距離保護基本原理與應用舉例

3.1距離保護的基本原理

3.3.1距離保護工作原理電流保護一般只適用于35kv及以下電壓等級的配電網(wǎng)。對于110kv及以上電壓等級的復雜電網(wǎng)，必須采用性能更加完善的保護裝置，距離保護就是適應這種要求的一種保護原理。距離保護：反應保護安裝地點至故障點之間的距離，并根據(jù)距離的遠近而確定動作時限的一種保護裝置。主要元件為距離繼電器，可根據(jù)其端子上所加的電壓和電流測知保護安裝處至故障點間的阻抗值。距離保護保護范圍通常用整定阻抗的大小來實現(xiàn)。第一頁，共70頁。故障時，首先判斷故障的方向：若故障位于保護區(qū)的正方向上，則設法測出故障點到保護安裝處的距離Lk，并將Lk與Lset相比較，若Lk小于Lset，說明故障發(fā)生在保護范圍之內(nèi)，這時保護應立即動作，跳開對應的斷路器；若Lk大于Lset，說明故障發(fā)生在保護范圍之外，保護不應動作，對應的斷路器不會跳開。若故障位于保護區(qū)的反方向上，則無需進行比較和測量，直接判為區(qū)外故障。第二頁，共70頁。測量阻抗：測量電壓與測量電流之比。第三頁，共70頁。正常運行時保護安裝處測量到的阻抗為負荷阻抗，即

第四頁，共70頁。在被保護線路任一點發(fā)生故障時，測量阻抗為保護安裝處到短路點的短路阻抗。

第五頁，共70頁。3.1.2測量電壓測量電流的選取

在單相系統(tǒng)中，測量電壓就是保護安裝處的電壓，測量電流就是線路中的電流，系統(tǒng)金屬性短路時兩者之間的關系為：

在實際三相系統(tǒng)的情況下?第六頁，共70頁。故障電流可能流通的通路稱為故障環(huán)。1、單相接地故障的情況下，存在一個故障相與大地之間的故障環(huán)(相-地故障環(huán))。2、兩相接地故障的情況下，存在兩個故障相與大地之間的相-地故障環(huán)和一個兩故障相之間的故障環(huán)(相-相故障環(huán))。3、兩相不接地故障的情況下，存在一個兩故障相之間的相-相故障環(huán)。4、三相故障的情況下，存在三個相-地故障環(huán)和三個相-相故障環(huán)。

距離保護的正確工作是以故障距離的正確測量為基礎的，所以應以故障環(huán)上的電壓電流做出的測量作為判斷故障范圍的依據(jù)，對非故障環(huán)上電壓電流做出的測量應不予反映。第七頁，共70頁。以保護安裝處故障相對地電壓為測量電壓、以帶有零序電流補償?shù)墓收舷嚯娏鳛闇y量電流的方式，就能夠正確地反應各種接地故障的故障距離，所以它稱為接地距離保護接線方式。以保護安裝處兩故障相相間電壓為測量電壓、以兩故障相電流電流之差為測量電流的方式稱為相間距離保護接線方式。第八頁，共70頁。第九頁，共70頁。3.1.3、時限特性距離保護的動作時間t與保護安裝處到故障點之間的距離l的關系稱為距離保護的時限特性，目前獲得廣泛應用的是階梯型時限特性，稱為距離保護的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段第十頁，共70頁。3.1.4距離保護的組成第十一頁，共70頁。阻抗繼電器是距離保護裝置的核心元件，其主要作用是測量短路點到保護安裝處之間的距離，并與整定阻抗值進行比較，以確定保護是否應該動作。和的比值稱為繼電器的測量阻抗。由于可以寫成的復數(shù)形式，所以可以利用復數(shù)平面來分析這種繼電器的動作特性，并用一定的幾何圖形把它表示出來。

3.2阻抗繼電器及其動作特性第十二頁，共70頁。第十三頁，共70頁。3.2.1園特性阻抗繼電器——兩種不同的表達形式，絕對值(或幅值)比較動作方程：比較兩個量大小的絕對值比較原理表達式；相位比較動作方程：比較兩個量相位的相位比較原理表達式。1、偏移圓特性有兩個整定阻抗：正方向整定阻抗和反方向整定阻抗，兩整定阻抗對應矢量末端的連線就是特性圓的直徑。特性圓包括座標原點。第十四頁，共70頁。圓心：半徑：第十五頁，共70頁。2、方向圓特性特性：方向阻抗繼電器的動作特性是以整定阻抗為直徑并且圓周經(jīng)過坐標原點的一個圓，圓內(nèi)為動作區(qū)，圓外為非動作區(qū)，圓周是動作邊界。特點：動作具有方向性；第十六頁，共70頁。方向阻抗繼電器特性圓第十七頁，共70頁。全阻抗繼電器特性：全阻抗繼電器的動作特性是以保護安裝點為圓心、以整定阻抗Zset為半徑所作的一個圓。圓內(nèi)為動作區(qū)，圓外為非動作區(qū)，圓周是動作邊界。特點：動作無方向性；動作阻抗與整定阻抗相等。

第十八頁，共70頁。全阻抗繼電器特性圓第十九頁，共70頁。3.2.2．多邊形動作特性的阻抗繼電器如圖3-8所示，阻抗繼電器準四邊形動作特性，準四邊形以內(nèi)為動作區(qū)，以外為不動區(qū)，即測量阻抗末端位于準四條邊上為動作邊界。第二十頁，共70頁。設測量阻抗的實部為，虛部為，則圖3-8在第Ⅳ象限部分的特性可以表示為

第Ⅱ象限部分的特性可以表示為

第Ⅰ象限部分的特性可以表示為

綜合以上三式，動作特性可以表示為

第二十一頁，共70頁。其中

若取，，，則

，，，式（3-11）又可表示為

(3-12)該式可以方便地在微機保護中實現(xiàn)。第二十二頁，共70頁。3.3距離保護整定計算與對距離保護的評價第二十三頁，共70頁。1、距離I段整定原則：躲過下一線路出口短路第二十四頁，共70頁。2、距離II段整定原則（1）與下一相鄰線路距離I段配合。（2）與相鄰變壓器的快速保護相配合。兩者取較小者作為整定阻抗。第二十五頁，共70頁?！锉Ｗo安裝處和故障點間分支線對距離保護影響1、助增電流的影響：第二十六頁，共70頁。結(jié)論1助增電流的存在，使AB線路A側(cè)阻抗繼電器的測量阻抗增大，這意味著其保護范圍將會縮短，相當于靈敏度下降

解決：在整定計算中解決。靈敏度校驗時引入最大分支系數(shù).

第二十七頁，共70頁。

2、外汲電流的影響：第二十八頁，共70頁。結(jié)論2汲出電流的存在，使阻抗繼電器的測量阻抗減小，保護范圍延長，可能造成保護無選擇動作。

解決：在整定計算中解決，計算動作電流時引入最小分支系數(shù)。第二十九頁，共70頁。靈敏度校驗：第三十頁，共70頁。3、距離III段整定原則：躲過本線路最小負荷阻抗第三十一頁，共70頁。若采用方向特性第三十二頁，共70頁。靈敏度校驗第三十三頁，共70頁。4、將整定參數(shù)換算到二次側(cè)第三十四頁，共70頁。5、整定計算舉例【例3-1】

在圖所示110kV網(wǎng)絡中,各線路均裝有距離保護，已知Z

sA.max=20Ω、ZsA.min=15Ω、Z

sB.max=25Ω、ZsB.min=20Ω，線路AB的最大負荷電流IL.max=600A，功率因數(shù)為0.85，各線路每公里阻抗Z1=0.4Ω/km，線路阻抗角=70o，電動機的自起動系數(shù)Kast=1.5，保護5三段動作時間=2s，正常時母線最低工作電壓UL,min取等于0.9UN(UN=110kV)。試對其中保護1的相間保護短路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段進行整定計算。（各段均采用相間接線的方向阻抗繼電器）第三十五頁，共70頁。2.距離I段整定計算（1）動作阻抗解1、有關各元件阻抗值的計算第三十六頁，共70頁。3.距離II段整定計算（1）動作阻抗。按下列兩個條件選擇1）與相鄰線路保護3的I段配合（2）動作時間第三十七頁，共70頁。為保護3I段末端發(fā)生短路時對保護1而言的最小分支系數(shù)，如圖3-12所示，當保護3I段末端點短路時，分支系數(shù)按下式計算第三十八頁，共70頁。因而第三十九頁，共70頁。（3）動作時限，與相鄰I段瞬時保護配合（2）靈敏性校驗第四十頁，共70頁。這里故整定阻抗為（1）動作阻抗。按躲開最小負荷阻抗整定4.距離III段的整定計算第四十一頁，共70頁。（2）靈敏性校驗。1）當本線路末端短路時滿足要求2）相鄰線路末端短路時：第四十二頁，共70頁。第四十三頁，共70頁。（3）動作時間第四十四頁，共70頁。3.3.2對距離保護的評價

1．主要優(yōu)點（1）能滿足多電源復雜電網(wǎng)對保護動作選擇性的要求。（2）阻抗繼電器是同時反應電壓的降低與電流的增大而動作的，因此距離保護較電流保護有較高的靈敏度。其中Ⅰ段距離保護基本不受運行方式的影響，而Ⅱ、Ⅲ段仍受系統(tǒng)運行方式變化的影響，但比電流保護要小些，保護區(qū)域和靈敏度比較穩(wěn)定。第四十五頁，共70頁。2.主要缺點（1）不能實現(xiàn)全線瞬動。對雙側(cè)電源線路，將有全線的30%～40%范圍以第Ⅱ段時限跳閘，這對穩(wěn)定有較高要求的超高壓遠距離輸電系統(tǒng)來說是不能接受的。（2）阻抗繼電器本身較復雜，還增設了振蕩閉鎖裝置，電壓斷線閉鎖裝置，因此，距離保護裝置調(diào)試比較麻煩，可靠性也相對低些。第四十六頁，共70頁。

3.4距離保護的振蕩閉鎖

3.4.1振蕩閉鎖的概念3.4.2電力系統(tǒng)振蕩對距離保護測量元件的影響

距離保護的振蕩閉鎖措施第四十七頁，共70頁。3.4.1振蕩的閉鎖的概念及要求振蕩—并聯(lián)運行的電力系統(tǒng)或發(fā)電廠失去同步的現(xiàn)象。

振蕩原因

聯(lián)絡線中傳輸?shù)墓β蔬^大而導致靜穩(wěn)定破壞

電力系統(tǒng)受到大的擾動（如短路、大機組或重要聯(lián)絡線的誤切除等）而導致暫態(tài)穩(wěn)定破壞。振蕩特點

系統(tǒng)兩側(cè)等效電動勢間的夾角在00~3600范圍內(nèi)作周期性變化。系統(tǒng)中各點的電壓、線路電流、功率方向以及距離保護的測量阻抗也都呈現(xiàn)周期性變化。第四十八頁，共70頁。振蕩閉鎖—防止系統(tǒng)振蕩時保護誤動的措施

。

系統(tǒng)發(fā)生振蕩而沒有故障時，應可靠地將保護閉鎖，且振蕩不平息，閉鎖不解除。系統(tǒng)發(fā)生各種類型的故障時，保護不應被閉鎖，以保證保護正確動作。振蕩過程中再發(fā)生故障時，保護應能夠正確地動作（即保護區(qū)內(nèi)故障可靠動作，區(qū)外故障可靠不動）。若振蕩的中心不在本保護的保護區(qū)內(nèi)，則阻抗繼電器就不可能因振蕩而誤動，這種情況下保護可不采用振蕩閉鎖。

第四十九頁，共70頁。3.4.2電力系統(tǒng)振蕩對距離保護測量元件的影響

1．電力系統(tǒng)振蕩時電流、電壓的變化規(guī)律設系統(tǒng)兩側(cè)等效電動勢和的幅值相等，相角差（即功角）為，等效電源之間的阻抗為第五十頁，共70頁。圖3-14系統(tǒng)振蕩時的電流和電壓a)相量圖；(b)電流有效值變化曲線；(c)電壓有效值變化曲線δo(a)Iδ0180o360o540o720o900o(b)Uδ0180o360o540o720o900o(c)UMUN

它們之間的相位關系如圖3-14(c)所示。以為參考相量，當δ在0o～360o之間變化時，相當于相量在0o～360o范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。第五十一頁，共70頁。由圖可以看出電勢差的有效值為

所以線路電流的有效值為電流有效值隨δ變化的曲線如圖3-14(b)所示。δ變化的軌跡如圖3-14(a)中的虛線圓周所示。

M、N兩母線處的電壓相量和標在圖3－14(a)中。其有效值隨δ變化的曲線，如圖3－14(c)所示

電力系統(tǒng)振蕩時，電壓最低的這一點稱為振蕩中心，在系統(tǒng)各部分的阻抗角都相等的情況下，振蕩中心的位置就位于阻抗中心處。由圖(a)可見，振蕩中心電壓的有效值可以表示為第五十二頁，共70頁。2．電力系統(tǒng)振蕩時測量阻抗的變化規(guī)律系統(tǒng)振蕩時，安裝在M點處的測量元件的測量阻抗為MjMMMMMMMMMmZZeZIEIZIEIUZ--=-=-==S-d11&&&&&&&mZZmZm第五十三頁，共70頁。因為

所以令

221)21(dctgZjZZZMmSS--=221)21(drctgZjZMSS--=Zm所以

第五十四頁，共70頁。如果和的幅值不相等，則分析表明，系統(tǒng)振蕩時測量阻抗末端的軌跡將不再是一條直線，而是一個圓弧。當時:設及測量阻抗末端的軌跡如圖中的虛線圓弧1和2所示。第五十五頁，共70頁。

電力系統(tǒng)振蕩時，阻抗繼電器有可能因測量阻抗進入其動作區(qū)而動作，并且整定值越大的阻抗繼電器越容易受振蕩的影響。在整定值相同的情況下，動作特性曲線在與整定阻抗垂直方向的動作區(qū)越大時，越容易受振蕩的影響。第五十六頁，共70頁。3.4.3距離保護的振蕩閉鎖措施

根據(jù)對振蕩閉鎖的要求，利用短路與振蕩時電氣量變化特征的差異，距離保護一般采用以下幾種振蕩閉鎖措施：1.利用系統(tǒng)故障時短時開放的措施實現(xiàn)振蕩閉鎖

；2.利用阻抗變化率的不同來構(gòu)成振蕩閉鎖

；3.利用動作的延時實現(xiàn)振蕩閉鎖

。振蕩閉鎖裝置第五十七頁，共70頁。短時開放——就是在系統(tǒng)沒有故障時，距離保護一直處于閉鎖狀態(tài)，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，短時開放距離保護。若在開放的時間內(nèi)，阻抗繼電器動作，說明故障點位于阻抗繼電器的動作范圍之內(nèi)，則保護繼續(xù)維持開放狀態(tài)，直至保護動作，將故障線路跳開；若在開放的時間內(nèi)阻抗繼電器未動，則說明故障不在保護區(qū)內(nèi)，則重新將保護閉鎖。

1、利用系統(tǒng)故障時短時開放的措施實現(xiàn)振蕩閉鎖第五十八頁，共70頁。（1）反映電壓、電流中負序或零序分量的故障判斷元件；電力系統(tǒng)系統(tǒng)正常運行或因靜穩(wěn)定破壞而引發(fā)振蕩時，系統(tǒng)均處于三相對稱狀態(tài)；電力系統(tǒng)發(fā)生各種類型的不對稱短路時，故障電壓、電流中都會出現(xiàn)較大的負序或零序分量；（2）反映電流突變量的故障判斷元件；系統(tǒng)正?；蛘袷帟r電流變化比較緩慢，而在系統(tǒng)故障時電流會出現(xiàn)突變。故障判斷元件(起動元件)——對系統(tǒng)是否發(fā)生故障的判斷，僅需要判斷系統(tǒng)是否發(fā)生了故障，而不需要判出故障的遠近及方向，對它的要求是靈敏度高、動作速度快，系統(tǒng)振蕩時不誤動作。

第五十九頁，共70頁。3、利用動作的延時實現(xiàn)振蕩閉鎖對于按躲過最大負荷整定的III段阻抗繼電器來說，測量阻抗落入其動作區(qū)的時間一般不會超過1～1.5s，即系統(tǒng)振蕩時III段阻抗繼電器動作持續(xù)的時間不會超過1～1.5s。這樣，只要III段動作的延時時間不小于1～1.5s，系統(tǒng)振蕩時III段保護就不會誤動作。

2、利用阻抗變化率的不同來構(gòu)成振蕩閉鎖。

——根據(jù)測量阻抗的變化速度不同構(gòu)成振蕩閉鎖。

第六十頁，共70頁。3-5距離保護特殊問題的分析影響距離保護正確動作的因素很多，如電網(wǎng)的接線中可能具有分支電路；輸電線路可能具有串聯(lián)電容補償；電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩；短路點具有過渡電阻；電流互感器和電壓互感器的誤差、過渡過程及二次回路斷線等等。3.5.1短路點過渡電阻對距離保護的影響1、過渡電阻的性質(zhì)過渡電阻Rg——是指當相間短路或接地短路時，短路電流從一相流到另一相或相導線流入大地的途徑中所通過物質(zhì)的電阻，包括電弧電阻、中間物質(zhì)的電阻、相導線與大地之間的接觸電阻、金屬桿塔的接地電阻等。

第六十一頁，共70頁。在相間故障時，過渡電阻主要由電弧電阻組成。電弧電阻具有非線性的性質(zhì)，其大小與電弧弧道的長度成正比，而與電弧電流的大小成反比，一般可按下式進行估算在短路初瞬間，電弧電流Ig最大，弧長Lg最短，這時弧阻Rg最小。幾個周期后，電弧逐漸伸長，弧阻逐漸變大。相間故障的電弧電阻一般在數(shù)歐至十幾歐之間。第六十二頁，共70頁。在導線對鐵塔放電的接地短路時，鐵塔及其接地電阻構(gòu)成過渡電阻的主要部分。鐵塔的接地電阻與大地導電率有關，對于跨越山區(qū)的高壓線路，鐵塔的接地電阻可達數(shù)十歐。當導線通過樹木或其它物體對地短路時，過渡電阻更高。對于500kV的線路，最大過渡電阻可達300，而對220kV線路，最大過