《电力系统继电保护第二版》读书笔记

《电力系统继电保护》读书笔记

1.绪论

1.1电力系统的正常工作状态、不正常工作状态和故障状态

一般将电能通过的设备称为电力系统的一次设备，对一次备的运行状态进行监视、测量、

控制和保护的设备称为二次设备。

一般正常状态下的电力系统，其发电、输电和变电设备还保持一定的备用容量，能满足

负荷随机变化的需要，同时在保证安全的条件下，可以实现经济运行；能承受常见的干挠，

从一个正常状态和不正常状态、故障状态通过预定的控制连续变化到另一个正常状态，而不

致于进一步产生有害的后果。

不正常运行状态指部分参量超过安全工作限额但又不是故障的工作状态，如因负荷潮流

超过电气设备的额定上限造成的电流升高（又称为过负荷），系统中出现功率缺额而引起的

频率降低，发电机突然甩负荷引起的发电机频率升高，中性点不接地系统和非有效接地系统

中的单相接地引起的非接地相对地电压的升高，以及电力系统发生振荡等。

电力系统的故障状态最常见同时也是最危险的故障是发生各种类型的短路，包括三相短

路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路，其中以单相接地短路为主，其次为两相短路。

电力系统自动化（控制）：为保证电力系统正常运行的经济性和电能质量的自动化技术

与装备，主要进行电能生产过程的连续自动调节，动作速度相对缓，调节稳定性高，把整个

电力系统或其中的一部分作为调节对象。

为了在故障后迅速恢复电力系统的正常运行，消除故障，保证持续供电，常采用以下的

自动化措施：输电线路自动重合闸，备用电源自动投入，低电压切负荷，按频率自动减负荷,

电气制动、振荡解列以及为维持系统的暂态稳定而配备的稳定性紧急控制系统，完成这些任

务的自动装置统称为电网安全自动装置。

继电保护装置就是指能反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于

断路器跳闸或发生信号的一种自动装置。

1.2继电保护的基本原理及构成

实现继电保护需区分电力系统在不同运行状态下的差异，具有明显差异的电气量有：流

过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件运行相电压幅值、序电压幅值；元件的

电压与电流的比值即“测量阻抗”等。

线路短路后，从电源端至短路点，离短路点越近，电压降得越低，短路点的相间或对地

电压降低到零。而对短路电流，不同的短路点随距电源端的距离变化，短路电流相应连续变

化，短路点越远电流越小。

在正常运行时，线路始端的电压与电流之比反映的是该线路与供电负荷的等值阻抗及负

荷阻抗角（即功率因数角，电流与电压之间的相位角，正常运行时一般小于30°）,阻抗值

一般较大，阻抗角较小。短路后，线路始端的电压与电流之比反映的是该测量点到短路点之

间线路段的阻抗，其值较小，如不考虑分布电容时，一般正比于该线路段的距离（长度），

阻抗角为线路阻抗角，较大。利用测量阻抗幅值的降低和阻抗角的变大，可以构成距离（低

阻抗）保护。

如果电力系统发生的不是三相对称短路，而是不对称短路，则在供电网络中会出现某些

不对称分量，如负序或零序电流和电压等，并且其幅值较大，利用这些序分量构成的保护，

一般都有良好的选择性和灵敏性。

保护装置的动作整定值，常用的方法是预先给定各电力元件保护的保护范围，求出保护

范围末端发生短路时的电气量，并考虑适当的可靠性裕度后作出值。

阶段式保护特性：为单端电气量的保护，需要上、下级保护（离电源的近、远）动作整

定值和动作时间的配合来切除不同点的短路。

电力元件的主保护，只在被保护元件内部故障时动作，可以快速切除被保护元件内部任

意点的故障，被认为具有绝对的选择性。常见主保护有：利用每个电力元件在内部与外部短

路时两侧电流相量的差别可以构成电流差动保护，利用两侧电流相位的差别可以构成电流相

位差动保护，利用两侧功率方向的差别可以构成方向比较式纵联保护，利用两侧测量阻抗的

大小和方向等还可以构成其他原理的纵联保护。利用某种通信通道同时比较被保护元件两侧

正常运行与故障时电气量差异的保护，称为纵联保护。

保护装置的构成:相应输入量一测量比较元件f逻辑判断元件f执行输出元件f跳闸或

信号。

测量比较元件：测量值与给定值比较并给出0、1逻辑信号，有被测电气量超过给定值

动作的过量继电器，如过流继电器、过压继电器、高周波继电器等；低于给定值动作的欠量

继电器，如低电压继电器、阻抗继电器、低周波继电器；被测电压、电流之间相位角满足一

定值而动作的功率方向继电器等。

在堆电保护的工作网路中一般包括：

将通过次电力设备的电流，电承线性地

传变为适合继电保护等.次设各使用的电

流、电压,并使一次设籥与二次设备隔离

的设备.如电流.电压瓦由器及其与保护

装置连接的电缆等；断路器跳闸线图及与

保护装置出口间的连接电缆，指示保护装

长动作情况的信号设备；保护装置及跳

闸、信号回路设拓的工作电源等.图L4

以过电流保护为例.展示了一个简电的保

护工作回路的原理接线.

电源互感器TA将一次额定电流变换

图1.4过电海保护工作回路原理接线图为二次额定电流5A或IA.送入电潦继电

HKA（测・比较元件）.当流过电潦继电器的电流大于其愤定的动作值（整定值，可调整）

时其输出启动时间缰电器KT（邃辑部分3经预定（可调整）的犍时（逆辑运算）后,时

间继电器的输出启动中间继电器KM（执行输出）并使或接点闭合，接通断路器的跳闸回

路，同时使信号继电器KS发出动作信号.在正常运行时,由于负荷电漉小于电流继电器的

曼定电流，电流继电器不动作，整套保护不动作.当被保护的线路发生短路后，线路中流过

的短路电流一般是嵌定负荷电流的数倍至数十倍，电流互感器二次侧泊出的电流线性增大,

滤过电源维电器的电漉大于整定电流而动作，启动时间继电器，经预定的延时后，时间继电

U的触点闭合启动中间继电中间悔电器的触点信时闭合,当断路器QF处于合闸位置

时・其位置触点QF是闭合的，使断路器的跳闸线图YR带电.在电磁力的作用下使脱扣机

构弗放•断路if在跳闸弹簧力F的作用F跳开，故障设备被切除.短路电湎消失.电流缰

电H返回，整套保护装置复归,做好下次动作的准番.

每一套保护都有预先严格划定的保护范围，一般借助于断路器实现保护范围的划分。

近后备保护与主保护安装在同一断路器处，远后备保护安装在上级（近电源侧）元件的

断路器处。

断路器失灵保护：当断路器失灵时，由失灵保护启动跳开所有与故障元件相连的电源侧

断路器。

1.3对继电保护的基本要求

继电保护基本要求：（1）可靠性，即安全性（不误动），和信赖性（不拒动）；（2）选择

性；（3）速动性;（4）灵敏性。

对220KV及以上电压的超高压电网，更强调保护不拒动的信赖性，要求装设两套完全不

同的保护，各自独立跳闸。对母线保护，更强调不误动的安全性，一般以两套保护出口触点

串联后跳闸的方式。

2.电网的电流保护

2.1继电器

继电器分类：按动作原理分电磁型、感应型、整流£,一[

型、电子型和数字型；按反应的物理量分电流继电器、62I

电压〜、功率方向〜、阻抗〜、频率〜和气体（瓦斯）〜

等；按在保护回路中所起的作用分启动继电器、量度〜、

时间〜、中间〜、信号〜、出口〜。

防止当输入量在整定值附近波动时输出不停地跳

变，继电器有一个返回值，返回值与启动值的比值称为E,।$3,

继电器的返回系数，继电器的启动和返回动作明确、迅・一

速、不可能停留在某一中间位置，这种特性称之为“继I----------------七--------+--------r

电特性”。

图2.2继电特性曲线

2.2单侧电源网络相间短路的电流保护

110KV及以上电网主要承担输电任务，形成多电源环网，采用中性点直接接地方式，其

主保护一般为纵联保护；110KV以下电网主要承担供配电任务，发生单相接地后为保证继续

供电，中性点采用非直接接地方式，其主保护一般为阶段式电流保护。

单侧电源网络相间短路的电流保护：电流速断保护，限时电流速断保护，定时限过电流

保护，反时限过电流保护。

负荷电流与供电电压之间的相位角就是通常所说的功率因数角，一般小于30°。

当供电网络中任意点发生三相和两相短路时，流过短路点与电源间线路中的短路电流包

括短路工频周期分量、暂态高频分量和衰减直流分量。其短路工频周期分量近似计算式为

Ik=Eo/Zz=K.X（E,„/Zs+Zk）,式中为系统等效电源的相电动势，对应于电力系统运

行状态，心为短路点至保护安装处之间的阻抗，对应于两者的距离，心为保护安装处到系统

等效电源之间的阻抗，对应于电力系统运行方式，电为短路类型系数，三相短路取1,两相

短路取，3/2。随整个电力系统开机方式、保护安装处到电源之间电网的网络拓扑、负荷水

平的变化，E“和乙都会变化，造成短路电流h的变化。

随短路点距等值电源的距离（阻抗Z工）变化，短路电流连续变化，越远电流越小，并

且在本线路末端和下级线路出口短路，电流没有差别。

图2.3电流曲线..

在相同地点发生相同类型的短路时，当流过保护安装处的电流h最大时，对继电而言

称为系统最大运行方式，此时对应的系统等值阻抗最小；当h最小时，称为系统最小运行

方式，对应的系统等值阻抗最大。取最大方式下的三相短路和最小运行方式两相短路，则系

统所有运行方式下，相同地点发生不同类型的短路时的电流介于这两个短路电流之间。阶段

式电流保护的整定值需按系统最大运行方式来先择，而灵敏性需用系统最小运行方式来校

验。

电流速断保护通常是优先保证动作的选择性，动作值的整定大于下一条线路出口处（即

本线路末端）短路时可以出现的最大短路电流，即在最大运行方式下的三相短路电流。动作

电流为I1…，引入可靠性配合系数K'rci=l.2-1.3是考虑非周期分量的影响、

实际的短路电流可能大于计算值、保护装置的实际动作值可能小于整定值和一定的裕度等因

素。动作的整定值以一次值计算，二次值与一次值关系式为I%=KwXnn为CT

变比，K8n为CT接线系数（接线方式），当CT二次侧为三相*形或两相*形接线时为1,当

为△接线时为J3,速断保护动作时间要躲过线路中避雷器的放电时间，一般为60—80ms。

电流速断保护在个别情况下，当快速切除故障是首要条件时，就采用无选择性的速断保

护，而以自动重合闸来纠正这种无选择性动作。

当电网的终端线路上采用线路一变压器组的接线方式，由于线路和变压器可以看成是一

个元件，因此速断保护就可以按照躲开变压器

低压侧线路出口处的短路来整定，由于变压器

的阻抗一般较大，因此低压侧线路出口处的短

路电流就大为减小，这样整定之后，电流速断

就可以保护线路的全长，并能保护变压器的一

部分。

限时电流速断保护要求保护本线路的全

长，因此它的保护范围必然要延伸到下级线路

中去，按躲开下一级线路电流速断保护的最大

保护范围来整定，可靠系数

K%=1.1〜1.2,时间通常取0.5s。当为与下

一级线路的限时电流速断相配合时取1—1.2图2.8限时电流速断动作特性的分析

D

Soc

能快速切除全线路各种故障能力的保

护称为该线路的“主保护”。

对反应于数值上升而动作的过量保护(a)

装置，灵敏系数的含义是K=保护范围内发

生金属性短路时故障参数的计算值/保护

装置的动作参数值，要求大于1，故障参

数如电流、电压等的计算值，应根据实际

(b|

情况合理采用最不利于保护动作的系统运

行方式和故障类型来选定。

过电流保护作为下级线路主保护拒动

和断路器拒动时的远后备保护，同时作为

本线路主保护拒动时的近后备保护，也作

为过负荷时的保护。分定时限和反时限两

图2.9限时电流速断动作时限的配合关系

种。保护范围为本线路的全长和相邻线路

系蜕接线图।(b)与电流速新足合।

全长。

(c)与限时电流速断配合

定时限过流保护启动电流按躲开本元

件最大负荷电流来整定，同时还需考虑外

部故障切除后电压恢复，负荷自启动电流

作用下保护装置返回，返回电流应大于该

负荷自启动电流(I"皿=Ksslkmax)，而负荷

自启动电流大于正常运行时的最大负荷电

流(LJ=K"'relLs.»,,«)»定时限过流保护启

动电流为返回电流除以继电器返回系数(I

n

"L<=1/KreXIr/)o上述表达式中KL为

可靠系数1.15〜1.25,k为自启动系数，图2.II单醐电源放射形网络中过电

降为继电器的返回系数0.85-0.95。流保护动作时限选择说明

保护装置过电流保护的启动和返回是

通过电流继电器来实现的，因此继电器返回电流与启动电流之间的关系也就代表着保护装置

返回电流与启动电流之间的关系。

各个过电流保护之间需要灵敏系数的配合，对同一故障点而言，要求越靠近故障点的保

护应具有越高的灵敏系数。

图2.13阶段式电流保护的配合和实际动作时间的示意图

具有电流速断保护、限时电流速断保护和过电源保护的单相原理框图如图2.14所示.

电流速断部分由电流元件KA1和信号元件KS1组

成;限时电流速断部分由电流元件KAL时间元件

K0和信号元件KS，组成，过电流部分则由电流元

件KA，时间元件KT■和信号元件KS■组成.由

于三段的启动电流和动作时间整定的均不相同,因

此必须分别使用二个串联的电流元件和曲个不同时

限的时间元件•而信号元件则分别用以发出I、U.

UI段动作的信号.

反时限过电流继电器电流元件和时间元件的职能由同一个继电器来完成,在一定程度上

具有三段式电流保护的功能。

反时限过电流保护主要用于单侧电源供电的终端线路和较小容量的电动机上。

电流保护的接线方式是指保护中的电流继电器与电流互感器之间的连接方式，目前广泛

采用的是三相星形和两相星形接线方式。

两相星形接线用装设在A、C相上的两相电流互感器与两个电流继电器分别按相连接在

一起，B相未装设保护，B相接地时，保护不能动作，AB和BC相间短路时只有A相或C相

一个继电器动作。

变压器三角形侧绕组中Ia+1b+Ic=0,各相出线电流IA、IB、IC与各相绕组中的电流

la、lbs1c关系为lA=Ia-Ib,IB=Ib-Ic,IC=Ic-Ia»

图2.22Ydll接线降压变压器两相短跖时的电流分析及过电流保护的原理接线

（a）电流保护原理接战国，（b）饶组中电流分布।（c）三角形恻

电流相依图t（＜i）星形例电流相it用

CT三相星形接线或两相星形接线的电流保护可以反应中性点直接接地系统和非直接接

地系统中的各种相间短路和中性点直接接地系统中的单相接地短路（CT两相星形接线时不

能反应B相接地）。

中性点非直接接地系统中，允许单相接地时短时运行。因此在多级网络中，发生多处的

接地故障点时，希望只切除一个故障点，以最大限度缩小停电范围。

中性点接地系统中，发生接地短路时，故障相电压为0,故障相电流与零序电流31.相

等；发生相间短路时，短路两相电压大小和方向都相同，而电流则大小相同，方向相反；中

性点接地系统中发生任何接地或相间短路时所有非故障相电流为0。

YdH接线的变压器，某侧A—B或B—C短路时，在另一侧有IA=IC,IB=-2lA,即接

于B相上的继电器有较其他两相大1倍的电流，因此灵敏系数增大1倍，但如保护采用两相

星形接线，则需在两相星形接线的中性线上再接入一个继电器才能提高灵敏系数。

图2.23三段式电漉保护的原理接线图

<a>原用接线图；(b)交去回路展开图।(c)■搬回路・开图

2.3双侧电源网络相间短路的方向性电流保护

多电源网络中相间短路时需采用方向性电流保护，在线路两侧的保护中加装功率方向元

件。

图2.24双制电源网络及其保护动作方向的规定

（c）各保护动作方向的烧定，<d>方向过电渥保沪的阶梯扉时限衿性

双侧电源网络发生短路时流过线路的短路功率一般指短路时母线电压与线路电流相乘

所得到的感性功率，方向是从电源经由线路流向短路点。短路功率的流动方向正是保护应该

动作的方向。

方向性电流保护即在电流保护的

基础上加装一个判别短路功率流动方

向元件。当功率方向由母线流向线路

（正方向）时才动作，而反方向故障时，

使保护闭锁。并与电流保护共同工作。

方向性电流保护既利用电流的幅值特

征，又利用功率方向的特征。

双侧电源网络的方向电流保护可

以拆开看成是不同方向上的两组单侧

电源网络的保护，各组保护反应于各侧

电源供给的电流。两组保护之间不要求

有配合关系。

图2.25方向过电流保护的单相胡理接线图

功率的方向即电流、电压之间的相

位关系，而电流滞后对应相电压的角度称为线路阻抗角（鼠。电力系统任何线路任何情况下

0°<弧<90°。如果规定流过保护的电流正方向是从母线指向线路，在正方向故障时流过

保护的电流Ir=L滞后母线电压U的相角为g,0°<4>k<90°；而在反方向故障时Ir=

-L,滞后母线电压U的相角为180°+4>k,180°<（180°+4>k）<270°,即两种情况下

相位相差180°。

用以判别功率的方向或测定电流、电压之间相位角的元件称为功率方向元件（继电器）。

由于它主要反应于加入继电器中电流和电压之间的相位而工作，因此用相位比较方式来实现

最为简单。

功率方向元件（即功率方向继电器）接入向量为电压Ur,电流Ir,两者的相角为arg（U

r/Ir）,用如表示。功率方向继电器当输入电压和电流的幅值不变时，其输出值（转矩或

电压）随两者相位差的大小而改变。功率方向元件动作最灵敏时的角度称为其最大灵敏角

又为了保证当短路点有过渡电阻、线路阻抗角必在0°〜90°范围内变化情况下正

方向故障时，继电器都能可靠动作，功率方向元件动

作的角度应该有一个范围，考虑实现的方便性，这个

范围通常取为小.±90°。当Ur、Ir为故障相电压

和电流时，功率方向元件动作角度范围为垂直于最大

灵敏角的一条直线，方程式6M—90°<arg（Ur/I

o1

r）<<j>Sen+90,即一90°<arg（Ore"（^"/Ir）<

90°,功率形式表示为Urlrcos（3>0,临

界条件为COS（4>r—4>SCn）=1,即4>1—4>Seno最大

灵敏角6sen=线路阻抗角<bk=60°«

功率方向元件为消除短路时的电压死区，采用非

图2.27三相短路外=60•时的相量图

故障相的相间电压作为接入功率方向元件的电压参

考相量，判别故障相电流的相位。（非故障的相间电压与故障相电压相差90。角），即所谓

90°接线（当cos。=1时，IA和UBC相位相差90°,只是称呼方便，没有物理意义）。

当采用90。接线方式特性的功率方向元件时，功率方向元件的最大灵敏角6剑=如一

90°=-30°,取90°—弧=a（称为功率方向继电器的内角），则功率方向元件的动作特

性方程式为一90°-a<arg（Ur/Ir）<90°—a,功率形式表式为Urlrcos（3+a）

>0,功率方向继电器动作最灵敏的条件应根据三相短路时使cos（4>,+a）=1来决定.

功率方向判别元件的作用是比较加在元件上电压与电流的相位，并在满足一定关系时动

作。其实现方法有相位比较法和幅值比较法。其实现手段有感应型、集成电路型、和数字型

等。目前广泛采用的相位比较法是相量Ur和Ir转换成电压，测量两个电压瞬时值同时为正

（或同时为负）的持续时间来进行的。

对功率方向继电器的接线，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈的极性问题，否则

会造成正方向短路拒动，而反方向上误动。

电流保护及方向性电流保护应用特点：在电流速断保护中能用电流整定值和动作时限保

证选择性的，尽量不加方向元件；对线路两端的保护能在一端保护中加方向元件后满足选择

性要求的，不在两端保护中加方向元件。

当一条母线上有多条电源线路时，除动作时限最长的一个过电流保护不需要装方向元件

外，其余都要装方向元件。

线路中，保护安装地点与短路点之间有电流或线路两种分支电路，参与的电流分别称为

助增电流和外汲电流，上级限时电流速断保护整定时，应引入分支系数Kb,得lL.2=（K"

rel!Kb）Isei.1o

2.4中性点直接接地系统中接地短路的零序电流及方向保护

正常运行的电力系统是三相对称的，其零序、负序电流和电压理论上为零；多数的短路

故障是三相不对称的，其零序、负序电流和电压会很大。

当中性点直接接地系统（又称大接地电流系统）中发生接地短路时（如单相接地或两相

接地短路），将出现很大的零序电压和零序流。利用零序电压、零序电流来构成接地短路的

保护，被广泛应用在110KV及以上电压等级的直接接地（中性点接地变压器）的电网中。

在电力系统发生短路时，可以利用对称分量的方法将电流和电压分解为正序、负序、零

序分量，并利用复合序网来表示它们之间的关系。

零序电流是由在故障点施加的零序电压产生的，由故障点经由线路、大地和接地的中性

点（或接地变压器的接地支路）构成回路。零序电源在故障点（接地点）的零序电压最高，

距故障点越远，零序电压越低，取决于测量点到大地间阻抗的大小。

零序电流的规定正方向为由母线流向线路，零序电压的正方向规定线路高于大地的电压

为正。对于发生故障的线路，两端零序功率方向与正序功率方向相反，零序功率方向实际上

都是由线路流向母线的。

在电力系统运行方式变化时，如果输电线路和中性点接地变压器位置、数目不变，则零

序阻抗和零序等效网络就是不变的。而此时，系统的正序阻抗和负序阻抗要随着运行方式而

变化，会间接影响零序分量的大小。

如忽略线路回路电阻（包括输电线路零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗）时，故

障点两侧零序电流将超前零序电压90°,当计及回路电阻时，此值将大于90°。

零序电流的分布，主要决定于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而

与电源的数目和位置无关。

零序电压32（-0a+0b+0c）的取得：⑴电压互感器二次绕组接成开口三角形；⑵保

护装置内部加法器合成零序电压；⑶当发电机的中性点经电压互感器（或消弧线圈）接地时;

可以从它的二次绕组取得。零序电压保护应躲开正常运行和相间短路产生的不平衡电压的影

响。

零序电流的取得：⑴电流互感器采用三相星形接线，在中性线上的电流就是3%⑵保

护装置内部将三个相电流相量相加获得；⑶电缆线路采用零序电流互感器。

在正常运行和一切非接地的相间短路，三个相电流的相量和理论上是为零的，只是电流

互感器由于励磁电流的不相等（铁芯的磁化曲线不完全相同），在二次侧产生了不平衡电流。

零序电流保护应躲开它们的影响。

三段零序电流保护：零序电流I段（速断）分⑴灵敏I段，按躲开下级线路出口处单相

或两相接地时可能出现的最大零序电流31。.和断路器三相触头不同期合闸出现的最大零序

电流31°.小（如果装置动作时间大于不同期合闸时间，则可以不考虑这一条件）整定，相应

整定式为11,=葭2义31。,*和Ki”为可靠系数取1.2〜1.3。整定值选

取以上两者中较大者。当按照后者考虑时，有时会使启动电流过大而使保护范围缩小，可以

采用在手动合闸以及三相自动重合闸时，使零序I段带有一个小延时（约0.1s）,以躲开三

相不同期合闸的时间，这样在定值上就无需考虑此条件了；⑵不灵敏I段，按躲开线路上采

用单相重合闸而在非全相运行状态下又发生系统振荡时所出现的最大零序电流整定。

零序H段保护启动电流首先考虑与下级线路的零序电流速断保护范围的末端相配合，并

带有高出一个At的时限。零序III段保护整定原则是按照躲开在下级线路出口处相间短路时

所出现的最大不平衡电流来整定。

零序电流m段保护的作用相当于相间短路的过电流保护，继电器启动电流按照躲开在下

in

级线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流来整定，l"'Se[=KrelIu„b,„1ax,K'"rcl为可靠系

数取1.1~1.2。

图2.44零序过电流保护的时跟特性

方向性零序电流保护：在双侧或多侧电源网络中，电源处变压器的中性点一般至少有一

台要接地，多台变压器中性点接地时，应考虑零序电流保护动作方向。零序功率方向元件接

入零序电压30。和零序电流31”反应于零序功率的方向而动作。31.超前于30。为95°〜110°,

对应于保护安装地点背后的零序阻抗角85。〜70°,4>se„=-95°-110°。由于越靠近

故障点的零序电压越高，因此零序功率方向元件没有电压死区。而当故障点距离保护安装处

越远时，保护安装处的零序电压较低，零序电流较小，必须校验方向元件在这种情况下的灵

敏系数。

零序电流保护与相电流保护相比有独特的优点:①零序过电流保护按躲开不平衡电流整

定，且发生单相接地短路时，故障相的电流与零序电流31。相等，因此它比相电流保护灵敏

度高，动作时限也较短；②相电流保护直接受系统运行方式变化的影响很大，而零序电流保

护受系统运行方式影响小很多。另外由于线路零序阻抗较远较正序阻抗大，X°=（2~3.5）X“

故线路始端与末端短路时，零序电流变化显著，因此零序保护的保护范围较大，也较稳定；

③系统不正常运行状态如系统振荡、短时过负荷等时，三相是对称的，相间短路的电流保护

要受它们的影响，而零序电流保护则不会；④方向性零序保护没有电压死区。另外其它故障

往往是由单相接地故障发展起来的，零序保护为绝大部分的故障情况提供了保护。

当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的电网（如110KV和220KV电网），则任一电

网中的接地短路都将在另一网络中产生零序电流。

2.5中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护

中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性经电阻接地等系统，统称为中性点非直接

接地系统，又称小接地电流系统。发生单相接地时故障电流很小，而且三相之间的线电压仍

然保持对称，三相负荷电流对称，相对于故障前没有变化，对负荷的供电没有影响，因此,

在一般情况下，都允许再继续运行1一2上

非直接接地系统在单相接地时，一般只要求继电保护能选出发生接地的线路并及时发出

信号，而不必跳闸；但当单相接地对人身和设备的安全有危险时，则应动作于跳闸。能完成

这种任务的保护装置称为接地选线装置。

输电线路的零序电阻远小于电容

产生的零序电流，中性点不接地系统的

零序电流由系统各元件对地的等值电

容产生，并由各元件对地的等值电容构

成通路，网络的零序阻抗很大。

中性点不接地系统单相接地时，在

接地点处接地相对地电压为零,对地电

容被短接，电容电流为零，而其他两相

的对地电压升高J3倍，对地电容电流

也相应增大J3倍。发生单相接地时，

相当于在故障点产生了一个值与该接

地相故障前相电压大小相等,方向相反

图2.48单相接地时，用三相系统的零序电压，从而全系统都将出现零序

表示的电容电流分布图电压。接地相对地电压、电流为零，非

接地相中的零序电流为其本身的对地

电容电流，而接地相中流过的零序电流（等于流过接地点的电流）为全系统非故障元件对地

电容电流之总和（相量和）（但不包括故障线路本身），其有效值（绝对值）是正常运行时单

相对地电容电流的3倍。故障相电容性无功功率的方向为由线路流向母线，而非故障相电容

性无功功率的方向为由母线流向线路。利用各相零序电流大小的不同或功率方向的差别可判

别故障线路。

中性点不接地系统发生单相接地后零序网络由同级电压网络中元件对地的等值电容构

成通路，与中性点直接接地系统由接地的中性点构成通路有极大的不同，网络的零序阻抗很

大。

中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障特点：在中性点接入一个电感线圈，当单相

接地时，在接地点就有一个电感分量的电流流过，此电流和原系统中的电容电流相抵消(两

电流相位相差180。),可以减少流经故障点的电流，熄灭电弧，因此称为消弧线圈。

当全系统电容电流超过下列数值时，应装设消弧线圈：3—6KV电网30A,10KV电网20A,

22—66KV电网10A。

m2.50消弧线网接地电网中单相接地时的电流分布

(«)用三相系境表dr<b>不序写效网络

消弧线圈电流补偿由于在完全补偿时会产生LC串联谐振，欠补偿时，当有线路切除时,

又会形成完全补偿，因此均不能采用，而应采用过补偿方式。过补偿度P=(II-lex)/lex,

范围为5%〜10%。

在中性点非直接接地系统中，只要本级电压网络中发生单相接地故障，则在同一电压等

级所有发电厂和变电所的母线上，都将出现数值较高的零序电压。利用这一特点，可在母线

上装设监视装置，通过取自接于电压互感器二次侧开口三角形的绕组的零序电压，形成零序

电压保护。零序电压保护是没有选择性的，需要依次分合每一条线路来找出故障线路。

3.电网距离保护

3.1距离保护的基本原理成构成

测量阻抗(定义式)=IZ,„IZ<t>.(极坐标)=R.+jX.(直角坐标),一、

为保护安装处测量电压与测量电流，忸为测量阻抗的阻抗角，R.为测量阻抗的实部，即测

量电阻，X.为测量阻抗的虚部，即测量电抗。

正常运行时，3为负荷阻抗，以电阻性为主，阻抗角3为功率因数角(cos>0.9,

则3W25.8°)，发生短路时，阻抗角较大，阻抗性质以电感性为主。

对某相：U=l+(I+kX3nz心，加为故障点k处的电压，晨为至故障点的距离，U>I

为保护安装处的相电压、电流，保护装置可取U,“=U,L-I+kX3l„,k为零序电流补偿系数

=(Z„-Z1)/3ZuZ„Z。分别为单位长度的正序、零序阻抗。

3.2阻抗继电器及其动作特性

实际情况下，由于互感器误差，故障点过渡电阻等因数，继电器实际测量到的Z,.一般

并不能严格地落在与Z的相同的直线上，而是落在该直线附近的一个区域中，在阻抗复平面

上为一个包括Z,,“对应线段在内，但在Zs“方向上不超过Zs,,的区域。

阻抗继电器在阻抗复平面动作区域的形状，称为动作特性。动作特性既可以用阻抗复平

面上的几何图形来描述，也可以用复数的数学方程来描述，这种方程称为动作方程。

阻抗保护元件最大灵敏角6sen为正方向整定阻抗的阻抗角，此方向上动作阻抗值

最大，保护范围最大。即当测量阻抗Z.阻抗角在灵敏角时，阻抗继电器工作最灵敏。为使

阻抗元件工作在最大灵敏角条件下，常将阻抗元件的最大灵敏角整定为线路阻抗角。

偏移圆特性的阻抗继电器在反向故障时有动作区，通常用在距离保护的后备段（如第1H

段中）。方向圆特性的阻抗元件通常用在距离保护的主保护段（I段和n段）中。

与圆特性阻抗元件相比，苹果形特性的阻抗元件在R方向上的动作区较大，测量阻抗中

含有较大电阻性成分时也可能进入其动作区，所以区内经较大过渡电阻短路时也能够动作，

有较高的耐受过渡电阻的能力。但当负荷阻抗中的电阻较小时，可能进入动作区，因而它耐

受过负荷的能力比较差。而橄榄形特性的阻抗元件与苹果形特性阻抗元件正好相反，耐受过

负荷能力较强，但耐过渡电阻能力较差。

3.3阻抗继电器的实现方法

阻抗继电器一般根据已经导出的

绝对值比较动作方程和相位比较动作

方程来实现，也可以按照距离保护原理

的要求由其他的方法来实现。

绝对值比较阻抗继电器的动作方

程式为a|w|z/,相位比较原理的阻绝

抗元件动作条件的一般表达式为一90°对

值

WargZc/ZW90°。当%和ZD之间满比

足所在关系式时，备和Z.之间必然满足较

网

所在关系式；反之亦反。路

绝对值比较式的阻抗元件，既可以

用阻抗比较的方式实现，也可以用电压

比较的方式实现，即在阻抗比较的方程

式两端同乘以测量电流I0得电压比较

的方程式。

距离保护中的工作电压又称为补

偿电压，通常用。表示，定义为保护安

装处测量电压L与测量电流1“的线性组

合，即Zset一整定阻抗，

相

即从母线M到整定点z的线路阻抗。工、位

%，即分别为母线M处和整定点z点的残比

余电压。以工作为参考相量，根据不同较

固

故障情况下对5相位的“差异”，就B

可以“区分”出故障点所在区段，即必，

与L相位相反时，判断为区内故障，即。

0P与&相位相同时，判断为区外故障。

电压工的作用就是作为判断品，相位的参

考，所以又称为参考电压或极化电压，图3.19相位比较的电压形成

参考电压或极化电压除可以选测量电压工外，还可以选用正序电压或记忆电压。

线路发生接地故障时，接地相电压为0,非接地相故障前后电压基本相等，正序电流等

负序电流等于零序电流，接地相电流等于零序电流的3倍。

线路相间短路时，短路点相间电压为0,保护安装处短路相间电压为UAB=（IA-IB）Z„.»

发生接地、短路故障前后，接地故障相或短路两相相间的正序电压的相位与该正序电压

故障前相位相同，而幅值大小在单相接地故障时为故障前的2/3,在两相接地短路时为故障

前的1/3（包括故障相电压和故障相间电压），在两相短路时为故障前的1/2（包括故障相电

压和故障相间电压）。

3.4距离保护整定计算与对距离保护的评价

当距离保护用于双侧电源的电力系统时，一般要求I、II段采用具有方向性的测量元件,

第in段为后备段，包括对本线路I、II段保护的近后备、相邻下一级线路保护的远后备和反

向母线保护的后备，所以通常采用带有偏移特性的测量元件，用较大的延时保证其选择性。

距离I段为无延时的速动段，按躲过

本线路末端短路时的测量阻抗来整定。

=K；iLzi,L为被保护线路的长度，zi为被

保护线路单位长度的正序阻抗，Q/km,K'

r”为可靠系数，取0.8〜0.85。

距离H段整定应考虑助增分支电路和

外汲分支电路对测量阻抗的影响，Z,n=K

1

幻（Z।+Kb..i„ZM）,1,为本线路的正序阻

抗，K―为分支系数，助增分支时大于1,

外汲分支时小于1。

距离保护H段的整定阻抗，应按两个

原则进行计算：1）能保护线路全长，并与

图3.24距离保护各段动作区域示意图

相邻线路距离保护I段配合，其动作范围

不应该超过下级保护I段的动作范围，并较之延时大一个时间级差At；2）与相邻变压器的

快速保护（一般是变压器差动保护）相配合，不应超出该保护动作范围。

当被保护线路末端母线上的出线或变压器采用电流速断保护时，为了整定计算以形成保

护配合，应将电流保护的动作范围换算成阻抗。

距离保护的阻抗测量原理，除可以应用于输电线路的保护外，还可以应用于发电机、变

压器保护中，作为后备保护。

3.5距离保护的振荡闭锁

并列运行的电力系统或发电厂之间出现功率角大范围周期性变化的现象称为电力系统

振荡。电力系统振荡时，系统两侧等效电动势间的相角差（即功角）8可能在0°〜360°

范围内作周期性变化，从而使系统中各点的电压、线路电流、功率大小和方向以及距离保护

的测量阻抗也都呈现周期性的变化。

电力系统的失步振荡属于严重的不正常运行状态，而不是故障状态，大多数情况下能够

通过自动装置的调节自行恢复同步。因此为防止误动，需进行振荡闭锁。振荡闭锁一般用在

较高电压等级电力系统的距离保护中。

1

图3.31系统振荡时的电流和电压

（«）相♦图,（b）电濠有效值变化曲线，（c）电压有效值变化曲蝮

电力系统振荡时，电压最低的这一点称为振荡中心，在系统各部分的阻抗角都相等的情

况下，振荡中心的位置就位于阻抗中心1/2Z工处。当两侧等效电动势间的夹角（即功角）6

为0°时，两侧电动势相量麻、品与振荡中心的电压相量Uos相同，当6=180。时，Uos-Oo

电力系统振荡与短路时电气量的差异：（1）振荡时三相完全对称，没有负序分量和零序

分量出现；而当短路时总要长时（不对称短路过程中）或瞬时（在三相短路开始时）出现负

序分量或零序分量，三相对称短路时，一般由不对称短路发展而来，短时也会有负序、零序

分量输出。（2）振荡时，电气量呈周期性的变化，其变化速度（dU/dt、dl/dt、dZ/dt

等）与系统功角的变化速度一致，比较慢，当两侧功角摆开至180°时相当于在振荡中心发

生三相短路；而电气量从短路前到短路后其值会突然变化，速度很快，而短路后短路电流、

各点的残余电压和测量阻抗在不计衰减时是不变的。（3）振荡时，若阻抗测量元件误动作，

则在一个振荡周期内动作和返回各一次；而短路时，阻抗测量元件如果动作（区内短路），

则一直动作，直至故障切除，如果不动作（区外短路），则一直不动作。

距离保护的振荡闭锁措施：1.利用电流的负序、零序分量或突变量实现振荡闭锁；2.

利用测量阻抗变化率不同构成振荡闭锁；3.利用动作的延时实现振荡闭锁，即让距离保护IH

段动作的延时大于系统振荡时测量阻抗落入其动作区的时间。

反映电流突变量的故障判断元件是根据在系统正常运行或振荡时电流变化比较慢，而在

系统故障时，电流会出现突变这一特点来进行故障判断的。

电力系统发生短路故障时，测量阻抗Z“由负荷阻抗Zi突变为短路阻抗左；在系统振荡

时，测量阻抗由负荷阻抗缓慢变为保护安装处到振荡中心点的线路阻抗，这样，根据测量阻

抗的变化速度不同就可以构成振荡闭锁。即在一个限定的At时间内，阻抗值能由预设的一

个较大值KZ1变为一个较小值KZ2,则保护才开放。

距离保护启动元件用来完成系统是否发生短路的判断，它仅需要判断系统是否发生了短

路，而不需要判断短路的远近及方向。当电力系统发生故障时，启动元件即动作，在固定输

出时间内若阻抗判别元件动作，则允许距离保护动作。整组复归元件在故障或振荡消失后再

经过一个延时动作，将触发器复归。

距离保护中故障判断的启动元件主要有反映电压、电流中负序分量或零序分量的判断元

件和反映电流突变量的判断元件两种。

3.6故障类型判别和故障选相

目前数字式保护常用相电流差（即两相电流的相量差）的突变量进行选相。

根据测量电流是否含有零序分量判定是接地还是不接地短路。如果是接地短路，在三个

相电流差突变量中如有两个值远大于另一个值则判断出是某单相接地短路，如为一个值大于

另外两个值，则为两相接地短路，该值对应的两相就是故障相。两相非接地短路根据两相电

流突变量远大于第三相电流突变量值判定。

根据测量电流中是否含有负序分量，可确定故障是两相短路还是三相短路，在判为两相

故障的情况下，求三个相电流差突变量的最大值，与之对应的两相就是故障相。

3.7距离保护特殊问题的分析

短路点的过渡电阻&是指当接地短路或相间短路时，短路点电流经由相导线流入大地

流回中性点或由一相流到另一相的路径中所通过物质的电阻，包括电弧电阻，中间物质的电

阻，相导线与大地之间的接触电阻，金属杆塔的接地电阻等。

相间故障时，过渡电阻主要由电弧电阻组成。电弧电阻大小与电弧弧道的长度成正比，

而成电弧电流的大小成反比。相间故障的电弧电阻一般在数欧至十几欧之间。

导线接地短路时，对于500KV的线路，最大过渡电阻可达300Q,而对220KV线路，最

大过渡电阻约为100Q。

距离保护装置距短路点越近时，受过渡电阻影响越大；同时，保护装置的整定阻抗越小

（相当于被保护线路越短），受过渡电阻的影响越大。

单侧电源线路上在没有助增和外汲分支时，过渡电阻中的短路电流与保护安装处的电流

为同一个电流。过渡电阻的存在总是使继电器的测量阻抗值增大，阻抗角变小，保护范围缩

短，会出现保护拒动或越级跳闸。

双侧电源线路上，保护安装处的总测量阻抗可能会因过渡电阻的影响而减小，严重情况

下，可能使测量阻抗落入其距离保护I段范围内，造成误动，这种因过渡电阻的存在而导致

保护测量阻抗变小，进一步引起保护误动作的现象称为距离保护的稳态超越。也可能造成测

量阻抗的增大，使n段保护拒动。

接地故障时，过渡电阻远大于相间故障的过渡电阻，所以过渡电阻对接地距离元件的影

响要大于对相间距离元件的影响。

在整定值相同的情况下，动作特性在+R轴方向所占的面积越小，受过渡电阻R,的影响

就越大。反之，耐受过渡电阻的能力越强。因此偏移圆阻抗动作特性比方向圆耐受过渡电阻

的能力强。

四边形特性测量元件的上边适当的向下倾斜一个角度，可以有效地避免稳态超越问题。

在远距离的高压或超高压输电系统中，为了增大线路的传输能力和提高系统的稳定性，

可以采用线路串联补偿电容的方法来减小系统间的联络阻抗。

系统发生不对称短路后，负序电源在故障点处，负序电流由故障点经线路等流向系统中

性点。

3.8工频故障分量距离保护

系统故障时，相当于系统故障分量状态突然接入，电压、电流的故障分量，就相当于无

源系统对于故障点处突然加上的附加电压源的响应。

在任何运行方式、运行状态下系统故障时，保护安装处测量到的全电压及、全电流im

可以看作是故障前状态下电压/“、电流i：°J与故障分量电压Au、电流Ai的叠加。即U.

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=u