第四章距离保护

第四章距离保护一、GB50062-92《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》对距离保护的规定（一）对110kV线路的下列故障，应装设相应的保护装置(1)单相接地短路。(2)相间短路。（二）110kV线路装设相间短路保护装置的配置原则如下(1)主保护的配置原则。在下列情况下，应装设全线速动的主保护。1)系统稳定有要求时。2)线路发生三相短路，使发电厂厂用电母线或重要用户电压低于额定电压的60%,且其他保护不能无时限和有选择性地切除短路时。(2)后备保护的配置原则。11OkV线路后备保护配置宜采用远后备方式。(3)根据上述110kV线路保护的配置原则，对接地短路，应装设相应的保护装置，并应符合下列规定:1)宜装设带方向或不带方向的阶段式零序电流保护。2)对某些线路，当零序电流保护不能满足要求时，可装设接地距离保护，并应装设一段或二段零序电流保护作后备保护。(4)根据上述11OkV线路保护的配置原则，对相间短路，应装设相应的保护装置，并应符合下列规定:1)单侧电源线路，应装设三相多段式电流或电流电压保护。2)双侧电源线路，可装设阶段式距离保护装置。3)并列运行的平行线,可装设相间横联差动及零序横联差动保护作主保护。后备保护可按和电流方式连接。4)电缆线路或电缆架空混合线路，应装设过负荷保护。保护装置宜动作于信号。当危及设备安全时，可动作于跳闸。二、DL400-91《继电保护和安全自动装置技术规程》规定（一）ll0~220kV中性点直接接地电力网中的线路保护（1）对相间短路，应按下列规定装设保护装置：1）单侧电源单回线路，可装设三相电流电压保护，如不能满足要求，则装设距离保护；2）双侧电源线路宜装设距离保护。（2）对接地短路，可采用接地距离保护，并辅之以阶段式或反时限零序电流保护。（二）330~500kV线路的后备保护（1）对相间短路，后备保护宜采用阶段式距离保护。（2）对接地短路，应装设接地距离保护并辅以阶段式或反时限零序电流保护，对中长线路，若零序电流保护能满足要求时，也可只装设阶段式零序电流保护。接地后备保护应保证在接地电阻不大于300Ω时，能可靠地有选择性地切除故障。第一节距离保护概述一、距离保护的原理这种反应故障点到保护安装处之间的距离，并根据这一距离的远近决定动作时限的一种保护，称为距离保护。距离保护实质上是反应阻抗的降低而动作的阻抗保护。二、距离保护的时限特性距离保护的动作时限与故障点至保护安装处之间的距离的关系，称为距离保护的时限特性。目前广泛应用的是三段式阶梯时限特性的距离保护。距离保护的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段与电流保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段相似。为了保证选择性，距离Ⅰ段的保护范围应限制在本线路内，其动作阻抗应小于线路阻抗，通常其保护范围为被保护线路的全长的80％～85％。距离Ⅱ段的保护范围超出本线路全长，才能保护线路全长，所以应与下线路Ⅰ段相配合，即不超出下线路Ⅰ段保护范围，动作时限也与之配合。如图4-2所示，1处保护的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段动作时限和保护范围。距离保护Ⅲ段作为Ⅰ、Ⅱ段的近后备保护又作相邻下一线路距离保护和断路器拒动时的远后备保护。距离Ⅲ段整定阻抗的选择与过电流保护相似，按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定。Ⅲ段保护范围较大，所以其动作时限也按阶梯时限原则整定。即：tⅢ1＝tⅢ2＋Δt除了采用三段式距离保护外，也可以采用两段式距离保护。第二节阻抗元件的动作特性四、圆特性阻抗元件（1)偏移圆特性|setmZZ21|≤|setZ21|（4-3）相位比较原理表达式：omsetmsetoZZZZ90arg90（4-4）（2)方向圆特性方向圆特性的绝对值比较动作方程：setsetmZZZ2121(4-5)将=0代入式（4-5），可得到方向圆特性的相位比较动作方程：ommsetoZZZ90arg90(4-6)（3)全阻抗特性全阻抗特性的绝对值比较动作方程：setmZZ(4-7)可得到全阻抗特性的相位比较动作方程：omsetmsetoZZZZ90arg90(4-8)全阻抗圆特性在各个方向上的动作阻抗都相同，它在正向或反向故障的情况下具有相同的保护区，即阻抗元件本身不具方向性。全阻抗元件可以应用于单侧电源的系统中，当应用于多侧电源系统时，应与方向元件相配合。RjXOZsetZmRjXOZsetZmZset/2Zset/2RjXOZsetZm-αZset(a)(b)(c)图4-8圆特性(a)全阻抗特性圆；(b)方向特性阻抗圆；(c)偏移特性阻抗圆；QMZ123PZZL1L2L3KAtlt1Ⅱt1Ⅰt1Ⅲ图4-2三段式距离保护的阶梯形时限特性*第三节工频变化量距离继电器工频变化量阻抗元件的基本原理是测量工作电压工频变化量ΔopU的幅值。电力系统发生短路故障时，其短路电流、电压可分解为故障前负荷状态的电流电压分量和故障分量，如图4-11的短路状态（A）可分解为图（B）、（C）二种状态下电流电压的迭加，反应工频变化量的继电器不受负荷状态的影响，因此，只要考虑图（C）的故障分量。动作方程为：|ΔopU|＞UZ(4-9)对相间故障：Uop.L=UL-IL×Zset(4-10)对接地故障：UopH=UPH-(IPH+K×3I0)×Zset(4-11)式中Zset——整定阻抗，一般取0.8～0.85倍线路阻抗；UZ——动作门坎，取故障前工作电压的记忆量；UL——相间短路电压差（短路电压）；UPH相电压（短路电压）。IL——相间短路电流差（短路电流）；IPH相电流（短路电流）。Uop——测量电压（工作电压）。如图4-12所示，为保护区内外各点金属性短路时的电压分布，设故障前系统各点电压一致，即各故障点故障前电压为UN,则|ΔEK1|＝|ΔEK2|＝|ΔEK3|＝UN；对反应工频变化量的继电器，系统电势为零，因而仅需考虑故障点附加电势ΔEK。区内故障时，如图4-12（A），ΔUop在本侧系统至ΔEK1的连线的延长线上，可见，ΔUopΔEK1，继电器动作。反方向故障时，如图4-12（B），ΔUop在ΔEK2与对侧系统的连线上，显然，ΔUopΔEK2，继电器不动作。区外故障时，如图4-12（C），ΔUop在ΔEK3与本侧系统的连线上，ΔUopΔEK3，继电器不动作。正方向经过渡电阻故障时的动作特性可用解析法分析，如图4-13所示：以三相短路为例，设UNEK由EK＝IZSZK)MNΔIΔEM=0ΔEN=0ΔEK1ΔUΔEK2K2K1ΔEK3K3ZsetΔUΔUΔUΔEK1ΔEK3ΔUopΔUopΔUop（A）（B）（C）图4-12保护区内外各点金属性短路时的电压分布图EM0ZSIZKINEN0URGEKZset图4-13正方向经过渡电阻故障计算用图ΔUopUIZsetIZSZset)(4-12)则IZSZset)|IZSZK)||ZSZset|ZSZK|(4-13)式中Zm为测量阻抗，它在阻抗复数平面上的动作特性是以矢量ZS为圆心，以|ZSZset|为半径的圆，如图4-14（a）所示，当ZK矢量末端落于圆内时动作，可见这种阻抗继电器有大的允许过渡电阻能力。当过渡电阻受对侧电源助增时，由于IN一般与I是同相位，过渡电阻上的压降始终与I同相位，过渡电阻始终呈电阻性，与Ｒ轴平行，因此，不存在由于对侧电流助增所引起的超越问题。对反方向短路,如图4-15所示。仍假设UZEKEK＝ISZZK)UOPUIZsetISZZset)(4-14)则SZZset|SZZK|测量阻抗ZK在阻抗复数平面上的动作特性是以矢量SZ为圆心，以SZ-Zset为半径的圆，如图4-14（b）所示，动作圆在第一象限，而因为-ZK总是在第三象限，因此，阻抗元件有明确的方向性。第四节影响距离保护正确工作的因素及消除方法影响距离保护正确工作的因素较多，最主要的影响因素有：（1）故障点的过渡电阻。（2）故障点与保护安装处之间的分支电流。（3）电压互感器二次回路断线。（4）系统振荡等。（5）串联补偿电容。（6）电流互感器、电压互感器误差。下面分别就过渡电阻、分支电流、二次断线及系统振荡进行分析，并得出消除措施。一、过渡电阻的影响过EM0ZKIZ'SEN0EKsetRG图4-15反方向故障计算图(a)(b)图4-14工频变化量阻抗元件特性图(a)正方向短路动作特性；(b)反方向短路动作特性1050LtrKLRI（Ω）（4-15）式中LL——电弧长度，m；IK——短路电流有效值，Ａ。Ｒtr过渡电阻的最大值出现在短路后的0.3～0.5S，所以Ｒtr对第Ⅱ段的影响最大。消除措施：（1）使用四边形动作特性的测量元件。（2）使用能完全躲开过渡电阻的算法。二、分支电流的影响（一）助增电流的影响如4-17(a)图所示在点k短路时，距离保护的测量阻抗为ABkBKABABmILZILZIZ11kABBKABLZIILZ11kbraABLZKLZ11（4－16）式中braK——分支系数，ABBKbraIIK，一般情况下可认为ABI与BKI同相位，即braK为实数，考虑助增电流的影响，braK＞1。由于助增电流的存在，距离保护Ⅱ段的测量阻抗将增大，使保护范围缩短。（二）汲出电流的影响如图4-17(b)所示，k点短路时，距离保护的测量阻抗为ABkBKABABmILZILZIZ121kABBKABLZIILZ121kbraABLZKLZ11（4－17）由于汲出电流的存在，距离保护Ⅱ段的测量阻抗减小，使其保护范围扩大。分支系数的大小与系统运行方式有关，在整定时分支系数取各种可能运行方式下的最小值。这样当运行方式改变，使分支系数增大时，只会使其测量阻抗增大，保护范围缩小，不会造成无选择的动作。图4-16过渡电阻对阻抗元件的影响图4-17(b)具有汲出电流的网络图图4-17（a）具有助增电流的网络图系统振荡的影响系统振荡视为不正常运行状态，要求保护不动作，可根据系统需要预先指定解列点，需要解列时在指定点解列，将两系统一分为二独立运行。系统振荡时距离保护是否会误动作，可从两方面进行考查：一是看系统振荡时Zm是否穿过动作区；二是看Zm在动作区的停留时间。如果测量阻抗的变化周期大于保护的动作时限，当测量阻抗穿越保护动作区时保护将误动作。所以距离Ⅰ段受振荡的影响是最大的，只要测量阻抗穿过动作区，保护就会误动作；而第Ⅱ段就因振荡周期的不同而产生不同的后果；距离Ⅲ段受系统振荡的影响小，因为第Ⅲ段的动作时间长。在整个距离保护装置中一般不考虑系统振荡对距离Ⅲ段的影响。2、电力系统振荡和系统短路的主要区别(1)振荡时，电流和各点电压的幅值均作周期性变化(如图4—19所示)，只在δ=180°时才出现最严重的现象；而短路后，短路电流和各点电压的值，当不计其衰减时，是不变的。此外，振荡时电流和各点电压幅值的变化速度(dtdi，dtducos)较慢，而短路时电流是突然增大，电压也突然降低，变化速度很快。(2)振荡时，任一点电流与电压之间的相位关系都随δ的变化而改变；而短路时，电流和电压之间的相位是不变的。(3)振荡时，三相完全对称，电力系统中没有负序分量、零序分量出现；而当短路时，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、零序分量。根据以上区别，振荡闭锁回路可以实现：当系统出现振荡时，将距离保护中会误动的阻抗元件闭锁，防止保护误动。当发生短路时开放保护，保护动作于切除故障。第五节距离保护的整定计算一、距离Ⅰ段的整定为了保证保护的选择性，在相邻的下线路首端短路时本保护不动作，距离Ⅰ段的动作阻抗不应超过本线路的全长的阻抗Ｚ1ＬＡＢ，取可靠系数IrelK则1IIsetrelABZKZL（4－25）式中IrelK——可靠系数，考虑互感器的误差及保护装置的误差等因素，一般取0.8～0.85；Ｚ