继电保护技能培训教材

继电保护技能培训教材-

南瑞继保

0UNARI-RELAYS

继电保护技能培训教材

南瑞继保

NARHIELAYS

目录

第一章微机保护的硬件和软件系统（2

第一节微机保护的硬件系统（2

一中央处理器CPU（3

二存储器（3

三数据采集系统（3

四开关量的输入输出系统（5

第二节微机保护的软件系统（6

一保护继电器的算法（6

第二章线路保护及重合闸（11

第一节零序电流方向保护（11

一零序电流方向保沪及其作用（H

二零序电流方向保二户的优缺点（H

三反时限零序电流保护（12

四零序方向继电器（13

五零序电流方向保f的应用（14

第二节距离保护（16

一距离保护的作用原理和时限特性（16

二短路时保护安装处电压计算的一般公式（17

三I、H段接地距离保护的分析（18

四相间阻抗继电器的动作特性分析（21

第三节工频变化量距离保护（24

一重叠原理的应用（24

二工频变化量距离继电器的动作方程（25

第四节高频纵联保沪（29

一概述（29

二闭锁式纵联方向保护（30

三纵联变化量方向元件（35

四超范围允许式的纵联保护（38

第五节高频保护收发信机（42

一载波通道（42

二收发讯机的原理（43

三收发信机指示灯（45

四保护和收发信机的连接（46

五高频保护的电平（46

六LFX-912收发信机调试（47

第六节光纤差动保沪（50

一纵联电流差动继电器的原理（50

二纵联电流差动保炉中差动继电器的种类（51

三电流差动保护需要解决的问题（53

四光纤通道及接口（56

第七节电压及电流互感器断线的判据及对保护的处理（64

-TV断线的判别及处理（64

-TA断线的判别与处理（65

第八节自动重合闸（66

一自动重合闸的作用及应用（66

二自动重合闸方式及动作过程（66

三自动重合闸的起动方式（67

四重合闸的前加速和后加速（67

五重合闸的充电与闭锁（68

第三章元件保护（71

第一节变压器保护（71

一概述（71

二变压器纵差保护的构成原理及接线（73

三差动保护相关问题及解决措施（75

第一章微机保护的硬件和软件系统

第一节微机保护的硬件系统

一套微机保护由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统是构成微机保护

的基础，软件系统是微机保护的核心。图1-1表示出了微机保护的硬件系统构成，它

由下述几部分构成:⑴微机主系统。它是由中央处理器（CPU为核心，专门设计的一

套微型计算机，完成数字信号的处理工作。⑵数据采集系统。完成对模拟信号进行

测量并转换成数字量的工作。⑶开关量的输入输出系统。完成对输入开关量的采集

和驱动小型继电器发跳闸命令和信号工作。⑷外部通信接口。⑸人机对话接口。完

成人机对话工作。⑹电源。把变电站的直流电压转换成微机保护需要的稳定的直流

电压。

微机主系统人机对话接口

CPU

一仅〃数掂用RAMPCFI

存放程序用Mil

EPROWFLASH

存放定位用

EEPROKVFLASH

।—»通信接n—►件部通信

WATCHDOG

一定时器/计数器|电源|

图1」微机保护的硬件构成框图

一中央处理器CPU

它是微机主系统的大脑，是微机保护的神经中枢。软件程序需要在CPU的控制

下才能遂条执行。当前,在微机保护中应用的CPU主要有以下一些类型：

1.单片微处理器

例如Intel公司的80X86系歹Motorola公司的MC683XX系列。其中32位的

CPU例如MC68332具有极高的性能，在RCS900系列的主设备保护装置中得到了应

用。16位的如Intel公司的80296,在RCS900型的线路、主设备保护中用到了该芯

片。

2.数字信号处理器（DSP

它将很多器件，包括一定容量的存储器都集成在一个芯片中，所以外围电路很

少。因而这种数字信号处理器的突出特点是运算速度快、可靠性高、功耗低。它执

行一条指令只需数十纳秒（ns,而且在指令中能直接提供数字信号处理的相关算法。

因此特别适宜用于构成工作量较大、性能要求高的微机保护。在RCS900型的线

路、主设备保护中，保护的计算工作都是由DSP来完成的,使用的芯片是AD公司的

DSP-2181。

二存储器

用以保存程序、定值、采样值和运算中的中间数据。存储器的存储容量和访问

时间将影响保护的性能。在微机保护中根据任务的不同采用的存储器有下述三种类

型的存储器。

1•随机存储器（RAM。

在RAM中的数据可以快速地读、写,但在失去直流电源时数据会丢失。所以不

能存放程序和定值。只用以暂存需要快速进行交换的临时数据，例如运算中的中间

数据、经过A/D转换后的采样数据等。现在有一种称做非易失性随机存储器

（NVRAM它既可以高速地读/写，失电后也不会丢失数据，在RCS900保护中用以存放

故障录波数据。

2•只读存储器（ROM。

目前使用的是一种紫外线可擦除、电可编程的只读存储器——EPROMo

EPROM中的数据可以高速读取，在失电后也不会丢失,所以适用于存放程序等一些

固定不变的数据。要改写EPROM中的程序时先要将该芯片放在专用的紫外线擦除

器中，经紫外线照射一段时间，擦除原有的数据后，再用专用的写入器（编程器写入新

的程序。所以存放在EPROM中的程序在保护正常使用中不会被改写，安全性高。

3.电可擦除且可编程的只读存储器（EEPROM。

EEPROM中的数据可以高速读取，且在失电后也不会丢失,同时不需要专用设备

在使用中可以在线改写。因此在保护中EEPROM适宜于存放定值。既无需担心在

失电后定值丢失之虞，必要时又可方便地改写定值。由于它可以在线改写数据，所以

它的安全性不如EPROMo此外EEPROM写入数据的速度较慢，所以也不宜代替

RAM存放需要快速交换的临时数据。还有一种与EEPROM有类似功能的器件称作

快闪（快擦写存储器（FlashMemory,它的存储容量更大，读/写更方便。在RCS900型

的保护中使用Flash存放程序，在软件中采取措施确保在运行中程序不会被擦写。

三数据采集系统

数据采集系统的作用是将从电压、电流互感器输入的电压、电流的连续的模拟

信号转换成离散的数字量供给微机主系统进行保护的计算工作。在介绍数据采集系

统前,先对若干名词作一些解释。

⑴采样。在给定的时刻对连续的模拟信号进行测量称做采样。每隔相同的时刻

对模拟信号测量一次称做理想采样。微机保护采用的都是理想采样。

⑵采样频率sf。每秒采样的次数称做采样频率。采样频率越高对模拟信号的

测量越正确。但采样频率越高对计算机的运算速度的要求也越高，计算机必须在相

邻两个采样时刻之间完成它的运算工作。否则将造成数据的堆积而导致运算的紊

乱。在目前的技术条件下微机保护中使用的采样频率有600Hz、1000Hz、1200Hz

三种。在南瑞继保电器公司原先生产的LFP900保护中使用的采样频率是600Hz和

1000Hz。目前生产的RCS900保护中使用的采样频率是1200Hz。

⑶采样周期sT。相邻的两个采样点之间的时间称做采样同期。显然采样同期

与采样频率互为倒数。ssfTl=o当采样频率为600Hz、1000Hz、1200Hz时相应

的采样周期分别为ms666.1、ms1、ms833.0。

⑷每周波采样次数N。采样频率相对于工频频率（50Hz的倍数表示了每周波

的采样次数N。采样频率为600Hz、1000Hz、1200Hz时相应的N值为12、20、

24。

⑸采样定理。采样频率必须大于输入信号中的最高次频率的两倍,maxsff2>,

这就是著名的采样定理。不满足采样定理将产生频率混叠现象。

由逐次逼近式原理的模数转换器（A/D构成的数据采集系统。

这是目前应用最为广泛的一种数据采集系统詹瑞继保电气公司的RCS900保

护中都用这种数据采集系统。图1-2画出了该数据采集系统的原理框图。各种保护

根据需要有若干个模拟信号需要采样，例如南瑞继保电气公司的线路保护采样八个

量:au、bu、cu、ai、bi、ci、03i以及线路电压xu。而03u电压不从TV的

开口三角处采样,而用三个相电压相加的自产03u方法获得。各个模拟量有各个独

立的采样通道，通过多路转换开关若干个模拟量用一个A/D转换成数字量。

下面对图1・2所示的原理框图中的各个环节加以说明。

（1交流变换器。它的作用有两个:①将从TV、TA来的高电压、大电流变换成

保护装置内部电子电路所需要和允许的小的电压信号。②电气隔离和屏蔽作用。

从TV、TA来的电气量经过很长电缆接到保护装置,也引入了大量的共模干扰。交

流变换器一方面提供一个电气隔离，另一方面在一、二次线圈中加了一个接地的屏

蔽层，使共模干扰经一次线圈和屏蔽层之间的分布电容而接地,可以有效地抑制共模

干扰。

a

ubu0

i3至微机主系统

图1-2采用A/D变换器的数据采集系统原理框图

(2LPF模拟低通滤波器。它的作用是滤除高次谐波。这一方面是为了在采样

时满足采样定理，另一方面是为了减少算法的误差，因为有些算法是基于工频正弦量

得到的，谐波分量将加大算法的误差。为满足采样定理应将输入信号中的大于2sf

频率的高次谐波滤除。

(3S/H采样保持器。

采样保持器的作用为:①能快速地对模拟量的输入电压进行采样,并将该电压保

持住。②由于各个模拟量采样通道中的采样保持器是同时接受到采样脉冲的，所以

各个模拟量是同时采样的。在同一个采样周期内模数转换后的各个数字量反应的是

采样脉冲到来的同一瞬间各个模拟量的瞬时值,使各个模拟量的数值和相位关系保

持不变。各个模拟量的同时采样保证了反应两个及两个以上电气量的继电器，例如

方向继电器、阻抗继电器、相序分量继电器计算的正确性。

(4MPX模拟量的多路转换开关。MPX是一种多路输入、单路输出的电子力换

开关。通过编码控制，电子开关分时逐路接通。将由S/H送来的多路模拟量分时接

到A/D的输入端，完成用一个A/D对若干个模拟量进行模数转换工作。

(5A/D——逐次逼近式原理的模数转换器。它的作用是把模拟量转换为数字

量。将由多路转换开关送来的由各路S/H采样保持器采样的模拟信号的瞬时值转

换成相应的数字值。由于模拟信号的瞬时值是离散的,所以相应的数字值也是离散

的。这些离散的数字量由微机主系统中的CPU读取并存放在循环存储器中供保护

计算时使用。

四开关量的输入输出系统

微机保护有很多的开关量（接点的输入，例如有些保护的投退接点、重合闸方式

接点、跳闸位置继电器接点、收信机的收信接点、断路器的合闸压力闭锁接点以及

对时接点等等。微机保弟也有很多的开关量（接点的输出，例如跳合闸接点、中央信

号接点、收发信机的发信接点以及遥信接点等等。其中有些开关量是经过很长的电

缆才引到保护装置的，因而也给保护引入了很多干扰。为了不使这些干扰影响微机

系统的工作，在微机系统与外界所有接点之间都要经过光电耦合器件进行光电隔

离。由于微机系统与外部接点之间经过了电信号T光信号T电信号的光电转换,两

者之间没有直接的电与密的联系，保护了微机系统免受外界干扰影响。

图1-3表示出了开关量的输入系统。当外部接点闭合时,光耦的二极管内流过

驱动电流，二极管发出的光使三极管导通，因此输出低电平。当外部接点断开时，光电

耦合器的二极管内不流过驱动电流，二极管不发光，三极管截止，因此输出高电平,微

机系统只要测量输出电平的高低

(+v5(+(-(24V或电平输出图1-3开关量输入系统

就可以得知外部开关量的状态。开入专用电源一般使用装置内电源输出的24V

直流电源。对于某些距离远的接点必要时也可用变电站的220/110V直流电源，装置

提供强电的光电耦合电路。

2.开关量输出系统图1-4表示出了开关量的输出系统。当保护装置欲使输出开

关量接点闭合时，只要在控制端输入一个低电平使光电耦合器的二极管内流过驱动

电流，二极管发出的光使三极管导通,从而使继电器J动作，其闭合的接点作为开关量

输出。

第二节微机保护的软件系统

一保护继电器的算法

在微机保护中各个继电器都是由其相应的算法实现的。例如工频变化量(有时

称做突变量的电气量(电流、电压的计算，基波或某次谐波分量电气量幅值的计算，相

序分量电气量幅值的计算，两电气量相角差的计算，相位比较动作方程的算法等等。

1.工频变化量电气量的计算

在RCS900系列保护装置中用了很多工频变化量的继电器。在实现这些继电器

时先要计算出工频变化量的电流(i△和电压(u△值。以电流值为例，计算方法为：

((Nninii-=A(1-1上式中N为每工频周波采样的次数。该式表示工频电流的

变化量(瞬时值是把当前时刻的电流瞬时值减去一周前的电流瞬时值而得到的。如

果输入的工频电流没有变化，则工频电流的变化量为零。如果在n和Nn-之间系统

发生短路了。由于短路后电流发生了变化，于是工频电流的变化量不再是零。

2.半周积分算法

RCS900保护中有些继电器是用半周积分算法实现的，例如两相电流差的突变量

起动元件、工频变化量的阻抗继电器等。

(+V5(+

(-

图1-4开关量输出系统

控制端

假如输入信号是图1-5所示的工频正弦电流信号,((aco+=tsin11im1o该电流

信号绝对值

的半周积分值为：

(1101012221(oacoco7il11cosIdttsinISm

mTm==-

=J+=(1-2

于是该电流信号的有效值I为：

221

coSI=(l-3

对输入信号绝对值进行半周积分其物理概念是求输入信号在半周内的面积绝对

值之和。由(1-2式可见，该积分值与初相角a无关。

aa

+°180t

(li图1-5半周积分算法示意图

3.全周傅氏算法

目前在微机保护中应用得最广泛的是全周傅里叶(傅氏算法，它的理论基础是傅

里叶级数。假设输入信号ai为一个周期性函数，它由基波分量、直流分量和各整次

谐波分量构成。(口可表示为：

((£++=oo

=110kkkmtkcos111ia(o(1-4

式中：0I一直流分量。

----基频分量的角频率。112f兀0)=。

kn】I、k(xslujk——笫k次谐波分量的幅值、初相角和角撅率。k为正整

数。

按复相量的表示方法，在初相角为ka时的第k次谐波分量k

I可表示为：(汰

RkkkkmjkmkjlIsinjcosIe11k+=+==aaa(1-5式中k

I的实部Rkl和虚部IkI分别为:

kkmRkcos11a=(1-6kkmIksin11a=(1-7将｛1-4式展开并考虑到(1-6和(1-7

式的关系可得到：

((([](([]Z-+=Z-+=CO=00=1

1101

110kIkRkkkkinkkinIksinItkcosIIsinIksinIcostkcosIllicoujacjjauj(1-

8根据三角函数在一个二频周期IT内的正交性可求得第k次谐波分量的实部和虚

部的计算公式：

((dttkcostiTITRkf=10

112co(l-9((f-=10

112TIk

dttksintiTI(1-10(1-9式中((tkcosti1a)在口10,T其间的积分值是((tkcost

i13的函数波形在口10,T期间的面积。利用梯形法则该面积可用(ti与基准余弦函

数(tkcos13在W0,T期间的采样值之乘积求和再乘以采样周期后的一块块矩形面

积和来代替。考虑到在一个工频周期712内,基准余弦函数(tkcosIco的采样值为(N

kncos兀2的关系后,(1-9式为：(sNnRkTNkncosniTI•IJ

)==10122兀(l-ll将采样周期NTTs1二的关系代入上式,可得第k次谐波

分量的实部为：

(M八I

(二.工|八V=-=-=1011012222NnNnRkNkncosniNNTNkncosniTI

m(1-12同理可得第k次谐波分量的虚部为：

I\l-=-=1022NnlkNknsinniNI兀（1-13得知第k次谐波分量的实部和虚部

以后，根据（1-5式可求得k次谐波分量的有效值和初相角为：

（U

Ih=+=RkIkklk

RkkIIaictgIIIu222（1-14

一般的继电保护原理是反应工频电气量的，所以关心的是基波分量。这时只要

将（1-12、（1-13外（1/14式中取口k,即可求得基波分量的实部、虚部、有效值和初

相角为：OJ\l=-=10122NnRNncosniNI

(iN

-=-=10122NnINnsinniN17t(1-16(U

=+=11121

2112RIIRIIarctg111a（l-17考虑到（1-15式中的标准基波余弦函数的采样值

（Nncos兀2在On时其值为1,同时考虑到对一个周期性函数（ni有（（（2200/Ni/ii+=

的关系后,（1-15式有时也可用下式求得：

«（|J,

III[£+IJ1l/+==U12120212NnRNiNncosniiNI兀（1・18同理，用全

周傅氏算法也可以求得任意整数次谐波分量的幅值和相位。所以在继电保护中根据

保护的原理也经常用这种算法求得二次、三次、五次谐波分量的幅值。从上述原理

推导中还可知，这种算法在求某个整数次谐波分量幅值时并不受其它各个整数次谐

波分量的影响。也就是说这种算法有很强的滤波功能,其幅频特性为在所求的频率

上输出的幅值最大，在其它整数次的谐波频率（包括直流上幅值为零。

4.基于傅氏算法的滤序算法

A、

B、

C座标与1、2、0座标有一个互换关系。众所周知，已知A、B、C相的相电

压求正、负、零序电压的方法为：

(((

IIIJII

Ih++=++=++=cBACBACBAUUUUUaUaUUUaUaUU

31313102221(1-19式中a为算子,23210120jeaj+-==,2

32102402jeaj-==oAUsBU、C

U三相电压用复相量表达,即用各相电压的实部和虚部表达为：I

II

1+=+=+=SCCCCSBCBBSACAAjUUUjUUUjUUU(1-20

将(1-20式以及算子表达式代入(1-19式中的1

U式,即用各相电压的实部和虚部来表达正序电压为：

((((1

ISCSCCCSBCBSACACBAjUUjUUjjUUjjUUUaUaUU+=lIJ

IIIIFJIJ1hlI八V+.++=++=(l-21

式中ICU、ISU分别为正序电压1

1(1-22用全周傅氏算法求出各相电压的实部虚部后代入(1-22式求出正序电压

的实部和虚部。再根据(1-21式求出正序电压的有效值和初相角为：

(U

In-+-11i2i

2112CSSCUUarctgUUUa(1-23

同理，负序电压的算式为：(IIIIII

IJ

a(1-25这种算法由于用全周傅氏算法计算实部和虚部，所以滤波性能好。但数

据窗为N，数据窗较长。这种算法在RCS900保护中得到了应用。

第二章线路保护及重合闸

第一节零序电流方向保护

一零序电流方向保护及其作用

在中性点直接接地的高压电网中发生接地短路时，将出现零序电流和零序电

压。利用上述的特征电气量可构成保护接地短路故障的零序电流方向保护。

统计资料表明，在中性点直接接地的电网中,接地故障点占总故障次数的90%左

右，作为接地保护的零序电流方向保护又是高压线路保护中正确动作率最高的一

种。在我国中性点直接谖地系统不同电压等级电力网线路上，按国家《继电保护和

安全自动装置技术规程》（以下简称“技术规程''规定，都装设了零序电流方向保护装

置。

带方向性和不带方向性的零序电流保护是简单而有效的接地保护方式，它主要

由零序电流滤过器、电流继电器和零序方向继电器以及与收发信机、重合闸配合使

用的逻辑电路所组成。

现今，大接地电流系统中输电线路接地保护方式主要有纵联保护、零序电流方

向保护和接地距离保护等。它们都与系统中的零序电流、零序电压及零序阻抗密切

相关的。

实践表明零序电流方向保护在高压电网中发挥着重要作用，成为各种电压等级

高压电网接地故障的基本保护。即使在装有接地距离保护作为接地故障主要保护的

线路上，为了保护经高电阻接地的故障和对相邻线路保护有更好的后备作用，也为了

保证选择性，仍然需要装设完整的成套零序电流方向保护作基本保护。

二零序电流方向保护的优缺点

带方向性和不带方向性的零序电流保护是简单而有效的接地保护方式，其主要

优点是：

1.经高阻接地故障时，零序电流保护仍可动作。由于本保护反应于零序电流的

绝对值，受故障过渡电阻的影响较小。例如，当220千伏线路发生对树放电故障，故障

点过渡电阻可能高达100欧姆，此时，其他保护大多数将无法动作，而零序电流保护，即

使031定值高达几百安培尚能可靠动作。

2.系统振荡时不会误动。零序电流方向保护不怕系统振荡是由于振荡时系统仍

是对称的，故没有零序电流，因此零序电流继电器及零序方向继电器都不会误动。

3.在电网零序网络基本保持稳定的条件下,保护范围比较稳定。由于线路零序

阻抗比正序阻抗一般大3〜3.5倍，故线路始端与末端短路时，零序电流变化显著，零序

电流随线路保护接地故障点位置的变化曲线较陡，其瞬时段保护范围较大，对一般长

线路和中长线路可以达到全线的70~80%,性能与距离保护相近。而且在装用三相重

合闸的线路上（这里是指的三跳出口方式，多数情况，其瞬时保护段尚有纵续动作的特

性，即使在瞬时段保护范围以外的本线路故障,仍能靠对侧开关三相跳闸后，本侧零序

电流突然增大而促使瞬时段起动切除故障。这是一般距离保护所不及的，为零序电

流保护所独有的优点。

4.系统正常运行和发生相间短路时，不会出现零序电流和零序电压，因此零序保

护的延时段动作电流可以整定得较小，这有利于提高其灵敏度。并且,零序电流保护

之间得配合只决定于零序网络得阻抗分布情况,不受负荷潮流和发电机开停机的影

响,只需要零序网络阻抗保持基本稳定，便可以获得良好的保护效果。

5.结构与工作原理简单。零序电流保护以单一的电流量为动作量，只需要用一

个继电器便可以对三相中任一相接地故障作出反应，因而运行维护简便，其正确动作

率高于其他复杂保护。同样又因为整套保护中间环节少，动作快捷，有利于减少发展

性故障，特别是近处故障的快速切

除是很有利的。在丫丛接线的降压变压器三角形绕组侧以后的故障不会在星

形绕组侧反映出零序电流,所以零序电流保护的动作时限可以不必与该种变压器以

后的线路保护配合而可取得较短的动作时限。

零序电流保护的缺点是：

1.对于短线路或运行方式变化很大的情况，保护往往不能满足系统运行所提出

的要求。

2.当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的网络时（例如HOkV和22OkV电

网,则任一网络的接地短路都将在另一网络中产生零序电流，这将使零序保护的整定

配合复杂化，并将增大延时段的动作时限。

3.当电流回路断线吐可能造成保护误动作。运行时要注意防范。如有必要，还

可以利用零序电压突变量来闭锁的方法防止这种误动作。

4.当电力系统出现不对称运行时，也要出现零序电流，例如变压器三相参数不对

称，单相重合闸过程中的两相运行,三相重合闸和手动合闸时的三相开关不同期以及

空投变压器时的不平衡励磁涌流等等渚R可能使零序电流保护误动作，必须采取措

施。

5.地理位置靠近的平行线路，由于平行线间零序互阻抗的影响（见第二章第三节

九的分析，可能引起零序电流方向保护的保护区伸长、零序电流方向继电器误动

等。

尽管零序电流保护有以上缺点，但总可以采取措施克服，所以在各级高压电网中,

零序电流保护以其简单、经济、可靠，而获得了广泛的应用。

三反时限零序电流保护

随着电力系统网架的快速扩大,500kV自耦变压器、220kV超短线路及短线路

群的投入，零序序网随运行方式变化而越发复杂，造成零序电流保护的整定配合困难,

应用受到了限制。微机型线路保护在全网线路上的采用，为此提供了可靠、灵活的

解决途径。在微机线路保护装置中具备阶段式接地距离保护、阶段式零序电流保护

或者还具有反时限零序电流保护。

接地距离保护的缺点是受接地电阻的影响太大，过大的接地电阻将造成拒动。

“技术规程”明确提出“对220kV线路，当接地电阻不大于100欧姆时，保护应能可靠

地切除故障。a、宜装设阶段式接地距离保护并辅之用于切除经电阻接地故障的一

段定时限和/或反时限零序电流保护。b、可装设阶段式接地距离保护、阶段式零

序电流保护或反时限零序电流保护，根据具体情况使用。''为此，一段定时限零序电流

或是阶段式零序电流保沪的最末段，其动作电流整定值不大于300A。电网只保留零

序电流长延时最末段，对于复杂电网而言在配合上非常困难，在运行中因最末段无法

满足时限配合关系，也存在着无选择性跳闸的隐患。因此，采用反时限零序电流保护

功能，全网使用统一的启动值和反时限特性，接地故障时按电网自然的零序电流分布

以满足选择性。

反时限零序电流继电器的时限——电流特性按国际电工委员会标准(IEC255-4

一般反时限特性,其表达式为：

PPtIIt1/(14.002.0-=

式中,t——继电器的动作时限

Pt——时间系数

PI——起始动作电流

I——继电器通入的电流

四零序方向继电器

对零序方向继电器的最基本要求是利用比较零序电压和零序电流的相位来区分

正、反方向的接地短路。

(a正方向短路(b反方向短路

uo

I

(c正方向短路相量图

(d反方向短路相量受

图2-1正、反方向接地短路时的零序序网图和相量图

正、反方向接地短路时，零序电压和零序电流的夹角。

设零序方向继电器装在MN线路的M侧。在图2-1所示的零序序网图中，加在

继电器的上的零序电压、电流按传统方式规定它的正方向。零序电压的正方向是母

线电压为正、中性点电压为负，图中电压箭头表示电位升方向。零序电流以母线流

向被保护线路方向为其正方向。

900系列线路保护中的零序方向继电器采用比较零序功率的方法实现。(1【UP

由力-..=cos33000(2-1

1R为线路零序阻抗的阻抗角，取080

6：为03U超前于

031的夹角,001Uarg=巾。1.正方向故障时

根据图2-l(a所示的正方向短路的零序序网图,按上述规定的电压、电流正方向

可得:000SZIU-=(2-2

如果系统中各元件零序阻抗的阻抗角都为0

80。正方向短路时根据(2-2式,零序电压超前

零序电流的角度为：((。0。0。0100180-=-=-==SSZargZargIUarg4)(2-3

正方向短路时的相量图示于图2-l(c中。

因此得

(

00000033

80100cos(33cos331UIUIUP1--=—•=-•

为负的最大值。故而正方向的零序方向继电器的动作方程可定为：

((IJIh­二二Y-..二时1当2033时5当133OOOOOOAIVA.cosIUPA

IVAcosIUPNINI/小/巾(2-4在正方向短路时正方向的零序方向继电器可以灵

敏动作。

2.反方向短路时

根据图2-l(b所示的反方向短路的零序序网图,按上述规定的电压、电流正方向

可得：

ZZ(IURI0000+=(2-5

反方向短路时根据(3-5式，零序电压超前零序电流的角度为

((0000080=+==R1ZZargIUarg4)(2-6

反方向短路时的相量图示于图2-l(d中。

当反方向短路时得：

(

00000033

8080cos(33cos331UIUIUP1­=-•=-•

为正的最大值，故而反方向的零序方向继电器的动作方程为：

(VAcosIUPI033000>--=巾巾(2-7

在反方向短路时,反方向的零序方向继电器可以灵敏动作。反方向的零序方向

继电器的动作

边界为VA0,而正方向的零序方向继电器的动作边界定为VA1-(当电流互感器

二次额定电流是5A时，这是为了让反方向元件的灵敏度高于正方向的元件灵敏度，

使它动作后闭锁优先。

在零序电流方向保户中使用的零序方向继电器无需正、反方向两个方向继电器,

只需要正

方向的零序方向继电器。五零序电流方向保护的应用

在中性点直接接地电网中，接地故障占总故障次数的绝大部分。零序电流方向

保护简单可靠、

灵敏度高(特别是在高电阻接地故障时、保护范围比较稳定，所以在输电线路保

护中获得了广泛的应用。“技术规程”和“电网继电保护装置运行整定规程''(以下简

称“整定规程”都对零序电流方向保护的应用作了原则的说明。另外,高压线路继电

保护装置统一设计原则的“四统一”

(以下简称“四统一”总结了我国高压线路继电保护多年来的设计、制造和运行

经验，具有指导意义。

1.llOkV线路零序电流方向保护

单侧电源线路的零序电流保护一般为三段式，终端线路也可以采用二段式。双

侧电源复杂电

网线路零序电流保沪一般为四段式或三段式,在需要改善配合条件，压缩动作时

间的线路,零序电流保护宜采用四段式的整定方式。按三段式运行时,可设两个第一

段。

在具体电网线路上，零序电流大小与接地故障的类型有关。单相接地故障和两

相接地故障时

流过短路点的零序电流1(OKI和1.1(0KI分别为

注十=01]0[1(0

2ZZUIKKZSZSZS

£^+=+X+=o1]0[011001]0[L1(02//ZZUZZZZZZUIKKK考虑了电流分配

系数0C,则线路侧保护得到的电流分别为

££+=01]0[01(02ZZUCIK

ZZ+=01]

0[01.1(02ZZUCIK

式中]0[KU为短路点在短路前的电压,glZ、

Zoz为系统对短路点的综合正序、零序阻抗，系统内各元件的正序阻抗等于负

序阻抗。

由上式可知

当ZlZvgOZ时,1(01>1.1(01

当ZizROz时,i(oi

在整定零序电流保二户定值时就要选择流过保护的零序电流较大的一种故障类型

来进行整定

计算。而在校验零序电流保护的灵敏度时，就要选择在校验灵敏度的短路点上

短路时流过保护的零序电流比较小的一种故障类型来进行计算。

2.110KV零序后加速段的设置：

我国UOkV线路是采用三相重合闸方式。三相重合闸后加速一般应加速对线

路末端故障有足

够灵敏系数的零序电流保护段，如果躲不开后一侧合闸时，因断路器三相不同步

产生的零序电流，则两侧的后加速段在整个重合闸周期中均应带0.1s延时。

加速段可以独立设置，如现在的微机保护那样淀值和延时可独立整定。此外，为

防止合闸

于空载变压器时励越涌流弓I起零序后加速误动，零序加速段可以由控制字选择

是否需要投入二次谐波闭锁，二次谐波的制动比可以选为18%。

必须指出，作为零序电流保护速动段的零序电流I段定值若躲不开断路器三相

触头不同时接

通产生的零序电流时也应在重合闸后延时0.1s动作。

按三段式运行设两个第一段时，不灵敏一段电流定值可躲过合闸三相不同步引

起的零序电

流，故在重合闸后不用带延时，只是灵敏一段要带0.1s延时。

3.220~500kV线路零序电流方向保护

作为零序电流方向保护，上述110kV线路零序电流方向保护应用中的基本原则，

在220~

500kV线路上也是适用的。但在220〜500kV线路上除采用三相重合闸外还普

遍采用了单相重合闸、综合重合闸，此时，零序电流方向保护就还要考虑非全相运行

的问题。

零序电流保护一般为四段式。根据各地的多年运行经验,大部分线路采用可分

别经方向元件

控制的四段式零序电流保护作为接地故障时的基本保护较为适宜。对于三相重

合闸线路，零序电流保护可以按四段式运行，或按三段式运行,但其中有两个第一殁，其

中灵敏一段重合闸时带延时0.1s°对于单相重合闸线路，可按三段式运行，其中也有

两个第一段或者两个第二段，两个第一段时灵敏一段在重合闸过程中退出运行，两个

第二段时灵敏二段在重合闸过程中退出运行。对终端输电线路可装设较少段数的零

序电流保护。

第二节距离保护

一距离保护的作用原理和时限特性

距离保护和电流保沪一样是反应输电线路一侧电气量变化的保护。在图2-2所

示的电网中，

将输电线路一侧的电压mU、电流m

I加到阻抗继电器中,阻抗继电器反应的是它们的比值，称之为阻抗继电器的测

量阻抗m

mK

mU二图2-2阻抗继电器接线示意图

反应输电线路一侧电气量变化的保护一定要满足两个条件。首先，它必须区分

正常运行和短

路故障。其次，它应该能反应短路点的远近。正常运行时,加在阻抗继电器上的

电压是额定电压NU，电流是负荷电流Ho阻抗继电器的测量阻抗是负荷阻抗1

短路时，加在阻抗继电器上的电压是母线处的残压

NlmIUZZ==omK

U，电流是短路电流KI。阻抗继电器的测量阻抗是短路阻抗KZ,KmKKmI

UZZ==O由于NmKUUvv,lKII>>,因而lKZZ<<。所以，阻抗

继电器的测量阻抗可以区分正常运行和短路故障。如果在K点发生金属性短

路，短路点到保护安

装处的阻抗为KZ.流过保护的电流为KI，则保护安装处的电压为K

阻抗继电器的测量阻抗是=二。这说明阻抗

KmKZIU=oKKmKmZIUZ

继电器的测量阻抗反应了短路点到保护安装处的阻

抗，也就是反应了短路点的远近。所以可以用它来构成反应一侧电气量的保

护。

由于阻抗继电器的测量阻抗反应了短路点的远近,也就是反应了短路点到保护

安装处的距离，所以把以阻抗继电器为核心构成的反应输电线路一侧电气量变化的

保护称做距离保护。

距离保护相对于电流保护来说，其突出的优点是受运行方式变化的影响小。距

离保护第I段只保护本线路的一部份.在保护范围底金属性短路时,一般在短路点到

保护安装处之间没有其它分支电流，所以它的测量隹抗完全不受运行方式变化的影

响。距离保护第H、HI段其保护范围伸到相邻线路上，在相邻线路上发生短路时，由

于在短路点和保护安装处之间可能存在分支电流，所以它们在一定程度上将受运行

方式变化的影响。

图2-3距离保护的阶梯型时限特性

由于阻抗继电器的测量阻抗可以反应短路点的远近，所以可以做成阶梯型时限

特性，如图2-3所示。短路点越近，保护动作得越快;短路点越远，保护动作得越慢。第

1段按躲过本线路末端短路（本质上是躲过相邻元件出口短路继电器的测量阻抗（也

就是本线路阻抗整定「它只能保护本线路的一部份,其动作时间是保护的固有司作

时间（软件算法时间，不带专门的延时。第I［段应该可靠保护本线路的全长，它的保护

范围将伸到相邻线路上.其定值一般按与相邻元件的瞬动段例如相邻线路的第I段

定值相配合整定。第IH段除作为本线路I、II段的后备外，也作为相邻元件保护的

后备。所以它除了在本线路末端短路要有足够的灵敏度外，在相邻元件末端短路也

应有足够的灵敏度，其定值一般按与相邻线路n、n:段定值相配合并躲最小负荷阻

抗整定。

二短路时保护安装处电压计算的一般公式

在图2-4所示的系统中，线路上K点发生短路。保护安装处的相电压应该是短

路点的该相电

压与输电线路上该相的压降之和。输电线路上该相的压降是该相上的正序、负

序、和零序压降之

EN，

sz

公」g乂―.人v_J"_

(P(P(P

U图2-4短路故障示意图

和。如果考虑到输电线路的正序阻抗等于负序阻抗,保护安装处相电压的「算

公式为：

1

011

10010211

010*********ZIKI(UZZZZIZIII(UZIZIZIZIZIUUKKK++=-

++++=-+-H-+=(p(p(p(p(p(p(p(p(p(2-8式中(p----相。=(pA、B、C。

(pll、(p

21、01——流过保护的该相的正序、负序、零序电流。1Z、2Z、0Z——短

路点到保护安装处的正、负、零序阻抗。

K——零序电流补偿系数。(11103ZZZZZKM=-=oMZ为输电线路相间

的互

感阻抗。

<P

KU——短路点的该相电压。1

03ZIKI(+(p——输电线路上该相从短路点到保护安装处的压降。保护安装处

的相间电压可以认为是保护安装处的两个相电压之差。考虑到如(2-8式所示的相电

压的计算公式后，保护安装处相间电压的计算公式为：

1ZIUUK(p(p(p(p(p(p+=(2-9式中(p<P-----两相相间。AB=(p(pxBC、CA。

KU——短路点的相间电压。(p(p

I——两相电流差。1ZI(p(P——输电线路上从短路点到保护安装处的两相压

降之差。两相上的1

03ZIK项相抵消。

(2-8、(2-9两式是短路时保护安装处电压计算的一般公式。

三I、II段接地距离保护的分析

工作电压(

setOPZIKIUU03+-=(p(p(p

极化电压＜p

的151^=动作方程(^(^0

UUarg27090«(p(p(2-101.正方向故障

正向单相接地短路。以(1AK为例。

分析A相接地阻抗继电器。假设短路前空载，下面各式中的电流都是故障分量

电流。

用图2-5(a系统图里的参数来表达工作电压和极化电压：

(((

(

(set

mAset

AmAsetAAOPAZZIKIZIKIZIKIZIKIUU-+=+-+=+-=00003333

(

(((

Sm

A

S

AmSAS

ASAAPAZkZI

KI

ZIZZIKIZIEUU'++=-++=-==0

101133式中：

(d

01

00

00

02

2111

10

1231313131CCKCCKICKI

CICICICIK11kFAFAFAFAFAAA

++++=

+++-

=+-='

IC、2C、0c是正、负、零序电流分配系数。动作方程：oSmset

moZkZZZarg

27090<,+-<(2-11

(a正方向短路系统图

(b反方向短路系统图

图2-5正方向、反方向短路的系统图

动作方程对应的动年特性是以(+setZ和(SZk'-两点的连线为直径的圆，如图2-

6中圆

1所示。该圆向第川象限带有偏移。

图2-6正向单相接地短路接地阻抗继电器的

稳态动作特性

2.反方向故障：

反向单相接地短路。以(

1AK为例。

分析A相接地阻抗继电器。假设短路前空载，下面各式中的电流都是故障分量

电流：

(

(((

(set

mAsetAmAset

AAOPAZZIKIZIKIZIKIZIKIUU-+=+-+-=+-=00003333(2-12

(((

(R

mARARmARAmRAR

ARAAPAZkZIKIZIZZIKI(ZIZZIKIZIEUU'-+=+-+=+-+-

=+==010*******(2-13

式中k'的表达式如上式所示「其值在0.75到0.87之

间。RZ是保护正方向的等值阻抗。

将（2-12和（2-13两式代入动作方程（2-10，并

消去分子分母中的（

31KIA+得:oR

mset

m

ZkZZZarg2709(X'-<

动作方程对应的动作特性是以(+setZ和

R

图2-7反向单相接地短路接地阻抗继电器的动作特性

(RZk'+两点的连线为直径的圆，如图

2-7所示。该圆向第I象限上抛,远离了座标原

点O

当反方向发生单相接地短路时，继电器的测量隹抗落在第山象限。即使在反方

向出

口或母线发生短路,过渡电阻的附加阻抗是阻容性的话，测量阻抗进入第II象限

也进入不了圆内。所以在反向发生单相接地短路时该继电器有良好的方向性。

四相间阻抗继电器的动作特性分析

相间阻抗继电器用来保护各种相间短路，它的工作电压、极化电压以及动作方

程分别为：

工作电压setOPZIUU(p(p(p(p(p(p-=(2-14极化电压(p(p(p(plUUP=(2-15动作

方程oPOPo

U

Uarg27090«(p(p

(p(p(2-16

下面分别分析该继电器的稳态动作特性和暂态动作特性。

分析的系统图如图2-5(a所示。

1.正向两相短路。以(

2BCK为例

分析BC相间阻抗继电器。假设短路前空载，下面各式中的电流都是故障分量

电流。用

图2-5(a系统图里的参数来表达工作电压和极化电压：

(((

(

((

setmBsetmCBset

CBmCBsetCBBCOPBCZZIZZ11Z11Z11Z11UU-=-=—=-=2(2-17

从基本概念上讲，正向短路后保护安装处正序电压发生变化是由于正序的故障

分量电

流II在保护背后正序阻抗上的压降造成的。因此保护安装处的正序电压是短

路前(正常运行时保护安装处的电压——正序电压的记忆值M.U1与正序电压的变

化量1U△之和。考虑到短路以前空载，短路前保护安装处的电压M.U1等于保护背

后电源电势S

Eo因此:

((((((((IJ1\

(+=-+=--+-=—=—=+-+=_==sm

BSBmSBS

C

B

m

S

C

B

S

C

B

SC

SB

S

CSC

s

B

SB

C

M.CBM.BC

BB

CPBCZZIZIZZIZIIZZII

ZIIEEZIEZIE

上面推导中用到了BC两相短路时的一些基本关系式CB11-=;B

CBIII=-11O将

(2-17和(2-18两式代入动作方程(2-16式,并消去分子分母中的B

12得：oS

mset

moZZZZarg

2702

190<+-<(2-19式中SZ为保护背后电源的等值正序阻抗。

由本章第四节的知识可知,(2-19式动作方程对应的动作特性是以(+setZ和川S

Z21-两

点的连线为直径的圆，如图2-8圆1所示。该圆向第川象限带有偏移。

从正向两相短路的稳态动作特性可对该继电器的动作性能作如下评述:

⑴由于座标原点位于动作特性之内，所以正向出口两相短路没有死区，不必采取

其它措施。⑵与传统的以seiZ为直径，动作特性经过座标原点的方向阻抗继电器

相比,由于在R方向有较多的保护范围，所以保护过渡电阻的能力比传统的方向阻抗

继电器强。而且现在的动作特性的下面一点是（[]SZ21-,SZ是保护背后电源的等值

阻抗。所以随着运行方式的变化,动作特性的下

面一点是变化的。当保护背后电源运行方式越小（SZ越大，保护安装侧的电流

分配系数越小，因而过渡电阻的附加阻抗值越大，区内短路时继电器越易拒动。但由

于动作特性的下面一点随SZ加大而越往下移,因而圆也越大。保护过渡电阻的能

力又得到增强。所以有一定的自适应能力。

2.反向两相短路。以（2BCK为例。

分析BC相间阻抗继电器。假设短路前空载，下面各式中的电流都是故障分量

电流。用图2-5（b系统图里的参数来表达工作电压和极化电压：

图2-8正向两相短路时相间阻抗继电器的稳态动作特性

((((

((set

mBsetmCBset

CBmCBsetCBBCOPBCZZIZZ11Z11Z11Z11UU--=-=2(2-

20

同样从基本概念上讲，反向短路后保护安装处正序电压发生变化是由于正序电

流的故障

分量II在保护正方向所有正序阻抗上的压降造成的。因此保护安装处的正序

电压是短路前(正常运行时保护安装处的电压——正序电压的记忆值MU.1与正序

电压的变化量1U△之和。考虑到短路以前空载，短路前保护安装处的电压MU.1等

于对侧电源的电势RE.因

此：

(

((

(((

(U

1-=+-=-+―=-+-=+-+=-==RmBRBRmBRCBmRCBR

CBRCRBR

上面推导中用到了BC两相短路时的一些基本关系式CB11-=;B

CBIII=-1IO将（2-20和（2-21两式代入动作方程,并消去分子分母中的B

12得：。1<

mset

moZZZZarg

2702

190<-<（2-22式中RZ是保护正方向的等值正序阻抗。

（2-22式动作方程对应的动作

特性是以（+setZ和|RZ21+两

点的连线为直径的圆，如图2-9所示。该圆向第【象限上抛，远离了座标原点。

当反方向发生两相短路时，继

电器的测量阻抗落在第IH象限「即使在反方向出口或母线发牛短路，过渡电阻

的附加阻抗是阻容性的话，测量阻抗进入第H象限也进入不了圆内。所以在反向两

相短路时该继电器有良好的方向性。

jX

图2-9反向两相短路相间阻抗继电器

稳态动作特性

第三节工频变化量距离保护

对继电保护从原理上划分有反应稳态量的保护和反应暂态量的保护两大类。最

早研究并使用的都是反应稳态量的保护，例如通常的电流、电压保护，零序电流保护,

用上面分析的阻抗继电器构成的距离保护，以及原先应用的纵联保护等都是反应稳

态量的保护。反应暂态量的保护有反应工频变化量的保护，反应行波初始特征的行

波保护，反应电气量中的暂态分量保护等。

反应工频变化量的保护是由我国工程院院士沈国荣先生首先提出并付诸实现

的。上个世纪八十年代初，沈国荣先生首先提出工频变化量的阻抗继电器和工频变

化量的方向继电器的理论，先后研制生产了CKJ和CKF型的高压输电线路保护装

置、LFP900型微机高压输电线路保护装置、RCS900型的微机保护。并把工频变

化量继电器的原理应用到母线保护和主设备保护中。使工频变化量继电器的理论更

加成熟，应用更加广泛。

-重叠原理的应用

图2-10(a是发生短路后的系统图。在F点发生经过渡电阻gR的短路，可以理

解成在过渡电阻gR的下方K点发生金属性短路,K点对中心点的电压为零。现在

在K点与中性点之间串入

大小相等相位相反的两个电压源F

U△后，依然保持K点的电位是零，没有改变短路后的状态，所以(a图是短路后的

系统图。根据重叠原理,(a图的系统图可以分解成由SE、RE和上面

一个FU△三个电压源作用的(b图和由下面一个F

UA单独发挥作用的(c图的叠加。在短路附加状态里的电气量都加一个幺

在该图中的U

△和I△可由下式求出：IU

(-=-=1

11IIUUU△△(2-23(2-23式中的U和I是短路后的电压、电流，是微机保护目

前正在采样得到的数据。而1

U和II是短路前的电压、电流，是微机保护在以前上采样得到的数据。于是,

微机保护将它们作

个减法运算，就可得到短路附加状态里的电压和电流U

AsIAO它们反应的是电压和电流的变化量。用这个U△和IA构成的保护就

是变化量的保护，这种反应变化量的保护也是一种暂态分量的

保护。在分析工频变化量的保护时就可以用(c图的短路附加状态来进行分

图2-10重叠原理示意图

(a

短路后状态

(b正常负荷状态

(C短路附加状态

二工频变化量距离继电器的动作方程

其动作方程为:FOPUUAA>(2-24

代表保护范围末端电压变化量，当其大于F

U△时继电器动作,否则不动作。

对相间阻抗继电器SETmmOPZIUUA-A=ASET

OPZIUUX△-△朝①①①①①①

对接地阻抗继电器FU△为动作门槛，取故障前工作电压的记忆量，即图(2-10中

的FUA,set

11FZIUU。1.正方向短路的动作特性分析及性能评述

正方向短路时的短路附加状态如图2-1l(a所示。加在工频变化量阻抗继电器

上的电压mU△和电流m

I△是阻抗继电器接线方式中规定的电压、电流，其正方向为传统规定的方向。

(setSmsetmSmsetminOPZZIZIZIZIUU+-=—=-=AAAAAA(2-25(KSinF

ZZIU+=AA(2-26将(2-25、(2-26两式代入动作方程(2-24式,消去动作量和制动量

中的m

I△得到：(SET

OPZIKIUUxx+△①①①03

jX

(a

正向短路的短路附加状态

(b正向短路的动作特性

图2-11正方向短路时的短路附加状态及

工频变化量阻抗继电器的动作特性

KSsetSZZZZ+>+(2-27

转化为相位比较动作方程为:

osetSKset

Ko270ZZ2ZZZarg90<++-<(2-28

如果以KZ为自变量，该动作方程对应的动作特性是以(setZ+、(setSZZ--2

两相量的端点的连线为直径的圆，如图2-l(b中的圆1所示,KZ相量位于圆内继电器

动作。该圆向第HI象限有很大的偏移。

(a反方向短路的短路附加状态

(b反向短路的动作特性

图2-12

反向短路时的短路附加状态及工频变化量阻抗继电器的动作特性

反方向短路时的短路附加状态如图2-12(a所示。加在工频变化量阻抗继电器

上的电压mU△和电流m

I△是阻抗继电器接线方式中规定的电压、电流，其正方向为传统规定的方向。

(set

RmsetmRmsetmmOPZZIZIZIZIUU-=-=-=AAAAAA(2-27

((KRmKRmFZZIZZIU--=+-=AAA(2-28将(2-27、(2-28两式代入动作方

程，消去动作量和制动量中的m

I△得到:KRsetRZZZZ->-(2-29

这是一个幅值比较动作方程。转化为相位比较动作方程为：

((osetKset

RKo270ZZZZ2Zarg90<-+-<(2-30

如果以KZ-为自变量，该