南昌大学继电保护第六章电网距离保护

南昌大学继电保护第六章电网距离保护第一页，共73页。一、距离保护的基本原理1。距离保护，就是指反应保护安装处至故障点的距离，并根据这一距离的远近而确定动作时限的一种保护装置。短路点越靠近保护安装处，其测量阻抗就越小，则保护的时限就越短，反之，短路点越远，其测量阻抗就越大，则保护动作时限就越长。这样，保证了保护有选择性地切除故障线路。

测量保护安装处至故障点的距离，实际上是测量保护安装处至故障点之间的阻抗。该阻抗为保护安装处的电压与电流的比值，即。保护装置的动作时限是距离(或阻抗)的函数

；

如图所示，当K点短路时，保护2的测量阻抗为，保护1的测量阻抗是，由于保护1的测量阻抗比保护2的测量阻抗大，所以保护l的动作的间比保护2长。这样，故障将由保护2切除．而保护1在故障切除后返问。这时选择性的配合足适当选择各个保护的动作阻抗和动作时间来实现的。第二页，共73页。第三页，共73页。

二、距离保护的时限特性(见全图）

距离保护的动作时间t与保护安装处至故障点之间的距离的关系,称为距离保护的时限特性。为满足速动性、选择性和灵敏性要求，目前广泛采用三段动作范围的阶梯时限特性，如图所示。这三段分别称为距离保护的I、、段，与前面讲述的三段式电流保护相似.

距离保护1的I段是瞬时动作，其动作时限为保护本身固有的动作时间，动作阻抗距离保护段整定值的选择相似于限时电流速断保护，即段整定值，以使保护范围不超出下一条线路(如有多条线路取最短者)距离保护第l段的保护范围，则保护1的段一次侧整定值为

距离保护I段与段联合工作，构成本线路的主保护。为了作相邻线路的距离保护和断路器拒动的远后备保护，还设有距离保护皿段，同时也作为本级线路距离保护I段、段的近后备保护。距离保护皿段动作阻抗应按躲过正常负荷阻抗整定，而动作时限按阶梯时限原则整定，第四页，共73页。

距离保护的原理框图如图所示，它由启动问路、测量回路和逻辑回路三部分组成。

1．启动回路:启动回路由启动元件组成，启动元件。一般采用负序电流继电器。正常运行时，整套装置处于未启动状态，即使测量元件动作也不会误跳闸。启动部分在短路时启动整套保护装置，解除闭锁，允许阻抗继电器通过与门5和6去跳闸。启动元件同时启动时间继电器，在0．1秒(开放时间)内允许距离保护I段跳闸。超过0.1s，1KT动作，一方面通过禁止门4闭锁距离I段，另一方面启动切换继电器KCW,对各段或各相有公用的阻抗继电器的距离保护装置，进行段别或相别切换。

2．测量回路:测量回路的l段和段，由公用阻抗继电器1、2KR组成，第段由测量阻抗继电器3KR组成。测量回路的作用是通过测量阻抗来判断短路点至保护安装地点之间的距离，判断故障处于哪一段保护范围。

3.逻辑回路:逻辑回路主要由门电路和时间电路构成。门电路包括与门(5、6、7、8、9)，非门(12)．禁止门(4)和或门(11、13)。时间电路由时间继电器IKT、2KT、3KT组成。逻辑回路的作用是对启动、测量回路送来的信号进行分析判断，作出正确的跳闸决定。第五页，共73页。第六页，共73页。第七页，共73页。三段式距离保护动作情况分析：（1）正常运行时，所有元件均无信号输出，保护装置不动作。(2)在I段保护区内发生短路时，出现负序电流，负序电流继电器KAN启动，I、、、段阻抗继电器1—3KR均启动，与门5、6动作，由于2KT、3KT时限大，首先由不带时限的I段保护通过禁止门4，与门7、信号继电器1KS和或门13去跳闸，而后将元件返回。(3)当在段保护区内发生短路时，KAN启动，3KR启动，但1KR、2KR不启动，只有经过0.1秒1kT动作后，一方面启动切换继电器KCW进行段别切换，一方而闭锁禁止门4。当动作阻抗定值切换到段后，1、2KR均动作，通过与门5、2KT，与门8、2KS、或门13去跳闸。第八页，共73页。(4)当在保护段保护范围内发生短路时，KAN启动，3KR启动，通过与门6动作，启动3KT，到达3KT整定时限时，通过与门9、3KS、或门13去跳闸。(5)当发生电压互感器二次回路断线时，或发生电力系统振荡时，可通过电压互感器二次断线闭锁元件2或振荡闭锁元件3经非门12闭锁保护，防止保护误动作。1KS、2KS、3KS为距离I、、段保护的信号元件，当相应段保护动作时，相应段的信号继电器动作，发出保护装置动作报警信号。三段式距离保护与三段式电流保护主要差别表现在以下三个方面：(1)测量元件采用阻抗元件，而不是电流元件。(2)增加了两个闭锁元件。(3)整套保护中每相均有启动元件，可以提高保护的可靠性。第九页，共73页。

第二节单相式阻抗继电器的动作特性及构成原理一、阻抗继电器的分类

1.阻抗继电器按其构造原理不同，分为电磁型、感应型、整流型、晶体管型、集成电路型和微机型：根据比较原理不同，可分为幅值比较式和相位比较式两大类，根据输入量的不同，分为单相式、多相补偿式阻抗继电器两大类。

2.单相式阻抗继电器只输入一个电压和一个电流,电压与电流的比值称为测量阻抗,即继电器动作决定于测量阻抗与整定阻抗相比较；继电器的整定阻抗是保护安装处至保护末端之间的模拟阻抗。当测量阻抗小于整定阻抗时，阻抗继电器KR动作；相反,KR不动作。

第十页，共73页。3.正常运行时，阻抗继电器的测量阻抗是负荷阻抗的二次值，即由于母线电压小大于母线残压,负荷电流小于短路电流,所以阻抗继电器不动作.第十一页，共73页。单相式阻抗继电器可用复数平面分析阻抗继电器的动作特性.如图线路端B端置于平面原点，并以线路阻抗角将线路AB、BC绘于复平面上，其长度按二次阻抗值绘制。距离I段阻抗继电器的整定阻,即,幅角为的直线BZ。当在被保护线路上发生短路时，阻抗继电器的正向测量阻抗在第1象限的直线Bc上变化；当在反方向非保护线路上短路时，继电器的测量阻抗在第3象限的直线BA上变化。当短路发生在线路BZ范围内，阻抗继电器的测量阻抗的末端落在以幅角为的BZ直线上，则阻抗继电器动作.为消除过渡电阻及互感器误差的影响。尽量简化继电器的接线，以便制造和调试，

将阻抗继电器动作范围扩大为一个圆，如图所示。圆1为方向阻抗继电器的动作特性圆，它是以整定阻抗z成为直径的圆；圆2为偏移特性阻抗继电器的特性圆，它是坐标原点在圆内的偏移圆，整定阻抗是圆直径中的一部分；圆3是全阻抗继电器特性圆，它是以整定阻抗z以为半径的圆。当测量阻抗位于圆内时，阻抗继电器动作，故圆内为动作区，当测量阻抗在圆外时．阻抗继电器不动作，故圆外为不动作区，当测量阻抗位于圆周上时．阻抗继电器处于临界状态。

第十二页，共73页。第十三页，共73页。二、比较两电气量幅值原理阻抗继电器的构成按比较两电气幅值原理构成的阻抗继电器的原理框图如图所示c测量电压和测量电流通过电压形成回路得出阻抗继电器的两个幅值比较电气量和,是动作量，是制动量，它们经整流滤波后接入幅值比较回路，由执行元件输出跳闸。继电器的动作方程为

第十四页，共73页。(一)方向阻抗继电器

1.动作特性:动作特性为一个圆,如图所示，园的直径为整定阻抗,其圆周经过原点，动作区在圆内。当正方向短路时，测量阻抗Zr在第1象限，如故障在保护范围内，Zr落在圆内，继电器动作。反方向短路时，测量阻抗在第3象限，继电器不动作。因此这种继电器具有方向性.第十五页，共73页。2.动作方程:3.方向阻抗继电器的动作阻抗方程:

4.将电流乘以上式两边得到方向阻抗继电器的动作电压方程:5.方向阻抗继电器幅值比较电压形成回路6.方向阻抗继电器的动作方程:7.电压形成回路输出的用于比较幅值的两电气量是

第十六页，共73页。8.整定阻抗:

方向阻抗继电器动作具有方向性，它不仅能测量阻抗的数值而且同时又能判别短路故障的方向，因此在距离保护中广泛作为测量元件。(二)偏移特性阻抗继电器

1.偏移特性阻抗继电器的动作特性如图6-7所示。它是由为直径的圆，坐标原点在圆内，正向整定阻抗,偏移第3象限的反向阻抗为—,圆内为动作区，特性圆半径为,圆心坐标。第十七页，共73页。6-7偏移特性阻抗继电器的动作特性第十八页，共73页。以电流Ir乘以上式两边，得出偏移特性阻抗圆继电器动作特性方程为将代入上式得电压动作方程：幅值比较形式的动作阻抗方程为：、第十九页，共73页。偏移特性阻抗继电器动作特性的偏移情况可用偏移度表示：动作量：制动量：故电压形成回路输出比较幅值两电气量分别为：其偏移度一般取10%~20%。第二十页，共73页。3.偏移特性阻抗继电器的比较幅值两电气量的电压形成回路，如图所示。第二十一页，共73页。第二十二页，共73页。

(三)全阻抗继电器1.全阻抗继电器动作特性如图所示，它是以整定阻抗为半径的圆，圆心在原点，动作区在圆内，测量阻抗在圆内任何象限时，继电器都能动作：它没有方向性，故称全阻抗继电器。2.幅值比较形式阻抗动作方程为3。以电流Ir乘以上式两边，得出全阻抗继电器动作方程为：第二十三页，共73页。故电压形成回路用于比较幅值的两电气量分别为：

动作量；制动量

上式表明：全阻抗继电器实质是比较两电压的幅值。其物理意义是：正常运行时，保护安装处测量到的电压是正常额定电压，电流是负荷电流，阻抗继电器不起动；在保护区内发生短路故障时，保护测量到的电压为残余电压，电流是短路电流，阻抗继电器起动。4。将代入上式得幅值比较的电压动作方程如下：第二十四页，共73页。

5.全阻抗继电器幅值比较两电气量及其电压形成回路如图第二十五页，共73页。三、比较两电气量相位原理的阻抗继电器的构成若已知比较幅值两电气量UA和UB，便可以由UA和UB转换为比较相位的两电气量UC和UD。根据幅值比较阻抗继电器动作条件，可得出比较相位的阻抗继电器的动作条件为：

电压形成回路相位比较回路执行元件输出图6-17相位比较原理阻抗继电器的构成框图第二十六页，共73页。（一）单相式阻抗继电器比较相位的两电气量及其电压形成回路

1。方向阻抗继电器将式(6—14)中两电气量代入可得比较相位的方向阻抗继电器的两电气量：将（6-48）（6-48），可得方向阻抗继电器的动作方程为第二十七页，共73页。Zset-ZrZset-ZrZset-ZrZrZrZr解释P140一段话，因为同学喜欢看书，这时看书学习这段话，有个总结和归纳。第二十八页，共73页。第二十九页，共73页。

2．偏移圆特性阻抗继电器

(1)将式(6—21)中两电气量代入式中可得出相位比较偏移特性阻抗继电器的相位比较式两电气量：

(2)偏移特性阻抗继电器动作方程：

第三十页，共73页。3、全阻抗继电器1.相位比较式全阻抗继电器两电气量2.全阻抗继电器的动作方程为：将和代入上式得：Rjx第三十一页，共73页。3.偏移特性阻抗继电器动作特性：4.电压形成回路原理接线图第三十二页，共73页。Rjx第三十三页，共73页。第三十四页，共73页。（4）比较式全阻抗继电器两电气量电压形成回路。第三十五页，共73页。继电器的测量阻抗，由加入继电器中电压与电流的比值确定，阻抗角就是电压和电流之间的相位差.

继电器的整定阻抗，一般取继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗作为整定阻抗。对全阻抗继电器而言，就是园的半径，对方向阻抗继电器而言、就是在最大灵敏角方向上的圆的直径，而对偏移特性阻抗继电器．则是在最大灵敏角方向上由原点到圆周上的长度；继电器的起动阻抗，它表示当继电器刚好动作时，加入继电器中电压与电流的比，除全阻抗继电器以外，是随着阻抗角的不同而改变的，在最大灵敏角时，起动阻抗的数值最大，等于整定阻抗。第三十六页，共73页。总结

1）测量阻抗是由加入阻抗继电器的测量电压与测量电流的比值所确定，测量阻抗角就是测量电压与测量电流之间的相位差。2）整定阻抗一般取保护安装处到保护区末端的线路阻抗作为整定阻抗。3）动作阻抗是使阻抗继电器起动的最大测量阻抗。方向、偏移阻抗继电器动作阻抗随阻抗角而变。4）当偏移度等于0时，为方向阻抗继电器；偏移度等于1时，为全阻抗继电器第三十七页，共73页。第三十八页，共73页。

（二）相位比较回路由相位比较电压形成回路获得两电气量后，进入相位比较回路。比相回路用来鉴别被比较电气量的相位，当满足式(6—43)时，比相回路有输出，继电器动作。下面介绍一种相位比较回路。1。脉冲比相回路第三十九页，共73页。由相位比较回路获得两电气量UC和UD后，进入相位比较回路。比相回路用来鉴别被比较电气量UC和UD的相位，满足式6-43时，即比相回路有输出，继电器动作。教材介绍了三种常见的相位比较回路，这里先介绍脉冲比相回路。其原理框图如下：（二）、相位比较回路

1、脉冲比相回路方波形成方波形成微分电路“与门”＆脉冲展宽UCU'Du1u2u3u4u5输出第四十页，共73页。脉冲比相回路波形分析UD′UCu1u2u3u4u5第四十一页，共73页。三、相位比较回路由于正脉冲u3是在UD′波形由负变正过零时出现，故从上述分析可知，u1与u3同时出现的现象在两电压uc和UD′在正半周相重叠的0°至180°范围内发生，这时比相回路动作，因此，比相回路动作方程为：为满足阻抗继电器的动作条件式（6-43），电压UD′应滞后比相电压UD90°，即

，因此，图6-24中UD′是比相电压UD经移相90°后的输出电压。方波形成方波形成微分电路“与门”＆脉冲展宽UCU'Du1u2u3u4u5输出第四十二页，共73页。四、方向阻抗继电器的插入电压及极化电压思考：对于方向阻抗继电器，当保护出口短路时，会不会有死区？为什么？对幅值比较的方向阻抗继电器，其动作条件为

对于相位比较的方向阻抗继电器，其动作条件为，无法进行比相，因而继电器也不动作。

,继电器不动作。当保护出口短路时：第四十三页，共73页。四、方向阻抗继电器的插入电压和极化电压

(一)插入电压及极化电压的作用：当在保护安装处正方向出口发生金属性短路时．其测量电压，幅值比较原理方向阻抗继电器的动作方程根据式(6-13）则动作量等于制动量，所以继电器不动作；对于相位比较原理的方向阻抗继电器其测量电压，则，失去进行相位比较的参考电压，因此方向阻抗继电器无法工作。从而出现方向阻抗继电器的死区；为减小和消除死区，常采用在动作量和制动量中各引入—个与同相位的极化电压或插入电压。所以，为减小和消除死区的方法主要有：

(1)采用记忆电路。图6—31(a)所示为记忆回路接线图，第四十四页，共73页。“记忆回路”的作用主要在于：当外加电压突然由正常运行时的数值降低到零时，该回路的电流不是突然消失，而是按50Hz的工频振荡，经几个周波的时间后，逐渐衰减到零，如图6-26。由于这个电流和故障以前的电压基本上同相位，故称为“记忆回路”。利用这个电流在电阻上的压降，即可进行幅值或相位的比较。如果正方向出口短路就可以消除死区而动作，如果反方向出口处短路就可以仍然不动作而保证其方向性。第四十五页，共73页。1.记忆回路思考：对于方向阻抗继电器，当保护出口短路时，采用什么措施消除死区？

对瞬时动作的距离I段方向阻抗继电器，采用记忆回路后，电压形成回路如下图。将电压回路作成是一个对50HZ工频交流的串联谐振回路。

结论：在电阻Rr上的压降与外加电压同相位，记忆电压（即）通过记忆变压器与同相位。第四十六页，共73页。引入记忆电压以后，幅值比较的动边条件为：

1.记忆回路

在出口短路时，极化电压在衰减到零之前存在，与同相位，故方向阻抗继电器消除了死区。第四十七页，共73页。（2）.引入非故障相电压思考：记忆回路只能保证方向阻抗继电器在暂态过程中正确动作，但它的作用时间有限。解决方法：引入非故障相电压。

第三相电压为C相，它通过高阻值的电阻R接到记忆回路中Cr和Rr的连接点上。正常时：电压较高且Lr、Cr处于工频谐振状态，而R值又很大，第三相电压基本上不起作用。第四十八页，共73页。当引入插入电压后，幅值比较方向阻抗继电器动作方程可表示为：所以，可以动作，消除死区。第四十九页，共73页。在继电器相位比较电气量中引人与同相位的带有记忆作用的极化电压后，相位比较原理方向阻抗继电器的动作方程为

此处不分析第五十页，共73页。2.引入第三相电压

思考：记忆回路只能保证方向阻抗继电器在暂态过程中正确动作，但它的作用时间有限。解决方法：引入非故障相电压。

第三相电压为C相，它通过高阻值的电阻R接到记忆回路中Cr和Rr的连接点上。正常时：电压较高且Lr、Cr处于工频谐振状态，而R值又很大，第三相电压基本上不起作用。第五十一页，共73页。当系统中AB相发生突然短路时：

2.引入第三相电压

第五十二页，共73页。结论：超前近90º，电阻Rr上电压降超前90º，即极化电压与故障前电压同相位。因此，当出口两相短路时，第三相电压可以保证方向阻抗继电器正确动作，即能消除死区。2．引入第三相电压

第五十三页，共73页。

五、阻抗继电器的主要技术指标

实际上方向阻抗继电器的临界动作方程为:假设上式中各向量均为同相位，则上列方程可写为（6-69）由上式令Ur=0,Zop.r=0可得继电器最小动作电流Iop.min为：Iop.min=U0/KI精工电流和精工电压

第五十四页，共73页。考虑U0的影响后，给出的关系曲线如下图所示。

当加入继电器的电流较小时，继电器的动作阻抗将下降，使阻抗继电器的实际保护范围缩短。这将影响到与相邻线路阻抗元件的配合，甚至引起非选择性动作。为了把动作阻抗的误差限制在一定的范围内，规定了精工电流。

四、阻抗继电器的精工电流和精工电压

为了使阻抗元件保护范围(整定阻抗)的误差不至于太大，规定了加入阻抗元件的电流必须使保护范围不超过10％。当阻抗元件动作阻抗时，使时所对应的最小测量电流称为阻抗元件的最小精确工作电流(简称精工电流)，用表示。使时的最大测量电流称为最大精确工作电流，用表示。第五十五页，共73页。在继电器通以精工电流的条件下，其动作方程：代入上式

将结论：精工电流与反应元件的灵敏性（U０）及电抗变换器的整定阻抗有关。

四、阻抗继电器的精工电流和精工电压

得：同理可得：第五十六页，共73页。

为了便于衡量阻抗继电器的灵敏度，有时应用精工电压作为继电器的质量指标。精工电压：就是精工电流和整定阻抗的乘积，即结论：它不随继电器的整定阻抗而变，对某指定的继电器而言，它是常数。在整定阻抗一定的情况下，U0越小，Iac.min越小，即Uac越小，继电器性能越好。

四、阻抗继电器的精工电流和精工电压第五十七页，共73页。第三节阻抗继电器的接线方式一、对阻抗继电器接线方式的要求阻抗继电器的接线方式是指接入阻抗继电器的一定相别电压和一定相别电流的组合。不问的接线方式将影响继电器端子的测量阻抗，因此，阻抗继电器的接线方式必须满足下列要求：

(1)阻抗继电器的测量阻抗应与保护安装地点到短路点的距离成正比，而与电网的运行方式无关‘

(2)阻抗继电器的测量阻抗应与短路类型无关，即保护范围不随故障类型改变而改变，以保证在不同类型故障时，保护装置都能正确动作。

第五十八页，共73页。常用的接线方式有两种，一种是反应相间短路故障的接线方式，它在各种相间短路情况下能满足上述要求：另一种是反应接地故障的接线方式，它在各类接地故障时和三相接地短路情况下能满足上述要求。二、反应相同短路故障的阻抗继电器的接线（一）阻抗继电器的接线方式采用线电压和两相电流差的接线方式，也称为接线方式，接入继电器的电压和电流如表6-2所示。第五十九页，共73页。

阻抗继电器常用的接线方式有四类，如下表所示。表中“Δ”表示按相间电压或相电流差，“Y”表示按相电压或相电流。１、０°接线方式；２、３０°接线方式；３、反应接地故障的接线方