电力系统继电保护原理全套课程课件

电力系统继电保护原理全套课程课件第1页，共196页，2023年，2月20日，星期一动作电流Idz.J：能使继电器刚好动作的最小电流值。返回过程：

IJ↓≈<Idz.J时，由于剩余力矩ΔM

的存在，暂时还不能返回；

IJ↓↓→Mdc↓→Mdc≈<Mth-Mm

→舌片开始返回

┌Mdc↓↓┐返回过程中：δ↑→││→舌片加速返回

└Mth↓┘返回终止时出现剩余力矩：ΔM’=Mth-Mdc

（有利于接点可靠断开）返回电流Ih.J：能使继电器刚好返回的最大电流值。第2页，共196页，2023年，2月20日，星期一过电流继电器表示符号：继电器的返回系数：继电特性：无论起动或返回，继电器J的动作都是明确干脆的，不会停留在某个中间位置，这种特性称为“继电特性”。过量继电器（保护）：反映电气量上升而使保护动作的继电器(保护)，Kh<1低量继电器（保护）：反映电气量下降而使保护动作的继电器(保护)，Kh>12、集成电路型过电流继电器（晶体管型：略）第3页，共196页，2023年，2月20日，星期一3ms延时：防止干扰信号引起的误动(干扰持续时间一般<1ms)12ms展宽：使输出动作信号展成连续高电平。第4页，共196页，2023年，2月20日，星期一二、电流速断保护（电流I段）电流速断保护：瞬时动作的电流保护。1、整定计算原则(1)短路特性分析：三相短路时d(3),流过保护安装处的短路电流：Zd()↑→Id↓曲线max：系统最大运行方式下发生三相短路情况。曲线min：系统最小运行方式下发生两相短路情况。（线路上某点两相短路电流为该点三相短路电流的倍）

第5页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)动作电流整定原则：按躲开下条线路出口（始端）短路时流过本保护的最大短路电流整定（以保证选择性）：

IIdz.1>I(3)d.B.maxIIdz.2>I(3)d.c.max

取：IIdz.1=KkI·I(3)d.B.maxIIdz.2=KkI·I(3)d.C.max（可靠系数：KkI=1.2～1.3）第6页，共196页，2023年，2月20日，星期一(3)灵敏性校验该保护不能保护本线路全长，故用保护范围来衡量：max：最大保护范围.min：最小保护范围.校验保护范围：（min/L）·100%15%～20%

第7页，共196页，2023年，2月20日，星期一2、电流速断保护的评价优点：动作迅速(主要优点),简单可靠。缺点：不能保护本线路全长（主要缺点），直接受系统运行方式的影响，受线路长度的影响。第8页，共196页，2023年，2月20日，星期一三、限时电流速断保护（电流II段）限时电流速断保护：以较小的动作时限切除本线路全线范围内的故障 1、动作电流的整定：与下条线路的电流I段配合。即：保护范围延伸到下条线路，但不超出下条线路电流I段保护范围的末端。即：躲开下条线路电流I段保护范围末端短路时（即流过下条线路的短路电流刚好为其电流I段整定值时），流过本保护的最大短路电流。IIIdz.1=KkII·IIdz.2=KkII·KkI·I(3)d.C.max

可靠系数：

KkII=1.1～1.2（Id中非周期分量已衰减，故比KkI稍小）第9页，共196页，2023年，2月20日，星期一2、动作时限的配合为保证本线路电流II段与下条线路电流I段的保护范围重叠区内短路时的动作选择性，动作时限按下式配合：

tII1=tI2+t≈t

（t:0.35s～0.6s,一般取0.5s）3、保护装置灵敏性的校验对于过量保护,灵敏系数：（电流保护的故障参数计算值：系统最小运行方式下被保护线路末端发生两相短路时，流过本保护的最小短路电流）第10页，共196页，2023年，2月20日，星期一对保护1的电流II段：Klm=

要求：Klm

1.3～1.5

若Klm不满足要求，可继续延伸保护范围使得：

IIIdz.1=KkII·IIIdz.2(与下条线路的电流II段保护配合）同时进一步提高时限：

tII1=tII2+t≈2t

（保证重叠区内故障的动作选择性）四、定时限过流保护（电流III段，主要作为后备保护，对灵敏性要求高）1、动作电流的整定原则

按躲开流过保护的最大负荷电流来整定：IIIIdz>Ifh.max第11页，共196页，2023年，2月20日，星期一

实际整定原则：考虑到外部故障切除后，电压恢复时电动机的自启动过程中，保护要能可靠地返回，则要求：

IIIIh>Izq.max=Kzq·Ifh.max(电动机负荷自启动系数Kzq>1)

又：IIIIh=Kh·IIIIdz

（继电器返回系数Kh<1）（可靠系数KkIII取：1.15～1.25）2、按选择性要求确定过流保护动作时限为保证动作选择性，动作时限按“阶梯原则”整定:tIII1=Max{tIII2,tIII3,tIII4}+t

第12页，共196页，2023年，2月20日，星期一对定时限过流保护，当故障越靠近电源端时，此时短路电流Id越大,但过流保护的动作时限反而越长———缺点∴定时限过流保护一般作为后备保护，但在电网的终端可以作为主保护。3、定时限过流保护灵敏系数的校验(1)作为本线路主保护或近后备时，按本线路末端短路流过本保护的最小短路电流来校验：要求Klm

1.3～1.5

第13页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)作为远后备时（相邻线路的后备），按相邻线路末端短路流过本保护的最小短路电流来校验：要求Klm

1.2(3)要求各保护之间Klm互相配合对同一故障点，越靠近故障点的保护，其Klm要求越大

Klm.1<

Klm.2<

Klm.3<

Klm.4<…即要求：IIIIdz.1>IIIIdz.2>IIIIdz.3>…(单侧电源辐射网，此条件自然满足)第14页，共196页，2023年，2月20日，星期一五、阶段式电流保护的应用及评价(1)电流I段：由动作电流的整定来保证动作选择性，按躲开某点的短路电流整定，动作迅速（无时限），但不能保护本线路全长，作为主保护的一部分。(2)电流II段：由动作电流整定与时限配合来保证动作选择性，动作电流按躲开某点的短路电流整定，能保护本线路全长，动作时限较小，作为主保护的另一部分（电流I段的补充）(3)电流III段：由动作时限的配合来保证动作的选择性，动作电流按躲开负荷电流整定，其值较小，灵敏度较高，然而动作时限较长，且越靠近电源短路，动作时限反而越长，一般作为后备保护，但是在电网终端可作为主保护。

第15页，共196页，2023年，2月20日，星期一六、电流保护的接线方式

LJ—(接线)—TA1、两种常用的接线方式(1)三相星形(2)两相星形各相LJ出口采用“或”逻辑。继电器动作电流Idz.J=Idz/nTA

2、两种接线方式的性能分析比较(1)对中性点接地或不接地网中各种相间短路两种接线方式均能正确反映这些故障.第16页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)对中性点非直接接地网中的异地两点接地短路（不同线路上两点接地）∵这种电网允许带一个接地点继续运行①串联线路上两点接地时：三相星形接线能保证只切除后一接地点两相星形接线只能保证2/3的机会切除后一接地点第17页，共196页，2023年，2月20日，星期一②并联线路上两点接地时：三相星形接线：若保护1，2时限相同，则两接地点将同时被切除，扩大了停电范围。两相星形接线：即使保护1，2时限相同（例如皆由I段动作，或皆由II段动作），也能保证有2/3的机会只切除任一条线路。(3)作为Y/接线变压器后面短路的远后备保护的接线方式Y/-11接线T：正序：侧超前Y侧30°

负序：侧落后Y侧30°现以Y/-11接线的降压变压器为例：第18页，共196页，2023年，2月20日，星期一假设低压侧（侧）发生AB两相短路：∴两相星形的Klm比三相星形降低一半提高两相星形接线Klm的方法：在两相星形的中线上再接一个继电器3LJ.∵两相短路时有：

∴3LJ中的电流:

∴

I3LJ反映了IB

Klm↑第19页，共196页，2023年，2月20日，星期一3、两种接线方式的应用(1)三相星形：接线复杂，不经济，但可提高保护动作的可靠性与灵敏性，广泛用于发电机、变压器等大型贵重元件以及110kV以上高压线路的保护中。(2)两相星形：接线简单、经济，广泛用于各种电网中反映相间短路的110kV以下中、低压线路的电流保护中。（电网中所有采用两相星形接线的保护都应装在相同的两相上，一般为A、C相）第20页，共196页，2023年，2月20日，星期一七、三段式电流保护接线图1、原理图以二次元件为整体绘制。2、展开图以二次回路为整体绘制。交流回路直流回路第21页，共196页，2023年，2月20日，星期一§3-2电网相间短路的方向性电流保护一、方向性问题的提出（以双侧电源电网为例）E1单独供电：由保护1、3、5起线路保护作用E2单独供电：由保护6、4、2起线路保护作用E1、E2同时供电：（以B母线两侧保护2,3为例）假设：┌电流I段保护：IIdz.3>IIdz.2

└电流III段保护：tIII3>tIII2d1点短路时（要求：2动作，3不动），虽然此时可能满足选择性（3不误动）；但若出现d2点短路，则：2误动→非选择性动作。第22页，共196页，2023年，2月20日，星期一规定保护正方向：保护安装处母线→被保护线路分析可知：被保护线路正方向短路时：保护不会出现误动；反方向短路时：由对侧电源供给的短路电流可能造成该保护误动作，此时的功率方向：线路→母线

为防止保护误动,增设功率方向闭锁元件GJ(装于误动保护上)┌正方向（母线→线路）：GJ动作启动保护短路点位于│└反方向（线路→母线）：GJ不动闭锁保护

增设GJ后,双侧电源网可以按单侧电源网的三段电流保护进行配合。第23页，共196页，2023年，2月20日，星期一二、GJ的工作原理保护1上装设GJ假设GJ接线方式为：加入GJ的电压：

——相电压（以相应相母线高于中性点N为正极性）

电流——相电流（以母线流向线路为正极性）。则：d1点三相短路时：

d2点三相短路时：设计一个直线动作边界：当正方向短路时位于动作区，GJ动作当反方向短路时位于非动作区，GJ闭锁（注：若GJ的接线方式或短路类型变化，则正向短路时与的相位差将变化，因此GJ的动作边界应可调整）第24页，共196页，2023年，2月20日，星期一1、相位比较式GJ相位比较器：两输入量：动作条件：（锐角型）或（钝角型）相位比较式GJ：两输入量：（其中——GJ的内角）动作条件：第25页，共196页，2023年，2月20日，星期一其功率表示形式为：调→调GJ的动作边界当超前的角度：时：垂直于动作边界，位于动作范围的正中央，GJ动作最为灵敏可靠，此时的称为GJ的最灵敏角，可见2、幅值比较式GJ幅值比较器：两输入量：动作条件：第26页，共196页，2023年，2月20日，星期一幅值比较器与锐角型相位比较器的关系（互换条件）：若取：则：①当相位比较器位于动作区，即：即幅值比较器也位于动作区②当相位比较器位于非动作区，即：即幅值比较器也位于非动作区∴当满足：时（为任意相量），幅值比较器与锐角型相位比较器具有相同的动作特性。（幅值比较器与钝角型相位比较器的互换关系为：

)第27页，共196页，2023年，2月20日，星期一

幅值比较式GJ：两输入量：则两比较量：其特性与相位比较式GJ完全相同。三、集成电路型GJ1、相位比较式原理分析：相位比较→时间比较当时：

的持续时间>5ms。（当夹角为钝角时，相应持续时间<5ms）第28页，共196页，2023年，2月20日，星期一2、集成电路型GJ

具体构成:3、GJ的动作特性理想GJ动作条件:

－90º<ΦJ＋<90º

即:UJIJCos(ΦJ＋)>0实际GJ:

起动电压Udz.J.min：电压回路形成方波电压U3所需最小电压。起动电流Idz.J.min：电流回路形成方波电压U4所需最小电流。第29页，共196页，2023年，2月20日，星期一

当线路正向出口附近故障使：

UJ<Udz.J.min时，

GJ拒作，出现电压死区（由于故障时电流IJ较大，不存在电流死区）。

GJ的“潜动”问题：在只加电压UJ或只电流加IJ时，GJ就能动作。（零点飘移造成，是不利因素）集成电路GJ采用“同为正”及“同为负”的持续时间皆大于5ms的“与”门输出来消除“潜动”，但同时也就增大了死区。四、相间短路GJ的接线方式要求：(1)正方向任何相间故障:GJ动作反方向任何相间故障:GJ不动

(2)加入GJ的UJ、IJ应尽量大,

且使正向故障的ΦJ→Φlm

第30页，共196页，2023年，2月20日，星期一

90º接线方式:

线路正方向各种相间短路时,90º接线方式的工作情况分析：1、正方向三相短路∵三相完全对称∴以GJA为例分析(GJB、GJC相同):

（Φd：线路阻抗角）当Zd→0时，UJ→0<Udz.J.min，GJ拒动，存在死区。为使GJ动作灵敏，应尽量使Φlm→-(90º-Φd),

即:→(90º-Φd)

第31页，共196页，2023年，2月20日，星期一2、正方向两相短路以BC两相短路为例分析：A相为非故障相，Ifh方向不定，故GJA动作情况不定（但由于IA＝Ifh很小，A相电流元件LJA不起动，则不需考虑GJA）分析故障相方向元件GJB、GJC的情况：第32页，共196页，2023年，2月20日，星期一(1)d(2)点位于保护安装处附近（Zd<<ZS，Zd≈0）

(2)d(2)点远离保护安装处（Zd>>ZS）第33页，共196页，2023年，2月20日，星期一同理可分析AB、CA两相短路的情况

3、结论：①在线路正方向各种相间故障情况下,故障相GJ的ΦJ是在以-(90º-Φd)为中心左右偏离不超过30º的范围内。（反方向各种相间故障时,故障相GJ的ΦJ是在以180º-(90º-Φd)=90º+Φd为中心左右偏离不超过30º的范围内）②对三相短路存在死区（保护安装处正向出口附近），但对各种两相短路不存在死区（UJ中包含非故障相电压，其值较大）。第34页，共196页，2023年，2月20日，星期一③若线路阻抗角为Φd，为降低死区，应尽量使：

Φlm→-(90º-Φd)即：→(90º-Φd)④功率方向元件GJ与电流元件LJ应采用按相启动原则(即相应相的GJ与相应相的LJ相“与”后作为该相出口，然后各相出口再相“或”输出）。⑤只需采用两个方向元件（一般接于A，C相）即可反映各种相间短路的正、反方向。⑥三相短路的死区，对于动作速度要求不高的线路可由前级线路的保护作为远后备来切除；对动作速度要求高的线路可利用记忆作用来消除死区（由于故障前的电压UJ[0]与故障后的电压UJ同相，故可用UJ[0]代替UJ与电流IJ比相，而UJ[0]的值较大，无死区）第35页，共196页，2023年，2月20日，星期一4、方向性电流保护原理接线图第36页，共196页，2023年，2月20日，星期一五、多电源网中电流保护整定的特点1、电流I段的特殊整定方法由电流I段保护整定原则：IIdz.1>I(3)d1.max；IIdz.2>I(3)d2.max若取：IIdz.1=IIdz.2=KkI·Max{I(3)d1.max，I(3)d2.max}则d1点及d2点短路，保护1、2皆不会动作。即保护的反方向短路皆不误动，故保护1、2皆不需装设GJ。但这样整定后，原整定值较小的保护由于其整定值提高→保护范围↓（灵敏度↓），所以必须在最小保护范围满足要求的前提下，才可采用这种整定方法。第37页，共196页，2023年，2月20日，星期一2、分支电路对电流II段整定的影响分支系数：(1)助增电流的影响

保护2的电流I段的保护范围末端M短路（即IBC=IIdz.2时），流过保护1的电流：IAB=IBC/Kfz=IIdz.2/Kfz

∴IIIdz.1=KkII·IAB=KkII·IIdz.2/KfzKfz的求取：第38页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)外汲电流的影响

IIIdz.1=KkII·IAB=KkII·IIdz.2/Kfz

(3)根据实际可能的多种运行方式，在电流II段整定时Kfz应按可能的最小值考虑。

六、方向元件GJ的装设原则∵GJ存在死区，∴一般只在必须装GJ的保护上装设GJ。

GJ装设原则：(1)所有负荷支路（对侧无电源的支路）上不装设GJ。第39页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)电流I段：在保护反方向短路时，若流过保护的短路电流大于保护整定值，则该保护上必须装GJ。在双端电源的某线路两端的保护中，整定值较小的保护上必须装GJ，整定值较大的保护上可不装GJ。例如IIdz.1>IIdz.2，则IIdz.1>I(3)d2.max,则保护1反方向短路不会误动。若电流I段采用特殊整定方法（线路两端保护整定值相同），则两端保护皆可不装GJ。(3)电流II段：在该保护反方向线路的电流I段保护范围末端以外发生短路时，若流过该保护的短路电流大于保护整定值，则该保护上必须装GJ。第40页，共196页，2023年，2月20日，星期一在双端电源的某线路两端的保护中，整定值较小的保护上必须装GJ，整定值较大的保护上可不装GJ。例如IIIdz.1>IIIdz.2,则有IIIdz.1>IIdz.3,即保护1电流II段反方向保护范围不超过保护3电流I段保护范围，即保护1反方向保护范围内短路将由保护3的电流I段动作，而保护1的电流II段不会误动）。(4)电流III段：在某一母线各侧有源支路的保护中，动作时限唯一最长的保护上可不装GJ，其余的必须装GJ（考虑到误差，一般要求比其他保护动作时限长t以上）。例如保护1动作时限唯一最长，则其反方向短路时皆由其他保护先动作跳闸，而保护1不会误动。第41页，共196页，2023年，2月20日，星期一§4-1中性点接地方式及特点1、中性点接地方式2、单相接地故障时，不同中性点接地方式的特点(1)中性点不接地系统

*无短路回路，无Id，只有经等效对地C形成的大容抗回路，故障点只有较小的IC，允许系统继续运行1~2h，保护不需跳闸，因此供电可靠性相对较高。

*故障相对地电压降低，但非故障相对地电压升高（若为金属性接地故障，非故障相对地电压将由正常时的相电压升高为线电压），因此对系统中设备的对地绝缘要求高。§4电网接地故障的零序保护第42页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)中性点直接接地系统

*有短路回路，有很大的Id，不允许系统继续运行，保护必须立即切除故障，供电可靠性相对较低。

*由于中性点对地电压被钳制为0，则各相对地电压不会超过相电压(或超过不多)，因此系统中设备的对地绝缘要求不高。3、不同中性点接地方式的应用特点由于110kV以上系统，其设备费用将随着对地绝缘要求的提高而大幅增加，因此我国规定110kV及以上系统采用中性点直接接地系统（其供电可靠性可通过其他措施来保证，例如采用双回线供电、环网供电等）；110kV以下系统采用中性点非直接接地系统（不接地系统）。当中性点不接地系统中发生单相接地故障时，若故障点对地电容电流IC大到一定程度，要求采取措施降低IC，则可在中性点增设消弧线（或高阻）来降低IC

。第43页，共196页，2023年，2月20日，星期一§4-2中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方向保护

一、电网中发生接地短路时零序分量的特点规定正方向：零序电流：母线→线路；零序电压：线路高于大地）(1)故障点零序电压最高，距故障点越远，零序电压越低；零序电流分布取决于零序网。(2)

某点零序电压U0取决于该点至接地中性点的零序阻抗，零序电流I0超前零序电压U0：(180º-Φd0)，

零序功率实际方向：线路母线（与正序相反）。(3)零序分量受系统运行方式变化的影响小（零序网基本不变）第44页，共196页，2023年，2月20日，星期一二、零序过滤器

1、零序电压过滤器:系统正常及相间短路时：2、零序电流过滤器系统正常及相间短路时：第45页，共196页，2023年，2月20日，星期一三、零序电流速断保护（零序电流I段）1、动作电流整定原则：(1)躲开下条线路出口处(即本线末端)接地短路时,

本保护所测的最大零序电流：

IIdz＝KkI·3Id0.bm.max

（KkI：取1.2～1.3）(2)躲开QF三相触头不同期合闸时出现的最大零序电流：

IIdz＝KkI·3I0.btq

若保护动作时限t>tQF，可不考虑此条件(例如在手动合闸或自动重合闸时，使保护带0.1s的小延时)第46页，共196页，2023年，2月20日，星期一(3)当线路具有单相重合闸ZCH时（例如220kV及以上线路），躲开非全相运行状态下系统又发生振荡时所出现的最大零序电流：

IIdz＝KkI·3I0.fqx

（其值较大→Klm↓）对具有单相ZCH的线路可设置两个零序电流I段：*灵敏I段：按条件(1)或(2)整定（动作值小，灵敏度高）*不灵敏I段：按条件(3)整定（动作值大，灵敏度低）

第47页，共196页，2023年，2月20日，星期一①系统全相运行时：灵敏I段起作用（单相故障时保护首次动作由灵敏I段切除）。

②系统非全相运行时（保护已首次动作跳开故障相QF）：灵敏I段退出（即被闭锁），不灵敏I段起作用（若ZCH重合于永久故障上，保护由不灵敏I段再次切除；若不灵敏I段动不了，则只能由带延时的II段或后备保护切除）2、保护范围：零序电流I段也不能保护本线路全长，但保护范围比相间短路电流I段大3、动作时限：tI≈0s第48页，共196页，2023年，2月20日，星期一四、零序电流限时速断保护（零序电流II段）1、整定原则：与下条线路的零序电流I段配合。动作电流整定：躲开下条线路零序电流I段保护范围末端接地短路时（即流过下条线路的零序电流刚好为其零序电流I段整定值时）流过本保护的最大零序电流。IIIdz.1＝KkII·3Id0.AB.max＝KkII·IIdz.2/Kfz.min

KkII：取1.1～1.2；分支系数Kfz＝3Id0.BC/3Id0.AB，Kfz.min：Kfz可能的最小值。动作时限：tII1＝tI2+Δt≈Δt≈0.5s第49页，共196页，2023年，2月20日，星期一

2、校验灵敏度：要求：Klm1.5

（3Id0.bm.min：本线路末端接地短路时所出现的最小零序电流）

若Klm不满足要求，采用以下方式解决：

(1)本线路零序电流II段与下条线路的零序电流II段相配合：

IIIdz.1＝KkII·IIIdz.2/Kfz.min；tII1＝tII2+Δt≈2Δt≈1.0s(2)保留0.5s的零序II段，并增加按(1)整定的零序电流II段(3)改用接地距离保护

第50页，共196页，2023年，2月20日，星期一五、零序过电流保护（零序电流III段）1、整定原则：躲开下条线路出口处相间短路时所测的最大不平衡电流：

IIIIdz＝KkIII·3I0.bp.max

实际整定：应考虑满足各级线路灵敏系数按逐级配合的原则，即本保护零序电流III段的保护范围不超出下条线路零序电流III段的保护范围，即本线路零序电流III段与下条线路的零序电流III段配合：

IIIIdz.1＝KkIII·IIIIdz.2/Kfz.min

（KkIII＝1.1～1.2）

动作时限按“阶梯原则”配合.

（保证各级线路保护的动作选择性）第51页，共196页，2023年，2月20日，星期一

由于零序电流不会穿越Y/接线的变压器T，因此安装在受端T上的零序电流III段保护可以瞬动，即零序电流III段是以受端T为时限配合起点（相间短路电流III段是以整个电网终端负荷支路为时限配合起点）。∵零序网范围<

正序网范围

∴零序电流III段动作时限<相间短路电流III段动作时限2、校验灵敏度：近后备：Klm=

要求：Klm

1.5

第52页，共196页，2023年，2月20日，星期一远后备：Klm= 要求：Klm

1.2

3Id0.bm.min：本线路末端接地短路时，流过本保护的最小零序电流。

3Id0.xm.min：下条线路末端接地短路时，流过本保护的最小零序电流。3、对于220kV及以上的高压线路，当对后备保护的动作速度要求较高时，本线路零序电流III段可采用与下条线路的零序电流II段配合（在灵敏度满足要求的前提下）：

IIIIdz.1＝KkIII·IIIdz.2/Kfz.min

；tIII1＝tII2+Δt≈2Δt≈1.0s同时可增设与下条线路零序电流III段配合的零序电流IV段：

IIVdz.1＝KkIV·IIIIdz.2/Kfz.min

；tIV1＝tIII2+Δt第53页，共196页，2023年，2月20日，星期一六、方向性零序电流保护1、多台变压器中性点接地的复杂网中零序保护的方向问题

d1短路：若IIdz.2>IIdz.3,保护3的I段会误动若tIII2>tIII3，保护3的III段会误动

d2短路：若IIdz.3>IIdz.2,保护2的I段会误动若tIII3>tIII2，保护2的III段会误动

为防止误动，在可能误动的保护上增设零序功率方向元件GJ0

（规定保护正方向：安装处母线→被保护线路）

通常加入GJ0的以高于大地为正极性；以母线→线路为正极性。第54页，共196页，2023年，2月20日，星期一

保护正方向接地短路时：超前

：－(180º-Φd0)

则GJ0的最灵敏角应为：Φlm=－(180º-Φd0)

例如Φd0=70º，则Φlm取为－110º

（LG-11整流型GJ0：其Φlm只能设为锐角，此时取Φlm=Φd0，为确保正方向接地短路时正确动作，只需将加入GJ0的或任意一个反极性接入即可）保护越靠近接地短路点，3U0越大，则零序电流保护的GJ0不存在死区。第55页，共196页，2023年，2月20日，星期一若保护越远离接地短路点，3U0↓、3I0↓，则对于长线路，零序电流保护的GJ0需校验Klm：近后备：Klm＝要求：Klm

2

远后备：Klm＝要求：Klm

1.5

（Sdz.0：GJ0的启动功率）2、三段式方向性零序电流保护的原理接线：第56页，共196页，2023年，2月20日，星期一七、对零序电流保护的评价1、优点：

(1)相间短路的电流III段：IIIIdz>Ifh.max

(大)

零序电流III段：IIIIdz>Ibp.max

(小)

故：零序电流III段Klm↑

零序网<正序网→零序电流III段的tIII↓(2)零序电流I段及零序电流II段受系统运行方式影响小，较稳定，且保护范围↑，Klm↑

（3Id0曲线陡；曲线max与曲线min相差小）

(3)零序电流保护不受过负荷及系统振荡的影响第57页，共196页，2023年，2月20日，星期一2、尚有不足：

(1)对短线路或运行方式变化很大的情况，往往不能满足系统运行要求。

(2)由于单相重合闸的使用将出现非全相运行，再考虑系统两侧电机发生摇摆，则可能出现较大零序电流，影响零序电流保护的正确工作。

(3)当采用自耦变压器联系两个不同电压等级网络时，任一网络的接地短路都将在另一网络中产生零序电流，使零序电流保护的整定配合复杂化。第58页，共196页，2023年，2月20日，星期一§4-3中性点非直接接地电网中单相接地故障的零序电压、电流及方向保护一、中性点不接地电网中单相接地故障的特点

以线路II上A相金属性接地故障为例(忽略线路上阻抗压降)

1、零序电压：

第59页，共196页，2023年，2月20日，星期一2、零序电流：各元件对地电容电流：各元件出口处所测零序电流：*非故障元件：

*故障元件：（CΣ：系统所有元件对地电容的总和）第60页，共196页，2023年，2月20日，星期一3、结论：(1)系统单相接地时(A相),全系统都出现零序电压(2)流过非故障元件的零序电流等于其本身对地电容电流。方向：母线元件（：－90º）(3)流过故障元件的零序电流等于全系统所有非故障元件对地电容电流的总和。方向：元件母线（：90º）二、中性点不接地电网中单相接地的保护1、绝缘监视装置(1)系统正常及相间短路时：

UJ＝Ubp<Udz.J

装置不动作。第61页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)单相接地故障时（设A相接地）：全系统出现3U0＝3EX

（EX：相电压）

UJ＝3EX/nTV>Udz.J

装置延时动作于发信号。*此装置可确定故障相别，（UA＝0，UB＝UC＝EX

）*但无法确定故障线路，无选择性。需由运行人员手动依次短时拉开各线路QF加以判断（或按接地检查按钮，短时跳开QF，再由重合闸重合），若接地信号短时消失，则接地故障点位于本线路上。（适用于要求不高，且出线少的变电所）第62页，共196页，2023年，2月20日，星期一2、零序电流保护（有选择性保护）系统正常及相间短路时：3I0≈0

其他线路单相接地时：3I0＝ωCb·3EX(小)

本线路单相接地时：3I0＝ω(CΣ－Cb)·3EX(大)∴保护整定动作电流：Idz＝KK·ωCb·3EX

灵敏系数：

(出线越少→CΣ↓→Klm↓)3、零序功率方向保护（有选择性保护）系统正常及相间短路：3U0≈03I0≈0GJ0不动单相接地时的非故障元件：：－90°GJ0不动单相接地时的故障元件：：90°GJ0动作保护中只有方向元件GJ0，无电流启动元件LJ→Klm↑第63页，共196页，2023年，2月20日，星期一三、中性点经消弧线圈接地电网中单相接地故障的特点1、零序电压：同中性点不接地电网系统单相接地时(A相),全系统都出现零序电压2、零序电流：消弧线圈L的作用：降低单相接地时故障点的接地电流。故障点总电流：第64页，共196页，2023年，2月20日，星期一三种补偿方式：①完全补偿：3ωCΣ=1/(ωL)→IC.Σ=IL→Id0.Σ＝0

但是在系统正常运行时，若线路三相对地电容不对称或断路器三相触头不同时闭合将出现一个零序分量电压源串在回路中→串联谐振→很大的谐振电流→中性点过电压。故不能采用完全补偿。

②欠补偿：3ωCΣ>1/(ωL)→IC.Σ>IL

当系统运行方式变化时（例如某元件退出或被切除）→CΣ↓→3ωCΣ=1/(ωL)→

谐振过电压，不宜采用。③过补偿：3ωCΣ<1/(ωL)→IC.Σ<IL

（广泛采用）过补偿度p=(IL–IC.Σ)/IC.Σ

一般选择p=5%～10%

第65页，共196页，2023年，2月20日，星期一过补偿系统中发生单相接地故障时：*流过非故障元件的零序电流等于其本身对地电容电流。方向：母线元件即：－90º

*流过故障元件的零序电流等于全系统所有非故障元件对地电容电流的总和与消弧线圈上流过的电感电流的相量和。即其值=本身对地电容电流+总电容电流的p倍方向：母线元件，即：－90º可见：故障元件的零序电流其值与非故障元件的相近，方向与非故障元件的一致。第66页，共196页，2023年，2月20日，星期一可见，利用零序电流和零序方向无法区分故障元件和非故障元件，故不能采用零序电流和零序功率方向构成有选择性的接地保护。3、保护方式

(1)绝缘监视装置（反映零序电压构成，无选择性）

(2)反映高次谐波的接地保护对于基波ω：电感电流IL起过补偿作用但对于高次谐波（k次）：

3kωCΣ增加k倍→IC.Σ增加k倍

1/(kωL)缩小k倍→IL缩小k倍故：IC.Σ>>IL

,相当于L不起作用（同中性点不接地电网）。因此，可构成反映高次谐波（一般为5次）的零序电流及零序方向保护。第67页，共196页，2023年，2月20日，星期一高次谐波接地保护的不足：谐波分量较小，不易测量；谐波分量大小与许多因素有关，不易确定，使整定困难；出线较少时，Klm低。(3)反映暂态电流的保护设线路II上A相接地：暂态过程中：*消弧线圈中iL≈0

(电感中电流不能突变)*A相对地电容直接放电，放电电流不经电源，回路中阻抗小，时间常数小，放电电流振荡频率高（几千Hz），衰减快。*B、C相对地电容经电源回路充电。充电电流经过电源，回路中阻抗大，时间常数大，充电电流振荡频率低（几百Hz），衰减慢。第68页，共196页，2023年，2月20日，星期一

因此，在暂态过程中（首半波），主要是B、C相电容的充电电流，而A相电容的放电电流和消弧线圈的电感电流基本不起作用，类似于中性点不接地电网。故可构成反映暂态分量的零序电流及零序方向保护。不足：暂态分量不易测量，且需要自保持；当相电压瞬时值过零点附近发生该相接地故障时，暂态分量不能区分故障元件与非故障元件；出线较少时，Klm低。(4)其他方法：注入法；有功分量法；负序分量法；相间工频变化量比较法；零序导纳法；能量法；小波变换法等。第69页，共196页，2023年，2月20日，星期一§5电网的距离保护

§5-1距离保护的作用原理

一、距离保护基本概念（低量保护）距离保护：反应映故障点至保护安装处之间的距离（阻抗），并根据距离的远近（阻抗的大小）而确定动作时间的一种保护装置。测量阻抗：

ZJ>Zdz保护不动作；ZJ<Zdz保护动作特点：*故障时：即反映U↓,又反映I↑→Klm↑*系统运行方式变化时，ZJ不变，故不受运行方式变化的影响（主要用于110KV及以上线路）

第70页，共196页，2023年，2月20日，星期一二、三段式距离保护基本配置原则I段：ZIdz.1=KIk·ZAB

；ZIdz.2=KIk·ZBC

（KIk取0.8～0.85）

tI≈0sII段：ZIIdz.1=KIIk·(ZAB+ZIdz.2)(KIIk取0.8)tII1=tI2+Δt≈0.5sIII段：ZIIIdz<Zfh.min

tIII按阶梯原则配合三、三段式距离保护基本逻辑框图第71页，共196页，2023年，2月20日，星期一§5-2阻抗测量元件（阻抗继电器）ZKJ

一、ZKJ基本概念

一次阻抗与二次阻抗的折算：

为消除过渡电阻Rg及TA、TV角误差的影响，尽量简化继电器接线，通常把动作特性设计为一个圆（或透镜形、苹果形、多边形）。圆内为动作区，圆外为非动作区。

第72页，共196页，2023年，2月20日，星期一三种常用的圆特性ZKJ：

3个阻抗概念：

*测量阻抗ZJ：加入继电器的电压与电流的比。

*动作阻抗Zdz.J：在某个角度方向上刚好使ZKJ动作时，加入ZKJ的电压与电流的比。

*整定阻抗Zzd：在最大灵敏角φlm方向（特性圆直径正方向）上的动作阻抗。

第73页，共196页，2023年，2月20日，星期一二、圆特性ZKJ的动作特性分析1、全阻抗ZKJ

以阻抗平面的坐标原点为圆心，以整定阻抗Zzd为半径的一个圆。ZKJ的动作阻抗|Zdz.J|与测量阻抗角φJ无关，无方向性。(1)幅值比较式动作条件：|ZJ|<|Zzd|

即：动作条件为的幅值比较器的两比较量：第74页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)相位比较式动作条件：即：（或：）动作条件为的钝角型相位比较器的两比较量：（当时，幅值比较器与钝角型相位比较器具有相同的动作特性）第75页，共196页，2023年，2月20日，星期一2、方向阻抗ZKJ

以整定阻抗Zzd为直径，且过坐标原点的一个圆。

ZKJ的动作阻抗|Zdz.J|与φJ有关，具有完全方向性。

(1)幅值比较式

动作条件：即：动作条件为的幅值比较器的两比较量：(2)相位比较式

动作条件：第76页，共196页，2023年，2月20日，星期一3、偏移特性ZKJ

正方向整定阻抗为Zzd时，向反方向偏移一个Zzd(0<<1，一般为0.1～0.2)

圆心坐标Z0=(1-)Zzd,半径r=|(1+)Zzd|

ZKJ的动作阻抗|Zdz.J|与φJ有关，具有不完全方向性。(1)幅值比较式动作条件：即：动作条件为的幅值比较器的两比较量：第77页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)相位比较式动作条件：三、ZKJ比较相量形成回路1、变换器

(1)电压变换器YB

原边高电压→副边低电压（副边接大阻抗负载）第78页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)电流变换器LB

原边大电流→副边小电流（副边接小阻抗负载）*副边并一小电阻R后，可将系统中所测电流变为与其成正比的电压量。（集成电路及微机保护中的芯片一般只处理电压量）(3)电抗变换器DKB

原边电流量→副边电压量（副边接大阻抗负载）

DKB结构特点：铁心有气隙，励磁阻抗ZL很小。

DKB等效电路：第79页，共196页，2023年，2月20日，星期一W3开路时：（DKB的转移阻抗ZK

：副边电压与原边电流的比）

ZL≈jXL，相当于电抗，角度基本为90

（故称为电抗变换器）为了调整转移阻抗ZK的角度K，可在W3副边并联电阻R（或电容C）。此时：ZK=ZL//R=jXL//R

R↓→ZK的角度K↓

第80页，共196页，2023年，2月20日，星期一2、全阻抗ZKJ比较相量形成回路幅比式：相比式：（由于全阻抗ZKJ无方向性，DKB无需增设带可调电阻的副绕组来调整角度）第81页，共196页，2023年，2月20日，星期一3、方向阻抗ZKJ比较相量形成回路幅比式：相比式：第82页，共196页，2023年，2月20日，星期一4、偏移特性ZKJ比较相量形成回路幅比式：相比式：第83页，共196页，2023年，2月20日，星期一

5、集成电路型ZKJ比较相量的形成回路以幅比式方向阻抗ZKJ为例：四、幅值比较器

1、均压式：

，Uab>0→J动作2、环流式：

，Ia－Ib>0→J动作3、执行元件J：(1)极化继电器；(2)晶体管零指示器；(3)集成电路比较器

第84页，共196页，2023年，2月20日，星期一五、相位比较器异或门比相电路:

时：

UI、UII瞬时值相异（一正一负）的时间>5ms①6端7端：相“或”输出：不拒动为主时采用。②6端8端：相“与”输出：不误动为主时采用。（例如穿越功率较大的弱联络线，误跳闸将会造成两侧系统的严重振荡）12ms延时：将零点飘移造成的周期为20ms，宽度已展为10ms左右的误动方波消除。第85页，共196页，2023年，2月20日，星期一§5-3ZKJ的接线方式一、对接线方式的基本要求(1)ZJ

短路点到保护安装处间的距离(2)ZJ应与故障类型无关（保护范围不随故障类型变化）二、反映相间短路ZKJ的0接线方式0接线方式1、三相短路由于三相对称，三个ZKJ情况相同，以ZKJ1为例：

ZJ1能反映

l

而正确动作。（z1：线路单位正序阻抗；l：短路点至保护安装处距离）第86页，共196页，2023年，2月20日，星期一2、两相短路以AB两相短路为例ZKJ1：

ZKJ1能反映

l而正确动作ZKJ2：（包含非故障相电压）∴ZJ2↑>ZJ1，不能正确反映z1l

，ZKJ2可能出现拒动。ZKJ3：情况同ZKJ2

为确保保护正确动作，三个ZKJ出口采用“或”逻辑。第87页，共196页，2023年，2月20日，星期一3、中性点直接接地电网中的两相接地短路以AB两相接地短路为例

ZKJ1：

ZKJ1能反映

l而正确动作ZKJ2：∴ZJ.2↑>ZJ.1，不能正确反映z1l

，ZKJ2可能拒动。ZKJ3：情况同ZKJ2第88页，共196页，2023年，2月20日，星期一因为保护区内两相或两相接地故障时，只有一个相应的ZKJ能正确动作。为了反映各种相间故障必须采用三个ZKJ（分别接于不同的相间），且三个ZKJ的出口采用“或”逻辑。三、反映接地短路ZKJ的零序电流补偿接线方式单相接地短路时（A相接地）：故障相电压UA↓,故障相电流IA↑

对ZKJ1：假设：可行性分析：将故障点电压与流过保护的故障相电流分解为对称分量：第89页，共196页，2023年，2月20日，星期一保护安装处A相电压的各序分量：（z1

：线路单位正序(负序)阻抗；z0

：线路单位零序阻抗）∴保护安装处A相电压：不能正确反映z1l第90页，共196页，2023年，2月20日，星期一正确的接线方式（零序电流补偿接线方式）：其中零序电流补偿系数：（K为常数，取决于线路参数）由于单相接地故障时，只有一个ZKJ可正确动作，因此必须采用三个ZKJ（分别接于不同相），且三个ZKJ的出口采用“或”逻辑。

第91页，共196页，2023年，2月20日，星期一§5-4方向阻抗ZKJ应用特点及集成电路型构成一、方向阻抗ZKJ的死区及消除死区的方法保护安装处正方向出口各种短路时：残余电压：Ucy≈0→UJ≈0→ZJ≈0,ZKJ拒动，出现死区。减小和消除死区的方法：1、谐振记忆回路对于相间短路的两故障相间电压或单相接地短路的故障相电压，由于故障前电压UJ[0]与故障后电压UJ同相位，可用记忆住的UJ[0]取代UJ，而UJ[0]较大，则不再有死区。在电压回路中利用电容C、电感L形成工频串联谐振电路。第92页，共196页，2023年，2月20日，星期一系统稳态时，UR反映UJ[0]（同相位）当保护出口短路时，UJ↓≈0，

回路谐振→谐振电流IR→UR=IRR≠0（记忆作用）一般按回路自由振荡频率经几个周波才衰减为0∴利用此电压的记忆作用可消除死区。回路自由振荡频率：0=谐振回路中参数R、L、C的选择：(1)为了使系统稳态时，UR与UJ[0]同相位则需：L=1/C

即：=

（：工频角频率）如此选择后，>0

,故障后暂态过程中不能完全谐振，UR与故障前电压UJ[0]的相位逐渐拉开，时间越长，UR越不能反映故障前UJ[0]

第93页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)为了使故障后暂态过程中达到完全谐振则需：=0=

即：如此选择后，系统稳态时回路呈容性，故系统稳态时，UR与UJ[0]不同相（UR超前UJ[0]：5～8，有误差）综合考虑2、采用高Q（品质因数）值50HZ有源带通滤波器高Q值50Hz有源带通滤波器具有记忆作用。Q=5，可记忆4～5个工频周波。3、引入非故障相电压两相短路时，故障相电压，非故障相电压仍很高，故引入非故障相电压可消除两相短路的死区。第94页，共196页，2023年，2月20日，星期一方向阻抗ZKJ原动作条件（以接于BC相间的ZKJ为例）：引入非故障相电压后动作条件：*引入量不应改变原相量的相位，即引入量在各种情况下都应与同相*该方法不能消除三相短路时的死区。4、装设辅助保护（如：按同时躲过下条线路出口短路和反方向出口短路的短路电流的特殊整定方法整定的电流速断）第95页，共196页，2023年，2月20日，星期一二、极化回路记忆作用对ZKJ特性的影响方向阻抗ZKJ动作条件：相位比较的两个比较量分别称为：极化电压；补偿电压采用记忆回路后，极化电压:

（故障前母线电压）动作条件：(1)保护正方向短路时的暂态特性∴动作条件：第96页，共196页，2023年，2月20日，星期一

基本同相位（若短路前为空载:）∴动作条件：此动作特性为向第三象限扩大且包含原点的圆（相当于偏移特性）∴可消除正方向短路时的死区，且容许过渡电阻Rg的能力提高。(2)保护反方向短路时的暂态特性∴动作条件：第97页，共196页，2023年，2月20日，星期一∴动作条件：此动作特性向上移至第一象限内部的一个圆（相当于抛圆特性）,

而此时ZJ=－Zd,位于第三象限（特性圆外），故ZKJ不会误动。三、集成电路型方向阻抗ZKJ构成框图

第98页，共196页，2023年，2月20日，星期一四、ZKJ的精确工作电流以方向阻抗ZKJ为例.

幅比式理想动作条件：实际动作条件：（Uz：门槛电压）设在最灵敏角lm方向的实际动作阻抗为：Zdz.J.lm

则有：第99页，共196页，2023年，2月20日，星期一可见：实际上在最灵敏角方向的动作阻抗：

Zdz.J.lm<Zzd→出现误差,

实际保护范围缩小。加入ZKJ的IJ↓→

误差↑精确工作电流Ijg：对应于IJ=Ijg时，ZKJ在lm方向上的动作阻抗Zdz.J.lm=0.9Zzd

（即对应于误差刚好为10%时，通入ZKJ的电流）。

IJ>Ijg→

误差<10%(ZKJ的Ijg越小越好)第100页，共196页，2023年，2月20日，星期一§5-5影响距离保护正确工作的因素及防止方法一、短路点过渡电阻Rg对距离保护的影响1、Rg的性质接地短路的Rg>相间短路的Rg

接地短路Rg：基本不随时间t变化相间短路Rg：t

Rg（主要是电弧电阻）2、双侧电源线路上Rg的影响若BC线路出口经Rg短路：第101页，共196页，2023年，2月20日，星期一尤其当角为负时，保护可能出现：保护1，2的I段皆不动作，而由保护1的II段动作，失去了选择性。*保护距短路点越近，受Rg影响越大。*保护整定值越小(如短线路距离保护)，受Rg影响越大。第102页，共196页，2023年，2月20日，星期一3、Rg对不同动作特性ZKJ的影响保护范围内经Rg短路时：

ZJ=Zd+Rg

Rg

Rg1,透镜型阻抗ZKJ开始拒动

Rg

Rg2,方向阻抗ZKJ开始拒动

Rg

Rg3,全阻抗ZKJ开始拒动

ZKJ动作特性在+R轴方向所占面积越大，受Rg影响越小。4、防止Rg影响的措施(1)采用能容许较大Rg而不致拒动的ZKJ

（动作特性在+R轴方向所占面积较大）第103页，共196页，2023年，2月20日，星期一(2)采用瞬时测量装置（只针对相间距离II段）对于相间短路，Rg主要是电弧电阻，该Rg是逐渐增大的，在短路初瞬间其值很小。对反映相间短路的距离

II段利用瞬时测量装置保持短路瞬间保护动作状态。（距离I段本身是瞬时动作；距离III段动作特性圆很大,不受Rg影响）(3)采用交叉极化阻抗继电器（多相补偿式ZKJ）(4)采用微机保护装置（利用微机对不同时刻的采样值的运算来消除Rg的影响。第104页，共196页，2023年，2月20日，星期一二、系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路系统振荡(同步振荡或异步运行)→I↕，U↕→Z↕→距离保护可能误动1、系统振荡时的测量阻抗分析以双侧电源辐射网为例:（三相对称，只分析单相）振荡时，绕摆动或旋转（与的夹角δ在

间变化）

(其中h=EN/EM)。第105页，共196页，2023年，2月20日，星期一若EM=EN（即：h=1），则：δ变化→ZJ.M沿着直线OO’变化，振荡中心位于全系统的（ZΣ/2）处。若振荡中心在本保护动作特性区内，则本保护可能出现误动。第106页，共196页，2023年，2月20日，星期一对于相同Zzd的ZKJ，在系统振荡时：全阻抗ZKJ误动区>方向阻抗ZKJ误动区>透镜型ZKJ误动区一般而言：ZKJ动作特性沿OO’

方向所占面积越大，受系统振荡的影响越大。设：ZJ.M经过误动区的时间：twd.

若保护动作延时t>twd.（≥1.5S），则可躲过振荡的影响。（如距离III段）2、振荡与短路的主要区别：第107页，共196页，2023年，2月20日，星期一3、对振荡回路的基本要求：*系统振荡无故障应可靠闭锁*系统故障（包括转换性短路）保护不应闭锁*先振荡，后故障，保护应正确动作*先故障，后振荡，保护不应无选择性动作振荡短路I,U幅值随周期性变化不计短路后衰减，I,U幅值不变=180时最严重(I最大，U最低)短路瞬间最严重dI/dt,dU/dt,dZ/dt小dI/dt,dU/dt,dZ/dt大U,I夹角随变化U,I夹角不变（为线路阻抗角d）三相对称不对称短路：三相不对称（对称短路：初瞬间不对称）第108页，共196页，2023年，2月20日，星期一4、振荡闭锁回路工作原理：(1)利用负序（和零序）分量元件起动的振荡闭锁回路系统正常及振荡时：无负序及零序电流分量（增量），保护不启动系统不对称故障时：有负序或零序电流分量（增量），保护启动并自保持系统对称故障时：初瞬间有负序或零序分量（增量），保护启动并自保持（自保持时间一般为10s左右）负序过滤器：第109页，共196页，2023年，2月20日，星期一改进型负序过滤器：

(利用负序、零序电流启动元件虽然可以构成振荡闭锁回路，但是在振荡时又发生外部故障或外部故障时又出现振荡的情况下，可能导致振荡闭锁失败)(2)反映测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路保护范围内故障：ZI，ZII，ZIII同时启动，则允