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1、第三章 电网距离保护,3.1 距离保护的基本原理与构成,一、距离保护的基本概念电流保护对于容量大、电压高和结构复杂的网络，难于满足电网对保护的要求。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电网，必须采用性能更加完善的保护装置，距离保护就是适应这种要求的一种保护原理。距离保护：反应保护安装地点至故障点之间的距离，并根据距离的远近而确定动作时限的一种保护装置。主要元件为距离继电器，可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至故障点间的阻抗值。距离保护保护范围通常用整定阻抗 的大小来实现。,二、测量阻抗与故障距离正常运行时保护安装处测量到的阻抗为负荷阻抗，即
2、式中 被保护线路母线的相电压，测量电压；被保护线路的电流，测量电流；测量电压与测量电流之比，测量阻抗。在被保护线路任一点发生故障时，保护安装处的测量电压为，测量电流为故障电流，这时的测量阻抗为保护安装处到短路点的短路阻抗，当短路点在保护范围以外时，即 时继电器不动。当短路点在保护范围内，即 时，继电器动作。,三、测量电压和测量电流的选取用测量阻抗来表示故障距离的前提：三相系统中，不同的短路应该选取不同的测量电压和测量电流才能满足要求。一般情况下：,1.单相接地短路（）A相金属性短路，可取B、C相电压电流不能反映短路点距离2.单相接地短路（）B、C两相接地短路，可取另外：可取,3.两相短路（）A
3、、B相短路，4.三相短路（）测量电压和测量电流可任取,可取,四、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l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,距离保护的第段是瞬时动作的，是保护本身的固有动作时间。以保护3为例，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，即。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（一般取0.80.85）：为了切除本线路末端15%20%范围以内的故障，需要设置距离保护第段。距离段整定值的选择不超过下一条线路距离段的保护范围，同时高出一个 的时限，以保证选择性。引入可靠系数，则保护3的起
4、动阻抗为,距离段和段的联合工作构成本线路的主保护。,五、距离保护的组成启动部分：判别系统是否发生故障。测量部分振荡闭锁部分电压回路断线部分配合逻辑部分出口部分,3.2 阻抗继电器及其动作特性,一、阻抗继电器的概念：阻抗继电器是距离保护装置的核心元件，其主要作用是测量短路点到保护安装处之间的距离，并与整定阻抗值进行比较，以确定保护是否应该动作。单相式阻抗继电器是指加入继电器的只有一个电压（可以是相电压或线电压)和一个电流（可以是相电流或两相电流之差）的阻抗继电器。和 的比值称为继电器的测量阻抗。由于 可以写成 的复数形式，所以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
5、出来。,二、具有圆及直线动作特性的阻抗继电器单相式圆特性和直线特性阻抗继电器的构成方法有两种：比幅式阻抗继电器，比相式阻抗继电器。（一）特性分析及电压形成回路1全阻抗圆继电器（1）幅值比较全阻抗继电器的动作与边界条件为：或,比较两电压量幅值的全阻抗继电器的电压形成回路：,（2）相位比较相位比较的动作特性如图3-6 所示，继电器的动作与边界条件为 与 的夹角小于等于，即 两边同乘以电流量得 上式中，量超前于 量时 角为正，反之为负。构成相位比较的电压形成回路如图3-7所示。,2.方向圆阻抗继电器(1)幅值比较,方向阻抗继电器的动作特性为一个圆，动作具有方向性，幅值比较的动作与边界条件为：两边同乘
6、以电流得,（2）相位比较相位比较的方向阻抗继电器动作特性如图3-8（b）所示，其动作与边界条件为 分式上下同乘以电流 方向阻抗继电器相位比较的电压形成回路，如图3-10所示。,3偏移圆特性阻抗继电器（1）幅值比较偏移特性阻抗继电器的动作特性，圆的直径为 与 之差。,动作条件：,两边同乘以电流：,（2）相位比较偏移特性阻抗继电器相位比较分析，如图所示，其相位比较的动作与边界条件为两边同乘以电流得偏移特性阻抗继电器幅值比较和相位比较的电压形成回路与方向阻抗继电器的类似，这里从略。,4直线特性阻抗继电器,幅值比较动作条件：,相位比较动作条件：,(二)阻抗继电器的比较回路 具有圆或直线特性阻抗继电器可
7、以用比较两个电气量幅值的方法来构成，也可以用比较两个电气量相位的方法来实现。,1 微机保护中幅值比较的实现：设由傅氏算法算出的电压和电流实、虚部分别用、和、表示，,2.微机保护中相位比较的实现在微机保护中，相位比较既可以用阻抗形式实现，也可以用电压的形式实现。在用电压比较方式的情况下，分为相量比较和瞬时采样值比较两种：(1)相量比较方式,动作范围：,比相动作条件：,动作范围：,比相动作条件：,(2)瞬时采样值比较方式,这种算法只需要用相隔1/4工频周期的两个采样值就可以完成比相，故可称为比相的两点积算法。由于该方法用瞬时值比相，受输入量中的谐波等干扰信号的影响较大，故必须先用数字滤波算法滤除输
8、入中的干扰信号，然后再进行比相。,三、具有多边形动作特性的阻抗继电器圆特性的缺点：整定值较小时，区内经过度电阻短路，测量阻抗容易落在区外；整定值较大时，负荷阻抗有可能落在园内。如图3-16所示，阻抗继电器准四边形动作特性，准四边形以内为动作区，以外为不动区，即测量阻抗末端位于准四条边上为动作边界。,设测量阻抗 的实部为，虚部为，则图3-16在第象限部分的特性可以表示为 第象限部分的特性可以表示为 第象限部分的特性可以表示为 综合以上三式，动作特性可以表示为,若取，则，又可表示为 该式可以方便地在微机保护中实现。,四、方向阻抗继电器的死区及死区的消除方法对于方向阻抗继电器，当保护出口短路时，故障
9、线路母线上的残余电压将降低到零，即。对幅值比较的方向阻抗继电器，其动作条件为 当 时，该式变为，此时被比较的两个电压变为相等，理论上处于动作边界，实际上，由于继电器的执行元件动作需要消耗一定的功率，因此，在这样情况下继电器不动作。对于相位比较的方向阻抗继电器，其动作条件为 当 时，无法进行比相，继电器也不动作。这种不动作的范围，称为保护装置的“死区”。利用记忆回路和引入第三相电压减小和消除死区。,3.4 距离保护的整定计算与对距离保护的评价,常用阶梯时限配合的三段式距离保护I、II段采用方向圆特性III段作为本线路I、II段的近后备、相邻下一级线路的远后备和反向母线保护的后备，因此常用偏移圆特
10、性的测量元件。,以图3-44 为例，说明三段式距离保护的整定计算。,一、距离保护第段的整定1.动作阻抗对输电线路，按躲过本线路末端短路来整定，即取 式中 为可靠系数，取0.80.85。2动作时限距离保护段的动作时限是由保护装置的继电器固有动作时限决定，人为延时为零，即 秒。二、距离保护第段的整定1动作阻抗（1）与下一线路的第一段保护范围配合，并用分支系数考虑助增及外汲电流对测量阻抗的影响，即,式中，为可靠系数，取0.8；为分支系数，取相邻线路距离保护第一段保护范围末端短路时，流过相邻线路的短路电流与流过被保护线路的短路电流实际可能的最小比值，即（2）与相邻变压器的快速保护相配合,式中，为变压器
11、短路阻抗；考虑到 的数值有较大偏差，所以取=0.7;也取实际可能的最小值。,取（1）、（2）计算结果中的小者作。,2.动作时限保护第段的动作时限，应比下一线路保护第段的动作时限大一个时限阶段，3.灵敏度校验如灵敏度不能满足要求，可按照与下一线路保护第段相配合的原则选择动作阻抗，即,这时，第段的动作时限应比下一线路第段的动作时限大一个时限阶段，即,三、距离保护的第段的整定1动作阻抗按躲开最小负荷阻抗来选择，若第段采用全阻抗继电器，其动作阻抗为式中 可靠系数，取1.21.3；继电器返回系数,取1.11.15;考虑电动机自起动时的自起动系数;最小负荷阻抗，;被保护线路可能最大负荷电流。2动作时限保护
12、第段的动作时限较相邻与之配合的元件保护的动作时限大一个时限阶段，即,3灵敏度校验作近后备保护时 作远后备保护时,若第段采用方向圆特性阻抗继电器，则方向阻抗继电器的动作阻抗为,采用方向阻抗继电器时，保护的灵敏度比采用全阻抗继电器时可提高,四、对距离保护的评价1主要优点（1）能满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求。（2）阻抗继电器是同时反应电压的降低与电流的增大而动作的，因此距离保护较电流保护有较高的灵敏度。其中段距离保护基本不受运行方式的影响，而、段仍受系统运行方式变化的影响，但比电流保护要小些，保护区域和灵敏度比较稳定。2.主要缺点（1）不能实现全线瞬动。对双侧电源线路，将有全线的30%4
13、0%范围以第段时限跳闸，这对稳定有较高要求的超高压远距离输电系统来说是不能接受的。（2）阻抗继电器本身较复杂，还增设了振荡闭锁装置，电压断线闭锁装置，因此，距离保护装置调试比较麻烦，可靠性也相对低些。,3.5 影响距离保护正确工作的因素及采取的防止措施,影响距离保护正确动作的因素很多，如：电网的接线中可能具有分支电路；在Y/接线变压器后面发生短路；输电线路可能具有串联电容补偿；电力系统发生振荡；短路点具有过渡电阻；电流互感器和电压互感器的误差、过渡过程及二次回路断线等等。,一、短路点过渡电阻对距离保护的影响过度电阻：包括电弧电阻、中间物质电阻、导线与大地的接触电阻、金属塔杆的接地电阻等。最大可
14、达300。当短路点存在过渡电阻时，必然直接影响阻抗继电器的测量阻抗。例如,对图3-29(a)所示的单电源网络，当线路 的出线端经过 短路时，保护1的测量阻抗为，保护2的测量阻抗为。,结论：对单侧电源线路，过度电阻的存在总使得继电器的测量值增大，阻抗角变小，保护范围缩短；保护装置距短路点越近时，受过渡电阻的影响越大，同时保护装置的整定值越小，则相对地受过渡电阻的影响也越大。,对双侧电源的网络，短路点的过渡电阻可能使测量阻抗增大，也可能使测量阻抗减小。,若为正，阻抗总是增大；若为负，有可能使得阻抗减小。系统振荡加故障时，有可能在0360之间变化。,当 为正时，测量阻抗增大，当 为负时，测量阻抗的电
15、抗部分将减小。在后一种情况下，可能导致保护无选择性的动作（误动）。为了使阻抗继电器能正确动作，必须采取措施来消除或减小过渡电阻的影响。短路点的过渡电阻主要是纯电阻性的电弧电阻Rg，且电弧的长度和电流的大小都随时间而变化，在短路开始瞬间电弧电流很大，电弧的长度很短，Rg很小。随着电弧电流的衰减和电弧长度的增长，Rg随着增大，大约经0.10.15秒后，Rg剧烈增大。为了减小过渡电阻对距离保护的影响，通常采用：（1）采用瞬时测定装置（2）采用带偏移特性的阻抗继电器（+R方向面积增大）（3）采用四边形特性（每条边可以分别整定）,二、电力系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁电力系统在正常运行时，所有接入系
16、统的发电机都处于同步运行状态。当系统因短路切除太慢或因遭受较大冲击时，并列运行的发电机失去同步，系统发生振荡，振荡时，系统中各发电机电势间的相角差发生变化。因此，可能导致保护误动作。但通常系统振荡若干周期后可以被拉入同步，恢复正常运行。因此，距离保护必须考虑系统振荡对其工作的影响。（一）电力系统振荡时电流、电压的分布图3-32为简化系统等值电路图,当系统发生振荡时，设 超前于 的相位角为，,且系统中各元件的阻抗角相等，则振荡电流为：,系统振荡时Z点位于 处。当 时,达最大值，电压，此点称为系统振荡中心。,两端电动势差的有效值为,(二)电力系统振荡对距离保护的影响系统振荡时，M母线上阻抗继电器的
17、测量阻抗为,当变化时，测量阻抗末端延OO移动，进入距离保护动作区时，可引发误动。,（三）系统振荡与短路时电气量的差异1、振荡时三相对称；短路时会出现负序分量或零序分量。2、振荡时电气量呈现周期性变化，其变化速度与系统功角变化速度一致，较慢。3、振荡时若阻抗测量元件误动作，则在一个振荡周期内动作和返回（至少）各一次。,（四）距离保护的振荡闭锁措施1、利用负序、零序分量或其增量起动距离保护，平时闭锁；2、利用阻抗变化率的不同来构成振荡闭锁；3、利用动作的延时实现振荡闭锁。,本章小结,距离保护的原理测量电压和电流的选取阻抗继电器的动作特性（全阻抗圆、方向圆、偏移圆、直线、四边形）三段式距离保护原理、整定、优缺点过渡电阻的影响振荡闭锁,
