中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护分析.ppt

主讲人：肖仕武电气与电子工程学院四方研究所Office:教五B309,NorthChinaElectricPowerUniversity,第三章电网距离保护,第三章电网距离保护,一、距离保护基本原理与构成二、阻抗继电器及动作特性三、阻抗继电器的实现方法四、距离保护的整定计算与对距离保护的评价五、距离保护的振荡闭锁六、故障类型判别和故障选相七、距离保护特殊问题的分析八、工频故障分量距离保护,第一节距离保护基本原理及构成,一、距离保护的概念,电流保护：反映故障电流大小。简单、经济、工作可靠，适用于35kV及以下电网；受系统运行方式变化的影响较大，难以满足高压和超高压电网快速、有选择性地切除故障的要求。距离保护：利用短路时电压、电流同时变化的特征，反应故障点至保护安装点之间的距离，并根据距离的远近而确定动作时间。,通过选取适当的接线方式，使得测量阻抗与故障距离L成正比。,MN,R,jX,依据测量阻抗在不同情况下幅值和相位的“差异”，保护就能够区分出系统是否发生故障以及故障发生的范围。,：是测量电流,：是测量电压,：是测量阻抗,：是测量电阻,：是测量电抗,三相系统中测量电压和测量电流的选取（距离保护的接线方式）,若使距离保护正确工作，测量阻抗在不同故障类型情况下均能正确反应故障距离，必须选取适当的接线方式。对接线方式的基本要求：,测量电压、测量电流的选取形式，称为接线方式。,2）测量阻抗应该与故障类型无关，即在故障位置确定情况下，测量阻抗不随故障类型的变化而变化。,，是故障距离。,1）测量阻抗正比于短路点到保护安装点之间的距离；,阻抗继电器的接线方式主要有两种：1、相间距离继电器接线（0接线方式），反应相间故障；2、接地距离继电器接线方式（相电压和具有K3I0补偿的相电流接线），反应接地短路故障。,三相系统中测量电压和测量电流的选取（距离保护的接线方式）,(1)接地距离保护的接线方式,1)三相短路,2)单相接地短路,假设A接地短路:,3)两相接地短路,假设AB接地短路:,4)两相相间短路,假设AB相间短路:,（2）相间距离保护的接线方式,1)三相短路,2)两相相间短路,假设AB相间短路:,3)两相接地短路,假设AB接地短路:,4)单相接地短路,假设A接地短路:,为保证距离保护的正确工作，测量电压、测量电流应取用故障环路（故障电流流通的回路）上电压、电流量。,接地短路的故障环路为相地故障环路；相间短路的故障环路为相相故障环路。,三、阶段式距离保护（距离保护的时限特性）,每一线路装设有三段式距离保护，段、段、段之间，并与相邻线路三段式距离保护共同构成了较完善的保护系统。,四、距离保护的构成,启动部分：判别系统是否发生故障，故障时能瞬间启动保护测量部分：测量故障距离（阻抗），由阻抗元件构成，三段振荡闭锁：系统振荡时，防止距离保护误动PT断线：防止由于测量电压消失而使测量部分误动,第二节阻抗继电器及其动作特性,阻抗继电器：测量保护安装点至短路点之间的距离，与整定阻抗比较，确定故障范围，决定保护是否应该动作。,由于互感器误差、故障点过渡电阻等因素的影响，Zm并不能严格落在与Zset同向直线上，而是附近的一个区域中，为保证区内故障时正确动作，通常将动作区域设定为圆或四边形。,阻抗继电器的动作特性由阻抗复平面图上的阻抗动作区来表示。,阻抗动作区：是阻抗复平面图上的一个区域，当测量阻抗落在区域内，则阻抗继电器认为是内部故障，继电器动作,一、阻抗继电器的动作特性,阻抗继电器动作区域的形状，称为动作特性（圆特性、四边形特性）；描述动作特性的数学方程，称为动作方程。,1）全阻抗圆特性以保护按照点为圆心，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。,动作特性取决于短路点到保护安装处之间的阻抗大小，与阻抗角无关。,三种圆特性的阻抗动作区：1.全阻抗继电器特性2.方向阻抗继电器特性3.偏移阻抗继电器特性,动作方程：（1）幅值比较方式（2）相位比较方式,全阻抗圆特性的缺陷：正向、反向故障情况下具有相同的保护区，即阻抗元件本身不具备方向性。,2）方向阻抗圆特性以保护安装点为圆心，以整定阻抗Zset为直径所作的一个圆，圆内为动作区，圆外为非动作区。,动作特性与短路点到保护安装处之间的阻抗大小以及阻抗角都有关。,当测量阻抗的阻抗角不同时，方向阻抗元件的动作阻抗也不相同，当等于整定阻抗的阻抗角set时，动作阻抗达到最大，等于Zset，此时方向阻抗元件的保护范围最大，工作最灵敏，因此set也称为最大灵敏角sen,动作方程：（1）幅值比较方式,（2）相位比较方式,方向阻抗元件在第三象限无动作区，当保护反方向发生故障时不动作，阻抗元件本身具有方向性。,3）偏移圆特性有两个整定阻抗，即正方向整定阻抗Zset1和反方向整定阻抗Zset2，以保护安装点为圆心，以两整定阻抗对应矢量末端的连线为直径所作的一个圆，圆内为动作区，圆外为非动作区。,圆心坐标：,圆的半径：,动作方程：（1）幅值比较方式：,动作方程：（2）相位比较方式：,偏移特性阻抗元件在第三象限有一段小的动作区，能够消除方向阻抗元件在正向出口处的保护死区，但同时反方向故障也存在误动的可能，所以没有完全的方向性。,测量阻抗、整定阻抗、起动阻抗的意义和区别,1、测量阻抗：,由加入继电器的测量电压和测量电流计算得出。,2、整定阻抗：,取继电器安装点到保护范围末端的线路阻,抗作为整定阻抗。由线路阻抗整定计算得出。,3、起动阻抗：表示当继电器,刚好动作时，加入继电器电压和电流的比值，整定阻抗模值随的不同而改变。,幅值比较和相位比较之间的关系（互换性）：（1）幅值比较原理：（2）相位比较原理：,幅值比较方式与相位比较方式之间具有互换性，可以用其中任意一种来分析，但需要注意：（1）只适用于A、B、C、D为同一频率正弦交流量；（2）短路暂态过程中的非周期分量不成立。,其他圆特性的阻抗继电器,1）上抛圆特性；2）特性圆的偏转。,其他形状阻抗动作区的阻抗继电器,1）苹果形特性和橄榄形特性阻抗继电器；2）直线特性的阻抗继电器；3）多边形特性的阻抗元件；4）复合特性的阻抗元件,5.动作角度范围变化对继电器特性的影响,橄榄形（透镜型）继电器：,苹果型继电器：,折线型继电器：,第三节阻抗继电器的实现方法,阻抗继电器的两种实现方法：（1）精确测量出测量阻抗Zm，然后把它与事先确定的动作特性进行比较。如果Zm在动作区域内，判为内部故障，发出动作信号。（2）根据阻抗继电器的动作方程，即幅值比较不等式动作方程或相位比较不等式动作方程来实现。,一、幅值（绝对值）比较原理和相位比较原理的实现,1.模拟式距离保护中的实现,在模拟式距离保护中，绝对值比较原理都是以电压的形式实现的。,模拟式距离保护的相位比较原理也是以电压比较的形式实现的。,2.数字式距离保护中的实现,在数字式保护（微机保护）中，利用微机强大的数值计算和存储能力，可以精确的计算出、和。然后代入幅值比较不等式动作方程或相位比较不等式动作方程，如果满足不等式方程，则判断为内部故障，发出动作命令。,在数字式保护中，实现的关键是计算、和。,这些关键的相量在微机保护中，可以基于电流、电压的瞬时采样值，通过微机保护的算法计算得到。这些算法包括两点乘积算法、导数算法、傅氏算法和解微分方程算法得到。,二、比较工作电压相位法实现的故障区段判断,1.比较工作电压相位法的基本原理,工作电压：又称为补偿电压。,，其中是整定阻抗。,MN,可见，补偿电压就是线路整定点z处的运行电压。其大小接近线路额定电压，相位基本同。,MN,（1）正方向区外K2点短路时：与同相位。,（2）反方向区外K3点短路时：与同相位。,（3）正方向区内K1点短路时：与相位相反。,所以应用补偿电压和之间的相位关系，可以实现保护区域内故障的判断，即补偿电压和测量电压相位相反时，为区内故障。,，则表示为区内故障。,动作方程为：,2.以正序电压为参考电压的测量元件,工作电压：又称为补偿电压。,参考电压：作为判断相位的参考，也是一种参考电压。,当采用测量电压作为参考电压时，无法保证线路正向出口短路时的选择性。因为当正向出口短路时，有：,，无法确定电压的相位。,在这种情况下，需要选择其它不同的电压来作为参考电压。,所以，引入正序电压作为参考电压，即,在接地距离接线方式下，以A相为例，A相正序电压为在相间距离接线方式下，以BC相为例，其正序电压为,参考电压是正序电压时在各种故障情况下的分析,（1）A相出口单相接地短路故障。保护安装处的三相电压为：,其中，、和是故障前母线处B、C和A相的电压。,则A相正序电压为：,出口单相接地故障时，故障相正序电压的相位与该相故障前的电压相位相同，幅值等于其2/3。,参考电压是正序电压时在各种故障情况下的分析,（2）A、B两相出口接地短路故障。保护安装处的三相电压为：,出口两相接地短路故障时，两故障相正序电压的相位与该两相故障前的电压相位相同，幅值等于其1/3。,（3）A、B两相出口相间短路故障。保护安装处的三相电压为：,经过推导有：,出口两相相间短路故障时，两故障相正序电压的相位与该两相故障前的电压相位相同，幅值等于其1/2。,（4）A、B、C三相出口短路故障。,出口三相短路时，各相正序电压为0，正序参考电压将无法应用。,正序电压为参考电压的测量元件的动作特性,测量元件的动作方程为：,对于按接地距离保护接线方式而言，有,所以，测量元件的动作方程变为：,正序电压为参考电压的测量元件的动作特性,（1）在正向故障时的动作特性，即K1、K2点故障,MN,最终有：,（2）在反向故障时的动作特性，即K3点故障,MN,最终有：,以记忆电压为参考电压的测量元件,在以测量电压或正序电压为参考电压，在出口三相对称短路时三相电压都降为0，而失去比较的依据，从而产生动作死区。为了克服上述方法，可以利用故障前的记忆电压作为参考电压。,，其中,以相间距离保护接线方式为例分析，有：,可得动作方程为：,假设系统两侧电源的电动势相等，系统各部分的阻抗角相同。（1）系统正向故障时，有：,动作方程为：,动作方程为：,（2）当系统反向故障时，有：,三、阻抗继电器的精确工作电流与精确工作电压,1.比较工作电压相位法的基本原理,在实际情况下，阻抗继电器的动作情况不仅与测量电压电流之间的相对相位有关，还与它们的大小有关。只有实际的测量电流在最小和最大精确工作电流之间、测量电压在最小精确工作电压以上时，距离保护才能准确地配合工作。,最小精确工作电流,最大精确工作电流,第四节距离保护的整定计算与对距离保护的评价,距离保护的整定计算,距离保护也采用阶梯时限配合的三段式配置方式，即分为距离段、距离段和距离段保护。,1.距离保护第段的整定,（1）整定阻抗，应该躲开本线路末端短路时的测量阻抗。,（2）动作时限，无延时速动。,距离段只能保护线路首端一部分。,距离段的保护范围不受系统运行方式的影响，也不受故障类型的影响。,其中，距离段可靠系数取0.80.85。,2.距离段的整定,分支电路对测量阻抗的影响,对于助增支路，分支系数,对于外汲支路，分支系数,对于无支路电路，分支系数,其中，是最小分支系数。,可靠系数,（1）与相邻距离保护第段配合，并考虑分支系数；（2）与相邻变压器的快速保护相配合。其保护范围不超过下级变压器快速保护的范围，按照躲开线路末端变压器低压侧出口短路时的阻抗值，考虑分支系数。整定阻抗取（1）和（2）中的最小值。,距离段的整定阻抗,距离段的灵敏度校验：,距离段的灵敏度校验,如果灵敏系数不满足，则距离段应与下级线路的距离段配合。,距离段的动作时限,，其中是下级线路距离段或段的动作时限。,2.距离段的整定,距离段能够保护本线路全长、下级线路全长及更远。,整定阻抗一般情况下按照躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定。,距离段的整定阻抗,整定阻抗为,考虑负荷阻抗角与整定阻抗角不同，,距离段的动作时限,，满足阶梯配合时限特性。,距离段的灵敏度校验,近后备的灵敏度校验：,远后备的灵敏度校验：,二、对距离保护的评价,优点：（1）比电流保护具有更高的选择性；（2）比电流保护具有更高的灵敏性。,确定：（1）不能实现线路的全线速动。（2）实现原理较复杂。,第五节距离保护的振荡闭锁,3.5.1振荡闭锁的概念,电力系统振荡：并联运行的电力系统或发电厂之间出现功率角大范围周期性变化的现象。电力系统振荡时，系统两侧等效电动势间的夹角可能在0360范围内周期性变化。两侧电力系统失去同步，即两侧电气量的频率不相等，。,电力系统失步振荡是不正常运行状态，继电保护装置不应该跳闸。,3.5.2电力系统振荡时电气量的变化规律,电力系统失步振荡时，两侧电源电动势间的夹角在0360范围内周期性变化。,是左侧发电机电动势相量与右侧系统电动势相量的相角差。,振荡电流，随而变化。,M侧母线电压的大小也随而变化。在以上相量图中，M、M、N、N四点的位置满足以下关系：,所以，从相量图可以得出：（1）当相差角大时，振荡电流大，而母线电压小；（2）当相差角小时，振荡电流小，而母线电压大。,振荡中心Z：电气中心，位于两侧系统之间联络线的某一位置，在振荡时该点的电压最低。当180，振荡中心电压为零。,电力系统振荡对距离保护的影响,当EMEN时测量阻抗变化轨迹：,因为,在近似计算中，假定,，可得阻抗继电器的测量阻抗为：,其中，,电力系统振荡对距离保护的影响,当电流系统振荡时，保护安装处M点的电压、电流会周期性变化，当电流变大时电压变小，测量阻抗Zm幅值变小，有可能进入阻抗动作区内，导致距离保护误动。当振荡中心落在母线M、N之间的线路上，变化时M侧测量阻抗将沿着直流OO移动。,当测量阻抗在轨迹o1和o2点范围以内时，测量阻抗落在阻抗动作区域内，导致距离保护误动。,距离段不易受振荡影响。距离、段整定阻抗较大，容易受振荡的影响。,电力系统振荡与短路时电气量的差别,（1）振荡时，三相完全对称，没有负序和零序分量出现；短路时，总要出现负序或零序分量。在三相短路的暂态期间，由于三相间的不平衡，会短时出现负序或零序分量。（2）振荡时，电气量呈现周期性的变化，其变化速度与系统功角变化速度一致，比较慢；短路时，从短路前到短路后电气量突然变化，变换速度快，而短路后短路电流、各点的残余电压和测量阻抗是不变的。（3）振荡时，阻抗继电器在一个振荡周期内动作和返回一次；短路时，阻抗继电器会动作，或不动作，状态唯一。,3.5.3距离保护的振荡闭锁措施,距离保护的振荡闭锁应满足以下要求：（1）系统发生全相或非全相振荡时，保护装置不应误动作跳闸；（2）系统在全相或非全相振荡过程中，被保护线路发生各种类型的不对称故障，保护装置应有选择性动作跳闸。（3）系统在全相振荡过程中再发生三相短路时，保护装置应可靠动作跳闸，并允许带短延时。,振荡闭锁：在电力系统振荡时，要采取必要的措施，防止距离保护因振荡而误动，这种防止系统振荡时保护误动的措施，称为振荡闭锁。,振荡闭锁主要是利用短路与振荡时电气量变化特征的差异实现的。,距离保护的振荡闭锁措施,1.利用系统短路时的负序、零序分量或电流突然变化，短时开放保护，实现振荡闭锁。,2.利用阻抗变化率的不同来构成振荡闭锁。,3.利用动作的延时实现振荡闭锁。,发生短路时，测量阻抗Zm由负荷阻抗ZL突变为短路阻抗Zk；而系统振荡时，测量阻抗Zm缓慢变化进入阻抗动作区域。,第六节故障类型判别和故障选相,在距离保护中，为了能使阻抗测量元件（阻抗继电器）准确地反映故障的距离，必须找出故障环路，即必须判断出故障类型和相别。,故障选相：判断出故障类型和故障相别。,共有：AN、BN、CN、AB、BC、CA、ABN、BCN、CAN、ABC（ABCN）十种故障类型。,微机保护中经常采用电流突变量来选相。电流突变量主要包括相电流差突变量和相电流突变量。,相电流差突变量：,相电流差突变量,其中，、和是相电流突变量,故障选相的步骤：（1）首先根据测量电流中是否含有零序分量，判定是接地短路故障还是不接地短路故障。（2）如果是接地故障，进而判定是单相接地故障还是两相接地故障，并确定故障相别。（3）如果是相间短路故障，进而判定是两相短路故障还是三相短路故障，并确定故障相别。,第七节距离保护特殊问题的分析,3.7.1短路点过渡电阻对距离保护的影响1.短路点过渡电阻的性质电弧电阻、中间物质电阻、导线与地的接触电阻、金属杆塔的接地电阻等。相间短路：电弧电阻为主，短路初，电阻最小。Rg1050lg/Rg接地短路：500KV300220KV100,影响：（1）使测量阻抗增大，保护范围缩短；（2）距离保护装置距短路点越近，受到的影响越大；（3）线路越短，距离保护整定值越小，所受影响越大。,2.单侧电源线路过渡电阻的影响,3.双侧电源线路过渡电阻的影响,测量阻抗,（1）当超前的相位时，将具有负阻抗角，使总的测量阻抗变小。（2）当超前的相位时，将具有负阻抗角，使总的测量阻抗变大。,4.克服过渡电阻影响的方法,改善阻抗继电器的动作特性,在整定值相同的情况下，动作特性在+R轴方向所占的面积越大，则耐受过渡电阻的能力就越强。采用四边形特性的阻抗动作区。,3.7.2线路串联补偿电容对距离保护的影响,串联电容的大小通常用补偿度来描述。,补偿度：,由于串联补偿电容的存在，使线路上各点短路时短路阻抗的轨迹发生了变化。,减少串联补偿电容影响的措施：1.采用直线型动作特性克服反方向误动。,2.用负序功率方向元件闭锁误动的距离保护。3.选取故障前的记忆电压为参考电压来克服串联补偿电容的影响。4.通过整定计算来减小串联补偿电容的影响。,第八节工频故障分量距离保护,故障分量阻抗继电器是指由电流、电压的故障分量构成，反应继电器工作电压（补偿电压）的阻抗继电器，国内通常称为突变量阻抗继电器。,工作原理,电力系统发生短路时可以将系统分解为正常运行状态和短路附加状态。,故障附加状态中,故障分量的获取（突变量的获取）,所以在非故障阶段的测量电流就是正常状态下的负荷电流。,故障分量电流（突变量电流）为：,或