继电保护09阻抗保护课件

1、6.1 距离保护的原理及组成元件距离保护的原理及组成元件电流保护对于容量大、电压高和结构复杂的网络，难于满足电网对保护电流保护对于容量大、电压高和结构复杂的网络，难于满足电网对保护的要求。一般只适用于的要求。一般只适用于35kv及以下电压等级的配电网。及以下电压等级的配电网。对于对于110kv及以上电压等级的复杂电网，必须采用性能更加完善的保护及以上电压等级的复杂电网，必须采用性能更加完善的保护装置，距离保护就是适应这种要求的一种保护原理。装置，距离保护就是适应这种要求的一种保护原理。距离保护：反应保护安装地点至故障点之间阻抗的大小（即距离距离的距离保护：反应保护安装地点至故障点之间阻抗的大小

2、（即距离距离的远近），以判断故障是否发生在被保护区内为原则的一种保护装置。远近），以判断故障是否发生在被保护区内为原则的一种保护装置。主要元件为距离继电器，可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安主要元件为距离继电器，可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至故障点间的阻抗值。距离保护保护范围通常用整定阻抗装处至故障点间的阻抗值。距离保护保护范围通常用整定阻抗 的大的大小来实现。小来实现。operZ 正常运行时保护安装处测量到的阻抗为负荷阻抗正常运行时保护安装处测量到的阻抗为负荷阻抗 ，即，即LmmmZIUZ mUmImZ被保护线路母线的相电压，测量电压；被保护线路母线的相电压，测量电压；

3、被保护线路的电流，测量电流；被保护线路的电流，测量电流； 测量电压与测量电流之比，测量阻抗。测量电压与测量电流之比，测量阻抗。LZ 在被保护线路任一点发生故障时，保护安装处的测量电压为在被保护线路任一点发生故障时，保护安装处的测量电压为 ，测量，测量电流为故障电流电流为故障电流 ，这时的测量阻抗为保护安装处到短路点的短路阻抗，这时的测量阻抗为保护安装处到短路点的短路阻抗 ，kmUU kIkZP1161176.1 距离保护的原理及组成元件距离保护的原理及组成元件主要元件为距离继电器，可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安主要元件为距离继电器，可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至故障点

4、间的阻抗值。距离保护保护范围通常用整定阻抗装处至故障点间的阻抗值。距离保护保护范围通常用整定阻抗 的大的大小来实现。小来实现。 正常运行时保护安装处测量到的阻抗为负荷阻抗正常运行时保护安装处测量到的阻抗为负荷阻抗 ，即，即mUmImZ被保护线路母线的相电压，测量电压；被保护线路母线的相电压，测量电压；被保护线路的电流，测量电流；被保护线路的电流，测量电流； 测量电压与测量电流之比，测量阻抗。测量电压与测量电流之比，测量阻抗。LZ 在被保护线路任一点发生故障时，保护安装处的测量电压为在被保护线路任一点发生故障时，保护安装处的测量电压为 ，测量，测量电流为故障电流电流为故障电流 ，这时的测量阻抗为

5、保护安装处到短路点的短路阻抗，这时的测量阻抗为保护安装处到短路点的短路阻抗 ，kkkmmmZIUIUZ 当短路点在保护范围内，当短路点在保护范围内， ，即，即 时时,继电器不动作。继电器不动作。mZoperZ mmm,ZIU6.1 距离保护的原理及组成元件距离保护的原理及组成元件距离保护的动作时间距离保护的动作时间t 与保护安装处到故障点之与保护安装处到故障点之间的距离间的距离 l 的关系称为距离保护的时限特性。的关系称为距离保护的时限特性。 距离保护的第距离保护的第段是瞬时动作的，段是瞬时动作的， 是保护本身是保护本身的固有动作时间。的固有动作时间。 以保护以保护1为例，其起动阻为例，其起动

6、阻抗必须躲开这一点短路时抗必须躲开这一点短路时所测量到的阻抗所测量到的阻抗 ，即，即 : 。考虑到阻抗继电器和电流考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，需、电压互感器的误差，需引入可靠系数引入可靠系数 Krel，取，取(0.80.85)：ItABZABIoper.1ZZ 69)-(6 ZABreloper.1ZK 目前获得广泛应用的是阶目前获得广泛应用的是阶梯型时限特性，称为距离梯型时限特性，称为距离保护的保护的、段。段。ABCP1161176.1 距离保护的原理及组成元件距离保护的原理及组成元件 距离保护的第距离保护的第段是瞬时动作的，段是瞬时动作的， 是保护本身是保护本身的固有动作时间

7、。的固有动作时间。 以保护以保护1为例，其起动为例，其起动阻抗必须躲开这一点短阻抗必须躲开这一点短路时所测量到的阻抗路时所测量到的阻抗 ，即，即 。考虑。考虑到阻抗继电器和电流、到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，需电压互感器的误差，需引入可靠系数引入可靠系数 Krel，取，取(0.80.85)：It为了切除本线路末端为了切除本线路末端15%20%范围以内的故障，范围以内的故障，需要设置距离保护第需要设置距离保护第段。距离段。距离段整定值的选择段整定值的选择不超过下一条线路距离不超过下一条线路距离段的保护范围，同时高出段的保护范围，同时高出一个一个 的时限，以保证选择性。的时限，以保证选择性

8、。t t 引入可靠系数引入可靠系数 ，则保，则保护护1 的的II段起动阻抗为：段起动阻抗为：relK70)-(6 )Z(Zoper.2bABreloper.1 KZK距离距离段和段和段的联合工段的联合工作构成本线路的主保护。作构成本线路的主保护。ABZABIoper.1ZZ 69)-(6 ZABreloper.1ZK 距离距离段作后备保护。段作后备保护。P116117ABC6.1 距离保护的原理及组成元件距离保护的原理及组成元件跳闸7645ZZZtt起动元件方向元件出口元件12381.起动元件起动元件:2.方向元件方向元件:3.距离元件：距离元件：4.时间元件时间元件 ： 其主要作用是其主要作

9、用是在发生故障的瞬间起动整套保护。采用在发生故障的瞬间起动整套保护。采用的是过电流继电器或者阻抗继电器。的是过电流继电器或者阻抗继电器。 作用是测量短路点到保护安装处的距离（即测量阻抗），作用是测量短路点到保护安装处的距离（即测量阻抗），采用阻抗继电器。采用阻抗继电器。作用是保证保护动作的方向性。采用单独的方向继电器，作用是保证保护动作的方向性。采用单独的方向继电器，或方向元件和阻抗元件相结合。或方向元件和阻抗元件相结合。作用是根据预作用是根据预定的时限特性定的时限特性确定动作的时确定动作的时限，以保证保限，以保证保护动作的选择护动作的选择性，一般采用性，一般采用时间继电器。时间继电器。 方向

10、元件方向元件5.出口执行元件出口执行元件 ：P1161176.2 阻抗继电器阻抗继电器阻抗继电器是距离保护装置的核心元件，其主要作用是测量短路点到保护安阻抗继电器是距离保护装置的核心元件，其主要作用是测量短路点到保护安装处之间的距离，并与整定阻抗值进行比较，以确定保护是否应该动作。阻装处之间的距离，并与整定阻抗值进行比较，以确定保护是否应该动作。阻抗继电器按其构成方式可分为抗继电器按其构成方式可分为单相式单相式和和多相补偿式多相补偿式。单相式阻抗继电器是指加入继电器的只有一个电压单相式阻抗继电器是指加入继电器的只有一个电压 (可以是相电压或线电可以是相电压或线电压压)和一个电流和一个电流 （可

11、以是相电流或两相电流之差）的阻抗继电器。（可以是相电流或两相电流之差）的阻抗继电器。 和和 的比值称为继电器的测量阻抗的比值称为继电器的测量阻抗 。由于。由于 = ，所以可以利用复，所以可以利用复数平面来分析这种继电器的动作特性，并用一定的几何图形把它表示出来。数平面来分析这种继电器的动作特性，并用一定的几何图形把它表示出来。 mUmImUmImZmZjXR 1)-(6 mmmIUZ 85% 85. 0ZNPoperZ TATVNPTATVNPNTANPTVNnnZnnIUnInU85.0 mmmIUZ K当正方向当正方向K处短路：处短路：I段保护起动阻抗：段保护起动阻抗：I段保护整定阻抗：段

12、保护整定阻抗：TATVopersetZ Znn P1171286.2 阻抗继电器阻抗继电器单相式阻抗继电器是指加入继电器的只有一个电压单相式阻抗继电器是指加入继电器的只有一个电压 (可以是相电压或线电可以是相电压或线电压压)和一个电流和一个电流 （可以是相电流或两相电流之差）的阻抗继电器。（可以是相电流或两相电流之差）的阻抗继电器。 和和 的比值称为继电器的测量阻抗的比值称为继电器的测量阻抗 。由于。由于 = ，所以可以利用复，所以可以利用复数平面来分析这种继电器的动作特性，并用一定的几何图形把它表示出来。数平面来分析这种继电器的动作特性，并用一定的几何图形把它表示出来。 mUmImUmImZ

13、mZjXR 1)-(6 mmmIUZ 85% 85. 0ZNPoperZ TATVNPTATVNPNTANPTVNnnZnnIUnInU85.0 mmmIUZ K当正方向当正方向K处短路：处短路：I段保护起动阻抗：段保护起动阻抗：I段保护整定阻抗：段保护整定阻抗：TATVopersetZ Znn 正方向短路时：测量阻抗在第一象限，正向测量阻抗正方向短路时：测量阻抗在第一象限，正向测量阻抗Zm与与R轴的夹角为线轴的夹角为线路的阻抗角路的阻抗角 L； L反方向短路时：测量阻抗将在第三象限。反方向短路时：测量阻抗将在第三象限。 如果测量阻抗落在如果测量阻抗落在相量以内，则阻抗继电器动作；反之，不动作

14、。相量以内，则阻抗继电器动作；反之，不动作。 IsetZ为一个圆，为一个圆，圆内为动作区圆内为动作区，圆外为非动作区圆外为非动作区。全阻抗特性圆全阻抗特性圆方向阻抗特性圆方向阻抗特性圆偏移偏移特性特性阻抗阻抗圆圆P1186.2 阻抗继电器阻抗继电器 比幅式全阻抗继电器的动作条件为：比幅式全阻抗继电器的动作条件为： （1）比幅式全阻抗继电器）比幅式全阻抗继电器3)-(6 setmZZ 4)-(6 msetmmmIZIZU 或或圆内圆内 动作区动作区圆外非圆外非动作区动作区 Zsetoper.KZ 起动阻抗：起动阻抗：两个电压幅值比较两个电压幅值比较 比幅式全阻抗继电器交流回路的原理接线比幅式全阻

15、抗继电器交流回路的原理接线 TV二次值二次值可利用可利用电抗变压器电抗变压器获得获得 mU调节调节T的二次电压，的二次电压， 比幅式全阻抗继电器均压式幅值比较回路比幅式全阻抗继电器均压式幅值比较回路 执行执行元件元件 baUU可改变阻抗继电器的整定值。可改变阻抗继电器的整定值。 P124图图6-9(a)P125图图6-11P119P119圆内圆内 动作区动作区圆外非圆外非动作区动作区 Zsetoper.KZ 起动阻抗：起动阻抗：（2）比相式全阻抗继电器）比相式全阻抗继电器5)-(6 90arg27000 setmsetmZZZZ090 比幅式全阻抗继电器的起动条件为：比幅式全阻抗继电器的起动条

16、件为： 即比较即比较阻抗相量阻抗相量(Zm+Zset)和和(Zm-Zset) 的相位关系的相位关系：090 090 对应于对应于Zm超前超前Zset ，此时，此时为负值为负值上式亦可写成：上式亦可写成：6)-(6 90arg27000 setmmsetmmZIUZIUP119P124图图6-9(b)msetmXUZIU msetmYUZIU 比相比相式交式交流回流回路路三极管相位三极管相位比较回路比较回路6)-(6 90arg9000 msetmmsetmUZIUZI时时：090 或或3V0 0 ONON00OFF充电充电2 P126图图6-12P126图图6-13P120P120（1）比幅式

17、方向阻抗继电器）比幅式方向阻抗继电器 当正方向短路时，测量阻抗当正方向短路时，测量阻抗Z Zm m 在第在第I I象限，象限，如故障在保护范围内，如故障在保护范围内，Z Zm m 落在园内，继电器动落在园内，继电器动作。反向短路，测量阻抗在第三象限，继电器作。反向短路，测量阻抗在第三象限，继电器不动作。保护动作具有方向性。其阻抗动作方不动作。保护动作具有方向性。其阻抗动作方程为：程为：圆内圆内 动作区动作区圆外非圆外非动作区动作区7)-(6 2121setsetmZZZ 8)-(6 2121 setmsetmmZIZIU 或或P125图图6-10(a)setmZIU211 setmmZIUU

18、2比幅式比幅式 交流回路交流回路均压式幅值比较回路均压式幅值比较回路 执行执行元件元件 baUUP125图图6-1108(3,4)（2）比相式方向阻抗继电器）比相式方向阻抗继电器 比相式方向阻抗继电器动作方程为比相式方向阻抗继电器动作方程为P120圆内圆内 动作区动作区圆外非动作区圆外非动作区9)-(6 90arg270setmm ZZZ10)-(6 90arg270setmmm ZIUU090 090 090 P125图图6-10(b)mXUU msetmYUZIU 比相式交流回路比相式交流回路mUmU10)-(6 90arg90mmsetm UUZI三极管相位三极管相位比较回路比较回路0

19、0 ONON00OFF充电充电P126图图6-126.2 阻抗继电器阻抗继电器（1）比幅式偏移特性阻抗继电器）比幅式偏移特性阻抗继电器整定整定阻抗阻抗偏移阻抗偏移阻抗）偏偏移移率率，其其中中（10: 圆内圆内 动作区动作区圆外非圆外非动作区动作区setZd)1( 圆圆的的直直径径：setZr)1(21 圆圆的的半半径径：setZZ)-1(210 圆心坐标：圆心坐标：继继电电器器时时，即即为为方方向向功功率率阻阻抗抗0 时时，即即为为全全阻阻抗抗继继电电器器1 v动作特性，圆的直径为动作特性，圆的直径为 与与 之差。之差。setZset- Z 11)-(6 )1(21set0mZZZ 动作条件：

20、动作条件：rZZZZset )1(21-0mm在在圆圆周周上上：setZZZZ)1(21-0mm 在在圆圆内内：setZZZZ)1(21-0mm 在在圆圆外外：12)-(6 )1(21)1(21 setsetmZZZ 或或得比幅表达式：得比幅表达式：13)-(6 )1(21)1(21 setZIZIUmsetmm mI 6.2 阻抗继电器阻抗继电器（2）比相式偏移特性阻抗继电器）比相式偏移特性阻抗继电器整定阻抗整定阻抗偏移阻抗偏移阻抗圆内圆内 动作区动作区圆外圆外 非动作区非动作区0setmsetmm90)-()( 的相位差的相位差与与在圆周上时：在圆周上时：当当ZZZZZ090 14)-(6

21、 90arg270setmsetm ZZZZ动作条件：动作条件：0090270 得比相表达式：得比相表达式：mI 分分式式15)-(6 90arg270setmmsetmm ZIUZIU （1）比幅式直线特性阻抗继电器）比幅式直线特性阻抗继电器阻抗圆的半径为无穷大时，圆特性变为直线特性，阻抗圆的半径为无穷大时，圆特性变为直线特性，整定阻抗整定阻抗动作区动作区非动作区非动作区测量阻抗测量阻抗等腰等腰 三角形三角形起动条件为起动条件为16)-(6 2msetmZZZ （1）比幅式直线特性阻抗继电器）比幅式直线特性阻抗继电器整定阻抗整定阻抗动作区动作区非动作区非动作区测量阻抗测量阻抗阻抗圆的半径为无

22、穷大时，圆特性变为直线特性，阻抗圆的半径为无穷大时，圆特性变为直线特性，起动条件为起动条件为16)-(6 2msetmZZZ 两边同乘以两边同乘以测量电流得测量电流得17)-(6 2msetmmUZIU 等腰等腰 三角形三角形（2）比相式直线特性阻抗继电器）比相式直线特性阻抗继电器在动作区：在动作区：当当mZ整定阻抗整定阻抗动作区动作区非动作区非动作区测量阻抗测量阻抗00setmset90270)-( 为为的相位差的相位差与与ZZZ起动条件为起动条件为18)-(6 90arg270setmset ZZZ得比相表达式：得比相表达式：mI 分分式式19)-(6 90arg270setmmsetm

23、ZIUZI6.2 阻抗继电器阻抗继电器整定阻抗整定阻抗动作区动作区非动作区非动作区测量阻抗测量阻抗整定阻抗整定阻抗动作区动作区非动作区非动作区就就变变为为电电抗抗型型继继电电器器若若取取,setsetjXZ 6.2 阻抗继电器阻抗继电器1、均压式、均压式2、环流式、环流式1、全阻抗继电器的比较电压回路、全阻抗继电器的比较电压回路2、方向阻抗继电器的比较电压回路、方向阻抗继电器的比较电压回路比幅式比幅式比相式比相式比幅式比幅式1、三极管相位比较回路、三极管相位比较回路2、异或门比相回路、异或门比相回路比相式比相式三极管相位三极管相位比较回路比较回路1、三极管相位比较回路、三极管相位比较回路2、异

24、或门比相回路、异或门比相回路6.3 方向方向阻抗继电器的特殊问题阻抗继电器的特殊问题对于相位比较的方向阻抗继电器，其动作条件为对于相位比较的方向阻抗继电器，其动作条件为 ，亦，亦无法进行比相，因而继电器也不动作。无法进行比相，因而继电器也不动作。 上式变为上式变为 ，此时被比较的两个电压变为相等，理论上处于动，此时被比较的两个电压变为相等，理论上处于动作边界，实际上，由于继电器的执行元件动作需要消耗一定的功率，因此，在这作边界，实际上，由于继电器的执行元件动作需要消耗一定的功率，因此，在这样情况下继电器不动作。样情况下继电器不动作。, 0m U0m U对幅值比较的方向阻抗继电器，其动作条件为对

25、幅值比较的方向阻抗继电器，其动作条件为 8)-(6 2121 setmsetmmZIZIU 10)-(6 90arg270setmmm ZIUU 2121 setmsetmZIZI 这种不动作的范围，称为保护装置的这种不动作的范围，称为保护装置的“死区死区”。可利用记忆回路和引入第三相电压减小和消除死区。可利用记忆回路和引入第三相电压减小和消除死区。 1、方向阻抗继电器的死区、方向阻抗继电器的死区a （1）记忆回路）记忆回路 对瞬时动作的距离对瞬时动作的距离I段方向阻抗继电器，在电压段方向阻抗继电器，在电压 的回路中广泛采用的回路中广泛采用“记忆记忆回路回路”的接线，即将电压回路看作是一个对的

26、接线，即将电压回路看作是一个对50HZ工频交流的串联谐振回路，工频交流的串联谐振回路，其原理接线图如图其原理接线图如图6-16a所示，图中，所示，图中，C、L 、R 是在原幅值比较的测量电是在原幅值比较的测量电压压 回路中接入一个串联谐振回路。取回路中接入一个串联谐振回路。取 ，则谐振回路中的电，则谐振回路中的电流流 与外加测量电压与外加测量电压 同相位，所以在电阻同相位，所以在电阻R上的压降上的压降 也与外加电压也与外加电压 同相位，记忆电压同相位，记忆电压 通过记忆变压器通过记忆变压器T与与 同相位。同相位。 mUmUcjLj1uImURUmUjUmU2、消除方向阻抗继电器的死区的措施、消

27、除方向阻抗继电器的死区的措施 引入记忆电压以后，幅值比较的动边条件为：引入记忆电压以后，幅值比较的动边条件为： 8)-(6 2121 setmsetmmZIZIUjsetmjsetmm2121UZIUZIU m.I图318 具有记忆的幅值比较的方向阻抗继电器电压形成回路TXTjUsetm.21ZIjU TMR.Um.UjRjIjCm.UABjLABsetm.21ZITU图图6-16b1U2UmU 在出口短路时，在出口短路时， =0，由于谐振回路的储能作用，记忆电压，由于谐振回路的储能作用，记忆电压 在衰减到在衰减到零之前存在，且与故障前零之前存在，且与故障前 同相位。由于继电器记录了故障前的电

28、压，故方同相位。由于继电器记录了故障前的电压，故方向阻抗继电器消除了死区。向阻抗继电器消除了死区。mUjUmU记忆回路记忆回路记忆变压器记忆变压器中间变压器中间变压器电抗变压器电抗变压器TVTA 引入记忆电压以后，幅值比较的动边条件为： (3-41) 在出口短路时， =0，由于谐振回路的储能作用，记忆电压 在衰减到零之前存在，且与故障前 同相位。由于继电器记录了故障前的电压，故方向阻抗继电器消除了死区。 2引入第三相电压 记忆回路只能保证方向阻抗继电器在暂态过程中正确动作，但它的作用时间有限。为了克服这一缺点，再引入非故障相电压。图3-19（a）所示为在方向阻抗继电器中引入第三相电压，并将第三

29、相电压和记忆回路并用的方案。由图3-19（a）可见，第三相电压为C相，它通过高阻值的电阻R接到记忆回路中 和 的连接点上。正常时 ，由于 电压较高且 、 处于工频谐振状态，而R值又很大，使作用jsetmmjsetm2121UZIUUZImUjUmUjCjLABUjLjC 在 上的电流主要来自 且是电阻性的，第三相电压 基本上不起作用。当系统中AB相发生突然短路时， 突然为零,此时记忆回路发挥了作用，使继电器得到一个和故障 前 相位相同的极化 电压，但它将逐渐衰减到零，这时第三相电压的作用表现出来，图3-19（b）为图3-19(a)在保护出口AB两相短路时,记忆电压消失后的等值电路。电阻R中的电流 与 同相位,因为电阻R的数值远大于 的值,而 在 、 支路中的分流为 在电阻 上的压降 jRABUCUABUyUjURIACUjjj/)1(LjcjRRIjRjCjLjRLjcjjLjRcjRjxIjxjxRjxIIjRLjRjcjRXI jRIU 从向量图3-19（c）中可以看出， 超 前近 ，电阻 上电压降 超前 cjIRI90jRRU图 3 19 引 入 第 三 相 电 压 产 生 极 化 电 压 的 工 作 原 理（a）原理图；（b）短路后的等值电路；（c）相量分析jRjCm.UABj.U Tj.UjLCRj.Uj.UTk.UjRjCjL.RI(a)(