變化的軌跡如圖3-14(a)中的虛線圓周所示。,M、N兩母線處的電壓相量和標(biāo)在圖314(a)中。 其有效值隨變化的曲線，如圖314(c)所示,電力系統(tǒng)振蕩時，電壓最低的這一點稱為振蕩中心，在系統(tǒng)各部分的阻抗角都相等的情況下，振蕩中心的位置就位于阻抗中心處。由圖(a)可見，振蕩中心電壓的有效值可以表示為,2電力系統(tǒng)振蕩時測量阻抗的變化規(guī)律,系統(tǒng)振蕩時，安裝在M點處的測量元件的測量阻抗為,m,Z,Z,m,Z,m,因為,所以令,所以,如果,和,的幅值不相等，則分析表

14、明，系統(tǒng)振蕩時測量阻抗末端的軌跡將不再是一條直線，而是 一個圓弧。,當(dāng),時:,設(shè),及,測量阻抗末端的軌跡如圖中的虛線圓弧1和2所示。,電力系統(tǒng)振蕩時，阻抗繼電器有可能因測量阻抗進(jìn)入其動作區(qū)而動作，并且整定值越大的阻抗繼電器越容易受振蕩的影響。在整定值相同的情況下，動作特性曲線在與整定阻抗垂直方向的動作區(qū)越大時，越容易受振蕩的影響 。,3.4.3 距離保護(hù)的振蕩閉鎖措施,根據(jù)對振蕩閉鎖的要求，利用短路與振蕩時電氣量變化特征的差異，距離保護(hù)一般采用以下幾種振蕩閉鎖措施：,1.利用系統(tǒng)故障時短時開放的措施實現(xiàn)振蕩閉鎖 ；,2.利用阻抗變化率的不同來構(gòu)成振蕩閉鎖 ；,3.利用動作的延時實現(xiàn)振蕩閉鎖 。

15、,振蕩閉鎖裝置,短時開放就是在系統(tǒng)沒有故障時，距離保護(hù)一直處于閉鎖狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，短時開放距離保護(hù)。 若在開放的時間內(nèi)，阻抗繼電器動作，說明故障點位于阻抗繼電器的動作范圍之內(nèi)，則保護(hù)繼續(xù)維持開放狀態(tài)，直至保護(hù)動作，將故障線路跳開； 若在開放的時間內(nèi)阻抗繼電器未動，則說明故障不在保護(hù)區(qū)內(nèi)，則重新將保護(hù)閉鎖。,1、利用系統(tǒng)故障時短時開放的措施實現(xiàn)振蕩閉鎖,（1）反映電壓、電流中負(fù)序或零序分量的故障判斷元件 ； 電力系統(tǒng)系統(tǒng)正常運行或因靜穩(wěn)定破壞而引發(fā)振蕩時，系統(tǒng)均處于三相對稱狀態(tài) ； 電力系統(tǒng)發(fā)生各種類型的不對稱短路時，故障電壓、電流中都會出現(xiàn)較大的負(fù)序或零序分量 ； （2）反映電流突變量

16、的故障判斷元件 ； 系統(tǒng)正?；蛘袷帟r電流變化比較緩慢，而在系統(tǒng)故障時電流會出現(xiàn)突變 。,故障判斷元件(起動元件) 對系統(tǒng)是否發(fā)生故障的判斷，僅需要判斷系統(tǒng)是否發(fā)生了故障，而不需要判出故障的遠(yuǎn)近及方向，對它的要求是靈敏度高、動作速度快，系統(tǒng)振蕩時不誤動作。,3、利用動作的延時實現(xiàn)振蕩閉鎖 對于按躲過最大負(fù)荷整定的III段阻抗繼電器來說，測量阻抗落入其動作區(qū)的時間一般不會超過11.5s，即系統(tǒng)振蕩時III段阻抗繼電器動作持續(xù)的時間不會超過11.5s。這樣，只要III段動作的延時時間不小于11.5s，系統(tǒng)振蕩時III段保護(hù)就不會誤動作。,2、利用阻抗變化率的不同來構(gòu)成振蕩閉鎖 。 根據(jù)測量阻抗的變化

17、速度不同構(gòu)成振蕩閉鎖。,3-5 距離保護(hù)特殊問題的分析,影響距離保護(hù)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；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。,3.5.1 短路點過渡電阻對距離保護(hù)的影響 1、過渡電阻的性質(zhì) 過渡電阻Rg是指當(dāng)相間短路或接地短路時，短路電流從一相流到另一相或相導(dǎo)線流入大地的途徑中所通過物質(zhì)的電阻，包括電弧電阻、中間物質(zhì)的電阻、相導(dǎo)線與大地之間的接觸電阻、金屬桿塔的接地電阻等。,在相間故障時，過渡電阻主要由電弧電阻組成。電弧電阻具有非線性的性質(zhì)，其大小與電弧弧道的長度成正比，而

18、與電弧電流的大小成反比，一般可按下式進(jìn)行估算,在短路初瞬間，電弧電流Ig最大，弧長Lg最短，這時弧阻Rg最小。幾個周期后，電弧逐漸伸長，弧阻逐漸變大。相間故障的電弧電阻一般在數(shù)歐至十幾歐之間。,在導(dǎo)線對鐵塔放電的接地短路時，鐵塔及其接地電阻構(gòu)成過渡電阻的主要部分。鐵塔的接地電阻與大地導(dǎo)電率有關(guān)，對于跨越山區(qū)的高壓線路，鐵塔的接地電阻可達(dá)數(shù)十歐。當(dāng)導(dǎo)線通過樹木或其它物體對地短路時，過渡電阻更高。對于500kV的線路，最大過渡電阻可達(dá)300，而對220kV線路，最大過渡電阻約為100。,2、單側(cè)電源線路上過渡電阻的影響,.單側(cè)電源線路上 Rg的存在總是使繼電器的測量阻抗值增大，阻抗角變小，保護(hù)范圍縮短。,.保護(hù)裝置距短路點越近時，受