继电保护基础理论讲解.ppt

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1、继电保护理论讲解（四）,四.电网的距离保护,距离保护的基本原理利用复数平面分析圆或直线特性阻抗继电器对接线方式的基本要求,（一）距离保护的基本原理,1基本工作原理电流、电压保护的主要优点是简单、可靠、经济，但它们的灵敏性受系统运行方式变化的影响较大，特别是在重负荷、长距离、电压等级高的复杂网络中，很难满足选择性、灵敏性以及快速切除故障的要求，为此必须采用性能完善的保护装置。因而就引入了距离保护。,距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置的主要元件为距离（阻抗）继电器，它可根据其端子所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗

2、值，此阻抗称为阻抗继电器的测量阻抗。其主要特点是：短路点距离保护安装点越近，其测量阻抗越小，相反地，短路点距离保护安装点越远，其测量阻抗越大，动作时间就越长。这样就可保证有选择性地切除故障线路。如图21（a）所示，K点短路时，保护1的测量阻抗是ZK，保护2的测量阻抗是。由于保护1距短路点较近，保护2距短路点较远，所以保护1的动作时间就比保护2的短。这样故障就由保护1动作切除，不会引起保护2的误动作。这种选择性的配合，是靠适当地选择各保护的整定阻抗值和动作时限来完成的。,图21 距离保护的基本原理,距离保护的动作时间与保护安装地点至短路点之间距离的关系，称为距离保护的时限特性。为了满足速动性、选

3、择性和灵敏性的要求，目前广泛应用具有三段动作范围的阶梯型时限特性，如图21（b）所示，并分别称为距离保护的I、II、III段，和上一章所讲的电流速断、限时电流速断以及过电流保护相对应。2距离保护的时限特性距离保护的第I段是瞬时动作的，t1是保护本身的固有动作时间。以保护2为例，其第I段本应保护线路AB的全长，即保护范围为全长的100，然而实际上却是不可能的，因为当线路BC出口处短路时，保护2第I段不应动作，为此，其起动阻抗的整定值必须躲开这一点短路时所测量到的阻抗ZAB，即Zop.2ZAB。考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，需引入可靠系数Kk（一般0.80.85），则Zop.2=(0.

4、80.85)ZAB（2-1）同理对保护1的第I段整定值应Zop.1=(0.80.85)ZBC（2-2）,如此整定后，距离I段就只能保护本线路全长的80%85%，这是一个严重缺点。为了切除本线路末端15%20%范围以内的故障，就需设置距离保护第II段。距离II段整定值的选择是相似于限时电流速断的，即应使其不超出下一条线路距离I段的保护范围，同时带有高出一个t的时限，以保证选择性。例如在图2-1（a）单侧电源网络中，当保护1第I段末端短路时，保护2的测量阻抗为 Z2=ZAB+Zop.1引入可靠系数Krel，则保护2的起动阻抗为Z2=Krel(ZAB+Zop.1)=(0.8+0.85)(ZAB+(0

5、.8-0.85)ZBC(2-3),距离I段与II段的联合工作构成本线路的主保护。为了做为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也做为距离I、II段的后备保护，还应该装设距离保护第III段。对距离III段整定值的考虑是与过电流保护相似的，其起动阻抗要按躲开正常运行时的最小负荷阻抗来选择，而动作时限则应根据前过电流保护的原则，使其比距离III段保护范围内其他各保护的最大动作时限高一个t。3距离保护的主要组成元件在一般情况下，距离保护装置由以下回路组成。图2-2为三段式距离保护的简化逻辑框图。,图2-2 三段式距离保护的原理框图,1）起动回路起动回路主要由起动元件组成。起动元件可由过电流继

6、电器、低阻抗继电器或反应于负序和零序电流的继电器构成。具体选用哪一种，应由被保护线路的情况确定。2）测量回路（ZI、ZII、和ZIII）测量回路的I段和II段由阻抗继电器ZI和ZII组成而第III段由测量组抗继电器ZIII组成。测量回路是测量短路点到保护安装处的距离，用以判断故障处于哪一段保护范围。3）逻辑回路逻辑回路主要由门电路和时间电路组成。门电路包括与门和或门，时间电路主要由tII和tIII两个时间继电器构成。时间继电器的主要作用是按照故障点到保护安装地点的远近，根据预定的时限特性确定动作的时限，以保证保护动作的选择性。,4）其它部分辅助相电流元件：接于相电流，作为辅助起动元件之用。重合

7、闸后加速回路：瞬时加速I段或II段。执行元件：出口、信号、切换等其他功能。从图2-2可以看出，当正方向发生故障时，起动元件动作，如果故障位于第I段范围内，则ZI动作，并与起动元件的输出信号通过与门，瞬时作用于出口回路，动作于跳闸。如果故障位于距离II段保护范围内，则ZI不动而ZII动作，随即起动II段的时间元件tII，待tII延时到达后，也通过与门起动出口回路动作于跳闸。如果故障位于距离III段保护范围以内，则ZIII动作起动tIII，在tIII的延时之内，如果故障未被其他的保护动作切除，则在tIII延时到达后，仍通过与门和出口回路动作于跳闸，起到后备保护的作用。,阻抗继电器阻抗继电器是距离保

8、护装置的核心元件，其主要作用是测量短路点到保护安装地点之间的阻抗，并与整定阻抗值进行比较，以确定保护是否应该动作。阻抗继电器可按以下不同方法分类：根据其比较原理的不同，分为幅值比较式和相位比较式两大类。根据其输入量的不同，分为单相式和多相式两种。所谓单相式阻抗继电器是指加入继电器的只有一个电压Uj（可以是相电压或线电压）和一个电流Ij（可以是相电流或两相电流之差）的阻抗继电器，Uj和Ij的比值称为继电器的测量阻抗Zj，即 Zj=Uj/Ij（2-4）由于Zj可以写成的复数形式，所以就可以利用复数平面来分析这种继电器的动作特性，并用一定的几何图形把它表示出来，如图2-3所示。,图2-3 在阻抗复平

9、面上分析阻抗继电器特性(a)网络接线,图2-3 在阻抗复平面上分析阻抗继电器特性（b）被保护线路的测量阻抗及动作特性,阻抗复平面分析法是最常用、最简捷直观的方法，它需要经过以下步骤：1.抗继电器在阻抗复平面上的动作特性（可从动作条件判别式取等号求得）。继电器的测量阻抗Zr沿一定的轨迹变化而使继电器始终处于临界动作状态时，这一轨迹便称为继电器的动作特性。2.求出阻抗继电器在各种运行情况下感受到的阻抗（测量阻抗Zr）。3.按动作条件判别式，在阻抗平面上分析它们是否满足该式，从而决定其是否动作。对于单相式阻抗继电器，其动作特性可用单一变量即继电器的测量阻抗ZJ的函数来分析，并在复阻抗平面上用一定的曲

10、线来表示。例如圆、直线、橄榄形、苹果形、椭圆形、矩形及多边形等。我们只针对单相式阻抗电器进行讨论。,阻抗继电器的基本原则以图2-3（a）中线路B-C的保护1为例，将阻抗继电器的测量阻抗画在复数阻抗平面上，如图2-3（b）所示。线路的如端B位于座标的原点，正方向线路的测量阻抗在第一象限，反方向线路的测量阻抗则在第三象限，正方向线路测量阻抗与R轴之间的角度为线路B-C的阻抗角。对保护1的距离I段，起动阻抗应整定为(0.8-0.85)ZBC，阻抗继电器的起动特性就应包括(0.8-0.85)ZBC以内的阻抗，可用图2-3（b）中阴影线所括的范围表示。由于阻抗继电器都是接于电流互感器和电压互感器的二次侧

11、，其测量阻抗与系统一次侧的阻抗之间存在下列关系,Zr=Ur/Ir=(U（B）.nTA)/(IBC.nTV)=Zk.nTA/nTV式中 U（B）加于保护装置的一次侧电压，即母线B的电压；IBC接入保护装置的一次电流，即从B流向C的电流；nTV电压互感器的变化；nTA线路B-C上电流互感器的变化；ZK一次侧的测量阻抗。,为了能消除过渡电阻以及互感器误差的影响，尽量简化继电器的接线，并便于制造调试，通常把阻抗继电器的动作特性扩大为一个圆。如图2-3（b）所示，其中1为全阻继电器的动作特性，2为方向阻抗继电器的动作特性，3为偏移特性的阻抗继电器的动特性。此外尚有动作特性为透镜形、多边形阻抗继电器等。,

12、（二）利用复数平面分析圆或直线特性阻抗继电器,1、全阻抗继全阻抗继电器的特性是以B点（继电器安装点）为圆心，以整定阻抗Zset为半径所作的一个圆，如图2-4所示。当测量阻抗ZJ位于圆内时继电器动作，即圆内为动作区，圆外为不动作区。当测量阻抗正好位于圆周上时，继电器刚好动作，对应此时的阻抗就是继电器的起动阻抗Zop.r。由于这种特性是以原点为圆心而作的圆，因此，不论加入继电器的电压与电流之间的角度为多大，继电器的起动阻抗在数值上都等于整定阻抗。具有这种动作特性的继电器称为全阻抗继电器，它没有方向性。,图2-4 全阻抗继电器的动作特性,这种继电器以及其它特性的继电器，都可以采用两个电压幅值比较或两

13、个电压相位比较的方式构成，现分别叙述如下。（1）幅值比较方式如图2-4（a）所示，当测量阻抗Zr位于圆内时，继电器能够起动，其起动的条件可用阻抗的幅值来表示，即 Zj|Zset|（2-7）Zset继电器整定阻值（2）相位比较方式全阻抗继电器的动作特性如图2-4（b）所示。270arg（Zr+Zset）/（Zr-Zset）90,图2-5 相位比较方式分析全阻抗继电器的动作特性,2、方向阻抗继电器方向阻抗继电器的特性是以整定阻抗Z set为直径而通过坐标原点的一个圆，如图2-7所示，圆内为动作区，圆外为不动作区。当加入继电器的Uj和Ij之间的相位差为不同数值时，此种继电器的起动阻抗也将随之改变。当

14、等于Z set 的阻抗角时，继电器的起动阻抗达到最大，等于圆的直径，此时，阻抗继电器的保护范围最大，工作最灵敏，因此，这个角称为继电器的最大灵敏角。,图2-7 方向阻抗继电器的动作特性,当反方向发生短路时，测量阻抗Zr位于第三象限，继电器不能动作，因此它本身就具有方向性，故称之为方向阻抗继电器。方向阻抗继电器也可由幅值比较或相位比较的方式构成，现分别讨论如下：（1）用幅值比较方式分析如图2-7(a)所示，继电器能够起动（即测量阻抗Zr位于圆内）的条件是（Zr-1/2 Zset）1/2 Zset,（2）用相位比较方式分析如图2-7（b）所示，当Zr位于圆周上时，阻抗Zr与（Zr-Z set）之间

16、，则为全阻抗继电器，其起动阻抗既与阻抗角有关，但又没有完全的方向性，一般称其为具有偏移特性的阻抗继电器。实用上通常采用a=0.10.2，以便消除方向阻抗继电器的死区。现对其构成方式分析如下：（1）用幅值比较方式分析如图2-8（a）所示，继电器能够起动的条件为：,（2）用相位比较方式的分析如图2-8（b）所示，当Zr位于圆周上时，向量（Z r+aZ set）与（Z r-Z set）之间的相位差为=90，同样可以证明，27090也是继电器能够起动的条件。最后，重复总结一下如下三个阻抗的意义和区别，以便加深理解：ZJ是继电器的测量阻抗，由加入继电器中电压Uj/与电流Ij的比值确定，Zj的阻抗角就是U

17、j和Ij之间的相位差；,Zset是继电器的整定阻抗，一般取继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗作为整定阻抗。对全阻抗继电器而言，就是圆的半径，对方向阻抗继电器而言，就是在最大灵敏角方向上的圆的直径，而对偏移特性阻抗继电器，则是最大灵敏角方向上由原点到圆周上的长度；Zop.j是继电器的起动阻抗，它表示当继电器刚好动作时，加入继电器中电压Uj与电流Ij的比值，除全阻抗继电器以外，Zop.r是随着阻抗角的不同而改变的，当阻抗角为最大灵敏角时，Zop.r的数值最大，等于Zset。5、具有直线特性的继电器当要求继电器的动作特性为任一直线时，如图2-10所示，由O点作动作特性边界线的垂线，其向量表示为Z

18、set，测量阻抗Zr位于直线的左侧为动作区，右侧为不动作区。,图2-10 具有直线特性的继电器,当用幅值比较方式分析继电器的起动特性时，如图2-10（a）所示，继电器能够起动的条件可表示为|Zr|2Zset-Zr|如用相位比较方式分析继电器的动作特性，则如图2-10（b）所示，继电器能够起动的条件是向量Zset和（Zr-Z set）之间的夹角为：27090.在以上关系中，如果取Z set=j Xset，则动作特性如图2-10（c）所示，为一电抗型继电器，此时只要测量阻抗ZJ的电抗部分小于X set，就可以动作，而与电阻部分的大小无关。,6具有四边形特性的阻抗继电器继电器的动作特性在复数阻抗平面

19、上可以是各种形状的四边形，四边形以内为继电器的动作区，四边形以外为不动作区，如图2-12所示。这种继电器的特性曲线通常是由一组折线和二个直线来合成，有时也可由两组折线来合成。图2-12中折线A-O-C这段特性广泛采用动作范围小于180的功率方向继电器来实现，如图2-11（b）所示。直线AB是一个电抗型继电器的特性曲线，通常使其特性曲线下倾58，以防区外故障时出现超越，引起误动，如图2-10（c）所示。直线BC属电阻型继电器特性，它与R轴的夹角通常取为70，可参照图2-10（b）的方法构成。将上述三个特性的继电器组成与门输出，即可获得图2-12的四边形特性。,图2-12 四边形阻抗继电器,（三）

20、对接线方式的基本要求,1根据距离保护的工作原理，加入继电器的电压和电流应满足以下要求：（1）继电器的测量阻抗正比于短路点到保护安装地点之间的距离；（2）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。类似于在功率方向继电器接线方式中的定义，参见图1-36的向量图，当阻抗继电器加入的电压和j、j2、j3分别接于三相时，常用的几种接线方式的名称及相应的电压和电流组合如表3-1所示。,表31,2.相间短路阻抗继电器的0接线方式这是在距离保护中广泛采用的接线方式，现根据表3-1所示的关系，对各种相间短路时继电器的测量阻抗分析如下。在此，测量阻抗仍用电力系统一次侧阻抗表示，或认为电流

21、和电压互感器的变比为1。1）三相短路如图2-16所示，三相短路时，三相是对称的，三个继电器j1j3的工作情况完全相同，因此，可以j1为例分析之。设短路点至保护安装地点之间的距离为L km，线路每千米的正序阻抗为Z1欧姆，则保护安装地点的电压应为UAB=UA-UB=IA Z1 L-IB Z1 L=（IA-IB）Z1 L 因此，在三相短路时，继电器J1的测量阻抗为ZJ1=UAB/（IZ-IB）=Z1 L在三相短路时，三个继电器的测量阻抗均等于短路点到保护安装地点之间的阻抗，三个继电器均能动作。,图2-17 A-B两相短路时测量阻抗的分析,在A-B两相短路的情况下，对继电器J2和J3而言，由于所加电

22、压为非故障相间的电压，数值较为高，而电流又只有一个故障相的电流，数值较为小，因此，其测量阻抗必然大于（2-25）式的数值，也就是说它们不能正确地测量保护安装地点到短路点的阻抗，因此，不能起动。由此可见，在A-B两相短路时，只有J1能准确地测量短路阻抗而动作。同理，分析B-C和C-A两相短路可知，相应地只有J2和J3能准确地测量到短路点的阻抗而动作。这就是为什么要用三个阻抗继电器并分别接于不同相间的原因。UAB=UA-UB=IA Z1 L-IB Z1 L=（IA-IB）Z1 LZJ1=UAB/（IA-IB）=Z1 L,3)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

23、足要求时，一般考虑采用接地距离保护，它的主要任务是正确反应这个电网中的接地短路，因此，对阻抗继电器的接线方式需要作进一步的讨论。在单相接地时，只有故障相的电压降低，电流增大，而任何相间电压都是很高的，因此，从原则上看，应该将故障相的电压和电流加入继电器中。例如，对A相阻抗继电器采用,Uj=UA Ij=IA关于这种接线能否满足要求，现分析如下：将故障点的电压UKA和电流IA分解为对称分量，则 IA=IA1+IA2+IA0 UKA=Ud1+Ud2+Ud0=0按照各序的等效网络，在保护安装地点母线上各对称分量的电压与短路点的对称分量电压之间，应具有如下的关系UA1=Ud1+IA1.Z1LUA2=Ud

24、2+IA2.Z2LUA0=Ud0+IA0.Z0L,因此，保护安装地点母线上的A相电压即应为UA=UA1+UA2+UA0=Ud1+IA1.Z1L+Ud2+IA2.Z2L+Ud0+IA0.Z0lL=Ud1+Ud2+Ud0+IA1.Z1L+IA2.Z1L+IA0.Z1L-IA0.Z1L+IA0.Z0L（Z1=Z2）=0+Z1LIA+(Z0-Z1)IA0/Z1=Z1LIA+3KIA0其中：K=(Z0-Z1)/3Z1（2-30）当采用Uj=UA和Ij=IA的接线方式时，则继电器的测量阻抗为 ZJ=Uj/Ij=UA/IAZ1L（2-31）,根据以上分析的结果，应该给阻抗继电器加入如下的电压和电流:Uj=U

25、A Ij=IA+K.3I0 式中K=(Z0-Z1)/3Z1。一般可近似认为零序阻抗角和正序阻抗角相等，因而K是一个实数，这样，继电器的测量阻抗将是ZJ=Uj/Ij=UA/(IA+K.3I0)=Z1LIA+3KIA0/(IA+K.3I0)=Z1L,它能正确地测量从短路点到保护安装地点之间的阻抗，并与相间短路的阻抗继电器所测量的阻抗为同一数值，因此，这种接线得到了广泛应用。为了反应任一相的单相接地短路，接地距离保护也必须采用三个阻抗继电器，其接线方式分别为。UA IA+K.3I0 UB IB+K.3I0 UC IC+K.3I0这种接线方式同样能够反应于两相接地短路和三相短路，此时接于故障相的阻抗继电器的测量阻抗亦为Z1L。,

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