第6章-电网的距离保护

第6章电网的距离保护2/3/20231第6章电网的距离保护距离保护的基本原理与适用场合单相式方向阻抗继电器的分析方法微机常用方向阻抗继电器的原理阻抗继电器的接线方式振荡闭锁的原理过渡电阻对距离保护的影响与消除措施内容与要求电压与电流的比值，110kV比幅与比相动作方程分析工频变化量、正序电压极化、电抗、四边形等方向阻抗继电器的构成原理相间接线与接地接线区分振荡与短路，从而构成闭锁措施过渡电阻特点及对继电保护的影响2/3/20232第6章电网的距离保护掌握距离保护与阻抗继电器原理理解方向阻抗继电器接线掌握实用阻抗继电器分析方法学习方法要在对比中巩固三段式原理并熟练比幅与比相的相互转化方法联系应用范围掌握方向阻抗继电器的特殊问题要联系电力系统故障分析的一些方法与结论2/3/20233第6章电网的距离保护6.1距离保护的基本原理而相间电流保护灵敏度低不适于高压网可见，距离保护电压电流的比值与故障点距离成正比，与系统的运行方式无关，即不受系统运行方式的影响，可以获得较为稳定的灵敏度。距离保护就是利用电压电流比值判断故障的一种保护。6.1.1距离保护的引入2/3/20234第6章电网的距离保护阻抗继电器测量阻抗距离保护利用阻抗继电器来判断故障所在区域。6.1.2距离保护原理阻抗继电器动作方程正常运行时为负荷阻抗故障时为保护安装处到故障点的线路阻抗整定阻抗2/3/20235第6章电网的距离保护注意与三段式电流保护的区别。三段式距离保护基本原理I段保护区不能伸出本线路，即测量阻抗小于本线路阻抗时动作。可靠系数，0.8～0.85II段保护区不能伸出相邻线路I段保护区，即测量阻抗小于本线路阻抗与相邻线路I段动作阻抗之和。靠延时保证选择性可靠系数，0.8III段在系统正常时不起动，故障时起动，即测量阻抗小于最小的负荷阻抗时保护动作。依靠时间的阶梯性来保证选择性2/3/20236第6章电网的距离保护6.1.3距离保护组成系统发生故障时起动保护装置判断是否跳闸由I、II、III段的阻抗继电器1KR、2KR、3KR来判断故障区域2/3/20237第6章电网的距离保护6.2阻抗继电器分类与特性距离保护的核心元件，测量保护安装处到故障点的阻抗（距离），与整定值进行比较，小于整定值为内部故障。6.2.1阻抗继电器基本原理与分类（1）阻抗继电器分类比较原理比幅：幅值比较式比相：相位比较式输入量第I型：单相式第II型：多相补偿式动作特性圆特性——容易实现多边形特性2/3/20238第6章电网的距离保护（2）阻抗继电器的基本概念一次值继电器的动作方程整定阻抗阻抗继电器KR电压UK来自TV，电流IK来自TA。有测量阻抗继电器的动作特性注意：正方向故障时，ZK在第Ⅰ象限；反方向故障时ZK在第Ⅲ象限。2/3/20239第6章电网的距离保护6.2.2单相式圆特性阻抗继电器全阻抗继电器——由于构成方便，应用多。比幅动作方程比相动作方程特点：无死区，无方向性电压比幅动作方程电压比相动作方程以整定阻抗为半径的圆。应用：一般用作起动元件2/3/202310第6章电网的距离保护偏移阻抗继电器比幅动作方程比相动作方程特点：无死区，无方向性电压比幅动作方程电压比相动作方程以Zset1－Zset2为直径的圆。应用：手动合闸、自动重合闸时采用。2/3/202311第6章电网的距离保护方向阻抗继电器比幅动作方程比相动作方程特点：有电压死区，有方向性（正方向故障时动作）电压比幅动作方程电压比相动作方程以整定阻抗Zset为直径的圆。应用：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段测量元件2/3/202312第6章电网的距离保护6.2.3直线特性阻抗继电器（1）直线继电器——电抗继电器——直线与四边形特性居多比相动作方程电压比相动作方程直线下方为动作区2/3/202313第6章电网的距离保护1：线路金属性短路时可靠动作，一般取15-30°。（2）四边形阻抗继电器比相动作方程——Zset按照三段式整定原则整定，Rset按照小于最小负荷阻抗的电阻分量整定2：防止保护区末端经过过渡电阻短路时可能出现的超范围动作（超越），一般取7-15°。3：在双电源线路上，考虑到经过过渡电阻短路时，线路始端故障时的附加测量阻抗比末端故障时小，所以该角度小于线路阻抗角，一般取60°。4：当线路出口经过过渡电阻短路时，测量阻抗可能呈现容性，为保证可靠动作，一般取30°。2/3/202314第6章电网的距离保护6.2.4阻抗继电器的实现以圆特性方向阻抗继电器为例电压比幅动作方程令——工作电压——极化电压则利用微机保护算法实现下面方程，就形成了方向阻抗继电器2/3/202315第6章电网的距离保护同理，电压比相动作方程令——工作电压——极化电压则利用微机保护算法实现下面方程，就形成了方向阻抗继电器2/3/202316第6章电网的距离保护6.2.5阻抗继电器的精确工作电流以圆特性全阻抗继电器为例比幅动作方程电压比幅动作方程可见，只要阻抗满足要求，继电器就应该动作。是不是真的如此？即比较元件都有最小的动作电压U0（比较电路）或最小的分辨率U0（微机保护的字长决定）。则上式变为结论：当电流很小时，继电器无法动作。2/3/202317第6章电网的距离保护阻抗继电器的精确工作电流——阻抗继电器在多大电流时能够正确动作。精确工作电流：当电压电流夹角为最灵敏角，即图示如右且起动阻抗使得继电器刚好动作的电流。其中的最小值称为最小精确工作电流Iac.min

，最大值称为最大精确工作电流Iac.max

。2/3/202318第6章电网的距离保护6.3阻抗继电器的接线方式K点短路时母线电压为（1）测量阻抗与故障距离成正比——与系统的运行方式无关（2）测量阻抗与短路类型无关。要求6.3.1故障时的测量阻抗考虑到IA＝IA1+IA2+IA0且z1＝z22/3/202319第6章电网的距离保护K点A相接地我们希望阻抗继电器的测量阻抗就等于从短路点到保护安装处的正序阻抗Z1,这样继电器的测量阻抗就可以反应短路点的远近。即对保护接地短路的接地阻抗继电器而言，加入继电器的电压应为故障相的相电压U,加入继电器的电流应为故障相的相电流与K3I0电流之和，即接线方式为。这种接线方式通常称做带零序电流补偿的接线方式。2/3/202320第6章电网的距离保护这种接线方式由什么好处？对A相接地短路，仅A相接地阻抗继电器动作，B相阻抗继电器和C相阻抗继电器不会动作。UA=(IA+K3I0)Z1LK

测量阻抗UA/(IA+K3I0)=Z1LK能反应故障距离UB=UKB+(IB+K3I0)Z1LK测量阻抗UB/(IB+K3I0)≠Z1LK不能反应故障距离C相同理。2/3/202321第6章电网的距离保护K点BC相短路我们希望阻抗继电器的测量阻抗就等于从短路点到保护安装处的正序阻抗Z1,这样继电器的测量阻抗就可以反应短路点的远近。即对保护相间短路的相间阻抗继电器而言，加入继电器的电压应为两故障相的相间电压U,加入继电器的电流应为两故障相的相电流之差，即接线方式为。这种接线方式通常称做零度接线方式。2/3/202322第6章电网的距离保护（1）相间距离保护0°接线6.3.2距离保护接线方式（2）接地距离保护零序补偿接线2/3/202323第6章电网的距离保护6.3.3阻抗继电器在各种故障时的动作情况结论：只有故障相阻抗继电器的可以正确测量短路阻抗。为提高计算速度，可以先选出故障相再进行阻抗计算。2/3/202324第6章电网的距离保护6.4实用方向阻抗元件的原理（1）死区（1）正方向故障无电压死区（2）反方向故障可靠不误动要求6.4.1方向阻抗继电器的死区及消除方法（2）死区消除方法——两种①记忆——将故障前电压加以记忆，微机保护中，可以直接利用故障前一个或两个周波的电压进行比较，从而达到记忆的作用。②引入第三相电压——如正序电压，相当于引入了第三相电压，因为计算正序电压需要A、B、C三相电压。2/3/202325第6章电网的距离保护（1）变化量分析基础6.4.2工频变化量阻抗继电器k点故障利用叠加原理，有正常运行+故障增量电压电流增量定义正方向故障由故障增量图可见即夹角为钝角2/3/202326第6章电网的距离保护（1）变化量分析基础k点故障利用叠加原理，有正常运行+故障增量反方向故障由故障增量图可见即夹角为锐角2/3/202327第6章电网的距离保护（2）工频变化量阻抗继电器分析①动作方程相间阻抗继电器工作电压＝AB、BC、CA相间阻抗继电器极化电压故障前母线电压接地阻抗继电器工作电压＝A、B、C；K为零序补偿系数接地阻抗继电器极化电压故障前母线电压动作方程2/3/202328第6章电网的距离保护正方向故障增量图②正方向故障分析故工作电压极化电压为故障前母线电压，则与故障点变化量电压相等，有代入动作方程，有短路阻抗ZkM的动作区是以-ZSM为圆心，以|ZSM+Zset|为半径的圆内特点：动作区包括原点，因此无正方向出口死区。抗过渡电阻能力强。2/3/202329第6章电网的距离保护反方向故障增量图③反方向故障分析故工作电压极化电压为故障前母线电压，则与故障点变化量电压相等，有代入动作方程，有短路阻抗-Zk的动作区是以Z’N为圆心，以|Z’N-Zset|为半径的圆内特点：测量阻抗－Zk在第III象限，而动作区在第I象限，因此阻抗继电器不可能误动。2/3/202330第6章电网的距离保护工频变化量阻抗继电器的特点a.理论分析和构成原理简单；b.动作速度快；c.不需要振荡闭锁，振荡时又发生区内故障一般仍能正确动作；d.可以用做纵联方向保护的方向元件；e.故障时非故障相的继电器不动作，有较好的选相能力。*正方向故障无死区，反方向故障肯定不会误动2/3/202331第6章电网的距离保护6.4.3正序电压极化阻抗继电器方向阻抗继电器普通方程则不对称故障时极化电压不为0；出口对称短路时，靠记忆措施使得极化电压不为0。改写为为了消除出口短路死区，需要保证极化电压此时不为零。即极化电压短路时，（a）相位始终不变（b）幅值不要降到零。2/3/202332第6章电网的距离保护（1）继电器特性分析①动作方程相间阻抗继电器工作电压＝AB、BC、CA相间阻抗继电器极化电压故障前母线正序电压接地阻抗继电器工作电压＝A、B、C；K为零序补偿系数接地阻抗继电器极化电压故障前母线正序电压动作方程2/3/202333第6章电网的距离保护正方向故障图②正方向故障分析故工作电压极化电压为故障前母线正序电压，则与M侧电源电势相差，有代入动作方程，有短路阻抗ZkM的动作区是以ZSM+Zset为直径的圆内特点：动作区包括原点，因此无正方向出口死区。2/3/202334第6章电网的距离保护反方向故障图③反方向故障分析故工作电压极化电压为故障前母线正序电压，则与N母线正序电压相差，有代入动作方程，有短路阻抗-Zk的动作区是以以

Z’N-Zset为直径的圆内特点：测量阻抗－Zk在第III象限，而动作区在第I象限，因此阻抗继电器不可能误动。2/3/202335第6章电网的距离保护（2）继电器的稳态特性继电器无记忆阻抗继电器极化电压正方向故障时动作方程反方向故障时动作方程短路阻抗-Zk的动作区是以以Zset为直径的圆内2/3/202336第6章电网的距离保护正序电压极化方向阻抗继电器的特点接地故障时U1不为0，接地阻抗继电器的极化电压不需要记忆。*正方向故障无死区，反方向故障肯定不会误动2/3/202337第6章电网的距离保护6.4.4电抗继电器（1）电抗继电器的作用——防止双电源系统正方向外部故障阻抗继电器误动（超越）（2）电抗继电器动作分析ZD为模拟阻抗（幅值为1，角度为线路阻抗角）2/3/202338第6章电网的距离保护（2）电抗继电器动作分析代入动作方程，有动作特性动作方程变为2/3/202339第6章电网的距离保护6.4.5四边形阻抗继电器（1）四边形阻抗继电器的特点——抗过渡电阻能力强（2）消除死区措施——带记忆的正序电压折线AOC的动作方程改为——接地阻抗继电器——相间阻抗继电器2/3/202340第6章电网的距离保护注意四边形阻抗继电器先确定好一个动作区域，然后判断测量阻抗是否位于动作区域内部，从而确定继电器是否动作，——测量式阻抗继电器。工频变化量阻抗继电器、正序电压极化阻抗继电器、电抗继电器都是通过电压方程进行判断，——方程判别式阻抗继电器。2/3/202341第6章电网的距离保护6.5距离保护的振荡闭锁主要是稳定破坏引起振荡的原因a.短路故障——快速开放保护；b.振荡——可靠闭锁保护；c.外部故障切除后发生振荡——保护不应误动；d.振荡过程中发生故障——保护应当可靠动作要求振荡时保护不应当动作，由其他自动装置处理。2/3/202342第6章电网的距离保护6.5.1振荡对距离保护的影响（1）系统振荡时电压电流的变化a、所有的阻抗角相等b、振荡中心在电气中心O点c、两侧电源电势相等（M超前N角度)d、M侧为送电侧（fM>fN)假设电流电压周期性变化，周期为振荡周期（1-3S），即2/3/202343第6章电网的距离保护fM=50.2HZ,fN=49.8HZ时的振荡电流图振荡周期2.5sδ=180°δ=0°2/3/202344第6章电网的距离保护（2）系统振荡时测量阻抗的变化由右图可见，振荡中心O到PQ阻抗比为因此，测量阻抗轨迹随着两侧电源电势的比值C变化。a、M侧为送电侧（C>1）则其轨迹如图中的圆1。b、M侧为受电侧（C<1）则其轨迹如图中的圆2。b、两侧电势相等（C＝1）则其轨迹如图中的直线AB。图中当δ→180°时，测量阻抗在PQ线上且最小，造成图中的阻抗继电器误动。2/3/202345第6章电网的距离保护（3）振荡对距离保护的影响由右图可见，测量阻抗从保护动作区（圆2）a点进b点出，中间相差的时间小于1s。测量阻抗轨迹继电器动作区I段无动作延时，只要测量阻抗进入动作区，保护就误动，故振荡时需闭锁；II段动作延时可能小于ab段时间，保护可能误动，故振荡时需闭锁；III段的动作时间最长（超过1s），不受振荡的影响。2/3/202346第6章电网的距离保护6.5.2振荡闭锁原理（1）振荡与短路的区别a、振荡——电压、电流、测量阻抗均作周期性的缓慢变化，周期为振荡周期；b、振荡——三相对称，无负序或零序分量。短路——长期（不对称短路）或瞬间（对称短路）出现负序电流。短路——电流、电压、阻抗突然变化，变化速度快，但短路后又保持稳定。振荡短路周期性缓慢进入动作区快速进入动作区2/3/202347第6章电网的距离保护（2）振荡闭锁的构成原理①振荡闭锁的起动元件振荡时闭锁保护，在各种故障时都能开放保护②振荡中不对称短路开放保护的判据负序零序增量起动元件相电流差突变量起动元件a、利用负序与零序分量开放保护m一般取0.66b、利用电流的对称性开放保护最大相电流大于最小相电流1.8倍零序电流大于最大相电流0.8倍2/3/202348第6章电网的距离保护③振荡中对称短路开放保护的判据a、由振荡中心电压Uos开放保护b、利用测量阻抗变化率大小开放保护大为振荡，不开放保护；反之开放保护Uos特点：周期性变化振荡时达不到150ms或500ms2/3/202349第6章电网的距离保护⑤振荡闭锁原理一（短时开放距离Ⅰ、Ⅱ段）振荡D1＝0动作不动作D3＝0短路D1＝0D3＝1动作先振荡后短路D1＝1不开放保护开放保护160ms开放保护注：非全相振荡中开放保护——选相元件选出的故障相为运行相。2/3/202350第6章电网的距离保护⑥闭锁原理二（基于阻抗变化率）测量阻抗轨迹四边形1、2整定阻抗不同测量阻抗变化慢测量阻抗变化快2/3/202351第6章电网的距离保护6.6距离保护的电压回路断线闭锁电压回路断线→U＝0→Z＝0→继电器误动（1）母线电压回路断线闭锁断线闭锁——防止阻抗继电器在电压回路断线时误动或不对称断线对称断线延时闭锁保护并发信号保护未起动（2）线路电压回路断线任一相电压小于8v线路有电流延时闭锁保护并发信号保护未起动与逻辑2/3/202352第6章电网的距离保护6.7选相元件正确选出故障相，只对故障相阻抗继电器进行计算，可加快保护速度；综合重合闸需要判断是单相故障、多相故障，也需要选相元件。对选相元件要求①灵敏度要求——保护区内部任何形式的短路故障，均能判断出故障相别，或判断出是单相故障还是多相故障。②单相故障时，非故障相选相元件可靠不动作。③在正常运行时，不应该进行选相，即选相元件不动作。④速度要求——动作速度要快于测量元件。2/3/202353第6章电网的距离保护选相方法电流选相——故障相电流最大电压选相——故障相电压最小阻抗选相——故障相测量阻抗最小工作电压变化量选相——故障相电压变化量最大序电流选相——利用负序、零序电流的相位关系判断相电流差突变量选相——故障相有关的相电流差突变量最大受系统运行方式、振荡、过渡电阻影响大，微机保护一般不采用。2/3/202354第6章电网的距离保护6.7.2工作电压变化量选相元件a、三个接地选相元件b、三个相间选相元件＝A、B、C；K为零序补偿系数＝AB、BC、CA故障相的工作电压最大。如A相接地则UOP.A最大；如BC相间短路则UOP.BC最大。2/3/202355第6章电网的距离保护选相原理单相故障多相故障三相短路相短路相接地特点：计算量少，速度快；采用工频突变量，灵敏度较高2/3/202356第6章电网的距离保护6.7.3序电流（IA2与IA0）选相元件A区根据IA2与IA0相位关系分区选相原理B区C区可能进入A区的故障A相接地短路；或BC二相接地短路；AB两相经过渡电阻接地短路。2/3/202357第6章电网的距离保护A区为例选相步骤特点：选相明确、选相灵敏度高、允许接地故障时过渡电阻较高、选相不受振荡与非全相运行的影响。两相相间短路与三相短路时由于无零序，因此无法选出故障相。2/3/202358第6章电网的距离保护相电流差突变量选相元件相电流差突变量选相原理特点：简单、灵敏、准确、快速；只能区分单相故障与多相故障。2/3/202359第6章电网的距离保护6.8过渡电阻对距离保护的影响无过渡电阻Rg过渡电阻特点阻抗继电器ZK＝Zk有过渡电阻Rg阻抗继电器ZK≠Zk相间故障接地故障电弧电阻电弧、接地电阻纯电阻；随着时间逐渐变大。500kV线路接地短路的最大过渡电阻按300考虑，220kV线路则按照100考虑。

2/3/202360第6章电网的距离保护（1）单侧电源过渡电阻的影响过渡电阻RgRg使得阻抗继电器在区内故障时拒动。

无Rg继电器动作有Rg继电器拒动2/3/202361第6章电网的距离保护（2）双侧电源过渡电阻的影响过渡电阻Rg上电流不再是IMM为送电侧，△Z呈现容性出口故障拒动外部故障误动（超越）为提高抗过渡电阻能力，则继电器的特性希望为请联系四边形阻抗继电器2/3/202362第6章电网的距离保护（2）双侧电源过渡电阻的影响M为受电侧，△Z呈现感性出口故障不拒动保护区末端故障拒动注意：重点防止过渡电阻引起的阻抗继电器超越。2/3/202363第6章电网的距离保护（3）过渡电阻对保护的影响I段保护无延时，过渡电阻较小影响小Ⅱ段经过延时，过渡电阻较大；整定阻抗较小，动作区小影响大Ⅲ段整定阻抗大，动作区大影响小2/3/202364第6章电网的距离保护6.8.3消除过渡电阻的措施（1）动作特性的偏移及电抗特性动作特性向R轴偏移（2）采用四边形阻抗继电器带电抗线2/3/202365第6章电网的距离保护6.9距离保护的整定计算6.9.1分支电流对保护的影响与消除措施助增——故障线路电流大于保护安装处电流分支系数助增使得测量阻抗增大，保护区缩小。K点故障时，保护PD1的测量阻抗期望值？2/3/202366第6章电网的距离保护外汲电流对保护的影响外汲——故障线路电流小于保护安装处电流分支系数外汲使得测量阻抗减小，保护区伸长，导致保护外部故障时误动。2/3/202367第