电力系统继电保护技术 第4版 课件 第4章 输电线路距离保护1

4.1距离保护概述1、距离保护的作用

原因：电流保护区随系统运行方式而变化，有时电流速断保护或限时电流速断保护的保护范围将变得很小，甚至没有保护区。对长距离、重负荷线路，线路的最大负荷电流可能与线路末端短路时的短路电流相差甚微，采用过电流保护，其灵敏性也常常不能满足要求。4.1距离保护概述在高电压、结构复杂的电网中，自适应电流保护的优点还不能得到充分发挥。2、距离保护的基本原理工作原理：距离保护是反应故障点至保护安装处之间的距离，并根据该距离的大小确定动作时限的一种继电保护装置。特点：故障点距保护安装处越近时，保护的动作时限就越短；反之，故障点距保护安装处越远时，保护的动作时限就越长。

4.1距离保护概述故障点总是由离故障点近的保护首先动作切除，从而保证了在任何形状的电网中，故障线路都能有选择性的被切除。距离保护核心元件：阻抗继电器。阻抗继电器：测量故障点至保护安装处的距离。方向阻抗继电器不仅能测量阻抗的大小，而且还应能测量出故障点的方向。4.1距离保护概述原理：测量故障点至保护安装处的阻抗，实际上是测量故障点至保护安装处的线路距离。假设：电压、电流互感器变比等于1。加入继电器电压、电流为、。测量阻抗工作电压：4.1距离保护概述设阻抗继电器安装在线路M侧：特点：1）正向保护区外短路时，工作电压大于0。4.1距离保护概述2）正向保护区内短路时，工作电压小于0。3）反向短路，工作电压大于0。

结论：检测工作电压的相位变化，不仅能测量出阻抗的大小，而且还能检测出短路故障的方向。1、极化电压设极化电压与测量电压同相位，以极化电压作为参考相量。4.1距离保护概述区内区外注意：极化电压只作相位参考量，不参与阻抗测量，任何时候其值不能为零。4.1距离保护概述动作方程或极化电压作用：1）极化电压是按相位比较原理工作的方向阻抗继电器工作所必须。数值过大或过小都是不适宜的。4.1距离保护概述2）可保证方向阻抗继电器正、反向出口短路故障时有明确的方向性。3）根据比相原理的阻抗继电器性能特点的要求，极化电压有不同的构成方式，可获得阻抗继电器的不同功能，改善阻抗继电器性能。

2、插入电压令4.1距离保护概述区内短路，大于。插入电压一般与测量电压同相。区外短路，小于。4.1距离保护概述3、距离保护时限特性距离保护的动作时限与保护安装处到短路点间距离的关系，即的关系称为时限特性。与三段式电流保护类似，具有阶梯时限特性的距离保护获得了广泛的应用。4.1距离保护概述4、距离保护的构成

距离保护构成：三段式距离保护装置一般由启动元件、方向元件、测量元件、时间元件组成。4.1距离保护概述启动元件:发生故障瞬间启动保护装置。可采用反映负序电流构成或负序与零序电流的复合电流构成，也可以采用反映突变量的元件作为启动元件。方向元件：是保证动作的方向性，防止反方向发生短路故障时，保护误动作。4.1距离保护概述测量元件：用阻抗继电器实现，主要作用是测量短路点到保护安装处的距离（或阻抗）。时间元件：主要作用是按照故障点到保护安装处的远近，根据预定的时限特性动作的时限，以保证动作的选择性。4.1距离保护概述

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主讲人：许建安4.2阻抗继电器教学要求：掌握各种阻抗继电器特点及应用范围，整定阻抗、测量阻抗及动作阻抗意义；比幅与比相间的转换。阻抗继电器作用：阻抗继电器是距离保护的核心,其主要作用是测量短路点到保护安装处的距离。

加入阻抗继电器的电压与电流的比值称为测量阻抗。4.2阻抗继电器为了方便比较，通常将测量阻抗与整定阻抗画在同一阻抗复数平面上。4.2阻抗继电器

所表示的直线段为继电器动作区，直线以外的区域为非动作区。

由于互感器的误差，直线形动作特性不能采用的，必须扩大保护区。4.2阻抗继电器4.2.1圆特性阻抗继电器1、全阻抗继电器动作方程：特点:1)圆的半径为整定阻抗；2)圆内为动作区；3)动作不具有方向性。4.2阻抗继电器圆的动作方程为：方程两边乘以电流,则方程为若令整定阻抗为：物理意义：正常运行时，电压为额定电压、电流是负荷电流，方程不满足条件，即继电器不动作；当在保护区内发生短路故障时，电压降低，电流增大，方程满足条件，保护起动。4.2阻抗继电器动作方程两边同乘以测量电流,则方程为若令整定阻抗为：2、方向阻抗继电器4.2阻抗继电器动作方程：4.2阻抗继电器

方向阻抗继电器以电压形式表示的动作方程为：特点：1）动作具有方向性；2）圆的直径为整定阻抗；3）圆内为动作区。缺点：当加入继电器的电压等于零时，保护存在动作死区。4.2阻抗继电器由于在保护安装出口处发生三相短路时，加入继电器的电压为零，存在动作死区。实用的方向元件必须解决保护动作死区问题。动作阻抗：使阻抗继电器启动的最大测量阻抗。整定阻抗：指保护安装处至保护区末端阻抗。4.2阻抗继电器特点：当加入继电器电压与电流之间的相位差为不同数值时，动作阻抗也随之而变。处于灵敏角状态下动作阻抗具有最大值，保护区最长，即最灵敏。当测量阻抗角等于整定阻抗角时，此时动作阻抗具有最大值，将此角度称为灵敏角。4.2阻抗继电器比幅特性与比相特性间的转换：动作方程为：4.2阻抗继电器动作方程用电压形式表示时，其方程为：缺点：当加入继电器电压为零时，也无法比相。存在动作死区。4.2阻抗继电器3、偏移特性阻抗继电器动作方程：4.2阻抗继电器圆的半径为：其中动作方程可表示为：4.2阻抗继电器当，方程为：当，方程为：全阻抗继电器4.2阻抗继电器偏移特性阻抗继电器比相形式动作方程：4.2阻抗继电器以电压形式表示动作方程为：4.2阻抗继电器小结：1）测量阻抗：由测量电压与测量电流的比值，大小与短路点到保护安装处远近有关；2）整定阻抗：一般取保护安装点到保护范围末端线路的阻抗；3）动作阻抗：使阻抗继电器动作的最大测量阻抗。4.2阻抗继电器4.2.2多边形阻抗继电器

多边型阻抗继电器反应故障点过渡电阻能力强、躲过负荷能力好，在微机保护中应用的相对广泛。1、四边形阻抗继电器4.2阻抗继电器动作方程：特点：测量阻抗落入四边形区域内，保护动作。但保护不具方向性。4.2阻抗继电器2、方向性多边形阻抗继电器

为了减小过渡电阻对阻抗保护的影响，各边都采用了倾斜角，特性如图所示。4.2阻抗继电器动作方程：方向判别的动作方程为：4.2阻抗继电器3、零序电抗继电器

为克服单相接地短路时过渡电阻对保护区的影响，使阻抗继电器动作特性适应附加测量阻抗的变化、保护区稳定不变，零序电抗继电器是广泛采用的一种阻抗继电器。其动作特性是过整定阻抗端点有一个倾角的直线。4.2阻抗继电器

送电侧受电侧

若附加测量阻抗角等于倾斜角，则动作特性与附加阻抗平行。则保护区不受过渡电阻的影响。4.2阻抗继电器动作方程为：4.2阻抗继电器小结：（1）多边形特性阻抗继电器与直线形零序电抗继电器在微机保护中被广泛应用；（2）其最大优点是躲过过渡电阻能力比较强；（3）同时可以采用带方向性。4.2阻抗继电器

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主讲人：许建安4.3阻抗继电器接线1、对阻抗继电器接线要求１）阻抗继电器的测量阻抗应正比于短路点到保护安装处之间的距离；２）阻抗继电器的测量阻抗应与故障类型无关，也就是保护范围不随故障类型而变化；3）阻抗继电器的测量阻抗应不受短路故障点过渡电阻的影响。4.3阻抗继电器接线2、反映相间短路故障接线当时，加在继电器端子上电压与电流的相位差为零。接线定义：加入相电压与同相电流时：4.3阻抗继电器接线测量阻抗可正确反应三相短路故障。4.3阻抗继电器接线故障相电压为：测量阻抗为：4.3阻抗继电器接线保护安装处相间电压为：测量阻抗为：4.3阻抗继电器接线

为了正确反映保护安装处到短路点之间的距离，必须加入相间电压与同名相的两相电流差。继电器1继电器2继电器34.3阻抗继电器接线各种相间短路故障时的测量阻抗:1、三相短路保护安装处母线电压为：4.3阻抗继电器接线阻抗继电器1测量阻抗为：说明在被保护线路发生三相金属性短路故障时，三个阻抗继电器的测量阻抗均等于短路点到保护安装处的阻抗。4.3阻抗继电器接线2、两相短路（BC）故障相间电压为：4.3阻抗继电器接线阻抗继电器2的测量阻抗为：

保护区内BC两相短路时，阻抗继电器2能正确地测量保护安装处至短路点间的阻抗。

阻抗继电器1、3所加电压有一相非故障相电压，电流只有一相故障电流，其测量阻抗较大。4.3阻抗继电器接线3、两相接地短路保护安装处故障相电压4.3阻抗继电器接线阻抗继电器2测量阻抗为：

上式可见，BC两相接地短路故障时，阻抗继器2能正确测量短路点至保护安装处的距离。4.3阻抗继电器接线将故障点电压和电流分解为序分量，则3、反映接地接线4.3阻抗继电器接线保护安装处三序分量电压为4.3阻抗继电器接线保护安装处A相电压为：4.3阻抗继电器接线若加入继电器电压、电流为则测量阻抗为4.3阻抗继电器接线

为了正确测量阻抗，加入继电器电压、电流应为：其中：测量阻抗4.3阻抗继电器接线

显然，加入相电压、带零序电流补偿的相电流，阻抗继电器就能正确测量保护安装处至短路点间距离。继电器1继电器2继电器34.3阻抗继电器接线4、反应突变量阻抗继电器（1）反应工作电压相位变化极化电压取工作电压前一个周期的值，记为：

动作方程为：4.3阻抗继电器接线原理：反映阻抗继电器工作电压相位突变或幅值突变构成的阻抗继电器。阻抗继电器测量的是工作电压前、后周期的相位变化，在稳定状态下阻抗继电器不可能动作，只有在发生短路故障后的第一个周期才有可能动作，所以称为突变量阻抗继电器。反映接地短路故障动作方程为：4.3阻抗继电器接线

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主讲人：许建安4.4选相原理

一个CPU判断十种故障类型和相别耗时太长，因此要求在处理故障之前，预先进行故障类型和相别的判断。识别出故障相别后，将相应的电压、电流量取出，送至故障判别处理程序，可大量节约时间。当然对故障类型和相别判断必须要有足够准确性。选相元件只承担选相任务，不承担测量故障点距离和故障方向的任务。4.4选相原理要求：1）在保护区内发生任何形式的短路故障时，能判别故障相别，或判别出是单相故障还是多相故障。2）单相接地故障时，非故障相选相元件可靠不动作。3）在正常运行时，选相元件应该不动作。4）动作速度要快。4.4选相原理故障选相流程：4.4选相原理1、相电流差工频变化量选相原理：利用系统发生短路故障时两相电流差的变化量的幅值特征来区分各种类型故障。利用对称分量法可得：4.4选相原理为分析方便，设1）A相接地短路故障两非故障相电流差为零。4.4选相原理2）两相短路（BC）两相故障相电流差最大。4.4选相原理3）三相短路三个两相电流差故障分量相等。4.4选相原理4）两相接地（BC）若金属性短路，k为实数且0＜k＜1一般情况下两相接地短路与两相短路相同，故障相电流差最大。4.4选相原理2、对称分量选相原理：先判断是否存在零序分量，排除三相短路和两相短路，再用零序电流和负序电流进行比较，分析单相接地短路和两相接地短路的区别。（1）单相接地短路4.4选相原理4.4选相原理定性分析设（1）A相接地时，（2）B相接地时，和（3）C相接地时，和4.4选相原理（2）两相接地短路4.4选相原理（3）选相方法以基准选相区域，落在在不同相位区，对应了不同的接地故障类型和相别。

4.4选相原理

虽然可以用电流大小来区别两种故障，但是测量电流受负荷电流影响，不能实现准确判别，特别在接地电阻较大时。

（1）当时，若在内，则判为两相接地短路故障。4.4选相原理4.4选相元件2、余弦电压选相4.4选相原理＞4.4选相原理如果不计电阻分量，

简化为：若取4.4选相原理测量阻抗为：其中：4.4选相原理BC相经过渡电阻短路时，测量阻抗为4.4选相原理4.4选相原理只要能覆盖的动作区，余弦电压元件会动作。动作判据为＜＜4.4选相原理

发生接地短路故障时，满足A相为特殊相条件，则A相或BC相接地短路故障。若元件动作，则判为BC接地短路故障。若不动作，判A相接地短路故障，实现了选相。4.4选相原理小结：1）为了能正确地测量短路点至保护安装处的阻抗，分别装设了相间短路和接地短路距离保护。2）微机保护中采用选相，其目的是为节约微机时间。3）要求故障类型及相别判断准确性要高。4.4选相原理4）选相元件仅承担选相任务，不承担测量故障点距离和故障方向。5）相电流差工频变化量选相原理是比较幅值大小。6）余弦电压选相是利用故障点过渡电阻特征。4.4选相原理

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4.6启动元件1、启动元件的作用（1）闭锁作用。因启动元件动作后才给上保护装置的电源，所以装置在正常运行发生异常情况时是不会误动作的，此时启动元件起到闭锁作用，提高了装置工作的可靠性。（2）在某些距离保护中，启动元件与振荡闭锁启动元件为同一个元件，因此启动元件起到了振荡闭锁的作用。4.6启动元件（3）若保护装置中第Ⅰ段和第Ⅱ段用同一阻抗测量元件，则启动元件动作后按要求自动地将阻抗定值由第Ⅰ段切换到第Ⅱ段。当保护装置采用Ⅱ、Ⅲ段切换时，同样按要求能自动地将阻抗定值由第Ⅱ段切换到第Ⅲ段。（4）当保护装置只用一个阻抗测量元件来反应不同短路故障形式时，则启动元件应能按故障类型将适当的电压、电流组合加于测量元件上。4.6启动元件2、对启动元件的要求（1）能反应各种类型的短路故障，即使是三相同时性短路故障，启动元件也应能可靠启动。（2）在保护范围内短路故障时，即使故障点存在过渡电阻，启动元件也应有足够的灵敏度，动作可靠、快速，在故障切除后尽快返回。4.6启动元件（3）被保护线路通过最大负荷电流时，启动元件应可靠不动作；电力系统振荡时启动元件不允许动作。（4）当电压回路异常时，阻抗继电器可能发生误动作，此时启动元件不应动作，为此启动元件应采用电流量，不采用电压量来构成启动元件。4.6启动元件（5）为能发挥启动元件的闭锁作用，构成启动元件的数据采集、CPU等部分最好应完全独立，不应与保护部分共用。3、负序、零序电流启动元件距离保护启动元件：1）电流元件2）阻抗元件3）负序和零序电流元件4）电流突变量元件等4.6启动元件电流启动元件优缺点优点：简单可靠、电压回路断线失压不误启动在较高电压等级的网络中，灵敏度难于满足要求，且振荡时要误启动，只适用于及以下网络的距离保护中。不对称短路特点：一般三相短路是由不对称短路发展而成，所以在三相短路的初瞬间也有负序电流出现。4.6启动元件零序电流启动：提高启动元件灵敏度，与负序电流共同构成启动元件。4、序分量滤过器算法获取负序零序分量方法1）用负序、零序滤过器2）微机保护中，通过算法实现4.6启动元件1、直接移相原理的序分量滤过器对于序列相应公式为4.6启动元件

设每周采样12点，即N=12，根据移相时的数据窗不同有不同的算法。当时，电压相位相对于时滞后角度，对应采样值为当分别为8和4时，电压相量旋转了