方向阻抗继电器的实验开发

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 41 页1 引言电力系统是电能产生、变换、输送、分配和使用的各种电气设备按照一定的技术与经济要求有机组成的一个联合系统。电力系统的运行状态是指电力系统在不同运行条件下的系统与设备的工作状况，分为正常工作状态、不正常工作状态和故障状态。而电力系统继电保护则是保障电力系统正常运行的关键，通过继电保护装置可以自动、迅速、有选择性地将故障元件切除，保证电力系统的安全经济运行，防止事故发生和扩大 1。1.1 课题研究的意义和目的电力系统中的发电机、变压器、输电线路、母线以及用电设备，一旦发生故障，迅速而有选择性地切除故障设备，既能保护电气设备免遭损坏，又能提高电力系统运行的稳定性，是保证电力系统及其设备安全运行最有效的方法之一。切除故障的时间通常要求小到几十毫秒到几百毫秒，实践证明，只有装设在每个电力元件上的继电保护装置，才可能完成这个任务 2。阻抗继电器是距离保护中不可缺少的元件，它是低动作量的继电器，有多种特性，其中 LZ-21 型方向阻抗继电器在电力系统中的应用相当广范 3。因此，掌握方向阻抗继电器的工作特性，对于我们了解继电器及距离保护具有十分重大的意义。1.2 国内外研究概况国内外科研人员已对阻抗继电器进行了大量的研究，现简要列举以下几个方面进行论述： 1.2.1 特高压交流输电线路接地阻抗继电器动作特性分析特高压交流输电线路电压等级高、线路长、分布电容大、波阻抗小、故障后渡过程明显。虽然特高压线路普遍安装并联电抗器(以下简称并抗)补偿线路的充电电流、抑制过电压的发生，但是同时也将降低线路的传输容量，这与使用特高压输电的根本宗旨相背离。因此。在大容量、长距离的关键线路上，正常运行时往往退出并抗；当故障发生后，由继电保护控制并抗瞬时投入口。对于继电保护而言，故障发生时刻线路上并没有并抗补偿，分布电容的影响必须考虑。故障分析与保护算法设计必须基于分布参数线路模型进行，传统的基于集中参数模型的距离保护算法不再适用。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 41 页特高压交流输电线路的接地阻抗继电器应采用(I +PIO)的电流接线方式，P值的估算误差特性可以有效克服母线出口处故障时继电器灵敏度不高和线路末端故障时继电器的稳态超越问题. 对于特高压线路，姆欧和方向四边形等具有方向性的接地阻抗继电器只要基于分布参数线路模型整定，将具有正确判别故障发生、检测故障位置的能力。当输电线路长度较短，低于 400 km 时忽略线路分布电容所带来的故障距离测量误差较小，对于单相接地故障，姆欧继电器拒动率低于2。因此，对特高压短线路的接地阻抗继电器，仍可以采用传统整定方法整定。当输电线路长度增加时，传统鲥欧继电器的拒动率基本随线路长度呈正比例递增。当线路长度较长，达到 800 km 时，传统姆欧继电器的拒动率均超过 10。因此特高压交流输电长线路方向性接地阻抗继电器的整定必须基于分布参数模型进行 4。1.2.2 基于负序电压极化的自适应阻抗继电器研究高压输电线路中最常见的故障是单相接地,常规的圆特性接地阻抗继电器灵敏度受接地过渡电阻的影响,且反方向出口单相接地时容易失去方向性。此外，为了消除在出口发生纯金属性接地短路时的电压“死区” 。接地阻抗继电器广泛采用记忆电压和故障后的正序电压为极化电压。记忆电压极化的接地阻抗继电器由于动作边界是固定的，因此适应过渡电阻能力差；正序电压极化的接地阻抗继电器虽然动作有明确的方向性，且区内单相接地时允许的过渡电阻增大了,但很有限。负序电压极化的自适应接地阻抗继电器不但对保护区内过渡电阻有很强的自适应性，而且在保护出口故障时具有动作的高灵敏性和明确的方向性，因此是综合性能非常优良的自适应接地距离继电器。若将极化电压适当移相，可更加完善继电器的综合性能 5。1.2.3 不受衰减直流分量影响的阻抗继电器新算法距离保护算法分为两大类型，解微分方程算法和傅里叶算法。解微分方程算法的优点是可以消除衰减直流分量的影响，然而受高次谐波的影响很大。同时，在求解故障距离过程中，算法的稳定性不够理想。傅里叶算法利用比较操作电压和极化电压的相位或幅值，有较好的稳定性，且对谐波具有天然的抑制力，因此距离保护大多采用傅里叶算法。然而制约傅里叶算法的最大问题就是衰减的直流分量的影响，通常采用差分滤波的方法减小衰减直流分量对算法的影响旧。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 41 页现提出了一种能够消除衰减直流分量的阻抗继电器的改进傅里叶算法，具体办法是在对故障后的时域方程进行傅里叶积分以前，先在一个时问段内进行积分，然后按照傅里叶积分后得到的方程，重新定义一个整定点的补偿电压，然后利用电压和补偿电压的相位差进行区内外故障判别。理论分析表明对于工频电气量，改进的阻抗继电器与传统的阻抗继电器具有相同的动作特性；对于衰减的直流分量，改进算法具有很好的抑制作用，对高次谐波分量与传统的继电器具有相同的抑制能力。EMTP 仿真结果表明，改进的继电器的动作行为在防止暂态超越上明显优于传统算法 6。1.2.4 突变量接地方向阻抗继电器性能分析突变量接地阻抗继电器是反映继电器电压相位突变或幅值突变构成的阻抗继电器，在稳定状态下突变量接地阻抗继电器不动作，仅在发生短路故障后的第一周期才可能动作。反映相位突变构成时突变量接地阻抗继电器是测量前、后周期相位保护 l 的变化；反映幅值构成时，突变量(即工频变化量)接地阻抗继电器可测量故障前、后幅值变化。反映突变量接地方向阻抗继电器不仅能判别接地故障方向，而且接地点越靠近保护安装处，UOP 越大，继电器越灵敏。动作特性包含坐标原点，能正确反映正向出口接地故障，在保护区内发生接地故障时可允许有较大的过渡电阻。当继电器用于长距离输电线路上，保护区正向末端母线发生故障三相跳闸后可能出现误动；当被保护线路较短且保护方向的等效电源容量很大时，方向性和正向接地允许较大过渡电阻存在矛盾。为防止保护误动应采取闭锁措施。解决方向性和正向接地允许较大过渡电阻间矛盾，不宜选用反映突变量接地方向阻抗继电器 7。1.2.5 偏移阻抗继电器的整定计算及与方向阻抗继电器的比较在长距离、重负荷线路上采用阻抗保护，具有装置的灵敏度和保护范围不受系统运行方式变化影响的特点。最常用的有园阻抗继电器、方向阻抗继电器、偏移阻抗继电器 3 种。在偏移阻抗继电器的应用中，存在用方向阻抗继电器的整定计算代替偏移阻抗继电器的整定现象。明若用方向阻抗继电器的整定计算代替偏移阻抗继电器的整定计算，在某些情况下，将带来很大的误差。若利用方向阻抗继电器的整定方法，代替偏移阻抗继电器进行保护整定，将导致保护不能躲过最中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 41 页大负荷点的误动作。因此，一般情况下不能用方向阻抗继电器的整定计算代替偏移阻抗继电器的整定 8。1.2.6 LZ-22 型偏移阻抗继电器的特性分析在 35 kV 及以上结构复杂的高压电网中，为满足“选择性、灵敏性、速动性”的继电保护要求，一般应用阻抗继电器实现输电线路距离保护。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至保护安装处之间的距离，并与整定值进行比较，以确定保护是否动作。而在小电流或大电流接地系统的距离保护中，通常以偏移特性阻抗继电器作为线路距离保护的测量元件。LZ 一 22 型阻抗继电器为整流型向第象限偏移的阻抗继电器，其动作特性反映在阻抗复平面上是一个圆心和周围都偏离原点的圆。LZ 一 22 型偏移特性阻抗继电器是按照比较两个电气量绝对值大小而构成的。LZ 一 22 型偏移特性阻抗继电器在高压电网的距离保护中有着广泛的应用，其工作原理、动作特性都较为复杂，而且影响其特性圆、精工电流的因素也很多。因此在其整定及运行中应特别注意采取相应的措施，以便使距离保护的运行更加可靠 9。1.3 论文的主要研究内容本文主要论述的是对 LZ-21 型方向阻抗继电器特性的研究。通过在 DJZ-型电气控制与继电保护试验台进行实验，获取 LZ-21 型方向阻抗继电器的静态特性，求取最大灵敏角、最小精工电流等特性参数，研究 LZ-21 型方向阻抗继电器的动态特性并获取相关参数。从而对 LZ-21 型方向阻抗继电器有系统而全面的认识。2 继电保护2.1 继电保护及其任务当电网或电气设备发生故障，或出现影响安全运行的异常情况时，自动切除故障设备和消除异常情况的技术即为继电保护，其特点是动作速度快，其性质是非调节性的。电力系统继电保护的基本任务是：（1）自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；（2）反应电气设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作于发出中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 41 页信号或跳闸。此时一般不要求迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免暂短的运行波动造成不必要的动作和干扰引起的误动 10。2.2 继电保护的组成继电保护实质上是一种自动控制装置，根据控制过程信号性质的不同，可以分为模拟型和数字型两大类。多年来应用的常规继电保护装置都属于模拟型，而上世纪 70 年代发展的计算机保护则属于数字型，虽然这两类保护的实现方法和构成各不相同，但其基本原理是相同的。继电保护根据被保护的对象不同，又分为元件保护和线路保护两类。元件保护指发电机、变压器、母线和电动机等元件的保护；线路保护指电力网及电力系统中输电线路的保护 11。继电保护的构成方式虽然很多，但一般均由测量回路、逻辑回路和执行回路三部分组成，其方框图如图 2-1 所示，测量回路 1 的作用是测量被保护设备物理量（如电流、电压、功率方向）的变化，以确定电力系统是否发生故障和不正常工作情况，然后输出相应的信号至逻辑回路。逻辑回路 2 的作用是根据测量回路的输出信号进行逻辑判断，以确定是否向执行回路发出相应的信号。执行回路 3的作用是根据逻辑回路的判断执行保护的任务，跳闸或发出信号。图 2-1 继电保护的方框图2.3 继电保护的工作回路要完成继电保护的任务，除需要继电保护装置外，必须通过可靠的继电保护工作回路的正确工作，才能最后完成跳开故障元件的断路器、对系统或电力元件的不正常运行状态发出警报、正常运行时不动作的任务。在继电保护的工作回路中一般包括：将通过一次电力设备的电流、电压线性地传变为适合继电保护等二次设备使用的电流、电压，并使一次设备与二次设备隔离的设备，如电流、电压互感器及其与保护装置连接的电缆等；断路器跳闸线圈及与保护装置出口间的连接电缆，指示保护装置动作情况的信号设备；保护装置及跳闸、信号回路设备的工作电源等 12。2.4 对继电保护的基本要求1 2 3 跳闸或信号被测物理量中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 41 页动作于跳闸的继电保护，在技术上一般满足四个基本要求，即可靠性（安全性和信赖性） 、选择性、速动性和灵敏性。这几个“性”之间，紧密联系，既矛盾又统一，必须根据具体电力系统运行的主要矛盾和矛盾的主要方面，配置、配合、整定每个电力元件的继电保护，充分发挥和利用继电保护的科学性、工程技术性，使继电保护为提高电力系统运行的安全性、稳定性和经济性发挥最大效能 13。2.5 继电保护发展简史继电保护科学和技术是随电力系统的发展而发展起来的。电力系统发生短路是不可避免的，伴随着短路，则电流增大。为避免发电机被烧坏，最早采用熔断器串联于供电线路中，当发生短路时，短路电流首先熔断器，断开短路的设备，保护发电机。这种保护方式，由于简单，时至今日仍广泛应用于低压线路和用电设备。由于电力系统的发展，用电设备的功率、发电机的容量增大，电网的接线日益复杂，熔断器已经不能满足选择性和快速性的要求，于 1890 年后出现了直接装于断路器上反应一次电流的电磁型过电流继电器。19 世纪初，继电器才广泛用于电力系统保护，被认为是继电保护技术发展的开端 14。1901 年出现了感应型过电流继电器。1908 年提出了比较被保护元件两端电流的电流差动保护原理。1910 年方向性电流保护开始应用，并出现了将电流与电压相比较的保护原理，导致了 1920 年后距离保护装置的出现。随着电力线载波技术的发展，在 1927 年前后，出现了利用高压输电线载波传送输电线路两端功率方向或电流相位的高频保护装置。在 1950 年稍后，就提出了利用故障点产生的行波实现快速保护的设想，在 1975 年前后诞生了行波保护装置。1980 年左右反应工频故障分量（或称工频突变量）原理的保护被大量研究，1990 年后该原理的保护装置被广泛应用。与此同时，随着材料、器件、制造技术等相关学科的发展，继电保护装置的结构、形式和制造工艺也发生着巨大的变化，经历了机电式保护装置、静态继电保护装置和数字式继电保护装置三个发展阶段。20 世纪 90 年代后半期，在数字式继电保护技术和调度自动化技术的支撑下，变电所自动化技术和无人值守运行模式得到迅速发展，融测量、控制、保护和数据通信为一体的变电所综合自动化装备，已成为目前我国绝大部分新建变电所的二次装备，继电保护技术与其他学科的交叉、渗透日益深入 15。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 41 页2.6 继电保护装置及其分类继电保护装置必须能正确区分被保护元件是处于正常运行还是发生故障，必须能正确区分被保护元件是处于区内故障还是区外故障，保护装置要实现这些功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量发生变化的特征为基础来构成。例如：（1）根据短路故障时电流的增大，可构成过电流保护。（2）根据短路故障时电压的降低，可构成低电压保护。（3）根据短路故障时电流与电压之间相角的变化，可构成功率方向保护。（4）根据短路故障时电压与电流比值（ ）的变化，可构成距离保护。IUZ（5）根据故障时，被保护元件两端电流相位和大小的变化，可构成差动保护。（6）根据不对称短路时，出现的电流、电压的相序分量，可构成零序电流保护，负序电流保护及零序和负序功率方向保护等等。3 距离保护距离保护在 110 kV-220 kV 及以下电压的线路上作为主保护，在 220 kV 及以上电压的线路上作为后备保护使用。距离保护之所以能得到如此广泛的应用，主要是因为与其他利用单端电气量实现的保护相比，它的 I 段有基本上固定不变的保护范围，并能按两段式或三段式实现保护方案。但是现有距离保护的动作性能受到故障点的过渡电阻，电力系统振荡，短路电流的大小及其助增作用，电压、电流互感器的误差及其暂态过程，相邻线间的零序互感等因素的影响。同时，基于工频量的距离保护的动作速度已接近极限，而在超高压长距离输电线路上采用串补电容对基于工频电气量的距离保护原理提出了新的挑战 16。早在 20 世纪 40 年代就已提出了利用行波进行输电线路故障测距的多种原理。70 年代，我国学者对基于 C 型故障测距原理的距离保护进行了深入的理论研究，并研制出相应的装置。由于 C 型测距原理需要利用电力线载波通道，且可靠性尚难以满足系统保护要求，因而未得到实际应用。20 世纪 80 年代提出了以 A 型测距原理为基础的行波距离保护。随后国内外学者对行波距离保护做了进一步研究和改进。但只停留在基本理论探索阶段。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 41 页利用电流暂态行波实现输电线路故障测距的原理与技术的研究成果，打破了利用行波测距长期以来的沉闷局面，重新引起了人们对行波测距和行波保护的关注和兴趣。行波测距装置在电力系统中的成功应用，有力地说明了实现故障测距式行波距离保护的可行性。而小波变换这一先进的数学工具应用于输电线路行波测距的研究成果，以及近年来微电子技术的迅猛发展则进一步为测距式行波保护的研究开发铺平了道路 17。3.1 传统距离保护原理我国传统距离保护原理主要是通过保护侧的电压、电流量计算故障线路阻抗值，同整定的线路阻抗相比较，以判别故障情况。按阻抗特性区分主要有直线形阻抗继电器、圆特性阻抗继电器、四边形阻抗继电器等。3.1.1 直线特性阻抗继电器直线特性阻抗继电器主要有电阻型继电器，电抗型继电器，眼相继电器。其阻抗特性在阻抗复平面中分别为一直线。电阻继电器动作与否，只取决于测量阻抗的电阻值，电抗继电器动作与否，只取决于测量阻抗的电抗分量。直线特性虽然判句简单，但无方向性而且不能准确反映实际测量的阻抗变化情况，因此单纯利用电阻、电抗值作判别误差很大，在实际应用中效果并不理想。3.1.2 圆特性阻抗继电器圆特性阻抗继电器，有全阻抗圆，方向阻抗圆，偏移阻抗圆是传统继电保护中，应用最为广泛的阻抗继电器。它实际是把阻抗继电器的动作特性扩大为一个圆，以便继电器的制造和调试，简化继电器的接线。其中全阻抗圆特性无方向性，方向阻抗圆存在电压死区，偏移阻抗圆特性事前两者的综合。特性较好，应用较多。3.1.3 四边形特性阻抗继电器四边形特性阻抗继电器是综合了电阻电抗型直线特性，并考虑了阻抗的方向性，是一种较为精确反映故障测量阻抗边界的阻抗继电器，并且具有良好的抗过渡电阻的能力。在传统继电保护中，因实现因难而很少使用，但随着微机保护的出现，四边形阻抗特性继电器得到了广泛的应用 18。3.2 现有新的距离保护原理简介现有一些较新的距离保护原理主要是同时利用电流电压量的变化情况，来鉴中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 41 页别故障，进行线路保护，主要有电流自适应保护，工频变化量距离保护。以及利用行波来鉴别故障的距离保护原理等。3.2.1 电流自适应保护原理自适应电流速断保护是利用在线测得到的电流电压值，由微机保护装置在线实时计算电流定值，可以免去麻烦的人工整定工作且能使保护范围显著扩大。因此在理论上其速断定值不是常数，是由当前的系统运行方式和故障状态决定即根据电力系统当前实际运行方式和故障状态实时、自动整定计算，无需人工参与，能使速断定值和保护范围能保持最佳状态。但实际上，计算电流整定值的过程，引入了电压量，并要求输入被保护线路的阻抗值，即利用在线电压，实时算得的系统综合阻抗值，得到实时电流整定值，而后与在线电流相比较，以判别故障情况。可以看出其本质上还是距离保护，它同样受到 PT 断线，过度电阻等因素的影响，而且对系统阻抗的计算算法也较复杂 19。3.2.2 工频变化量距离保护原理工频变化量距离保护原理，是由我国继电保护专家在 80 年代率先提出的，主要是利用故障前后电流电压的工频分量的变化量和线路阻抗值的信息来求得补偿电压，并与故障前的电压记忆量进行比较，来实现对故障的判别，对线路进行保护。从其动作判据上讲，它可以看作是一种本质为距离保护的电压自适应保护，其在双侧电源系统中能严格区分区内外故障，且不受系统振荡的影响，具有自适应能力强，判据简单便于微机实现等优良特性，并且此保护原理在 220kV 以上高压，超高压电网微机线路保护中已成功运用。3.2.3 行波距离保护原理行波距离保护原理在 20 世纪 50 年代就己被提出，最初主要是利用行波进行故障测距，1983 年，PACrossly 等人提出了利用相关算法计算行波传播时间进而求得故障距离，通过对故障距离和被保护线路长度的比较决定保护是否动作的行波距离保护方案即所谓行波测距式距离保护；1989 年，我国学者根据输电线路故障行波的特征，提出了行波特征鉴别式距离保护，该保护首先利用行波的特征，判断出故障发生的区间若判断为正方向区内故障，再进一步计算出故障距离 20。早期行波测距式距离保护的主要不足之处在于：中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 41 页（1)没有考虑正方向区外故障时保护误动的问题。（2)采用相关算法提取与初始正向行波对应的反向行波误差较大，距离计算精度不高。（3)由于相关算法的实质是比较两波形的相似性，因而受线路参数的影响较大，当线路为有损或接地电阻较大时，v 一、v+波形的相关性降低。（4)灵敏度不高，要求 v 和、件信号有足够的能量，以保证能被正确检测。其后的研究者对行波测距式距离保护方案存在的问题提出了解决的方法，并对这一原理的实现做了进一步的补充，但因其结果不能满足实际要求，最终没有在实际系统中得到应用 21。近年来，国内学者将现代电子技术和新*数学工具用于行波测距，使得测距精度大大提高。行波测距装置的成功应用无疑为进一步研制行波测距式距离保护打下了良好的基础，为保护的计算精度提供了保证。目前，已有学者提出了方向行波测践式距离保护，但是依然存在无法区分正方向区内区外故障的问题。3.3 距离保护的组成3.3.1 启动部分用来判别系统是否处于故障状态，当短路故障发生时，瞬时起动保护装置或起动距离保护程序，作为独立距离保护装置，同时还给上装置出口继电器电源。在有的距离保护中，启动部分还兼有后备保护的作用。起动元件可采用阻抗继电器、对称分量滤过器、相电流差（或相电流）突变量、综合电流突变量以及负序电流和零序电流变化量构成的增量等来实现。3.3.2 选相部分在超高压输电线路上，为提高系统的稳定性。可以实现单相重合闸或综合重合闸，这样，在线路上发生单相故障时，实现单相跳闸，而后进行单相重合闸；当线路上发生多相故障时，实现三相跳闸，而后进行三相重合闸或不进行重合闸。在 110kV 线路距离保护中一般为三相跳闸和三相一次重合闸，选相元件可不必设置，但是设置选相元件可以防止区内外故障时非故障回路的测量阻抗可能发生的误动，增加了保护的可靠性，也可不必计算非故障相的阻抗，节省了时间 22。3.3.3 测量和方向、段判别部分该部分包括计算故障点到保护安装处的阻抗、判别故障发生的方向、判别故中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 41 页障发生的区域。计算短路阻抗是距离保护的核心部分，阻抗的准确与否直接关系着距离保护的性能，计算阻抗的算法应该能够很好的克服过渡电阻的影响。故障发生后，必须准确判别故障发生的方向，这样才能准确保护线路不发生误动特别是反向出口短路不发生误动。电力系统发生故障时一般都存在过渡电阻，过渡电阻的存在使得计算阻抗存在误差，这对于判别故障发生的区域造成困难，所以准确判别故障发生的区域才能使保护正确动作，不发生越级跳闸和拒动等情况。3.3.4 振荡闭锁部分用来防止系统振荡时距离保护的误动作。系统振荡时，振荡闭锁绝不能开放，保护被牢牢闭锁，不会发生误动作#发生短路故障时振荡闭锁灵敏、快速开放，不影响保护正确动作。为防止区外短路故障切除紧跟而来的系统振荡引起保护误动作，振荡闭锁实行短时开放保护的措施。如开放时间取 160ms。3.3.5 逻辑部分用来实现保护应有的性能和建立各段保护的时限 23。4 阻抗继电器阻抗继电器是距离保护的核心元件，它的作用是用来测量保护安装处故障点到故障点的阻抗（距离） ，并与整定值进行比较，以确定是保护区内部故障还是保护区外故障。要掌握阻抗继电器的特点，就要先认识测量阻抗这一概念。测量阻抗定义为：Z J=UJ/IJ 。其中：U J 为测量电压；I J为测量电流。测量阻抗的概念较明确，其基本思想是：电力系统正常运行时，测量电压为额定值；测量电流为负荷电流。测量阻抗反映了保护安装处看到的负荷阻抗；负荷阻抗幅值较大，偏阻性。当线路发生金属性短路时，测量电压突然下降，测量电流突然增大。测量阻抗反映了保护安装处至短路点之间的线路阻抗；该阻抗的幅值比较小，且呈感性24。阻抗继电器是反应测量阻抗变化的继电器。阻抗继电器在阻抗复平面上给出一动作区域，当测量阻抗进入这区域内时，继电器动作；否则，不动作。阻抗继电器的动作区域可以用数据图表的形式给出，也可以用阻抗动作方程的形式给出。微机保护中，微处理器能够对输入的测量电压 UJ与测量电流 IJ作除法运算。因此，中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 41 页阻抗继电器的动作区用数据图表的形式给出比较方便，且动作区域的形状可以多种多样。模拟量构成的距离保护装置中，阻抗继电器的动作区域以阻抗动作方程的方式给出。这时，为了判别测量阻抗是否进入动作区域，又不需作 除法运算，需要把阻抗动作方程变换为电压动作方程。阻抗继电器以电压动作方程为动作判据，决定是否动作。因此，也可以说，阻抗继电器是用测量阻抗 ZJ表示动作特性的一类继电器。由于针对的是线路的阻抗，所以分析线路阻抗是关键。通常起动元件采用阻抗继电器。为了提高元件的灵敏度，也可采用反应负序电流或零序电流分量的复合滤过器来作为起动元件 25。4.1 阻抗继电器分类（1）根据阻抗继电器的比较原理阻抗继电器可以分为幅值比较式和相位比较式。（2）根据阻抗继电器的输入量不同阻抗继电器可以分为单相式（第 I 型）和多相补偿式（第 II 型）两种。（3）根据阻抗继电器的动作边界（动作特性）的形状不同阻抗继电器可以分为圆特性阻抗继电器和多边形特性阻抗继电器（包括直线特性阻抗继电器）两种 26。4.2 阻抗继电器接线要求（1）阻抗继电器的测量阻抗应正比于短路点到保护安装处之间的距离。（2）阻抗继电器的测量阻抗应与故障类型五官，也就是保护范围不随故障类型而变化。（3）阻抗继电器的测量阻抗应不受短路故障点孤独电阻的影响 27。4.3 阻抗继电器对电流电压要求（1）继电器的测量阻抗应能准确判断故障地点，即与故障点至保障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 28。5 DJZ-型电气控制与继电保护试验台5.1 试验台介绍中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 41 页DJZ- 型电气控制与继电保护试验台是专为熟悉各种继电器特性实验，变压器常规和微机差动保护实验，模拟线路电流电压常规保护和微机保护实验以及常规距离保护和微机距离保护实验设计的装置，试验台上设有各种常规电磁式继电器和线路模型、变压器和微机型继电保护装置等组成。图 5.1 为 DJZ-型电气控制与继电保护试验台。图 5.1 DJZ-电气控制及继电保护试验台外形图试验台的主要特点有：（1）试验台上装有漏电保护，确保实验进程安全。（2）试验台配置齐全，既有常规的各种电磁式继电器、常规和微机的电流电压保护和距离保护又有线路模型,还可以完成常规和微机的变压器差动保护。可以自行设置短路点，真实模拟线路故障情况，还可以自行设计保护接线。（3）试验台的微机保护含有电流、电压保护、阻抗保护、变压器差动保护三种功能，可以分别做三种保护实验。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 41 页（4）试验台的微机保护，具有良好的自诊断功能、事故记录和事件顺序记录功能。能显示各种信息，调试方便，有利于实验操作。（5）试验台的微机保护可以进行现场手动跳、合闸操作，当配置上位机和我们研究所的有关软件包时，可实现遥测、遥信和遥控功能，可远程监测和修改下位机的整定值设置。5.2 试验台应用DJZ- 型电气控制与继电保护试验台是武汉华工大电力自动技术研究所针对电力工程 、 继电保护 、 电气工程等课程中有关继电保护的基础教学内容而设计的，试验台上安装有各种电磁式的继电器，如电流继电器、电压继电器、中间继电器、信号继电器、差动继电器、功率继电器、方向阻抗继电器、负序电压继电器、三相一次重合闸;线路模型；变压器和微机保护装置等等。可以做单个继电器的特性试验，可以采用积木式办法，将继电器组合起来做整组实验；也可以利用变压器做常规、微机变压器差动保护；还可以利用线路模型做常规和微机的电流电压保护及距离保护实验；同时提供了自由组合设计试验的平台。DJZ- 型电气控制与继电保护试验台除了装有常规的继电器外还装有测量时间相位用的多功能表及移相器、调压器等设备，由这些设备可组成一个完整系统，使用起来极为方便。试验台所提供的硬件平台还可作为本科生课程设计、毕业设计和生产实习等项目的基础平台。图 5.2 为 DJZ- C 一次系统图。6 实验内容及步骤12,4,5继电保护测量孔1KO 1CTTB220/127VRS 最小最大区内区外PT 测量移相器2KO2CTK11R2 3KORd102R45DXK3图 5.2 DJZ-C 一次系统图中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 41 页6.1 整流型阻抗继电器的阻抗整定值的整定和调整研究可知，当方向阻抗继电器处在临界动作状态时，推证的整定阻抗表达式如式（7.3）所示，显然，阻抗继电器的整定与 LZ-21 中的电抗变压器 DKB 的模拟阻抗 ZI、电压变换器 YB 的变比 nYB、电压互感器变比 nPT 和电流互感器 nCT 有关。例如，若要求整定阻抗为 Zset=15，当 nPT=100， nCT=20，Z I=2（即 DKB原方匝数为 20 匝时） ，则 ，即 =0.67。也就是说电压变换器 YB 副方线105ybnYB圈匝数是原方匝数的 67%，这时插头应插入 60、5、2 三个位置，如图 6.1 所示。(a) YB 整定板示意图 (b) YB 副方线圈内部接线图 6.1 LZ-21 型阻抗继电器整定面板说明图整定值整定和调整实验的步骤：（1）要求阻抗继电器阻抗整定值为 Zset=5，实验时设 nPT=1，n CT=1，检查电抗变压器 DKB 原方匝数应为 16 匝。 （Z I=1.6）（2）计算电压变换器 YB 的变比 ，YB 副方线圈对应的匝数为原方6.15ybn匝数的 32%。（3）在参考图 6.1 阻抗继电器面板上选择 20 匝、10 匝，2 匝插孔插入螺钉。（4）改变 DKB 原方匝数为 20 匝（Z I=2）重复步骤（1） 、 （2） ，在阻抗继电器面板上选择 40 匝、0 匝，0 匝插孔插入螺钉。（5）上述步骤完成后，保持整定值不变，继续做下一个实验。0 80 60 40 20 05 10 15 00.5 0 4 3 2 1080 60 40 20 05 10 15 00.5 0 4 3 2 1中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 41 页表 6.1 DKB 最小整定阻抗范围与原方线圈对应接线最小整定阻抗范围（欧相） DKB 原方绕组匝数DKB 原方绕组接线示意图（一个绕组）0.2 20.4 40.6 6续表 6.1 DKB 最小整定阻抗范围与原方线圈对应接线0.8 81 101.2 121.4 141.6 161.8 182 206.2 方向阻抗继电器的静态特性 Zpu=f（ ）测试实验实验步骤如下：（1）熟悉 LZ-21 方向阻抗继电器和 ZNB-智能多功能表的操作接线及实验原理。理解 LZ-21 方向阻抗继电器原理接线图（图 7.3）和实验原理接线图（图6.2）（2）按实验原理线路图接线，如图 6.3 所示。（3）逆时针方向将所有调压器调到 0V，将移相器调到 0，将滑线电阻的滑动触头移至其中间位置，将继电器灵敏角度整定为 72，整定阻抗设置为5。（4）合上三相电源开关、单相电源开关和直流电源开关。2 4142 4142 4142 4142 41424142414241422 414中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 41 页（5）打开多功能表电源开关，将其功能选择开关置于相位测量位置（“相位”指示灯亮） ，相位频率测量单元的开关拔到“外接频率”位置。（6）调节三相调压器使移相器输出电压为 20V，调节单相调压器使电流表读数为 1A，观察分析多功能表读数是否正确。若不正确，则说明输入电流和电压相位不正确，分析原因，并加以改正。（7）调节单相调压器的输出电压，保持方向阻抗继电器的电流回路通过的电流为 Im=2.0A。图 6.2 LZ-21 方向阻抗继电器实验原理接线图BKabc移相器多功能表三相调压器LZ-21方向阻抗继电器VAABCO4156ImUm*23中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 41 页图 6.3 LZ-21 方向阻抗继电器实验接线图中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 19 页 共 41 页图 6.4 调压器 图 6.5 调压器面板图 6.6 移 相 器 图 6.7 移 相 器 面 板（8）在操作开关断开状态下，调节三相调压器的输出电压，使电压表读数为中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 20 页 共 41 页20V。（9）调节移相器，在 电 压 表 为 给 定 值 的 条 件 下 找 到 使 继 电 器 动 作 （ 动 作 信 号灯 由 不 亮 变 亮 ） 的 两 个 临 界 角 度 1、 2 ， 将 测 量 数 据 记 录 于 表 6.2 中 。（10）保持电流为 2A 不变，调节三相调压器，依次降低电压值，重复步骤（9）的过程，给定电压为 16V、12V 情况下，使继电器动作的 1、 2，并记录在表 6.2 中相应位置。表 6.2 方向阻抗继电器静态特性 Zpu = f（ ）测试（条件为： 内 =72，I m=1A，Z set=5）Upu/V 20 16 12 10 5 2 1.5 1 66 51 29 15 -1 -0.7 4.9 2 81 94 113 125 140 138 136 senZpu1Zpu2（11）实验完成后，将所有调压器输出调至 0V，断开所有电源开关。（12）作出静态特性 Zpu=f（ ）图，计算继电器的最大灵敏角 。 21sen6.3 测量方向阻抗继电器的静态特性 Zpu=f（I m）实验步骤如下：（1）保持上述接线及阻抗继电器的整定值不变，调整输入电压和电流的相角差为 =sen=72并保持不变。（2）将电流回路的输入电流 Im 调到某一值（按表 6.3 中给定值进行） 。（3）断开开关 BK，将三相调压器的输出电压调至 30V.（4）合上开关 BK，调节两个滑线电阻的滑动触头使电压表的读数由小到大，直到方向阻抗继电器动作，记录相应的动作电压值。再逐渐增大电压值，直 到 方向 阻 抗 继 电 器 返 回 ， 然 后 再 减 小 电 压 值 ， 直 到 继 电 器 动 作 ， 并 记 下 动 作 电 压 值 。改 变 输 入 电 流 Im， 重 复 上 述 操 作 ， 测 量 结 果 填 入 表 6.3 中 。表 6.3 方向阻抗继电器的静态特性 Zpu = f（I m）测试中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 21 页 共 41 页（条件为： 内 =72，Z set=5）Im/A 1.5 1.0 0.8 0.6 0.4U/V U 13.6 9.8 7.9 5.6 2.8U 0.9 1 0.8 0.8 0.9Zpu = mI2ZpuZpu（5）实验完成后，使所有调压器输出为 0V，断开所有电源开关。（6）绘制方向阻抗继电器静态特性 Zpu=f（I m）的曲线。（7）在特性曲线上确定最小精工电流和最小动作电流 Ipumin。7 LZ-21 型方向阻抗继电器7.1 阻抗继电器构成原理及整定方法距离保护能否正确动作，取决于保护能否正确地测量从短路点到保护安装处的阻抗，并使该阻抗与整定阻抗比较，这个任务由阻抗继电器来完成 29。阻抗继电器的构成原理可以用图 7.1 来说明。图中，若 K 点三相短路，短路电流为 IK，由 PT 回路和 CT 回路引至比较电路的电压分别为测量电压 Um 和整定电压 ，那么setU(7.1)mYBPTKYBPTmZInZInU11式中：n PT、n YB电压互感器和电压变换器的变比；ZK母线至短路点的短路阻抗。当认为比较回路的阻抗无穷大时，则：（7.2）ImCTIKCTset ZnU1式中：Z I人为给定的模拟阻抗。比较式（7.1）和式（7.2）可见，若假设 ，则短路时，由于CTYBPTn 12ZKIK setUmYBUmZ1K图 7.1 阻抗继电器的构成原理说明图1比较电路 2输出中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 22 页 共 41 页线路上流过同一电流 ，因此在比较电路上比较 和 的大小，就等于比较KI setUm和 的大小。如果 ，则表明 ，保护应不动作；如果 ，1ZmsetmUImZsetmU则表明 ，保护应动作。阻抗继电器就是根据这一原理工作的。I我们知道了电抗变压器 DKB 的副方电势 与原方电流 成线性关系，即2E1I在此是一个具有阻抗量纲的量，当改变 DKB 原方绕组的匝数或其,12IKEI它参数时，可以改变 的大小。电抗变压器的 值即为模拟阻抗 。I IKIZ在图 7.1 中，若在保护范围的末端发生短路，即 ，那么比较电路将setZ处于临界动作状态，即 这时由式（7.1）和式（7.2）可得：,setmUIKCTsetKYBPTnZIn11 （7.3）uIIuITset Z式中 。YBPTCunK1式（7.3）表明，整定阻抗 Zset 是一个与 DKB 的模拟阻抗 ZI 和电压变换器 YB的变比有关的阻抗。当适当调节 DKB 原方绕组的匝数和调节 nYB 的大小时，可以得到不同的整定阻抗值。例如：当 nPT=1，n CT=1， ZI=2时，若要整定阻抗为Zset=20，则 YB 抽头可选 10 匝。7.2 LZ-21 型方向阻抗继电器原理图分析图 7.2 为 LZ-21 型方向阻抗继电器实物图。电流线圈 1 及电流线圈 2 的接口分别对应端子 1、2、3、4，电压线圈 1 及电压线圈 2 的接口分别对应端子5、6、7，面板接口 1、2、3 分别对应端子 10、9、11，此外还有继电器、段切换的接口，以及用于选择 DKB 原方匝数的面板。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 23 页 共 41 页图 7.2 LZ-21 型方向阻抗继电器实物图图 7.3 为其原理图。由 CT 引入的电流 接于电抗变压器 DKB 的原方CTmnI端子 1、2、3、4。在它的副方，得到正比于原方电流的电压，DKB 的原方有几个抽头，当改变抽头位置时，即可改变 值。由 PT 引入的电压 接于电压IZPTmnU变换器 YB 的原方端子 5、6、7，用于引入电压 ，YB 副方每一定匝数CBA、U就有一个抽头，改变抽头的位置即可改变 ，也可改变 的大小。JJ 为具有方YBnsetZ向性的直流继电器（又称极化继电器） 。端子 9、10、11 为极化继电器触点桥的输出。端子 12、13、14 为继电器、段切换的触点。当 12、13 连通时，段接通。当 12、14 连通时，段接通。LZ-21 型方向阻抗继电器面板上有压板 Y 用于调整最大灵敏角。DKB12I134I28072609 1110* * * *VD1R1mR2VD2VD3R3nR4VD41214II 段R6 7*I 段YB1356UB*UAXTKP KPUCKPJYB中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 24 页 共 41 页图 7.3 LZ-21 型方向阻抗继电器原理接线图7.3 LZ-21 型方向阻抗继电器比相电路分析LZ-21 型方向阻抗继电器执行元件的环形整形比相电路，如图 7.4（a）所示，它实际是一相敏整流电流，其输入端分别接入比相的两电气量 UC、U D，输出电压Umn 平均值的大小和极性与输入端电压 UC、U D 的相位有关。为了提高比相回路的输出电压，在二极管支路中串入相同的电阻 R1R4，适当选取它们的电阻值，有利于提高继电器的动作速度。滤波电容 C1C4，是为了滤去交流分量，以防止执行元件抖动，保证阻抗继电器动作特性圆的边界明确，同时提高了继电器的灵敏度，电容 C 的数值，也要适当选取。这一电路的等效电路如图 7.4（b）所示，图中 ， 。21UE21正半周时， 和 分别产生电流 和 ，并分别通过电阻 RJJ1 和 RJJ2；负半E1I2周时， 和 分别产生电流 和 ，并分别通过电阻 RJJ2 和 RJJ1；输出电压为：121I2)()(21iRiuJJmnD11KDUC11KC11KR11KJJ11KJJ21KR21KC21KC41Km1KD2211KYB21KYB11K CUJJ1KD21KR31KR41KD41Kn1K 2I1I2I1IEE1K1K1K1KD11KR21KD21Km1KD21KR41KD41KR31Kn1KRJJ11KRJJ21KR11K中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 25 页 共 41 页(a) 原理图 (b)等效电路图 7.4 用极化继电器作执行元件的环形整流比相回路相敏整流电路输出电压 平均值的大小和极性与输入端电压 、 的相mnUCUD位有关。图中 和 同相， 与 同相。 和 之间的相位 变化时，输1CD2CD出电压 umn 平均值的大小和极性变化情况的分析，可参阅有关资料。由分析可知，环形整流比相回路 umn 与两比相电气量相位角 之间的关系如图 7.5 所示，由图可见，当 =0时，U mnpj 为正最大值；当 =90时，U mnpj=0；当 =180时，U mnpj 为负最大值。显然，输出电压平均值为正值的比相角 的范围是： 90此式满足 LZ-21 型方向阻抗继电器对比相回路动作条件的要求。7.4 LZ-21 型方向阻抗继电器的死区及消除办法方向阻抗继电器在保护安装处正向出口发生金属性短路时，其测量电压 值mU小于继电器的最小动作电压，继电器将拒绝动作，这一不动作区通常称为方向阻抗继电器的死区，方向阻抗继电器必须消除死区才能正确工作 30。LZ-21 型方向阻抗继电器为消除死区，在继电器的相位比较电气量中引入与测量电压 同相位的带有记忆作用的极化电压 ，引入了极化