电力系统继电保护原理第三章-电网的距离保护.ppt

1、主讲人：肖仕武 电力工程系四方研究所 Office: 教五B309,North China Electric Power University,第 三 章 电网的距离保护,第三章 电网的距离保护,一、距离保护的作用原理 二、阻抗继电器 三、阻抗继电器的接线方式 四、集成电路型方向阻抗继电器的接线和特性分析 五、距离保护的整定原则及对距离保护的评价 六、影响距离保护正确工作的因素及防止方法,第一节 距离保护作用原理,一、距离保护的基本概念,电流保护：反映故障电流大小。 简单、经济、接线可靠； 受运行方式的影响，很难保证选择性、灵敏性、快速性。 距离保护：反应故障点至保护安装点之间的距离（或阻抗）

2、，并根 据距离的远近而确定动作时间。是反应测量阻抗降低而动 作的阻抗保护。 阻抗继电器：输入为电压（UJ）、电流（IJ）， 测量阻抗ZJ（保护安装点至短路点之间的阻抗）。,距离保护的基本概念,距离保护是反应测量阻抗变化的阻抗保护。,测量阻抗 是复数。,是保护安装处至短路故障处之间线路的阻抗。,设线路单位长度阻抗为,二、距离保护的时限特性 t = f ( l ),短路点距离保护安装点近时， 小，动作时间短； 短路点距离保护安装点远时， 大，动作时间长； 阶梯型时限特性，距离I、II、III段。,距离段：,（1）保护本线路全长的8085； （2）瞬时动作，即动作时限为0s。,距离段：,（1）保护本

3、线路全长，但不超过下一条线路距离段的保护范围； （2）延时t动作，一般动作时限为0.5s。,距离段：,（1）保护本线路全长，下一级线路全长，甚至更远； （2）延时动作，一般动作时限为：,三、距离保护的主要组成元件,起动元件构成：过电流继电器、低阻抗继电器、 反映负序、零序电流的继电器。,三段式距离保护的组成元件和逻辑框图,第二节 阻抗继电器,阻抗继电器：计算保护安装点至短路点之间的测量阻抗，与 整定阻抗比较，确定保护是否应该动作。 是距离保护中的核心元件。,阻抗是复数，是向量，既有大小（幅值），也有方向（相位）,是电流互感器TA的变比；,是电压互感器TV的变比；,阻抗继电器的测量阻抗可以在 阻

4、抗复平面图上进行表示。,测量阻抗 是阻抗复平面图上的一个向量。,三种阻抗动作区： 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,阻抗继电器的动作特性,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,二、复平面分析圆或直线特性的阻抗继电器 1. 全阻抗继电器,动作特性：阻抗动作区是一个以原点为圆心、 为半径的圆。即唯一取决于短路点到保护安装处的阻抗大小（幅值），与测量阻抗的阻抗角无关，也与短路发生在保护安装处的正向或反向无关。,缺点：无方向性，即反方向短路

5、故障时也可能动作。,是整定阻抗。,动作方程： （1）比幅式 （2）比相式,阻抗形式：,电压形式：,阻抗形式：,电压形式：,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：,，或,平行四边型法则：,成立条件： （1）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和谐波分量不成立。,2. 方向阻抗继电器,动作特性：阻抗动作区是以 为直径，以 为圆心的圆。动作区的圆弧经过原点。,方向阻抗继电器的阻抗动作区主要位于第一象限。,方向阻抗继电器具有方向性。当线路正向故障时，测量阻抗位于阻抗复平面图上的第一象限。如果线路反向故障时，测量阻抗位于阻抗

6、复平面图上的第三象限。,阻抗形式：,电压形式：,（1）比幅式动作方程,（2）比相式动作方程,阻抗形式：,电压形式：,3. 偏移特性阻抗继电器,阻抗动作区是一个以 为圆心，以 为半径的圆。该动作区圆偏向第三象限。,是介于01之间的实数。,阻抗动作圆的直径为：,可以把方向阻抗继电器和全阻抗继电器看成是偏移特性阻抗继电器的两个特例。 （1）全阻抗继电器： 即当 （2）方向阻抗继电器： 即当,（2）比相式动作方程,阻抗形式：,（1）比幅式动作方程,电压形式：,阻抗形式：,电压形式：,其中，极化电压为,，补偿电压为,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

7、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。,三、阻抗继电器交流回路原理接线,以偏移特性阻抗继电器为例，说明其实现硬件原理。,偏移特性阻抗继电器动作方程：,（2）比相式动作方程,阻抗形式：,（1）比幅式动作方程,电压形式：,阻抗形式：,电压形式：,电磁式阻抗继电器更容易实现电压形式的动作方程。,电压形式：,电压形式：,（1）比幅式动作方程,（2）比相式动作方程,实现过程： （1）得到加入继电器电流 在某一已知阻抗上的压降

8、； （2）电压的加和减，并求模值 （3）最后进行比幅或比相，确定是否动作。,1. 电抗互感器DKB的工作原理,电抗互感器DKB的作用是把电流互感器二次电流变换成与之成正比的电压，即 ，同时也起到将继电保护回路与电流互感器二次隔离以降低干扰的作用。,电抗互感器DKB的输出 和输入 之间的关系为：,式中Z 取决于DKB本身的励磁阻抗 和次级绕组外接电阻R。,1、电抗互感器次级开路时的原理分析,电抗互感器的铁心中有空气隙，使得初级绕组1和次级绕组2、3间的互感系数M接近常数。,可实现,，次级开路时 的阻抗角不可调。,2、电抗互感器次级W3侧接有电阻性负载时的原理分析,通过在电抗互感器DKB二次侧绕组

9、W3上接入不同的电阻，实现调整模拟阻抗角Z 的不同。,式中Z 取决于DKB本身的励磁阻抗 和次级绕组外接电阻R。,2. 阻抗继电器的交流回路原理接线,实现电压动作方程中各电压的加和减。,四、幅值比较回路,Uab=Ua-Ub0 动作 Iab=Ia-Ib0 动作 整流电路： 极化继电器J：直流型继电器。 具有电流单方向动作的继电器。 流过反方向电流时不动作。,五、相位比较回路,1.测量瞬时值同时为正或同时为负的与门比相电路,测量两C、D同时为正或负的持续时间。,则波形C和D中，一个周波内（即20ms内）瞬时值同时为正或同时为负的时间大于等于10ms。 或半个周波内（即10ms内）瞬时值同时为正或同

10、时为负的时间大于等于5ms。,2.测量瞬时值为一正一负的异或门比相回路,测量C、D一为正、一为负的持续时间,3.脉冲式比相回路,4.过渡过程对相位比较式继电器的影响 暂态超越：短路暂态过程中的非周期分量使保护超范围 动作的情况。即保护范围外故障时可能误动。 最大灵敏角下： 5。 措施：（1）对极化电压和补偿电压进行滤波； （2）正负半周比相、与门输出。,六、四边型特性阻抗继电器,A-O-C: 功率方向继电器，动作范围180； AB：电抗型阻抗继电器，倾斜5 7，防止超越； BC：电阻型阻抗继电器，倾斜 70，,微机距离保护中阻抗元件的多边形动作特性,图中第二象限的边界线倾斜15，是为了保证线路

11、发生金属性短路故障时保护可靠动作，该边界长度由保护区X定值决定；为了克服线路末端故障过渡电阻的影响，使多边形与实轴相交4560；值的选择条件应以躲开线路末端故障的越线现象为准。,一、对接线方式的基本要求一 1. ZJl(保护至短路点的距离) 2. ZJ 与故障类型无关,第三节 阻抗继电器的接线方式,阻抗继电器的接线方式,阻抗继电器的接线方式是继电器电流、电压的选取方式。 阻抗继电器的接线方式主要有两种： 1、0 接线方式，反应相间短路故障； 2、相电压和具有K3I0补偿的相电流接线，反应接地短路故障。,二、相间短路阻抗继电器的0接线方式,1. 三相短路, 相间短路电流保护不能满足要求时，采用相

12、间短路距离保护。,结论：J1、 J2、J3的测量阻抗均能正确反映短路点到保护 安装地点之间的线路阻抗，均能正确动作。,0 接线方式的3个阻抗继电器为：,2. 两相短路（AB）,3. 两相接地短路,三、接地短路阻抗继电器的接线方式, 零序电流保护不能满足要求时，考虑采用接地距离保护。,相电压和具有K3I0补偿的相电流接线方式的3个阻抗继电器为：,可以反映单相接地短路、两相接地短路、三相短路故障。 特别是用来正确反映单相接地短路故障。,单相接地短路故障分析,其中，,阻抗继电器：,1. 单相接地短路（A）,3. 三相短路,2. 两相接地短路（AB）,；,结论：各故障相的阻抗继电器的测量阻抗均能正确动

13、作； 在每个保护安装地点需要装设三个接于不同相的阻 抗继电器，以反应不同相的接地短路。,第四节 集成电路型方向阻抗继电器的接线和特性分析,一、方向阻抗继电器的死区及消除死区的方法 方向阻抗继电器的死区：当保护安装处正向附近短路故障时，由于阻抗继电器的输入电压 为零，因而会造成方向阻抗继电器拒动。 对于相位比较形式的方向阻抗继电器，当输入电压 时， ，则方向阻抗继电器无法 判断 的相位，从而导致拒动。,1.记忆回路,模拟的记忆回路：一个串联谐振回路。 回路的自由振荡角频率为： 对于快速动作的继电器，可以选择以下振荡角频率：,方向阻抗继电器的死区消除的方法,利用故障前的电压相位来代替故障后的电压相

14、位。,电磁型阻抗继电器是采用模拟记忆回路来实现用故障前的电压相位来代替故障后的电压相位。,方向阻抗继电器的死区消除的方法,2. 高Q值50Hz带通有源滤波器,利用带通有源滤波器响应特性的时间延迟作用，也能够起到记忆故障前电压相位的作用。,3. 引入非故障相电压,直接利用或部分利用非故障相的电压来消除两相短路时的死区。如AB相间短路的0 接线阻抗继电器，在电压回路中引入第三相电压UC后，就可以克服近处相间短路的死区问题。,其中，,这种方法不能消除三相短路时的死区。,二 极化回路记忆作用对继电器动作特性的影响,1. 正方向发生故障分析（用故障前电压相位代替故障后）,正方向上经过渡电阻 接地故障，则

15、有,，系统电源电压为：,所以,，则,正方向发生故障分析,方向阻抗继电器动作方程：,用故障前电压代替故障后的电压后动作方程为：,，其中 是故障前电压。,所以可得：,因为正常时 ，所以,2. 反方向发生故障（用故障前电压相位代替故障后）,用故障前电压相位代替故障后电压相位后的动作方程为：,三、 阻抗继电器的精确工作电流,对于幅值比较式全阻抗继电器，其理想的动作方程为：,或,令：,，则有,但实际的幅值比较式全阻抗继电器的动作方程为：,下面对实际的幅值比较式全阻抗继电器性能进行分析。,当满足 时，,动作方程变换为：,，即,阻抗继电器的精确工作电流,经过变换后，实际比幅式全阻抗继电器动作方程为：,则继电

16、器的实际起动阻抗为：,由上式可见，当加入阻抗继电器电流较小时，继电器的起动阻抗将下降，使阻抗继电器实际保护范围缩短。,精确动作电流（精工电流）：当 时，继电器的起 动阻抗 ，即比整定阻抗缩小了10%。,第五节 距离保护的整定原则及对距离保护的评价,整定阻抗：,动作时限：,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。,1、距离段,2、距离段,整定阻抗：,动作时限：,其中， 是最小分支系数。,距离段能够保护本线路全长及下级线路首端一部分。,，可靠系数,（1）与相邻距离保护第段配合，并考虑分支系数； （2）躲开线路末端变压器低压侧出口短路时的阻抗值，

17、考虑分支系数。,最终整定阻抗取（1）（2）中的最小者。,距离段的灵敏度校验：,3.距离段,动作时限：,，能够保护本线路全长、下级线路全长及更远。,整定阻抗：,对距离保护的评价,（1）比电流保护具有更高的选择性，在多电源复杂网络中保证有选择性动作。 （2）较电流保护具有更高的灵敏性。距离保护不但反应故障时电流增大，同时反应故障时电压降低，因此灵敏度高。,优点：,（1）距离段是瞬时动作，只能保护线路全长的8085%。 （2）距离保护受系统振荡、短路点过渡电阻、电压回路断线等因素的影响。,缺点：,第六节 影响距离保护正确工作的因素,一、短路点过渡电阻的影响 1. 短路点过渡电阻的性质 电弧电阻、中间

18、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。 Rg1050 lg / Rg 接地短路：500KV 300 220KV 100,影响： （1）使测量阻抗增大，保护范围缩短； （2）对保护装置距离短路点越近，受到的影响越大， 可能导致保护无选择性动作； （3）线路越短，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,（1）为负时，测量阻抗电抗部分减小，保护可能无选择性动作。 （2） 为正时，测量阻抗电抗部分增大，保护可能拒动。,4. 防止过渡电阻的方法,1）利用瞬时测量装置 2）改善阻抗继电器的动

19、作特性,采用多边形的阻抗动作区。,图中第二象限的边界线倾斜15，是为了保证线路发生金属性短路故障时保护可靠动作，该边界长度由保护区X定值决定；为了克服线路末端故障过渡电阻的影响，使多边形与实轴相交4560；值的选择条件应以躲开线路末端故障的越线现象为准。,三、振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路,振荡原因：（1）输电线输送功率过大，超过静稳极限；,振荡：两侧电力系统失去同步，即两侧电气量的频率不 相等， 。,振荡产生的原因： （1）电力系统故障（如发电机调速系统故障、线路故障）； （2）发电机失磁或欠励； （3）短路故障切除缓慢； （4）非同期自动重合闸。,是左侧发电机电动势相量与右侧系统电动势

20、相量的相角差。,振荡电流 ，随 而变化。,发电机侧母线电压 的大小也 随 而变化。 在以上相量图中，F、A、B、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。,在近似计算中，假定h=1,保护安装地点不同时：,m=1/2时，Z 保护安装点； m1/2时，Z 保护背后； m1/2时， Z 保护正方向。,不同特性阻抗继电器受振荡影响的程度：,1. 透镜型阻抗继电器 2. 方向

21、阻抗继电器 3. 全阻抗继电器 动作特性在OO方向上所占面积越大，越容易受到振荡的影响。 距离三段可通过延时躲开振荡的影响（1.5s） 。,保护不同安装地点受振荡的影响：, 振荡中心越靠近保护保护安装地点，受振荡影响越大； 振荡中心位于保护范围以外或反方向时，振荡时不会误动。,振荡闭锁回路目的：振荡时将保护闭锁,U、I均周期性变化，变化速度慢 任一点电压和电流的相位均在变化 对称，没有负序或零序分量,（1）系统振荡与短路的区别,（2）对振荡闭锁回路的要求：,系统发生振荡而没有故障时应可靠地将保护闭锁， 且振荡不停息，闭锁不应解除。 系统发生各种类型的故障(包括转换性故障)保护应 不被闭锁而能可靠地动作。 振荡的过程中发生故障时，保护应能正确地动作。 先故障后又发生振荡时保护不致无选择性的动作。,5. 振荡闭锁回路,1）反应测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路, ZIII、ZII、ZI同时动作时，允许ZI