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第六章电网的距离保护
第一节 距离保护的基本工作原理一、距离保护的基本概念思考：电流、电压保护的主要优点是简单、可靠、经 济，但是，对于容量大、电压高或结构复杂的网络， 它们难于满足电网对保护的要求。电流、电压保护一 般 只 适 用 于 35kV 及 以 下 电 压 等 级 的 配 电 网 。 对 于 110kV及以上电压等级的复杂网，线路保护采用何种保 护方式
？解决方法：采用一种新的保护方式――距离保护。一、距离保护的基本概念距离保护：是反应保护安装处至故障点的距离，并根据 距离的远近而确定动作时限的一种保护装置。 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大小，故有时又称之为阻 抗保护。A B 1 2 Id Zd d(3) Ud=0 C图1―1单侧电源线路一、距离保护的基本概念距离保护也有一个保护范围，短路发生在这一范围 内，保护动作，否则不动作，这个保护范围通常只用给 定阻抗的大小来实现的。 正常运行时保护安装处测量到的线路阻抗为负荷阻抗，即 ? U m Zm= ? I AmB 1 2Id Zdd(3) Ud=0C图1―1单侧电源线路一、距离保护的基本概念在被保护线路任一点发生故障时，测量阻抗为保护 安装地点到短路点的短路阻抗，即? ? U U m Zm ? ? res ? Z d ? ? I I m d距离保护反应的信息量比反应单一物理量的电流保 护灵敏度高。二、时限特性距离保护的动作时间t与保护安装处到故障点之间的距离l的关 系称为距离保护的时限特性，目前获得广泛应用的是三阶梯型时限 特性。特点：故障点距保护安装处越近时，保护的 动作时限就越短；反之，故障点距保护安装 处越远时，保护的动作时限就越长。故障点总是由离故障点近的保护首先动作切 除，从而保证了在任何形状的电网中，故障 线路都能有选择性的被切除。三、距离保护的组成1．起动元件: 其主要作用是在发生故障的瞬间起动整套保护。 采用的是过电流继电器或者阻抗继电器。 2．方向元件: 作用是测量短路点到保护安装处的距离（即测量 阻抗），一般采用阻抗继电器。 作用是保证保护动作的方向性。采用单独的方向继 3．距离元件 ： 电器，或方向元件和阻抗元件相结合。 4．时间元件 ： 作用是根据预定的时限特性确定动作的时限，以 保证保护动作的选择性，一般采用时间继电器。 3ZⅠ1 起动 元件 22 4 方向 元件 ZⅡ 6 ZⅢ tⅢ tⅡ 7 5 出口 元件 8 跳闸图3―2 距离保护原理的组成元件框图三、距离保护的组成正常运行时:起动元件1不起动，保护装置处于被闭锁状态。 正方向发生故障时:起动元件1和方向元件2动作，距离保护 投入工作。 如果故障点位于第Ⅰ段保护范围内， …… 如果故障点位于距离Ⅰ段之外的距离Ⅱ段保护范围内，…… 如果故障点位于距离Ⅱ段之外的距离Ⅲ段保护范围内，……3 ZⅠ 1 起动 元件 22 4 方向 元件 ZⅡ 6 ZⅢ tⅢ tⅡ 7 5 出口 元件 8 跳闸图3―2 距离保护原理的组成元件框图
距离保护核心元件阻抗继电器 测量故障点至保护 安装处的距离。方向阻抗继电器不仅能测量阻抗的大小， 而且还应能测量出故障点的方向。 原理：测量故障点至保护安装处的阻抗，实际 上是测量故障点至保护安装处的线路距离。第二节 阻抗继电器阻抗继电器主要作用是测量短路点到保护安装处之间的距离，并与整 定阻抗值进行比较，以确定保护是否应该动作。继电器的测量阻抗：指加入继电器的电压和电流的比值，即? U m Zm= ? ImZm可以写成R+jX的复数形式，所以可以利用复数平面来 分析继电器的动作特性，并用一定的几何图形把它表示出来。第二节阻抗继电器以下图中线路BC的距离保护第Ⅰ段为例来进行说明。其整 ? ? 0.85Z BC ，并假设整定阻抗角与线路阻抗角相等。 定阻抗 Zset第二节阻抗继电器正方向短路时：测量阻抗在第一象限，正向测量阻抗Zm与 R轴的夹角为线路的阻抗角?d； 反方向短路时：测量阻抗在第三象限。如果测量阻抗的相 I 量，落在 Z set 向量以内，则阻抗继电器动作；反之，阻抗 继电器不动作。第二节阻抗继电器阻抗继电器的动作特性为一个圆。如下图所示的 阻抗继电器的动作特性为方向特性圆，圆内为动作区， 圆外为非动作区。一、具有圆动作特性的阻抗继电器（一）特性分析及电压形成回路1．全阻抗继电器 （1）幅值比较 全阻抗继电器的动作特性是以整定阻抗为半径，以坐标 原点为圆心的一个圆，动作区在圆内。没有方向性。全阻抗 继电器的动作与边界条件为 ：Z set ? Z m或? ?Z I ? Z set I m m m一、具有圆动作特性的阻抗继电器（一）特性分析及电压形成回路 比较两电压量幅值的全 阻抗继电器的电压形成回路 如右图所示。全阻抗继电器 动作方程为 ? I ? ? K I m ? KU U m? 动作量 ? ?制动量 ? ?K ? I ? U A I m ? ?K U ? UB Um幅值比较的继电器的动作方程 为： ? ?U ? UA B（2）相位比较 继电器的动作边界条件为:Z set ? Z m ? 90 ? arg ? ? ? 90? Z set ? Z m?（2）相位比较 分子分母同乘以测量电流得? ?Z I ? Z set I m m m ? 90 ? arg ? 90? ? I ? ? Z set m ? Z m I m?令? ?K ? I ? ? ?U c I m ? KU U m ?? ? ? ? ?U D ? K I I m ? KU U m故相位比较的动作方程为? U ? 90 ? arg C ? ? ? 90? ? U? D2．方向阻抗继电器（1）幅值比较方向阻抗继电器的动作特性为一个圆，圆的直径为整 定阻抗，圆周通过坐标原点，动作区在圆内。这种继电器 的动作具有方向性，阻抗动作方程为Z m ? Z set cos(? L ? ? m ) 幅值比较的动作与边界条件为1 1 Z set ? Z m ? Z set 2 22．方向阻抗继电器 （1）幅值比较 分子分母同乘以测量电流得1 ? ?U ? ?1I ? Z Z set I m m m set 2 2 | 1 ? ? ? ?1K I ? K I I m ? KUU m I m 2 2故幅值比较的动作方程可写成? ? ? 1K ? I ? 动作量 U A I m ? 2 ? ? ?1K ? I ? ?制动量 U B ? KUU m I m ? 2? ?U ? U A B（2）相位比较相位比较的方向阻抗继电器动作特性如下图所示： 其动作与边界条件为? 90? ? arg Z set ? Z m ? ? ? 90? Zm3．偏移特性阻抗继电器（1）幅值比较偏移特性阻抗继电器的动作特性， 圆的直径为 Z set1 ? Z set 2 1 圆心坐标 , (Z set1 ? Z set 2 ) 21 圆的半径为 ( Z set1 ? Z set 2 ) ，其动作与边界条件为 21 1 ( Z set1 ? Z set 2 ) ? Z m ? ( Z set1 ? Z set 2 ) 2 2两边同乘以测量电流得1 1 ? ? ( Z set1 ? Z set 2 ) I m ? U m ? ( Z set1 ? Z set 2 ) I m 2 2令 故 令Z set1? K ? I1 KUZ set 2? K ? I2 KU1 ? 1 ? ? ? ? ? )I ? ( K I 1 ? K I 2 ) I m ? KUU m ? ( K I 1 ? K I2 m 2 2? ? 1 (K ? ?K ? )I ? 动作量： U A I1 I2 m 2? ?K U ? ? 1 (K ? ?K ? )I ? 制动量： U B U m I1 I2 m 2故幅值比较的动作方程可写成? ?U ? U A B（2）相位比较偏移特性阻抗继电器相位比较分析，如下图所示:其相位比较的动作与边界条件为Z set1 ? Z m ? 90 ? arg ? ? ? 90? Z set 2 ? Z m?分式上下同乘以测量电流得? ?U ? Z set1 I m m ? 90 ? arg ? 90? ? ?U ? Z set 2 I m m?令相位比较偏移特性阻抗继电器的两电气量 ? ?K ? I ? ?K U ? UC I1 m U m? ?K ? I ? ? U D I 2 m ? KUU m故相位比较的动作方程为? U ? 90 ? arg C ? ? ? 90? ? U? D4．直线特性阻抗继电器阻抗圆的半径为无穷大时，圆特性变为直线特性，则 幅值比较的动作与边界条件为Z m ? 2Z set ? Z m两边同乘以测量电流得? ? K U ? ? ? ? ? ? U A U m ? 2 K I I m ? KU U m ? U B4．直线特性阻抗继电器相位比较的动作与边界条件为Z m ? Z set ? 90 ? arg ? ? ? 90? Z set?上式中分子分母同乘以测量得? ?K ? I ? ? KUU U m I m ? 90 ? arg ? C ? ? ? 90? ? ? KUU U m D?总结：?、 ? 量与相位比较的 幅值比较的 U A UB 关系时，满足下列关系?、 ? 量之间在忽略或2倍 U C UD? ?U ? ?U ? ?U C A B ?? ? ? ?U D ? U A ? U B或者说，满足? ?U ? ?U ? ?U A C D ?? ? ? ?U B ? U C ? U D(二)阻抗继电器的比较回路具有圆特性阻抗继电器可以用比较两个电气量幅值的方法来构 成，也可以用比较两个电气量相位的方法来实现。所有继电器都可以 认为是由两个基本部分组成，即由电压形成回路和幅值比较或相位比 较回路组成。1、二极管环形相位比较回路二极管环形相位比较回路基于把两个进行比较的电气 量的相位变化关系转换为直流输出脉动电压的极性变化。假定U1 ? U 2R1 ? R2? U ? ) ? arg(U ? U ? ) ? ? arg(U 1 2 C D? ?U ? ?U ? , E 1 1 2 ? ?U ? ?U ? E 2 1 2当相位角?变化时，比相回路的输出电压Umn脉冲宽度及 极性相应产生变化 。 (1) 当?=0?时 ： 输出电压Umn等于在一周期内电阻R1、R2上电压降的代数和， 即 ? ? i2 ) R2 ? (i1 ? i2 ? ) R1 U mn ? (i1uE1 U1 U2 θ= 0○i1 R1i'1 R2oωti2R 2E2πi' 2 R12πUMnUMn.PJ ωt●o o●oπ2π(2)当?=180?时:E1 ? E2输出电压的平均值为负极性最大值。E2U1uoi1 R1πi'1 R22π ω tE1 θo●Umnoi2R 2i' 2 R1=180○●oπ2πωtU2Umn .pJ(3)当?=90?时: 从波形图可知， Umn为正、负脉冲，其脉冲宽度均 为90? 。显然，这时输出电压的平均值是零。uU 2 E2i1 R1 i1'R 2 i1R1 i1' R23θ =90○U2 E1oωt3π 4π2R 1 i2 R2 i'U1ψπ2πUm noi2 R2πi2'R12π3π4πωtU mn.pJ = 0当?为其它任意角度时，同样可得到相应的输出 电压Umn的正、负脉冲的宽度及其幅值，从而可绘出如 下图所示的Umn.pj=f(?)关系曲线。 由图可知，仅当相位角的变化在-90????90?范围的 条件下，输出电压平均值为正值，这就保证了阻抗继电 器动作条件。二、具有多边形动作特性的阻抗继电器1. 四边形特性阻抗继电器的动作特性四边形以内为动作区，以外为不动作区，即测量 阻抗末端位于四条边上为动作边界。A α BγRoD Cβ二、具有多边形动作特性的阻抗继电器若测量阻抗落在四边形以内，则阻： 、 ?Z A ? Z m ? ?Z 1 、 ? ? Z 3 ?Z D四个阻抗中任两相邻阻抗之间的最 ? Zm ? ? Z4 ?Z B ? Z m ? ?、 Z 2 ?Z C ? Z m 大夹角小于180°，要求继电器动作。若测量阻抗落在四边形之外，则阻 抗：ZI、Z2、Z3、Z4四个阻抗中任两相邻阻抗之间的最大夹角大于180° 要求继电器不动作。三. 方向阻抗继电器的死区及死区的消 除方法思考：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1 ? ? ? ?1K ? I ? K I I m ? KUU m I m , 2 2? ? 0 , 继电器不动作。 U m对于相位比较的方向阻抗继电器，其动作条件为 ? I ? ?K U ? K I m U m ? ? 90 ? arg ? 90? ? KUU m? ?0 U m，无法进行比相，因而继电器也不动作。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， 将电压回路作成是一个对50HZ工频交流的串联谐振回路。? 与外加电压同相位，记忆电 结论：在电阻Rr上的压降 U R ? 通过记忆变压器T与 U ? 同相位。 压U p m1．记忆回路 引入记忆电压以后，幅值比较的动边条件为：1 ? ? ? ? K ? U ? ?1K ? I ? ? K I I m ?U p U m I m ?U p 2 2? 在衰减到零之前存在， 在出口短路时，极化电压 U p ? 同相位，故方向阻抗继电器消除了死区。 与U m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。UpUp.. . .. .2UV RARr Cr LrUm.B C? 较高且L 、C 处于工频谐振状态，而R值又 正常时 ：电压 U AB r r ? 基本上不起作用。 很大，第三相电压 U C2．引入第三相电压 当系统中AB相发生突然短路时：? ?I ? ? I r R jX Lr ? jX Lr ?I R Rr ? jX Cr ? jX Lr Rr? ?I ? R ? jI ? X U R cr r R LrUpUp.. . .. .2UV RA ARr Cr LrUm UpB.Up.. . .. .Ic. .IRRr Cr.IrLrUAC=UBC.. ..Um=IrRrB C.EBIRUB=UA...EAC2．引入第三相电压? 超前 I? 近90? ? 90? ? 超前U U 结论：I ，电阻 R 上电压降 ，即极化 AC r R r R ? 同相位。因此，当出口两相短路时， 电压与故障前电压 U AB 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。UpUp.. . .. .2UV RA ARr Cr LrUm UpB.Up.. . .. .Ic. .IRRr Cr.IrLrUAC=UBC.. ..Um=IrRrB C.EBIRUB=UA...EAC四、阻抗继电器的精工电流和精工电压引入精确工作电流的意义：? 1、它是用来衡量继电器动作阻抗与整定阻抗之间的误差是否满足10%的要求 ? 2、当加入阻抗继电器的电流大于精工 电流，说明阻抗继电器的误差在 ? 10%之内 ? 3、为了减小阻抗继电器的误差，精工 电流越小越好。四、阻抗继电器的精工电流和精工电压考虑U0的影响后，给出 Z op?m ? f ( I m ) 的关系曲线如下图所 示。Zset 0.9ZsetIm Iac.min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精工电流：就是当 I m ? I ac?min时，继电器的动作阻 抗 Z op?m ? 0.9Z set，即比整定阻抗缩小了10%。 因此，当 I m? I ac?min 时，就可以保证起动阻抗 的误差在10%以内，而这个误差在选择可靠系数时， 已经被考虑进去了。四、阻抗继电器的精工电流和精工电压在继电器通以精工电流的条件下，其动作方程 ：Z op?m U0 ? Z set ? 2 I op?min根据允许条件? U 0 ? 0.2 I ac?minZ set ? Z op?min ? 0.1Z set? U 0 ? 0.2Z set得 Z setI ac?min结论：精工电流与反应元件的灵敏性（U0）及电抗变压 器的整定阻抗有关。四、阻抗继电器的精工电流和精工电压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U ac?min ? I ac?min Z set? U ? 0 0.2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 。第三节阻抗继电器的接线方式一、对距离保护接线方式的要求及接线种类根据距离保护的工作原理，加入继电器的电压和电 流应满足如下要求： 1、继电器的测量阻抗应能准确判断故障地点，即与故障 点至保障安装处的距离成正比。 2、继电器的测量阻抗应与故障类型无关，即保护范围不随 故障类型而变化。一、对距离保护接线方式的要求及接线种类 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。二、反应相间短路阻抗继电器的0?接线1、三相短路以K1为例分析之。设短路点至保护安装地点之间的距 离为L千米，线路每千米的正序阻抗为Z1?，则保护安装 地点的电压应为? ?U ? ?U ? ?I ? Z L?I ? Z L ? (I ? ?I ? )Z L U AB A B A 1 B 1 A B 1此时，阻抗继电器的测量阻抗为 结论：在三相短路时，三个继电 器的测量阻抗均等于短路点到保 护安装地点之间的正序阻抗，三 个继电器均能正确动作。Z m1?3 ?? U AB ? ? Z1 L ? ? I A ? IB2．两相短路设AB两相短路，对K1而言? ?I ? Z L?I ? Z L ? (I ? ?I ? )Z L U AB A 1 B 1 A B 1则Z( 2) m1? U AB ? ? Z1 L ? ? I A ? IB结论：与三相短路时的测量 阻抗相同。因此，K1能正确 动作。 K2、K3不会动作。 同理，在BC或CA两相短路时，相应地分别有K2和K3能准确 测量出而正确动作。3、中性点直接接地电网中两相接地短路设故障发生在AB相， 。 设ZL表示每千米的自感阻抗，ZM表示每千米的互感阻 抗，则保护安装地点的故障相电压应为? ? ?I ? I A B? ?I ? Z L?I ? Z L ?U A A L B m ?? ? ? ?U B ? I B Z L L ? I A Z m L3、中性点直接接地电网中两相接地短路 继电器的测量阻抗为Z(1.1) m1? ?I ? )(Z ? Z ) L ? (I U A B L m AB ? ? ? ?I ? ? ?I ? I I A B A B ? (Z L ? Z m ) L ? Z1 L其值与三相短路时相同，保 护能够正确的动作。三、反应相间短路阻抗继电器的30?接线这种接线方式有两种，以继电器为例，在三相和 AB 两相短路 时，其测量阻抗为? ? ?I ? )Z L ? U (I ? j? AB A B 1 Z ? ? ? ( 1 ? e ) Z1 L ? m ( ?30 ) ? ? ? ? IA IA ? ? ? ?I ? )Z L U ( I AB A B 1 ? Z m ( ?30? ) ? ? ? (1 ? e j? ) Z1 L ? ? ? ?I ?I ? B B将以上两式合并写成Z m ? (1 ? e ? j? )Z1 L1． 正常运行情况Z m ? (1 ? e? j120?)Z L ? 3Z L e? j 30?测量阻抗的数值为每相负荷阻抗的 3 倍，阻抗角则较 负荷阻抗的角度偏移?30° ，当采用+30?接线时，测量阻 抗的阻抗角向超前于每相负荷阻抗的方向移动30?，而当采 用-30?接线时，则向滞后方向移动30?。三相短路与正常运行时相似，只是Z1L为短路点到 保护安装地点之间每相的正序阻抗，因此2、三相短路Z m ? 3Z1 Le? j 30?即测量阻抗的数值为每相线路阻抗的 3 倍，相 位则比线路阻抗角偏离?30° 。3.两相短路? 超前于 I ? 的角度180?，因此 以AB两相短路为例， I A BZ m ? (1 ? e? j180?)Z1 L ? 2Z1 L即测量阻抗的数值为每相短路阻抗的2倍，相位则 等于线路的阻抗角。3.两相短路 采用30?接线方式的阻抗继电器在不同故障类型时，其测 量阻抗的数值与相位均不相同，这种接线方式可应用于圆特性 方向阻抗继电器。如下图所示，实际上三相短路与两相短路时 的保护范围一样。 这种接线方式还可用于全阻抗 继电器。 在输电线路的送电端，采用-30° 接线。 在输电线路的受电端采用 +30° 接线时。四、反应接地短路阻抗继电器的接线单相接地故障时，应将故障相的电压和电流加入到继电 器中。对A相阻抗继电器，接入继电器的电压为? ?U ? ?U ? ?U ? ?I ? Z L? I ? Z L? I ?Z L U A d1 d2 d0 1 1 2 2 0 0? ?I ? ?I ? )Z L ? I ? Z L?I ?Z L ? Z L? I ? Z L? I ? Z L? ( I ?I 1 2 0 1 0 1 0 0 1 1 2 2 0 0Z 0 L ? Z1 L ? ? ? 3KI ? )Z L ? ? I A Z1 L ? I 0 Z1 L ? ( I A 0 1 Z1 L1 Z 0 ? Z1 ? K ? 式中 KI 0 ――称为零序补偿电流，其中 ，为常数； 3 Z1四、反应接地短路阻抗继电器的接线? ?I ? ? 3KI ? ，则故障相阻抗继 接入继电器的电流 I m A 0 电器的测量阻抗为Z(1) Am? U A ? ? Z1 L ? ? I A ? 3KI 0它能正确地测量从短路点到保护安装地点间的阻抗。 为了反应任一相的单相接地短路，接地距离保护也必须采 用三个阻抗继电器。这种接线方式同样能够正确反应两相 接地短路和三相短路，此时接于故障相的阻抗继电器的测 量阻抗均为Z1L。第四节影响距离保护正确工作的 因素及采取的防止措施?短路点过渡电阻对距离保护的影响? 电力系统振荡对距离保护的影响? 分支电流的影响 ?电压回路断线对距离保护的影响一、短路点过渡电阻对距离保护的影响保护1的测量阻抗为 Rt ， 保护2的测量阻抗为 Z AB ? Rt 。 当Rt较大时，可能出现Zm1已超出保护1第Ⅰ段整定的特性 圆范围，而Zm2仍位于保护2第Ⅱ段整定的特性圆范围以内。此 时保护1和保护2将同时以第Ⅱ段的时限动作，因而失去了选 择性。一、短路点过渡电阻对距离保护的影响结论：保护装置距短路点越近时，受过渡电阻的影响 越大，同时保护装置的整定值越小，则相对地 受过渡电阻的影响也越大。对于双侧电源的网络，短路点的过渡电阻可能使 测量阻抗增大，也可能使测量阻抗减小。 保护1和保护2的测量阻抗分别为 Z m1Z m2? ? I I U B ? ? d R ? d Rt e j? ? ? I d1 I I d1 d1? I U ? A ? Z AB ? d Rt e j? ? I I d1 d1当?为正时，测量 阻抗增大，当?为负时， 测量阻抗的电抗部分将 减小。在后一种情况下， 可能导致保护无选择性 的动作。过渡电阻的特点：短路点的过渡电阻主要是纯电阻性的电弧电阻Rt， 且电弧的长度和电流的大小都随时间而变化，在短路开 始瞬间电弧电流很大，电弧的长度很短，Rt很小。随着 电弧电流的衰减和电弧长度的增长，Rt随着增大，大约 经0.1～0.15秒后，Rt剧烈增大。减小过渡电阻对距离保护影响的措施（1）采用瞬时测定装置“瞬时测定”就是把距离元件的最初动作状态，通过起动 元件的动作而固定下来，当电弧电阻增大时，仍以预定的时 限动作跳闸。它通常应用于距离保护第Ⅱ段。在短路的初瞬间，KA及KR均动作， KM、KT起动，通过KA的接点 及KM自保持，此后KM的动作与KR无关经过KT的延时发出跳闸脉冲。+KA KR KM KT KM KT KM-既使电弧电阻增大，使KR返回，保护 仍能以预定的延时跳闸。减小过渡电阻对距离保护影响的措施（2）采用带偏移特性的阻抗继电器采用能容许较大的过渡电阻而不致拒动的阻抗 继电器，如偏移特性阻抗继电器等。二、电力系统振荡对距离保护的影响1、电力系统振荡时电流、电压的分布? 的相位角为 ? 超前于 E 当系统发生振荡时，设 E N M ? ? E ? ? E，且系统中各元件的阻抗角相等，则振荡 E ?, M N 电流为 ? ?E ? ? ?E ? ? (1 ? e ? j? ) E E E M N N ? ? I ? M ? Z SM ? Z L ? Z SN Z? Z??=180?, I zh ? 2 E M / Z ?? zh ? 0 ?=360?, I1、电力系统振荡时电流、电压的分布? ?E ? ? ?E ? ? (1 ? e? j? ) E E E M N M N ? ? I ? ? Z SM ? Z L ? Z SN Z? Z?? ?E ? 的角度 振荡电流滞后于电势差 E M N 为系统振荡阻抗角为X SM ? X L ? X SN ? ? arctan R SM ? R L ? R SN1、电力系统振荡时电流、电压的分布系统M、N、Z点的电压分别为： ?M ? E ?M ? I ?zh Z M U?N ? E ?N ? I ?zh Z N U 1 ? ? ? U Z ? E M ? I zh Z ? 2Z点位于Z?/2处。1、电力系统振荡时电流、电压的分布母线M的电压： ? (1 ? e ? j? ) E ?M ? E ?M ? U ZM Z??=0?, ??90?,?M ? E ?M U ?M ? U? 2E ? ? ? ZM ?=180?, U M ??, U M ? E M ? Z???270?,?M ? U?M ? E ?M ? M ??, U ?=360?, U1、电力系统振荡时电流、电压的分布 在Z点位于Z?/2处，当?=180?时： Izh=2E/ Z?达最大值，1 ? ? ? U Z ? E M ? I zh Z ? 2电压Uz=0，此点称为系统振荡中心。 此点的电气参数与什么故障相类似？ 三相短路。 因此，继电保护装置必须具备区别三相短路和 系统振荡的能力，才能保证在系统振荡状态下的正 确工作。2、电力系统振荡对距离保护的影响M母线上阻抗继电器的测量阻抗为Z Mm ? ?I ?Z ? ? E U E SM SM M ? ? ? M ? Z SM ? ? ? I I I? E 1 M ? Z ? ? Z SM ? Z ? ? Z SM ? j? ? ? EM ? EN 1? e应用尤拉公式及三角公式，有 e ? j? ? cos? ? j sin?1?e? j??2 1 ? jctg?21 1 ? Z ? ( Z ? Z ) ? j Z ctg Mm ? SM ? 于是 2 2 21 1 ? Z Mm ? ( Z ? ? Z SM ) ? j Z ? ctg 2 2 2结论：阻抗继电器的测量阻抗将 在Z?的垂直平分线OO?上移动。2、电力系统振荡对距离保护的影响以变电站M处的保护为例,其距离Ⅰ段起动阻抗整定为 0.85ZL，在下图中以长度MA表示，由此可绘出各种继电器 的动作特性曲线。结论：在同样整定值的条件下全 阻抗继电器受振荡的影响 最大，而椭圆继电器所受 的影响最小。结论：(1)继电器的动作特性在阻抗平 面沿oo′方向所占的面积越大，受 振荡的影响就越大。 (2)保护安装地点越靠近于振荡 中心，距离保护受振荡的影响越大， 而振荡中心在保护范围以外时，距 离保护不会误动。 （3）当保护的动作带有较大 的延时时，如距离Ⅲ段，可利用 延时躲开振荡的影响。3、振荡闭锁回路（1）电力系统振荡和短路时的主要区别。 ? 振荡时电流和各电压幅值的变化速度较慢,而短路时电流 是突然增大,电压也突然降低。 ? 振荡时电流和各点电压幅值均作周期变化，各点电压 与电流之间的相位角也作周期变化。 ? 振荡时三相完全对称,电力系统中不会出现负序分量；而 短路时,总要长期(在不对称短路过程中)或瞬间(在三相短 路开始时)出现负序分量。3、振荡闭锁回路 （2）对振荡闭锁回路的要求? 系统振荡而没故障时,应可靠将保护闭锁。 ? 系统发生各种类型故障,保护不应被闭锁。? 在振荡过程中发生故障时,保护应能正确动作。? 先故障,且故障发生在保护范围之外,而后振荡,保护不能 无选择性动作。（3）利用负序(和零序)分量起动的振荡闭锁回路①负序电压滤过器负序电压滤过器:从三相不对称电压中取出其负序 分量的回路。目前广泛应用的是阻容双臂式负序电压滤 过器，其参数关系为：R1 ? 3 X 1 , X 2 ? 3 R2①负序电压滤过器 当输入端加入电压时, 在m-n端的输出电压为? mn ? U ? R1 ? U ? X2 ? I ?1 R1 ? jI ?2 X 2 U ? ab ? bc U U ? R1 ? j X2 R1 ? jX 1 R2 ? jX 2? ? ab ? bc 3U 3U ? 3? j ? 3? j3 ? 3 ? j 30? ? U ab1 e ? U bc 1 e ? j 30? 2 2①负序电压滤过器当输入端只有正序电压加入时, 在m-n端的空载输出电压为? mn ? U ? R1 ? U ? X2 U 3 ? 3 ? j 30? ? U ab1 e ? U bc 1 e ? j 30? 2 2 ?0U X1 UR1Iab130○Uab1I bc160○oUca1UX2U bc1 U R2①负序电压滤过器当输入端有负序电压加入时, 在m-n端的空载输出电压为? mn 2 ? U ? R1 ? U ? X2 U3 ? 3 ? j 30? ? U ab 2 e ? U bc 2 e ? j 30? 2 2 3 ? ? U ab 2 e j 60? 2UX1 UR1U ab2○? a2e ? 1.5 3Uj 30?UmnUX2 UR2Iab230○30o60○U bc2Ibc2Uca2②负序电流滤过器负序电流滤过器:从三相不对称电流中取出其负序分量的回路。 目前常用的一种由电抗变压器TX和电流变换器TA组成。? ? ? jz ( I ? ?I ?) 其中电抗变压输出为 U k K b c电流变换器的变比为 在电阻R上的压降为n ? W2 W 11 ? ? )R (I a ? I 0 n在m-n端子上的输出电压为? ? 1 (I ? ?I ? ) R ? jZ ( I ? ?I ?) U mn a 0 k b c n②负序电流滤过器当输入端加入正序电流时，输出电压为：1? R ? ? ? ? U mn1 ? I a 1 R ? jZ k ( I b 1 ? I c 1 ) ? I a 1 ( ? 3 Z k ) n n当选取参数为 R ? n 3 z k ，则 U mn1 ? 0I a1?I a1) n =j z k ( I b1- I c1Ic1oI b1 - I c1 Ib1②负序电流滤过器 当只有零序电流输入时 ,在TX和TA原边的安匝互相抵消。U mn1 ? 0?②负序电流滤过器当只输入负序电流时，负序电流滤过器的输出电压为1? R R? ? ? ? ? U mn ? I a 2 R ? jzk ( I b 2 ? I c 2 ) ? I a 2 ( ? 3z k ) ? 2 I a 2 n n nI a2I b2 - Ic2 Ib2I a2 Rnojz (I b2 - Ic2 ) I c2 k思考：除了利用负序分量构成振荡闭锁回路外，还可以利用 哪些原理构成振荡闭锁回路？1、利用负序增量2、利用电气量变化速度三、分支电流的影响1、助增电流的影响 使故障线路电流增大的现象，称为助增。如下图所示电 路，当在BC线路上的D点发生短路时，在变电所A距离保护 1的测量阻抗为? ? Z ?I ? Z ? U I I A AB AB Bd d Zm.1 ? ? Z AB ? Z AB ? B Zd ? Z AB ? Kb Z d ? ? ? I I I AB AB AB结论：助增电流，使测量阻抗增大，保护范围缩短。三、分支电流的影响2、外汲电流的影响使故障线路中电流减小的现象称为外汲。如下 图所示电路，当在平行线路上的D点发生短路时，在 变电所A距离保护1的测量阻抗? ? Z ?I ? Z U I A AB AB Bd d Z m.1 ? ? ? Z AB ? ? ? I AB I AB ? I Bd Z d ? Z AB ? Kb Z d ? I AB结论：外汲电流时使测量阻抗减小，保护范围增大，可 能引起无选择性动作。四、电压回路断线对距离保护的影响当电压互感器二次回路断线时，距离保护将失去电压， 这时阻抗元件失去电压而电流回路仍有负荷电流通过，可能 造成误动作。对此，在距离保护中应装设断线闭锁装置。 对断线闭锁装置的主要要求是： (1)当电压互感器发生各种可能导致保护误动作的故障时，断 线闭锁装置均应动作，将保护闭锁并发出相应的信号。(2)当被保护线路发生各种故障 ，不因故障电压的畸变错误 地将保护闭锁，以保证保护可靠动作。区分以上两种情况的电压变化的办法： 看电流回路是否也同时发生变化。四、电压回路断线对距离保护的影响断线信号装置大都是反应于断线后所出现的零 序电压来构成的，其原理接线如下图所示。 当电压回路断线时，断线信号继电器动作，一方 面将保护闭锁，一方面发出断线信号。 这种反应于零序电压的断 线信号装置，在系统中发 出接地故障时也会动作。 怎么办？四、电压回路断线对距离保护的影响将KS的另一组线圈W2经C0和R0接于电压互感器 二次侧开口三角形的输出电压上，当系统中出现零序 电压时，两组线圈W1和W2所产生的零序电压安匝大小 相等，方向相反，合成磁通为零，KS不动作。第五节一、距离保护?段距离保护的整定计算1.动作阻抗 对输电线路，按躲过本线路末端短路来整定，即取' ZⅠ ? K op1 rel ZAB2．动作时限tⅠ 1 ?0二、距离保护第二段1．动作阻抗（1）与下一线路的第一段保护范围配合，并用分支系数考 虑助增及外汲电流对测量阻抗的影响，即Ⅱ Ⅰ ? ZⅡ ? K Z ? K K op.1 rel AB b rel Z BC ?? I BC 式中 Kb为分支系数， K b ? ? ?I ? ABⅡ ZⅡ ? K op.1 rel ?Z AB ? K b Z B ?? ? ? ? min（2）与相邻变压器的快速保护相配合取（1）、（2）计算结 果中的小者作为 ZⅡ op.1 。2. 动作时限3.灵敏度校验Ⅱ t1 ? tⅠ 2 ? ?t ? ?tK sen ?ZⅡ op1 Z AB? 1.5如灵敏度不能满足要求，可按照与下一线路保护第Ⅱ 段相配合的原则选择动作阻抗，即Ⅱ Ⅱ ? ZⅡ ? K Z ? K Z op.1 rel AB b op.2 ?第Ⅱ段的动作时限应比下一线路第Ⅱ段的动作时 限大一个时限阶段，Ⅱ t1 ? tⅡ 2 ? ?t三、 距离保护的???段1．动作阻抗按躲开最小负荷阻抗来选择，若第Ⅲ段采用全阻 抗继电器，其动作阻抗为Ⅲ Z op .1 ?1 Z L. min Ⅲ K rel K re K ss0.9U N 3 I L. max式中Z L. min ――最小负荷阻抗，Z L. min ?2．动作时限Ⅲ Ⅲ t1 ? t2 ? ?t3．灵敏度校验作近后备保护时Ksen?近 ?Ksen?远 ?Ⅲ Z op .1Z AB? 1.5? 1.2作远后备保护时Ⅲ Z op .1Z AB ? K b Z BC式中，Kb为分支系数，取最大可能值。思考：灵敏度不能满足要求时， 怎么办？采用方向阻抗继电器，以提高灵敏度 方向阻抗继电器的动作阻抗的整定原则与全阻抗继电器 相同。正常运行时，负荷阻抗的阻抗角?L较小;短路时，短路 阻抗角?d较大。如果选取方向阻抗继电器的?lm = ?d ，则方 向阻抗继电器的动作阻抗为Ⅲ Z op .1 ?Z L. min Ⅲ K rel K re Kss cos?? d ? ? L ?结论：采用方向阻抗继电器时，保护的灵敏度比采 用全阻抗继电器时可提高1/cos(?d - ?L )。四、阻抗继电器的整定保护二次侧动作阻抗Z op.T ? Z op nTA K con nTV式中 Kcon――接线系数。对全阻抗继电器： 0?接线， Kcon＝１；? 30?接线， Kcon＝?3 。 对方向阻抗继电器： 0?接线， Kcon＝１； ? 30?接线， Kcon＝2 。五、对距离保护的评价1．主要优点 （1）能满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求。 （2）阻抗继电器是同时反应电压的降低与电流的增大而动 作的，因此距离保护较电流保护有较高的灵敏度。 2.主要缺点（1）不能实现全线瞬动。（2）距离保护装置较复杂，调试比较麻烦，可靠性较低。例3-1在下图所示网络中，各线路均装有距离保护，试对其中 保护1的相间短路保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段进行整定计算。已知线 路AB的最大负荷电流IL.max=350A,功率因数cos?=0.9，各线 路每公里阻抗Z1=0.4?/km，短路阻抗角?d = 70? ，电动机 的自起动系数Kss=1,正常时母线最低工作电压UMN.min取等于 0.9UN(UN=110kV)。解：1.有关各元件阻抗值的计算AB 线路的正序阻抗 Z AB ? Z 1 l AB ? 0.4 ? 30 ? 12 ? BC 线路的正序阻抗 Z BC ? Z 1 l BC ? 0.4 ? 60 ? 24 ? 变压器的等值阻抗2 Uk % UT 10.5 1152 ZT ? ? ? ? ? 44.1? 100 S T 100 31.52．距离Ⅰ段的整定Ⅰ Ⅰ Z ? K (1)动作阻抗： op.1 rel Z AB ? 0.85? 12 ? 10.2?(2)动作时间： t ? ? 03．距离Ⅱ段(1)动作阻抗：按两个条件选择。 1)与相邻线路BC的保护3(或保护5)的Ⅰ段配合 Ⅱ Ⅰ ZⅡ ? K ( Z ? K op.1 rel AB rel Kb?minZ BC )? 1.15 I 2 X A ? Z AB ? X B (1 ? 0.15) Z BC ? X A ? Z AB Kb ? ? ? ?? ? 1? ? ? ? I1 XB 2Z BC XB ? ? 2K b. min ? 20 ? 12 ? 1.15 ?? ? 1? ? ? 1.19 ? 30 ? 2?? .1 ? 0.8(12 ? 1.19? 0.85? 24) ? 29.02? 于是 Z op3．距离Ⅱ段 (1)动作阻抗：按两个条件选择。 2)按躲开相邻变压器低压侧出口点短路整定Ⅱ ZⅡ ? K op.1 rel ( Z AB ? K b. min ? Z T )I 3 X A. min ? Z AB 20 ? 12 K b?min ? ? ?1 ? ? 1 ? 2.07 I1 X B. max 30 ZⅡ op.1 ? 0.7(12 ? 2.07 ? 44.1) ? 72.3?取以上两个计算值 中较小者为Ⅱ段定值， 即取ZⅡ op ? 29.02?3．距离Ⅱ段（2）动作时间（3）灵敏性校验：Ⅱ t1 ? tⅠ 3 ? ?t ? 0.5sK sen ?ZⅡ op.1 Z AB?29.02 ? 2.42 ? 1.5 124．距离Ⅲ段(1) 动作阻抗：ZⅢ op.1Z L?min ? Ⅲ K rel K re Kss cos(? k ? ? L ) U A?min 0.9 ? 110 0.9 ? 110 ? ? ? 163.5? I A?max 3 ? I L?max 3 ? 0.35Z L. min ?ZⅢ op.1163.5 ? ? 165.3? ? ? 1.2 ? 1.15 ? 1 ? cos(70 ? 25.8 )4．距离Ⅲ段Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅲ （2）动作时间 : t1 ? t8 ? 3?t或t1 ? t10 ? 2?tⅢ 取其中较长者 t1 ? 0.5 ? 3 ? 0.5 ? 2.0（3）灵敏性校验1）本线路末端短路时的灵敏系数Ksen?近 ?Ⅲ Z op .1Z AB?165.3 ? 13.78 ? 1.5 124．距离Ⅲ段 2)相邻元件末端短路时的灵敏系数 ①相邻线路末端短路时的灵敏系数为Ksen ?远 ZⅡ op.1 ? Z AB ? Kb?maxZ BC式中，Kb.max为相邻线路BC末端点短路时对保护1而言 的最大分支系数，K b?max I 2 X A?max ? Z AB ? X B?min 25 ? 12 ? 25 ? ? ? ? 2.48 I1 X B?min 25K sen?远 ?165.3 ? 2.31 ? 1.2 12 ? 2.48? 244．距离Ⅲ段 ②相邻变压器低压侧出口d2点短路时的灵敏系数中， 最大分支系数为K b?max I 2 X A?max ? Z AB ? X B?min 25 ? 12 ? 25 ? ? ? ? 2.48 I1 X B?min 25K sen?远165.3 ? ? 2.31 ? 1.2 12 ? 2.48? 24三段式距离保护? I段：保护区为本线路全长的80%-85%瞬时动作于本 线路出口断路器； ? II段：保护区为本线路全长，t=0.5S 动作于本线路出 口断路器； ? III段：躲最小负荷阻抗，阶梯时限特性，延时动作于 本线路出口断路器 ? I、II段为主保护，III段为后备保护思考题：3-1 距离保护的工作原理是什么？它与电流保护的主要区 别是什么？ 3-2 什么叫测量阻抗、动作阻抗、整定阻抗、返回阻抗、 短路阻抗、负荷阻抗？ 3-3 具有圆特性的全阻抗继电器、方向阻抗继电器、偏移 特性的阻抗继电器各有什么特性？ 3-4方向阻抗继电器为什么要标出电流、电压的极性？如 果在实际接线中将其中之一极性接反了，会产生什么后果？ 如果两个极性都接反了呢？ 3-5 方向阻抗继电器为什么会有死区？如何消除？全阻抗 继电器有无死区？为什么？思考题：3-6 有一方向阻抗继电器，其整定阻抗为Z set ? 20?60??， 若测量阻抗为 Z m ? 15?15?? ，问该继电器能否动作， 为什么？ 3-7附加“记忆回路”可以消除阻抗继电器在所有类型时 的死区（包括暂态和稳态）,这种说法对吗？为什么？ 3-8引入第三相电压可以消除阻抗继电器在所有类型时的 死区（包括暂态和稳态）,这种说法对吗？为什么？ 3-9 0°、30°、-30°接线的阻抗继电器应接什么电流、 电压？ 3-10 精确工作电流的含义是什么？阻抗继电器为什么要 考虑精确工作电流？思考题：3-11 过渡电阻对保护的影响在长线上大，还是在短线上大？ 为什么？ 3-12 过渡电阻对距离I段的影响大，还是对其II段的影响大？ 为什么？ 3-13 电力系统振荡的特点是什么？对距离保护有什么影响？ 振荡闭锁装置可以采用哪些原理来实现？ 3-14 分支电流对距离保护有何影响？ 3-15 不同特性的阻抗继电器（如全阻抗继电器、方向阻抗 继电器和偏移特性阻抗继电器）在承受过渡电阻的能力上 哪一种最强？在遭受振荡影响的程度上哪一种最严重？思考题：3-16 阻抗继电器为什么怕电压互感器回路断线？断线时 会发生什么后果？如何防止？是否所有的阻抗继电器都 怕电压互感器回路断线？3-17 在分析电压互感器二次回路断线对阻抗继电器的影 响时，一般是说，由于断线使继电器端子上的电压可能 为零，从而将引起阻抗继电器误动。然而，在此前分析 “死区”问题时则说，当保护安装处出口短路时，可使 继电器端子上电压为零 ，从而会引起保护拒动。这两种 情况，都是使继电器端子上电压为零，但其结果为什么 一个是误动，一个是拒动？这不矛盾吗？为什么？3-18 在下图所示的网络中，各线路均装有距离保护，试对 其中保护1的相间短路保护I、II、III段进行整定计算。 已知线路AB的最大负荷电流ILmax=300A，功率因数cos?=0.9， 各线路每公里阻抗Z1=0.4?，阻抗角?d= 70?，Kss=1.5， Kre=1.2，并设Krel?=0.85， Krel?=0.8， Krel??=1.2，变压器 采用了能保护整个变压器的无时限纵差保护。3-19 在下图所示的网络中，各线路均装有距离保护，试对其 中保护1的相间短路的距离保护I、II、III段进行整定计算。 已知线路AB的最大负荷电流ILmax=280A，cos?=0.9，各线路每 公里阻抗Z1=0.4，阻抗角?d= 70?，Kss=1.5，Kre=1.2，tB??=1s, t12??=1s, 并设Krel?=0.85，Krel??=1.2，变压器采用了能保护 整个变压器的无时限纵差保护。}