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220kV输电线路距离保护原理分析作者：王春保单位：华能曲阜电厂地址：曲阜市校场西路999号关键词：励磁系统 励磁调节 运行维护摘要：距离保护是输电线路的一种重要保护形式，其优点是反映了线路的基本特点，可以反映故障点到保护安装处的距离与阻抗。然而距离保护也有一些问题，会导致保护范围的变化和整定的困难。本文介绍了距离保护的基本原理、特点，影响距离保护正确工作的因素及防止方法、距离保护整定计算的原则等问题，并对这些问题进行了分析，对强化运行人员理论技术水平、提高业务技能有一定的实用意义。关键词：输电线路 距离保护 原理 整定1、距离保护基本理论概述1.1距离保护基本概念（低量保护）距离保护：反应映故障点至保护安装处之间的距离，并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。 测量阻抗Zj= ZjZdz 保护不动作 ZjZdz 保护动作1.2距离保护特点故障时：即反映U,又反映I Klm系统运行方式变化时，Zj不变，故不受运行方式变化的影响1.3三段式距离保护 I段： Zdz.1KkZAB ； Zdz.2KkZBC （Kk取0.80.85） t0s II段： Zdz.1Kk( ZAB + Zdz.2 ) (Kk取0.8) t1 t2 t 0.5s III段：Z Zf.min t按阶梯原则配合1.4三段式距离保护基本逻辑框图2、阻抗继电器（ZKJ）单相式：加入一个电压Uj,一个电流Ij多相补偿式：加入多个电压，多个电流 2.1构成阻抗继电器的基本原则 Zj= = = Zd继电器起动阻抗：Zdz.j = Zdz为消除过渡电阻Rg及LH误差的影响，尽量简化继电器接线，通常把动作特性扩大为一个圆（或透镜形、苹果形、多边性形）三种常用的圆特性阻抗继电器： 圆内为动作区，圆外为非动作区。 测量阻抗Zj：加入继电器的电压Uj与电流Ij的比。动作阻抗Zdz.j ：刚好使ZKJ动作时，加入ZKJ的电压Uj与电流Ij的比整定阻抗Zzd ：在最大灵敏角jlm方向（特性圆直径正方向）上的动作阻抗。2.2利用复平面分析圆或直线特性ZJ2.2.1全阻抗ZKJ 以原点为圆心，以整定阻抗Zzd为半径的一个圆 继电器的动作阻抗|Zdz.j|与jj 无关，无方向性 （jj ：测量阻抗角， jj = arg ） (1)、幅值比较式 动作条件：|Zj|Zzd| 即：|Uj|IjZzd| （Uj = IjZj ） 动作条件为|A|B|的幅值比较器的两比较量： A=IjZzd ； B=Uj (2)、相位比较式 动作条件：270arg90 即：270arg90 或：-90arg90动作条件为270arg90的相位比较器(钝角型)的两比较量： C= Uj +IjZzd ； D= Uj -IjZzd 当 C= B + A ; D= B - A 时： 幅值比较器与钝角型相位比较器具有相同的动作特性( 动作条件为-90arg90的相位比较器(锐角型)的两比较量： C= IjZzd + Uj ； D= IjZzd - Uj 当 C= A + B ; D= A - B 时： 幅值比较器与锐角型相位比较器具有相同的动作特性）2.2.2方向阻抗ZKJ 以整定阻抗Zzd为直径，且过原点的一个圆 继电器的动作阻抗|Zdz.j|与jj 有关，具有完全方向性 (1)、幅值比较式 动作条件：|Zj-Zzd|Zzd| 即：|Uj-IjZzd|IjZzd| 动作条件为|A|B|的幅值比较器的两比较量： A= IjZzd ； B= Uj-IjZzd (2)、相位比较式 动作条件：270arg90 即：270arg90 或：-90arg90 钝角型相位比较器的两比较量：C= Uj ； D= Uj -IjZzd (锐角型相位比较器的两比较量：C= Uj ； D= IjZzd - Uj )2.2.3偏移特性ZKJ 当正方向整定阻抗为Zzd时，同时向反方向偏移一个aZzd (0a|B|时，Uab 0 J动作2、环流式： |A|B|时，Ia -Ib 0 J动作3、执行元件J (1)、极化继电器；(2)、晶体管零指示器；(3)、集成电路比较器2.5相位比较器2.5.1异或门比相电路 270arg90 时：UI，UII 瞬时值相异（一正一负）的时间5ms6端7端：相“或”输出6端8端：相“与”输出2.5.2脉冲式比相电路 180arg0 时： U4的上升沿对应的U3为正 3、阻抗继电器的接线方式3.1对接线方式的基本要求 (1)、Zj 短路点到保护安装处间的距离 (2)、Zj应与故障类型无关（保护范围不随故障类型变化）常用的几种接线方式：相间距离保护：0接线方式、+30接线方式、-30接线方式 接地距离保护：零序电流补偿接线方式3.2相间短路阻抗继电器的0接线方式 ZKJ1 Uj=UAB, Ij=IA-IB0接线方式： ZKJ2 Uj=UBC, Ij=IB-IC ZKJ3 Uj=UCA, Ij=IC-IA3.2.1三相短路 ZKJ1 ： Uj = UAB = IAZ1 - IBZ1 = (IA -IB )Z1 Zj1 = UAB /(IA -IB )= Z1 （Z1 ：线路单位阻抗； ：短路点至保护安装处距离） ZKJ2 ，ZKJ3 情况同ZKJ1 皆能正确动作(UA=IAZL+IBZM+ ICZM= IAZL+( IB + IC)ZM= IAZL- IAZM= IA(ZL- ZM)=IAZ1 )3.2.2两相短路 以A-B两相短路为例 ZKJ1 ： Uj = UAB = IAZ1 - IBZ1 = (IA -IB )Z1 Zj1 = UAB /(IA -IB )= Z1 ZKJ1 能正确动作 ZKJ2 ：|UBC |UAB | （UBC 包含非故障相电压） |IB -IC| Zj1 ，不能正确反映Z1 ZKJ3 同ZKJ2 三个ZKJ并联起动保护，故保护仍能正确动作3.2.3中性点直接接地电网中的两相接地短路以A-B两相接地短路为例 ZKJ1 ：UA = IAZL + IBZM UB = IBZL + IAZM UAB =(IA -IB)(ZL -ZM ) Zj1 = UAB /(IA -IB )=(ZL -ZM )=Z1 ZKJ1 能正确动作 保护能正确动作 因为两相故障时，只有一个相应的ZKJ正确动作。为了反映各种相间故障需用三个ZKJ。3.3接地短路阻抗继电器的接线方式 单相接地短路时（A相接地） 故障相电压UA ,故障相电流IA 对ZKJ1 ： 设： Uj=UA , Ij=IA 可行性分析： 将故障点电压UdA 与流过保护的故障相电流IA分解为对称分量： UdA = Ud1 + Ud2 + Ud0 = 0 ; IA = I1 + I2 + I0 保护安装处A相电压的各序分量：U1 = Ud1 + I1Z1U2 = Ud2 + I2Z1 U0 = Ud0 + I0Z0 保护安装处A相电压： UA = U1 + U2 + U0 =（Ud1 + Ud2 + Ud0）+（I1Z1 + I2Z1 + I0Z0） =（I1 + I2 + I0 + I0 ）Z1 =（IA + I0 ）Z1 Zj1 = UA /IA = （1 + ）Z1 而 不为常数（受中性点接地数目与分布的影响） Zj1 不能正确反映 Z1 正确的接线方式： ZKJ1 ： Uj = UA , Ij = IA + K3I0 ZKJ2 ： Uj = UB , Ij = IB + K3I0 ZKJ3 ： Uj = UC , Ij = IC + K3I0 其中：K= 4、集成电路型方向阻抗继电器的接线和特性分析4.1方向阻抗ZKJ的死区 保护安装处正方向出口相间短路时： 残余电压：Ucy 0 Uj 0 , ZKJ拒动， 出现死区4.2减小和消除死区的方法：4.2.1记忆回路 在电压回路中利用电容C、电感L形成工频串联谐振电路 系统稳态时，UR 反映 UJ（同相位） 当保护出口短路时，UJ 0 回路谐振谐振电流Iu UR = IuR 0 （记忆作用） 一般 UR 按回路自由振荡频率经几个周波才衰减为0 故利用此电压的记忆作用可消除死区。 回路自由振荡频率：w0 = (1)为了使系统稳态时，UR 与 UJ 同相位 则需：wL= 即：w = 如此选择后，w w0 ,故障后暂态过程中不能完全谐振， UR 与故障前电压 UJ 的相位逐渐拉开， 时间越长，UR 越不能反映故障前 UJ (2)为了使故障后暂态过程中达到完全谐振 则需：w = w0 = 即： = wL + 如此选择后，系统稳态时回路呈容性 故系统稳态时，UR 与 UJ 不同相（超前58，有误差） 综合考虑 4.2.2采用高Q值50HZ带通有源滤波器 高Q值50HZ带通有源滤波器具有记忆作用 Q = 5，可记忆45个周波4.2.3引入非故障相电压 两相短路时，故障相电压，非故障相电压仍很高 故引入非故障相电压可消除两相短路的死区（但不能消除三相短路时的死区） 方向阻抗ZKJ原动作条件（以接于AB相间的ZKJ为例）： 270arg90 引入非故障相电压后动作条件：270arg90 4.3极化回路记忆作用对ZJ特性的影响 方向阻抗ZKJ动作条件： 270arg90 相位比较的两个比较量分别称为： 极化电压Up = Uj 补偿电压U= Uj - IjZzd 采用记忆回路后，极化电压Up = Uf （故障前母线电压） 动作条件： 270arg90(1)、保护正方向短路时的暂态特性 Uj=IjZj ; Ij= 则：U= Ij(Zj-Zzd) = 动作条件：270arg()90 即：270 - argarg90 - arg 若短路前为空载: Uf = E 动作条件：270arg90 此动作特性为向第三象限扩大且包含原点的圆（相当于偏移特性） 可消除正方向短路时的死区，且容许过渡电阻Rg的能力提高(2)、保护反方向短路时的暂态特性 Uj=IjZj ; Uj - E= IjZs Ij= 则：U= Ij(Zj-Zzd) = 动作条件：270arg()90 即：270 - argarg90 - arg 若短路前为空载: Uf= E 动作条件：270arg90 此动作特性向上移至第一象限内部的一个圆 （相当于抛圆特性） 而此时Zj = -Zd, 位于第三象限（特性圆外），故ZKJ不会误动(3)、稳态特性 记忆作用消失后（稳态），极化电压Up=Uj 动作条件：270arg90 ，仍为一方向阻抗ZKJ4.4集成电路型方向阻抗ZKJ构成框图 极化电压Up = Uj 补偿电压U= KuUj KiIj = KuUj (Ki/Ku)Ij=KuUj IjZzd 可见整定阻抗Zzd = Ki/Ku4.5 ZJ的精确工作电流 以方向阻抗ZKJ为例： 幅值比较式理想动作条件： |IjZzd|Uj-IjZzd| 实际动作条件： |IjZk|-|KuUj-IjZk|U0 即： |IjZzd|-|Uj-IjZzd| ( Zzd =Zk/Ku ) 设：jj =jlm 时（直径正方向）的起动阻抗为：Zdz.j 则：Zzd - Zdz.j + Zzd = Zdz.j= Zzd - 实际上在最灵敏角方向（直径正方向）的起动阻抗： Zdz.j Ijg 误差 相间短路的Rg 接地短路Rg：基本不随t（时间）变化 相间短路Rg：t Rg （主要是电弧电阻）5.1.2双侧电源线路上Rg的影响 若BC线路出口经Rg短路： Id =Id +Id UB =Id Rg ; UA=Id Rg + Id ZAB Zj2 = = Rgeja （a: Id 超前Id 的角度） Zj1 = = ZAB + Zj2 = ZAB + Rgeja尤其当a角为负时，保护可能出现：保护1，2的I段皆不动作，而由保护1的II段动作，失去了选择性。 保护装置距短路点越近，受Rg影响越大 保护装置整定值越小（如短线路距离保护），受Rg影响越大5.1.3 Rg对不同动作特性ZKJ的影响 保护范围内经Rg短路时：Zj = Zd + Rg Rg Rg1, 透镜型阻抗ZKJ开始拒动 Rg Rg2, 方向阻抗ZKJ开始拒动 Rg Rg3, 全阻抗ZKJ开始拒动 ZKJ动作特性在+R轴方向所占面积越大，受Rg影响越小5.1.4防止Rg影响的措施 (1)采用能容许较大Rg而不致拒动的ZKJ（动作特性在+R轴方向所占面积较大） (2)采用瞬时测量装置 对于相间短路，Rg主要是电弧电阻 该Rg是逐渐增大的，在短路瞬间其值很小 对反映相间短路的距离II段利用瞬时测量装置保持短路瞬间保护动作状态 (3)采用交叉极化阻抗继电器（多相补偿式ZKJ） (4)采用微机保护装置（利用微机对不同时刻的采样值的运算来消除Rg的影响）5.2系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路 系统振荡(同步振荡或异步运行) I b，U b Z b 距离保护可能误动5.2.1系统振荡时的测量阻抗分析 以双侧电源辐射网为例（三相对称，只分析单相）振荡时，EN绕EM摆动或旋转（EM与EN的夹角在0360间变化）ZjM = UM/I = (EMIZM)/I =ZZM =ZZM ( h = EM/EN )若EM = EN （即：h = 1） 则： ZjM =ZZM = (Z/2)ZMj(Z/2)Ctg(/2) 设：全系统阻抗角为jd=0 ZjM =(Z/2)ZMj(Z/2)=90 ZjM =(Z/2)ZMj(Z/2)=180 ZjM =(Z/2)ZM=270 ZjM =(Z/2)ZMj(Z/2)=0 ZjM =(Z/2)ZMj(Z/2)变化 ZjM沿着直线OO变化对于相同Zzd的ZKJ，在系统振荡时：全阻抗ZKJ误动区方向阻抗ZKJ误动区透镜型ZKJ误动区一般而言：ZKJ动作特性沿OO方向所占面积越大，受系统振荡的影响越大。ZjM经过误动区的时间：twd若保护动作延时t twd （1.5S），则可躲过振荡的影响（如距离III段）5.2.2振荡闭锁回路 振荡与短路的主要区别： 振荡 短路I,U幅值随d周期性变化 不计短路后衰减，I,U幅值不变d=180时最严重(I最大，U最低) 短路瞬间最严重dI/dt,dU/dt,dZ/dt 小 dI/dt,dU/dt,dZ/dt 大U,I夹角随d变化 U,I夹角不变（为jd）三相对称 不对称短路：三相不对称 （对称短路：初瞬间不对称） 对振荡回路的基本要求：*系统振荡无故障应可靠闭锁*系统故障（包括转换性短路）保护不应闭锁*先振荡，后故障，保护应正确动作*先故障，后振荡，保护不应无选择性动作 振荡闭锁回路工作原理：(1)、利用负序（和零序）分量元件起动的振荡闭锁回路1)、负序电压过滤器输入三相电压输出负序分量阻容式，参数关系：R1 =X1； R2 = X2/*输入零序Ua0，Ub0，Uc0Uab0 = Ubc0 = Uca0 = 0 故：Umn = 0*输入正序Ua1，Ub1，Uc1Umn = UR1UX2 = Uab1 Ubc1= Uab1 Ubc1= ( Uab1ej30Ubc1e-j30)= 0*输入负序Ua2，Ub2，Uc2Umn =( Uab2ej30Ubc2e-j30) =Uab2ej60集成电路型或微机型负序过滤基本原理：Umn = Ua Ube-j120 Ucej1202)、负序电流过滤器输入三相电流输出负序分量参数关系：R = Knl (jK：DKB的转移电抗；nl：LB的变比)LB原边磁势：IaW1, 3I0W1/3 副边：UR =R(IaI0)/nlDKB原边磁势：IbW, IcW 副边：Uk = jK(IbIc)则：输出Umn = URUk = R(IaI0)/nljK(IbIc)*输入零序Ia0，Ib0，Ic0Umn = R(Ia0I0)/nljK(Ib0Ic0) = 0*输入正序Ia1，Ib1，Ic1Umn =（RIa1/nl）jK(Ib1Ic1) =（RIa1/nl）jK(-jIa1)=( R Knl)Ia1/nl= 0*输入负序Ia2，Ib2，Ic2Umn =（RIa2/nl）jK(Ib2Ic2) =( R Knl)Ia2/nl= 2RIa2/nl （若将输入的Ib，Ic对调或将DKB输出Uk的极性反接，则为一正序过滤器）若R Knl 则：Umn =( R Knl)Ia1/nl( R Knl)Ia2/nl = K1 Ia1K2 Ia2 为一复合过滤器3)、负序（零序）电流增量元件起动的振荡闭锁回路负序电流过滤器（DKBBC ，LBA ） 1BZ 电容C1QDJ零序电流（LB0） 2BZ I2或I0突增1BZ或2BZ输出突增C1立即充电QDJ流过较大电流而动作。I2或I0缓增C1充电缓慢QDJ流过较小电流而不动作，闭锁保护。(2)、反映测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路 (利用负序、零序电流启动元件虽然可以构成振荡闭锁回路，但是在振荡时又发生外部故障或外部故障时又出现振荡的情况下，可能导致振荡闭锁失败)振荡时，测量阻抗Zj先进入ZIII圆，再进入ZII圆，再进入ZI圆。保护范围内故障：ZI，ZII，ZIII同时启动，允许保护动作跳闸振荡：ZIII先启动，在ZI，ZII尚未启动时，由“&”门经0.5s展宽将ZI，ZII闭锁(由于III段动作时限较长误动区时间twd,故III段不需振荡闭锁)延时30ms的作用：防止范围内故障时，ZIII与ZI，ZII启动稍有先后造成误闭锁。展宽0.5s的作用：在振荡初期，振荡周期一般较大，测量阻抗进入动作区时，ZIII启动与ZI，ZII启动的先后间隔在30ms以上，可确保ZIII将ZI，ZII闭锁。但随着振荡发展，振荡周期逐渐缩短，ZIII启动与ZI，ZII启动的先后间隔可能小于30ms，造成闭锁失败。为防止这种情况采用对闭锁信号展宽0.5s，在振荡初期，振荡闭锁回路动作后，使振荡闭锁信号自保持0.5s（大于半个振荡周期），从而保证在振荡周而复始的过程中始终有一个持续的振荡闭锁信号。5.3分支电流的影响及分支系数5.3.1助增电流的影响保护1测量阻抗: Zj = UA/IAB = = ZABZd = ZABKfzZdKfz = IBC/IAB 1 Zj 保护范围5.3.2外汲电流的影响保护1测量阻抗: Zj = ZABZd = ZABKfzZdKfz = IBC/I