继电保护基本知识第四章

1、第三章 电网的距离保护 第一节距离保护的作用原理一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。 Z dU d .1fe f dd d ld I U Z I U Z Z =<=，反映故障点到保护安装处的距离距离保护，它基本上不说系统的运行方式的影响。二距离保护的时限特性距离保护分为三段式： I 段：AB Idz Z Z 85. 08. 0(1=，瞬时动作 主保护 II 段： (21Idz AB IIK IIdz Z Z K Z +=，t=0.5III 段：躲最小负荷阻抗，阶梯时限特性。后备保护 第

2、二节 阻抗继电器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U J （相电压或线电压）和一个电流I J （相电流或两相电流之差）的阻抗继电器。JJ J I U Z .=测量阻抗Z J =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。一阻抗继电器的动作特性PTld PT l lPT JJ J n n Z n n I U n I n U I U Z =1.1.1.1.BC

3、线路距离I 段内发生单相接地故障，Z d 在图中阴影内。由于1）线路参数是分布的， d 有差异2CT,PT有误差 3）故障点过渡电阻 4）分布电容等 所以Z d 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。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，四边形等二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 B A . J 相位比较原理 90arg 90.-DC U U（一） 全阻抗继电器 特点），以Z

4、zd 为半径的圆。圆内为动作区。 Z dz.J 测量阻抗正好位于圆周上，继电器刚好动作，这称为继电器的起动阻抗。无论d 多大，zd J dz Z Z =. ，它没有方向性。1. 幅值比较原理：zd J Z Z 两变同乘J I .，且J J J U Z I . . =，所以zd J J Z I . ，这也就是动作方程。 2. 90arg90-+-Jzd Jzd Z Z Z Z 分子分母同乘以I J ，90arg90. -+-Jzd J J zd J U Z I U Z I（二） 方向阻抗继电器 以Z zd 为直径，通过坐标原点的圆。圆内为动作区。Z dz.J 随J 改变而改变，当 J 等于Z z

5、d 的阻抗角时，Z dz.J 最大，即保护范围最大，工作最灵敏。lm 最大灵敏角，它本身具有方向性。1. 幅值比较原理：zd zd J Z Z Z 2121-Jzd J zd J J Z I Z I . .2121-2. 相位比较原理：90arg 90-Jzd JZ Z Z90arg90.-Jzd J J U Z I U（三） 偏移特性阻抗继电器 正方向：整理阻抗Z zd 反方向：偏移-Z zd (<1 圆内动作。圆心zd zd zd Z Z Z Z 1(21 (210-=-=半径：zd Z 1(21+Z dz.J 随 J 变化而变化, 但没有安全的方向性。1. 幅值比较原理zd J Z

6、 Z Z 1(210+ - zdJ Z Z 1(211(21+-. .1(211(21zd J zd J J Z I Z I +-2. 相位比较原理90arg90-+-Jzd zdJ Z Z Z Z 90arg90. -+-Jzd J zd J J U Z I Z I U 总结三种阻抗的意义：1） 测量阻抗Z J ：由加入继电器的电压U J 与电流I J 的比值确定。JJ J I U .arg=2） 整定阻抗Z zd ：一般取继电器安装点到保护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

7、阻抗（动作阻抗）Z dz.J ：它表示当继电器刚好动作时，加入继电器的电压U J 和电流I J 的比值。除全阻抗继电器以外：Z dz.J 随J 的不同而改变。当J =lm 时，Z dz.J =Zzd ，此时最大。三阻抗继电器的构成 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。U A U B U C U D 基本上是由U J 和I J Z zd 组合而成。而U J 可直接从PT 二次侧取得，必要时经YB 变换。而I J Z zd 则经过DKB 获得。 （一） 方向阻抗继电器交流回路的原理接线zd J AZ I .21= J c U U . =交流回路交流回路zd J J BZ I

8、 .21-= J zd J D U Z I U . . . -= 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U A 和U B 分别整流后进行幅值比较，有两种类型： 1 均压式 U A 整流后在R 1上产生U a ， U B 整流后在R 2上产生U b 。 继电器反应U ab =Ua -U b 而动作。2环流式U A 整流后在R 1回路产生I a , U B 整流后在R 2回路产生I b 。继电器反应I a -I b 而动作。BB（三） 相位比较回路 90arg90. -DC U U它是以测定U C 和U D 同时为正的时间来判断它们的相位。2脉冲式比相电路 0ar

9、g180.-DC U U动作不动作 加移相器后移相90º，.90'.-=e U U C C 90arg90.-DC U U第三节 阻抗继电器的接 线方式一基本要求要使Z J 正比于l d ，且与故障类型无关。 二常用接线方式参见P 90，表3-2，其中0º接线，+30º接线和-30º接线的阻抗继电器用于反映各种相间短路。相电压和具有k3I 0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：Z 1=Z2，不计负荷电流. .10.00.22.11. . d A d A d A d A AD A l Z I l Z I

10、l Z I l Z I U U -+=dA Ad d A d A Ad l Z I k I U l Z Z I l Z I U .1.0. .100. 1.3( (+=-+= （其中：k=(Z 0-Z 1/3Z1，零序补偿系数）同理：. .1.0.3(d B Bd B l Z I k I U U +=d C Cd C l Z I k I U U 1.0. . . 3(+=l d（二） 0º接线方式的分析（设n PT =nl =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。0. . . =Cd Bd Ad U U U 03.0=I

11、 d BA dB A BA B A J l Z I I l Z I I I I U U Z 1.1. .1 (=-=-=同理Z J2=Zj3=Z1l d结论：在三相短路时，Z J1，Z J2，Z J3均等于短路点到保护安装处点的线路正序阻抗。 2 两相短路以BC 两相短路为例。C B I I . . -= 0. =A I 03.0=I.A A E U = d B Bd B l Z I U U 1. . . += d C Cd C l Z I U U 1. . +=d CB dC B CB C B J l Z I I l Z I I I I U U Z 1.1. . 2 (=-=-=. Cd B

12、d U U =d BABd d BdB Bd A BA B A J l Z I E U l Z I l Z I U E I I U U Z 1. 1.1. 1>-+=-=-=d CACd d CAd C Cd AC A C J l Z I E U l Z I E l Z I U I I U U Z 1. 1.1. . . 2>-+=-+=-=结论：接于故障环路的阻抗继电器可以正确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 两相接地短路

13、为例0. . =Cd Bd U U 03.0I d CB dd d C B C B C B J l Z I I l Z I k l Z I k l Z I I I I U U Z 1.1.01. 01. . . .233 (=-+-=-=d BA B A J l Z I I U U Z 1.1>-= d J l Z Z 13>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0.=Ad U d A dA A A J l Z I k I l Z I k I I k I U Z 1.1.0. .13 3(3=+=+=可见：它能正确测量以短路点到保护安装处之间线路

14、正序阻抗。d B B B J l Z I k E I k I U Z 1.233>=+=d J l Z Z 13> 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，U J =0，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zd J zd J U zd J zd J J Z I Z I Z I Z I J . 0.21212121.=-=而实际上，继电器

15、的执行元件动作需要一定的功率，所以继电器不动。 2 相位比较式90arg90.-Jzd J J U Z I U因为U J =0，无法比相，所以继电器不动。（二） 消除死区的方法引入极化电压U P ，要求如下：1） 与U J 同相位2） 出口短路时，U P 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，U J =0。借助谐振，U p 在一定时间内逐渐衰减，其相位保持原先的相位不变。这就相当于把原先的电压记忆下来，故称为“记忆回路”。2引入非故障

16、电压 正常运行时，U AB 较大，R S 又很大。I R 主要由U AB 产生，第三相电压基本上不起作用。当AB 相间短路时，U AB =0，记忆回路发挥作用。但U p 将逐渐衰减到零，此时第三相电压的作用将表现出来。因为L jX/jX-(R (>>很大S R ，所以I S 与U AC 同相位。R jXI jX jX R jX I I LS L C L S R =+-=. .L S R p jX I R I U =. S见左边向量图，U p 与U AB (EAB 同相位所以出口两相短路时，因为第三相电压而产生的U p 可保证继电器的方向性。 但三相短路时，无第三相电压，故不能消除出

17、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，U p 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zd J P zd J J P Z I Z I U . . .2121+-+zd p zd J P Z Z Z Z Z2121+ B A 当临界动作时，B

18、 A =，' ' B A =所以引入U p 不改变继电器的静态特性。而当正方向出口短路时，U J =0zd J p zd J p Z I Z I . . .2121+-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90arg90. -Jzd J P U Z I U因为U p 与U J 同相位，所以E A等腰梯形.argargJzd J J pzd J p U Z I U U Z I U -=-所以极化电压U p 并不改变继电器的稳态特性。而正方向出口短路时，0.=J U ，而0.p U 。因而继电器能够正确判别方向，即能消除死区。2 初态特性（设n l

19、=nPT =1）（1） 正方向短路时：空载d J J Z I U . =d JJ J Z I U Z =. .J s d s J Z Z EZ Z E I +=+=. . . E U p =Jzd Js J zd J s Jzd J p Z Z Z Z Z Z Z Z EEU Z I U -+=-+=-arg(argarg.90arg90-+-Jzd Js Z Z Z Z其动作特性是以Z zd ，-Z s 末端连线为直径的圆。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。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d J

20、 J Z I U .-= d JJ J Z I U Z -=. Z dZ s Z ds '.' . .sJ d s J Z Z EZ Z E I -=+-= .E U P =Jzd s J J zd sJ Jzd J p Z Z Z Z Z Z Z Z EEU Z I U -=-=-''.arg (argarg90arg 90'-Jzd s J Z Z Z Z 其动作特性是Z zd ，Z 0末端的连线为直径的圆。结论：在反方向短路时，继电器有明确的方向性。 第五节 阻抗继电器的精确工作电流阻抗继电器式利用测量阻抗JZ来反映故障点的位置，即J U . 与J

21、 I .的比值，其动作特性J dz Z , 在理想条件下是常数，也就是说与J I 无关。例：全阻抗继电器（整流型）J U J I U K I K . 理想临界动作条件：0=-J U J I U K I K . 即zd uIJ J J dz Z K K I U Z =. 实际上执行元件是需要动作功率的，即实际临界动作条件为：0U U K I K J U J I =- Ju I J J J dz I K UK K I U Z 00. -=由此可见，J dz Z , 与0U ，J I 有关（dzd J dz J Z Z I U =. 0, , ）(. J J dz I f Z =的关系曲线可绘制如下

22、图 由图可见，当J I 较小时，J dz Z , 将比整定阻抗zd Z 明显减小，即实际的保护范围将比整定范围小，这将影响到与它相邻的保护的配合，而可能引起非选择性动作。每个阻抗继电器都有它实际的 (. J J dz I f Z =曲线，为了把动作阻抗J dz Z , 与整定阻抗的差距限制在一定的范围内，规定了精确工作电流这项指标。 精确工作电流：是指继电器的动作阻抗与整定阻抗之间的差距等于整定阻抗的10（即J dz Z , 0.9zd Z ）时，加入阻抗继电器的电流。记做Jg I 。当保护范围末端短路时，J I 应大于或等于min . Jg I ，才能保证%10. <-zd J dz

23、zd Z Z Z ，此误差在选择可靠系数时已考虑。第六节 影响距离保护正确动作的因素及防止方法阻抗继电器的测量阻抗时受很多因素影响的。主要有：短路点的过渡电阻；电力系统振荡；保护安装处与故障点之间有分支电路；CT,PT 的误差；PT 二次回路断线；串连补偿电容。本节着重讨论, 两因素的影响及相应的措施。一. 短路点过渡电阻的影响及相应措施：短路一般是非金属性的，即存在过渡电阻使得测量阻抗变化，保护范围可能缩短，可能 超范围或反方向误动。（一）. 过渡电阻的影响：1. 过渡电阻的性质：2( 3(, d d 电弧电阻1( 1, 1(, d d 电弧电阻，杆塔电阻，大地电阻阻抗继电器感受到的可能不是

24、纯电阻性的。 f d g d d d d d d g d J JJ Z Z R I I Z I Z I R I I U Z +=+=+=' . . ' . ' . . . .其中f Z 为附加阻抗，j g dd f e R I I Z ' = ，为d I . 超前' . d I 的角度 讨论：. 0". =d I , 单侧电源网络g f d d R Z I I =, .' . 纯电阻性 J Z 增大. 0" . d I . 双侧电源网络受电侧>0, f Z 电阻电感性 f Z 电抗部分增大送电侧<0, f Z 电阻

25、电容性 f Z 电抗部分减小2. 单侧电源网络中过渡电阻的影响 BC 线路出口经g R 短路当g R 较大，2J Z 超出其段范围而落入段范围内，而1J Z 仍在段的保护范围内，则保护1和2将同时以第段时限动作，造成保护误动。小结：. 短路点距保护安装处越近，影响越大，反之影响越小；. 保护装置整定值越小，相对的受过渡电阻影响越大3. 双侧电源网络中过渡电阻的影响： BC 线路出口经g R 短路 M 侧为送电侧j g dd L J e R I I Z Z ' 11+= j g dd J e R I I Z ' 2-= j g dd J e R I I Z ' 3= .

26、保护3：正方向出口短路，<0，3J Z 落在第四象限，拒动. 保护2：反方向出口短路，3J Z 落在第二象限，误动. 保护1：区外短路，1J Z 落入动作特性圆，误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358）. 采用瞬时测量装置：g gg I l R （g l 电弧长度，g I 电弧电流）短路初瞬，g l 较小，g I 较大（有非周期分量），所以

27、g R 很小；0.10.15s 后，g l 拉长，g I 减小（非周期分量衰减），所以g R 增大。距离段：t 小于40ms ，g R 很小，可以忽略不计距离段：t 为" 5. 0或很长，应采取措施。距离段：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：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 g R , 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。 注： d 点短路，保护3

28、的段动作于跳闸，保护5段跳。对保护1，因d 点在其第段保护范围内，起动元件和段测量元件动作，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段上采用。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M E . 和N

29、 E .电势相等，相角差为 3600(<< . 系统中各元件阻抗角均相等，以d 表示不考虑负荷电流的影响，不考虑振荡同时发生短路。 电流：2sin 2 1(. . . . =-=+-=Z E Z e E Z Z Z E E I M j M N L M N M 振荡电流的有效值随变化（包络线） 电压：M M M Z I E U . . -= N N N Z I E U . . += 系统中总有一点的电压为最低，其值为由0向N M E E . -相量所做的垂线的长度，该点则称为振荡中心，以z 表示。 当N M E E . . = 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

30、抗的中点（即2Z 处）。 当=180时，0.=Z U ，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：M j M M M M Mm J Z e ZZ I E I Z I E I U Z -=-=-=1. . . . . . . . 因为2121jctg e j -=-（参看P108） 所以22 2( 21(2. ctg Z j Z Z Z jctg ZZ M M m J -=-= =0, =2ctg , -=. 22(Z j Z Z Z M J J =1

31、80, 02=ctg , M J J Z Z Z -=2=360, =2ctg , +-=. 2 2(Z j Z Z Z M J J 可见，当变化，J Z 幅值变化，阻抗角亦变化。 注： 2(M Z Z -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角14-，方向阻抗继电器误动的相角23-。T t . 360141-= T t . 360232-=因为T 0.252.5之间，所以S t bh 5. 1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

32、，受影响越大措施：. 延长保护装置的动作时间（如距离段）. 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，应可靠闭锁保护. 区内故障，不论系统是否振荡，都不应闭锁保护。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

33、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，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 利用振荡时各段动作时间不同实现的振荡闭锁 区内故障时：Z ，Z ，Z 同时动作。振荡时：Z 先动（t1）, Z 后动（t2）第七节 距离保护的整定计算原则及对距离保护的评价一、距离保护的整定计算原则1. AB I K I zd Z K Z =1 85. 08. 0=I K K2. 距离保护II 段的整定原则1：与相邻线路的距离I 段配合(2m i n . 1I zd fz AB II K II zd Z K Z K Z += 8. 0=IIK K 原则2：按躲过线路末端变压器低压母线短路整定(m i n . 1b fz AB II K II zd Z K Z K Z += 7. 0=IIK K （考虑到b Z 的计算误差大