電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理第三章

第三章電網(wǎng)的距離保護(hù)

第一節(jié)距離保護(hù)的作用原理

一、根本概念

電流保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)：選擇性、靈敏性、快速性很難滿足要求（尤其35kv

以上的系統(tǒng)）。

距離保護(hù)的性能比電流保護(hù)更加完善。

Zvd=Zd=*〈Zf旦,反映故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離一一距離保護(hù)，它根本上不說(shuō)系

統(tǒng)的運(yùn)行方式的影響。

二、距離保護(hù)的時(shí)限特性

距離保護(hù)分為三段式：I段：Z]=（0.8?0.85）ZM，瞬時(shí)動(dòng)作主保護(hù)

A

n段：ZW=K?（ZAB,ZQ,”，

HI段：躲最小負(fù)荷阻階梯時(shí)限特性。--------后備保護(hù)

第二節(jié)阻抗繼電器

阻抗繼電器按構(gòu)成分為兩種：?jiǎn)蜗嗍胶投嘞嗍?/p>

單相式阻抗繼電器：指參加繼電器的只有一個(gè)電壓Uj（相電壓或線電壓）和一個(gè)電流Ij（相電流或

兩相電流之差）的阻抗繼電器。

Z]=———測(cè)量阻抗

Ij

Z產(chǎn)R+jX可以在復(fù)平面上分析其動(dòng)作特性

它只能反映一定相別的故障，故需多個(gè)繼電器反映不同相別故障。

多相補(bǔ)償式阻抗繼電器：參加的是幾個(gè)相的補(bǔ)償后的電壓。它能反映多相故障，但不能利用測(cè)量阻

抗的概念來(lái)分析它的特性。

本節(jié)只討論單相式阻抗繼電器。

-、阻抗繼電器的動(dòng)作特性

5

Z_Uj_"PT以B

n

IJhPT

C線路距離I段內(nèi)發(fā)生單相接地故障，及在圖

中陰影內(nèi)。

由于1）線路參數(shù)是分布的，Wd有差異

2）CT,PT有誤差

3）故障點(diǎn)過(guò)渡電阻

4）分布電容等

所以Zd會(huì)超越陰影區(qū)。

因此為了盡量簡(jiǎn)化繼電器接線，且便于制造和調(diào)試，把繼電器的動(dòng)作特性擴(kuò)大為一個(gè)圓，見(jiàn)圖。

R1：以。d為半徑一一全阻抗維電器（反方向故障時(shí)，會(huì)誤動(dòng)，沒(méi)有方向性）

12：以od為直徑一一方向阻抗繼電器（本身具有方向性）

圓3：偏移特性繼電器

另外，還有橢圓形，橄欖形，蘋果形，四邊形等

二、利用復(fù)數(shù)平面分析阻抗繼電器

它的實(shí)現(xiàn)原理：幅值比擬原理UA>UB

相位比擬原理一90°<arg—<90,

UD

特性：以保護(hù)安裝點(diǎn)為圓心（坐標(biāo)原點(diǎn)），以

為半徑的圓。圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)。

Z一一測(cè)量阻抗正好位于圓周上，繼電器剛好動(dòng)作，

這稱為繼電器的起動(dòng)阻抗。

無(wú)論甲d多大，=它沒(méi)有方向性。

1.幅值比擬原理：

兩變同乘〃，且/JZJ=U八所以u(píng)./<IjZ.d,

這也就是動(dòng)作方程。

2.相位比擬原理

分子分母同乘以L，

（二）方向阻抗繼電器

以Zzd為直徑，通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的圓。圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)。

Z隨叫改變而改變，當(dāng)

切等于Zzd的阻抗角時(shí)，Z最大，即保護(hù)范圍最大，

工作最靈敏。

——最大靈敏角，它本身具有方向性。

1.幅值比擬原理：

2.相位比擬原理：

（三）偏移特性阻抗繼電器

正方向：整理阻抗ZH

反方向：偏移-aZz”a<l）

圓內(nèi)動(dòng)作。圓心

半徑：2（l+a）Z〃

2

Z隨明變化而變化，但沒(méi)有平安的方向性。

1.幅值比擬原理

2.相位比擬原理

總結(jié)三:和阻抗的意義：

I）測(cè)量阻抗Zj：由參加繼電器的電壓Uj與電流Ij的比值確定.

2）整定阻抗Zzd：?般取繼電器安裝點(diǎn)到保護(hù)范圍末端的線路阻抗。

全阻抗繼電器：圓的半徑

方向阻抗繼電器：在最大靈敏角方向上圓的直徑

偏移特性阻抗繼電器：在最大靈敏角方向上由原點(diǎn)到圓周的長(zhǎng)度。

3）起動(dòng)阻抗（動(dòng)作阻抗）Z：它表示當(dāng)繼電器剛好動(dòng)作時(shí)，參加繼電器的電壓Uj和電流

L的比值。

除全阻抗繼電器以外：Z隨叫的不同而改變。當(dāng)中尸叫m時(shí)，Z=Zzd,此時(shí)最大。

三、阻抗繼電器的構(gòu)成

上要由兩大根本局部組成；電壓形成路和幅值比擬或相位比擬回路。

UA、

UB、UC、

UD根本上

是由Uj和

LZ?i組合

而成。而

交流回路交流回路Uj可直接

從PT二次

側(cè)取得，必

要時(shí)經(jīng)YB變換。而IjZ,d那么經(jīng)過(guò)DKB獲得。

（一）方向阻抗繼電器交流回路的原理接線

其它的繼電器的交流回路的組成，可參照此圖自行

作成。

（二）幅值比擬回路

將UA和UB分別整流后進(jìn)行幅值比擬,有兩種類型:

I.均壓式

UA

整

流

后

在

Ri

上

產(chǎn)

生

Ua,

UB整流后在R2上產(chǎn)生Ub。

繼電器反響Uab=U「Ub而動(dòng)作。

2.環(huán)流式

UA整流后在K回路產(chǎn)生la,

UB整流后在R>回路產(chǎn)生Ib<>

繼電器反響Ia」b而動(dòng)作。

（三）相位比擬回路

它是以測(cè)定Uc和UD同時(shí)為正的時(shí)間來(lái)判斷它

心=3=&>Z(ZJ3>Z}ld均不動(dòng)

IB+k3I0k3Io

所以必須采用三個(gè)阻抗繼電器。

該接線方式能正確反映兩相短路和三相短路。（自行分析）

第四節(jié)方向阻抗繼電器的特性分析

由于方向阻抗繼電器的應(yīng)用最為廣泛，故進(jìn)?步分析之。

一、方向阻抗繼電器的死區(qū)和去除方法

（-）產(chǎn)生死區(qū)的原因

在保護(hù)正方向出口發(fā)生相間短路時(shí)，5=0,繼電器不動(dòng)作。發(fā)生這種情況的一定范圍，就稱為“死

區(qū)二

1.幅值比擬式

而實(shí)際上，繼電器的執(zhí)行元件動(dòng)作需要一定的功率，所以繼電器不動(dòng)。

2.相位比擬式

因?yàn)閁j=O,無(wú)法比相，所以繼電器不動(dòng)。

（-）消除死區(qū)的方法

引入極化電壓UP，要求如下：

1）與Uj同相位

2）出II短路時(shí)，UP應(yīng)具有足夠的數(shù)值或能保持一段時(shí)間逐漸衰減到零。

（三）獲取極化電壓的方法

分析如下:

1.記憶回路

它是由一個(gè)R,L,C組成的工頻串聯(lián)諧振電路。

因?yàn)閣L=l/wc,電路呈純阻性，所以當(dāng)

出口短路時(shí)，Uj=0o借助諧振，Up在一定時(shí)

間內(nèi)逐漸衰減，其相位保持原先的相位小變。

這就相當(dāng)于把原先的電壓記憶下來(lái)，故稱為

“記憶回路”。

2.引入非故障電壓

Rs(30K~82K)

正常運(yùn)行時(shí)，UAB較大，Rs又很大。IR

主要由UAB產(chǎn)生，第三相電壓根本上不起作用。

當(dāng)AB相間短路時(shí)，UAB=0,記憶回路發(fā)揮作用。但Up將逐漸衰減到零，此時(shí)第三相電壓的作用將

表現(xiàn)出來(lái)。

因?yàn)槎?很大)?(R-JX)//JXL,所以Is與UAC同

相位。

見(jiàn)左邊向量圖，Up與UAB(EAB)同相位

所以出口兩相短路時(shí)，因?yàn)榈谌嚯妷憾a(chǎn)生的

Up可保證繼電器的方向性。

但三相短路時(shí)，無(wú)第三相電壓，故不能消除出口

三相短路的死區(qū)。

其它方法:集成電路保護(hù)中，利用高Q值的50HZ

帶通有源流波器響應(yīng)特性的時(shí)間延遲，起到記憶作

用。

微機(jī)保護(hù)中，可用故障前電壓與故障電流比相來(lái)

實(shí)現(xiàn)。

【二)極化電壓的引入對(duì)方向阻抗繼電器初態(tài)特性的

影響

穩(wěn)態(tài)特性：在正常運(yùn)行和短路后到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)的繼電器動(dòng)作特性。

初態(tài)特性：在發(fā)生短路的最初瞬間，繼電器的動(dòng)作特性。

短路發(fā)生后，Up有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。繼電器特性那么由初態(tài)特性逐步向穩(wěn)態(tài)特性過(guò)渡。

1.穩(wěn)態(tài)特性分析

分析如下：

(1)幅值比擬式

3

B

當(dāng)臨界動(dòng)作時(shí)，陽(yáng)=同同=忸’|

所以引入U(xiǎn)p不改變繼電器的靜態(tài)特性。

而當(dāng)正方向出口短路時(shí)，Uj=o

?+能滿足，故能消除死區(qū)，且能防止反方向出口短路時(shí)誤動(dòng)。

(2)相位比擬式

因?yàn)閁p與Uj同相位，所以arg--------2——=arg----------工一

所以極化電壓Up并不改變繼電器的穩(wěn)態(tài)特性。而正方向出口短路時(shí)，Uj=0,而因而

繼電器能夠正確判別方向，即能消除死區(qū)。

2.初態(tài)特性(設(shè)"5=1)

(1)正方向短路時(shí)：空載

其動(dòng)作特性是以Zzd，?Zs末端連線為直徑的圓。

結(jié)論：I)初態(tài)特性圓包括坐標(biāo)原點(diǎn)，故保證出口短路時(shí)可靠動(dòng)作。

2)初態(tài)特性圓比穩(wěn)態(tài)特性圓大，有利于躲過(guò)渡電阻的影響。

3)正方向的保護(hù)范圍不變。

(2)反方向短路時(shí)

其動(dòng)作特性是ZdZo末端的連線為直徑的圓。

結(jié)論：在反方向短路時(shí)，繼電器有明確的方向性。

第五節(jié)阻抗繼電器

的精確工作

電流

阻抗繼電器式利用測(cè)量阻抗z7來(lái)反映故障點(diǎn)的位

置,即Uj與人的比值，其動(dòng)作特性心力在理想

條件下是常數(shù)，也就是說(shuō)與。無(wú)關(guān)。

例：全阻抗繼電器（整流型）

IjK

理想臨界動(dòng)作條件：KJj-KuUj=0.即2小,=T~=U=Zm

K“

實(shí)際上執(zhí)行元件是需要?jiǎng)幼鞴β实模磳?shí)際臨界動(dòng)作條件為：

由此可見(jiàn)，Z1力與U。,〃有關(guān)（UoJ，/jT，zd」二Zj）

Zg,=/（//）的關(guān)系曲線可繪制如下列圖

由圖可見(jiàn)，當(dāng)。較小時(shí)，Z/R將比整定阻抗Z”明顯減小，即實(shí)際的保護(hù)范圍將比整定范圍小，這將

影響到與它相鄰的保護(hù)的配合，而可能引起非選擇性動(dòng)作。

每個(gè)阻抗繼電器都有它實(shí)際的J=/（//）曲線，為了把動(dòng)作阻抗Zd"與整定阻抗的差距限制在

一定的范圍內(nèi)，規(guī)定/精確工作電流這項(xiàng)指標(biāo)。

精確工作電流：是指繼電器的動(dòng)作阻抗與整定阻抗之間的差距等于整定阻抗的10%（即Zd_jZ〃）

時(shí)，參加阻抗繼電器的電流。記做/公。

7-7

當(dāng)保護(hù)范圍末端短路時(shí)，乙應(yīng)大于或等于/八總，才能保證*~~—<10%,此誤差在選擇可

Zzd

靠系數(shù)時(shí)已考慮。

第六節(jié)影響距離保護(hù)正確動(dòng)作的因素及防止方法

阻抗繼電器的測(cè)量阻抗時(shí)受很多因素影響的。主要有：

①.短路點(diǎn)的過(guò)渡電阻；

②.電力系統(tǒng)振蕩；

③.保護(hù)安裝處與故障點(diǎn)之間有分支電路；

④.CT,PT的誤差；

⑤.PT二次回路斷線；

⑥.串連補(bǔ)償電容。

本節(jié)著重討論①,②兩因素的影響及相應(yīng)的措施。

短路點(diǎn)過(guò)渡電阻的影響及相應(yīng)措施：

短路一般是非金屬性的，即存在過(guò)渡電阻使得測(cè)量阻抗變化，保護(hù)范圍可能縮短，可能

超范圍或反方向誤動(dòng)。

（一）.過(guò)渡電阻的影響：

1.過(guò)渡電阻的性質(zhì)：

d⑶,d⑵-------電弧電阻

⑴-------電弧電阻，桿塔電阻，大地電阻

阻抗繼電器感受到的可能不是純電阻性的。

I..'

其中Z,為附加阻抗，Zf=dR/a,a為入超前人的角度

II

討論：①=0,單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)

Id=I^Z,=R純電阻性Zj增大

JA

②./dwO.雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)

受電側(cè)a>0,Zz電阻電感性Zz電抗局部增大

送電側(cè)a<0,Zy電阻電容性Z§電抗局部減小

2.單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)中過(guò)渡電阻的影響

BC線路出口經(jīng)凡短路

當(dāng)人較大，Z”超出其I段范圍而落入II段范圍內(nèi)，而Z〃仍在II段的保護(hù)范圍內(nèi)，那么保護(hù)1和2

將同時(shí)以第n段時(shí)限動(dòng)作，造成保護(hù)誤動(dòng)。

小結(jié)：①.短路點(diǎn)距保護(hù)安裝處越近，影響越大，反之影響越?。?/p>

②.保護(hù)裝置整定值越小，相對(duì)的受過(guò)渡電阻影響越大

3.雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)中過(guò)渡電阻的影響：

BC線路出口經(jīng)人短路

M側(cè)為送電側(cè)

①.保護(hù)3：正方向出口短路，a<0,Z/3落在第四象限，拒動(dòng)

②.保護(hù)2：反方向出口短路，Z」3落在第二象限，誤動(dòng)

③.保護(hù)1：區(qū)外短路，落入動(dòng)作特性圓，誤動(dòng)

以上分析是針對(duì)方向阻抗繼電器，對(duì)其它特性阻抗繼電器也有類似的情形。一般而言，

阻抗繼電器動(dòng)作特性在+R軸方向上所占面積越大，受過(guò)渡電阻的影響就越小。

〔二）.減小過(guò)渡電阻的措施：

兩種措施：

①.在保護(hù)范圍不變的前提下，采用動(dòng)作特性在+R軸方向上有較大面積的阻抗繼電器1參看P105.圖3

-58)

②.采用瞬時(shí)測(cè)量裝置：

凡8%?——電弧長(zhǎng)度，I,——電弧電流)

1g

短路初瞬，9較小，，c*較大(有非周期分A量)，所以此很??；0.1?A0.15Ss后，。拉長(zhǎng)，減小(非周

期分量衰減)，所以《增大。

距離1段：I小于40ms,艮小，可以忽略不計(jì)

距離n段：t為0.5”或很長(zhǎng)，應(yīng)采取措施。

距離HI段：因?yàn)樘匦詧A較大，影響較小

所謂瞬時(shí)測(cè)量，就是把距離元件的最初動(dòng)作狀態(tài)通過(guò)起動(dòng)元件的動(dòng)作固定下來(lái)。當(dāng)電弧電阻增大時(shí),

距離元件不會(huì)因?yàn)殡娀‰娮璧脑龃蠖祷?，仍以預(yù)定的動(dòng)作時(shí)限跳閘。

短路初瞬，起動(dòng)元件1：I【段阻抗元件2動(dòng)作，因而起動(dòng)中間繼電器3,3起動(dòng)后通過(guò)其觸點(diǎn)①自保

持。而當(dāng)R,,T,阻抗元件2返回。保護(hù)仍能在時(shí)間元件4動(dòng)作后，經(jīng)中間繼電器3的觸點(diǎn)②去跳閘。

24

d點(diǎn)短路，保護(hù)3的I段動(dòng)作于跳閘，保護(hù)5II段跳。

對(duì)保護(hù)1,因d點(diǎn)在其第n段保護(hù)范圍內(nèi)，起動(dòng)元件和II段測(cè)量元件動(dòng)作，假設(shè)采用瞬時(shí)測(cè)量，那么會(huì)

誤動(dòng)。所以只在單回線輻射形電網(wǎng)中的距離II段上采用。

二.電力系統(tǒng)振蕩對(duì)距離保護(hù)的影響及振蕩閉鎖回路

振蕩時(shí)，系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)電勢(shì)間的相角差隨時(shí)間作周期性變化，從而使系統(tǒng)中各點(diǎn)電壓，線路電流以及

距離保護(hù)的測(cè)量阻抗也將發(fā)生周期性變化，可能導(dǎo)致距離保護(hù)和企圖確保護(hù)動(dòng)作。但通常系統(tǒng)振蕩假設(shè)

干周期后，多數(shù)情況下能自行恢復(fù)同步，假設(shè)此時(shí)保護(hù)誤動(dòng)，勢(shì)必造成不良后果，因而使不允許的。

(-).系統(tǒng)振蕩使，電壓，電流的變化規(guī)律

幾點(diǎn)假設(shè)：①.全相振蕩時(shí)，系統(tǒng)三相對(duì)稱，故可只取一相分析；

②.兩側(cè)電源電勢(shì)Ew和EN電勢(shì)相等，相角差為6(0°360°)

③.系統(tǒng)中各元件阻抗角均相等，以為表示

不考慮負(fù)荷電流的影響，不考慮振蕩同時(shí)發(fā)生短路。

士比-EM-ENEMQT%2EM.3

電流：I=--------------------=-----------------=--------sin—

Z"+Z,+Z1VZvZv2

振蕩電流的有效值隨5變化（包絡(luò)線）

電壓：UM=EM-IZM

系統(tǒng)中總有一點(diǎn)的電壓為最低，其值為由。向EW-EN相量所做的垂線的長(zhǎng)度，該點(diǎn)那么稱為振

蕩中心，以z表示。

Zv

當(dāng)EM=EN且系統(tǒng)中各元件阻抗角相等時(shí)，振蕩中心的位置在全系統(tǒng)縱向阻抗的中點(diǎn)（即」

2

處）。

當(dāng)5=180。時(shí)，Uz=0,I最大，相當(dāng)于在線路z點(diǎn)發(fā)生三相短路。

振蕩周期：電壓的一個(gè)最大值到下一個(gè)最大值所經(jīng)歷的時(shí)間，一般發(fā)生在0.25?2.5s的范圍內(nèi)。

（二）.系統(tǒng)振蕩時(shí)測(cè)量阻抗時(shí)測(cè)量阻抗的變化規(guī)律

儲(chǔ)加I7UMEM-IZMEM7

J//I-，

,a2

因?yàn)?一〃'=---------（參看P108）

乙

3=18O,c*=（），Zj=g—ZM

d=360：agS=8,Z/=佟一Z,w）十）5"8

可見(jiàn)，當(dāng)3變化，Zj幅值變化，阻抗角亦變化。

注：（等-Z,w）可能在第一象限，也可能在第三象限。

（三）.系統(tǒng)振蕩時(shí)時(shí)距離保護(hù)的影響：

當(dāng)測(cè)量阻抗進(jìn)入特性圓內(nèi)，阻抗繼電器就要誤動(dòng)。全阻抗繼電器誤動(dòng)的相角機(jī)-d，方向阻抗繼

電器誤動(dòng)的相角&一占2。

因?yàn)門=0.25?2.5之間，所以以Nl.5s就可躲振蕩的影響

小結(jié)：①.在相同定值下，全阻抗繼電器所受（振蕩）影響大

②.當(dāng)保護(hù)安裝點(diǎn)越靠近振蕩中心，受影響越大

指施：①.延長(zhǎng)保護(hù)％置的動(dòng)作時(shí)間（如距離in段）

②.把定值壓低，使振蕩中心位于特性圓外

③.增設(shè)振蕩閉鎖回路。

（四）.振蕩閉鎖回路

i.根本要求：

①.當(dāng)系統(tǒng)只發(fā)生振蕩而無(wú)故障時(shí)，應(yīng)可靠閉鎖保護(hù)；

②.區(qū)外故障而引起系統(tǒng)振蕩時(shí)，應(yīng)可靠閉鎖保護(hù)

③.區(qū)內(nèi)故障，不管系統(tǒng)是否振蕩，都不應(yīng)閉鎖保護(hù)。

根據(jù)上述根本要求，振蕩閉鎖回路目前主要采用兩種原理：

①.利用短路時(shí)出現(xiàn)負(fù)序分量而振蕩時(shí)無(wú)負(fù)序分量的原理

②.利用振蕩和短路時(shí)電氣量變化速度不同的原理

2.利用負(fù)序（和零序）分量元件起動(dòng)的振蕩閉鎖回路

起動(dòng)元件可以利用短路時(shí)出現(xiàn)的負(fù)序或零序分量起動(dòng)，也可以利用這些分量的增量或突變量來(lái)起動(dòng)

（P115,圖3-71）

具體接線參看附錄四

①.當(dāng)系統(tǒng)只