电力系统继电保护第六章 距离保护1.ppt

第六章电网的距离保护 第六章电网的距离保护 第一节距离保护的基本原理 理解 第二节单相式阻抗继电器的动作特性及构成原理 本章重点 掌握 第三节阻抗继电器的接线方式第五节距离保护的震荡闭锁 理解 第六节距离保护电压回路的断线闭锁 理解 第七节影响距离保护正确动作的因素 掌握 第六章学习主要内容及学习要点 本章讲述了距离保护的基本工作原理主要组成元件及动作时限 重点讲述了单相式阻抗继电器的构成原理及其动作特性 应用幅值比较原理和相位比较原理在复平面上分析单相式阻抗继电器的动作特性 以及用这两种原理构成各种单相式阻抗继电器的方法 本章讲述了相间短路保护的基本接线方式及方向阻抗继电器产生死区的原因 消除死区的措施及引入极化电压 分析了过渡电阻 分支电流 系统振荡 电压回路断线对测量阻抗的影响 第六章学习主要内容及学习要点 1 要求了解距离保护的工作原理 主要组成元件及动作时限特性2 重点掌握下述内容 1 常用阻抗继电器名称 特点及动作参数 动作阻抗 返回阻抗 测量阻抗和整定阻抗 的基本概念 2 熟练掌握用幅值比较原理和相位比较原理 在复平面上分析单相阻抗继电器的动态特性 以及用这两种原理构成常用单相式阻抗继电器的方法 3 掌握阻抗继电器用于相间短路的基本接线方式 用于接地保护的基本接线方式 4 掌握方向阻抗继电器产生死区原因及消除死区的措施 并了解由于引入极化电压对阻抗继电器暂态特性的影响 5 了解过渡电阻 电力系统振荡 电压回路断线 分支电流对距离保护工作的影响及其防止措施 6 熟练掌握三段式距离保护的整定计算 第一节距离保护的基本原理及组成元件 一 距离保护的基本工作原理1 使用距离保护的原因电流保护 其整定值选择 保护范围随电网接线方式和系统运行方式的变化而变化 对长距离 重负荷线路 由于线路的最大负荷电流可能与线路末端短路时的短路电流相差甚微 采用过电流保护 其灵敏性也常常不能满足要求 在结构复杂的35KV高压电网中 应采用性能更加完善的保护装置 距离保护就是其中的一种 2 距离保护 是反应故障点至保护安装处之间的距离 并根据该距离的大小确定动作时限的一种继电保护装置 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 该阻抗为保护安装处的电压与电流的比值 即保护装置的动作时限是距离 或阻抗 的函数 即 一 距离保护的基本原理 二 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三阶梯型时限特性 三 距离保护的主要组成 1 起动元件 2 阻抗测量元件 3 时间元件 其主要作用是在发生故障的瞬间起动整套保护 采用的是过电流继电器或者低阻抗继电器或负序电流继电器 作用是测量短路点到保护安装处的距离 即测量阻抗 段采用带有方向性的方向阻抗继电器 段采用带有偏移特性的阻抗继电器 作用是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 一般采用时间继电器 5 出口元件 保护装置动作后由出口执行元件去跳闸并且发出保护动作信号 4 逻辑回路 逻辑回路的作用是对启动 测量回路送来的信号进行分析判断 作出正确的跳闸决定 三段式距离保护 I段 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 第二节阻抗继电器 一 阻抗继电器的动作特性单相式阻抗继电器是指加入继电器只有一个电压 可以是相电压或线电压 Um和一个电流Im 可以是相电流或两相电流差 的阻抗继电器 加入继电器的电压与电流比值称为继电器的测量阻抗 作用 是测量故障点到保护安装处之间的阻抗 距离 并与整定值进行比较 以确定保护是否动作 保护的启动阻抗为 当线路正方向0 85处发生短路时 阻抗继电器的测量阻抗为 I段阻抗继电器的整定值为 反方向短路时 测量阻抗在第三象限 如果测量阻抗的相量 落在向量以内 则阻抗继电器动作 反之 阻抗继电器不动作 阻抗继电器 正方向短路时 测量阻抗在第一象限 正向测量阻抗Zm与R轴的夹角为线路的阻抗角 L 1 由于过渡电阻及互感器误差的影响 测量阻抗可能偏离Zset的方向2 考虑继电器接线应尽量简化并且便于制造和调试 阻抗继电器的动作特性应该是包含Zset在内的简单图形 二 阻抗继电器的构成方法 一 全阻抗继电器 特性 全阻抗继电器的动作特性是以保护安装点为圆心 以整定阻抗Zset为半径所作的一个圆 圆内为动作区 圆外为非动作区 圆周是动作边界 特点 动作无方向性 起动阻抗 整定阻抗 1 比幅式全阻抗继电器 动作方程 2 比相式全阻抗继电器 动作量 制动量 全阻抗继电器交流回路的原理接线 动作量 制动量 方向阻抗继电器的特性圆是个以整定阻抗为直径而通过坐标原点圆 圆内为动作区 圆外为制动区 当正方向短路时 测量阻抗Zm在第I象限 如故障在保护范围内 Zm落在园内 继电器动作 反向短路 测量阻抗在第三象限 继电器不动作 保护动作具有方向性 其阻抗动作方程为 二 方向阻抗继电器 方向阻抗继电器动作特性 1 方向阻抗继电器 特点 当加入阻抗继电器的电压和电流之间的相位为不同数值时 起动阻抗就不同 当测量阻抗角 m set时 继电器的起动阻抗最大 等于园的直径 此时 阻抗继电器的保护范围最大 工作最灵敏 为使继电器工作在最灵敏状态 应调整整定阻抗角 set等于线路短路阻抗角 m 在第三象限无动作区 1 幅值比较动作方程 动作电压方程 对于电压降可以用电抗变换器UX来获得 对于Um可直接从母线电压互感器TV二次侧获得 按幅值比较原理构成的阻抗继电器的原理框图 2 比相式方向阻抗继电器 动作方程为 方向阻抗继电器交流回路原理接线 动作量 制动量 三 偏移特性阻抗继电器 它是以为直径的圆 坐标原点在圆内 正向整定阻抗 偏移第III象限的反向阻抗为 圆内为动作区 特性圆半径为圆心坐标为 特点 其动作特性介于方向阻抗继电器和全阻抗继电器之间 其在第三象限的动作范围与偏移率 的大小有关 一般取0 1 0 2 没有完全的方向性 1 比幅式偏移特性阻抗继电器 以电流Im乘以上式两边 得出偏移特性阻抗圆继电器动作特性方程为 6 13 6 12 幅值比较形式的动作阻抗方程为 2 比相式偏移特性阻抗继电器 四 具有多边形动作特性的阻抗继电器 1 四边形特性阻抗继电器的动作特性 四边形以内为动作区 以外为不动作区 即测量阻抗末端位于四条边上为动作边界 二 具有多边形动作特性的阻抗继电器 若测量阻抗落在四边形以内 则阻抗 四个阻抗中任两相邻阻抗之间的最大夹角小于180 要求继电器动作 若测量阻抗落在四边形之外 则阻抗 ZI Z2 Z3 Z4四个阻抗中任两相邻阻抗之间的最大夹角大于180 要求继电器不动作 Z1 Z2 Z3 Z1 Z2 Z3 m 一 方向阻抗继电器的死区及其消除方法 一 方向阻抗继电器死区 对幅值比较的方向阻抗继电器 其动作条件为 对于相位比较的方向阻抗继电器 其动作条件为 Um 0 无法进行比相 因而继电器也不动作 继电器不动作 当保护安装处出口短路时 Um 0 第三节方向阻抗继电器的特殊问题 发生此情况的一定范围 称为方向阻抗继电器的死区 二 消除方向阻抗继电器死区方法 在幅值比较式方向阻抗继电器的两个比较量中引入相等的插入电压Uch也叫极化电压Uj Uj和Uch应满足以下要求 1 Uch和Uj应与Um同相 2 当保护安装处出口短路时 Uch和Uj应不为零或能保持一段时间逐渐衰减到零 方法一 采用记忆回路 同KW 主要是保证方向阻抗继电器在暂态过程中正确动作 方法二 当稳态情况下 靠引入非故障相电压 引入第三相电压 消除两相短路的死区 1 记忆回路 在出口短路时 极化电压在衰减到零之前存在 与同相位 故方向阻抗继电器消除了死区 对瞬时动作的距离I段方向阻抗继电器 采用记忆回路 将电压回路作成是一个对50HZ工频交流的串联谐振回路 结论 在电阻R上的压降与外加电压同相位 记忆电压Up通过记忆变压器与Um同相位 1 记忆回路 引入记忆电压以后 幅值比较的动边条件为 在出口短路时 极化电压在衰减到零之前存在 与同相位 故方向阻抗继电器消除了死区 2 引入非故障相电压 思考 记忆回路只能保证方向阻抗继电器在暂态过程中正确动作 但它的作用时间有限 解决方法 引入非故障相电压 第三相电压为C相 它通过高阻值的电阻R接到记忆回路中Cr和Rr的连接点上 正常时 电压较高且L C处于工频谐振状态 而Rh值又很大 第三相电压基本上不起作用 当系统中AB相发生突然短路时 结论 电阻R上电压降超前90 即极化电压与故障前电压同相位 因此 当保护安装处出口两相短路时 第三相电压可以保证方向阻抗继电器正确动作 即能消除死区 二 极化电压的引入对方向阻抗继电器动作特性的影响 一 方向阻抗继电器的稳态特性1 比相式方向阻抗继电器 在稳态情况下Up与Um同相位 引入极化电压不改方向阻抗继电器的稳态特性 当保护安装处发生金属性短路时 由于Um 0 而Up不为零并可维持一段时间 所以继电器仍然可以保持和有Um时完全相同的动作特性 因为极化电压Up为比相电路提供了一个相位参考的依据 使方向阻抗继电器能够判别故障的方向 起了方向极化的作用 所以称其为极化电压 Up Um ImZset 三 阻抗继电器的精工电流 假设上式中各向量均为同相位 则上列方程可写为 由上式令Um 0 Zop k 0可得继电器最小动作电流Iop min为 Iop min U0 Zset 考虑U0的影响后 给出Zop k f Im 的关系曲线如下图所示 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 为了把动作阻抗的误差限制在一定的范围内 规定了加入阻抗元件的电流必须使保护范围误差不超过10 即精工电流 三 阻抗继电器的精工电流 精工电流 就是当时 继电器的动作阻抗 即比整定阻抗缩小了10 三 阻抗继电器的精工电流 因此 当时 就可以保证起动阻抗的误差在10 以内 而这个误差在选择可靠系数时 已经被考虑进去了 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 为了减小阻抗继电器的误差 精工电流越小越好 第三节阻抗继电器的接线方式 一 对距离保护接线方式的要求及接线种类 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如下要求 1 继电器的测量阻抗应能准确判断故障地点 即与故障点至保护安装处的距离成正比 2 继电器的测量阻抗应与故障类型无关 即保护范围不随故障类型而变化 阻抗继电器常用的接线方式有四类 如下表所示 表中 表示按相间电压或相电流差 Y 表示按相电压或相电流 接线方式 接线方式 反应接地故障的接线方式 m m m m m m m m 一 相间短路阻抗继电器的0 接线方式 设短路点至保护安装地点之间的距离为L千米 线路每千米的正序阻抗为Z1 则保护安装地点的电压应为 此时 KI1阻抗继电器的测量阻抗为 结论 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正序阻抗 三个继电器均能正确动作 一 三相短路 当功率因数等于1时 接入继电器的电压与电流的夹角为00 采用线电压和两相电流差的接线方式 为反应各种相间故障 在 B C A相各接入一只阻抗继电器 二 二相短路 设AB两相短路 对K而言 结论 与三相短路时的测量阻抗相同 因此 KI1能正确动作 KI2 KI3不会动作 同理 在BC或CA两相短路时 相应地分别有KI2和KI3能准确测量而正确动作 三 中性点直接接地电网中两相接地短路 设故障发生在AB相 设ZL表示每千米的自感阻抗 ZM表示每千米的互感阻抗 则保护安装地点的故障相电压应为 继电器的测量阻抗为 其值与三相短路时相同 保护能够正确的动作 00接线方式在各种金属性相间短路时 其测量阻抗都等于保护安装处到故障点之间的线路阻抗 能满足距离保护的要求 二 反应接地短路阻抗继电器的接线方式 单相接地故障时 应将故障相的电压和电流加入到继电器中 对A相阻抗继电器 接入继电器的电压Um UA 电流Im IA 式中 称为零序补偿电流 其中 为常数 接入继电器的电流 则故障相阻抗继电器的测量阻抗为 它能正确地测量从短路点到保护安装地点间的阻抗 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 这种具有3KI0补偿的相电流接线方式能够正确反应单相接地短路 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均为Z1L 四 反应接地短路阻抗继电器的接线 第五节影响距离保护正确工作的因素 这里 主要分析过渡电阻 分支电流 电力系统震荡对距离保护的影响 影响距离保护正确动作的因素主要有 故障点的过渡电阻 故障点至保护安装处之间的分支电流 系统震荡 电压互感器二次回路断线 互感器的误差 串联电容补偿的影响 一 保护安装处和故障点间分支线对距离保护影响1 助增电流的影响 结论1 助增电流IDB的存在 使AB线路A侧阻抗继电器的测量阻抗增大 这意味着其保护范围将会缩短 相当于灵敏度下降解决 在整定计算中解决 为保证选择性 应引入小的分支系数 2 外汲电流的影响 结论2 汲出电流IK2的存在 使阻抗继电器的测量阻抗减小 保护范围延长 可能造成保护无选择动作 解决 在整定计算中解决 为保证选择性 计算动作电流时引入最小分支系数 二 短路点过渡电阻对距离保护影响1 短路点过渡电阻的特性 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 1 0 15秒后 Rg剧烈增大 二 过渡电阻对单侧电源线路的影响 当Rg较大时 可能出现Zm2已超出保护2第 段整定的特性圆范围 而Zm1仍位于保护1第 段整定的特性圆范围以内 此时保护1和保护2将同时以第 段的时限动作 因而失去了选择性 保护2的测量阻抗为 保护1的测量阻抗为 Rg 结论 短路点的过渡电阻总是使继电器的测量阻抗增大 使保护范围缩小 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 对于双侧电源的网络 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 保护1和保护2的测量阻抗分别为 当 为正时 测量阻抗增大 当 为负时 测量阻抗的电抗部分将减小 在后一种情况下 可能导致保护无选择性的动作 三 过渡电阻对双侧电源线路的影响 Rg 2 五 防止和减小过渡电阻影响的方法 1 采用能容许较大的过渡电阻而不致拒动的阻抗继电器 可防止过渡电阻对继电器工作的影响 如偏移特性阻抗继电器等2 利用瞬时测量回路来固定阻抗继电器的动作 就是把距离元件的最初动作状态 通过起动元件的动作而固定下来 当电弧电阻增大时 仍以预定的时限动作跳闸 它通常应用于距离保护第 段 在短路的初瞬间 KA及KI均动作 KM KT起动 通过KA的接点及KM自保持 此后KM的动作与KI无关 经过KT的延时发出跳闸脉冲 既使电弧电阻增大 使KI返回 保护仍能以预定的延时跳闸 减小过渡电阻对距离保护影响的措施 三 电力系统振荡对距离保护的影响在电力系统中 由于输电线路1 输送功率过大而超过稳定极限 2 无功功率不足而引起系统电压降低 3 短路故障切除缓慢4 由于采用非同期自动重合闸不成功都有可能引起系统振荡 一 电力系统振荡时电流 电压的分布1 系统振荡时电流变化的特点 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 360 180 结论 振荡电流的幅值及相位都与振荡角有关 只有振荡角恒定不变时 IM和 为常数 振荡电流才是纯正弦函数 系统M N Z点的电压分别为 Z点位于Z 2处 2 电力系统振荡时电压的变化特点 系统阻抗角和线路阻抗角相等 1 UM UN UZ的矢量的末端落在EM EN直线上 3 UZ的矢量最小 Z点称为系统在振荡角为 时的振荡中心 母线M的电压 0 90 180 270 360 在Z点位于Z 2处 4 当 180 时 三相短路 因此 继电保护装置必须具备区别三相短路和系统振荡的能力 才能保证在系统振荡状态下的正确工作 此点的电气参数与什么故障相类似 IM 2E Z 达最大值 电压Uz 0 此点称为系统振荡中心 电压Uz 0 二 电力系统振荡对距离保护的影响 M母线上阻抗继电器的测量阻抗为 应用尤拉公式及三角公式 有 结论 阻抗继电器的测量阻抗将在Z 的垂直平分线OO 上移动 当 由0 变化到360 时 测量阻抗终点的轨迹是垂直Z 的直线 n 0 n 0 5 n 1 当n为不同数值时 测量阻抗随 变化的轨迹就是与oo 平行的一条直线1 当n 1 2时 特性直线通过坐标原点 相当于保护装置安装在振荡中心处2 当n 1 2时 直线族与 jX轴相交 此时振荡中心位于保护范围的正方向3 当n 1 2时 直线族与 jX轴相交 此时振荡中心位于保护范围的反方向 以变电站M处的保护为例 其距离 段起动阻抗整定为0 85ZMN 在下图中以长度MA表示 由此可绘出各种继电器的动作特性曲线 结论 在同样整定值的条件下全阻抗继电器受振荡的影响最大 而椭圆继电器所受的影响最小 2 电力系统振荡对距离保护的影响 M 结论 1 继电器的动作特性在阻抗平面沿oo 方向所占的面积越大 受振荡的影响就越大 2 距离保护受振荡的影响与保护安装的地点有关 保护安装地点越靠近于振荡中心 距离保护受振荡的影响越大 而振荡中心在保护范围以外时 距离保护不会误动 3 当保护的动作带有较大的延时时 如距离 段 可利用延时躲开振荡的影响 M 三 振荡闭锁回路 1 电力系统振荡和短路时的主要区别 1 振荡时电流和各电压幅值的变化速度较慢 而短路时电流是突然增大 电压也突然降低 2 振荡时电流和各点电压幅值均作周期变化 各点电压与电流之间的相位角也作周期变化 3 振荡时三相完全对称 电力系统中不会出现负序分量 而短路时 总要长期 在不对称短路过程中 或瞬间 在三相短路开始时 出现负序分量 2 对振荡闭锁回路的要求 1 系统振荡而没故障时 应可靠将保护闭锁 2 系统发生各种类型故障 保护不应被闭锁 3 在振荡过程中发生故障时 保护应能正确动作 4 先故障 且故障发生在保护范围之外 而后振荡 保护不能无选择性动作 1 利用负序 和零序 分量起动的振荡闭锁回路 1KT SR 0 2s 去逻辑元件 0 2s Z 2KT 2KT为记忆元件 1KT为延时元件延时5 8s Z2 Z1 t1 t2 Z2 Z1 去逻辑元件 2KR 1KR KT Z2 Z1 t1 t2 KT的延时为t t2 t1 2 利用电气量变化速度不同构成的振荡闭锁装置 2KR为阻抗距离保护I II段的测量元件 1KR为振荡闭锁元件 第八节距离保护的整定计算 一 距离保护 段 1 动作阻抗 2 动作时限 距离I段的动作时间等于保护装置的固有动作时间 一般小于0 12s 二 距离II段 整定原则 1 与下一相邻线路距离I段配合 式中Kb为分支系数 2 动作时限 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 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 三 距离III段 1 整定原则 1 躲过本线路最小负荷阻抗 思考 灵敏度不能满足要求时 怎么办 采用方向阻抗继电器 以提高灵敏度 方向阻抗继电器的动作阻抗为 结论 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1 cos m L 2 与相邻线路的第II段相配合 2 动作时限 3 灵敏度校验 作近后备保护时 作远后备保护时 其灵敏度按相邻线路末端金属性短路故障来校验 式中 Kb为分支系数 取最大可能值 四 阻抗继电器的整定 保护二次侧动作阻抗 式中Kcon 接线系数 对全阻抗继电器 0 接线 Kcon 30 接线 Kcon 3 对方向阻抗继电器 0 接线 Kcon 30 接线 Kcon 2 五 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 2 主要缺点 1 不能实现全线瞬动 2 距离保护装置较复杂 调试比较麻烦 可靠性较低 例6 2 在图6 70所示网络中 各线路均装有距离保护 试对其中保护1的相间短路保护 段进行整定计算 已知线路AB的最大负荷电流IL max 350A 功率因数cos 0 9 各线路每公里阻抗Z1 0 4 km 短路阻抗角 L 70 电动机的自起动系数Kss 1 正常时母线最低工作电压UMN min取等0 9UN UN 115kV 例6 2题网络图 AB线路的正序阻抗 BC线路的正序阻抗 变压器的等值阻抗 解 1 有关各元件阻抗值的计算 2 距离 段的整定 1 动作阻抗 2 动作时间 1 动作阻抗 按两个条件选择 3 距离 段的整定 1 与相邻线路BC的保护3 或保护5 的 段配合 3 灵敏性校验 3 距离 段 2 按躲开相邻变压器低压侧出口点短路整定 取以上两个计算值中较小者为 段定值 即取 3 距离 段 3 灵敏性校验 3 距离 段 2 动作时限 4 距离 段整定