电力系统继电保护第三章电网的距离保护1-5节.ppt

《电力系统继电保护第三章电网的距离保护1-5节.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力系统继电保护第三章电网的距离保护1-5节.ppt（133页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第三章 电网距离保护,电流保护优点：简单、经济、可靠，广泛应用于35KV及以下等级的电网。缺点：定值、保护范围以及灵敏度受系统运行方式变化的影响较大。,思考：电流、电压保护的主要优点是简单、可靠、经济，但是，对于容量大、电压高或结构复杂的网络，它们难于满足电网对保护的要求。电流、电压保护一般只适用于35kV及以下电压等级的配电网。对于110kV及以上电压等级的复杂网，线路保护采用何种保护方式？,解决方法：,采用一种新的保护方式距离保护。,第三章 电网的距离保护,3.1 距离保护的基本原理与构成3.2 阻抗继电器及动作特性3.3 阻抗继电器的实现方法3.4 距离保护的整定计算与对距离保护的评价3

2、.5 距离保护的振荡闭锁3.6 故障类型判别和故障选相3.7距离保护特殊问题的分析,一、距离保护的基本概念,距离保护是反应故障点至保护安装点之间的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定动作时间。,3.1 距离保护的基本原理与构成,利用短路时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，反应故障点到保护安装处的距离。测量保护安装处至故障点的距离，实际上是测量保护安装处至故障点之间的阻抗大小，故有时又称之为阻抗保护。电压与电流的这个比值被称为测量阻抗，表示为,3.1.1 距离保护的基本概念,距离保护是反应保护安装处至短路点之间的距离，并根据短路点至保护安装处的距离确定动作时限的一种保护。,整定距

3、离Lset：与距离保护的范围相对应的距离。,1)故障发生在保护区正方向，设法测出故障点至保护安装处的距离Lk，并与Lset比较：Lk Lset：保护范围外故障，保护不动作（k2）2)故障发生在保护区反方向，直接判区外故障不动作（k3）,1)正常运行时：Um：近似为额定电压Im：为负荷电流Zm：为负荷阻抗，量值较大，其阻抗角为数值较小的功率因数角，阻抗性质以电阻性为主。（ZL）,3.1.2 测量阻抗及其与故障距离的关系,测量阻抗：保护安装处测量电压Um和测量电流Im的比值,2)系统发生金属性短路时,Um：降低 Im：增大Zm：为短路点与保护安装处的线路阻抗,对具有均匀参数的输电线路，忽略分布电容

4、和电导，有：,Zm=Zk=z1Lk，其中z1为单位长度线路的复阻抗,在线路阻抗的方向上，比较Zm（或Zk）与 Zset的大小，即可实现Lk与Lset的比较。,Zk Zset 说明Lk Lset：在保护区外，保护不动作（k2）Zk在Zset 的反方向：区外故障，保护不动作（k3）,整定阻抗：和整定长度Lset相对应的阻抗Zset Zset=Z1 Lset,接线方式：给距离继电器接入电压和电流的方式,继电器电流、电压的选取方式就是阻抗继电器的接线方式。阻抗继电器的接线方式主要有两种：1、0 接线方式，反应相间短路故障；2、相电压和具有K3I0补偿的相电流接线，反应接地短路故障。,3.1.3 测量电

5、压和测量电流的选取,测量阻抗正比于保护安装处到短路点之间的距离；,(2)继电器的测量阻抗与故障类型无关;,加入继电器的电压Um和电流Im应满足基本要求：,保护安装处的残压：,假设：Z1=Z2 不计负荷电流,（一）母线电压的计算公式,保护安装处的残压：,1.单相接地（A相）,2.中性点直接接地电网两相接地短路(BC相为例）,3.两相不接地短路故障（BC两相短路为例）,不能反应故障距离！,4.三相短路接地,各种测量阻抗都能正确反映故障点到保护安装处的距离！,5.故障环路的概念及测量电压、电流的选取,故障环路：故障电流可以流通的通路称为故障环路。故障环路上的电压和环路中流通的电流之间满足：,即用它们

6、作为测量电压和测量电流得出的测量阻抗可以正确反映保护安装处到故障点之间的距离。,接地距离接线方式：保护接地短路故障 采用相-地故障环路 测量电压取保护安装处故障相对地电压 测量电流取带有零序电流补偿的故障相电流 可反映单相接地故障、两相接地故障和三相接地故障 不能反映相间短路,零序电流保护不能满足要求时，考虑采用接地距离保护。,相间距离接线方式：保护相间短路故障 采用相-相故障环路 测量电压取保护安装处两故障相的电压差 测量电流取保护安装处两故障相的电流差 可反映两相短路、两相接地故障和三相短路故障 不能反映单相接地短路,相间短路电流保护不能满足要求时，采用相间短路距离保护。,（1）相间距离保

7、护0接线方式可以正确反应三相短路、两相短路、两相接地短路，不能正确反应单相接地短路。（2）接地距离保护带零序电流补偿的接线方式，可以正确反应单相接地短路、两相接地短路和三相短路时。不能正确反应两相短路。,结论,相间距离保护的接线方式（0接线）,当功率因数为1时，加在继电器端子上的电压与电流的相位差为0，故称为0接线。,接地距离保护的接线方式（具有零序电流补偿的0接线）,3.1.4 距离保护的时限特性,距离保护的动作时间t与保护安装处到故障点之间的距离的关系称为距离保护的时限特性，目前获得广泛应用的是阶梯型时限特性，称为距离保护的、段。,由三段构成,段,段,段,主保护,后备保护,距离段：,（1）

8、保护本线路全长的8085；（2）瞬时动作，即动作时限为0s。,距离段：,（1）保护本线路全长，但不超过下一条线路距离段的保护范围；（2）延时t动作，一般动作时限为0.5s。,距离段：,（1）保护本线路全长，下一级线路全长，甚至更远；（2）延时动作，一般动作时限为：,I段：保护区不能伸出本线路，即测量阻抗小于本线路阻抗时动作。,可靠系数，0.8 0.9,II段 保护区不能伸出相邻线路I段保护区，即测量阻抗小于本线路阻抗与相邻线路I段动作阻抗之和。靠延时保证选择性,可靠系数，0.8,III段:在系统正常时不起动，故障时起动，即测量阻抗小于最小的负荷阻抗时保护动作。依靠时间的阶梯性来保证选择性,I段

9、：保护区为本线路全长的80%-85%瞬时动作于本线路出口断路器；II段：保护区为本线路全长，t=0.5s动作于本线路出口断路器；III段：躲最小负荷阻抗，阶梯时限特性，延时动作于本线路出口断路器I、II段为主保护，III段为后备保护。,3.1.5 距离保护的组成,由起动元件、测量元件、时间元件和执行元件组成。,三、距离保护的主要组成元件,1、起动元件（）判断系统是否发生故障；过电流继电器、低阻抗继电器、反映负序、零序电流的继电器。2、测量元件(距离元件）阻抗继电器；阻抗继电器：计算保护安装点至短路点之间的测量阻抗，与整定阻抗比较，确定保护是否应该动作。是距离保护中的核心元件。3、时间元件时间继

10、电器；4、振荡闭锁回路故障时短时开放距离保护I、II段，振荡时 立即闭锁I、II段；5、断线闭锁元件电压互感器二次断线时闭锁距离保护；6、出口执行元件；,阻抗继电器测量阻抗,距离保护利用阻抗继电器来判断故障所在区域。,距离保护原理,阻抗继电器动作方程,正常运行时为负荷阻抗,故障时为保护安装处到故障点的线路阻抗,整定阻抗,距离保护的基本任务：短路时准确测量出短路点到保护安装处的距离（阻抗），按照预定的保护动作范围和动作特性判断短路点是否在其动作范围内，决定是否应该跳闸和确定跳闸时间。,3.2 阻抗继电器及其动作特性,阻抗继电器的主要作用：直接或间接测量短路点到保护安装地点之间的阻抗，并与整定阻抗

11、值进行比较，以确定保护是否应该动作，又称距离继电器。,阻抗继电器的分类,按加入继电器的构成方式分类 单相补偿式（第类）、多相补偿式（第类）按继电器的动作特性分类 圆特性、非圆特性 按比较回路实现方法分类 比幅式、比相式,距离保护的实质是用测量阻抗 与被保护线路的整定阻抗 比较。当短路点在保护范围以外时，即 时，继电器不动作；当短路点在保护范围以内时，即 时，继电器动作。距离保护又称为低阻抗保护.,Zk,1,2,3,4,k,3.2.1 阻抗继电器动作区域的概念,前面分析，保护范围内故障时，ZmZset，阻抗继电器动作；实际上，由于互感器误差、故障点过渡电阻等原因，Zm一般并不会严格地落在与Zse

12、t同向的直线上，而是落在该直线附近的一个区域中。为保证区内故障时继电器能可靠动作，其动作范围应该是一个包括Zset的对应线段在内的一个区域。,一、构成阻抗继电器的基本原则,一次阻抗与继电器测量阻抗之间的关系,一、构成距离继电器的基本原理,（1）TA、TV有相位误差,（2）短路点有过渡电阻,解决办法：,扩展动作区。,仅把线段 作为动作区保护会拒动。,由于以下因素，测量阻抗将偏离线段：,圆特性：,方向阻抗圆特性,全阻抗圆特性,偏移阻抗圆特性,常见动作特性：,苹果形动作特性,橄榄形动作特性,多边形特性,多边形特性,、阻抗继电器的动作特性和动作方程,R,jX,A,B,C,1、全阻抗继电器,全阻抗特性圆

13、：以保护安装点(坐标原点)为圆心，为半径的圆,圆内为动作区；,反方向故障时会误动，没有方向性；,1、全阻抗继电器,R,jX,A,B,C,全阻抗继电器的特点：,1、全阻抗继电器,R,jX,A,B,C,比幅式动作方程：,R,jX,A,B,C,比相式动作方程：,平行四边型法则：,幅值比较和相位比较之间的关系（互换性）：,起动条件,动作,不动作,（1）幅值比较原理：（2）相位比较原理：,，或,极化电压,补偿电压,继电器动作,继电器动作,成立条件：（1）A、B、C、D为同一频率正弦交流量；（2）短路暂态过程中的非周期分量和谐波分量不成立。,2、方向阻抗继电器,R,jX,A,B,C,方向阻抗特性圆：过坐标

14、原点，以为直径的圆,圆内为动作区；,反方向故障时不会误动，本身具有方向性；,R,jX,A,B,C,比幅式动作方程：,R,jX,A,B,C,比相式动作方程：,方向阻抗继电器的特点：,（1）有死区,（3）有明确的方向性,（2）随 变化而不同,R,jX,A,B,C,3、偏移特性阻抗继电器,圆心：,半径：,反方向偏移,A,R,jX,B,C,正方向整定阻抗,A,R,jX,B,C,比幅式动作方程：,A,R,jX,B,C,比相式动作方程：,偏移特性阻抗继电器的特点：,（1）没有死区,（3）有不明确方向性,（2）随 变化而不同,A,R,jX,B,C,总 结,时，为全阻抗继电器；时，为方向阻抗继电器；时，为偏移

15、阻抗继电器；时，为上抛特性。,两种原理的互换关系,幅值比较原理：,相位比较原理：,使距离保护装置刚能动作的最大测量阻抗。,三个重要的基本概念,整定阻抗Zset：,测量阻抗Zk：,加入继电器的电压、电流的比值。,起动阻抗ZK.act,指编制整定方案时，根据保护范围给出的阻抗。发生短路时，当测量阻抗等于或小于整定阻抗时继电器动作。,3.3 阻抗继电器的实现,绝对值比较原理的实现 相位比较原理的实现 比较工作电压相位的实现,3.3.1 绝对值比较原理的实现,以模拟式圆特性方向阻抗继电器为例：UR：电抗互感器，把电流变成电压T：电压变换器,3.3.2 相位比较原理的实现,以模拟式圆特性方向阻抗继电器为

16、例：,3.3.3 比较工作电压相位实现的故障区段判断,1)比较工作电压相位法基本原理,工作电压：,工作电压又称为补偿电压，定义为保护安装处测量电压与测量电流的线性组合。,正常运行时：补偿电压就是线路Z点的运行电压，它在量值上接近额定电压，相位上基本与 同相位。,正方向区外K1点短路时,为M处的残压,相位相同,整定点z残余电压,正方向区内K2点短路时,为母线M处的残压,为整定点z点的残压,相位相反,反方向K3点短路时,为N侧电源在M处的残压,为N侧电源在整定点Z点的残压,相位相同,正方向区外故障时，工作电压相位与测量电压相同反方向故障时，工作电压相位与测量电压相同正方向区内故障时，工作电压与测量

17、电压相位相反,结论：以 为参考相量，检测工作电压的相位变化，可以检测出短路故障的方向和位置。,实际系统中：考虑互感器误差、过渡电阻等因素，为保证区内故障时可靠动作，设置测量元件动作的条件为：,式中1和 2为比相动作范围偏离180的角度，都取正值。,若取1=2=90，则有：,即：1=2=90时为方向圆，缺点：正方向或反方向出口短路时，Um的数值接近0，Zm的阻抗值都很小，落在坐标原点附近，可能出现正向短路拒动或反向出口短路误动的情况。解决方法：不用测量电压Um作为参考电压，而改选其他的电压量作为参考电压！,可以认为不同特性的阻抗继电器的区别只是在于所选的极化电压（又称“参考电压”）不同。,如：设

18、极化电压 为测量电压，则测量元件的动作条件可表示为：,引入“极化电压”作为判断工作电压相位的参考,对极化电压的要求：极化电压只作相位参考量，不参与阻抗测量，任何时候其值不能为零；(2)极化电压的相位不应随故障位置而变化。,动作方程,或,动作条件可表示为：,取不同的极化电压和不同的动作边界，可得到不同的动作特性，一般取为：,2)以正序电压为参考电压的测量元件,以测量电压Um作为参考电压的缺点：在出口发生各种类型的短路时，故障相或相间电压下降为 0，此时无法保证选择性要求。,思路：引入非故障相电压除三相对称性故障以外，在各种不对称故障时，非故障相电压不会为0，相位也不会随故障位置变化。,解决方法：

19、采用正序电压作为参考电压。正序电压是由三相电压组合而成，相当于引入了非故障相电压。,以正序电压为参考电压的测量元件,正序电压取故障环路上的电压，如在接地距离中A相测量元件中，则选取 为参考电压。,在接地距离中BC相测量元件中，则选取 参考电压为。,以正序电压为参考电压的测量元件,（1）不同故障情况下正序参考电压的变化分析,以最严重的出口短路为例，假设故障前后非故障相电压不变,i.A相单相接地短路 A相出口单相接地短路时，保护安装处的电压为：,出口单相接地故障时，故障相正序电压的相位与该相故障前电压的相位相同，幅值等于该相故障前的2/3。,ii.A、B两相接地短路 出口A、B两相接地短路时，保护

20、安装处的电压为：,出口两相接地故障时，两故障相正序电压的相位与对应相故障前电压的相位相同，幅值等于该相故障前的1/3。,两故障相间正序电压的相位与该两相故障前相间电压的相位相同，幅值等于故障前相间电压的1/3。,ii.A、B两相接地短路,iii.AB两相不接地短路 AB两相不接地短路时，保护安装处的电压为：,出口两相不接地故障时，两故障相正序电压的相位与对应相故障前电压的相位相同，幅值等于该相故障前的1/2。,两故障相间正序电压的相位与该两相故障前相间电压的相位相同，幅值等于故障前相间电压的1/2。,iv.ABC三相对称短路 出口ABC三相短路时，保护安装处的电压为：,出口三相短路时，各正序电

21、压都为0，正序参考电压将无法应用。但当发生非出口三相短路时，正序电压将不再为0，变成相应相或相间的残余电压，如果此电压不低于额定电压的10%15%，正序参考电压就可以应用。,（而在出口发生各种不对称短路时，故障环路上的正序电压都有较大的量值，相位与故障前的环路电压相同。）,以正序电压为参考电压的测量元件,（2）以正序电压参考电压的测量元件的动作特性,动作方程：,对接地距离接线方式来说：,则有：,（2）以正序电压参考电压的测量元件的动作特性,正方向发生金属性短路时：不计短路前的负荷电流，并设系统的正序、负序阻抗相等，则保护安装处的故障相电压和正序电压可分别表示为：,对应的特性在阻抗复平面上为一个

22、以Zset与-ZM1末端联线为直径的圆。即正向故障情况下，以正序电压为参考电压的测量元件的特性变为一个包含坐标原点的偏移圆。正向出口短路时，测量阻抗明确地落在动作区内，且耐受过渡电阻的能力要比方向阻抗圆强。（同样的Zset情况下）,注意：该偏移特性在正向故障的前提下导出，所以动作区域包括原点并不意味着会失去方向性！,以正序电压为参考电压的测量元件,（2）以正序电压参考电压的测量元件的动作特性,反方向发生金属性短路时：,以正序电压为参考电压的测量元件,（2）以正序电压参考电压的测量元件的动作特性,对应的特性在阻抗复平面上为一个以Zset与ZN1末端联线为直径的上抛圆。反向出口故障情况下，测量阻抗

23、在原点附近，远离动作区，可靠不动；反向远处故障，-Zm在第三象限，也不会动作。,以正序电压为参考电压的测量元件,对相间距离接线方式来说：,则有：,3)以记忆电压为参考电压的测量元件,以测量电压和正序电压作为参考电压都会因出口三相对称性短路时因三相电压为0，而失去比较依据。,解决方法：采用记忆电压（记忆故障前的电压）作为参考电压。仍具有明确的方向性（分析过程略）,传统的模拟式距离保护，采用LC谐振记忆回路获得记忆电压。,3)以记忆电压为参考电压的测量元件,原理：由R、L、C组成的电路，自由振荡频率为50Hz。,故障一定时间后，记忆电压将衰减至故障后的测量电压，动作特性也将变成经过原点的方向圆特性

24、。因此记忆回路的作用是：保证方向阻抗继电器在短路刚发生的暂态过程中正确动作。,阻抗继电器的精确工作电流,当继电器的起动阻抗等于0.9倍的整定阻抗时所对应的最小测量电流，称为精确工作电流。,当加入继电器的电流较小时，继电器的动作阻抗将下降，使阻抗继电器的实际保护范围缩短。这将影响到与相邻线路阻抗元件的配合，甚至引起非选择性动作。为了把动作阻抗的误差限制在一定的范围内，规定了精工电流。,阻抗继电器的精确工作电流,引入精确工作电流的意义：,1、它是用来衡量继电器动作阻抗与整定阻抗之间的误差是否满足10%的要求2、当加入阻抗继电器的电流大于精工电流，说明阻抗继电器的误差在10%之内3、为了减小阻抗继电

25、器的误差，精工电流越小越好。,在多电源的复杂网络中能保证动作的选择性,快速性,一侧瞬时动，另一侧0.5s后动,1520%,1520%,6070%两侧瞬时动,保护区稳定，灵敏度高,可靠性稍差,3.4 距离保护的整定计算及评价,应用：在35KV-110KV作为相间短路的主保护和后备保护；采用带零序电流补偿的接线方式，在110KV线路中也可作为接地故障的保护。在220KV及以上电压等级线路中作为后备保护。,对距离保护的评价,一、距离保护的整定计算,1.距离保护I段：,按躲过线路末端短路整定,其中,一、距离保护的整定计算,2.距离保护II段：,其中,(1)定值计算：,与相邻线路的距离I段配合,一、距离

26、保护的整定计算,2.距离保护II段：,其中,k,与相邻线路的距离I段配合,一、距离保护的整定计算,2.距离保护II段：,其中,(1)定值计算：,按躲过线路末端变电所变压器低压母线短路整定,取上述两项中数值小者作为保护的定值。,一、距离保护的整定计算,2.距离保护II段：,(2)动作时间：,一、距离保护的整定计算,2.距离保护II段：,(2)灵敏度校验：,若灵敏度不满足要求，则与相邻线路距离保护II段配合。,故障点选取本线路末端,与相邻下级线路距离保护II段或III段配合,与相邻下级变压器的电流、电压保护配合,（1）定值计算,变压器的电流、电压保护的最小保护范围。,3.距离保护III段：,一、距

27、离保护的整定计算,3.距离保护III段：,按躲过最小负荷阻抗整定。考虑外部故障切除后，电动机自启动时，应可靠返回。,最小负荷阻抗：,返回阻抗：,动作阻抗：,一、距离保护的整定计算,3.距离保护III段：,(1)定值计算：,其中,按躲过最小负荷阻抗整定。考虑外部故障切除后，电动机自启动时，应可靠返回。,对全阻抗继电器,对方向阻抗继电器,一、距离保护的整定计算,3.距离保护III段：,(1)定值计算：,按躲过最小负荷阻抗整定,对全阻抗继电器,对方向阻抗继电器,一、距离保护的整定计算,3.距离保护III段：,(1)定值计算：,按躲过最小负荷阻抗整定,结论：躲同样负荷阻抗，方向阻抗继电器的灵敏度比采用

28、全阻抗继电器提高,倍。,一、距离保护的整定计算,3.距离保护III段：,(2)灵敏度校验：,近后备,远后备,故障点取本线路末端,故障点取相邻线路末端,（3）动作时间：,应比与之配合的相邻设备保护动作时间大一个时间级t。,考虑躲振荡，一般应大于1.5-2s。,与多条相邻线路保护配合时，取最大时间做为动作时间。,3.距离保护III段：,一、距离保护的整定计算,影响阻抗继电器正确工作的因素：短路点的过渡电阻 电力系统振荡 保护安装处与故障点之间的分支电路 TA、TV的误差 TV二次回路断线 串联补偿电容,影响距离保护正确工作的因素及其对策,电力系统振荡：发电机与系统之间或两系统之间功角的周期性摆动现

29、象,振荡原因：传输功率超过静稳极限、无功不足引起电压下降、故障切除时间过长、非同期重合闸等。,3.5 距离保护的振荡闭锁,振荡的特点：功角周期性变化、电压电流幅值及相位周期性变化、传输功率大小及方向周期性变化、阻抗继电器的测量阻抗也周期性变化。,对保护的要求：,振荡属于不正常运行状态，通过一定措施多数情况下可以恢复正常。,测量阻抗周期性变化可能引起保护误动，需采取措施（振荡闭锁）防止误动。,振荡中心在保护范围内时，则距离保护会误动当保护安装点越靠近振荡中心时，受到的影响越大振荡中心在保护范围以外或位于保护的反方向时，则距离保护不会误动,继电器的动作特性在阻抗平面上沿OO方向所占面积越大，受振荡

30、的影响就越大,在距离保护整定值相同的情况下，全阻抗继电器所受振荡影响最大，方向阻抗继电器受影响最小；,3.5 电力系统振荡对距离保护的影响,距离I段：t=0s，受影响可能会误动；距离II段：t=0.5s，受影响可能会误动；,距离III段：t1.5s，可躲过振荡的影响；,系统振荡对三段式距离保护的影响,5.6.2 电力系统振荡对距离保护的影响,5.振荡闭锁措施,当系统只发生振荡而无故障时，应可靠闭锁保护,区外故障而引起系统振荡时，应可靠闭锁保护,区内故障，不论系统是否振荡，都不应闭锁保护,5.6.2 电力系统振荡对距离保护的影响,（1）基本要求：,(2)振荡与短路的区别,5.6.2 电力系统振荡

31、对距离保护的影响,利用短路时出现负序分量而振荡时无负序分量,利用振荡和短路时电气量变化速度不同,利用动作的延时实现振荡闭锁,5.6.2 电力系统振荡对距离保护的影响,5.振荡闭锁措施,利用短路时出现负序、零序分量突变特征短时开放保护,正常运行：,起动元件不动作,阻抗元件不动作,保护不动作,系统故障（段范围内）：,启动元件动作,距离段动作,开放t时间,段跳闸,开放时间：,保证段有足够的时间可靠跳闸,系统故障（段范围内）：,启动元件动作,距离段动作,开放t时间,段保持,段延时,开放时间：,保证段有足够的时间启动并自保持，不小于0.1s,保证区外故障引起振荡时，在开放保护时间内测量阻抗不会进入动作区。不大于0.3s。,系统振荡：,启动元件不动作,距离元件可能动作,闭锁保护,保护不动作,整组复归：,故障消失或振荡停息之后，经延时动作，保护恢复初始状态。,利用电气量变化速度不同构成闭锁措施,动作时间差大于t0判为振荡，闭锁保护。,动作时间差小于t0判为故障，开放保护。,