1、第三章 電網(wǎng)的距離保護(hù)第一節(jié) 距離保護(hù)概述 一、距離保護(hù)的基本概念電流保護(hù)對于容量大、電壓高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，難于滿足電網(wǎng)對保護(hù)的要求。一般只適用于35kv及以下電壓等級的配電網(wǎng)。對于110kv及以上電壓等級的復(fù)雜電網(wǎng)，必須采用性能更加完善的保護(hù)裝置，距離保護(hù)就是適應(yīng)這種要求的一種保護(hù)原理。距離保護(hù)：反應(yīng)保護(hù)安裝地點至故障點之間的距離，并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近而確定動作時限的一種保護(hù)裝置。主要元件為距離繼電器，可根據(jù)其端子上所加的電壓和電流測知保護(hù)安裝處至故障點間的阻抗值。距離保護(hù)保護(hù)范圍通常用整定阻抗 的大小來實現(xiàn)。正常運行時保護(hù)安裝處測量到的阻抗為負(fù)荷阻抗 ，即 (3-1)式中 被保護(hù)線路母線的相

2、電壓，測量電壓； 被保護(hù)線路的電流，測量電流； 測量電壓與測量電流之比，測量阻抗。在被保護(hù)線路任一點發(fā)生故障時，保護(hù)安裝處的測量電壓為 ，測量電流為故障電流 ，這時的測量阻抗為保護(hù)安裝處到短路點的短路阻抗 ， (3-2)當(dāng)短路點在保護(hù)范圍以外時，即 時繼電器不動。當(dāng)短路點在保護(hù)范圍內(nèi)，即 繼電器動作。二、時限特性距離保護(hù)的動作時間t與保護(hù)安裝處到故障點之間的距離l的關(guān)系稱為距離保護(hù)的時限特性，目前獲得廣泛應(yīng)用的是階梯型時限特性，稱為距離保護(hù)的、段距離保護(hù)的第段是瞬時動作的， 是保護(hù)本身的固有動作時間。以保護(hù)3為例，其起動阻抗的整定值必須躲開這一點短路時所測量到的阻抗 ，即 。考慮到阻抗繼電器和

3、電流、電壓互感器的誤差，需引入可靠系數(shù) （一般取0.80.85）：為了切除本線路末端15%20%范圍以內(nèi)的故障，需要設(shè)置距離保護(hù)第段。距離段整定值的選擇不超過下一條線路距離段的保護(hù)范圍，同時高出一個 的時限，以保證選擇性。引入可靠系數(shù) ，則保護(hù)3的起動阻抗為距離段和段的聯(lián)合工作構(gòu)成本線路的主保護(hù)。第二節(jié) 阻抗繼電器阻抗繼電器是距離保護(hù)裝置的核心元件，其主要作用是測量短路點到保護(hù)安裝處之間的距離，并與整定阻抗值進(jìn)行比較，以確定保護(hù)是否應(yīng)該動作。阻抗繼電器按其構(gòu)成方式可分為單相式和多相補償式。單相式阻抗繼電器是指加入繼電器的只有一個電壓 (可以是相電壓或線電壓)和一個電流 （可以是相電流或兩相電流

4、之差）的阻抗繼電器。 和 的比值稱為繼電器的測量阻抗 。由于 可以寫成 的復(fù)數(shù)形式，所以可以利用復(fù)數(shù)平面來分析這種繼電器的動作特性，并用一定的幾何圖形把它表示出來。 比較兩電壓量幅值的全阻抗繼電器的電壓形成回路：（2）相位比較相位比較的動作特性如圖3-6 所示，繼電器的動作與邊界條件為 與 的夾角小于等于 ，即 (3-6)兩邊同乘以電流量得 (3-7)上式中， 量超前于 量時 角為正，反之為負(fù)。構(gòu)成相位比較的電壓形成回路如圖3-7所示。2.方向阻抗繼電器(1) 幅值比較方向阻抗繼電器的動作特性為一個圓，動作具有方向性，幅值比較的動作與邊界條件為： (3-8)兩邊同乘以電流得 (3-9)3偏移特

5、性阻抗繼電器（1）幅值比較 偏移特性阻抗繼電器的動作特性，圓的直徑為 與 之差。動作條件： 兩邊同乘以電流：（2）相位比較偏移特性阻抗繼電器相位比較分析，如圖3-12所示，其相位比較的動作與邊界條件為兩邊同乘以電流得 (3-15)偏移特性阻抗繼電器幅值比較和相位比較的電壓形成回路與方向阻抗繼電器的類似，這里從略。4直線特性阻抗繼電器幅值比較動作條件：相位比較動作條件：(二)阻抗繼電器的比較回路 具有圓或直線特性阻抗繼電器可以用比較兩個電氣量幅值的方法來構(gòu)成，也可以用比較兩個電氣量相位的方法來實現(xiàn)。1 微機保護(hù)中幅值比較的實現(xiàn)：設(shè)由傅氏算法算出的電壓和電流實、虛部分別用 、 和 、 表示， 2.

6、 微機保護(hù)中相位比較的實現(xiàn)在微機保護(hù)中，相位比較既可以用阻抗形式實現(xiàn)，也可以用電壓的形式實現(xiàn)。在用電壓比較方式的情況下，分為相量比較和瞬時采樣值比較兩種：(1) 相量比較方式。動作范圍：比相動作條件：動作范圍：比相動作條件：二具有多邊形動作特性的阻抗繼電器如圖3-16所示，阻抗繼電器準(zhǔn)四邊形動作特性，準(zhǔn)四邊形以內(nèi)為動作區(qū)，以外為不動區(qū)，即測量阻抗末端位于準(zhǔn)四條邊上為動作邊界。設(shè)測量阻抗 的實部為 ，虛部為 ，則圖3-16在第象限部分的特性可以表示為 (3-36) 第象限部分的特性可以表示為 (3-37) 第象限部分的特性可以表示為 (3-38)綜合以上三式，動作特性可以表示為 （3-39） 三

7、. 方向阻抗繼電器的死區(qū)及死區(qū)的消除方法對于方向阻抗繼電器，當(dāng)保護(hù)出口短路時，故障線路母線上的殘余電壓將降低到零，即 。對幅值比較的方向阻抗繼電器，其動作條件為 當(dāng) 時，該式變?yōu)?，此時被比較的兩個電壓變?yōu)橄嗟?，理論上處于動作邊界，實際上，由于繼電器的執(zhí)行元件動作需要消耗一定的功率，因此，在這樣情況下繼電器不動作。對于相位比較的方向阻抗繼電器，其動作條件為 ，當(dāng) 時，無法進(jìn)行比相，繼 電器也不動作。這種不動作的范圍，稱為保護(hù)裝置的“死區(qū)”。利用記憶回路和引入第三相電壓減小和消除死區(qū)。 1記憶回路 對瞬時動作的距離I段方向阻抗繼電器，在電壓 的回路中廣泛采用“記憶回路”的接線，即將電壓回路看作是

8、一個對50HZ工頻交流的串聯(lián)諧振回路，其原理接線圖如圖3-17所示，圖3-18是常用的實際接線之一。圖3-18中， 、 、 是在原幅值比較的測量電壓 回路中接入一個串聯(lián)諧振回路。取 ，則諧振回路中的電流 與外加測量電壓 同相位，所以在電阻 上的壓降 也與外加電壓 同相位，記憶電壓 通過記憶變壓器T與 同相位。 .引入記憶電壓以后，幅值比較的動邊條件為： (3-41) 在出口短路時， =0，由于諧振回路的儲能作用，記憶電壓 在衰減到零之前存在，且與故障前 同相位。由于繼電器記錄了故障前的電壓，故方向阻抗繼電器消除了死區(qū)。 2引入第三相電壓 記憶回路只能保證方向阻抗繼電器在暫態(tài)過程中正確動作，但它

9、的作用時間有限。為了克服這一缺點，再引入非故障相電壓。圖3-19（a）所示為在方向阻抗繼電器中引入第三相電壓，并將第三相電壓和記憶回路并用的方案。由圖3-19（a）可見，第三相電壓為C相，它通過高阻值的電阻R接到記憶回路中 和 的連接點上。正常時 ，由于 電壓較高且 、 處于工頻諧振狀態(tài)，而R值又很大，使作用在 上的電流主要來自 且是電阻性的，第三相電壓 基本上不起作用。當(dāng)系統(tǒng)中AB相發(fā)生突然短路時， 突然為零,此時記憶回路發(fā)揮了作用，使繼電器得到一個和故障前 相位相同的極化 電壓，但它將逐漸衰減到零，這時第三相電壓的作用表現(xiàn)出來，圖3-19（b）為圖3-19(a)在保護(hù)出口AB兩相短路時,記

10、憶電壓消失后的等值電路。電阻R中的電流 與 同相位,因為電阻R的數(shù)值遠(yuǎn)大于 的值,而 在 、 支路中的分流為在電阻 上的壓降 從向量圖3-19（c）中可以看出， 超 前近 ，電阻 上電壓降 超前 ，即極化電壓與故障前電壓 同相位。因此，當(dāng)出口兩相短路時，第三相電壓可以在繼電器中產(chǎn)生和故障前電壓 （即 ）同相的而且不衰減的極化電壓 ，以保證方向阻抗繼電器正確動作，即能消除死區(qū)。 3記憶電壓對方向阻抗繼電器特性的影響方向阻抗繼電器的穩(wěn)態(tài)特性： (2)方向阻抗繼電器的初態(tài)特性 相位比較的方向阻抗繼電器在引入記憶電壓 以后，其動作與邊界條件已變?yōu)椋?保護(hù)正方向短路此處 為 和短路點過渡阻抗之和，從而有

11、繼電器動作條件為 (3-46)如果短路前為空載，則 ，從而有 (3-47)在記憶回路作用下的動態(tài)特性圓擴(kuò)大了動作范圍，而又不失去方向性，因此，對消除死區(qū)和減小過渡電阻的影響都是有利的。 保護(hù)反方向短路 系統(tǒng)的接線及參數(shù)如圖3-23所示，此時短路電流由 供給，但仍假定電流的正方向由母線流向被保護(hù)線路，且 ，因 ， ， ，若短路前是空載，則在記憶作用消失前，記憶電壓 ，繼電器的動作條件為 (3-48)將 代入上式，得 (3-49)此時繼電器的動作特性為以向量（ ）為直徑所作的圓，如圖3-24所示，圓內(nèi)為動作區(qū)。當(dāng)反方向短路時，必須出現(xiàn)一個正的短路阻抗才可能引起繼電器的動作，但實際上繼電器測量到的是

12、 ，在第象限，因此，在反方向短路時的動態(tài)過程中，繼電器有明確的方向性。四、阻抗繼電器的精工電流和精工電壓 精工電流：當(dāng) 時，繼電器的動作阻抗 ，即比整定阻抗縮小了10%。因此，當(dāng) 時，就可以保證起動阻抗的誤差在10%以內(nèi)，而這個誤差在選擇可靠系數(shù)時，已經(jīng)被考慮進(jìn)去了。精工電壓：精工電流和整定阻抗的乘積：第三節(jié)阻抗繼電器的接線方式 一、對距離保護(hù)接線方式的要求根據(jù)距離保護(hù)的工作原理，加入繼電器的電壓和電流應(yīng)滿足：繼電器的測量阻抗應(yīng)能準(zhǔn)確判斷故障地點，即與故障點至保障安裝處的距離成正比。繼電器的測量阻抗應(yīng)與故障類型無關(guān)，即保護(hù)范圍不隨故障類型而變化。.阻抗繼電器的常用接線方式 二、反應(yīng)相間短路阻抗

13、繼電器的接線三相短路如圖3-26所示，由于三相對稱，三個阻抗繼電器 的工作情況完全相同，以 為例分析。設(shè)短路點至保護(hù)安裝地點之間的距離為L千米，線路每千米的正序阻抗為 ，則保護(hù)安裝地點的電壓：三個繼電器的測量阻抗均等于短路點到保護(hù)安裝地點之間的正序阻抗，三個繼電器均能正確動作。 2兩相短路設(shè)以AB兩相短路為例，分析此時三個阻抗繼電器的測量阻抗。對 而言 能正確動作。 、 測量阻抗大于 ，不能動作。但 能正確動作，所以 和 拒動不會影響整套保護(hù)的動作。3.中性點直接接地電網(wǎng)中兩相接地短路繼電器 的測量阻抗為 三、反應(yīng)接地短路阻抗繼電器的接線在大接地電流系統(tǒng)中，零序電流保護(hù)不能滿足要求時，一般采用

14、接地距離保護(hù)。 單相接地故障時，只有故障相電壓降低，電流增大，而任何相間電壓都是很高的。因此應(yīng)將故障相的電壓和電流加入到繼電器中，即采用表3-1所示的第四種接線方式。當(dāng)發(fā)生A相單相接地短路時，對A相阻抗繼電器，接入繼電器的電壓為 (3-53)式中 稱為零序補償電流，其中 ，為常數(shù)； 、 、 分別為線路的正序阻抗、負(fù)序阻抗和零序阻抗，且 。 接入繼電器的電流 ，則故障相阻抗繼電器的測量阻抗為它能正確地測量從短路點到保護(hù)安裝地點間的阻抗。這種接線方式同樣能夠正確反應(yīng)兩相接地短路和三相短路。第四節(jié) 影響距離保護(hù)正確工作的因素及采取的防止措施影響距離保護(hù)正確動作的因素很多，如電網(wǎng)的接線中可能具有分支電

15、路；在Y/接線變壓器后面發(fā)生短路；輸電線路可能具有串聯(lián)電容補償；電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩；短路點具有過渡電阻；電流互感器和電壓互感器的誤差、過渡過程及二次回路斷線等等。一、短路點過渡電阻對距離保護(hù)的影響 當(dāng)短路點存在過渡電阻時，必然直接影響阻抗繼電器的測量阻抗。例如,對圖3-29(a) 所示的單電源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)線路 的出線端經(jīng)過 短路時，保護(hù)1的測量阻抗為 ，保護(hù)2的測量阻抗為 。. 由以上分析可見，保護(hù)裝置距短路點越近時，受過渡電阻的影響越大，同時保護(hù)裝置的整定值越小，則相對地受過渡電阻的影響也越大。對雙側(cè)電源的網(wǎng)絡(luò)，短路點的過渡電阻可能使測量阻抗增大，也可能使測量阻抗減小。 當(dāng) 為正時，測量阻抗增大，

16、當(dāng) 為負(fù)時，測量阻抗的電抗部分將減小。在后一種情況下，可能導(dǎo)致保護(hù)無選擇性的動作。為了使阻抗繼電器能正確動作，必須采取措施來消除或減小過渡電阻的影響。短路點的過渡電阻主要是純電阻性的電弧電阻Rg，且電弧的長度和電流的大小都隨時間而變化，在短路開始瞬間電弧電流很大，電弧的長度很短， Rg很小。隨著電弧電流的衰減和電弧長度的增長， Rg隨著增大，大約經(jīng)0.10.15秒后， Rg劇烈增大。為了減小過渡電阻對距離保護(hù)的影響，通常采用瞬時測定裝置和應(yīng)用帶偏移特性的阻抗繼電器。 （1）采用瞬時測定裝置 （2）采用帶偏移特性的阻抗繼電器二、電力系統(tǒng)振蕩對距離保護(hù)的影響及振蕩閉鎖回路電力系統(tǒng)在正常運行時，所有

17、接入系統(tǒng)的發(fā)電機都處于同步運行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)因短路切除太慢或因遭受較大沖擊時，并列運行的發(fā)電機失去同步，系統(tǒng)發(fā)生振蕩，振蕩時，系統(tǒng)中各發(fā)電機電勢間的相角差發(fā)生變化。因此，可能導(dǎo)致保護(hù)誤動作。但通常系統(tǒng)振蕩若干周期后可以被拉入同步，恢復(fù)正常運行。因此，距離保護(hù)必須考慮系統(tǒng)振蕩對其工作的影響。（一）電力系統(tǒng)振蕩時電流、電壓的分布圖3-32為簡化系統(tǒng)等值電路圖, 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，設(shè) 超前于 的相位角為 ，且系統(tǒng)中各元件的阻抗角相等，則振蕩電流為 系統(tǒng)振蕩時Z點位于 處。當(dāng) 時, 達(dá)最大值，電壓 ，此點稱為系統(tǒng)振蕩中心。(二)電力系統(tǒng)振蕩對距離保護(hù)的影響系統(tǒng)振蕩時，M母線上阻抗繼電器的測量阻抗為. （

18、三）振蕩閉鎖回路（1）利用負(fù)序(和零序)分量或其增量起動的振蕩閉鎖回路。 負(fù)序電壓濾過器參數(shù)關(guān)系為 ， 。當(dāng)輸入端只有正序電壓加入時，其向量圖如圖3-38(a)所示，在 端的空載輸出電壓為當(dāng)輸入端只有負(fù)序電壓加入時，其向量圖如圖3-38(b)所示，在 端的空載輸出電壓為當(dāng)輸入端只有零序電壓加入時,在 端的空載輸出電壓為 負(fù)序電流濾過器 當(dāng)輸入端加入正序電流時，輸出電壓為： 當(dāng)選取參數(shù)為 ,則 。當(dāng)只有零序電流輸入時，當(dāng)只輸入負(fù)序電流時，（2）利用電氣量變化速度的不同來構(gòu)成振蕩閉鎖回路 系統(tǒng)振蕩與發(fā)電機組轉(zhuǎn)子運動有關(guān)，振蕩過程中 、 等諸電氣量變化很慢，而突然短路將引起這些量的劇烈快速變化，因此

19、振蕩閉鎖裝置可根據(jù)這些電氣量變化速度慢的特性構(gòu)成，也可采用兩個靈敏度不同的阻抗繼電器，測定這兩個繼電器先后動作時間差值來區(qū)分短路與振蕩，時間差值小的是短路，大的是振蕩。三、分支電流的影響 當(dāng)短路點與保護(hù)安裝處之間存在有分支電路時，就出現(xiàn)分支電流，距離保護(hù)受到此分支電流的影響，其阻抗繼電器的測量阻抗將增大或減小。如圖3-41所示電路，當(dāng)在BC線路上的D點發(fā)生短路時，通過故障線路的電流 。此值將大于 ， 這種使故障線路電流增大的現(xiàn)象，稱為助增。這時在變電所A距離保護(hù)1的測量阻抗為 (3-54) 式中 ， 為分支系數(shù) 。一般情況下， 為一復(fù)數(shù)，但在實用中可以近似認(rèn)為兩個電流同相位，而取為實數(shù)，在有助

20、增電流時 。由于助增電流 的存在，使保護(hù)A的測量阻抗增大，保護(hù)范圍縮短。 又如圖3-42所示電路，當(dāng)在平行線路上的D點發(fā)生短路時，通過故障線路的電流 將小于線路AB中的電流 。這種使故障線路中電流減小的現(xiàn)象稱為外汲。這時在變電所A距離保護(hù)1的測量阻抗 (3-55)式中 為分支系數(shù)。具有外汲電流時， ，與無分支的情況相比，將使保護(hù)1的測量阻抗減小，保護(hù)范圍增大，可能引起無選擇性動作。四、電壓回路斷線對距離保護(hù)的影響 當(dāng)電壓互感器二次回路斷線時，距離保護(hù)將失去電壓，這時阻抗元件失去電壓而電流回路仍有負(fù)荷電流通過，可能造成誤動作。對此，在距離保護(hù)中應(yīng)裝設(shè)斷線閉鎖裝置。 第五節(jié) 距離保護(hù)的整定計算以圖

21、3-44 為例，說明三段式距離保護(hù)的整定計算。 一、距離保護(hù)第段的整定 1.動作阻抗 對輸電線路，按躲過本線路末端短路來整定，即取 (3-56)式中 為可靠系數(shù)，取0.80.85。 2動作時限距離保護(hù)段的動作時限是由保護(hù)裝置的繼電器固有動作時限決定，人為延時為零，即 秒。 二、距離保護(hù)第段的整定 1動作阻抗 （1）與下一線路的第一段保護(hù)范圍配合，并用分支系數(shù)考慮助增及外汲電流對測量阻抗的影響，即 (3-57)式中， 為可靠系數(shù)，取0.8； 為分支系數(shù)，取相鄰線路距離保護(hù)第一段保護(hù)范圍末端短路時，流過相鄰線路的短路電流與流過被保護(hù)線路的短路電流實際可能的最小比值，即（2）與相鄰變壓器的快速保護(hù)相配合 (3-58)式中， 為變壓器短路阻抗；考慮到 的數(shù)值有較大偏差，所以取 =0.7; 也取實際可能的最小值。 取（1）、（2）計算結(jié)果中的小者作為 。 2. 動作時限 保護(hù)第段的動作時限，應(yīng)比下一線路保護(hù)第段的動作時限大一個時限階段， (3-59) 3.靈敏度校驗 (3-60)如靈敏度不能滿足要求，可按照與下一線路保護(hù)第段相配合的原則選擇動作阻抗，即 這時，第段的動作時限應(yīng)比下一線路第段的動作時限大一個時限階段，即 三、 距離保護(hù)的第段的整定 1動作阻抗