电力系统继电保护原理第三章

1、电力系统继电保护原理第三章第三章电网的距离保护第一节距离保护的作用原理、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。z.dJ Ue 反映故障点到保护安 T.装处的距离一一距离保护，它基本上不受系统的运行方式的影响。、距离保护的时限特性距离保护分为三段式皿=（0. 80. 8Zab,瞬 1段: 时动作主保护II段：zd；二KK ( ZaB 5川段：躲最小负荷阻抗，阶梯时限特性。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 式单相式阻抗继电器：指加入继电器的只 有一 个电压叮（

2、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。ZJ=3测量阻抗IjZj=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、阻抗继电器的动作特性AIXPTZjU j n ptPT JiniTTBC线路距离内发生单相接地Zd在图中阴影内故障,由于1）线路参数是分布的，W d有差1JXA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2）CT, PT有误差3）故障点过渡电

3、阻t 4 ）分布电容等所以Zd会超越阴影特性扩大为一个圆，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、利用复数平面分析阻抗继电器它的实现原理：幅值比较原理相位比较原理-90沁匕U D（-）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。无论屮d多大，乙d,它没有方向性。1 幅值比较原理:两变同乘I j,且 IjZj 二 Uj， 所以

4、 ijZzd, 这也就是动作方程2.相位比较原理-90 arg 一 丄迟90Zzd Zj分子分母同乘以Ij,QI jZzd+UjQ90 乞i arg_ -90I j Zd -u j（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。也J随W j改变而改变，当w 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。W lm最大灵敏角，它本身具有方向性。1幅值比较原理:117-17r7“21 .11 T 1 T 7-J22.相位比较原理:一90 - argZjZzd _Zj- 90 arg9090I j Zzd - U j(三)偏移特性阻抗继电器正方向：整理阻抗Z

5、zd反方向：偏移-aZzd ( &1)圆内动作。圆心Zo =* (Zzd aZzd)二* ( 1a)乙d半径：牛仆必Zdz.j随Wj变化而变化，但没有安全的方向性。1幅值比较原理Zj Zo1 Ub、Uc Ud基本上是由Uj和IjZzd组合而 成。而Uj可直接从PT二次侧 取得，必要时经YB变 换。而IjZzd则经过DKB获得。（一）方向阻抗继电器交流回路的原理接线Jl U A丁 2戶1 .U Br込dUc 二 UjDKB1/21 j 乙dUabUaU b 而动作 o其它的继电器的交流回路的 组成，可参照此图自行作成。（二）幅值比较回路将Ua和Ub分别整流后进行 幅值比较，有两种类型：1.均压式

6、整流后在Ri上产生5,流后在R2上产生Ub。继电器反应2 环流式UA整流后在Ri回路产生la,Ub整流后在R2回路产生Ibc继电 器反应la-lb而动作（三）相位比较回路不动作tUd0 20 fUo-180 arg- 0U DFmSUcdudt微分元件（产生脉冲输出的时间与Uc方波的前沿同时）Ud (Ui)加移相器后移相90s U c =uceJ-90 arg1 _90第三节阻抗继电器的接线方式、基本要求要使Zj正比于Id,且与故障类型无关、常用接线方式参见Pec,表3-2,其中0。接线，+30。接线和-30接线的阻抗继电器用于反映各种相间短路。 相电压和具有k3I。补偿的相电流接线用于反映各

7、 种接地故障。三、分析（一）母线残压计算公式:假设:Zi二Z2,不计负荷1 r电流代Id予U ADIA1Z1 ld I A2 Z2ld I AoZor I AoZdd（其中:U Ad I AZild - I AO (乙乙)Id二u Ad (I Ak3Io) Zi ldk=( Zo-Zi)/3Zi,零序补偿系数)U C =U Cd (lc k31o) Zild（二）Oo接线方式的分析（设n pT=n=l）1. 三相短路因为三相对称，继电器1,继电器2,继电器 3工作情况完全相同，所以就以继 电器1为例分 析。 Ad c Bd “ Cd 30=Zn 叱 （lAlB）ZJ 二乙 Id同理 Zj2二Z

8、j3二Zlld-1结论：在三相短路时，Zji, Zj2, Zj3均等于短路点到保护 安装处点的线路正序阻抗。2. 两相短路以BC两相短路为例1 A 二031 -o=EaUc 二.Uca 札Ub -u3lidZj2c Bd、CdUa-Ub砂汪亠二乙IU Bd但z 1ZjiA亍HZj2Uc-Ua7二乙IZxld结论：接于故障环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正序阻抗。其余两 只阻抗继电器的测量阻抗很大，不会动 作。这也就是为 什么要用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 仍然以BC两相 接地短路为例U Bd - U Cd -07 U

9、B-Uc (1b-1c) Zild +k3b Zild -k3b Zild r,：J2 _ 二-：1： dZj3 ZildI B I CI B I CZjl UA_U B ZildIa-Ib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TaA* )乙 J ZildT A k3T可见：它能正确测量以短路点到保护安 装处之间线路正序阻抗。Zj2Z*dIB k3L k3I。均不动所以必须采用三个阻抗继电器该接线方式能正确反映两相短路和三相短路。 （自行分析）第四节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清除方法（一

10、）产生死区的原因在保护正方向出口发生相间短路时，Uj=o, 继电器不动作。发生这种情况的一定范围， 就称为“死区”。1.幅值比较式1T；7“2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0 ,90 argU j-90% Uj因为U尸0,无法比相，所以继电器不动（二）消除死区的万法引入极化电压Up,要求如下：1）与Uj同相位2）出口短路时，Up应具有足够的数值或能保 持一段 时间逐渐衰减到零。（三）获取极化电压的方法分析如下：1.记忆回路它是由一个R, L, C组成的工频串联谐振电路。AUjJYB因为wL=l/wc ,电路呈纯阻性，所以故障前一故障后当出口短路时,

11、Uj二0。借助谐振, Up在一定时间内 逐渐衰减，其相 位保持原先的相位不变。这就相当于把原先的电压记忆下来，故称为“记 忆回路”。I Y_cJUbUcLRs (30K82K)2弓I入非故障电压正常运行时，Uab较大，Rs又很 大。Ir主要由Uab产生，第三相电 压基本上不起作用。当AB相间短路时，Uab二0,记 忆回路发挥作用。但Up将逐渐衰减到零，此时第 三相电压的作用将表现出来。因为 Rs (很大)(R-jX)/jX l,Is与Uac同相位。所以BJYCUp 与 Uab (Eab)=Is r jx, jx rs 普XLRXR=AEc=UcEbUb Ua Ea见左边向重图，同相位所以出口两

12、相短路时，因为第 三相电压而产生的Up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其它方法：集成电路保护中，利用高Q值的50HZ带通有源滤波器响应特性的 时间延 迟，起到记忆作用。微机保护中，可用故障前电压与故障电流比 相来实现。（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，Up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。1.稳态特性分析分析如下:1(1)幅值比较式1K+TI ；7仔&27. +7. 417“

13、217. + 7p 2AA =|B , A =|B当临界动作时，因为Up与Uj同相位，所 以Zzd所以引入Up不改变继电器的静态特性O而当正方向出口短路时，Uj=O92込仙+2怎能满足，故能消除死区，且能 防止反方oU p-90 S arg S 901厶 -Uj向出口短路时误动。(2)相位比较式arg arg .IjZzd -UpIjZzd -Uj所以极化电压Up并不改变继电器的稳 态特性。而正 方向出口短路时，Uj=O,而U-O因而继电器能够正确判别方向，即能消除死 区。2.初态特性(设ni=nPT=l)(1) 正方向短路时：空载U j “J ZdE Uj b+Zj . b = Zd导IjE

14、Zs Zj末端连线为直径的结论：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）初态特性圆比稳态特性圆大， 过渡电阻的影响。有利于躲3）正方向的保护范围不变。（2）反方向短路时Uj =-lj ZdZd2 一 Zs Zd+QEZj - ZsUp EZj -Zs 时，继电器有明确的方向性。arglj Zzd -U jATP=argZj -z- Zj)-90 arg % 一乙-90Zzd Zj其动作特性是Zzd, Zo 末端的连线为直径的 圆。结论：在反方向短路第五节阻抗继电器的精确工作电流阻抗继电器式利用测量阻抗ZJ来反映故障点的位置， 即UJ与的比值，其动作特性洛在理想条件下是常 数

15、，也就是说与匚无关。例：全阻抗继电器(整流型)K, I Ku U j理想临界动作条件：K,lj -KuUj =0.即Zs半 21 JXu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：K, 1 J -KuU J =Uoz _Uj Ki U o-IJKu Koi J由此可见， Zdz, J 与 u* IJ有关(u。 Ij , Zdz. j Zdzd ) “ (Ij)的关系曲线可绘制如下图由图可见，当IJ较小时，Z&,J将比整定阻抗沧明显 减小，即 实际的保护范围将比整定范围小，这将影响到与它 相邻的保护的配合，而可 能引起非选择性动作。每个阻抗继电器都有它实际的ZdZ.j= f(L)曲线

16、，为了把动作阻抗汕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% (即氐二0.9康 时，加入阻抗继电器 的电流。记做X。当保护范围末端短路时，ij应大于或等于i_n,才 能保证筈益：10%,此误差在选择：zd可靠系数时已考虑。第六节影响距离保护正确动作的因素及防止方法阻抗继电器的测量阻抗时受很多因素 影响的。主要有： .短路点的过渡电阻； .电力系统振荡； .保护安装处与故障点之间有分支电路； .CT,PT的误差； .PT二次回路断线； .串连补偿电容。本节着重讨论,两因素的影响及相应的措施。一.短

17、路点过渡电阻的影响及相应措施：短路一般是非金属性的，即存在过渡电阻使得测量 阻抗变化，保护范围可能缩短，可能 超范围或反方向误动。（一）过渡电阻的影响：1.过渡电阻的性质：d,d电弧电阻d（“,d电弧电阻，杆塔电阻，大地电阻阻抗继电器感受到的可能不是纯电阻性的。IdTdUjRgL|J H dZdz _UjJI d Rg I d Zd其中Zf为附加阻抗，乙半RQ1 d,口为Id超前Id的角度讨论：. ld=o ,单侧电源网络ld=ld,Zf=Rg纯电阻性Zj增大 .0双侧电源网络受电侧a 0, Zf电阻电感性Zf电抗部分增大送电侧a I dZj2旦 RgeJI dZj-Rgej： 保护3：正方向

18、出口短路，&0, Z”落在第四象限，拒动 保护2:反方向出口短路，知落在第二象限，误动 保护1：区外短路，知落入动作特性圆，误动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）减小过渡电阻的措砲：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：（lg电弧长度，Ig电弧电流）短路初瞬，4较小，Ig较大（有非周期分量）,所以Rg很 小；0.1015s后，珀拉长，珀减小（非 周期分 量衰减），所以&增大。距

19、离I段：t小于40ms, &很小，可以忽略不计距离H 段：t为0.5或很长，应采取措施。距离皿段：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： n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。保护仍能在时间元件4动作 后，经中间继电器3的触点去跳闸O4注:2135d点短路,保护5U段跳保护3的I段动作于跳闸，因d点在其第U段保护范围内，起动元件和U段测量元件动作，若采用瞬时测 量，则会误动

20、。所以只在单回线辐射形电网中的距离口段上采用。 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； 两侧电源电势弘和E、电势相等，相角差为（0 ： r 360 ） 系统中各元件阻抗角均相等，以表示 不考虑负荷电流的影响，不考虑振荡同时发

21、生短路。匕KdKIP电流:IEM-EnEm C - e ) 2EmsinI振荡电流的有效值随、变化（包络线）电压：Um 12 Em ZmUn 二 E n I Zx系统中总有一点的电压为最低，其值为由0向Em- E、相量所做的垂线的长度，该点则称为振荡中心，以Z 表示。当少且系统中各元件阻抗角相等时，振荡中心的位置在全系统纵向阻抗的中点（即芳处）。当.=180时，Uz=o, I最大，相当于在线路Z点发生三相短路。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02525s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：乙心EIZ心1 _e因为1冷 r （参看P1

22、08）1 一 jctg所以Z,2 (1_ jctg2)_ZM -1 。 bZjZyb =0 ,ctg-=oojZj =（寸 _ZM）_j 才 w、=180， ctg 0， Zj Z-Zm2 2ZjZ“片亿）可见，当变化，厶幅值变化，阻抗角亦变化。注：（宁価）可能在第一象限，也可能在第三象限（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、3 - 20tl 11y、360鮎 n因为T二0. 25 2. 5之间，所以tb5s就可躲振荡 的影 响小结：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

23、，受影 响越大措施：延长保护装置的动作时间（如距离皿段） 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 主要米用两种原理： 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（PU5,图 3-71 ）

24、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汤时各段动作时间不冋实现的振汤闭锁区内故障时：Zi, Zn , Zffll同时动作。振荡时：Z皿先动(tl) , Zn 后动(2)-、距离保护的整定计算原则1.距离保护I段的整定1 23456原则：按躲过线路末端故障整定。Zzd“ 一 K K Z ABK K 二 0. 80. 852.距离保护II段的整定原则1 :与相邻线路的距离I段配合乙 dl =K? (ZaB * Kfz.m 2咅 2) KK二0 8原则2:按躲过线路末端变压器低压母线短 路整定 乙 di =KK* (ZaB Kfz.m iZb)KK =0. 7(考虑到Zb的计算误差大)取上述两项中数值小者作为保护II段定值。动作时间： t二 t： rt 二 0. 5s二tb rt 二 0. 5s灵敏度校验：按本线路末端故障校验