第四章-电网的距离保护.doc

第三章 电网的距离保护第一节 距离保护的作用原理一、距离保护的的基本概念：距离保护是反应被保护线路始端电压和线路电流的比值而工作的一种保护，这个比值被称为测量阻抗。当测量阻抗小于预先规定的的整定阻抗时，保护动作。使距离保护刚能动作的最大测量阻抗称为动作阻抗（）或起动阻抗。因为距离保护是根据测量阻抗的大小来反应故障点的远近，故称距离保护。然而，由于它时反应阻参数而工作的，故有时称之为阻保护。其性能基本上不受系统运行方式的影响。故在复杂电网中都有可能选择性地切除故障，而且具有足够的灵敏性和快速性。二、距离保护的动作时间与保护安装点至短路点之间的距离的关系称为距离保护的时间特性。目前广泛采用具有三段保护范围的阶梯式时限特性台下图所示，并分别称为距离保护的、段。 以保护为例：第段： 瞬时动作，是保护本身的固有动作时间。第段： （前两种合称为主保护）第段：其起动阻抗按躲最小负荷阻来整定，而动作时限按阶梯时限特性整定。（后备保护）第二节 阻抗继电器阻抗继电器按构成分为两种：单相式和多相式。（1），单相式阻抗继电器：指加入继电器的只有一下电压（相电压或线电压）和一个电流（相电流或两相电流之差），可以用一个变量继电器的测量阻抗进行分析，其特性可以在阻抗平面上表示出来。测量阻抗 它只能反应一定相别的故障，帮需多个继电器反映不同相别故障。（2）多相补偿式阻抗继电器：加入的是几个相的补偿后的电压，其动作原理是按照短路点的电压边界建立动作判据，当故障发生在保护范围末端时，动作判据处于临界状态。它能反映多相故障，但不能利用故障测量阻抗的概念来分析它的特性。而必须结合系统参数、运行方式、故障地点和故障类型进行分析。本节只讨论单相式阻抗继电器。一、 阻抗继电器的动作特性。以下图网络中线路的侧保护中的距离段为例：当线路距离段内发生故障，的端点将落在图中阴影内。然而，阻继电器的动作特性如果是一条线段（），则是不行的。由于1）线路参数是分布的，有差异； 2），有误差； 3）故障点过渡电阻； 4）分布电容等。所以的端点将会超越阴影区。为了尽量简化继电器接线，且便于制造的调试，通常把继电器的动作特性扩大为圆或四边形（多边形）等。圆1：圆心位于坐标原点的圆全阻抗特性圆（反方向故障时会误动，没有方向性）；圆2：圆周过坐标原点的圆方向阻抗特性圆（本身具有方向性）；圆3：圆心偏离坐标原点，但坐标原点仍在圆内的圆偏移特性阻抗圆。、另外，还有四边形、椭圆形等。二、利用复数平面分析阻抗继电器单相式阻抗继电器的构成方法有两种：对两个电气量的幅值进行比较和对两个电气量的相位进行比较。1， 幅值比较原理和相位比较原理的互换关系：幅值比较原理的动作条件：结论：可见，、和、之间的关系是平行四边形的两边和两个对角线的关系并且可以互换。 或 注：1）它只适用于、为同一频率的正弦交流量：2）只适用于相位比较方式动作条件为。2，全阻抗继电器全阻抗继电器的动作特性是以继电器安装点为圆心，发整定阻抗为半径所作的一个圆，如右图所示，圆内为动作区。其构成方法有两种：（1），对两个电气量的幅值进行比较比幅式比幅式全阻抗继电器的动作条件表达式：或比幅式全阻抗继电器的动作特性操作说明：拖动端点上的小圆点到圆内、圆外和圆周上。动作量和制动量的关系：继电器的动作行为：临界动作！（2），对两个电气量的相位进行比较比相式比相式全阻抗继电器的动作条件表达式：或操作说明：拖动端点上的小圆点到圆内、圆外和圆周上。两个向量之间的夹角：继电器的动作行为：临界动作！3 方向阻抗继电器方向阻抗继电器的动作特性是以整定阻抗为直径而通过坐标原点的一个圆，如右图所示，圆内为动作区。其构成方法有两种：（1），对两个电气量的幅值进行比较比幅式比幅式方向阻抗继电器的动作条件表达式：或操作说明：拖动端点上的小圆点到圆内、圆外和圆周上。动作量与制动量的关系：继电器的动作行为：不动作！（2），对两个电气量的相位进行比较比相式比相式方向阻抗继电器的动作条件表达式：或两个向量之间的夹角：继电器的动作行为：不动作！4，偏移特性阻抗继电器偏移特性阻抗继电器的动作特性是当正方向的整定阻抗为时，同时向反方向偏移一个，式中，继电器的动作特性如右图所示，圆内为动作区。其构成方法有两种：（1），对两个电气量的幅值进行比较比幅式比幅式偏移特性阻抗继电器的动作条件表达式或：动作量与制动量的关系：继电器的动作行为：动作！（2），对两个电气量的相位进行比较比相式比相式方向阻抗继电器的动作条件表达式：或两个向量之间和夹角：继电器的动作行为：动作！5，三个阻抗的意义和区别：（1） 测量阻抗：由加入继电器的电压与电流的比值确定。的 阻抗角就是与之间的夹角 。（2），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。（3），起动阻抗（动作阻抗），它表示当继电器刚好动作时，加入继电器的电压与电流的比值。三、 阻抗继电器的构成：阻抗继电器可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相位方法来实现。它主要由两在基本部分组成：电压形成回路和幅值比较或相位比较回路。3 阻抗继电器的接线方式一、基本要求：（1）继电器的测量阻抗正比于短路点到保护安装点之间的距离；（2）继电器的测量阻抗应故障类型无关，也就是保护范围不随故障类型而变化。二、常用接线方式：阻抗继电器常用 的接线方式有四类，如下表所示：其中接线、接线和接线的阻抗继电器用于反映各种相间短路，相电压和具有补偿还的相电流接线用于反映各种接地故障。三只阻抗继电器、经过“或”门控制跳闸出口回路。三、各种接线方式的分析：（一）母线残压计算公式：假设：，不计负荷电流其中：零序补偿系数。同理：（二）接线方式的分析（设）1三相短路因为三相对称，、工作情况完全相同，所以就为例分析。此时 故 同理： 结论：在三相短路时，、均等于短路点到保护安装点之间的线路正序阻抗。2两相短路（以BC两相短路为例）：此时故结论：接于故障球路的阻抗继电器可以正确反映保护安装处到故障点之间的线路下序阻抗。其余两只阻抗继电器的测量阻抗很大，不会动作。这敢就是为什么要用不三个阻抗继电器并分别接于不同相间的原因。3中性点直接接地电网的两相接地短路（以BC两相接地短路为例）此时 故结论：同两相短路。（三）接地短路阻抗继电器的接线方式以A相接地短路为例，此时故结论：接于故障相的阻抗继电器能正确测量从短路点到保护安装处之间线路正序阻抗。这了反应任一相的单相接地短路，接地距离保护也必采用三个阻抗继电器。该接线方式亦能正确反映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。4 方向阻抗继电器的特性分析由于方向阻抗继电器的应用最为广泛，故进一步分析之。一、方向阻抗继电器的死区和消除死区的方法：（一）产生死区的原因：在保护正方向出口发生相间短路时，继电器不动作。发生这种发问的一定范围，就称为“死区”。1。幅值比较式其动作条件为：动作边界而实际上，继电器的执行元件动作需要一定的功率，所以继电器不动。2相位比较式其动作条件：当时，因进行比相的一个电压为零而无法比相，所以继电器不动作。（二）消除死区的方法：为了消除死区，通常引入极化电压，为了使方向阻抗继电器的动作特性不受影响，有如下要求：1）与同相位；2）出口短路时，应具有足够的数值或能保持一段时间逐渐衰减到零。（1）幅值比较式引入极化电压后的动作条件为：即当临界动作时，所以引入不改变继电器的静态特性。而当正方向出口短路时，相当于一个功率方向继电器故能消除死区，且能防止反方向出口短路时误动。(2)相位比较式引入极化电压后的动作条件为：因为与同相位，所以所以引入极化电压并不改变继电器的稳态特性。而正方向出口短路时，而，因而继电器能够正确判别方向，即能消除死区。（三）获取极化电压的方法：常采用的两种方法：1记忆回路；2引入非故障相电压；其它方法：集成电路保护中，利用高值的带通有源滤波器响应特性时间性延迟，起到记忆的作用。微机保护中，可用故障前电压怀故障电流比相来实现。1记忆回路：记忆回路是由一个、组成的工频串联谐振电路，左图所示。，电路呈纯阻性，与同相位，即与同相位当出口短路时，突降到零，此时电流不会突然消失，而是按回路的自由振荡频率经几个周波后才逐渐减到零。因此由上的压降产生的极化电压同样也经几个周期后才衰减到零，如左下图所示，其相位保持碑的相位不变。这就相当于把原先的电压记忆下来，故称为“记忆回路”。利用这一电压迅速地进行比相或比幅，保证正方向出口短路无死区，反方向出口短路时不失去方向性。2.引入非故障相电压正常运行时，较大，又很大，主要由产生，第三相电压基本上不起作用。当出口相间短路时，记忆回路发挥作用。但将逐渐衰减到零，此时第三相电压的作用将表现出来。因为，所以与同相位。见右边向量图，与同相位。所以出口两相短路时，因为第三相电压而产生的和故障前的同相而且不衰减，可保证继电器的方向性。但三相短路时，无第三相电压，故不能消除出口三相短路的死区。二、极化电压的引入对方向阻抗继电器初态特性的影响：稳态特性：在正常运行和短路后达到稳态时的继电器动作特性。初态特性：在发生短路的最初瞬间，继电器的动作特性。短路发生后，有一个过渡过程。继电器特性则由初态特性逐步向稳态特性过渡。初态特性分析：（设）（1）正方向短路时：空载 其动作特性是以，末端连线为直径的圆，见左图。结论：1）初态特性圆包括坐标原点，故保证出口短路时可靠动作。2）初态特性圆比稳态圆大，有利于躲棕渡电阻的影响。3）正方向的保护范围不变。（2）反方向短路时 其动作特性是,末端连线是为直径的圆，见左图。结论：在反方向短路时。继电器有明确的方向性。第五节 阻抗继电器的精确工作电流阻抗继电器是利用测量阻抗 来反映故障点的位置 ， 即 和 的比值。以（整流型）全阻抗继电器为例在理想条件下，是常数，与引入继电器的电流 无关。其动作条件为：理想临界动作条件：即 实际上，执行元件是需要动作功率的，即实际临界动作条件为：即 由此可见， 与 ，有关（，）的关系曲线可绘制如下图由图可见，当较小时，将比整定阻抗明显减少，即实际的保护范围将比整定范围小，这将影响到与它相临的保护的配合，而可能引起非选择性动作。每个阻抗继电器都有它实际的曲线，为了把动作阻抗与整定阻抗的差距限制在一定的范围内，规定了精确工作电流这项指标。精确工作电流： 是指继电器的动作阻抗与整定阻抗之间的差距等于整定阻抗的10%（即）时，加入阻抗继电器的电流，记做。当保护范围末端短路时，L应大于或等于，才能保证 0，呈电阻电感性，电抗部分增大送电侧 0，呈电阻电容性，电抗部分减少2 单侧电源网络中过渡电阻的影响：当较大，超出其 I 段范围而落入 II 段范围内，而仍在II段的保护范围内，则保护1和2将同时以第二段时限动作，造成保护误动。小结：（1） 短路点距保护安装处越近，影响越大，反之影响越小；、（2） 保护装置整定值越小，相对的受过渡电阻影响越大。3 双侧电源网络中过渡电阻的影响：对保护3的I段：正方向出口短路， 时，为圆心在第一象限的阻抗圆，如图中虚线圆弧1（兰色）所示；当 时，为圆心在第三象限的阻抗圆，如图中虚线圆弧2（棕色）所示。五、电力系统振荡对距离保护的影响：（一）、系统振荡对安装在不同地点的距离保护的影响如右图(a)所示的网络中，假设每条线路的两侧均装有距离保护，每个距离保护均采用相同的方向性阻抗继电器。现分析1、2、3、4、5、6距离保护I段在系统振荡中的动作行为。在右图(b)中，红色，绿色，兰色的圆分别为保护1，3，5的距离I段的动作特性圆，直线OO为振荡轨迹。在右图(c)中，红色，绿色，兰色的圆分别为保护2，4，6的距离I段的动作特性圆，直线OO为振荡轨迹。、分别为保护1、2、3、4、5、6的距离I段在=120时的测量阻抗。由此可见，系统振荡时，保护1，2，5，6的测量阻抗不可能进入它们各自的特性圆内，故在系统振荡时不会误动。而保护3，4的测量阻抗会进入特性圆内，故保护3，4可能会误动。用同样的方法，可以分析各保护的距离II段在系统振荡时的动作行为，只是应根据距离II段的整定值在复平面上画出其动作特性圆。结论：当保护安装点越靠近振荡中心时，受到的影响越大，而振荡中心在保护范围以外或位于保护的反方向时，则在振荡的影响下距离保护不会误动。（二）、系统振荡对不同特性的阻抗继电器的影响对动作特性不同的阻抗继电器，系统振荡对其影响有所不同。如右下图所示，在整定阻抗相同的条件下：1 当为全阻抗特性（兰色）时，受振动影响的相角为2 当为方向阻抗特性（绿色）时，受振动影响的相角为若电力系统振荡周期为Ts, 做匀速变化，则上述各阻抗继电器的测量阻抗进入特性圆内的时间可以算为结论：1、 一般而言，继电器的动作特性在阻抗平面上沿OO方向所占面积越大，受振荡的影响越大。2、 当保护的动作带有较大的延时（）时，可躲过振荡的影响。防止系统振荡时距离保护误动的措施：三种途径：（1） 减少整定阻抗，使振荡中心位于特性圆之外。（2） 增大保护的动作时限。（3） 增设振荡闭锁装置或闭锁回路。振荡闭锁回路1 基本要求：（1） 当系统只发生振荡而无故障时，应可靠闭锁保护；（2） 区外故障而引起系统振荡时，应可靠闭锁保护；（3） 区内故障，不论系统是否振荡，都不应闭锁保护。2 两种振荡闭锁回路： 根据上述基本要求，振荡闭锁回路目前主要采用两种原理：（1） 利用短路时出现负序分量而振荡时无负序分量的原理：系统发生不对称短路时会出现负序分量。发生三相对称短路的最初瞬间也会出现负序分量。而系统振荡时，因为三相完全对称而没有负序分量。因此，可以利用负序分量来构成振荡闭锁装置。只发生振荡时，因无负序分量，I2，U2不会起动，保护不会开放；内部短路时，因出现负序分量，I2，U2立即起动，动作信号经双稳记忆下来，一方面起动复归回路，另一方面将保护短时开放一段时间（0.2s），在此时间内允许保护跳闸；外部短路引起振荡时，短路瞬间出现负序分量，保护也会开放一段时间，但在由于振荡造成阻抗继电器误动之前，短时开放时间已过，已将保护跳闸回路闭锁，保证外部短路引起振荡时保护不误动。（2） 利用振荡和短路时电气量变化速度不同的原理。系统短路和振荡时，电气量的变化是不同的。振荡时的电气量是逐渐变化的，而短路时，电气量是突变的。区内故障时：, , 几乎同时动作，将