第3章-距离保护

机械工业出版社教材配套电子教案电力系统继电保护刘学军编制第3章电网的距离保护第3章电网的距离保护3.1距离保护的基本原理3.2单相式阻抗继电器的动作特性及构成原理3.3阻抗继电器的接线方式3.4影响距离保护正确动作的因素3.5距离保护的整定计算3.1距离保护的基本原理•距离保护的作用：•电流电压保护，其保护范围随系统运行方式的变化而变化。对长距离、重负荷线路，由于线路的最大负荷电流可能与线路末端短路时的短路电流相差甚微，采用过电流保护，其灵敏性也常常不能满足要求。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。距离保护：是反应故障点至保护安装处之间的距离，并根据该距离的大小确定动作时限的一种继电保护装置。短路点越靠近保护安装处，其测量阻抗就越小，则保护的时限就越短，反之，短路点越远，其测量阻抗就越大，则保护动作时限就越大。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。该阻抗为保护安装处的电压与电流的比值，即。保护装置的动作时限是距离（或阻抗）的函数。即。3.1距离保护的基本原理UZI1tfZl3.1.2距离保护的时限特性距离保护的动作时间t与保护安装处到故障点之间的距离的关系称为距离保护的时限特性，目前获得广泛应用的是三阶梯型时限特性。如图3-1b所示。lZfl3.1.2距离保护的时限特性图3-1距离保护的作用原理a)网络接线；b)时限特性1、距离保护1第I段：瞬时动作，是保护本身固有的动作时间，其保护范围最好能保护线路AB全长，即整定阻抗为ZAB，实际上当线路末端短路和BC线路出口短路时，电流相差不多，距离保护1的II段会误动。为此，距离保护1的I段的动作阻抗ZOP.1＜ZAB，引入一个小于1的可靠系数Krel，使式中－当为计算值时，取0.8，当为测量值时，取0.85。同理，保护2的I段一次整定值为：按上述原则整定动作阻抗后，它与瞬时电流速断保护一样，只能保护线路全长的80％～85％。为切除线路末端15％～20％范围内故障，需要设置距离保护II段。2、距离保护II段：II段整定值以使保护范围不超出下一条线路（如有多条线路取最短者）距离保护第I段的保护范围为准则。则保护1的II段一次侧整定值为：3.1.2距离保护的时限特性1t1oprelABZKZrelK1()oprelABBCrelZKZZK2oprelBCZKZ3、距离保护第III段：动作阻抗应按躲过最大负荷电流时的最小阻抗整定，其整定值为第III段动作时限比相邻线路保护第III段动作时限最大者大一个时间阶梯。即3.1.2距离保护的时限特性minmax0.93NLLUZI12maxIIIIIItttmin1IIILopIIIrelressZZKKK1.2~1.3;1.1~1.25;1.5~1.3IIIrelressKKK3.1.3三段式距离保护的原理框图图3-2三段式距离保护的单相原理图启动ZIZIIKL2ZIIIKL1tIItIII≥1≥1&出口跳闸41233.1.3三段式距离保护的原理框图1.启动元件:2.测量回路:3.逻辑回路：其主要作用是在发生故障的瞬间起动整套保护。采用的是过电流继电器或者阻抗继电器等。作用是测量短路点到保护安装处的距离（即测量阻抗），一般采用距离元件组成。ZII、ZIII采用方向阻抗继电器或偏移圆特性阻抗继电器。作用是对启动、测量回路送来信号进行分析判断。作出正确的跳闸决定。逻辑回路由门电路和时间元件组成。根据预定时限确定动作时限，以保障动作的选择性。3.1.3三段式距离保护的原理框图1、正常运行时:起动元件不起动，保护装置处于被闭锁状态。2、正方向发生故障时，起动元件动作，距离保护投入工作。如果故障点位于距离Ⅰ段之外的距离Ⅱ段保护范围内，启动元件和阻抗继电器ZII启动，由于时间元件tII＜tIII故由距离保护II段通过出口元件去跳闸。如果故障点位于距离Ⅱ段之外的距离III段保护范围内，启动元件阻抗继电器ZIII启动，III段通过出口元件跳闸。如果故障点位于第Ⅰ段保护范围内，阻抗继电器ZI、ZII、ZIII启动，由于时间元件tII、tIII时限常长。故由距离保护I段通过出口元件去跳闸。三段式距离保护动作情况分析3、当发生电压互感器断线或电力系统震荡时，可以通过TV二次回路断线闭锁元件KL1或震荡闭锁元件KL2通过与非门3闭锁。3.2单相式阻抗继电器3.2.1阻抗继电器分类•阻抗继电器按其构造原理不同可以分为电磁型、感应性、整流型、集成电路型和微机型。根据比较原理可以分为幅值比较式或相位比较式。根据输入量不同可以分为单相式和多相补偿式。单相式阻抗继电器是指加入继电器只有一个电压（可以是相电压或线电压)和一个电流（可以是相电流或两相电流差)的阻抗继电器，加入继电器的电压与电流比值称为继电器的测量阻抗。rIrU3.2单相式阻抗继电器3.2.1阻抗继电器分类作用是测量故障点到保护安装处之间的阻抗（距离），并与整定值进行比较，以确定保护是否动作。正常运行时，母线电压为UN,负荷电流为IL,测量阻抗Zrl可表示为：rUKTATVTATVrrrZKKKIKUIUZLTATVTALTVNLrZKKKIKUZrI测量电压测量电流反方向短路时：测量阻抗在第三象限。如果测量阻抗的相量，落在向量以内，则阻抗继电器动作；反之，阻抗继电器不动作。3.2.2阻抗继电器的构成正方向短路时：测量阻抗在第一象限，正向测量阻抗Zr与R轴的夹角为线路的阻抗角L；IsetZ阻抗继电器的动作特性由于母线电压UN大于残压Ures，负荷电流IL小于短路电流IK。所以，正常负荷时阻抗大于继电器动作阻抗，所以阻抗继电器不动作。1max3IIINrgOPLUZZI当保护范围内发生短路故障时，母线电压降低母线残压大大小于额定电压，同时线路电流大大增加，短路电流大大大于负荷电流。故短路阻抗大大小于继电器动作阻抗，阻抗继电器动作。13IroprUZZI图6-3阻抗继电器动作特性3.2.2阻抗继电器的构成1、比较两个电气量幅值原理的阻抗继电器的构成见图3-4所示，测量电压Ur和测量电流Ir通过电压形成回路得出两个幅值比较的电气量UA和UB。UA是动作量，UB是制动量，经整流滤波进入幅值比较回路，由执行元件输出跳闸。继电器的动作方程为。。ABUU(3-10)1、比较两个电气量幅值原理的阻抗继电器的构成rUrIAU电压形成回路动作量制动量整流滤波整流滤波幅值比较回路执行元件BUAUAU跳闸图3-4幅值比较原理构成的阻抗继电器继电器的原理框图2、比较两个电气量相位原理的阻抗继电器的构成输入测量电压和测量电流，经过电压形成回路1获得两个比较相位的电气量UC和UD，进入比较相位回路2，若UC超前UD的相位为则阻抗继电器的动作条件为argCDUU90arg90CDUUCABDABUUUUUU由UA和UB转换为UC和UD可得相位阻抗继电器动作条件为cos0并将式（3-12）代入式（3-11）可得（3-11）由UA,UB转换为UC,UD(3-12)90arg90ABABUUUU(3-13)2、比较两个电气量相位原理的阻抗继电器的构成rICUrU输出DU电压形成回路相位比较回路执行回路图3-5比较两个电气量相位原理的阻抗继电器的构成90arg90ABABUUUU3.2.3利用复平面分析阻抗继电器的动作特性这里主要对方向阻抗继电器、偏移特性阻抗继电器、全阻抗继电器进行了分析。先对幅值比较原理构成的继电器进行分析，而后又对相位比较原理构成的继电器进行分析。并研究了对应的电压形成回路。对于其他类型的阻抗继电器读者可以自己进行分析总结。方向阻抗继电器的特性圆是一个以整定阻抗Zset为直径而通过坐标原点的圆，圆内为动作区，圆外为制动区。当正方向短路时，测量阻抗Zr在第I象限，如故障在保护范围内，Zr落在园内，继电器动作。反向短路，测量阻抗在第三象限，继电器不动作。保护动作具有方向性。其阻抗动作方程为：一、比较幅值的圆特性阻抗继电器cosrsetlrZZ1、方向阻抗继电器方向阻抗继电器动作特性setZrZRjxosetrZZ21setZ21olr将电流乘以上式两边得到方向阻抗继电器的动作电压方程:1、方向阻抗继电器特点：当加入阻抗继电器的电压和电流之间的相位为不同数值时，动作阻抗就不同。为使继电器工作在最灵敏状态，应选择整定阻抗角Zset等于线路短路阻抗角ZL。rIsetrsetZZZ21211、幅值比较动的作方程rsetrrsetIZUIZ2121对于电压降可以用电抗变换器UX来获得,对于Ur可直接从母线电压互感器TV二次侧获得。12setrZI图3-8a(3-22)(3-23)方向阻抗继电器幅值比较电压形成回路rIrIrIrIrUrIrIrIAIKU21rIrUBIKUKU21UIsetKKZrIrUrIIKUKIK2121rsetrrsetIZUIZ2121BAUU（3-23）将代入上式得出幅值比较形式的电压动作阻抗方程动作量制动量动作与边界条件为：（3-24）图3-9a电压形成回路2、偏移特性阻抗继电器2、偏移特性阻抗继电器它是以为直径的圆，坐标原点在圆内，正向整定阻抗，偏移第III象限的反向阻抗为，圆内为动作区，特性圆半径为圆心坐标为。21setsetZZ1setZ2setZ2121setsetZZ21021setsetZZZ图3-10a2、偏移特性阻抗继电器以电流Ir乘以上式两边，得出偏移特性阻抗圆继电器动作特性方程为21212121setsetrsetsetZZZZZrsetsetrrsetsetIZZUIZZ21212121UIsetKKZ11UIsetKKZ22rIIrUrIIIKKUKIKK21212121将代入上式得电压动作方程：（3-29）幅值比较形式的动作阻抗方程为：、（3-32）2、偏移特性阻抗继电器•偏移特性阻抗继电器动作特性的偏移情况可用偏移度表示：%10012setsetZZa动作量：制动量：故电压形成回路输出比较幅值两电气量分别为：rIIAIKKU2121rIIrUBIKKUKU2121（3-33）3、全阻抗继电器•全阻抗继电器的特性圆是一个以坐标原点为圆心，以整定阻抗的绝对值为半径所作的一个圆。圆内为动作区，圆外为非动作区。不论故障发生在正方向短路故障，还是反方向短路故障，只要测量阻抗落在圆内，继电器就动作，所以叫全阻抗继电器。不论加入继电器电压与电流的相位差如何，动作阻抗不变，即全阻抗继电器动作不具有方向性。它的幅值比较形式阻抗动作方程为：rsetZZ以电流Ir乘以上式两边，得出全阻抗继电器动作方程为：rrsetUIZ（3-15）3、全阻抗继电器故电压形成回路用于比较幅值的两电气量分别为：动作量；制动量•上式表明：全阻抗继电器实质是比较两电压的幅值。其物理意义是：正常运行时，保护安装处测量到的电压是正常额定电压，电流是负荷电流，阻抗继电器不起动；在保护区内发生短路故障时，保护测量到的电压为残余电压，电流是短路电流，阻抗继电器起动。rUrIUKIKrIAIKUrUBUKU将代入式（3-15）得幅值比较的电压动作方程如下：IsetUKZK(3-16)全阻抗继电器的幅值比较电压形成回路rIrUrIrU动作量：制动量：AIrUKI动作及边界条件：BUrUKUABUUrIrUrIrU图3-7a全阻抗继电器的幅值比较电压形成回路二、比较相位的圆特性阻抗继电器若已知比较幅值两电气量UA和UB，便可以由UA和UB转换为比较相位的两电气量UC