电力系统继电保护的概念与作用

一、电力系统继电保护的概念与作用

1.继电保护包括继电保护技术和继电保护装置。

*继电保护技术是一个完整的体系，它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实

现、继电保护配置设计、继电保护运行及维护等技术构成。

*继电保护装置是完成继电保护功能的核心。P1

继电保护装置就是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作

于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

2.电力系统的故障和不正常运行状态：（三相交流系统）

*故障：各种短路（d°）、d⑵、d°）、胆⑴））和断线（单相、两相），其中最常见且最

危险的是各种类型的短路。其后果：

1I增加危害故障设备和非故障设备；

2U增加影响用户正常工作；

3破坏系统稳定性，使事故进一步扩大（系统震荡，互解）

4I2（Io）旋转电机产生附加发热卜一相邻通讯系统

*不正常运行状态：

电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障的运行状态。如：过负

荷、过电压、频率降低、系统震荡等。

3.继电保护的作用：

故障和不正常运行状态一＞事故（P1）,不可能完全避免且传播很快（光速）

要求：儿十毫秒内切除故障人（X）,继电保护装置（J）

任务：P2.被形象的比喻为“静静的哨兵”

二、继电保护的基本原理、构成与分类：

1.基本原理：

为区分系统正常运行状态与故障或不正常运行状态——找差别：特征。

①增加故障点与电源间一＞过电流保护

②U降低一＞低电压保护

③变化；正常：20°左右—＞短路：60°〜85°—＞方向保护.

④Z=模值减少一＞阻抗保护

⑤一＞----电流差动保护

@12、Io序分量保护等。

另非电气量：瓦斯保护，过热保护

原则上说：只要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征（差别）,

即可找出一种原理，且差别越明显，保护性能越好。

2.构成

以过电流保护为例：

正常运行：L=LLJ不动

故障时：L=I/IdzLJ动一＞SJ动(延时)-p＞XJ动一＞信号

一►TQ动—闸

(常用继电器及触点的表示方法参考附录1P230)

一般由测量元件、逻辑元件和执行元件三部分组成。

(1)测量元件

作用：测量从被保护对象输入的有关物理量(如电流、电压、阻抗、功率方向等)，

并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”

等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。

(2)逻辑元件

作用：根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的

组合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑工作，最后确定是否应跳闸或发信

号，并将有关命令传给执行元件。

逻辑回路有：或、与、非、延时启动、延时返回、记忆等。

(3)执行元件：

作用；根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如：故障时一

跳闸；不正常运行时一发信号；正常运行时一不动作。

儿种方法如下：

(1)按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、

母线保护等；

(2)按保护原理》类：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序

保护等；

(3)按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断

线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；

(4)按继电保护装置的实现技术分类：机电型保护(如电磁型保护和感应型保护)、

整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；

（5）按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等；

主保护一满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设

备和线路故障的保护。

后备保护一主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为远后备保护

和近后备保护两种。

①远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现

的后备保护。

②近后备保护：当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现后备

的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护。

辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增

设的简单保护。

三、对继电保护的基本要求：

对动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求：选择性、速动性、

灵敏性、可靠性。即保护四性。

（一）选择性：P4

选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍

能正常运行，以尽量缩小停电范围。

例：

当dl短路时，保护1、2动一跳1DL、2DL,有选择性

当d2短路时，保护5、6动f跳5DL、6DL,有选择性

当d3短路时，保护7、8动一跳7DL、8DL,有选择性

若保护7拒动或7DL拒动，保护5动一跳5DL（有选择性）

若保护7和7DL正确动作于跳闸，保护5动一跳5DL,则越级跳闸（非选

择性）

小结：选择性就是故障点在区内就动作，区外不动作。当主保护未动作时，由近后备或

远后备切除故障，使停电面积最小。因远后备保护比较完善（对保护装置DL、二次回路

和直流电源等故障所引起的拒绝动作均起后备作用）且实现简单、经济，应优先采用。

（-）速动性：

快速切除故障。1提高系统稳定性；2减少用户在低电压下的动作时间；3减少故

障元件的损坏程度，避免故障进一步扩大。

t一故障切除时间；

3h-保护动作时间；

tot一断路器动作时间；

一般的快速保护动作时间为0.06~0.12s,最快的可达0.01~0.04so

一般的断路器的动作时间为0.06〜0.15s,最快的可达0.02~0.06so

（三）灵敏性：P5

指在规定的保护范围内，对故障情况的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应

在区内故障时，不论短路点的位置与短路的类型如何，都能灵敏地正确地反应出

来。

通常，灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为Kg。

对反应于数值上升而动作的过量保护（如电流保护）

对反应于数值下降而动作的欠量保护（如低电压保护）

其中故障参数的最小、最大计算值是根据实际可能的最不利运行方式、故障类型

和短路点来计算的。

在《继电保护和安全自动装置技术规程（DL400—91）》中，对各类保护的灵敏

系数KM的要求都作了具体规定（参见附录2,P231）o

（四）可靠性：P5

指发生了属于它改动作的故障，它能可靠动作，即不发生拒绝动作（拒动）；而

在不改动作时，他能可靠不动，即不发生错误动作（简称误动）。

影响可靠性有内在的和外在的因素：

内在的：装置本身的质量，包括元件好坏、结构设计的合理性、制造工艺水平、

内外接线简明，触点多少等；

外在的：运行维护水平、调试是否正确、正确安装

上述四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础，也是贯穿全课程的一个基本

线索。在它们之间既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。

四、发展:

原理：随电力系统的发展和科学技术的进步而发展

过电流保护（最早熔断器）一►电流差动保护一►方向性电流保护

（1901年）（1908年）（1910年）

—►距离保护一►高频保护一►微波保护一►行波保护、光纤保护

（1920年）（1927年）（50年代）（70年代诞生、50年代有

设想）

结构型式：机电型一►电子型一►微机型（我校80年代）

（电磁型、感应型、电动型）晶体管

I集成电路।

20世纪50年代16』年代末提%।70年代后半期出样机

第二章电网的电流保护和方向性电流保护

第一节单测电源网络相间短路的电流保护

第I段-----电流速断保护'

主保护

三段式《第II段-----限时电流速断保一

I第m段------过电流保护后备保护

一、电流速断保护（第I段）：

对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。

I、短路电流的计算：

图中、1——最大运行方式下淤”

2一一最小运行方式下

3一—保护1第一段动作电流

可见，〃的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关

最大运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式。

最小运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小的方式。（Z&,皿）

2、整定值计算及灵敏性校验

为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路短路整定

保护装置的动作电流：能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次测参数表示。（/以）

在图中为直线3,与曲线1、2分别交于a、b点

可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长

灵敏性：用保护范围的大小来衡量/〃小、U,

一般用/加“来校验、

要求：2（15~20）%希望值50%

方法：①图解法

②解析法：

可得

式中ZL=Z/一一被保护线路全长的阻抗值

动作时间片0s

3、构成

中间继电器的作用：

①接点容量大，可直接接TQ去跳闸

②当线路上装有管型避雷器时，利用其固有动作时间（60ms）防止避雷器放电时保护误动

4、小结

①仅靠动作电流值来保证其选择性

②能无延时地保护本线路的一部分（不是一个完整的电流保护）。

二、限时电流速断保护（第II段）

］、要求

®任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性

②在满足要求①的前提下，力求动作时限最小。

因动作带有延时，故称限时电流速断保护。

2、整定值的计算和灵敏性校验

为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第I段的保护范围。即

整定值与相邻线路第I段配合。

动作电流：

动作时间：△t取0.5",称时间阶梯，其确定原则参看P18.

灵敏性：要求：》1.3〜1.5

若灵敏性不满足要求，与相邻线路第II段配合。此时：

动作电流：

动作时间：

3、构成：

与第I段相同：仅中间继电器变为时间继电器。

4、小结：

①限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长

②依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性

③与第I段共同构成被保护线路的主保护，兼作第I段的金后备保护。

三、定时限过电流保护（第in段）

I、作用：

作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。其起动电流按躲最大负荷电流

来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。

2、整定值的计算和灵敏性校验：

1）、动作电流：①躲最大负荷电流（1）

②在外部故障切除后，电动机自起动时，应可靠返回。

电动机自起动电流要大于它正常工作电流，因此引入自起动系数名

（2）

式中，

显然，应按（2）式计算动作电流，且由（2）式可见，砥越大，越小，越大。因此，为了

提高灵敏系数，要求有较高的返回系数。（过电流继电器的返回系数为0.85〜0.9）

2）、动作时间

在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第III段的测量元件

均可能动作。例如：下图中4短路时;保护1〜4都可能起动。为了保证选择性，须加延时元件且

其动作时间必须相互配合。

即、、、

----------阶梯时间特性

注：当相邻有多个元件，应选择与相邻时限最长的配合

3）、灵敏性

近后备：4nmM----本线路末端短路时的短路电流

远后备:%而"-----相邻线路末端短路时的短路电流

3>构成：与第n段相同HI

.4

①小结：

②第in段的/四比第I、n段的小得多，其灵敏度比第I、口段更高；

③在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性；

④保护范围是本线路和相邻下一线路全长；

电网末端第ni段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作），故可不

设电流速断保护；末级线路保护亦可简化（I+山或山），越接近电源，/〃越长，应设三段式保

护。

四、电流保护的接线方式

1、定义：指保护中电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。

2、常用的两种接线方式：三相星行接线和两相星行接线。

1）、三相星行接线的特点：

①每相上均装有CT和LJ、Y形接线

②LJ的触点并联（或）

2）、两相星行接线的特点：

①某一相上不装设CT和LJ、Y形接线

②LJ的触点并联（或）

（通常接A、C相）

上述两种接线方式中，流入电流继电器的电流乙与电流互感器的二次电流/2相等。接线系数:

3、与/"ZJ之间的关系:

或

4、比较：

①对各种相角短路，两种接线方式均能正确反映。

②在小接地电流系统中，在不同线路的不同相上发生两点接地时，一般只要求切除一个接地

点，而允许带一个接地点继续运行一段时间。

串联线路

a、三相星行接线：保护1和保护2之间有配合关系，100%切除NP线

b、两相星行接线：2/3机会切除NP线。（即1/3机会无选择性动作）

并行线路上：（可能性大）

a、三相星行接线：保护1和保护2同时动作，切除线路I.IE

b、两相星行接线：2/3机会只切•条线路。

③Y/△接线变压器后/2）

以Y/4—11接线降压变为例

结论：滞后相电流是其它两相电流的两倍并与它们反相位

Y/A-11升压变：超前相电流是其它两相电流的两倍，并与它们反相位。（作业：推得此结果）

④经济性：两相星行接线优于三相星行接线

三相星行接线灵敏度是两相星行接线的两倍

针对措施：在两相星行接线的中线上再接入一个LJ,其电流为：

,以提高灵敏性。

5、应用

三相星行接线：发电机、变压器等（要求较高的可靠性和灵敏性）。

两相星行接线：中性点直接接地电网和非直接接地电网中。（注：所有线路上的保护装置应安装在相

同的两相上。）

五、评价：

1、选择性：

在单测电源辐射网中，有较好的选择性（靠/〃、力，但在多电源或单电源环网等复杂网络中可能

无法保证选择性。

2、灵敏性：

受运行方式的影响大，往往满足不了要求。——电流保护的缺点

例：第I段：运行方式变化较大且线路较短，可能失去保护范围；

第III段：长线路重负荷增大，〃减小），灵敏性不满足要求。

3、速动性：

第I、n段满足；

第ni段越靠近电源，♦越长——缺点

4、可靠性：

线路越简单，可靠性越高——优点

六、应用范围：

35KV及以下的单电源辐射状网络中；第I段：HOKV等，辅助保护

作业：习题集：P11,题1；预习实验一、二

第二节电网相间短路的方向性电流保护

一•问题的提出

双电源多电源和环形电网供电更可靠，但却带来新问题。

对

电流速断保护：dl处短路，

d2处短路，

对过电流保护：dl处短路，

d2处短路，

有选择性，但是产生了矛盾。上述矛盾的要求不可能同时满足。

原因分析：反方向故障时对侧电源提供的短路电流引起误动。

解决办法：加装方向元件——功率方向继电器。仅当它和电流测量元

件均动作时才启动逻辑元件。这样双侧电源系统保护系统变成针对两个单

侧电源子系统。

保护

1、3、5只反映由左侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合。而

保护2、4、6仅反映由右侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合，

矛盾得以解决。

二、功率方向继电器的工作原理

电流规定方向：从母电流向线路为正。

电流本身无法判定方向，需要一个基准——电压。

dl处短路d2处短路

因此：利用判别短路功率方向或电流、电压之间的相位关系，就可以

判别发生故障的方向。

实现：

1、最大灵敏角：在UJ、IJ幅值不变时，其输出（转矩或电压）值随两

者之间的相位差的大小而改变。当输出为最大时的相位差称最大灵敏

角。

2、动作范围：

动作方程：

或

3、动作特性：

当线路发生三相短路

所以

4、死区：当正方向出口短路时，，GJ不动——电压死区。

消除办法：采用90度接线方式，加记忆回路。

三、幅值比较原理和相位比较原理及其互换关系

对于比较两个电气量的继电器，可按幅值比较原理或相位比较原理来实

现。

幅值比较原理:

相位比较原理：

用四边形法则来分析它们之间的关系:

或

可见，幅值比较远路与相位比较原理之间具有互换性。

注：1必须是同一频率的正弦交流量

2相位比较原理的动作边界为

四、LG—11整流型功率方向继电器

它是按幅值比较原理来实现的：

1、构成：

①电压形成回路：由DKB、YB组成:

RI、R2——消除潜动、调整平衡。

C1——与YB的励磁电抗形成谐振，使超前90。,其记忆作用用于消

除死区，记忆时间为几十毫秒；

②比较回路：

由半导体整流桥BZ1,BZ2组成的环流是比较回路。

③执行元件——极化继电器J,非常灵敏

标记“*”，当电流从大端流入时，J动作，反之则不动。

时，J动作；

2、动作方程：

3、动作特性:

一—内角（由继电器决定）

4、死区：

虽然J的动作功率很小，但------最小工作电压。

当出口接地短路时，，GJ不动作——死区。

在记忆时间内消除死区。

5、角度特性：

当L为常数时，动作电压5与5之间的关系曲线，以。=

30。为例：

当6j=—a=—30。时，继电器的动作电压最小，J最灵敏。

J动作范围：以心=-30。为中心的90。的区域，即图中阴影区。

6、潜动：

从理论上讲，当或时，J不动。

但由于比较回路中各元件参数的不完全对称，可能使得在仅有或

时，J动作，即潜动。

仅有时动，叫电压潜动，仅有时动，叫电流潜动

潜动对保护的影响：

对正方向接地短路时，有利于保护正确动作；

当反方向接地短路时，可能导致GJ误动，使得保护误动；

另外，增大GJ的动作功率，可降低灵敏性；

消除方法：调R1（电流潜动时），调R2（电压潜动时）。

五、相间短路功率方向继电器的接线方式：

1、要求：良好的方向性（与故障类型无关）和较高的灵敏性。

2、90。接线方式：

指系统三相对称月.cos6=1时,的接线方式。

注：90。接线方式仅为了称呼方便，且仅在定义中成立。

采用该接线方式构成的三相式方向过电流保护的原理接线图参看第

40页，图2—37。

提示：三相星形接线且按相启动(指接入同名相电流的测量元件和

功率方向元件的结点串联，而后于其他元件相并联后启动逻辑元

件。)

3、相间短路情况下90。接线功率方向继电器动作行为分析：

(1)正方向三相短路：

由于三相对称，三只继电器动作情况相同，故以A相为例分

析：

从图中可见，6JA=6JL90°

①为使功率方向继电器动作最灵敏

②为使PJA>0

一般

当，

当，

所以,在三相短路时,选择,可保证GJ动作。

(2)正方向两相短路，以BC两相短路为例，且空载运行.

有两种极限情况：出口和远处

①出口短路

GJA:，不动作；

GJB：,同三相短路；

GJC：,同三相短路。

所以应选择，使得时GJ能动作

注：出口BC两相短路，、幅值很大，B、C相功率

方向继电器动作。

该接线方式可消除各种两相短路的死区。

②远处短路

GJA:，不动作；

GJB：,所以应选择，使得B相GJ

能动作；

GJC：,所以应选择，使得C相GJ

能动作

综合两种极限情况：在正方向任何地点：

同理：和时可得到相应的结论，参看P43表2—2。

综上所述：为保证时，GJ在正方向任何相间短路时均能动

作：

（例：LG—11型或）

总结：优点：①对各种两相短路都没有死区；

②适当选择内角后，对线路上各种相间故障保证动作的方向

性；

缺点：不能清除死区。

顺便指出：在正常运行情况下，位于送电侧的GJ在负荷电流的

作用下一般都处于动作状态。

六.双侧电源网络中电流保护整定的特点：

1.电流速断保护

无方向元件：

有方向元件：

此时保护1不需方向元件。

2.限时电流速断保护

原则与单侧电源网络中第n段的整定原则相同，与相邻线路I段保

护配合。但需考虑保护安装点与短路点之间有分支的影响，即分支电路

的影响。分支电路分两种典型情况：助增，外汲。

助增：使故障线路电流增大的现象

外汲：使故障线路电流减小的现象

引入分支系数：

当仅有助增时：；

仅有外汲时：；/.

无分支时：

既有助增，又有外汲时，可能大于1也可能小于1

整定时，应取实际可能的最小值以保证选择性。

七.对方向性电流保护的评价

1.在多电源网络及单电源环网中能保证选择性

2.快速性和灵敏性同前述单侧电源网络的电流保护

3.接线较复杂，可靠性稍差，且增加投资

4.出口时，GJ有死区，使保护有死区——缺点

.••力求不用方向元件（如果用动作电流和延时能保证选择性）

原则：①对于电流速断保护（第I、II段）

如：

故障，保护1可不加GJ

故障，保护2要加GJ

②对过流保护

故障时，：保护2、3要力口GJ

故障时，：二.保护3要加GJ

保护1可不加GJ

即：动作延时长的可不加GJ,动作延时小的或相等的要加GL

作业：P17题1,P14题4,P18题4

第三节输电线路的接地保护

大接地电流系统:系统中主变压器中性点直接接地

在此系统中，当发生接地故障时，通过变压器接地点构成短路通路，使故障相流过很大的短路电流.

110KV及以上电网中性点直接接地系统

60KV及以下电网中性点不接地或不直接接地（小接地电流系统）

运行经验表明，在中性点直接接地系统中,d⑴儿率占总故障率的70%-90%.所以如何正确设置接地故

障的保护是该系统的中心问题之一.而在该系统中发生d⑴，系统中会出现零序分量，而正常运行时无

零序分量.故可利用零序分量构成接地短路的保护.

一、零序分量的特点

（一）零

序电压：故障点U。最高，离故障点越远,U。越低.变压器中性点接地处Uo=O

（-）零序电流

分布：中性点接地变压器的位置有关

大小：线路及中性点接地变压器的零序阻抗有关

（=）零序功率

短路点最大（与U。相同）.方向:与正序相反,从线路f母线

（四）

相位差由ZBIO的阻抗角决定

与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关

二、零序电流保护

三段式或四段式

I段:速动段保护

H段（II、III段）应能有选择性切除本线路范围的接地故障，其动作时间应尽量缩短

最末一段：后备

三段式零序电流保护原理与三段式电流保护是相似的

（一）I段

<1>躲过下•个线路出口接地短路的最大三倍零序电流3I°max

=1.2si.3

求3I°max①故障点：本线路末端

②故障类型：（假设X1£=X2£）

（串）

（并）

采

用I

当Zo£>Z|EIoU）>Io（L1）o

采

用I

当Zo£<Z|£O

取

任

当ZOLZIXIO<1）=IO<11）

③运行方式

各系统最大运行方式Z1EIZ2EI

接地点：保护安装侧接地点最多Z。"I

对侧接地点最少Zo„I

（2）躲短路器三相触头不同时合闸而出现的三倍零序电流31。“

l'odz=K」.310btKK，=1.1001.2

求31他：①两相先合---------相断线并

②一相先合——两相断线串

取大者

原则（2）所得定值一般较大，保护范围缩小，灵敏度降低，此时渴考虑使［段带一小的延时（0.1s）

躲开不同时合闸时间。

灵敏性：要求与I段电流保护相同》（15%〜20%）

（二）H段

与相邻线路零序电流I段配合

KK"=1」S1.2

灵敏性校验:

若不满足要求：与相邻线II段配合或接地距离保护

（=）in段:

躲线路末端变压器为另一侧短路时可能出现的最大不平衡电流Ibp.max

——非周期分量系数t=Os时取1.5〜2t=0.5s时取1；

一一同型系数。同型时取0.5、不同型时取1；

——CT误差取0.1；

一一线末变压器另一侧短路时流过保护的最大短路电流。

灵敏性：近后备和远后备时均校验

动作时间（限）：从零序网的最末级开始按阶梯原则向电源方向推算

三、方向性零序电流保护

在多电源的大接地电流系统中，为保证选择性，需要装设零序功率方向继电器，构成方向性零

序电流保护（P55图2—55）

1、零序功率方向继电器

正方向接地故障

力do=7O°s8O°A<|>,=-（110°〜100°）

...3“七一105°左右（）

目前，整流型和晶体管型：6如=70°〜85°

...接线：

由于越靠近故障点的零序电压越高,出口短路时GT。无死区

远处故障时U。II。I可能不动。为此须校验灵敏性（作相邻元件后备）

相邻元件末端短路（二次侧）

四、评价

三相星形接线相间短路电流保护，也可反映d">,作比较

优点：（1）零序电流保护更灵敏

I、n受运行方式影响较小，【段保护范围长且稳定，n段灵敏性易于满足

山段躲不平衡电流，定值低更灵敏且时间较短

（2）GTo出口无死区，接线简单、经济、可靠。

（3）系统振荡、短忖过负荷等情况下（三相对称）I。不受影响

缺点：不能反映相间短路故障

作业P22题1P25题5、6

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。

,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

r、

距离保护分为三段式：［段：，瞬时动作主保护

〈II段：，t=0.5"

in段：躲最小负荷阻抗，阶梯时限特性。J----------后备保护

第二节阻抗继电器

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Uj（相电压或线电压）和一个电流L（相电

流或两相电流之差）的阻抗继电器。

——测量阻抗

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。

一、阻抗继电器的动作特性

BC线路距离I段内发生单相接地故障，Zd

在图中阴影内。

由于1）线路参数是分布的，甲d有

差异

2）CT,PT有误差

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。

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

相位比较原理

（一）全阻抗继电器

特性：以保护安装点为圆心（坐标原点），以Zzd

为半径的圆。圆内为动作区。

ZdzJ——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Wd多大，，它没有方向性。

1.幅值比较原理:

两变同乘，且，所以,这也就是动作方程。

2.相位比较原理

分子分母同乘以L，

（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。ZaJ随叫改变而改变，当

%等于Zzd的阻抗角时，ZdzJ最大，即保护范围

最大，工作最灵敏。

Tim——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-aZzd（a<l）

圆内动作。圆心

半径：

ZdzJ随1匕变化而变化，但没有安全的方向性。

1.幅值比较原理

0

2.相位比较原理

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

L的比值确定。

2）整定阻抗Zzd：•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）起动阻抗（动作阻抗）Zd’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L的比值。

除全阻抗继电器以外：Zdzj随叫的不同而改变。当叫=Mm时，Z&LZzd，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。

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.LZzd则经过DKB获得。

（-）方向阻抗继电器交流回路的原理接线

其它的继电器的交流回路的组成，可参照此图

自行作成。

(-)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

UA整流后在Ri上产生Ua，

UB整流后在R2上产生Ub。

继电器反应Uab=Ua-Ub而动作。

2.环流式

UA整流后在Ri回路产生L,

UB整流后在R2回路产生1

继电器反应L-Ib而动作。

(三)相位比较回路

它是以测定Uc和UD同时为正的时间来判

断它们的相位。

2.脉冲式比相电路

加移相器后移相90',

第三节阻抗继电器的接线方式

一、基本要求

要使乙正比于L，且与故障类型无关。

二、常用接线方式

参见P%,表3-2,其中0O接线，+30。接线和-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k3I0补偿的相电流接线用于反映各种接地故障。

三、分析

（-）母线残压计算公式:

假设：ZI=Z2,不计负荷电流

（其中：k=（Zo-Zi）/3Z”零序补偿系数）

同理:

（-）0°接线方式的分析（设n『m=l）

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。

同理Zj2=Zj3=Zild

结论：在三相短路时.，ZjpZj2,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

以BC两相短路为例。

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两相接地短路为例

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

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。

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

（-）产生死区的原因

在保护正方向出口发生相间短路时，5=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

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。

2.相位比较式

因为Uj=O,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=l/wc,电路呈纯阻性，所

以当出口短路时，Uj=Oo借助谐振，Up

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.引入非故障电压

正常运行时，UAB较大，Rs又很大。IR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=O,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0

因为

，所以Is与UAC

同相位。

见左边向量图，Up与UAB(EAB)同相位

所以出口两相短路时，因为第三相电压而产生

的Up可保证继电器的方向性。

但三相短路时，无第三相电压，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

当临界动作时，，

所以引入"不改变继电器的静态特性。

而当正方向出口短路时，Uj=O

能满足，故