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

一、根本概念

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。

Zvd=Zd=*〈Zf旦,反映故障点到保护安装处的距离一一距离保护，它根本上不说系

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：Z]=（0.8〜0.85）ZM，瞬时动作主保护

A

n段：ZW=K?（ZAB,ZQ,”，

HI段：躲最小负荷阻阶梯时限特性。--------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：指参加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。

Z]=———测量阻抗

Ij

Z产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：参加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

5

Z_Uj_"PT以B

n

IJhPT

C线路距离I段内发生单相接地故障，及在图

中阴影内。

由于1）线路参数是分布的，Wd有差异

2）CT,PT有误差

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。

R1：以。d为半径一一全阻抗维电器（反方向故障时，会误动，没有方向性）

12：以od为直径一一方向阻抗继电器（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：幅值比拟原理UA>UB

相位比拟原理一90°<arg—<90,

UD

特性：以保护安装点为圆心（坐标原点），以

为半径的圆。圆内为动作区。

Z一一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。

无论甲d多大，=它没有方向性。

1.幅值比拟原理：

两变同乘〃，且/JZJ=U八所以u./<IjZ.d,

这也就是动作方程。

2.相位比拟原理

分子分母同乘以L，

（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。

Z随叫改变而改变，当

切等于Zzd的阻抗角时，Z最大，即保护范围最大，

工作最灵敏。

——最大灵敏角，它本身具有方向性。

1.幅值比拟原理：

2.相位比拟原理：

（三）偏移特性阻抗继电器

正方向：整理阻抗ZH

反方向：偏移-aZz”a<l）

圆内动作。圆心

半径：2（l+a）Z〃

2

Z随明变化而变化，但没有平安的方向性。

1.幅值比拟原理

2.相位比拟原理

总结三:和阻抗的意义：

I）测量阻抗Zj：由参加继电器的电压Uj与电流Ij的比值确定.

2）整定阻抗Zzd：•般取继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗。

全阻抗继电器：圆的半径

方向阻抗继电器：在最大灵敏角方向上圆的直径

偏移特性阻抗继电器：在最大灵敏角方向上由原点到圆周的长度。

3）起动阻抗（动作阻抗）Z：它表示当继电器刚好动作时，参加继电器的电压Uj和电流

L的比值。

除全阻抗继电器以外：Z随叫的不同而改变。当中尸叫m时，Z=Zzd,此时最大。

三、阻抗继电器的构成

上要由两大根本局部组成；电压形成路和幅值比拟或相位比拟回路。

UA、

UB、UC、

UD根本上

是由Uj和

LZ«i组合

而成。而

交流回路交流回路Uj可直接

从PT二次

侧取得，必

要时经YB变换。而IjZ,d那么经过DKB获得。

（一）方向阻抗继电器交流回路的原理接线

其它的继电器的交流回路的组成，可参照此图自行

作成。

（二）幅值比拟回路

将UA和UB分别整流后进行幅值比拟,有两种类型:

I.均压式

UA

整

流

后

在

Ri

上

产

生

Ua,

UB整流后在R2上产生Ub。

继电器反响Uab=U「Ub而动作。

2.环流式

UA整流后在K回路产生la,

UB整流后在R>回路产生Ib<>

继电器反响Ia」b而动作。

（三）相位比拟回路

它是以测定Uc和UD同时为正的时间来判断它

心=3=&>Z(ZJ3>Z}ld均不动

IB+k3I0k3Io

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•步分析之。

一、方向阻抗继电器的死区和去除方法

（-）产生死区的原因

在保护正方向出口发生相间短路时，5=0,继电器不动作。发生这种情况的一定范围，就称为“死

区二

1.幅值比拟式

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.相位比拟式

因为Uj=O,无法比相，所以继电器不动。

（-）消除死区的方法

引入极化电压UP，要求如下：

1）与Uj同相位

2）出II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。

因为wL=l/wc,电路呈纯阻性，所以当

出口短路时，Uj=0o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小变。

这就相当于把原先的电压记忆下来，故称为

“记忆回路”。

2.引入非故障电压

Rs(30K~82K)

正常运行时，UAB较大，Rs又很大。IR

主要由UAB产生，第三相电压根本上不起作用。

当AB相间短路时，UAB=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。

因为二(很大)»(R-JX)//JXL,所以Is与UAC同

相位。

见左边向量图，Up与UAB(EAB)同相位

所以出口两相短路时，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

带通有源流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到达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。继电器特性那么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)幅值比拟式

3

B

当临界动作时，阳=同同=忸’|

所以引入Up不改变继电器的静态特性。

而当正方向出口短路时，Uj=o

«+能满足，故能消除死区，且能防止反方向出口短路时误动。

(2)相位比拟式

因为Up与Uj同相位，所以arg--------2——=arg----------工一

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=0,而因而

继电器能够正确判别方向，即能消除死区。

2.初态特性(设"5=1)

(1)正方向短路时：空载

其动作特性是以Zzd，・Zs末端连线为直径的圆。

结论：I)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，有利于躲过渡电阻的影响。

3)正方向的保护范围不变。

(2)反方向短路时

其动作特性是ZdZo末端的连线为直径的圆。

结论：在反方向短路时，继电器有明确的方向性。

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z7来反映故障点的位

置,即Uj与人的比值，其动作特性心力在理想

条件下是常数，也就是说与。无关。

例：全阻抗继电器（整流型）

IjK

理想临界动作条件：KJj-KuUj=0.即2小,=T~=U=Zm

K“

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：

由此可见，Z1力与U。,〃有关（UoJ，/jT，zd」二Zj）

Zg,=/（//）的关系曲线可绘制如下列图

由图可见，当。较小时，Z/R将比整定阻抗Z”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J=/（//）曲线，为了把动作阻抗Zd"与整定阻抗的差距限制在

一定的范围内，规定/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Zd_jZ〃）

时，参加阻抗继电器的电流。记做/公。

7-7

当保护范围末端短路时，乙应大于或等于/八总，才能保证*~~—<10%,此误差在选择可

Zzd

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：

①.短路点的过渡电阻；

②.电力系统振荡；

③.保护安装处与故障点之间有分支电路；

④.CT,PT的误差；

⑤.PT二次回路断线；

⑥.串连补偿电容。

本节着重讨论①,②两因素的影响及相应的措施。

短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：

d⑶,d⑵-------电弧电阻

⑴-------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。

I..'

其中Z,为附加阻抗，Zf=dR/a,a为入超前人的角度

II

讨论：①=0,单侧电源网络

Id=I^Z,=R纯电阻性Zj增大

JA

②./dwO.双侧电源网络

受电侧a>0,Zz电阻电感性Zz电抗局部增大

送电侧a<0,Zy电阻电容性Z§电抗局部减小

2.单侧电源网络中过渡电阻的影响

BC线路出口经凡短路

当人较大，Z”超出其I段范围而落入II段范围内，而Z〃仍在II段的保护范围内，那么保护1和2

将同时以第n段时限动作，造成保护误动。

小结：①.短路点距保护安装处越近，影响越大，反之影响越小；

②.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线路出口经人短路

M侧为送电侧

①.保护3：正方向出口短路，a<0,Z/3落在第四象限，拒动

②.保护2：反方向出口短路，Z」3落在第二象限，误动

③.保护1：区外短路，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）.减小过渡电阻的措施：

两种措施：

①.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1参看P105.图3

-58)

②.采用瞬时测量装置：

凡8%«——电弧长度，I,——电弧电流)

1g

短路初瞬，9较小，，c*较大(有非周期分A量)，所以此很小；0.1〜A0.15Ss后，。拉长，减小(非周

期分量衰减)，所以《增大。

距离1段：I小于40ms,艮小，可以忽略不计

距离n段：t为0.5”或很长，应采取措施。

距离HI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：I【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①自保

持。而当R,,T,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②去跳闸。

24

d点短路，保护3的I段动作于跳闸，保护5II段跳。

对保护1,因d点在其第n段保护范围内，起动元件和II段测量元件动作，假设采用瞬时测量，那么会

误动。所以只在单回线辐射形电网中的距离II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。但通常系统振荡假设

干周期后，多数情况下能自行恢复同步，假设此时保护误动，势必造成不良后果，因而使不允许的。

(-).系统振荡使，电压，电流的变化规律

几点假设：①.全相振荡时，系统三相对称，故可只取一相分析；

②.两侧电源电势Ew和EN电势相等，相角差为6(0°360°)

③.系统中各元件阻抗角均相等，以为表示

不考虑负荷电流的影响，不考虑振荡同时发生短路。

士比-EM-ENEMQT%2EM.3

电流：I=--------------------=-----------------=--------sin—

Z"+Z,+Z1VZvZv2

振荡电流的有效值随5变化（包络线）

电压：UM=EM-IZM

系统中总有一点的电压为最低，其值为由。向EW-EN相量所做的垂线的长度，该点那么称为振

荡中心，以z表示。

Zv

当EM=EN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」

2

处）。

当5=180。时，Uz=0,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

储加I7UMEM-IZMEM7

J//I-，

,a2

因为1一〃'=---------（参看P108）

乙

3=18O,c*=（），Zj=g—ZM

d=360：agS=8,Z/=佟一Z,w）十）5"8

可见，当3变化，Zj幅值变化，阻抗角亦变化。

注：（等-Z,w）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机-d，方向阻抗继

电器误动的相角&一占2。

因为T=0.25〜2.5之间，所以以Nl.5s就可躲振荡的影响

小结：①.在相同定值下，全阻抗继电器所受（振荡）影响大

②.当保护安装点越靠近振荡中心，受影响越大

指施：①.延长保护％置的动作时间（如距离in段）

②.把定值压低，使振荡中心位于特性圆外

③.增设振荡闭锁回路。

（四）.振荡闭锁回路

i.根本要求：

①.当系统只发生振荡而无故障时，应可靠闭锁保护；

②.区外故障而引起系统振荡时，应可靠闭锁保护

③.区内故障，不管系统是否振荡，都不应闭锁保护。

根据上述根本要求，振荡闭锁回路目前主要采用两种原理：

①.利用短路时出现负序分量而振荡时无负序分量的原理

②.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

①.当系统只