距离保护原理[稻谷书苑]

1、距离保护距离保护 短路时保护安装处电压计算的一般公式 在图所示的系统中，线路上K点发生短路。保护安装处的相电 压应该是短路点的该相电压与输电线路上该相的压降之和。输电 线路上该相的压降是该相上的正序、负序、和零序压降之和。如 果考虑到输电线路的正序阻抗等于负序阻抗，保护安装处相电压 的计算公式为： 10 1 1 10 01021 1010002211 3 3 3 Z)IKI(U Z Z ZZ IZ)III(U ZIZIZIZIZIUU K K K 1 ZIUU K 1教学运用 以上两式称做短路时保护安装处以上两式称做短路时保护安装处 电压计算的一般公式电压计算的一般公式 在任何短路故障类型下，

2、对故障相或非故障相的相电压、对故 障相间或非故障相间电压的计算，这两个公式都是适用的。例 如，当线路上K点发生A相单相接地短路时，保护安装处的B相 电压为 。 在非全相运行时运行相上发生短路，计算保护安装处的运行相 或两运行相间的电压，这两个公式也是适用的。例如在图中， 本线路B、C两相运行时B相又发生单相接地短路。保护安装处 的B相电压为 。保护安装处的B、C相间电 压为 。 10 3Z)IKI(UU BKBB 10 3Z)IKI(UU BKBB 1 Z)II(UU CBKBCBC 2教学运用 以上两式称做短路时保护安装处电压计算以上两式称做短路时保护安装处电压计算 的一般公式的一般公式 在

3、系统振荡过程中发生短路时计算保护安装 处的电压，这两个公式也是适用的。例如在 振荡中发生A相单相接地短路，保护安装处 的B相电压为： 。式中的 电流是系统振荡状态下的B相电流和短路附加 状态下B相的电流之和。 10 3Z)IKI(UU BKBB 3教学运用 阻抗继电器的工作电压阻抗继电器的工作电压 阻抗继电器的工作电压 可按下式计算获得: (1) 、 值可根据采样的数据经运算后获得， 是定值单 中给定的。所以微机保护可算出的值 。由（1）式确 定的阻抗继电器的工作电压有时也称做距离测量电压，或 称做补偿电压。 setmmOP ZIUU OP U m U m I set Z OP U 4教学运用

4、 需要说明需要说明 从(1) 式可见， 是保护安装处的电压。如果从保护安 装处到保护范围末端没有其它分支电流而流的是同一 个电流时（例如正常运行、区外故障、系统振荡）， 则 是从保护安装处到保护范围末端这一段线路上 的压降。此时阻抗继电器的工作电压其物理概念是保 护范围末端的电压，即由保护安装处求得的补偿到保 护范围末端的电压，所以很多人把它称做补偿电压。 但在区内短路时，由于从保护安装处到短路点和从短 路点到保护范围末端流的不是同一个电流，此时由（1） 式计算出的工作电压并不是真正的保护范围末端的电 压，而是假想的如果从保护安装处到保护范围末端都 流有与加入到保护装置中的电流相同的电流时的保

5、护 范围末端的电压。 m U setmZ I 5教学运用 下面分别分析正向短路时工作电压的特点下面分别分析正向短路时工作电压的特点 以金属性短路 为例 故工作电压表达式为： (2) 令 。一般整定阻抗 的阻抗角与线路阻抗角相同， n是实数。将上述关系式代入（2）式得： (3) 正向区内短路时， ，所以 。由（3）式可见 与 相位相反。正向区外短路时， ，所以，由（3）式 可见 与 相位相同。 Kmm ZIU )( setKmsetmKmsetmmOP ZZIZIZIZIUU Kset nZZ set Z mmKop U)n(IZ)n(U 11 setK ZZ 1n OP U m U setK

6、ZZ OP U m U 正向故障 6教学运用 下面分别分析反向短路时工作电压的特点下面分别分析反向短路时工作电压的特点 以金属性短路 为例,考虑到电压规定的正方向,电流以母线流向被保 护线路的方向为正方向，所以 , 故工作电压表达式为： (4) 同样令 ，并代入（4）式得： （5） 考虑到n是实数，所以 与 相位相同。 Kmm ZIU )( setKmsetmKmsetmmOP ZZIZIZIZIUU Kset nZZ mKmOP U)n(Z)n(IU 11 OP U m U 反方向短 路 7教学运用 结论 从上分析可见，在正向区内金属性短路时， 与 相位相反， 继电器此时应最灵敏地动作。正向

7、区外和反方向金属性短路时， 与 相位相同，继电器此时应最可靠不动作。因此，阻抗继电 器的动作方程应为： 亦即 (6) 式中arg表示角度，是后面相量的幅角，表示分子相量超前分母相 量的角度。（6）式称做相位比较动作方程。继电器是否动作，要 看是否满足动作方程。区内短路时， ，满足（6） 式，继电器能动作，且距两个边界最远，所以它动作最灵敏。区 外短路或反方向短路时， ，不满足（6）式的动作方 程，继电器不动作，由于距两个边界最远，所以它最可靠地不动 作。按（6）式动作方程构成的阻抗继电器可以满足我们的要求。 OP U m U OP U m U 00 27090 m OP U U arg 00

8、27090 m setmm U ZIU arg 0 180 mOP UUarg 0 0 mOP UUarg 8教学运用 电压分布图电压分布图 在发生区内、区外和反方向金属性短路时，阻 抗继电器的工作电压 与 的相位关系也 可从电压分布图中清晰地看出。 OP U m U 9教学运用 阻抗继电器的动作方程及其动作特性阻抗继电器的动作方程及其动作特性 从(6)式 得到 (7) 式中 、 是继电器测量阻抗和整定阻抗。（7）式表达的动作方 程在阻抗复数平面上对应的动作特性如图所示. 00 27090 m setmm U ZIU arg 00 27090 m setm Z ZZ arg m Z set Z

9、 10教学运用 方向阻抗继电器的暂态特性方向阻抗继电器的暂态特性 动作方程为（6)式的方向阻抗继电器的动作特性如上图所示，其动作特性 圆是经过座标原点的。动作特性经过座标原点的阻抗继电器并不是一个理 想的继电器，因为在正向近处（含出口）发生短路时继电器可能拒动，出 现死区，而在反方向出口（含母线）短路时，继电器可能误动。从物理概 念上来讲，当出口（正向或反向）发生金属性短路时（6）式中的极化电 压，当比较相位的两个电气量有一个为零时，其相位比较是不准确的。如 果极化电压有一些杂散电压且其相位与工作电压相位恰好在某一些角度下 的话，继电器可能不正确动作。当出口（正向或反向）发生经过渡电阻短 路时

10、，极化电压是过渡电阻上的压降。由于送电端和受电端的极化电压与 工作电压呈现不同的相位差，也将可能造成阻抗继电器的不正确动作。为 了消除上述缺点，应设法使短路后即使是出口短路极化电压不为零，而且 是大于过渡电阻上压降的一个电压，并使其与工作电压能正确比相。其中 一个方法是采用正序电压作为极化电压。在不对称短路时，无论是否出口 短路，电压 的正序分量 不可能是零，且其相位与短路前 的电 压相位基本相同，可以与工作电压正确比相。但这种方法仍不能解决三相 短路的问题，因为在出口金属性的三相短路时，正序电压仍然是零。 进行记忆，即用当前时刻前一个周波或两个周波 电压作为极化电 压。 (8) m U m1

11、 U m U m1 U m1 U 0 mM1 setmm 0 270 U ZIU arg90 11教学运用 正方向短路的暂态动作特性分析正方向短路的暂态动作特性分析 将上式代入动作方程（8）式， 并将角 移到不等式两边得到： (9) 将（9）式与(7)式相比较，可 知（9）式动作方程对应的动作 特性是以 和 两点连线 为弦的圆。 Sm setm mSm setmm S setmm j S setmm mM setmm ZZ ZZ ZZI ZZI E ZIU eEk ZIU U ZIU arg arg arg argarg 1 00 27090 Sm setm ZZ ZZ arg set Z S

12、 Z 12教学运用 如果短路前空载如果短路前空载 即 和 同相位，则 。上述动作方程成为： (10) 该动作方程对应的动作特性是以 和 两点连线为直径 的圆，如下图所示。该动作特性是用极化电压为短路前的电压推 导出来的，所以它是正方向短路的暂态动作特性。 S E R E 0 0 00 27090 Sm setm ZZ ZZ arg set Z S Z 13教学运用 反方向短路的暂态动作特性分析反方向短路的暂态动作特性分析 将上式代入动作方程（8）式，并将 移 到不等式两边得到： (11) 将（11）式与 式相比较，若空载 可知（11）式动 作方程对应的动作特性是以 和 两点连线为直径的圆。 R

13、m setm mRm setmm R setmmm j R setmm mM setmm ZZ ZZ ZZI ZZI E ZIZI eEk ZIU U ZIU arg arg arg argarg 1 00 27090 Rm setm ZZ ZZ arg set Z R Z 0 0 00 27090 Sm setm ZZ ZZ arg 14教学运用 以正序电压为极化量的阻抗继电器以正序电压为极化量的阻抗继电器(RCS-941)(RCS-941) 以正序电压为极化电压的阻抗继电器在900系列线路保护中用以构成三 段式的相间和接地距离保护。在分析相间和接地阻抗继电器时，它的 正方向和反方向短路的系

14、统图如图 的（a）和（b）所示。图中加在 阻抗继电器上的测量电压 和测量电流 直接理解成阻抗继电器接 线方式中的电压、电流。对相间阻抗继电器来说， 、 ； 对接地阻抗继电器来说， 、 ，都是故障相或是故障相 间的电压、电流。 和 的正方向为传统规定的正方向，电压是母 线电位为正，中性点电位为负，图中电压画的是电位降的方向。电流 以从保护安装处流向被保护线路的方向为正方向。流过过渡电阻里的 电流 以与流过保护的电流的正方向一致来定义它的正方向，所以在 正方向短路时， 电流以从上向下方向作为正方向；在反方向短路时， 电流以从下向上方向作为正方向。正方向短路时，从保护安装处M母线 到过渡电阻 的下面

15、K点的阻抗是阻抗继电器的测量抗 。反方向短 路时，从保护安装处M母线到过渡电阻 的下面K点的阻抗是阻抗继电 器的测量阻抗的负值 。 m U m I UUm IIm UUm 0 3IKIIm m U m I F I F I F I g R m Z g R m Z 15教学运用 RCS-900RCS-900系列相间阻抗继电器的动作特性系列相间阻抗继电器的动作特性 分析和性能评述分析和性能评述 相间阻抗继电器的工作电压、极化电压以及动 作方程分别为 将极化电压反一下相位 setOP ZIUU MP UU 1 o P OP o U U arg9090 MP UU 1 o P OP o U U arg2

16、7090 16教学运用 正向短路稳态动作特性分析及性能评述正向短路稳态动作特性分析及性能评述 正向两相短路 。以 为例 分析BC相间阻抗继电器。假设短路前空载，下面各式中的电流都 是故障分量电流。用图（a）系统图里的参数来表达工作电压和极 化电压： (12) 2 BC K setmBsetmCB setCBmCBsetCBBCOPBC ZZIZZII ZIIZIIZIIUU 2 SmBSBmSB SCBmSCB SCBSCSB SCSCSBSB CBBCPBC ZZIZIZZI ZIIZZII ZIIEE ZIEZIE UUUU 2 1 22 )( 11 11 11 111 (13) 上面推导

17、中用到了BC两相短路时的一些基本关系式 ； 。 将（12）和（13）两式代入动作方程 式，并消去分子 分母中 的得： CB II BCB III 11 o P OP o U U arg27090 B I 2 o Sm setm o ZZ ZZ arg270 2 1 90 17教学运用 o Sm setm o ZZ ZZ arg270 2 1 90 的阻抗圆 为了进一步提高其保护 过渡电阻的能力，可将 极化电压相量向超前方 向转角 （ ）。即 极化电压为： 所以动作方程变换成： o 0 j P eUU 1 o Sm setm o ZZ ZZ arg270 2 1 90 18教学运用 正向短路暂态

18、动作特性分析及其性能评述正向短路暂态动作特性分析及其性能评述 由于极化电压用的是短路前的正序电压(记忆)，所以两相短路和 三相短路极化电压是相同的。故而两相短路和三相短路的暂态动 作特性是相同的。极化电压是短路前的正序电压，也就是短路前 的负荷电压。它可以认为与保护背后电势 相差 角的一个电压。 而该电势在短路前后是不变的。于是用图（a）中的参数来表达工 作电压和极化电压可得到： S E setmsetmsetOP ZZIZIZIZIUU j mS j SMP eZZI keEkUU 1 (14) (15) o P OP o U U arg27090 式中K为实数。将上两式代入动作方程 ，并消

19、 去分子分母 中的得： I o Sm setm o ZZ ZZ arg27090 19教学运用 的阻抗圆 o Sm setm o ZZ ZZ arg27090 正向出口两相、三相短 路继电器无死区，正向近处 短路不会拒动。其物理概念 是在短路初始阶段正序极化 电压不再是零，它是短路前 的负荷电压且与工作电压相 位相反，因此满足上式的动 作方程，消除了死区。 保护过渡电阻的能力比 稳态动作特性要强。而且该 能力也有一定的自适应能力。 因为该圆的下端的位置随运 行方式的变化是变化的。 20教学运用 反向短路稳态动作特性分析及其性能评述反向短路稳态动作特性分析及其性能评述 分析的系统图 （b）所示,

20、以 为例。 2 BC K setmBsetmCB setCBmCBsetCBBCOPBC ZZIZZII ZIIZIIZIIUU 2 (16) RmBRBRmB RCBmRCB RCBRCRB RCRCRBRBCBBCPBC ZZIZIZZI ZIIZZII ZIIEE ZIEZIEUUUU 2 1 22 )( 11 11 11111 (17) 基本关系式 CB II BCB III 11 o Rm setm o ZZ ZZ arg270 2 1 90 (18) 21教学运用 的阻抗圆 o Rm setm o ZZ ZZ arg270 2 1 90 当反方向发生两相短 路时，继电器的测量 阻抗

21、落在第象限。 即使在反方向出口或 母线发生短路，过渡 电阻的附加阻抗是阻 容性的话，测量阻抗 进入第象限也进入 不了圆内。所以在反 向两相短路时该继电 器有良好的方向性。 22教学运用 反向短路暂态动作特性分析及其性能评述反向短路暂态动作特性分析及其性能评述 分析的系统图如上,极化电压带记忆。 setmsetmsetOP ZZIZI)Z(IZIUU j Rm j mR j RMP eZZkI eZZ)I(keEkUU 1 o Rm setm o ZZ ZZ arg27090 (21) (22) 式中K为实数。将上两式代入动作方程 ，并 消去分子分母 中的得： o P OP o U U arg2

22、7090 I (23) 23教学运用 的阻抗圆 图所示的暂态动作特 性都是向第象限上 抛的圆，远离座标原 点。在反向发生两相 或三相短路时，测量 阻抗落在第象限， 继电器不会误动。即 使在反向出口或母线 上发生两相或三相短 路，过渡电阻附加阻 抗是阻容性时，测量 阻抗进入第象限， 继电器也不会误动。 所以该继电器的暂态 动作特性在反方向短 路时有良好的方向性。 o Rm setm o ZZ ZZ arg27090 24教学运用 正向三相短路 由于三相对称，三个相间阻抗继电器的动作行为是一样的 三相短路时只有正序分量。所以保护安装处的电压就是正序电压。 所以极化电压为： 将两式代入动作方程 ，并

23、消去分子分母中的 得： setmsetmsetOP ZZIZIZIZIUU mP ZIUUU 1 o P OP o U U arg27090 I o m setm o Z ZZ arg27090 25教学运用 反向三相短路反向三相短路 三相短路时三相是对称的，三个相间阻抗继电器的动作行为是一 样的 setmsetmsetOP ZZIZI)Z(IZIUU (19) mmP ZI)Z(IUUU 1 (20) 26教学运用 反向三相短路反向三相短路 该特性与正向三相短路时的稳态动作特性一样，这种 动作特性经过座标原点的动作特性不是一个理想的动 作特性。在反向出口或母线上发生三相短路时，尤其 是安装在

24、受电端的阻抗继电器在反向出口或母线上发 生三相短路时，由于过渡电阻附加阻抗是阻容性的， 继电器可能会误动，所以应采取措施防止这种误动。 RCS-900线路保护采取的措施是:当正序电压小于0.15 倍U n时,进入三相低压程序，由正序电压记忆量极化， 、段距离继电器在动作前设置正的门坎，保证母 线三相故障时继电器不可能失去方向性；继电器动作 后则改为反门坎，保证正方向三相故障继电器动作后 一直保持到故障切除。段距离继电器始终采用反门 坎，因而三相短路段稳态特性包含原点，不存在电 压死区。 27教学运用 接地阻抗继电器的动作特性分析和性能评述接地阻抗继电器的动作特性分析和性能评述 工作电压 极化电

25、压 或 动作方程 setOP ZIKIUU 0 3 1 UU P MP UU 1 o P OP o U U arg9090 (26) (24) (25) 28教学运用 正向短路稳态动作特性分析及性能评述正向短路稳态动作特性分析及性能评述 正向单相接地短路。以 为例。 1 A K setmA setAmAsetAAOPA ZZIKI ZIKIZIKIZIKIUU 0 000 3 333 SmA SAmSA SASAAPA ZkZIKI ZIZZIKI ZIEUU 0 10 11 3 3 (27) (28) 10 10 00002211 11 0 1 231 31 3 1 3 1 CCK CCK

26、ICKICICIC IC IKI I k FAFAFAFA FA A A (29) 870750.k 29教学运用 将（27）和（28）两式代入动作方程 式，并消 去分子分母中的（ ）得： o P OP o U U arg9090 0 3IKI A o Sm setm o ZkZ ZZ arg27090 (30) o Sm setm o ZkZ ZZ arg27090 阻抗圆 为了进一步提高其保护过渡电阻的 能力，可将极化电压相量向超前方 向转角 （ ）。即极化电压为： o 0 o Sm setm o ZkZ ZZ arg27090(31) 30教学运用 反向短路稳态动作特性分析及其性能评述反

27、向短路稳态动作特性分析及其性能评述 反向单相接地短路。以 为例. 1 A K setmA setAmA setAAOPA ZZIKI ZIKIZIKI ZIKIUU 0 00 0 3 33 3 RmA RARmA RAmRA RARAAPA ZkZIKI ZIZZ)IKI( ZIZZIKI ZIEUU 0 10 10 11 3 3 3 (32) (33) o Rm setm o ZkZ ZZ arg27090 将（32）和（33）两式代入动作方程 ，并 消去分子分母中的 得： o P OP o U U arg9090 0 3IKI A (34) 31教学运用 o Rm setm o ZkZ Z

28、Z arg27090 阻抗图 当反方向发生单相接地 短路时，继电器的测量 阻抗落在第象限。即 使在反方向出口或母线 发生短路，过渡电阻的 附加阻抗是阻容性的话， 测量阻抗进入第象限 也进入不了圆内。所以 在反向发生单相接地短 路时该继电器有良好的 方向性。 32教学运用 接地距离保护提高其保护过渡电阻的能力接地距离保护提高其保护过渡电阻的能力 以正序电压为极化电压的接地阻抗继电器。其极化电压不加记 忆，也不加入插入电压。为了提高其保护过渡电阻的能力，可将 极化电压向超前方向旋转角度 ， 零序电抗继电器.它的动作特性是经过整定阻抗 点的沿+R方 向与R轴夹角为 - 的一条电抗线。 set Z - o 12 33教学运用 电抗型阻抗继电器简述电抗型阻抗继电器简述 零序电抗继电器的动作特性分析 工作电压 （35） 极化电压 动作方程 式中 模拟阻抗。其阻抗角为 。 setoOP Z)IKI(UU 3 dP ZIU 0 o P op o U U arg9090