电力系统继电保护第6章 输电线路距离保护

1、第六章 输电线路距离保护 6.1 距离保护概述 1、距离保护的作用 原因：电流保护区随系统运行方式而变化，有时 电流速断保护或限时电流速断保护的保护范围将 变得很小，甚至没有保护区。 对长距离、重负荷线路，线路的最大负荷电 流可能与线路末端短路时的短路电流相差甚微， 采用过电流保护，其灵敏性也常常不能满足要求。 在高电压、结构复杂的电网中，自适应电流保护的 优点还不能得到充分发挥。 2、距离保护的基本原理 工作原理：距离保护是反应故障点至保护安装处 之间的距离，并根据该距离的大小确定动作时限 的一种继电保护装置。 特点：故障点距保护安装处越近时，保护的动作 时限就越短；反之，故障点距保护安装处

2、越远时， 保护的动作时限就越长。 6.1 距离保护概述 故障点总是由离故障点近的保护首先动作切除， 从而保证了在任何形状的电网中，故障线路都能 有选择性的被切除。 距离保护核心元件：阻抗继电器。 阻抗继电器：测量故障点至保护安装处的距离。 方向阻抗继电器不仅能测量阻抗的大小，而且还应 能测量出故障点的方向。 6.1 距离保护概述 原理：测量故障点至保护安装处的阻抗，实际上 是测量故障点至保护安装处的线路距离。 假设：电压、电流互感器变比等于1。加入继电 器电压、电流为 、 。 m U m I 测量阻抗 m m m U Z I 工作电压： opmmset UUI Z 6.1 距离保护概述 设阻抗

3、继电器安装在线路M侧： 1 K m I op U opmmset UUI Z set Z Z 2 K op U m Z 0 op U 3 K m Z op U m I 特点：1）正向保护区外短路时，工作电压大于0。 6.1 距离保护概述 2）正向保护区内短路时，工作电压小于0。 3）反向短路，工作电压大于0。 结论：检测工作电压的相位变化，不仅能测量出 阻抗的大小，而且还能检测出短路故障的方向。 1、极化电压 设极化电压 与测量电压 同相位，以极化 电压作为参考相量。 pol U m U 6.1 距离保护概述 90 270 pol U op U 区内 270 90 pol U op U 区外

4、注意：极化电压只作相位参考量，不参与阻抗 测量，任何时候其值不能为零。 6.1 距离保护概述 动作方程 90arg270 op pol U U 或 90arg90 op pol U U 极化电压作用：1）极化电压是按相位比较原理工作 的方向阻抗继电器工作所必须。数值过大或过小都是 不适宜的。 6.1 距离保护概述 2）可保证方向阻抗继电器正、反向出口短路故障 时有明确的方向性 。 3）根据比相原理的阻抗继电器性能特点的要求， 极化电压有不同的构成方式，可获得阻抗继电器的 不同功能，改善阻抗继电器性能。 2、插入电压 in U 令 1inop UUU 2inop UUU 6.1 距离保护概述 1

5、 U op U in U 2 U 区内短路， 大于 。 1 U 2 U 插入电压一般与测量电压同相。 op U 2 U 1 U in U 区外短路， 小于 。 1 U 2 U 6.1 距离保护概述 3、距离保护时限特性 距离保护的动作时限与保护安装处到短路点间距 离的关系，即 的关系称为时限特性。与 三段式电流保护类似，具有阶梯时限特性的距离 保护获得了广泛的应用。 () opm tf Z 6.1 距离保护概述 6.2 阻抗继电器 教学要求：掌握各种阻抗继电器特点及应用范 围，整定阻抗、测量阻抗及动作阻抗意义；比 幅与比相间的转换。 阻抗继电器作用：阻抗继电器是距离保护的核心, 其主要作用是测

6、量短路点到保护安装处的距离。 加入阻抗继电器的电压与电流的比值称为 测量阻抗。 mmm IUZ / 为了方便比较，通常将测量阻抗与整定阻抗 画在同一阻抗复数平面上。 6.2 阻抗继电器 I set Z 所表示的直线段为继电器动作区，直 线以外的区域为非动作区。 由于互感器的误 差，直线形动作特性不 能采用的，必须扩大保 护区。 6.2 阻抗继电器 一、圆特性阻抗继电器 1、全阻抗继电器 jX R set Z m Z 动作方程： setm ZZ 特点:1)圆的半径为整定阻抗； 2)圆内为动作区； 3)动作不具有方向性。 6.2 阻抗继电器 圆的动作方程为： murmuv IKUK 方程两边乘以电

7、流,则方程为 setmm ZIU 若令整定阻抗为： uvurset KKZ / 物理意义：正常运行时，电压为额定电压、电流是 负荷电流，方程不满足条件，即继电器不动作；当 在保护区内发生短路故障时，电压降低，电流增大， 方程满足条件，保护起动。 6.2 阻抗继电器 动作方程两边同乘以测量电流,则方程为 setmm ZIU 若令整定阻抗为： uvurset KKZ / 2、方向阻抗继电器 6.2 阻抗继电器 set z m Z setm ZZ5 . 0 jX R 动作方程： setsetm ZZz 2 1 2 1 6.2 阻抗继电器 方向阻抗继电器以电压形式表示的动作方程为： murmurmuv

8、 IKIKUK 2 1 2 1 setsetm ZZZ5 . 05 . 0 特点：1）动作具有方向性； 2）圆的直径为整定阻抗； 3）圆内为动作区。 缺点：当加入继电器的电压等于零 时，保护存在动作死区。 6.2 阻抗继电器 由于在保护安装出口处发生三相短路时，加入 继电器的电压为零，存在动作死区。实用的方 向元件必须解决保护动作死区问题。 动作阻抗：使阻抗继电器启 动的最大测量阻抗。 整定阻抗：指保护安装处 至保护区末端阻抗。 6.2 阻抗继电器 特点：当加入继电器电压与电流 之间的相位差为不同数值时，动 作阻抗也随之而变。 处于灵敏角状态下动作阻抗具有最大值，保护 区最长，即最灵敏。 当测

9、量阻抗角等于整定阻抗角 时，此时动作阻抗具有最大值， 将此角度称为灵敏角。 6.2 阻抗继电器 比幅特性与比相特性间的转换： jX R set Z m Z mset ZZ m Z 动作方程为： 90arg90 mset m ZZ Z 6.2 阻抗继电器 动作方程用电压形式表示时，其方程为： 9090 muvmur muv UKIK UK 缺点：当加入继电器电压为零时，也无法比相。 存在动作死区。 6.2 阻抗继电器 3、偏移特性阻抗继电器 jX R set Z set Z m Z 0 ZZm 0 Z 动作方程： 00 ZZZZ setm 6.2 阻抗继电器 圆的半径为： 0 ZZset 其中

10、)(5 . 0 0setset ZZZ 动作方程可表示为： setsetm ZZZ)1 (5 . 0)1 (5 . 0 6.2 阻抗继电器 setsetm ZZZ)1 (5 . 0)1 (5 . 0 1 当 ，方程为： 0当 ，方程为： setsetm ZZZ5 . 05 . 0 setm ZZ全阻抗继电器 6.2 阻抗继电器 偏移特性阻抗继电器比相形式动作方程： jX R m Z set Z set Z C mset ZZC setm ZZD 6.2 阻抗继电器 以电压形式表示动作方程为： muvmur UKIKC muvmur UKIKD 90arg90 urmuvm uvmurm K I

11、K U K UK I 6.2 阻抗继电器 小结：1）测量阻抗：由测量电压与测量电流的 比值，大小与短路点到保护安装处远近有关； 2）整定阻抗：一般取保护安装点到保护范围 末端线路的阻抗； 3）动作阻抗：使阻抗继电器动作的最大测量 阻抗。 6.2 阻抗继电器 二、多边形阻抗继电器 多边型阻抗继电器反应故障点过渡电阻能力强、 躲过负荷能力好，在微机保护中应用的相对广泛。 1、四边形阻抗继电器 6.2 阻抗继电器 动作方程： 12setmset XXX 12setmset RRR 特点：测量阻抗落入四边形区域内，保护动作。 但保护不具方向性。 6.2 阻抗继电器 2、方向性多边形阻抗继电器 为了减小

12、过渡电阻对阻抗保护的影响，各边都 采用了倾斜角，特性如图所示。 6.2 阻抗继电器 动作方程： tgRXXtgR ctgXRRtgX msetmm msetmm 15 6015 方向判别的动作方程为： 1490 I U arg14 r r 6.2 阻抗继电器 4.2 阻抗继电器 3、零序电抗继电器 为克服单相接地短路时过渡电阻对保护区 的影响，使阻抗继电器动作特性适应附加测量 阻抗的变化、保护区稳定不变，零序电抗继电 器是广泛采用的一种阻抗继电器。 其动作特性是过整定阻抗端点有一个倾角的直 线。 送电侧 受电侧 若附加测量阻抗角等于倾斜角，则动作特性与附 加阻抗平行。则保护区不受过渡电阻的影响

13、。 6.2 阻抗继电器 动作方程为： 360)arg(180 setm ZZ 6.2 阻抗继电器 小结：（1）多边形特性阻抗继电器与直线形零 序电抗继电器在微机保护中被广泛应用； （2）其最大优点是躲过过渡电阻能力比较强； （3）同时可以采用带方向性。 6.2 阻抗继电器 6.3 阻抗继电器接线 1、对阻抗继电器接线要求 ）阻抗继电器的测量阻抗应正比于短路点到保 护安装处之间的距离； ）阻抗继电器的测量阻抗应与故障类型无关， 也就是保护范围不随故障类型而变化； 3）阻抗继电器的测量阻抗应不受短路故障点过 渡电阻的影响。 2、反映相间短路故障接线 1cos当 时，加在继电器端子上电压与 电流的相

14、位差为零。 0 接线定义： 加入相电压与同相电流时： 6.3 阻抗继电器接线 K k I 测量阻抗 mkk mk kk UI Z ZZ II 可正确反应三相短路故障。 6.3 阻抗继电器接线 )2( k I 故障相电压为： kkkF UZIU )2( )2( / kkkm IUZZ 测量阻抗为： 6.3 阻抗继电器接线 k I 保护安装处相间电压为： kkmbc ZIU 2 测量阻抗为： k cb kk m Z II ZI Z 2 6.3 阻抗继电器接线 为了正确反映保护安装处到短路点之间的距离， 必须加入相间电压与同名相的两相电流差。 继电器1 继电器2 继电器3 BA UU BA II C

15、B UU CB II AC UU AC II 6.3 阻抗继电器接线 各种相间短路故障时的测量阻抗: 1、三相短路 保护安装处母线电压为： kMBkMABAAB LZILZIUUU 1 )3( 1 )3( 6.3 阻抗继电器接线 阻抗继电器1测量阻抗为： kMBkMABAAB LZILZIUUU 1 )3( 1 )3( k BA BA m LZ II UU Z 1 说明在被保护线路发生三相金属性短路故障 时，三个阻抗继电器的测量阻抗均等于短路点到 保护安装处的阻抗。 6.3 阻抗继电器接线 2、两相短路（BC） 故障相间电压为： kMCkMBCBBC LZILZIUUU 1 )2( 1 )2(

16、 6.3 阻抗继电器接线 4.3 阻抗继电器接线 阻抗继电器2的测量阻抗为： k CB CB m LZ II UU Z 1 保护区内BC两相短路时，阻抗继电器2能正确 地测量保护安装处至短路点间的阻抗。 阻抗继电器1、3所加电压有一相非故障相 电压，电流只有一相故障电流，其测量阻抗 较大。 3、两相接地短路 保护安装处故障相电压 kMMBkLMCC kMMCkLMBB LZILZIU LZILZIU )1 . 1()1 . 1( )1 . 1()1 . 1( 6.3 阻抗继电器接线 阻抗继电器2测量阻抗为： ) 1 . 1 () 1 . 1 ( ) 1 . 1 () 1 . 1 ( )( MC

17、MB kMLMCMB CB CB m II LZZII II UU Z k LZ1 上式可见，BC两相接地短路故障时，阻抗 继器2能正确测量短路点至保护安装处的距离。 6.3 阻抗继电器接线 将故障点电压和电流分解为序分量，则 )1( 0 )1( 2 )1( 1 )1( 021 KAKAKAKA KAKAKAKA IIII UUUU 3、反映接地接线 6.3 阻抗继电器接线 kKKAA kKKAA kKKAA LZIUU LZIUU LZIUU 0000 1222 1111 保护安装处三序分量电压为 6.3 阻抗继电器接线 保护安装处A相电压为： 021AAAA UUUU kKKKKAKAKA

18、 LZIZIZIUUU)()( 001211021 )( 1 0 0211 Z Z IIILZ KKKk )( 1 10 01 Z ZZ IILZ KAk 6.3 阻抗继电器接线 若加入继电器电压、电流为 Ar UU Ar II 则测量阻抗为 k A K km LZZ I I LZZ)( 10 0 1 6.3 阻抗继电器接线 为了正确测量阻抗，加入继电器电压、电流 应为： 0 3 IKII UU Ar Ar 1 10 3Z ZZ K 其中： 测量阻抗 k A kA m LZ IKI LZIKI Z 1 0 10 3 )3( 6.3 阻抗继电器接线 显然，加入相电压、带零序电流补偿的相电 流，阻

19、抗继电器就能正确测量保护安装处至短路 点间距离。 继电器1 继电器2 继电器3 A U B U C U 0 3 IKI A 0 3 IKIB 0 3 IKIC 6.3 阻抗继电器接线 6.4 距离保护振荡闭锁 1、系统振荡时电气量变化特点 特点:电力系统振荡时两侧等效电动势间的夹角 在 作周期性变化。 3600 产生振荡原因：由于切除短路故障时间过长引起 系统暂态稳定破坏，在联系较弱的系统中，也可 能由于误操作、发电厂失磁或故障跳闸、断开某 一线路或设备、过负荷等造成系统振荡。 定义：并列运行的系统或发电厂失去同步的现 象称为振荡。 振荡造成影响：将引起电压、电流大幅度变化，对 用户产生严重影

20、响。 设 ， EEE NM NM EE /arg 要求：在振荡过程中不允许保护发生误动作。 6.4 距离保护振荡闭锁 系统振荡时，设 超前 的相位为 ，两 侧电势相等，系统中各元件阻抗角相等，振荡 电流为： M E N E 11 )1 ( Z eE Z EE I j NM swi 若EEE NM ，正常运行时夹角为 ， 0 负荷电流为： 2 sin 2 0 1 Z E I L 6.4 距离保护振荡闭锁 系统M、N点的电压为： )( 111 1 LMswiMNswiNN MswiMM ZZIEZIEU ZIEU 当 180 1 max. 2 Z E Iswi 最大。 Z U 称为振荡中心 6.4

21、 距离保护振荡闭锁 M E N E M M U N N U Z Z点位于 1 5 . 0 Z 处。 swi I P Q 6.4 距离保护振荡闭锁 特点：正常运行时负荷电流幅值保持不变，振 荡电流幅值作周期变化。 1M j swi 1MswiM swi M m Z e1 Z I ZIE I U Z swi I 22j sin)cos1( sinj)cos1( sinj)cos1( 1 e1 1 cos1 sin 2 1 j 2 1 )cos1( 2 sinj)cos1( 6.4 距离保护振荡闭锁 2 cos 2 sin2sin 2 sin2cos1 2 2 ctg 2 1 j 2 1 e1 1

22、j 1Mm ZZ) 2 ctg 2 1 j 2 1 (Z Z 2 ctg 2 1 jZ)m 2 1 ( mZZ 1M 其中： 则测量阻抗变化轨迹为直线。 6.4 距离保护振荡闭锁 当m具有不同值时,直线位置不同。 6.4 距离保护振荡闭锁 2、全相振荡时，系统保持对称性，系统中不含负 序、零序分量，只有正序分量。短路时，一般将 出现负序分量或零序分量。 3、系统电压作大幅度变化 6.4 距离保护振荡闭锁 2 cos _ EOZ 图中 2 sin2 _ EPQ 2 sin _ EPZ 、令 11 / ZZm M 则 _ / PQPMm 2 sin2 _ mEPM ，所以 2 sinE)m21(P

23、MPZZM _ 22 2 sin)21() 2 cos( EmEU M 2 sin)1 (41 2 mmE 于是 6.4 距离保护振荡闭锁 0 EU M 有 ，M母线电压最高。 当 时， 180EmU M ) 12( 当m=0.5时，M母线电压为零。 M越趋近0.5。变化幅度越大。 22 2 sin)21() 2 cos( EmEU M 2 sin)1 (41 2 mmE 6.4 距离保护振荡闭锁 设系统总阻抗角与被保护线路阻抗角相等，则可 在保护安装处测得振荡中心电压。 )90cos( MZ UU swiM IU /arg 1 arg Z M E N E M U P Q N N U Z sw

24、i I 6.4 距离保护振荡闭锁 设两侧电源不相等，设 j NeM eEKE 保护安装处电压、电流表示为： 1Mswi j NeM ZIeEKU ) 1( 1 j e N swi eK Z E I 设电势相等，则 ) 21 2 ( m ctg arctg ) /1 1 arg() 1 arg(arg 1 1 m Ke Z eK eKZ I U e j M j e j e swi M 相角差为： 6.4 距离保护振荡闭锁 求得系统振荡时 角的变化率为 ) 21 2 ( m ctg arctg dt d mm m dt d 2 sin)1 (41 1 2 21 2 若用电压标幺值，上式可写成 dt

25、 d U m dt d M 2 2 21 或 s M U m dt d 2 2 21 6.4 距离保护振荡闭锁 当振荡中心离保护安装处不远时，在振荡过程中激烈 变化必然造成 较大幅度变化。因母线电压很容易 检测到，所以检测 值可检测出系统是否振荡。 dtd/ dtd/ （4）振荡时电气量变化速度与短路故障时不同， 短路故障时电气量变化是突变的。 （5）短路与振荡流过被保护线路两侧电流方向、 大小是不相同的。 6.4 距离保护振荡闭锁 2、系统振荡时测量阻抗特性分析 （1）测量阻抗变化轨迹 6.4 距离保护振荡闭锁 4.7 距离保护振荡闭锁 P Q M N 1M Z 1L Z1N Z swi M

26、 I U swi N I U 图中P、M、N、Q四定点由阻抗 1M Z、 1L Z 、 1N Z值确定相对位置。 M侧测量阻抗为： swi M m I U Z 6.4 距离保护振荡闭锁 （2）测量阻抗变化率 )( 11LNswiNM ZZIEU 1 /)( ZEEI NMswi 1 1 11 j LN swi M m e Z ZZ I U Z 其中： NM EE dt d e e jZ dt dZ j j m 2 1 ) 1( 6.4 距离保护振荡闭锁 2 sin21 j et s 0 s dtd/ s m Z dt dZ 2 sin4 2 1 180 时，阻抗变化率最小，即 s m Z dt

27、 dZ 4 1 min 6.4 距离保护振荡闭锁 swi s T 2 因 ，据统计，振荡周 期最大值为3s，于是 3 2 min s 测量阻抗变化率为 dt dZ m 6 1 Z只要适当选择保护 开放条件，可保证 保护不误动。 6.4 距离保护振荡闭锁 3、短路与振荡的区分 要求：短路时应开放保护；振荡时可靠闭锁保护； 振荡过程中发生短路，保护能正确动作；振荡平息 后自动复归。 （1）利用电气量变化速度不同区分短路故障和振荡 6.4 距离保护振荡闭锁 (2)判别测量阻抗变化率检测振荡 6 1 Z 系统振荡测量阻抗变化率必大于 ，正常运行时测量阻抗 变化率为零（负荷阻抗为定值）。 m mmmm

28、t XXRR 2 0 2 0 )()( 阻抗变化率 若满足 6 1 Z，则系统振荡。 6.4 距离保护振荡闭锁 4、振荡过程中对称短路故障的识别 1 .Larc ZIUU )( 11 .MLarc ZZIUE 6.4 距离保护振荡闭锁 由上图可得: arc U)90cos( 1L U I U arg 90 1 . L cosUUarc 6.4 距离保护振荡闭锁 若取 EU arc 05. 0 )(05. 0 05. 0 1 .1LM arc arc ZZ I E I U R )(05. 0 1 .11 .1 .LMLLarcm ZZZZR I U Z N U03. 0 cosU N U08.

29、0 设 cosU的范围为 振荡中心测量阻抗变化轨迹如图 6.4 距离保护振荡闭锁 1）利用检测振荡中心电压来识别 PQ Z swi M I E swi M I E swi N I E swi N I E n m swi N I U03. 0 swi N I U08. 0 6.4 距离保护振荡闭锁 振中电压表达式 )90cos( MZ UU 电弧电压表达式 arc U)90cos( U 若发生三相短路，电弧电压不超过额定电压的 6%，振荡中心电压是变化。 6.4 距离保护振荡闭锁 目前相间距离保护多采用阶段式保护，三段式 距离保护（包括接地距离保护）的整定计算原则 与三段式电流保护的整定计算原则

30、基本相同。 1、相间距离保护第段的整定 相间距离保护第段的整定值主要是按躲过 本线路末端相间短路故障条件来选择 。 6.5 距离保护的整定计算 线路AB保护1相间距离保护第段的动作阻抗 ： AB I rel I op ZKZ 1 . I rel K 可靠系数，取0.80.85； AB Z 线路AB的正序阻抗。 6.5 距离保护的整定计算 若被保护对象为线路变压器组，则送电侧线路距离 保护第段可按保护范围伸入变压器内部整定 ： TrelL I rel I op ZKZKZ 1 . I rel K 可靠系数，取0.80.85； rel K 伸入变压器部分可靠系数，取0.75； T Z线路末端变压器

31、阻抗。 6.1 距离保护概述 2、相间距离保护第段的整定 相间距离保护第段应与 相邻线路相间距离第段 或与相邻元件（变压器） 速动保护配合 。 （1）与相邻线路相间距离保护第段配合 I opbrelAB II rel II op ZKKZKZ 2 .min.1 . 6.5 距离保护的整定计算 I opbrelAB II rel II op ZKKZKZ 2 .min.1 . II rel K 距离保护第段可靠系数，取0.80.85； rel K 距离保护第段的可靠系数，取8 . 0； min. b K 最小分支系数。 (2)与相邻变压器速动保护配合 . minmin.1 .TbrelAB II

32、 rel II op ZKKZKZ 6.5 距离保护的整定计算 . minmin.1 .TbrelAB II rel II op ZKKZKZ II rel K 距离保护第段可靠系数，取0.80.85； rel K 距离保护第段的可靠系数，取7 . 0； min. b K 最小分支系数。 min.T Z 相邻变压器正序最小阻抗（应计及调 压、并联运行等因素）。 取上述两条件较小值为动作值。 6.1 距离保护概述 相间距离保护第段的动作时间为： tt II op 1 . 相间距离保护第段的灵敏度 ： AB II op II sen Z Z K 1 . 5 . 13 . 1 当灵敏度不满足要求时，可与相邻线路相间距离 第段配合 ： II opbrelAB II rel II op ZKKZKZ 2 .min.1 . 6.5 距离保护的整定计算 II opbrelAB II rel II op ZKKZKZ 2 .min.1 . II rel K 距离保护第段可靠系数，取0.80.85； rel K 距离保护第段的可靠系数，取8 . 0； 保护距离动作时间 ： ttt II op II op 2 .1 . 6.5 距离保护的整定计算 3、相间距离保护第段的整定 （1）按躲过最小负荷阻抗整定 max, min min. L w L I U Z min.w U最小工作电