電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù) 第4版 課件 第4章 輸電線路距離保護1

4.1距離保護概述1、距離保護的作用

原因：電流保護區(qū)隨系統(tǒng)運行方式而變化，有時電流速斷保護或限時電流速斷保護的保護范圍將變得很小，甚至沒有保護區(qū)。對長距離、重負荷線路，線路的最大負荷電流可能與線路末端短路時的短路電流相差甚微，采用過電流保護，其靈敏性也常常不能滿足要求。4.1距離保護概述在高電壓、結(jié)構(gòu)復雜的電網(wǎng)中，自適應電流保護的優(yōu)點還不能得到充分發(fā)揮。2、距離保護的基本原理工作原理：距離保護是反應故障點至保護安裝處之間的距離，并根據(jù)該距離的大小確定動作時限的一種繼電保護裝置。特點：故障點距保護安裝處越近時，保護的動作時限就越短；反之，故障點距保護安裝處越遠時，保護的動作時限就越長。

4.1距離保護概述故障點總是由離故障點近的保護首先動作切除，從而保證了在任何形狀的電網(wǎng)中，故障線路都能有選擇性的被切除。距離保護核心元件：阻抗繼電器。阻抗繼電器：測量故障點至保護安裝處的距離。方向阻抗繼電器不僅能測量阻抗的大小，而且還應能測量出故障點的方向。4.1距離保護概述原理：測量故障點至保護安裝處的阻抗，實際上是測量故障點至保護安裝處的線路距離。假設：電壓、電流互感器變比等于1。加入繼電器電壓、電流為、。測量阻抗工作電壓：4.1距離保護概述設阻抗繼電器安裝在線路M側(cè)：特點：1）正向保護區(qū)外短路時，工作電壓大于0。4.1距離保護概述2）正向保護區(qū)內(nèi)短路時，工作電壓小于0。3）反向短路，工作電壓大于0。

結(jié)論：檢測工作電壓的相位變化，不僅能測量出阻抗的大小，而且還能檢測出短路故障的方向。1、極化電壓設極化電壓與測量電壓同相位，以極化電壓作為參考相量。4.1距離保護概述區(qū)內(nèi)區(qū)外注意：極化電壓只作相位參考量，不參與阻抗測量，任何時候其值不能為零。4.1距離保護概述動作方程或極化電壓作用：1）極化電壓是按相位比較原理工作的方向阻抗繼電器工作所必須。數(shù)值過大或過小都是不適宜的。4.1距離保護概述2）可保證方向阻抗繼電器正、反向出口短路故障時有明確的方向性。3）根據(jù)比相原理的阻抗繼電器性能特點的要求，極化電壓有不同的構(gòu)成方式，可獲得阻抗繼電器的不同功能，改善阻抗繼電器性能。

2、插入電壓令4.1距離保護概述區(qū)內(nèi)短路，大于。插入電壓一般與測量電壓同相。區(qū)外短路，小于。4.1距離保護概述3、距離保護時限特性距離保護的動作時限與保護安裝處到短路點間距離的關(guān)系，即的關(guān)系稱為時限特性。與三段式電流保護類似，具有階梯時限特性的距離保護獲得了廣泛的應用。4.1距離保護概述4、距離保護的構(gòu)成

距離保護構(gòu)成：三段式距離保護裝置一般由啟動元件、方向元件、測量元件、時間元件組成。4.1距離保護概述啟動元件:發(fā)生故障瞬間啟動保護裝置?？刹捎梅从池撔螂娏鳂?gòu)成或負序與零序電流的復合電流構(gòu)成，也可以采用反映突變量的元件作為啟動元件。方向元件：是保證動作的方向性，防止反方向發(fā)生短路故障時，保護誤動作。4.1距離保護概述測量元件：用阻抗繼電器實現(xiàn)，主要作用是測量短路點到保護安裝處的距離（或阻抗）。時間元件：主要作用是按照故障點到保護安裝處的遠近，根據(jù)預定的時限特性動作的時限，以保證動作的選擇性。4.1距離保護概述

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主講人：許建安4.2阻抗繼電器教學要求：掌握各種阻抗繼電器特點及應用范圍，整定阻抗、測量阻抗及動作阻抗意義；比幅與比相間的轉(zhuǎn)換。阻抗繼電器作用：阻抗繼電器是距離保護的核心,其主要作用是測量短路點到保護安裝處的距離。

加入阻抗繼電器的電壓與電流的比值稱為測量阻抗。4.2阻抗繼電器為了方便比較，通常將測量阻抗與整定阻抗畫在同一阻抗復數(shù)平面上。4.2阻抗繼電器

所表示的直線段為繼電器動作區(qū)，直線以外的區(qū)域為非動作區(qū)。

由于互感器的誤差，直線形動作特性不能采用的，必須擴大保護區(qū)。4.2阻抗繼電器4.2.1圓特性阻抗繼電器1、全阻抗繼電器動作方程：特點:1)圓的半徑為整定阻抗；2)圓內(nèi)為動作區(qū)；3)動作不具有方向性。4.2阻抗繼電器圓的動作方程為：方程兩邊乘以電流,則方程為若令整定阻抗為：物理意義：正常運行時，電壓為額定電壓、電流是負荷電流，方程不滿足條件，即繼電器不動作；當在保護區(qū)內(nèi)發(fā)生短路故障時，電壓降低，電流增大，方程滿足條件，保護起動。4.2阻抗繼電器動作方程兩邊同乘以測量電流,則方程為若令整定阻抗為：2、方向阻抗繼電器4.2阻抗繼電器動作方程：4.2阻抗繼電器

方向阻抗繼電器以電壓形式表示的動作方程為：特點：1）動作具有方向性；2）圓的直徑為整定阻抗；3）圓內(nèi)為動作區(qū)。缺點：當加入繼電器的電壓等于零時，保護存在動作死區(qū)。4.2阻抗繼電器由于在保護安裝出口處發(fā)生三相短路時，加入繼電器的電壓為零，存在動作死區(qū)。實用的方向元件必須解決保護動作死區(qū)問題。動作阻抗：使阻抗繼電器啟動的最大測量阻抗。整定阻抗：指保護安裝處至保護區(qū)末端阻抗。4.2阻抗繼電器特點：當加入繼電器電壓與電流之間的相位差為不同數(shù)值時，動作阻抗也隨之而變。處于靈敏角狀態(tài)下動作阻抗具有最大值，保護區(qū)最長，即最靈敏。當測量阻抗角等于整定阻抗角時，此時動作阻抗具有最大值，將此角度稱為靈敏角。4.2阻抗繼電器比幅特性與比相特性間的轉(zhuǎn)換：動作方程為：4.2阻抗繼電器動作方程用電壓形式表示時，其方程為：缺點：當加入繼電器電壓為零時，也無法比相。存在動作死區(qū)。4.2阻抗繼電器3、偏移特性阻抗繼電器動作方程：4.2阻抗繼電器圓的半徑為：其中動作方程可表示為：4.2阻抗繼電器當，方程為：當，方程為：全阻抗繼電器4.2阻抗繼電器偏移特性阻抗繼電器比相形式動作方程：4.2阻抗繼電器以電壓形式表示動作方程為：4.2阻抗繼電器小結(jié)：1）測量阻抗：由測量電壓與測量電流的比值，大小與短路點到保護安裝處遠近有關(guān)；2）整定阻抗：一般取保護安裝點到保護范圍末端線路的阻抗；3）動作阻抗：使阻抗繼電器動作的最大測量阻抗。4.2阻抗繼電器4.2.2多邊形阻抗繼電器

多邊型阻抗繼電器反應故障點過渡電阻能力強、躲過負荷能力好，在微機保護中應用的相對廣泛。1、四邊形阻抗繼電器4.2阻抗繼電器動作方程：特點：測量阻抗落入四邊形區(qū)域內(nèi)，保護動作。但保護不具方向性。4.2阻抗繼電器2、方向性多邊形阻抗繼電器

為了減小過渡電阻對阻抗保護的影響，各邊都采用了傾斜角，特性如圖所示。4.2阻抗繼電器動作方程：方向判別的動作方程為：4.2阻抗繼電器3、零序電抗繼電器

為克服單相接地短路時過渡電阻對保護區(qū)的影響，使阻抗繼電器動作特性適應附加測量阻抗的變化、保護區(qū)穩(wěn)定不變，零序電抗繼電器是廣泛采用的一種阻抗繼電器。其動作特性是過整定阻抗端點有一個傾角的直線。4.2阻抗繼電器

送電側(cè)受電側(cè)

若附加測量阻抗角等于傾斜角，則動作特性與附加阻抗平行。則保護區(qū)不受過渡電阻的影響。4.2阻抗繼電器動作方程為：4.2阻抗繼電器小結(jié)：（1）多邊形特性阻抗繼電器與直線形零序電抗繼電器在微機保護中被廣泛應用；（2）其最大優(yōu)點是躲過過渡電阻能力比較強；（3）同時可以采用帶方向性。4.2阻抗繼電器

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主講人：許建安4.3阻抗繼電器接線1、對阻抗繼電器接線要求１）阻抗繼電器的測量阻抗應正比于短路點到保護安裝處之間的距離；２）阻抗繼電器的測量阻抗應與故障類型無關(guān)，也就是保護范圍不隨故障類型而變化；3）阻抗繼電器的測量阻抗應不受短路故障點過渡電阻的影響。4.3阻抗繼電器接線2、反映相間短路故障接線當時，加在繼電器端子上電壓與電流的相位差為零。接線定義：加入相電壓與同相電流時：4.3阻抗繼電器接線測量阻抗可正確反應三相短路故障。4.3阻抗繼電器接線故障相電壓為：測量阻抗為：4.3阻抗繼電器接線保護安裝處相間電壓為：測量阻抗為：4.3阻抗繼電器接線

為了正確反映保護安裝處到短路點之間的距離，必須加入相間電壓與同名相的兩相電流差。繼電器1繼電器2繼電器34.3阻抗繼電器接線各種相間短路故障時的測量阻抗:1、三相短路保護安裝處母線電壓為：4.3阻抗繼電器接線阻抗繼電器1測量阻抗為：說明在被保護線路發(fā)生三相金屬性短路故障時，三個阻抗繼電器的測量阻抗均等于短路點到保護安裝處的阻抗。4.3阻抗繼電器接線2、兩相短路（BC）故障相間電壓為：4.3阻抗繼電器接線阻抗繼電器2的測量阻抗為：

保護區(qū)內(nèi)BC兩相短路時，阻抗繼電器2能正確地測量保護安裝處至短路點間的阻抗。

阻抗繼電器1、3所加電壓有一相非故障相電壓，電流只有一相故障電流，其測量阻抗較大。4.3阻抗繼電器接線3、兩相接地短路保護安裝處故障相電壓4.3阻抗繼電器接線阻抗繼電器2測量阻抗為：

上式可見，BC兩相接地短路故障時，阻抗繼器2能正確測量短路點至保護安裝處的距離。4.3阻抗繼電器接線將故障點電壓和電流分解為序分量，則3、反映接地接線4.3阻抗繼電器接線保護安裝處三序分量電壓為4.3阻抗繼電器接線保護安裝處A相電壓為：4.3阻抗繼電器接線若加入繼電器電壓、電流為則測量阻抗為4.3阻抗繼電器接線

為了正確測量阻抗，加入繼電器電壓、電流應為：其中：測量阻抗4.3阻抗繼電器接線

顯然，加入相電壓、帶零序電流補償?shù)南嚯娏?，阻抗繼電器就能正確測量保護安裝處至短路點間距離。繼電器1繼電器2繼電器34.3阻抗繼電器接線4、反應突變量阻抗繼電器（1）反應工作電壓相位變化極化電壓取工作電壓前一個周期的值，記為：

動作方程為：4.3阻抗繼電器接線原理：反映阻抗繼電器工作電壓相位突變或幅值突變構(gòu)成的阻抗繼電器。阻抗繼電器測量的是工作電壓前、后周期的相位變化，在穩(wěn)定狀態(tài)下阻抗繼電器不可能動作，只有在發(fā)生短路故障后的第一個周期才有可能動作，所以稱為突變量阻抗繼電器。反映接地短路故障動作方程為：4.3阻抗繼電器接線

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主講人：許建安4.4選相原理

一個CPU判斷十種故障類型和相別耗時太長，因此要求在處理故障之前，預先進行故障類型和相別的判斷。識別出故障相別后，將相應的電壓、電流量取出，送至故障判別處理程序，可大量節(jié)約時間。當然對故障類型和相別判斷必須要有足夠準確性。選相元件只承擔選相任務，不承擔測量故障點距離和故障方向的任務。4.4選相原理要求：1）在保護區(qū)內(nèi)發(fā)生任何形式的短路故障時，能判別故障相別，或判別出是單相故障還是多相故障。2）單相接地故障時，非故障相選相元件可靠不動作。3）在正常運行時，選相元件應該不動作。4）動作速度要快。4.4選相原理故障選相流程：4.4選相原理1、相電流差工頻變化量選相原理：利用系統(tǒng)發(fā)生短路故障時兩相電流差的變化量的幅值特征來區(qū)分各種類型故障。利用對稱分量法可得：4.4選相原理為分析方便，設1）A相接地短路故障兩非故障相電流差為零。4.4選相原理2）兩相短路（BC）兩相故障相電流差最大。4.4選相原理3）三相短路三個兩相電流差故障分量相等。4.4選相原理4）兩相接地（BC）若金屬性短路，k為實數(shù)且0＜k＜1一般情況下兩相接地短路與兩相短路相同，故障相電流差最大。4.4選相原理2、對稱分量選相原理：先判斷是否存在零序分量，排除三相短路和兩相短路，再用零序電流和負序電流進行比較，分析單相接地短路和兩相接地短路的區(qū)別。（1）單相接地短路4.4選相原理4.4選相原理定性分析設（1）A相接地時，（2）B相接地時，和（3）C相接地時，和4.4選相原理（2）兩相接地短路4.4選相原理（3）選相方法以基準選相區(qū)域，落在在不同相位區(qū)，對應了不同的接地故障類型和相別。

4.4選相原理

雖然可以用電流大小來區(qū)別兩種故障，但是測量電流受負荷電流影響，不能實現(xiàn)準確判別，特別在接地電阻較大時。

（1）當時，若在內(nèi)，則判為兩相接地短路故障。4.4選相原理4.4選相元件2、余弦電壓選相4.4選相原理＞4.4選相原理如果不計電阻分量，

簡化為：若取4.4選相原理測量阻抗為：其中：4.4選相原理BC相經(jīng)過渡電阻短路時，測量阻抗為4.4選相原理4.4選相原理只要能覆蓋的動作區(qū)，余弦電壓元件會動作。動作判據(jù)為＜＜4.4選相原理

發(fā)生接地短路故障時，滿足A相為特殊相條件，則A相或BC相接地短路故障。若元件動作，則判為BC接地短路故障。若不動作，判A相接地短路故障，實現(xiàn)了選相。4.4選相原理小結(jié)：1）為了能正確地測量短路點至保護安裝處的阻抗，分別裝設了相間短路和接地短路距離保護。2）微機保護中采用選相，其目的是為節(jié)約微機時間。3）要求故障類型及相別判斷準確性要高。4.4選相原理4）選相元件僅承擔選相任務，不承擔測量故障點距離和故障方向。5）相電流差工頻變化量選相原理是比較幅值大小。6）余弦電壓選相是利用故障點過渡電阻特征。4.4選相原理

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4.6啟動元件1、啟動元件的作用（1）閉鎖作用。因啟動元件動作后才給上保護裝置的電源，所以裝置在正常運行發(fā)生異常情況時是不會誤動作的，此時啟動元件起到閉鎖作用，提高了裝置工作的可靠性。（2）在某些距離保護中，啟動元件與振蕩閉鎖啟動元件為同一個元件，因此啟動元件起到了振蕩閉鎖的作用。4.6啟動元件（3）若保護裝置中第Ⅰ段和第Ⅱ段用同一阻抗測量元件，則啟動元件動作后按要求自動地將阻抗定值由第Ⅰ段切換到第Ⅱ段。當保護裝置采用Ⅱ、Ⅲ段切換時，同樣按要求能自動地將阻抗定值由第Ⅱ段切換到第Ⅲ段。（4）當保護裝置只用一個阻抗測量元件來反應不同短路故障形式時，則啟動元件應能按故障類型將適當?shù)碾妷?、電流組合加于測量元件上。4.6啟動元件2、對啟動元件的要求（1）能反應各種類型的短路故障，即使是三相同時性短路故障，啟動元件也應能可靠啟動。（2）在保護范圍內(nèi)短路故障時，即使故障點存在過渡電阻，啟動元件也應有足夠的靈敏度，動作可靠、快速，在故障切除后盡快返回。4.6啟動元件（3）被保護線路通過最大負荷電流時，啟動元件應可靠不動作；電力系統(tǒng)振蕩時啟動元件不允許動作。（4）當電壓回路異常時，阻抗繼電器可能發(fā)生誤動作，此時啟動元件不應動作，為此啟動元件應采用電流量，不采用電壓量來構(gòu)成啟動元件。4.6啟動元件（5）為能發(fā)揮啟動元件的閉鎖作用，構(gòu)成啟動元件的數(shù)據(jù)采集、CPU等部分最好應完全獨立，不應與保護部分共用。3、負序、零序電流啟動元件距離保護啟動元件：1）電流元件2）阻抗元件3）負序和零序電流元件4）電流突變量元件等4.6啟動元件電流啟動元件優(yōu)缺點優(yōu)點：簡單可靠、電壓回路斷線失壓不誤啟動在較高電壓等級的網(wǎng)絡中，靈敏度難于滿足要求，且振蕩時要誤啟動，只適用于及以下網(wǎng)絡的距離保護中。不對稱短路特點：一般三相短路是由不對稱短路發(fā)展而成，所以在三相短路的初瞬間也有負序電流出現(xiàn)。4.6啟動元件零序電流啟動：提高啟動元件靈敏度，與負序電流共同構(gòu)成啟動元件。4、序分量濾過器算法獲取負序零序分量方法1）用負序、零序濾過器2）微機保護中，通過算法實現(xiàn)4.6啟動元件1、直接移相原理的序分量濾過器對于序列相應公式為4.6啟動元件

設每周采樣12點，即N=12，根據(jù)移相時的數(shù)據(jù)窗不同有不同的算法。當時，電壓相位相對于時滯后角度，對應采樣值為當分別為8和4時，電壓相量旋轉(zhuǎn)了