电力系统继电保护原理

1、电力系统继电保护原理第三章 第三章电网的距离保护 第一节 距离保护的作用原理 、基本概念 电流保护的优点：简单、可靠、经济 缺点：选择性、灵敏性、快速性很难满足 要求（尤其 35kv 以上的系统）。 距离保护的性能比电流保护更加完善。 装处的距离一一距离保护，它基本上不受 系统的运行方式的影响。 、距离保护的时限特性 距离保护分为三段式 zdw =（O.8O.8ZAB，瞬时动作 Zf 反映故障点到保护安 If 1 段： 主保护 II 段： 川段：躲最 - 后 U d Ziid = Zd Id Ue zd； =KK（ZAB 二）,t=0.5 小负荷阻抗，阶梯时限特性。 备保护 第二节 阻抗继电器

2、 阻抗继电器按构成分为两种：单相式和 多相式 单相式阻抗继电器：指加入继电器的只 有一个电压UJ （相电压或线电压）和一个 电流Ij（相电流或两相电流之差）的阻抗 继电器。 ZJ=3 测量阻抗 IJ Zj=R+jX 可以在复平面上分析其动 作特性 它只能反映一定相别的故障， 故需多个继电器反 映不同相别故障。 多相补偿式阻抗继电器：加入的是几 个相的补偿后的电压。 它能反映多相故障, 但不能利用测量阻抗的概念来分析它的特 性。 本节只讨论单相式阻抗继电器 、阻抗继电器的动作特性 BC 线路距离 内发生单相接地 Zd在图中阴影内 由于 1）线路参数是分布的, W d有差异 2）CT,PT 有误差

3、 3 ）故障点过渡电阻 4 ） 分布电容等 所以 Zd会超越阴影区。 因此为了尽量简化继电器接 线，且便于制造和调试，把继电器的动作 特性扩大为一个圆，见图。A B IX i U J n PT i PT ZJ J ni nPT nPT UJ 圆 1 以 od 为半径 全阻抗继电器（反方向 故障时，会误动，没有方向性） 圆 2:以 od 为直径 方向阻抗继电器（本身 具有方向性） 圆 3:偏移特性继电器 另外，还有椭圆形，橄榄形，苹果形，四边形等 、利用复数平面分析阻抗继电器 它的实现原理：幅值比较原理 相位比较原理 特性： 以保护安装点 为圆心（坐标原点）， 以 Zzd为半径的圆。 圆内为动作

4、区。 Zdz.J 测量阻抗 -90沁匕 U D 正好位于圆周上，继电器刚好动作，这称 为继电器的起动阻抗。 无论屮d多大，|Zdz.J=Zzd，它没有方向性。 两变同乘I j，且IJZJ=UJ，所以UJ兰iJZzd，这也就是动 作方程 2.相位比较原理 Zzd Z j -90 arg 丄迟 90 Zzd -Zj 分子分母同乘以 Ij， ZJ+Zzd Q |jZzd+Uj Q _90 乞 arg_ - - 90 I j Zzd -U j （二）方向阻抗继电器 以 Zzd为直径，通过 坐标原点的圆。 圆内 为动作区。 Zdz.J 随 W j 改变而改变，当 W j等于 Zzd的阻抗角 1.幅值比较

5、原理: Z j 兰 Z zd Zzd 时，Zdz.J最大，即保护范围最大，工作最 灵敏。 W lm 最大灵敏角，它本身具有方向性。 1.幅值比较原理: 2.相位比较原理: (三)偏移特性阻抗继电器 正方向：整理阻抗 Zzd 反方向：偏移-a Zzd( a 1) 圆内动作。圆心 Zo =*(Zzd -aZzd)=*(1-a)Zzd 半径：牛仆必 1 1l ZJ Zzd 2 2 1 . 1 u J 1 J Zzd 2 2 J Z zd -90 - arg Zj Zzd _Zj 90 - 90 乞 argUj一 90 I J Zzd - U J Zdz.j随 WJ变化而变化，但没有安全的方向性。 1

6、.幅值比较原理 1 ZJ -Zo 2(w)Zzd i 1 ZJ ：(1)Zzd ；(1+)Zzd 2 2 1 . 1 . UJ|j(1ot)Zzd T J(1+)Zzd 2 2 2.相位比较原理 一90 沁 K90 a -90 - arg U J ：T J Zzd I J Zzd -U J 90 总结三种阻抗的意义： 1）测量阻抗 Zj：由加入继电器的电压 UJ与电 流 Ij的比值确定。 U J = arg I J 范围末端的线路阻抗 全阻抗继电器：圆的半径 方向阻抗继电器：在最大灵敏角方向 上圆的直径 偏移特性阻抗继电器： 在最大灵敏角 方向上由原点到圆周的长度。 3）起动阻抗（动作阻抗）Z

7、 dz.J:它表示当继电 器刚好动作时，加入继电器的电压 Uj和 电流 Ij的比值。 除全阻抗继电器以外：Zdz.j随 W j的不同而改变。 当屮j=W lm时，Zdz.j=Z zd ,此时最大。 2） 整定阻抗 Zzd： 般取继电器安装点到保护 、阻抗继电器的构成 主要由两大基本 部分组成：电压形成路和幅值比较或相位比 较回路。 UA、UB、Uc、UD基本上是由 UJ和 IjZzd组合而成。而 UJ可直接从 PT 二次侧 取得，必要时经 YB 变换。而 IjZzd则经过 DKB 获得。 （一）方向阻抗继电器交流回路的原理接线 1 . U A 2lJZzd 1 . U B U2IjZzd U

8、D = I J Zzcj - U J交流回路 交流回路 Uc 二UJ 其它的继电器的交 流回路的组成，可参照 此图自行作成。 （二）幅值比较回路 将UA和UB分别整流 后进行幅值比较，有两 种类型： 1. 均压式 Uab=Ua-U b 而动作。 整流后在 Ri上 产生 5, 流后在 R2上产 生 Ub。 器 反 应 2 环流式 UB Ij DKB 弁 UA g|l/2IjZzd _ 1/2IjZzd B UB UA整流后在 Ri回路产生 la, UB整流后在R2回路产生Ibc 继电器反应 la-lb而动作 不动作 t 第三节 阻抗继电器的接线方式 、基本要求 要使 ZJ正比于 Id,且与故障类

9、型无关 、常用接线方式 参见 Pec，表 3-2,其中 0接线，+30接线和UD 0 20 f FmS Uo UC du dt 微分元件（产生脉冲输出的时间与 前沿同时） Uc方波的 -180 arg-UU 0 U D UD(UI) 加移相器后移相 90o, U c =uce0 -90 argU -90 -300接线的阻抗继电器用于反映各种相间 短路。相电压和具有 k3Io补偿的相电流接 线用于反映各种接地故障。 三、分析 （一）母线残压计算公式： 假设：Zi=Z2,不计负荷 一1 r 电流 代 ld 予 U A 二 U AD I A1 Z1 ld I A2 Z2ld I A0 Zol I A

10、0 Z1ld 二U Ad I AZild - I AO(Zo -乙)ld =U Ad (I A k3Io)Zi ld k=( Zo-Zi)/3Zi,零序补偿系数) （其中: 同理：UB 二UBd (I B k3Io)Zild U C =U Cd （lc k3lo）Zild （二） Oo 接线方式的分析（设 n PT=n=1） 1.三相短路 因为三相对称，继电器 1,继电器 2, 继电器 3 工作情况完全相同，所以就以继 电器1 为例分析。 U Ad U Bd U Cd 0 3|0= -l 结论：在三相短路时，Zji, Zj2, Zj3均等于短路点 到保护安装处点的线路正序阻抗。 2. 两相短路

11、 以 BC 两相短路为例 ZJI UA-U (IA-IB) Zj 二乙Id 同理 Zj2=Zj3=Zlld l A =0 31 -0 =EA UC 二 UCd “札 结论：接于故障环路的阻抗继电器可以正确ZJ2 UB -U 31ld U Bd U Cd ZJI UAUB EA-UBd-|BZ1ld 二乙I U Bd 但 Z l A Z1l d ZJ2 UCUA UCd JEA 二乙I Zild 反映保护安装处到故障点之间的线路正序阻抗。 其余两只阻抗继电器的测量阻抗很大，不会动 作。这也就是为什么要用三个阻抗继电器并分别 接于不同相间的原因。 3. 中性点直接接地电网的两相接地短路 仍然以BC

12、 两相接地短路为例 U Bd - U Cd =0 3 I 0 7 UB-Uc (lB-lc)Zild +k3lZild -k3lZild r , ZJ2 _ . . . . _ Z1l d I B I C I B I C ZJI 二UA_U B Zild ZJ3 Zild IA-IB 结论：同两相短路。 (三)接地短路阻抗继电器的接线方式 以 A 相接地短路为例 U Ad =0 UA A k3I）乙 J Zild I A k3I IA 3kI 可见：它能正确测量以短路点到保护安 装处之间线路正序阻抗。 IB k3I k3I 均不动 所以必须采用三个阻抗继电器 该接线方式能正确反映两相短路和三相

13、 短路。（自行分析） 第四节 方向阻抗继电器的特性分析 由于方向阻抗继电器的应用最为广泛， 故进一步分析之。 一、方向阻抗继电器的死区和清除方法 （一）产生死区的原因 在保护正方向出口发生相间短路时， Uj=O,继电器不动作。 发生这种情况的一 定范围，就称为“死区”。 1.幅值比较式 1 . 1 . U j m 1 . 1 . Uj IjZzd -Ij Zzd -I J Zzd = -I J Zzd 2 2 2 2 而实际上，继电器的执行元件动作需要一定的功率, 所以继电器不动。 ZJ2 Z J3 Z1ld 2.相位比较式 0 , U j , 0 -90 空arg J一 -90 IjZzd

14、-Uj 因为 Uj=0,无法比相，所以继电器不动（二）消除死区的万法 引入极化电压 Up,要求如下： 1） 与 Uj同相位 2） 出口短路时，UP应具有足够的数值或能保 持一段时间逐渐衰减到零。 （三）获取极化电压的方法 分析如下： 1.记忆回路 它是由一个 R, L, C 组成的工频串联谐振电路。 因 为 wL=1/wc ,电路 呈纯阻性，所以 当出口短路时， 位不变。这就相 A UJ Uj=0。借助谐振， 故障前 Up在一定时间内 逐渐衰减，其相 位保持原先的相 U 故障后 当于把原先的电压记忆下来，故称为“记 忆回路”。 2弓 I 入非故障电压 正常运行时，UAB 较大，RS又很大。IR

15、 主要由 UAB产生，第 三相电压基本上不起 作用。 当 AB 相间短路时，UAB=0，记忆回路 发挥作用。 但 Up将逐渐衰减到零，此时第 三相电压的作用将表现出来。Rs(30K82K) YB 因为 Rs(很大)(R-jX)/jX L， 所以 IS与 UAC同相 位。 见左边向量图， 同相位 所以出口两相短路时， 因为 第三相电压而产生的 Up可保证 继电JYB jXL =Is R jX, jXS 晋 器的方向性。 但三相短路时，无第三相电Up与 UAB(EAB) 压，故不能消除出口三相短路的死区 其它方法：集成电路保护中，利用高 Q值的50HZ带通有源滤波器响应特性的 时间延迟，起到记忆作

16、用。 微机保护中，可用故障前电压与故障 电流比相来实现。 （二） 极化电压的引入对方向阻抗继电器初态特 性的影响 稳态特性：在正常运行和短路后达到稳 态时的继电器动作特性。 初态特性：在发生短路的最初瞬间，继 电器的动作特性。 短路发生后，Up有一个过渡过程。继电 器特性则由初态特性逐步向稳态特性过 渡。 1. 稳态特性分析 分析如下： (1)幅值比较式 1 1 . Up+Uj IjZzd Up+IjZzd 2 2 1 1 Zp +Zj + Zzd Zp + Zzd 2 P 2 A B A 当临界动作时, A =|B , A =|B 所以引入 Up不改变继电器的静态特性。 R 而当正方向出口短

17、路时，UJ=0 up-2ijZzd仙+2jZzd能满足，故能消除死区，且能 防止反方向出口短路时误动。 (2) 相位比较式 末端连线为直径的arg . U p .二 arg . UJ . IjZzd -Up IjZzd -Uj 所以极化电压 Up并不改变继电器的稳 态特性。而正方向出口短路时， Uj=O，而 Up。因而继电器能够正确判别方向，即 能消除死区。 2. (1) 初态特性（设 ni=npT=1） 正方向短路时：空载 U j “J Zd E UJ b+ 导 Zj 二b = Zd Ij E Zs Zj Zs Zj E Up 结论：1）初态特性圆包括坐标原点，故保证出 口短路时可靠动作。

18、2）初态特性圆比稳态特性圆大，有利 于躲过渡电阻的影响。 3）正方向的保护范围不变。 （2）反方向短路时 Uj =-lj Zd UP 二E -Zd 1 J - Zs Zd E 乙- Zs arg E = arg- lj Zzd -U J Zj -Zs =arg Zzd -Zj Zj -Z zd -Zj) -90 0, Zf电阻电感性 Zf 电抗部分增大 送电侧 a I d Zj2 旦 Rgej I d ZjIRgej: 1 d .保护 3：正方向出口短路，a 0, Zj3落在 第四象限，拒动 .保护 2:反方向出口短路，Zj3落在第二象限， 误动 保护 1：区外短路，Zji落入动作特性圆，误

19、动 以上分析是针对方向阻抗继电器，对其它特性阻抗 继电器也有类似的情形。一般而言， 阻抗继电器动作特性在+ R 轴方向上所占面积 越大，受过渡电阻的影响就越小 （二）.减小过渡电阻的措施： 两种措施： .在保护范围不变的前提下，采用动作特性在 + R 轴方向上有较大面积的阻抗继电器 （参看 P105.图 3-58） .采用瞬时测量装置： &二 （lg 电弧长度，Ig 电弧电流） 1 g 短路初瞬，lg较小，Ig较大（有非周期分量），所 以Rg很小；0.10.15s 后，ig拉长，ig减小（非 周期分量衰减），所以Rg增大。 距离 I 段：t 小于 40ms, Rg很小，可以忽略不计 距

20、离H 段：t 为0.5或很长，应采取措施。 距离皿段：因为特性圆较大，影响较小 所谓瞬时测量，就是把距离元件的最初动作 状态通过起动元件的动作固定下来。当电 弧电阻增大时，距离元件不会因为电弧电 阻的增大而返回，仍以预定的动作时限跳 闸。 短路初瞬，起动元件 1: n 段阻抗元件 2 动 作，因而起动中间继电器 3, 3 起动后通过 其触点自保持。而当Rg ,阻抗元件 2 返 回。保护仍能在时间元件 4 动作后，经中 间继电器 3 的触点 去跳闸。 24 注： d 点短路，保护 3 的 I 段动作于跳闸，保护 5U 段跳 对保护 1，因 d 点在其第 U 段保护范围内，起动 元件和 U 段测量

21、元件动作，若采用瞬时测 量，则会误动。 所以只在单回线辐射形电 网中的距离口段上5 3 采用。 二电力系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路 振荡时，系统中各发电机电势间的相角差随时 间作周期性变化，从而使系统中各点电压， 线路电流以及距离保护的测量阻抗也将发 生周期性变化，可能导致距离保护和企图 确保护动作。 但通常系统振荡若干周期后， 多数情况下能自行恢复同步，若此时保护 误动，势必造成不良后果，因而使不允许 的。 （一）.系统振荡使，电压，电流的变化规律 几点假设：.全相振荡时，系统三相对称，故 可只取一相分析； .两侧电源电势EM和EN电势相等，相角差为 、（0 ： 360 ） .系统

22、中各元件阻抗角均相等，以表示 .不考虑负荷电流的影响，不考虑振荡同时发 生短路。 匕 Kd KI P 电流： EM-EN EM ( _ e ) 2EM I sin ZM ZL ZN Z Z、 振荡电流的有效值随、变化（包络线） 电压：UM 二 EM 一| ZM UN 二 E N I ZN U 系统中总有一点的电压为最低，其值为由 0 向EM-EN相量所做的垂线的长度，该点则称为 振荡中心，以 z表示。 当EM=EN且系统中各元件阻抗角相等 时， 振荡中心的位置在全系统纵向阻抗的 中点 （即芳处）。 当.=180时，Uz=o， I 最大，相当于在线 路 Z 点发生三相短路。 振荡周期：电压的一个

23、最大值到下一个 最大值所经历的时间，一般发生在 0.252.5s 的范围内。 （二）.系统振荡时测量阻抗时测量阻抗的变化 规律 M 侧：乙.m = E M - I ZM E M Z-ZM 1 -e 因为1冷 6 1 - jctg 2 (参看 P108) 所以Zj.m 2 (1_ jctg2)_ZM - 、=180 , ctg 0, Zj 厶-ZM 2 2 ZJ Z =360，ctgr:，“片亿）j 可见，当变化，Zj幅值变化，阻抗角亦变化。 注：（宁-ZM）可能在第一象限，也可能在第三象限 （三）.系统振荡时时距离保护的影响： 当测量阻抗进入特性圆内，阻抗继电器 就要误动。全阻抗继电器误动的相

24、角 , 方向阻抗继电器误动的相角、3 - 2。 因为 T= 0.252.5 之间，所以tbh _i.5S就可躲振荡 的影响 小结： .在相同定值下， 全阻抗继电器所受 （振 荡）影响大 .当保护安装点越靠近振荡中心， 受影响越大 措施：.延长保护装置的动作时间（如距离皿 段） .把定值压低，使振荡中心位于特性 圆外 .增设振荡闭锁回路。 （四）.振荡闭锁回路 1. 基本要求： .当系统只发生振荡而无故障时， 应可靠闭 锁保护； .区外故障而引起系统振荡时，应可靠 闭tl -4 - -1 .T 360 t2 :3 - 2 T y 360 锁保护 .区内故障，不论系统是否振荡，都不 应闭锁保护。

25、根据上述基本要求，振荡闭锁回路目前 主要采用两种原理： .利用短路时出现负序分量而振荡时 无负序分量的原理 .利用振荡和短路时电气量变化速度 不同的原理 2. 利用负序（和零序）分量元件起动的振荡 闭锁回路 起动元件可以利用短路时出现的负序或零序分量起 动，也可以利用这些分量的增量或突变量来起 动（P115,图 3-71 ） 具体接线参看附录四 .当系统只振荡， 起动元件不动作， 保 护不会开放； .内部短路时， 起动元件立即动作， 然 后自保持，短时开放保护（在此期间允许保 护跳闸） .外部短路引起系统振荡： 起动元件立即起动（同），短时开 放保护，但在阻抗继电器误动前，短时开 放回路已复归

26、，将保护跳闸回路闭锁。 3. 反应阻抗变化速度的振荡闭锁回路 利用振汤时各段动作时间不冋实现的振汤闭锁 区内故障时：Zi, Zn , Z皿同时动作。 振荡时：Z皿先动（tl） , Zn后动（ 第七节距离保护的整定计算原则及对距离保护的评价 亠、距离保护的整定计算原则 1.距离保护 I 段的整定 1 2 3 4 5 6 原则：按躲过线路末端故障整定。 Zzd - K K Z AB K K = 0.8 0.85 2.距离保护 II 段的整定 原则 1 :与相邻线路的距离 I 段配合 Z；dl =K?(ZAB Kfz.m 器2) KK=0.8 原则 2:按躲过线路末端变压器低压母线短 路整定 Z；di =KK(ZAB Kfz.m iZb) KK =0.7 (考虑到 Zb 的计算 误差大) 取上述两项中数值小者作为保护 II 段定值。 动作时间：t：1 = t； rt = 0.5s t：1 =tb rt = 0.5s 灵敏度校验：按本线路末端故障校验灵敏度 II Kim-严一1.25 要求大于 125。 ZAB 若灵敏度不满足要求，应