电网距离保护作用原理及实现

第三章电网的距离保护 第一节距离保护的作用原理 一 基本概念 电流保护的优点 简单 可靠 经济 缺点 选择性 灵敏性 快速性 很难满足要求 尤其 35kV 以上的系统 距离保护的性能比电流保护更加完善 A B C 1 2 3 Zd Ud 反映故障点到保护安装处的距离 距 1 f e f d d dld I U Z I U ZZ 离保护 它基本上不说系统的运行方式的影响 二 距离保护的时限特性 距离保护分为三段式 I 段 瞬时动作 AB I dz ZZ 85 0 8 0 1 主保护 II 段 t 0 5 21 I dzAB II K II dz ZZKZ III 段 躲最小负荷阻抗 阶梯时限特性 后备保护 1 2 3 t1 I t1 II t2 I t1 III t2 II t2 III 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 单相式阻抗继电器 指加入继电器的只有一个电压 UJ 相电压或线电压 和一个电流 IJ 相电流或两相电流之差 的阻抗继电器 测量阻抗 J J J I U Z ZJ R jX 可以在复平面上分析其动作特性 它只能反映一定相别的故障 故需多个继电器反映不同相别故障 多相补偿式阻抗继电器 加入的是几个相的补偿后的电压 它能反映多相 故障 但不能利用测量阻抗的概念来分析它的特性 本节只讨论单相式阻抗继电器 一 阻抗继电器的动作特性 PT l d PT l l PT J J J n n Z n n I U n I n U I U Z 1 1 1 1 BC 线路距离 I 段内发生单 相接地故障 Zd在图中阴 影内 由于 1 线路参数是分 布的 d有差异 2 CT PT 有误差 ZJ A B C CT IJ UJ PT 1 2 3 R jX A C d o B d 3 故障点过渡电阻 4 分布电容等 所以 Zd会超越阴影区 因此为了尽量简化继电器接线 且便于制造和调试 把继电器的动作特性 扩大为一个圆 见图 圆 1 以 od 为半径 全阻抗继电器 反方向故障时 会误动 没有方向性 圆 2 以 od 为直径 方向阻抗继电器 本身具有方向性 圆 3 偏移特性继电器 另外 还有椭圆形 橄榄形 苹果形 四边形等 二 利用复数平面分析阻抗继电器 它的实现原理 幅值比较原理 BAUU 相位比较原理 90arg90 D C U U 一 全阻抗继电器 特性 以保护安装点为圆 心 坐标原点 以 Zzd为 半径的圆 圆内为动作区 Zdz J 测量阻抗正好位 于圆周上 继电器刚好动作 这称为继电器的起动阻抗 无论 d多大 它没有方向 zdJdz ZZ 性 R jX ZZd ZJ 1 幅值比较原理 zdJ ZZ 两变同乘 且 所以 这也就是动作方程 JI J J JUZI zd JJZIU 2 相位比较原理 90arg90 Jzd Jzd ZZ ZZ 分子分母同乘以 IJ 90arg90 J zd J J zd J UZI UZI 二 方向阻抗继电器 以 Zzd为直径 通过坐标原 点的圆 圆内为动作区 Zdz J 随 J改变而改变 当 J等于 Zzd的阻抗角时 Zdz J 最大 即保护范围最大 工 作最灵敏 lm 最大灵敏角 它本 身具有方向性 1 幅值比较原理 zdzdJ ZZZ 2 1 2 1 R jX Zzd Zzd ZJ ZJ ZJ Zzd lm ZJ ZJ 1 2Zzd R jX Zzd zd J zd JJZIZIU 2 1 2 1 2 相位比较原理 90arg90 Jzd J ZZ Z 90arg90 J zd J J UZI U 三 偏移特性阻抗继电器 正方向 整理阻抗 Zzd 反方向 偏移 Zzd 0 电阻电感性 电抗部分增大 f Z f Z 送电侧 0 电阻电容性 电抗部分减小 f Z f Z 2 单侧电源网络中过渡电阻的影响 BC 线路出口经短路 g R 当较大 超出其 段范围而落入 段范围内 而仍在 段的保护范 g R 2J Z 1J Z 围内 则保护 1 和 2 将同时以第 段时限动作 造成保护误动 小结 短路点距保护安装处越近 影响越大 反之影响越小 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 BC 线路出口经短路 g R M 侧为送电侧 j g d d LJ eR I I ZZ 11 j g d d J eR I I Z 2 j g d d J eR I I Z 3 保护 3 正方向出口短路 0 落在第四象限 拒动 3J Z 保护 2 反方向出口短路 落在第二象限 误动 3J Z 保护 1 区外短路 落入动作特性圆 误动 1J Z 以上分析是针对方向阻抗继电器 对其它特性阻抗继电器也有类似的情形 一般而言 阻抗继电器动作特性在 R 轴方向上所占面积越大 受过渡电阻的影响就越小 二 减小过渡电阻的措施 两种措施 在保护范围不变的前提下 采用动作特性在 R 轴方向上有较大面积的阻 抗继电器 参看 P105 图 3 58 采用瞬时测量装置 电弧长度 电弧电流 g g g I l R g l g I 短路初瞬 较小 较大 有非周期分量 所以很小 0 1 0 15s 后 g l g I g R 拉长 减小 非周期分量衰减 所以增大 g l g I g R 距离 段 t 小于 40ms 很小 可以忽略不计 g R 距离 段 t 为或很长 应采取措施 5 0 距离 段 因为特性圆较大 影响较小 所谓瞬时测量 就是把距离元件的最初动作状态通过起动元件的动作固定 下来 当电弧电阻增大时 距离元件不会因为电弧电阻的增大而返回 仍以预 定的动作时限跳闸 短路初瞬 起动元件 1 段阻抗元件 2 动作 因而起动中间继电器 3 3 起动后通过其触点 自保持 而当 阻抗元件 2 返回 保护仍能在时间元 g R 件 4 动作后 经中间继电器 3 的触点 去跳闸 注 d 点短路 保护 3 的 段动作于跳闸 保护 5 段跳 对保护 1 因 d 点在其第 段保护范围内 起动元件和 段测量元件动作 若 采用瞬时测量 则会误动 所以只在单回线辐射形电网中的距离 段上采用 二 电力系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路 振荡时 系统中各发电机电势间的相角差随时间作周期性变化 从而使系 统中各点电压 线路电流以及距离保护的测量阻抗也将发生周期性变化 可能 导致距离保护和企图确保护动作 但通常系统振荡若干周期后 多数情况下能 自行恢复同步 若此时保护误动 势必造成不良后果 因而使不允许的 一 系统振荡使 电压 电流的变化规律 几点假设 全相振荡时 系统三相对称 故可只取一相分析 两侧电源电势和电势相等 相角差为ME NE 3600 系统中各元件阻抗角均相等 以表示 d 不考虑负荷电流的影响 不考虑振荡同时发生短路 电流 2 sin 2 1 Z E Z eE ZZZ EE I M j M NLM NM 振荡电流的有效值随变化 包络线 电压 M MMZIEU N NNZIEU 系统中总有一点的电压为最低 其值为由 0 向相量所做的垂线NMEE 的长度 该点则称为振荡中心 以 z 表示 当 且系统中各元件阻抗角相等时 振荡中心的位置在全系NMEE 统纵向阻抗的中点 即处 2 Z 当时 I 最大 相当于在线路 z 点发生三相短路 180 0 ZU 振荡周期 电压的一个最大值到下一个最大值所经历的时间 一般发生 在 0 25 2 5s 的范围内 二 系统振荡时测量阻抗时测量阻抗的变化规律 M 侧 M j M M M MM mJ Z e Z Z I E I ZIE I U Z 1 因为 参看 P108 2 1 2 1 jctg e j 所以 22 2 2 1 2 ctg Z jZ Z Zjctg Z Z MMmJ 0 2 ctg 2 2 Z jZ Z Z M J J 180 0 2 ctg M J J Z Z Z 2 360 2 ctg 2 2 Z jZ Z Z M J J 可见 当变化 幅值变化 阻抗角亦变化 J Z 注 可能在第一象限 也可能在第三象限 2 M Z Z 三 系统振荡时时距离保护的影响 当测量阻抗进入特性圆内 阻抗继电器就要误动 全阻抗继电器误动的相 角 方向阻抗继电器误动的相角 14 23 Tt 360 14 1 Tt 360 23 2 因为 T 0 25 2 5 之间 所以就可躲振荡的影响Stbh5 1 小结 在相同定值下 全阻抗继电器所受 振荡 影响大 当保护安装点越靠近振荡中心 受影响越大 措施 延长保护装置的动作时间 如距离 段 把定值压低 使振荡中心位于特性圆外 增设振荡闭锁回路 四 振荡闭锁回路 1 基本要求 当系统只发生振荡而无故障时 应可靠闭锁保护 区外故障而引起系统振荡时 应可靠闭锁保护 区内故障 不论系统是否振荡 都不应闭锁保护 根据上述基本要求 振荡闭锁回路目前主要采用两种原理 利用短路时出现负序分量而振荡时无负序分量的原理 利用振荡和短路时电气量变化速度不同的原理 2 利用负序 和零序 分量元件起动的振荡闭锁回路 起动元件可以利用短路时出现的负序或零序分量起动 也可以利用这些分 量的增量或突变量来起动 P115 图 3 71 具体接线参看附录四 当系统只振荡 起动元件不动作 保护不会开放 内部短路时 起动元件立即动作 然后自保持 短时开放保护 在此期间 允许保护跳闸 外部短路引起系统振荡 起动元件立即起动 同 短时开放保护 但在阻抗继电器误动前 短 时开放回路已复归 将保护跳闸回路闭锁 3 反应阻抗变化速度的振荡闭锁回路 利用振荡时各段动作时间不同实现的振荡闭锁 区内故障时 同时动作 Z Z Z 振荡时 先动 t1 后动 t2 Z Z 第七节第七节 距离保护的整定计算原则及对距离保护的评价距离保护的整定计算原则及对距离保护的评价 一 距离保护的整定计算原则一 距离保护的整定计算原则 1 距离保护 I 段的整定 A B C 1 2 3 4 5 6 原则 按躲过线路末端故障整定 AB I K I zd ZKZ 1 85 0 8 0 I K K 2 距离保护 II 段的整定 原则 1 与相邻线路的距离 I 段配合 2min 1 I zdfzAB II K II zd ZKZKZ 8 0 II K K 原则 2 按躲过线路末端变压器低压母线短路整定 考虑到的计算误差大 min 1bfzAB II K II zd ZKZKZ 7 0 II K K b Z 取上述两项中数值小者作为保护 II 段定值 动作时间 sttt III 5 0 21 sttt b II 5 0 1 灵敏度校验 按本线路末端故障校验灵敏度 要求大于 1 25 25 1 1 AB II zd lm Z Z K 若灵敏度不满足要求 应与相邻线路距离保护 II 段配合 3 距离保护 III 段整定 原则 按躲过输电线路的最小负荷阻抗整定 求最小负荷阻抗 max min min f f fh I U Z 考虑外部故障切除后 电动机自启动时 距离保护 III 段应可靠返回 对于全阻抗继电器 其整定值为 min 1 1 fh hzq III K III zd Z KKK Z 对于方向阻抗继电器 其整定阻抗为 min 1 cos 1 fh fdhzq III K III zd Z KKK Z 动作时间按阶梯时限原则整定 在负荷阻抗同样的条件下 采用方向阻抗继电器比采用全阻抗继电器时 距离 保护三段的灵敏度高 灵敏度校验 近后备的灵敏度 要求大于 1 5 5 1 1 AB III zd lm Z Z KjX 远后备的灵敏度 zd Z 求大于 1 2 2 1 max 1 BCfzAB III zd lm ZKZ Z K 说明方向阻抗比全阻抗继电器灵敏度高的图 R 4 最小精确工作电流校验 按各段保护范围末端短路的最小短路电流整定 5 1 min min lhjg d nI I 二 对距离保护的评价二 对距离保护的评价 1 选择性 在 多电源的复杂网络中能保证动作的选择性 2 快速性 距离保护的第一段能保护线路全长的 85 对双侧电源的线路 至少有 30 的范围保护要以 II 段时间切除故障 3 灵敏性 由于距离保护同时反应电压和电流 比单一反应电流的保