电力系统继电保护 第三章

第3章电网的距离保护本章讲述了距离保护的基本工作原理、实现方法及影响距离保护正确动作的原因，重点讲述了过渡电阻、分支电流及系统振荡对测量阻抗的影响及防止措施，同时给出距离保护整定的原则及对其的评价和应用，最后对继电保护与变电站综合自动化系统予以简单介绍。3.1距离保护的基本原理随着电力系统的进一步发展，出现了容量大、电压高、距离长、负荷重和结构复杂的网络，这时简单的电流、电压保护就难于满足电网对保护的要求。如高压长距离、重负荷线路，由于负荷电流大，线路末端短路时，短路电流数值与负荷电流相差不大，故电流保护往往不能满足灵敏度的要求；对于电流速断保护，其保护范围受电网运行方式的变化而变化，保护范围不稳定，某些情况下甚至无保护区，所以不是所有情况下都能采用电流速断保护的；对于多电源复杂网络，方向过电流保护的动作时限往往不能按选择性的要求整定，且动作时限长，难于满足电力系统对保护快速动作的要求。自适应电流保护，是根据保护安装处正序电压、电流的故障分量，可计算出系统正序等值阻抗，同时通过选相可确定故障类型，取相应的短路类型系数值，使自适应电流保护的整定值随系统运行方式、短路类型而变化，这样就克服了传统电流保护的缺点，从而使保护区达到最佳效果。但在高电压、结构复杂的电网中，自适应电流保护的优点还不能得到发挥。因此，在结构复杂的高压电网中，应采用性能更加完善的保护装置，距离保护就是其中的一种。3.1.1距离保护的基本原理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，故有时又称阻抗保护。测量阻抗通常用mZ表示，它定义为保护安装处测量电压mU•与测量电流mI•之比，即mmmUZI••=(3-1)式中mZ——一复数，在复平面上既可以用极坐标形式表示，也可以用直角坐标形式表示，即mmZZ=∠mmmjRXϕ=+(3-2)式中|mZ|——测量阻抗的阻抗值；第3章电网的距离保护·75··75·mϕ——测量阻抗的阻抗角；mR——测量阻抗的实部，称测量电阻；mX——测量阻抗的虚部，称测量电抗。电力系统正常运行时，mU•近似为额定电压，mI•为负荷电流，mZ为负荷阻抗。负荷阻抗的量值较大，其阻抗角为数值较小的功率因数角(一般功率因数不低于0.9，对应的阻抗角不大于25.8°)，阻抗性质以电阻性为主。当线路故障时，母线测量电压为mU•=kU•，输电线路上测量电流为mI•=kI•，这时测量阻抗为保护安装处到短路点的短路阻抗kZ，即mZ=mU•/mI•=kU•/kI•=kZ(3-3)在短路以后，母线电压下降，而流经保护安装处的电流增大，这样短路阻抗kZ比正常时测量到的阻抗mZ大大降低，所以距离保护反应的信息量测量阻抗mZ在故障前后变化比电流变化大，因而比反应单一物理量的电流保护灵敏度高。距离保护的实质是用整定阻抗setZ与被保护线路的测量阻抗mZ比较。当短路点在保护范围以内时，即mZ＜setZ时，保护动作；当mZ＞setZ时，保护不动作。因此，距离保护又称低阻抗保护。3.1.2三相系统中测量电压和测量电流的选取上面的讨论是以单相系统为基础的，在单相系统中，测量电压mU•就是保护安装处的电压，测量电流mI•就是被保护元件中流过的电流，系统金属性短路时两者间的关系为mmmmkm1kUIZIZIZL••••===(3-4)式中111jZrx=+为单位长度线路的复阻抗，单位为/kmΩ，1r、1x分别为单位长度线路的正序电阻和电抗。式(3-4)是距离保护能够用测量阻抗来正确表示故障距离的前提和基础，即只有测量电压、测量电流之间满足该式，测量阻抗才能准确反应故障的距离。在实际三相系统中，可能发生多种不同的短路故障，而在各种不对称短路时，各相的电压、电流都不再简单地满足式(3-4)，需要寻找满足式(3-4)的电压、电流接入保护装置，以构成在三相系统中可以用的距离保护。现以图3.1所示网络中k点发生短路故障时的情况为例，对此问题予以分析。图3.1故障网络图按照对称分量法，可以算出M母线上各相的电压为电力系统继电保护·76··76·AkAA11kA22kUUIZLIZL••••=+++A02kIZL•=01kAA1A2A0A01k1()33ZZUIIIIZLZ•••••⎡⎤−++++⎢⎥⎣⎦=kAA01k(3)UIKIZL•••++×(3-5a)BkBUU••=+B01k(3)IKIZL••+×(3-5b)CkCC01k(3)UUIKIZL••••=++×(3-5c)式中kAU•、kBU•、kCU•——故障点k处A、B、C的三相电压；AI•、BI•、CI•——流过保护安装处的三相电流；A1I•、A2I•、A0I•——流过保护安装处A相的正序、负序、零序电流；1Z、2Z、0Z——被保护线路单位长度的正序、负序、零序阻抗，一般情况下可按正、负序阻抗相等考虑；K——零序电流补偿系数，0113ZZKZ−=，可以是复数。对于不同类型和相别的短路，故障点的边界条件是不同的，下面就几种故障情况予以分析。1.单相接地短路故障((1)k)以A相接地为例，当A相发生金属性短路时，kA0U•=，式(3-5a)变为AU•=A01k(3)IKIZL••+×(3-6)若令mAAUU••=、mAA03IIKI•••=+×，则式(3-6)变为mAmA1kUIZL••=(3-7)与式(3-4)具有相同的形式，因而由mAU•、mAI•算出的测量阻抗能够正确反应故障的距离，从而可以实现对故障区段的比较和判断。对于非故障相B、C，若令mBBUU••=、mBB03IIKI•••=+×或mCCUU••=、mCC03IIKI•••=+×，由于kBU•、kCU•不为零，式(3-5a)和式(3-5c)无法变成式(3-4)的形式，所以两非故障相的测量电压、电流不能准确地反应故障的距离。又由于kBU•、kCU•均接近正常电压，而BI•、CI•均接近正常负荷电流，B、C两相的工作状态与正常负荷状态相差不大，所有在A相故障时，由于B、C两相电压、电流算出的测量阻抗接近负荷阻抗，对应的距离一般都大于整定距离，由它们构成的距离保护一般都不会动作。同理分析表明，在B相发生单相接地故障时，用mBBUU••=、mBB03IIKI•••=+×作为测量电压、电流能够正确反应故障距离，而用mAU•、mAI•或mCU•、mCI•作为测量电压、电流计算出的距离一般都大于整定距离；C相发生单相接地故障时，用mCCUU••=、mCC03IIKI•••=+×作为测量电压、电流能够正确反应故障距离，而用mAU•、mAI•或mBU•、mBI•作为测量电压、电流计算出的距离一般都大于整定距离。第3章电网的距离保护·77··77·2.两相接地短路故障((1,1)k)系统发生金属性两相接地故障时，故障点处两接地相的电压都为0，以B、C两相接地故障为例，即kB0U•=、kC0U•=。令mBBUU••=，mBB03IIKI•••=+×或mCCUU••=、CmC03IIKI•••=+×，可以得到mBmB1kUIZL••=×(3-8)mCmC1kUIZL••=×(3-9)两式均与式(3-4)形式相同，所以由mBU•、mBI•或mCU•、mCI•作出的测量和判断都能够正确反应故障距离。非故障相A相故障点处的电压kAU•≠0，mAU•、mAI•之间不存在式(3-4)所示的关系，且保护安装处的电压、电流均接近正常值，所以B、C两相接地故障时，用mAU•、mAI•算出的距离不能正确反应故障的距离，且一般均大于整定距离。将式(3-5a)和式(3-5c)相减，可得BCUU••−=BC1k()IIZL••−(3-10)令mBCBCUUU•••=−、mBCBCIII•••=−，也可得到与式(3-4)相同的形式，因而用它们作为距离保护的测量电压和测量电流，同样能够正确反应故障距离。由于在B、C两相接地故障的情况下，mABABUUU•••=−、mABABIII•••=−以及mCACAUUU•••=−、mCACAIII•••=−之间不存在式(3-4)所示的关系，所以由它们构成测量电压、电流都不能正确测量故障距离。由于在测量电压、电流中含有非故障相的电压、电流，且电压高、电流小，因此它们一般不会动作。同理可知A、B两相或C、A两相接地故障时各故障相和非故障相元件的动作情况与B、C两相接地时相同。3.两相不接地短路故障((2)k)在金属性两相短路的情况下，故障点处两故障相的对地电压相等，各相电压都不为0，现以A、B两相故障为例，因kAkBUU••=，将式(3-5a)与式(3-5b)相减，可得ABUU••−=AB1k()IIZL••−(3-11)令mABABUUU•••=−、AmABBIII•••=−，可得到与式(3-4)相同的形式。非故障相C相故障点处的电压与故障相电压不等，作相减运算时不能被消掉，所以它不能用来进行故障距离的判断。4.三相对称短路((3)k)三相对称短路时，故障点处的各相电压相等，且三相系统对称时均为0。这种情况下，选用任意一相的电压、电流或任意两相间的电压、电流差作为距离保护的测量电压和电流，电力系统继电保护·78··78·都可得到与式(3-4)相同的形式，即能正确判断故障距离。5.故障环路的概念及测量电压、电流的选取经由以上对各种短路类型下正确测量故障距离的分析，可以寻找出接入距离保护中电压、电流间的规律。在系统中性点直接接地系统中，发生单相接地时，故障电流在故障相与大地之间流通；两相接地短路时，故障电流既可在两故障相与大地间流通，也可在两故障相间流通；两相不接地短路时，故障电流在两故障相间流通；而三相短路时，故障电流可在任何两相间流通。如果把故障电流可以流通的通路称为故障环路，则在单相接地短路时，存在一个故障相与大地之间的故障环路(相—地故障环路)；两相接地短路时，存在两个故障相与大地间的(相—地)故障环路和一个两故障相间的(相—相)故障环路；三相短路接地时，存在三个相－地故障环路和三个相—相故障环路。上述分析表明，故障环路上的电压和环路中流通的电流之间满足式(3-4)，用它们作为测量电压和测量电流所算出的测量阻抗，能够正确反应保护安装处到故障点的距离。而非故障环路上的电压、电流之间不满足式(3-4)，由它们算出的测量阻抗就不能正确反应故障距离。距离保护应取故障环路上的电压、电流作为判断故障距离的依据，而用非故障环路上的电压、电流计算得到的距离一般大于保护安装处到故障点的距离。对于接地短路，取相—地故障环路，测量电压为保护安装处故障相对地电压，测量电流为带有零序电流补偿的故障相电流，由它们算出的测量阻抗能够准确反应单相接地故障、两相接地故障和三相接地故障下的故障距离，这种合理选取相—地环路中电流、电压的方法称为接地距离保护接线方式。对于相间短路，故障环路为相—相故障环路，取测量电压为保护安装处两故障相的电压差，测量电流为两故障相的电流差，由它们算出的测量阻抗能够准确反应两相短路、三相短路和两相接地短路情况下的故障距离，这种合理选取相—相环路中电流、电压的方法称为相间距离保护接线方式。两种接线方式的距离保护在各种不同类型短路时的动作情况如表3-1所示。表3-1接地距离保护和相间距离保护在不同类型短路时的动作情况接地距离保护方式相间距离保护方式A相B相C相AB相BC相CA相接线方式故障类型mAAUU••=mAAII••=03KI•+×mBBUU••=mBBII••=03KI•+×mCCUU••=mCCII••=03KI•+×mABABUUU•••=−mABABIII•••=−mBCBCUUU•••=−mBCBCIII•••=−mCACAUUU•••=−mCACAIII•••=−A＋－－－－－B－＋－－－－单相接地短路C－－+－－－第3章电网的距离保护·79··79·(续)接地距离保护方式相间距离保护方式A相B相C相AB相BC相CA相接线方式故障类型mAAUU••=mAAII••=03KI•+×mBBUU••=mBBII••=03KI•+×mCCUU••=mC