继电保护讲义-阻抗继电器的接线方式

阻抗继电器的接线方式

一、阻抗继电器接线的基本要求

为使阻抗继电器能正确测量短路点到保护安装处的距离，加入继电器的电压电流

乙应满足以下基本要求:

（1）测量阻抗Zm应与短路点到保护安装处的距离成王比；

（2）测量阻抗Zm与短路形式无关，即备不随同••短路类型的不同短路形式而改变。

短路类型分为相间短路和接地短路两种。每种类型又有不同的短路形式，如接地短路

有单相和两相接地短路两种形式。对于一阻抗继电器接线方式的命名方法与功率方向继电器接

线方式的命名方法相同.

二、相间短路阻抗继电器的接线方式

（-）相间短路阻抗继电器的0°接线方式

这种接线方式广泛应用在相间

距离保护中，为了反应各种相间短路

故障，在AB、BC、CA用间分别接

入一只阻抗继电器来反应对应的相

间短路，原理接线如图5-20所示。各

只

阻抗继电器接入的电压Um和电流

im如表5-i所示。根据功率方向继电

器接线方式命名方法，

abc

cos（p=1时，接入阻抗继甩器的、图5-20相间短路阻抗继电器的0°接线

],“同相位，故称为0接线。

表5-10°接线方式接入的电压和电流

继电器标号

KIABUabia-ib

X7BCUbe

1

KICA匕.〃

ic-ia

在以下分析中，假设：互感器变比为1,短路点到保护安装处的距离为/(km),线路

自感抗为马(。/km),互感抗为ZM(。/km),单位正序阻抗ZI=ZZ-ZM(。/km),负荷

阻抗ZL(Q),距保护安装处/公里发生短路。

1.三相短路

如图5-21(a)所示，由于三相短路是对称的，三只电器工作情况完全相同，故仅以44

(b)(C)

05-2100D00D000000

0aO000000bOAOBOD0000cOADBO00000

相阻抗继电器为例进行分析。由表5-1可知，加入继电器的电压和电流为

3=u=u-u=口-0=

ahah(5-42)

根据表5-1,48相测量阻抗为

Zm=%=¥=Zab=Z1/

(5-43)

1m1ab

2.两相短路

如图5-21(b)所示，以UP短路为例，此时存在卜列关系式

u=izuu=u=iziu

aa,kahh,+kh(5-44)

AB相测量阻抗为

(5-45)

1m

与三相短路时测量阻抗相同。BC.。相阻抗继电器所加电压为非故障相电压,数值较

高，而加入的电流为一相的短路电流，数值较小，因而测量阻抗大，相应的继电器不动作。

但三只阻抗继电器是经“或”门控制跳闸出口回I路的，因此，只要有一只继电器工作，就可

2

以保证整套距离保护正确工作。

3.两相接地短路

如图4-21(c)所示，可将4相和3相看成两个“导线一大地”的输电线路，则故障相

电压为

(j=izi+iz,.i

a.7.h(5-46)

%=-Z/J

AB相阻抗继电器的测量阻抗为

z"m)(Zzf/g7)

】ablaf

由式(5-47)可知，4、8两相接地短路时，测量阻抗也与三相短路时相同。

由上述分析可见，阻抗继电器的0°接线对各种相同短路，其测量阻抗都等于短路点到

保护安装处的线路正序阻抗,满足了接线方式的基本要求。

(二)阻抗继电器的±30°接线方式

如表5-2所示，相间短路时阻抗继电器还可以采用±30°接线方式，即+30°和-30°

两种方式。

表5-2±30°接线方式接入的电压和电流

+30°-30°

飞KJABK/HCKICAK/AHKIBCKICA

Um%UbeUca%3cLa

2〃4)2AA)2〃乙)-2/M)

1.正常运行

三相对称，可只分析44相阻抗维电器。由于取接入继电器的电压为〃岫,电流为北或

2乙，当功率因数必忻1时"落后。砧30°,因此，称为+30。接线；同理，在接入电压取

Um，电流为-乙或-2八时，-(超前。历30°,称为-30°接线。其它相的阻抗继电器接

入的电压。用电流lm如表5-2所示。接入AB相阻抗继电器的电压为

L=口=。-力Z/.=fa43e^ZL(548)

3

对于+30。接线，取乙=2乙,其测量阻抗为

7_ihiL_@70+户0。

乙必+30°)—3J―-f5%(5-49)

对于-30。接线，取十=-2治=21/。,其测量阻抗为

Z…="=生产(5-50)

式（5Y9）和式（5-5。）说明‘正常运行时'测量阻抗在数值上是每相负荷阻抗的半倍'

在相位上，对于+30°接线和-30°接线，测量阻抗分别向超前和滞后每相负荷阻抗的方向旋

转了30°。

2.三相短路

与正常运行相似,如图5-21（相所示,将短路点到保护安装处的正序阻抗Z"替换负

荷阻抗ZL，可得三相短路时±30°接线方式的测量阻抗表达式

Z…=#邛卬叱

(5-51)

7-—(5-52)

,皿一吩）-2/,,

J7

式（5-51）、式（5-52）表明，测量阻抗在数值上是每相短路正序阻抗的匚倍，相位

2

则比线路阻抗角8k偏移±30°。

3.两相短路

如图5-21（b）所示，月8两相短路时接入继电器的电压为

Um=Uab=(L-ib)Z\i=2i,Z,i(5-53)

对于+30°接线，取乙=21,则测量阻抗为

Zj(+30*)~Z\l(5-54)

对于-30。接线，取乙=-2乙=2乙,则测量阻抗为

Zj<-30。)=Z\l(5-55)

由式（5-34）、式（5.35）可知，两相短路时，阻抗继电器采用±30°两种接线方式,

具测量阻抗都等于短路点到保护安装处的正序阻抗，测量阻抗角8m等于线路正序阻抗角伙。

4

由以上分析可见，若阻抗继电器采用±30°接线方式，则在线路上同一点发生同类型不

同形式的短路时，其测量阻抗的大小、相位各不相同。因此，这种接线方式的采用有一定的

局限性。

（1）全阻抗继电器：采用±30°接线方式时，不宜作测量元件。由于全阻抗继电器的动

作阻抗与角度无关，而测量阻抗在三相短路时为立Z/两相短路时则为Z.1,对不同的短

2

路形式，保护范围不同.

（2）方向阻抗继电器：采用±30°接线方式时，可以作为测量元件。对于方向阻抗继电

器来说，虽然测量阻抗在同一点两相短路与三相短路时的幅值不同，但都处于动作边界，因

此，采用±30°接线的方向阻抗继电器对两种形式的短路具有相同的保护范围。当选择两相

短路的测量阻抗为整定阻抗，即ZseLZ”时，方向阻抗继电器的动作特性是一个以Z/为直

杼、最灵敏角仍由等于线略阻抗角佻的圆.如图5-22所示。当同一点发牛三相短路时，继

电器的测量阻抗Zm（±30）分别向超前和滞后线路

阻抗的方向旋转30°,减小为ZJcos（±30。），

即Jz/正好处于动作特性边界。

2

（3）方向阻抗继电器采用±30°接线可以提

高躲过负荷阻抗的能力。在输电线路的送电端，

采用-30°接线时，正常情况下的继电器测量阻

图5-22方向阻抗继电器采用±30°接线

在相间短路时的测量阻抗

抗为Zg,=YZ”,它将ZL顺时针旋转及提高输送功率能力说明图

了30°,如图5-22所示。当功率因数为0.9时，Zmio»远离动作区,落在第IV象限，可

靠躲开了负荷阻抗。同理，方向阻抗继电器在受电端采用+30°接线时，具有相同的效果。

注意：在输电线路的受、送电端±30°两种接线不能用精，对于负荷电流可能双向流动的线

路，也不宜采用。

此外，这种接线方式比较简单，电流互感器负担也较轻，可用于圆特性的方向阻抗继

电器和作起动元件时的全殂抗继电器。

三、接地短路阻抗继电器的接线方式

在中性点直接接地的电网中，当零序电流保护不能满足要求时;通常考虑采用接地距离

5

保护配合零序过流保护。接地距离保护中阻抗继电器的主要任务是在电网中发生接地短路时,

正确反应短路点到保护安装处的距离。因此，应分析阻抗继电器采用怎样的接线方式才能满

足准确测量的要求。

在单相接地时，只有故障相电压最低，电流最大，而其它非故障相间电压仍较高，根

据阻抗继电器的构成原则，继电器应接入故障相电压和电流。例如，反应A相接地的继电

器接入

u=0,

：'.八(5-56)

1m=.

这种接线方式能否满足要求，需作具体分析。

设短路点电压为U&A，保护安装处母线电压为U.，短路电流为/八，若采用对称分量表

示，则短路时，短路点有

UKA~+U必2+U心0=°

(5-57)

1KA~/⑼+,心2+'心0

保护安装处有

U=U+U.+UA

AMAA(5-58)

'A=Ai+AO.

按照各序等效网络，在保护安装处母线上各对称分量电压与短路点的各对称分量电压之

间，具有以下关系

UA\='AZII+0KAi

U

iA2人ZJ+UKA1(5-59)

U=3。/+。KAO

则保护安装处母线电压为

以=。川+a2+如。

=z"++(U+U2+°KAO)

/川iA2Z21+iAQZQI心］心

7

=4%+晨+”)(5-60)

7_7

=Z,Z(/A+340^-^)

D乙।

阻抗继电器的测量阻抗

6

Z,L*Z"(1+A^L)

(5-61)

1A1AZl

显然，测量阻抗Zm与比值9■有关，而该比值与电网中性接地点的数H和位置有关，

/八

不为常数，因此，继电器不能准确地测最短路点到保护安装处的距离。

考虑从零序电流互感器或零序电流虑过器得到的零序电流为3北0,旦3/八。=3/0,当

取接入阻抗继电器的电压、电流为

力=UA

u=U

Z-Z,H或mA(5-62)

lm=M+3,o()An=L+。3,0

时，即能满足测量要求。

式中a=Zo-4,为补偿系数，

34

一般认为零序阻抗角等于正序阻

抗角，因而a是一个实数，这样，

继电器的测量阻抗应为

UtnZ,/(/.+a3/0)

ZMJ=——=—：------：—=ZJ

乙〃+a3/。

(5-63)

可见，式(5-63)与按0,接线的

相间短路阻抗继电器有相同的测

量值，因此，接线方式称为阻抗ABCN

?5-23QQQQQQQQQNQQQQQ

继电器带有零序电流补偿的0°接

线。这种接线方式在接地电离保护和综合重合闸的选相元件中得到广泛应用。

为了反应各相的接地短路，接地距离保护也必须采月三只阻抗继电器，其原理接线如图

5-23所示。每只继电器接入的电压““、电流匕分别为：。八，IA+a3/0；UB,IR+«3/0；

Uc,ic+a3/°o

对于相间故障采用(),接线和接地故障采用带有零序电流补偿0°接线的阻抗继电器。

目前还有应用于微机距离保护的工频变化量阻抗继电器和交叉极化阻抗继电器。

7

（四）工频变化量阻抗继电器

1.工作原理

工频变化量阻抗继电器是反应故障前后电压、电流二频变化量而进行工作的。当电力系

统发生短路时〔如图5-24（a）所示），根据叠加原理，相当于在短路点加入与短路前电压大

小相等、方向相反的附加电压入此时系统状态为短路前负荷状态（如图5-24（b）所示）

与附加电压二—月产生的短路状态（如图5-24（c）所示）的叠加，因此，工频变化量

阻抗继电器只考虑如图5-24（c）所示的短路附加状态。

在图5-24中，K点发生短路时工频变化量为：

保护安装处电流变化量为

\E

-ALK(5-64)

K

Z+5Z人

电压变化量为

△Um=-N=\EK+A/ZK(5-65)

继电器工作电压（补偿电压）为

=A"”-=-A乙(Z,十Z®)(5-66)

比幅式上频变化量阻抗继电器的动作判据为

8

(5-67)

式中U:一门槛电压，通常取保护安装处故障前电压记忆量。

对天相间故障，继电器工作电压为

(5-68)

m=AB,BC,CA

对于接地故障，继电器工作电压为

AU：,=A”「(4,”+M37°)ZE

(5-69)

m=A,ByC

如图5-25所示为保护区、内外不同地点发生金属性短路时短路状态的电压分布。假设

短路前为空载，且门槛电压为

4=|瑞|

(5-70)

如图5-25(b)所示，当保护区

内K点短路时，在M侧电源

至△瓦连线的延长线上，可知，

火火,卜阻,满足动作判据，继

电器动作；

如图5-25(c)所示，当保护区

外K2点短路时，瓦；在M侧电源

至△瓦的连线上，

不满足动作判据，继电器不动作；

图5-25保护区内、外不同点金属性短路时的电压分布

(a)系统图：(b)区内占点短路：

如图5-25(d)所示，当保护反

(c)区外卜点短路：(d)反方向向点短路

方向K点短路时，在N侧电

源至△瓦的连线上，

不满足动作判据，继电器不动作；

由上述分析可知，只有保护区内短路时，按工频变化量原理构成的阻抗继电器满足动作

9

判据，能够动作。

2.动作特性分析

（1）如图5-26所示为正方向K点短路时，动作特性分析的等值网络。

设门槛电压

6=阻

其中

叫=-认［（4+/）+&『］

ja

=-^im［Zs+（Zk+Rtre）］

=-（z$+z^,）

（5-71）

式中6%—为对侧电源助增系数;

ia

Zm=Zk+Rtre，为经过渡电阻

图5-26正方向短路时的等值电路

短路时的测量阻抗。

则继电器的工作电压为

(5-72)

=-认0

由动作判据

可得

|-认(Z,+z^)|>|-M(Z,+Zj|(5-73)

区+z以平s+z“J(5-74)

式（5-74）表明，继电器在阻抗平面的动作特性是以向导-Z,末端为圆心，以+Zj

为半径的圆，圆内为动作区，如图5-27（a）所示，继电器允许短路点有较大过渡电阻。

10

(2)如图5-28所示为反方向4点短路时的等值电路，假设U：二|△心)

分析图5-28可知

△&=△0(Z；+Z,“)(5-75)

△U-”一△&

=Mm(Z；—Zsel)

(5-76)

由继电器的动作判据

图5-28反方向短路时的等值电路

可得

|A/,M(Z.：-Z,VJ|>|A/W(Z：+ZJ|

|Z,：-Zj>|Z.；+Zj(5-77)

«g|Z；-Zj>|(-ZJ-Z；|

由式(5-77)可知，瞬电器测量阻抗-Z.在阻抗平面的动作特性是以向量Z：末端为圆

心，以为半径处于第一象限的圆，圆内为动作区，如图5-27(b)所示，而反方

向短路时测显阳杭Z,“总是在第三象限，因此，继电器有明确的方向性，而FI1频变化量阳

抗继电器允许短路点较大的过渡电阻，目前已应用于微机距离保护中，收到了良好的工作效

果，受到一致的好评。

(五)交叉极化阻抗继电器

1、工作原理

11

交叉极化阻抗继电器是比较补偿电压即继电器的工作电压与极化电压。加的相位

而工作的。极化电压U%为比相的参考

量。如图5-29（a）所示，补偿电压定义

为保护安装处母线电压心，与被保护线

路电流在整定阻抗上的压降

/,”Z®之差。即

U：,=Ujz如(5

-78)

1）保护区末端木点短路时Zk=Zset

补偿电压

f

Om=Om-itnzset

图5-29不同地点短路时短路点电压与补偿电压关系

二'，"©•—Zset)+Uktrem

⑶系统图：（b）和点短路时电压相量图：（c）用点短路时电压相量图;

（d）©点短路时电压相量图；（e）心点短路时电压相量图；

(5-79)

式中Uj由一故障点残存电压。

由图5-29（b）可知，补偿电压与故障点电压同相位。

2）保护区内ki点短路时Zk<Zsct

补偿电压

(5-80)

=i<Zk-z»J

由图5-29（C）可知，补偿电压落后于故障点电压口匕厘”。

3）保护区外正方向角点短路时Zk>zset

补偿电压

(5-81)

=im(Zk-Zxel)4-Uk.rent

由5-29（d）所示可知，补偿电压超前于故障点电压0人皿,。

4）保护区反方向M母线心点短路时，N侧电源供给短路电流％=-乙，且

12

补偿电压

ur=u-iz

mmmset(5-82)

~k.retnhn^set

由图5-29(e)可知，超前于6\加。

因此，可将故障点电压。匕…,极化后作为比相的参考极化电压U.。，由于极化电压Uh与

补偿电压不是同一相，因而称为交叉极化。将与U7P进行相位比较，补偿电压

落后于故障点电压时，判别为内部故障。依此，可构成理想交叉极化阻抗继电器。

2、动作特性分析

由于保护安装处无法测量故障点电压，实际的继电器都是采用和故障点电压有相位关系

的其它电压作为极化电压，极化电压的选取既要考虑阻抗继电器的特性，还应兼顾继电器在

各种工作状况下的适应能力。对于相间阻抗继电器，比较理想的极化方案有：以第三柱电压

作为极化电压、以超前相相间电压作为极化电压或以正序电压作为极化电压；对于接地阻抗

继电器通常以正序电压作为极化电压。

当取系统正序电压-。作为极化电压U加时，比相动作方程

01

一90。工A-gK90。

UTP

n-jz

即-90°<Arg'-<90°(5-83)

UTP

n-i7

或-90”A年二~<90°

j

显然，交叉极化阻抗继电器的动作特性为方向圆特性。

对于相间故障

m=AB,BC、CA»(5-84)

Un=也

对于接地故障

13

*力-(…3d

in=A,B,C»(5-85)

%=也

下面以相间故障为例，分析交叉极化阻抗继电器的动作特性。

I)三相短路A-9

此时取也

U7P==-um,u'm=um-imzse,

则动作方程为

一90"ArglW90。

UTP

(1-j7

即—90。WA喈i<90°(5-86)