1、第三章 电网的距离保护 第一节 距离保护的作用原理 一基本概念 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。 A B C 1 2 3 Z d U d . . . . 1 f e f d d d ld I U Z I U Z Z ，反映故障点到保护安装处的距离距离保护，它基 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： AB I dz Z Z ) 85 . 0 8 . 0 ( 1 ，瞬时动作 主保护II段： ) ( 2 1 I dz AB II K II dz Z Z
2、 K Z ，t=0.5 III 段：躲最小负荷阻抗，阶梯时限特性。后备保 护 1 2 3 t 1 I t 1 II t 2 I t 1 III t 2 II t 2 III 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：指加入继电器的只有一个电压 U J （相电压或线电压）和一个电流 I J （相电流或两相电流之差）的阻抗继电器。 J J J I U Z . . 测量阻抗 Z J =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：加入的是几个相的补偿后的电压。它能反映多相故障，但不
3、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。 一阻抗继电器的动作特 Z J A B B C CT I J U J PT PT l d PT l l PT J J J n n Z n n I U n I n U I U Z 1 . 1 . 1 . 1 . . . BC 线路距离 I 段内发生单相接地故障，Z d 在图中阴影内。 由于： 1）线路参数是分布的， d 有差异 2) CT,PT有误差 3）故障点过渡电阻4）分布电容等 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。 圆 1：以 od为半径全阻抗继电器 （反方向故障时，会误动，
4、没有方向性） 圆 2：以 od为直径方向阻抗继电器 （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：幅值比较原理 B A U U . . 相位比较原理 90 arg 90 . . D C U U （一） 全阻抗继电器 特性：以保护安装点为圆心（坐标原点） ， 以 Z zd 为半径的圆。圆内为动作区。Z dz.J 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 d 多大， zd J dz Z Z . ，它没有方向 性。 1. 幅值比较原理： zd J Z Z 两变同乘 J I . ，且
5、J J J U Z I . . ，所R jX ZZd ZJ 1 2 3 R jX A C d o B d 以 zd J J Z I U . . ，这也就是动作方程。 2. 相位比较原理 90 arg 90 J zd J zd Z Z Z Z分子分母同乘以 I J ，得： 90 arg 90 . . . . J zd J J zd J U Z I U Z I （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。 Zdz.J 随J 改变而改变，当J 等于 Zzd 的阻抗角时，Zdz.J 最大，即保护范 围最大，工作最灵敏。 lm最大灵敏角，它本身具有方 向性。 1. 幅值
6、比较原理： zd zd J Z Z Z 2 1 2 1 zd J zd J J Z I Z I U . . . 2 1 2 1 2. 相位比较原理： 90 arg 90 J zd J Z Z Z 90 arg 90 . . . J zd J J U Z I U（三） 偏移特性阻抗继电器 正方向：整理阻抗 Z zd 反方向：偏移-Z zd (1) 圆内动作。 圆心： zd zd zd Z Z Z Z ) 1 ( 2 1 ) ( 2 1 0 半径：R= zd Z ) 1 ( 2 1 Z dz.J 随 J 变化而变化,但没有安全的方R jX Zzd Zzd-ZJ ZJ ZJ+Zzd Z zdZ J
7、Z zd -Z J R jX -Zzd Z0 Zzd R jX lm Z J Z J -1/2Z zd R jX Z zd 向性。 1. 幅值比较原理 zd J Z Z Z ) 1 ( 2 1 0 zd zd J Z Z Z ) 1 ( 2 1 ) 1 ( 2 1 . . . . ) 1 ( 2 1 ) 1 ( 2 1 zd J zd J J Z I Z I U 2. 相位比较原理 90 arg 90 J zd zd J Z Z Z Z 90 arg 90 . . . . J zd J zd J J U Z I Z I U 总结三种阻抗的意义： 1）测量阻抗 Z J ：由加入继电器的电压 U
8、J 与电流 I J 的比值确定。J J J I U . . arg 2）整定阻抗 Z zd ：一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 dz.J ：它表示当继电器刚好动作时，加入继电器的电压 U J 和电流 I J 的比值。 除全阻抗继电器以外：Z dz.J 随 J 的不同而改变。 当 J = lm 时，Z dz.J =Z zd ，此时最大。 三阻抗继电器的构成 主要由两大基本部分组成：电压形成路和幅值比较或相位比较回路。-Z zd Z
9、 0 Z zd Z J Z J -Z 0 R jX -Z zd Z zd Z zd -Z J R jX Z J Z J +Z zd 电 压 形 成 U JI J 比 幅 回 路 执行 （输出） U A U B 交流回路 电 压 形 成 U J I J 比 相 回 路 执行 （输出） U C U D 交流回路 U A U B U C U D 基本上是由 U J 和 I J Z zd 组合而成。而 U J 可直接从 PT 二次侧取得， 必要时经 YB 变换。而 I J Z zd 则经过 DKB 获得。 （一） 方向阻抗继电器交流回路的原理接线 zd J A Z I U . . 2 1 J c U
10、U . . zd J J B Z I U U . . . 2 1 J zd J D U Z I U . . . 其它的继电器的交流回路的组成，可参照此图自行作成。 （二） 幅值比较回路 将 U A 和 U B 分别整流后进行幅值比较，有两种类型： 1均压式 2环流式 U A 整流后在 R 1 上产生 U a ， U A 整流后在 R 1 回路产生 I a , U B 整流后在 R 2 上产生 U b 。 U B 整流后在 R 2 回路产生 I b 。 继电器反应 U ab =U a -U b 而动作。 继电器反应 I a -I b 而动作。U A J U B a b R 1 U a R 2 U
11、 b U ab* U A J U B R 1R 2 I aI bI a -I b* U A U B I J 1/2I J Z zd 1/2I J Z zd U J YB DKB U D UC I J I J Z zd U J YB DKB t t t t t U 1U 2U 3 U 4U 0不动作 （三）相位比较回路 1直接比相式 90 arg 90 . . D C U U 它是以测定 U C 和 U D 同时为正的 时间来判断它们的相位。2脉冲式比相电路方 波 方 波 du dt & 0 20 ms U 01 2 3 U D U C微分元件（产生脉冲输出的时间与 U C 方波的 前沿同时）
12、方 波 方 波 & 5 0 ms 0 20 ms U 0 1 2 U C U D 延时动作 瞬时返回 (角度鉴别器) 瞬时动作 延时返回 (脉冲鉴宽电路) U C U D U t t t t t t U 0 U 4 U 1 U 2 U 3 动作 90 5ms U C U D U t t t t t t U 0 U 4 U 1 U 2 U 3 不动作 加移相器后移相将 . C U 移相 90 ，即 . 90 . e U U C C原比相动作方程变为： 0 arg 180 . . D C U Ut t t t t U D (U 1 ) U C (U 2 ) U 3 U 4U 0动作 t t t t
13、 t U 1 U 2 U 3 U 4 U 0 不动作 第三节 阻抗继电器的接线方式 一基本要求1要求测量阻抗 Z J 正比于保护安装处到短路点的阻抗。 2 要求测量阻抗的值仅与保护安装处至故障点的距离有关，而与故障类型无关。 二常用接线方式参见 P 90 ，表 3-2，其中 0 接线，+30 接线和-30 接线的阻抗继电器用于反映各种相间 短路。相电压和具有k3I 0 补偿的相电流接线用于反映各种接地故障。 三分析 （一） 母线残压计算公式：假设：Z 1 =Z 2 ，不计负荷电流在线路上 D 点发生单相接地故障时，母线电压的表达式：D . . . 0 0 . 2 2 . 1 1 . . . d
14、 A d A d A AD A l Z I l Z I l Z I U U d A Ad d A d A Ad d A d A d A d A d A AD l Z I k I U l Z Z I l Z I U l Z I l Z I l Z I l Z I l Z I U . . 1 . 0 . . . . . 1 0 0 . 1 . . 1 0 0 0 1 0 1 2 1 1 ) 3 ( ) ( （其中：k=(Z 0 -Z 1 )/3Z 1 ，零序补偿系数。 ） 同理： . . 1 . 0 . ) 3 ( d B Bd B l Z I k I U U d C Cd C l Z I k I
15、 U U 1 . 0 . . . ) 3 ( （二） 0接线方式的分析（设n PT =n l =1） 1三相短路 因为三相对称，继电器1，继电器2，继电器3工作情况完全相同，所以就以继电器1 为例分析。 0 . . . Cd Bd Ad U U U0 3 . 0 I d B A d B A B A B A J l Z I I l Z I I I I U U Z 1 . . 1 . . . . . . 1 ) ( 同理 Z J2 =Z j3 =Z 1 l d 结论：在三相短路时，Z J1 ，Z J2 ，Z J3 均等于短路点到保护安装处点的线路正序阻 抗。 2两相短路 以 BC 两相短路为例。
16、I U ld C B I I . . 0 . A I0 3 . 0 I. . A A E U d B Bd B l Z I U U 1 . . . d C Cd C l Z I U U 1 . . . d C B d C B C B C B J l Z I I l Z I I I I U U Z 1 . . 1 . . . . . . 2 ) ( . . Cd Bd U U d B A Bd d B d B Bd A B A B A J l Z I E U l Z I l Z I U E I I U U Z 1 . . . 1 . . 1 . . . . . . 1 d C A Cd d C
17、A d C Cd A C A C J l Z I E U l Z I E l Z I U I I U U Z 1 . . . 1 . . 1 . . . . . . 2 结论：接于故障环路的阻抗继电器可以正确反映保护安装处到故障点之间的线路 正序阻抗。其余两只阻抗继电器的测量阻抗很大，不会动作。这也就是为什 么要用三个阻抗继电器并分别接于不同相间的原因。 3中性点直接接地电网的两相接地短路 仍然以 BC 两相接地短路为例 0 . . Cd Bd U U0 3 . 0 I d C B d d d C B C B C B J l Z I I l Z I k l Z I k l Z I I I I
18、U U Z 1 . . 1 . 0 1 . 0 1 . . . . . . 2 3 3 ) ( d B A B A J l Z I I U U Z 1 . . . . 1 d J l Z Z 1 3 结论：同两相短路。 （三） 接地短路阻抗继电器的接线方式 以 A 相接地短路为例 0 . Ad Ud A d A A A J l Z I k I l Z I k I I k I U Z 1 . 0 . 1 . 0 . . 0 . . 1 3 ) 3 ( 3 可见：它能正确测量以短路点到保护安装处之间线路正序阻抗。 d B B B J l Z I k E I k I U Z 1 . 0 . . 0
19、. . 2 3 3 d J l Z Z 1 3 均不动 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，故进一步分析之。 一方向阻抗继电器的死区和消除方法 （一） 产生死区的原因 在保护正方向出口发生相间短路时，U J =0，继电器不动作。发生这种情况的一定范围， 就称为“死区” 。 1幅值比较式zd J zd J U zd J zd J J Z I Z I Z I Z I U J . . 0 . . . 2 1 2 1 2 1 2 1 . 而实际上，继电器的执行元件动作需要一定的功率，所
20、以继电器不动。 2相位比较式 90 arg 90 . . . J zd J J U Z I U 因为 U J =0，无法比相，所以继电器不动。 （二） 消除死区的方法 引入极化电压 U P ，要求如下： 1）与 U J 同相位 2）出口短路时，U P 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 组成的电路。当 Uj=0 时，由暂态过程产生的电流在电阻上产生 一个电压。 作为极化电压。 以当出口短路时， U J =0。U p 在一定时间内逐渐衰 减，其相位保持原先的相位不 变。这就相当于把原先的电压 记忆下来，故称为
21、“记忆回路” 。 2引入非故障电压 正常运行时，U AB 较大，R S 又很大。I R 主要由 U AB 产生，第三相电压基本上不起作用。 当 AB 相间短路时，U AB =0，记忆回路发挥作用。但 U p 将逐渐衰减到零，此时第三相 电压的作用将表现出来。 U J C L R I R U p JYB 故障前 故障后 U J U p Ut U A U B U C U J =U AB C L R S (30K82K) R (1K) I R U p JYB 因为 L jX)/jX - (R ) ( 很大 S R ，所以 I S 与 U AC 同相位。 R jX I jX jX R jX I I L
22、 S L C L S R . . .L S R p jX I R I U . . . 见左边向量图，U p 与 U AB (E AB )同相 位 所以出口两相短路时，因为第三相电 压而产生的 U p 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 带通有源滤波器响应特性的时间延 迟，起到记忆作用。 （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达到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，U p 有一个过渡过程。继电器特性则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）幅值比较式 zd J P zd J J P Z I U Z I U U . . . . . 2 1 2 1 EC=U C U p IR EB EA U B U A IS A A B B R jX ZJ Zzd Zp 等腰梯形 C L R SR I R JYB U AC I L I S
