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1、ZZ第三章第一节一、距离保护的基本概念电网的距离保护距离保护概述思考：电流、电压保护的主要优点是简单、可靠、经济，但是，对于容量大、电压高 或结构复杂的网络，它们难于满足电网对保护的要求。电流、电压保护一般只适用于 35kV 及以下电压等级的配电网。对于 110kV 及以上电压等级的复杂网，线路保护采用何种保护 方式？解决方法：采用一种新的保护方式距离保护。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， 故有时又称之为阻抗保护。距离保护也有一个保护范围，短路发生在这一范围内，保
2、护动作，否则不动作，这个 保护范围通常只用给定阻抗 zd 的大小来实现的。Z正常运行时保护安装处测量到的线路阻抗为负荷阻抗 fh，即ZclUclIclZfh在被保护线路任一点发生故障时，测量阻抗为保护安装地点到短路点的短路阻抗Zd，即ZclU Ucl 残I Icl dZd距离保护反应的信息量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 zd 与被保护线路的测量阻抗Zcl比较。当短路点在保护范围以外时，即ZclZzdZ时继电器不动。当短路点在保护范围内，即 clZzd时继电器动作。因此，距离保护又称为低阻抗保护。动作阻抗：使距离保护刚能动作的最大测量阻抗。二、时限特性距离保护的
3、动作时间 t与保护安装处到故障点之间的距离 l的关系称为距离保护的时限t t tt t特性，目前获得广泛应用的是阶梯型时限特性，如图 31 所示。这种时限特性与三段式电 流保护的时限特性相同，一般也作成三阶梯式，即有与三个动作范围相应的三个动作时限：、 、 。t1Z 3 Z 2 Zt3t2t3t3t2t2t1保护3的段 保护3的段l图3-1保护3的段距离保护的时限特性图 31 距离保护的时限特性三、距离保护的组成三段式距离保护装置一般由以下四种元件组成，其逻辑关系如图 32 所示。 1起动元件起动元件的主要作用是在发生故障的瞬间起动整套保护。早期的距离保护，起动元件 采用的是过电流继电器或者阻
4、抗继电器。2方向元件方向元件的作用是保证保护动作的方向性，防止反方向故障时，保护误动作。采用单 独的方向继电器或方向元件和阻抗元件相结合。3距离元件距离元件（Z、Z、Z）的主要作用是测量短路点到保护安装处的距离（即测量阻抗），一般采用阻抗继电器。4时间元件时间元件（ 、 ）的主要作用是，根据预定的时限特性确定动作的时限，以保证保 护动作的选择性，一般采用时间继电器。正常运行时，起动元件 1 不起动，保护装置处于被闭锁状态。tt当正方向发生故障时，起动元件 1 和方向元件 2 动作，距离保护投入工作。如果故障点位于第段保护范围内，则 Z 动作直接起动出口元件 8，瞬时动作于跳闸。如果故障点位于距
5、离段之外的距离段保护范围内，则 Z 不动作，而 Z 动作，起动距 离段时间继电器 5，经 时限，出口元件 8 动作，使断路器跳闸，切除故障。如果故障点位于距离段之外的距离段保护范围内，则 Z 、Z 不动作，而 Z 动作，起动距离段时间继电器 7，经 时限，出口元件 8 动作，使断路器跳闸，切除故障。返回第二节阻抗继电器继电器的测量阻抗：指加入继电器的电压和电流的比值，即ZclUIcl cl。Zcl可以写成R jX的复数形式，所以可以利用复数平面来分析这种继电器的动作特ABZzd0.8 5ZBCCTA(a)TVIclZjXUclZzdZBCCBdR(b)A图3-3 用复数平面分析阻抗继电器的特性
6、（a）系统图；(b)阻抗特性图性，并用一定的几何图形把它表示出来，如图 3-3 所示。以图 3 3 （a ）中线路 BC 的距离保护第段为例来进行说明。设其整定阻抗Zzd0.85ZBC，并假设整定阻抗角与线路阻抗角相等。当正方向短路时测量阻抗在第一象限，正向测量阻抗Zcl与 R 轴的夹角为线路的阻抗角d。cldZ反方向短路时，测量阻抗 cl 在第三象限。如果测量阻抗Zcl的相量，落在Zzd向量以内，则阻抗继电器动作；反之，阻抗继电器不动作。U U n nZ cl B TV Z TAI I n ncl BC TA TV阻抗继电器的动作特性扩大为一个圆。如图 33（b）所示的阻抗继电器的动作特性为
7、方向 特性圆，圆内为动作区，圆外为非动作区。一、具有圆及直线动作特性的阻抗继电器（一）特性分析及电压形成回路jXZkz dZc lR图3-4j0全阻抗继电器的动作特性1全阻抗继电器（1）幅值比较Z全阻抗继电器的动作特性如图 34 所示，它是以整定阻抗 zd 为半径，以坐标原点为 圆心的一个圆，动作区在圆内。它没有方向性。全阻抗继电器的动作与边界条件为 ：ZzdZclBTADKBTVIc lI Zc l z dAUc lUyB图3-5YB全阻抗继电器幅值比较电压形成回路构成幅值比较的电压形成回路如图 35 所示。 （2）相位比较相位比较的动作特性如图 3 6 所示，继电器的动作与边界条件为Zzd
8、Zcl与ZzdZcl的夹角小于等于90，即ddk yZc2Z90 arg zdZzdZZclcl900j XZzZ Zz dZc Rlc l0j XZzZz dZcZcRll0j XZZz dz dZZccRllZz dZclZz dZc lZz dZc l（ a） （ b ）图3-6 相位比较方式分析全阻抗继电器的动作特性（ c）（ a）测量阻抗在圆上; （ b ）测量阻抗在圆内; （ c）测量阻抗在圆外 分子分母同乘以测量电流得U U90 arg argU Uk yDC90上式中， D 量超前于 C 量时 7 所示角为正，反之为负。构成相位比较的电压形成回路如图 3DKBDYBUkUyIc
9、 lUkCUyUc l图3-7全阻抗继电器相位比较电压形成回路2方向阻抗继电器（1）幅值比较方向阻抗继电器的动作特性为一个圆，如图 38(a)所示，圆的直径为整定阻抗 zd ，圆周 通过坐标原点，动作区在圆内。当正方向短路时，若故障在保护范围内部，继电器动作。当 反方向短路时，测量阻抗在第象限，继电器不动。因此，这种继电器的动作具有方向性，0j1Z2zXdZzd1Z Zl zZ Rc ld0jXZz dZ Zz d cRZc l（a）图3-8（b）方向阻抗继电器的动作特性（ a）幅值比较的分析; （b）相位比较的分析幅值比较的动作与边界条件为zdclk y2cl1 1Z Z2 2分子分母同乘以
10、测量电流得ZzdA1 1U U2 2UkB其电压形成回路如图 39 所示。DKBIc lYB1212UUkkABUc lUy图3-9 方向阻抗继电器幅值比较电压形成回路（2）相位比较12ZZZZcR1Zl zd0jXZz dZ Zz d cRZc l（a） 相位比较的方向阻抗继电器动作（特b）性如图上图所示，其动作与边界条件为Z Z90 arg zd clZ（ a）幅值比较的分析; （b）相位比较的分析 分式上下同乘以电流90U90 argUk yUyYB90UclUyCUyDIc lUk图3-10DKB方向阻抗继电器相位比较电压形成回路方向阻抗继电器相位比较的电压形成回路，如图 310 所示
11、。 3偏移特性阻抗继电器RZ,zdzdclk y kk yjXZz d00Zc lZz d图3-11偏移特性阻抗继电器动作特性（1）幅值比较偏移特性阻抗继电器的动作特性，如图 311 所示，圆的直径为 zd与Zzd之差。其中= （-0.1-0.2），圆心坐标Zoo 12(ZzdZ )zd圆的半径为12(ZzdZ )zd，其动作与边界条件为12(ZzdZ ) ZzdclZoo即1 1(Z Z ) Z2 2(ZzdZ )zd两边同乘以电流得A（2）相位比较1 1(1 )U U (1 )U 2 2偏移特性阻抗继电器相位比较分析，如图 3-12 所示，其相位比较的动作与边界条件为90 argZzdZc
12、lZZclzd90jXZz d0Zc lRZz d图3-12偏移特性阻抗继电器相位比较分析两边同乘以电流得U U D90 arg arg 90U U Cy k(二)阻抗继电器的比较回路具有圆或直线特性阻抗继电器可以用比较两个电气量幅值的方法来构成，也可以用比 较两个电气量相位的方法来实现，所有继电器都可以认为是由图 3-15 所示的两个基本部分UABn1+D1D+EuUD13-+0RDi Ri RE22n212m.np J02（b）（a）U(ii )R (i i )Rm n 1 2 2 1 2 1（b） 等效电路图1（a） 原理U接线图; U2 3 4组成，即由电压形成回路和幅值比较或相位比较
13、回路组成。UIccll电压形成AB比幅 执行 回路（输出） Ic lc l电压形成CD比相 执行 回路（输出）（a） （b） 图3-15 阻抗继电器的构成原理方框图（a）幅值比较式；（b）相位比较式二极管环形相位比较回路D9 0 a r g9 0C二极管环形相位比较回路基于把两个进行比较的电气量的相位变化关系转换为直流输出 脉动电压的极性变化。原理图和其等效电路图如下图所示。CY B2UU22DY B14DD12D3U1R1R2m+um-nDD14+E1II1-mR1R2n-I2I2+E2DD32D（a）（ b）图3-16二极管环行整流比相电路（a） 原理接线图;（b） 等效电路图假 定U1U
14、2， 两 者 相 位 角arg(UU ) arg(D C ) 1 2，R1R2。EU U ,E U U 1 1 2 2 1 2U，当相位角 变化时，比相回路的输出电压mn脉冲宽度及极性相应产生变化，现分析如下。（1）当Y BUE1UU U2E0Y B0 00 时，输出电压 U 等于在一周期内电阻 R 、R 上电压降的代数和，即mn 1 2m+D u mi R i Ri R i RR 1 11 1 1 2t I R I D1 1 02i R i R2 2 2 1 - E EUU m n U D 4 1 I8100 n0-R2 0I2u D 2 2t Um .nU（a） （b）图3-16 二极管环
15、行整流比相电路(2) 当 180 时， E 1 、 E 2 与比较量i的1R向i量1R关系i1R如下iR图（b）所示。 出电压的平均值为负极性最大值。E U E 0i Ri Ri Ri R2222E1E2，这时输u0023 4Um .np J（C）EEUE201 8 0UUm .n12Uf( )KyU0i R i R1 1U 0i R i R2 2Um .n0 0（3）0当 902时，Umni R i R1 1U0i R i RE 2 2u0 0的波形如U下图 , mn 为正、负脉冲，其脉冲宽度均为90 。显（a）（b）uE2U2U1U2E10i R1 1i R1i R i R2 1 12 3
16、 4ti R22i R21i R22i R2100um n23 4tUm .npJ0然，这时输出电压的平均值（C是零）。U当 为其它任意角度时，同样可得到相应的输出电压 mn 的正、负脉冲的宽度及其幅 （a） 0 ，E 1 E ；（b） 18 0 ，E1 E ；（c） 9 0 ，E1 E值，从而可绘出如图 3-18 所示的 m n .pj 关系曲线。由图可知，仅当相位角的变化在件。90 90范围的条件下，输出电压平均值为正值，这就保证了阻抗继电器动作条Um .p n j1 8 09 00 9 0 1 8 0图3-18 环形整流比相电路输出电压平均值 U 与比相角 的关系曲线 三. 方向阻抗继电
17、器的死区及死区的消m 除. n方法思考：对于方向阻抗继电器，当保护出口短路时，会不会有死区？为什么？ 对幅值比较的方向阻抗继电器，其动作条件为1 1U U2 2UK,当Uy0时，继电器也不动作。对于相位比较的方向阻抗继电器，其动作条件为U90 argKUUyy90，U当 y0时，无法进行比相，因而继电器也不动作。思考：对于方向阻抗继电器，当保护出口短路时 ，采用什么措施消除死区？ 1 记忆回路U U(b)(a)UU对瞬时动作的距离 I 段方向阻抗继电器，在电压 y的回路中广泛采用“记忆回路”的接线，即将电压回路作成是一个对 50HZ 工频交流的串联谐振回路。 图 3-23 所示是常用的接线之一
18、。DKBAJYBIcl1212UUkkUUjjURCjRjIjUAc lLBU UyYBcljB图3-23 具有记忆的幅值比较的方向阻抗继电器电压形成回路j L1j cI，则谐振回路中的电流 j与外加测量电压Ucl同相位。结论：在电阻Rj上的压降UR也与外加电压 cl 同相位，记忆电压 j 通过记忆变压器UJYB 与 y同相位。引入记忆电压以后，幅值比较的动边条件为：12UKUUj y12UUK j在出口短路时，Uy=0 ，由于谐振回路的储能作用，极化电压Uj在衰减到零之前存在，且与Uy同相位。由于继电器记录了故障前的电压，故方向阻抗继电器消除了死区。2引入第三相电压思考：记忆回路只能保证方向
19、阻抗继电器在暂态过程中正确动作，但它的作用时间有 限。解决方法：引入非故障相电压。UjJYBAJYBABUjRRCjjLjUc lUUIRCLIIUUUA CI Rj c jBCIREUBUEC如下图所示为在方向阻抗继电器中引入第三相电压，并将第三相电压和记忆回路并用的方 案。图3-24 引入第三相电压产生极化电压的工作原理正常时 ，第三相电压 C 基本上不起作用。（a）原理图； （b）短路后的等值电路； （c）向量分析当系统中 AB 相发生突然短路时,(c)I Icj RRjjxLjjxcjjxLjIRjxLjRjUI R jI X R cj j R LjjC CU UJYBA AJYBJY
20、BA AB BU UjR RR RjC CjL LjU Uc llU UU UjjR RI Ic jjjL LjI IL jI IU U U UA CA CU U I RI R j j c jc jBBCCI IRR RE EU U U UB BE E(a)(a)C C (b)(b)(c)(c)结论： Icj超前 IR 近 90图3图，-243电-24阻引入引Rj第入上三第电相三压电相降压电U产压R生产超极生前化极U电化AC压电90的压工的，作工即原作极理原化理电压与故障前电压UAB（a（）a原）理原图理；图；（b（）b短）路短后路的后等的值等电值路电；路；（c（）c向）量向分量析分析同相位。
21、因此，当出口两相短路时，第三相电压可以在继电器中产生和故障前电压UAB（即UUy）同相的而且不衰减的极化电压 j，以保证方向阻抗继电器正确动作，即能消除死区。四、阻抗继电器的精工电流和精工电压 实际上方向阻抗继电器的临界动作方程为U2U U Uk y k 0U式中 0 为动作量克服二极管正向压降及极化继电器动作反力所需的剩余电压，假设上式中 各向量均为同相位，则上列方程可写为U2Uk yUUk 0考虑U0UyZdz的影响后，给出UkZzdZdzU02U02Iclf(I )cl 的关系曲线如图 330 所示Zd zZz d0.9Z图3-30z dIg方向阻抗继电器 Zd zIc lf I 的曲线
22、 c l所谓精工电流，就是当IclIg时，继电器的动作阻抗Zdz0.9Zzd，即比整定阻抗缩小了 10% 。I I 因此，当 cl g时，就可以保证起动阻抗的误差在 10% 以内，而这个误差在选择可靠系数时，已经被考虑进去了。在继电器通以精工电流的条件下，其动作方程根据允许条件ZdzZzdU02Ig得ZzdZdz0.1ZzdU结论：精工电流与反应元件的灵敏性（ 0 ）及电抗变压器的整定阻抗有关。为了便于 衡量阻抗继电器的灵敏度，有时应用精工电压作为继电器的质量指标。U精工电压就是精工电流和整定阻抗的乘积，用g表示，则UgI ZgzdU00.2结论：它不随继电器的整定阻抗而变，对某指定的继电器而
23、言，它是常数。在整定阻抗一定的情况下，U0I U越小， g 越小，即 g 越小，继电器性能越好 。返回第三节 阻抗继电器的接线方式一、对距离保护接线方式的要求及接线种类加入继电器的电压和电流应满足如下要求：1 继电器的测量阻抗应能准确判断故障点，即与故障点至故障安装处的距离成正比。 2 继电器的测量阻抗应与故障类型无关，即保护范围不随故障类型而变化。阻抗继电器常用的接线方式有四类，如表 3-1 中所示。表中“”表示按相间电压或相表3-1阻抗继电器的常用接线方式接线方式继电器UUIJ00IJU3 0 0IYU IJ JUIYUJ3 0 0IJUIYJUYK 3I0IJJ1UI I UA B A
24、B A BIBUA BIAUAI K 3IA 0J2UIB C BI UCI UB C C B CI UB BI K 3IB 0J3UI I U I U I U I K 3I C AC A C A A C A C C C 0电流差，“Y ”表示按相电压或相电流。二、反应相间短路阻抗继电器的 0 接线JZ1JJ JJZ LEZd 3L图3-31 三相短路测量阻抗分析1、三相短路以 1 为例分析之。设短路点至保护安装地点之间的距离为 L 千米，线路每千米的正序阻抗为 ，则保护安装地点的电压UAB应为UU U I Z L I Z L (I I )Z L AB A B A 1 B 1 A B 1此时，
25、阻抗继电器的测量阻抗为Z3J1UABI IA BZ L1结论：在三相短路时，三个继电器的测量阻抗均等于短路点到保护安装地点之间的正序 阻抗，三个继电器均能正确动作。2两相短路如图 3-32 所示，设以 AB 两相短路为例，分析此时三个阻抗继电器的测量阻抗。对 1 而 言UI Z L I Z L (I I )Z L AB A 1 B 1 A B 1EZd2A BL图3-32 两相短路测量阻抗分析则Z(2)J1UIAABIBZ L1结论：与三相短路时的测量阻抗相同。因此， 1 能正确动作， 2 和J3不会动作。同理，在 BC 或 CA 两相短路时，相应地分别有 2 和J3能准确测量出 1 而正确动
26、作。3 中性点直接接地电网中两相接地短路Z ZJJ3A B CZIAd1.1A BIBICL0图3-33 d 1.测量阻抗的分析A B如图 333 所示，设故障发生在 AB 相，它与两相短路不同之处是地中有电流流回，因此IAIB。我们可以把 A 相和 B 相看成两个“导线地”的送电线路并有互感耦合在一起，设 L 表示每千米的自感阻抗， M 表示每千米的互感阻抗，则保护安装地点的故 障相电压应为UUI Z L I Z L A A L B MI Z L I Z L B B L A M继电器 1 的测量阻抗为Z(1.1)J1U (I I )(Z Z )L AB A B L MI I I IA B A
27、 B(ZLZ )L Z LM 1其值与三相短路时相同，保护能够正确的动作。三、反应相间短路阻抗继电器的30接线这种接线方式有两种，以继电器 1 为例，在三相和 AB 两相短路时，其测量阻抗为ZJ ( 30 )U (I I )Z L AB A B 1I IA A(1 ej)Z L1ZJ ( 30 )U(I I )Z LAB A B 1I IB B(1 e j )Z L1将以上两式合并写成ZJ(1 ej)Z L11 正常运行情况ZJ(1 e j120 )Zfh3Z efhj30测量阻抗的数值为每相负荷阻抗的 倍，阻抗角则较负荷阻抗的角度偏移30，当采30Z L12Z l30用30接线时，测量阻抗的
28、阻抗角向超前于每相负荷阻抗的方向移动 30 ，而当采用30接线时，则向滞后方向移动 。2.2. 三相短路三相短路与正常运行时相似，只是 为短路点到保护安装地点之间每相的正序阻抗，因 此ZJ3Z Le1j30即测量阻抗的数值为每相线路阻抗的 3 倍，相位则比线路阻抗角偏离 30 。 3. 两相短路以 AB 两相短路为例， IA 超前于 IB 的角度 180 ，因此ZJ(1 ej180)Z L 2Z L1 1即测量阻抗的数值为每相短路阻抗的 2 倍，相位则等于线路的阻抗角。采用 30 接线方式的阻抗继电器在不同故障类型时，其测量阻抗的数值与相位均不相同，这种接线方式可应用于圆特性方向阻抗继电器。如
29、图 3-34 所示，三相短路与两相短路时3Z l1j X13 03Z l103d0R图3-34 方向阻抗继电器用于 接线时的动作特性的保护范围一样。这种接线方式较简单，电流互感器的负担也较轻，因此，除了用于圆特性的方向阻抗继电器外，还可用于作为起动元件的全阻抗继电器。此外在输电线路的送电端，当采用30接线时，在正常情况下其测量阻抗一般位于第四象限，它将具有更好的避越长距离重负荷线 路负荷阻抗的能力，而在输电线路的受电端采用 30 接线时，也具有同样的效果。四、反应接地短路阻抗继电器的接线单相接地故障时，只有故障相电压降低，电流增大，而任何相间电压都是很高的。因 此应将故障相的电压和电流加入到继
30、电器中，对 A 相阻抗继电器，接入继电器的电压为UU U U I Z L I Z L I Z L A d1 d 2 d 0 1 1 2 2 0 0I Z L I Z L I Z L1 1 2 2 0 0Z L1g(I1I2I )Z L I Z L I Z L 0 1 0 1 0 0I Z LA 1Z L Z L0 1Z L1I Z L0 1(IA3K I )Z L0 1式中K I0称为零序补偿电流，其中K1 Z Z0 13 Z1，为常数；接入继电器的电流IjIA3K I0，则故障相阻抗继电器的测量阻抗为Z(1)JAIAUA3K I0Z L1它能正确地测量从短路点到保护安装地点间的阻抗。为了反应任一相的单相接地短路， 接地距离保护也必须采用三个阻抗继电器。这种接线方式同样能够正确反应两相接地短路和三相短路，此时接于故障相的阻抗继电器的测量阻抗均为 。返回第