第三讲电网距离保护(毛博士)

电网距离保护东南大学电气工程系毛鹏2005.12概述距离保护在高压线路保护中的地位：

重要＋难点；国内在此方面处于国际领先水平本课程的内容：距离保护的基本原理阻抗继电器动作特性阻抗继电器的实现方式距离保护的整定计算振荡闭锁故障选相特殊问题分析工频变化量距离保护3、电网距离保护

－－3.1距离保护的基本原理与构成1、距离保护的概念问题的提出：更高电压等级的复杂网络中，电流、电压保护不能要求＝》性能更加完善的继电保护原理

本课程的内容：距离保护的基本原理阻抗继电器动作特性阻抗继电器的实现方式距离保护的整定计算振荡闭锁故障选相特殊问题分析工频变化量距离保护3、电网距离保护

－－3.1距离保护的基本原理与构成1、距离保护的概念故障时测量的阻抗特点：反映故障点位置（矢量具有方向性）；有别于负荷阻抗；一般指正序阻抗。3、电网距离保护

－－3.1距离保护的基本原理与构成ZK1

Lzd

K2图3-1距离保护原理示意图Lk1Lk2之

G

~K3Lk3

G

~2、测量阻抗计算的几个前提：金属性故障；正负序阻抗相等。单相接地故障；相间故障；三相故障；故障环的概念：故障环的阻抗测量不受负荷、振荡、非全相的影响。3、电网距离保护

－－3.1距离保护的基本原理与构成2、测量阻抗和故障类型的对应关系3、电网距离保护

－－3.1距离保护的基本原理与构成接线方式故障类型接地距离保护接线方式相间距离保护接线方式A相B相C相AB相BC相CA相单相接地A+－－－－－B－+－－－－C－－+－－－两相接地AB++－+－－BC－++－+－CA＋－＋－－＋两相不接地AB－－－+－－BC－－－－+－CA－－－－－＋三相ABC＋＋＋＋＋＋注

“+”表示能正确反应故障距离；“－”表示不能正确反应故障距离。3、距离保护的时限特性

目前距离保护广泛采用三段式的阶梯时限特性；类同于阶段式过流保护的时间特性。

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－－3.1距离保护的基本原理与构成4、距离保护的构成

就本身而言:测量/比较执行。配合元件：起动元件；选相元件；方向元件；振荡闭锁元件；电路回路断线闭锁。1、动作区域（zone）的概念

在阻抗复平面上，动作范围应该是一个包括Zset对应线段的区域；当测量阻抗ZJ落在这样的动作区域以内时，测量元件就动作；当测量阻抗ZJ落在动作区域以外时，测量元件不动作。这个区域的边界就是测量元件的临界动作边界。

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－－3.2距离保护的基本原理与构成2、动作特性和动作方程

动作特性:阻抗元件动作区域的形状;动作方程:用复数的数学方程来描述；各种常见的阻抗特性：3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成ZzdRjXo图3-9全阻抗特性圆绝对值比较动作方程：相位比较动作方程：1）、全阻抗特性的特点和应用

不具方向性：全阻抗特性在各个方向上的动作阻抗都相同，它在正向或反向故障的情况下具有相同的保护区。单侧电源的系统中；后备保护中（距离Ⅲ）3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成2）、偏移阻抗特性

3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成Zzd2Zzd1RjXo图3-6偏移阻抗特性圆ZJ圆心位于:半径为:绝对值比较原理:Zzd1-ZJ1Zzd2Zzd1RjXo图3-7偏移阻抗特性圆ZJ1ZJ1-Zzd2Zzd1-ZJ2ZJ2-Zzd2ZJ2相位比较原理:2）、偏移阻抗特性的特点和应用

最灵敏角：一般等于阻抗角；偏移特性的偏移率

；主保护（测量式需配方向元件或模阻抗元件）和后备保护中（距离Ⅲ）。3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成3）、方向阻抗特性

3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成圆心位于:半径为:绝对值比较原理:相位比较原理:|Zzd/2|Zzd/2ZzdRjXo图3-8方向阻抗特性圆ZJ方向特性的阻抗元件一般用于距离保护的主保护段（I段和II段）中4）、上抛阻抗特性

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－－3.2距离保护的基本原理与构成圆心位于:半径为:上抛阻抗特性的动作方程与偏移阻抗特性的动作方程式具有完全相同的形式，不同之处在于Zzd2值不同而已。上抛特性的阻抗元件通常用在发动机的失磁保护中。（Zzd1＋Zzd2）/2Zzd2Zzd1RjXo图3-10上抛阻抗特性圆ZJ|Zzd1－Zzd2|/25）、特性圆的偏转

3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成动作的范围是180o时测量元件的动作特性仍是圆，只是发生偏转而已。自适应距离特性呈现这种特性。图3-11特性圆的偏转Zzd2Zzd1RjXoα＝-30oα＝-15oα＝0oα＝30oα＝15oα＝0o相位比较原理:2、苹果形和橄榄形阻抗元件

3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成图3-11特性圆的偏转Zzd2Zzd1RjXoα＝-30oα＝-15oα＝0oα＝30oα＝15oα＝0o相位比较原理:＝＝》Zzd-ZJ1ZzdRjXZJ1Zzd1-ZJ2ZJ2相位比较原理:3、直线特性的阻抗元件

3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成相位比较原理:通用相位比较原理:1)电抗特性jXZJj2XzdjXzdo图3-13电抗特性RZJ-j2XzdZJ-

jXzd12α3、直线特性的阻抗元件

3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成相位比较原理:通用相位比较原理:2)电阻特性

jXZJ2RzdRzdo图3-14电阻特性RZJ-2RzdZJ-

Rzd12θ3、直线特性的阻抗元件

3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成相位比较原理:3)方向特性

ZJ-ZzdZJ+ZzdjXZzdo图3-15方向特性R－ZzdZJ动作的范围是180时测量元件的动作特性仍是直线，只是发生偏转而已；否则形成折线。4、多边形特性的阻抗元件

3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成一般通过解析方程，来组合生成。图3-16多边形特性(a)XzdoZzd2RzdRjX12abzZJ(b)XzdoRzdRjXα1ZJα2α3α4α1α2α4α3(a)四边形特性；(b)准四边形特性θ5、复合特性的阻抗元件

3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成RjX(a)oRjX(b)oR(a)ojXRjX(d)oRjX(e)o(c)(f)oRjX图3-17几种较为常用的复合特性(a)方向圆与电抗特性的复合；(b)方向圆与上抛圆的复合；(c)方向圆与偏移圆的复合；(d)四边形与圆特性的复合；(e)圆与直线特性的复合；(f)四边形与方向特性的复合6、绝对值比较与相位比较之间的相互转换

3、电网距离保护

－－3.2距离保护的基本原理与构成＝＝》ZDZAZBZCZDZAZBZC1、直接绝对值和相位比较的实现方法数字化保护装置中已经与集成电路型大不相同，在此不详细介绍了。3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法2、电压相位法实现的故障区段判断基本原理：工作电压又称补偿电压（一般不变）；极化电压（参考电压）的不同具有不同的动作特性。3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法2、方向阻抗特性方向阻抗特性的优点是测量元件本身具有方向性；测量阻抗ZJ都落在坐标原点附近，都处于动与不动的边沿状态， 即有可能出现正向出口短路拒动或反向出口短路误动的情况。通过电压的比较实现距离的测量和比较；特性分析需转化为阻抗特性来分析。3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法2、以正序电压为极化电压的测量元件

为消除出口死去，引入正序电压作极化电压量；三相电压组合而成的，即在不对称短路时，正序电压中自然包括了非故障相的电压，用它来作为极化电压，就相当于在极化电压中引入了非故障相电压。构成极化电压的正序电压，也应该随着故障类型和相别的不同而不同，它的选取方式应该与测量电压的选取方式一致。故障前后电压相角变化不大。南瑞继保采用此方案。3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法3、正序电压的变化分析

A相单相接地短路：AB相两相接地短路：AB相两相短路：ABC三相对称性短路：3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法4、正序电压为极化的动作特性的分析

正序电压作为极化电压时

的分析公式：单相接地故障时：保护安装处的正序电压：3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法4、正序电压为极化的动作特性的分析

保护安装处的正序电压：假设系统各部分阻抗的阻抗角都相等，则为大于0的实常数，它的存在不会对比相有任何影响，则动作条件又可以表示为：

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－－3.3距离保护的实现方法4、正序电压为极化的动作特性的分析

动作域：Zzd-ZJ－ZM1ZzdRjXo图3-22正序电压极化的测量元件在正向故障时的动作特性ZJZJ＋ZM1出口故障可靠动作；该偏移圆的直径要大得多，因而其耐受过渡电阻得能力要比方向阻抗强；动作区域包括原点并不意味着会失去方向性。

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－－3.3距离保护的实现方法4、正序电压为极化的动作特性的分析

反向故障时保护安装处的测量和正序电压：3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法4、正序电压为极化的动作特性的分析

动作域：反向出口短路时，测量阻抗在原点附近，远离动作区域，可靠不动。反向远处短路时，测量阻抗本身位于第三象限，不可能落入动作圆内，所以也不会动作。这表明，正序电压极化的测量元件具有明确的方向性。

RjXo－ZJZzd3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法4、电压相位法实现的故障区段判断多相故障（两相接地、两相不接地、三相短路）情况下，故障相测量元件的动作特性可采用同样思路分析；假设：故障系统两侧电源的电动势完全相等、各个部分的阻抗角都完全相同、Kc为实数，实际情况下，会有偏转；优点：

测量和区域判断一体；具有许多优良的自适应性能。3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法解决出口三相故障？ 可根据系统短路时，短路前后母线电压的相位基本不变这一特点，利用故障前的记忆电压，作为测量元件的极化电压。5、以记忆电压为极化电压的测量元件

动作的条件为：空载条件下：阻抗动作表达式：与正序电压极化的测量元件一样，记忆电压极化的测量元件在正向出口短路时，测量阻抗明确地落在动作区内，能够可靠地动作，耐受过渡电阻得能力也比方向阻抗强。3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法反向故障，同理可推出：5、以记忆电压为极化电压的测量元件

动作的条件为：空载条件下：阻抗动作表达式：记忆与不对称正序一致；短时有效，需要入段固定的处理策略。3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法动作的方程为：正向故障时阻抗特性：6、零序电抗型的测量元件jXZzd-Zdo图3-24零序电抗特性R动作的特性将进一步下倾动作的特性将上翘3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法动作的方程为：反向故障时的阻抗特性：6、零序电抗型的测量元件jX－ZzdZdo图3-25零序电抗特性反向故障时的动作区RZJ零序电抗特性不具备方向性；在防止距离继电器稳态超越时应用，与基本距离继电器组成复合继电器3、电网距离保护

－－3.3距离保护的实现方法只有实际的测量电流在最大和最小精确工作电流之间，电压大于最小精确工作电压时，三段式距离保护才能准确的配合，其误差已考虑在可靠系数中。7、精确工作电流、电压3、电网距离保护

－－3.4整定计算和评价1、距离保护的整定计算

图3-26距离保护各段动作区域示意图

G

~

G

~RjX2134jXRCABD3、电网距离保护

－－3.4整定计算和评价1）、距离保护第I段的整定应该按躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定：可靠系数取0.8～0.85.2）、距离保护第II段的整定考虑分支系数的影响；与相邻线路距离保护I段相配合：与相邻变压器的快速保护相配合：3、电网距离保护

－－3.4整定计算和评价2）、距离保护第II段的整定灵敏度校验. 距离保护的II段，应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。考虑到各种误差因素，要求灵敏系数应满足：

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－－3.4整定计算和评价3）、距离保护第III段的整定按与相邻线路距离保护II或III段配合整定：按与相邻变压器的电流、电压保护配合整定:按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定:3、电网距离保护

－－3.4整定计算和评价3）、距离保护第III段的整定作为近后备时，按本线路末端短路校验：作为远后备时，按相邻设备末端短路校验：3、电网距离保护

－－3.4整定计算和评价4）、距离保护逻辑示意图5）、距离保护的时限特性3、电网距离保护

－－3.4整定计算和评价2、距离保护的评价3、电网距离保护

－－3.4整定计算和评价保护区稳定、灵敏度高、受运行方式影响小；不能做到全线速动；在元件保护中作为阻抗元件应用；理解和分析比较难，做好不容易。1、振荡闭锁的概念

3、电网距离保护

－－－3.5振荡闭锁功角周期型变化；分静稳破坏和动稳破坏；不是故障，希望保护不动作；电流电压周期型变化；距离保护、（电流保护，一般不用）。1、振荡闭锁的概念

3、电网距离保护

－－－3.5振荡闭锁看波形2、电力系统振荡对距离保护测量元件的影响

3、电网距离保护

－－－3.5振荡闭锁1）、振荡时的阻抗轨迹3、电网距离保护

－－－3.5振荡闭锁2）、特点3、电网距离保护

－－－3.5振荡闭锁电力系统振荡时，距离保护的测量元件有可能因测量阻抗进入其动作区而动作；对称性；周期性；相比故障，变化速率慢。3、振荡闭锁（开放）元件3、电网距离保护

－－－3.5振荡闭锁要求：振荡无故障不误动；振荡不对称故障选相跳闸；振荡三相故障，带延时跳闸。检测元件：突变量元件启动短时开放；稳态量启动直接进入振荡闭锁模块；静稳检测元件。3、振荡闭锁（开放）元件3、电网距离保护

－－－3.5振荡闭锁阻抗变化率（大圆套小圆或遮挡线原理）3、振荡闭锁（开放）元件3、电网距离保护

－－－3.5振荡闭锁不对称开放条件：对称开放条件：其他开放条件等。1、选相作用3、电网距离保护

－－－3.6选相准确测量；分相出口。2、相电流差突变量选相元件先计算三个突变量的有效值并找出其大小顺序。利用（大－中）<<（中－小）这一判据，可以将单相接地和两相短路接地很好地区分出来。2、相电流差突变量选相元件3、电网距离保护

－－－3.6选相故障时突变量特征分析故障A-G0B-G0C-G0表2：两相相间短路接地故障BC-GCA-GAB-G表1：单相接地2、相电流差突变量选相元件3、电网距离保护

－－－3.6选相2、相电流差突变量选相元件3、电网距离保护

－－－3.6选相模量计算，简单、快速；灵敏度高，尤其是区分单相和两相故障；多用于快速段；在机端，当正、负序阻抗不同时，灵敏度受影响；相电压差突变量选相元件可以得出同样的结论：弱馈，电压波形比电流好（暂态分量、包含等）。3、稳态量选相元件3、电网距离保护

－－－3.6选相不同故障下正、零和负序的相位关系A相接地

B相接地

C相接地图1单相接地短路时序分量相位关系图3、稳态量选相元件3、电网距离保护

－－－3.6选相不同故障下正、零和负序的相位关系BC相接地CA相接地AB相接地图1两相接地短路时序分量相位关系图3、稳态量选相元件3、电网距离保护

－－－3.6选相序分量选相原理序分量选相中接地故障采用零、负序分量的相对相位关系结合阻抗选相，不接地故障采用阻抗选相。序分量选相是根据不同故障情况下负序及零序电流相对相位来确认的，相区的划分如下图所示：3、稳态量选相元件 超前的相角（度）可能的故障类型（1）－30～＋30A,BC（2）＋90～＋30AB（3）＋150～＋90C,AB（4）－150～＋150CA（5）－90～－150B,CA（6）－90～－30BC

上面（2）、（4）、（6）为单一故障相别的相区，直接确认为相应的相间故障，在（1）、（3）、（5）相区包含单相和相间两种故障类型，由于两种故障类型的相别总是不相关的，采用相间阻抗排除法，即如果保护装置测量到的相间阻抗值在整定的相间阻抗范围内，则确认为是相间故障，否则，确认为相应的单相接地故障。采用相间阻抗排除法的原因是相间阻抗元件对于两相故障总能准确动作。3、电网距离保护

－－－3.6选相1、短路点过渡电阻对测量元件的影响

3、电网距离保护

－－－3.7特殊问题拒动；稳态超越。1）单侧电源线路上过渡电阻的影响：RgZC之

G

~A（a）BBjXRRjXA图3-43单侧电源线路过渡电阻的影响ZJC(b)（a）系统示意图；(b)对不同安装地点的距离保护的影响Rg2、短路点过渡电阻对测量元件的影