第3.2單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)相間短路的距離保護(hù)及3.3雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)的距離保護(hù)一阻抗繼電器阻抗繼電器的基本原則利用復(fù)數(shù)平面分析圓或直線特性阻抗繼電器具有四邊形特性的阻抗繼電器二阻抗繼電器的接線方式對(duì)接線方式的基本要求相間短路阻抗繼電器的接線方式接地短路阻抗繼電器的接線方式三距離保護(hù)的整定計(jì)算基本工作原理距離保護(hù)的時(shí)限特性距離保護(hù)的整定計(jì)算原則距離保護(hù)的主要組成元件對(duì)距離保護(hù)的評(píng)價(jià)距離保護(hù)距離保護(hù)概述一、距離保護(hù)的基本概念電流保護(hù)對(duì)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(duì)保護(hù)的要求。一般只適用于35kv及以下電壓等級(jí)的配電網(wǎng)。對(duì)于110kv及以上電壓等級(jí)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(diǎn)至故障點(diǎn)之間的距離，并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近而確定動(dòng)作時(shí)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(cè)知保護(hù)安裝處至故障點(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)。正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)安裝處測(cè)量到的阻抗為負(fù)荷阻抗，即

(3-1)式中——被保護(hù)線路母線的相電壓，測(cè)量電壓；

——被保護(hù)線路的電流，測(cè)量電流；

——測(cè)量電壓與測(cè)量電流之比，測(cè)量阻抗。在被保護(hù)線路任一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)安裝處的測(cè)量電壓為，測(cè)量電流為故障電流，這時(shí)的測(cè)量阻抗為保護(hù)安裝處到短路點(diǎn)的短路阻抗，

(3-2)當(dāng)短路點(diǎn)在保護(hù)范圍以外時(shí)，即>時(shí)繼電器不動(dòng)。當(dāng)短路點(diǎn)在保護(hù)范圍內(nèi)，即<時(shí)

繼電器動(dòng)作。3.2.1阻抗繼電器

阻抗繼電器可按以下不同方法分類(lèi)：

根據(jù)其構(gòu)造原理的不同，分為電磁型、感應(yīng)型、整流型、晶體管型、集成電路型和微機(jī)型等。根據(jù)其比較原理的不同，分為幅值比較式和相位比較式兩大類(lèi)。

根據(jù)其輸入量的不同，分為單相式和多相式兩種。

所謂單相式阻抗繼電器是指加入繼電器的只有一個(gè)電壓（可以是相電壓或線電壓）和一個(gè)電流(可以是相電流或兩相電流之差)的阻抗繼電器。電壓和電流的比值稱(chēng)為繼電器的測(cè)量阻抗Z。

多相補(bǔ)償式阻抗繼電器是一種多相式繼電器，加入繼電器的是幾個(gè)相的電流和幾個(gè)相的補(bǔ)償后電壓，它的主要優(yōu)點(diǎn)是可反映不同相別組合的相間或接地短路，但由于加入繼電器的不是單一的電壓和電流，因此就不能利用測(cè)量阻抗的概念來(lái)分析它的特性，而必須結(jié)合給定的系統(tǒng)、給定的短路點(diǎn)和給定的故障類(lèi)型對(duì)其動(dòng)作特性進(jìn)行具體分析。

阻抗復(fù)平面分析法是最常用、最簡(jiǎn)捷直觀的方法，它需要經(jīng)過(guò)以下步驟：

①阻抗繼電器在阻抗復(fù)平面上的動(dòng)作特性（可從動(dòng)作條件判別式取等號(hào)求得）。繼電器的測(cè)量阻抗Zk沿一定的軌跡變化而使繼電器始終處于臨界動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，這一軌跡便稱(chēng)為繼電器的動(dòng)作特性。

②求出阻抗繼電器在各種運(yùn)行情況下感受到的阻抗（測(cè)量阻抗Zk）。

③按動(dòng)作條件判別式在阻抗平面上分析它們是否滿足該式，從而決定其是否動(dòng)作。對(duì)于單相式阻抗繼電器，其動(dòng)作特性可用單一變量即繼電器的測(cè)量阻抗Zk的函數(shù)來(lái)分析，并在復(fù)阻抗平面上用一定的曲線來(lái)表示。圖3.10在阻抗復(fù)平面上分析阻抗繼電器特性

(a）網(wǎng)絡(luò)接線；(b）被保護(hù)線路的測(cè)量阻抗及動(dòng)作特性

由于阻抗繼電器都是接于電流互感器和電壓互感器的二次側(cè)，其測(cè)量阻抗與系統(tǒng)一次側(cè)的阻抗之間存在下列關(guān)系；

如果保護(hù)裝置的一次側(cè)整定阻抗經(jīng)計(jì)算以后為，繼電器的整定阻抗應(yīng)該為：3.2.1阻抗繼電器的基本原則3.2.1利用復(fù)數(shù)平面分析圓或直線特性阻抗繼電器(1)全阻抗繼電器

全阻抗繼電器的特性是以B點(diǎn)（繼電器安裝點(diǎn)）為圓心，以整定阻抗為半徑所作的一個(gè)圓，如圖3-11所示。當(dāng)測(cè)量阻抗Zk位于圓內(nèi)時(shí)繼電器動(dòng)作，即圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)，圓外為不動(dòng)作區(qū)。當(dāng)測(cè)量阻抗正好位于圓周上時(shí)，繼電器剛好動(dòng)作，對(duì)應(yīng)此時(shí)的阻抗就是繼電器的啟動(dòng)阻抗。由于這種特性是以原點(diǎn)為圓心而作的圓，因此，不論加入繼電器的電壓與電流之間的角度為多大，繼電器的啟動(dòng)阻抗在數(shù)值上都等于整定阻抗。具有這種動(dòng)作特性的繼電器稱(chēng)為全阻抗繼電器，它沒(méi)有方向性。①幅值比較方式如圖3-11(a）所示，當(dāng)測(cè)量阻抗Zk位于圓內(nèi)時(shí)，繼電器能夠啟動(dòng)，其啟動(dòng)的條件可用阻抗的幅值來(lái)表示，即

式中：Zset―繼電器整定阻抗。上式兩端乘以電流，變成為：

②相位比較方式全阻抗繼電器的動(dòng)作特性如圖3-11(b)所示，當(dāng)測(cè)量阻抗Zk

位于圓周上時(shí)，相量（Zk+Zset）超前于（Zk-Zset）的角度，而當(dāng)Zk位于圓內(nèi)時(shí)，；Zk位于圓外時(shí)，，如圖3-12和3-13所示。因此，繼電器的啟動(dòng)條件即可表示為：將兩個(gè)相量均以電流乘之，即可得到可比較其相位的兩個(gè)電壓，繼電器的啟動(dòng)條件可表示為：

圖3-11

全阻抗繼電器的動(dòng)作特性

(a）幅值比較式；(b）相位比較式

圖

相位比較方式分析全阻抗繼電器的動(dòng)作特性(3-12）測(cè)量阻抗在圓內(nèi)；(3-13）測(cè)量阻抗在圓外一般稱(chēng)為極化電壓，為補(bǔ)償電壓。上述動(dòng)作條件也可表示為：③幅值比較方式與相位比較方式之間的關(guān)系，可以從圖3.4和圖3.5所示幾種情況的分析得出。由平行四邊形和菱形的定則可知，如用比較幅值的兩個(gè)相量組成平行四邊形，則相位比較的兩個(gè)相量就是該平行四邊形的兩個(gè)對(duì)角線，三種情況下的關(guān)系如圖3.6所示。

圖3.6幅值比較與相位比較之間的關(guān)系

a.當(dāng)時(shí)，如圖3.6(a)所示，由這兩個(gè)相量組成的平行四邊形是一個(gè)菱形，因此，其兩個(gè)對(duì)角線互相垂直，，正是繼電器剛好啟動(dòng)的條件。

b.當(dāng)時(shí)，如圖3.6(b)所示，之間的角度，繼電器能夠動(dòng)作。

c.當(dāng)時(shí)，如圖3.6(c)所示，之間的角度，繼電器不動(dòng)作。

一般而言，設(shè)以表示比較幅值的兩個(gè)電壓，且當(dāng)時(shí)，繼電器啟動(dòng)；又以表示比較相位的兩個(gè)電壓，當(dāng)時(shí)，繼電器啟動(dòng)，則它們之間的關(guān)系符合下式：

必須注意：①它只適用于為同一頻率的正弦交流量；②只適用于相位比較方式動(dòng)作范圍為和幅值比較方式，且動(dòng)作條件為的情況；③對(duì)短路暫態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)的非周期分量和諧波分量，以上轉(zhuǎn)換關(guān)系顯然是不成立的。因此，不同比較方式構(gòu)成的繼電器受暫態(tài)過(guò)程的影響不同。于是，已知時(shí)，可以直接求出；反之，如已知，也可以利用上式求出。由此可見(jiàn)，幅值比較原理與相位比較原理之間具有互換性。

方向阻抗繼電器的特性是以整定阻抗Zset為直徑而通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一個(gè)圓，如圖3.26所示，圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)，圓外為不動(dòng)作區(qū)。當(dāng)加入繼電器的電壓和電流之間的相位差為不同數(shù)值時(shí)，此種繼電器的啟動(dòng)阻抗也將隨之改變。當(dāng)電壓和電流之間的相位差等于整定阻抗的阻抗角時(shí)，繼電器的啟動(dòng)阻抗達(dá)到最大，等于圓的直徑，此時(shí)，阻抗繼電器的保護(hù)范圍最大，工作最靈敏。因此，這個(gè)角稱(chēng)為繼電器的最大靈敏角，用表示。當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)部故障時(shí)，（為被保護(hù)線路的阻抗角），因此，應(yīng)該調(diào)整繼電器的最大靈敏角，使，以便繼電器工作在最靈敏的條件下。(2)方向阻抗繼電器

圖3.26方向阻抗繼電器的動(dòng)作特性(a）幅值比較式的分析；(b）相位比較式的分析

當(dāng)反方向發(fā)生短路時(shí)，測(cè)量阻抗Zk

位于第三象限，繼電器不能動(dòng)作，因此，它本身就具有方向性，故稱(chēng)之為方向阻抗繼電器。方向阻抗繼電器也可由幅值比較或相位比較的方式構(gòu)成，現(xiàn)分別討論如下：①用幅值比較方式分析：等式兩端均以電流乘之，即變?yōu)閮蓚€(gè)電壓的幅值的比較：

②用相位比較方式分析，如圖3.26(b)所示，當(dāng)Zk位于圓周上時(shí)，阻抗Zk與(Zk—Zset）之間的相位差為90度，類(lèi)似于對(duì)全阻抗繼電器的分析，同樣可以證明，是繼電器能夠啟動(dòng)的條件。將Zk

與（Zk—Zset）均以電流乘之，即可得到比較相位的兩個(gè)電壓分別為：

稱(chēng)為極化電壓，稱(chēng)為補(bǔ)償電壓。

偏移特性阻抗繼電器的特性是當(dāng)正方向的整定阻抗為Zset時(shí)，同時(shí)，向反方向偏移一個(gè)，繼電器的動(dòng)作特性如圖3.27所示，圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)，圓外為不動(dòng)作區(qū)。圓的直徑為，圓心的坐標(biāo)為，圓的半徑為：

(3)偏移特性的阻抗繼電器

圖3.27具有偏移特性的阻抗繼電器

(a）幅值比較式的分析；(b）相位比較式的分析

①用幅值比較方式分析，如圖3.27(a)所示，繼電器能夠啟動(dòng)的條件為：

或等式兩端均以電流乘之，即變?yōu)槿缦聝蓚€(gè)電壓的幅值的比較：

②用相位比較方式的分析，如圖3.8(b)所示，當(dāng)Zk位于圓周上時(shí)，相量之間的相位差為，同樣可以證明，也是繼電器能夠啟動(dòng)的條件。將均以電流乘之，即可得到用以比較其相位的兩個(gè)電壓為

①Zk:繼電器的測(cè)量阻抗，由加入繼電器中電壓Uk與電流Ik的比值確定，②Zset:繼電器的整定阻抗，一般取繼電器安裝點(diǎn)到保護(hù)范圍末端的線路阻抗作為整定阻抗。對(duì)全阻抗繼電器而言，就是圓的半徑；對(duì)方向阻抗繼電器而言，就是在最大靈敏角方向上的圓的直徑；而對(duì)偏移特性阻抗繼電器，則是最大靈敏角方向上由原點(diǎn)到圓周上的長(zhǎng)度。③Zop:繼電器的啟動(dòng)阻抗，它表示當(dāng)繼電器剛好動(dòng)作時(shí)，加入繼電器中電壓Uk與電流Ik的比值，除全阻抗繼電器以外，Zop是隨著的不同而改變的，

3.2.2阻抗繼電器的接線方式1對(duì)接線方式的基本要求①繼電器的測(cè)量阻抗正比于短路點(diǎn)到保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的距離；②繼電器的測(cè)量阻抗應(yīng)與故障類(lèi)型無(wú)關(guān)，也就是保護(hù)范圍不隨故障類(lèi)型而變化。

表3。13.3.2相間短路阻抗繼電器的接線方式（1）三相短路

設(shè)短路點(diǎn)至保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)km，線路每千米的正序阻抗為Z1歐姆，則保護(hù)安裝地點(diǎn)的電壓應(yīng)為：

圖3.15三相短路時(shí)測(cè)量阻抗的分析

(2)兩相短路繼電器Zk的測(cè)量阻抗為

圖3.16A、B兩相短路時(shí)測(cè)量阻抗的分析（3）中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)中的兩相接地短路圖3.17A、B兩相接地短路時(shí)測(cè)量阻抗的分析

設(shè)用Z1表示輸電線每千米的自感阻抗，Zm表示每千米的互感阻抗，則保護(hù)安裝地點(diǎn)的故障相電壓應(yīng)為：繼電器r1的測(cè)量阻抗為

3.2.1基本工作原理3.2距離保護(hù)的基本原理

電流、電壓保護(hù)的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)，但它們的靈敏性受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響較大，特別是在重負(fù)荷、長(zhǎng)距離、電壓等級(jí)高的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，很難滿足選擇性、靈敏性以及快速切除故障的要求，為此，必須采用性能更加完善的保護(hù)裝置，因而就引入了“距離保護(hù)”。距離保護(hù)是反映故障點(diǎn)至保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的距離（或阻抗），并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近而確定動(dòng)作時(shí)間的一種保護(hù)裝置。該裝置的主要元件為距離（阻抗）繼電器，它可根據(jù)其端子上所加的電壓和電流測(cè)知保護(hù)安裝處至短路點(diǎn)間的阻抗值，此阻抗稱(chēng)為阻抗繼電器的測(cè)量阻抗。其主要特點(diǎn)是：短路點(diǎn)距離保護(hù)安裝點(diǎn)越近，其測(cè)量阻抗越??；相反地，短路點(diǎn)距離保護(hù)安裝點(diǎn)越遠(yuǎn)，其測(cè)量阻抗越大，動(dòng)作時(shí)間就越長(zhǎng)。這樣就可保證有選擇地切除故障線路。

圖3.18距離保護(hù)的基本原理

3.1.2距離保護(hù)的時(shí)限特性

距離保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間與保護(hù)安裝地點(diǎn)至短路點(diǎn)之間距離的關(guān)系，稱(chēng)為距離保護(hù)的時(shí)限特性。為了滿足速動(dòng)性、選擇性和靈敏性的要求，目前廣泛應(yīng)用具有三段動(dòng)作范圍的階梯型時(shí)限特性，如圖3.18(b)所示，并分別稱(chēng)為距離保護(hù)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。距離保護(hù)的第Ⅰ段是瞬時(shí)動(dòng)作的，t1是保護(hù)本身的固有動(dòng)作時(shí)間。對(duì)保護(hù)1的第Ⅰ段整定值應(yīng)為：

距離Ⅱ段整定值的選擇是相似于限時(shí)電流速斷的，即應(yīng)使其不超出下一條線路距離Ⅰ段的保護(hù)范圍，同時(shí)帶有高出一個(gè)Δt的時(shí)限，以保證選擇性。

距離Ⅰ段與Ⅱ段的聯(lián)合工作構(gòu)成本線路的主保護(hù)。校驗(yàn)距離Ⅱ段在本線路末端短路時(shí)的靈敏系數(shù)。由于是反應(yīng)于數(shù)值下降而動(dòng)作，其靈敏系數(shù)為：

對(duì)于距離Ⅱ段，在本線路末端短路時(shí)，靈敏系數(shù)為：

一般要求。當(dāng)校驗(yàn)靈敏系數(shù)不能滿足要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步延伸保護(hù)范圍，使之與下一條線路的距離Ⅱ段配合，時(shí)限整定為1-1.2s，考慮原則與限時(shí)電流速斷保護(hù)相同。

對(duì)于距離Ⅲ段整定值的考慮是與過(guò)電流保護(hù)相似的，其啟動(dòng)阻抗要按躲開(kāi)正常運(yùn)行時(shí)的最小負(fù)荷阻抗來(lái)選擇，而動(dòng)作時(shí)限則應(yīng)根據(jù)前述電流保護(hù)的原則，使其比距離Ⅲ段保護(hù)范圍內(nèi)其他各保護(hù)的最大動(dòng)作時(shí)限高一個(gè)Δt。

式中，可靠系數(shù)Krel’’’、自啟動(dòng)系數(shù)Kst和返回系數(shù)Kre均為大于1的數(shù)值。繼電器的啟動(dòng)阻抗為：(3）距離保護(hù)第Ⅲ段為了作為相鄰線路保護(hù)裝置和斷路器拒絕動(dòng)作的后備保護(hù)，同時(shí)也作為距離Ⅰ、Ⅱ段的后備保護(hù)，還應(yīng)該裝設(shè)距離保護(hù)第Ⅲ段。3.1.3距離保護(hù)的主要組成元件圖3.2三段式距離保護(hù)的原理框圖

啟動(dòng)回路

啟動(dòng)回路主要由啟動(dòng)元件組成。啟動(dòng)元件可由過(guò)電流繼電器、低阻抗繼電器或反應(yīng)于負(fù)序和零序電流的繼電器構(gòu)成。具體選用哪一種，應(yīng)由被保護(hù)線路的情況確定。測(cè)量回路

測(cè)量回路的Ⅰ段和Ⅱ段由阻抗繼電器組成，而第Ⅲ段由測(cè)量阻抗繼電器組成。測(cè)量回路是測(cè)量短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離，用以判斷故障處于哪一段保護(hù)范圍。邏輯回路

邏輯回路主要由門(mén)電路和時(shí)間電路組成。門(mén)電路包括與門(mén)和或門(mén)，時(shí)間電路主要由兩個(gè)時(shí)間繼電器構(gòu)成。時(shí)間繼電器的主要作用是按照故障點(diǎn)到保護(hù)安裝地點(diǎn)的遠(yuǎn)近，根據(jù)預(yù)定的時(shí)限特性確定動(dòng)作的時(shí)限，以保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性。其他部分

輔助相電流元件：接于相電流，作為輔助啟動(dòng)元件之用。重合閘后加速回路：瞬時(shí)加速Ⅰ段或Ⅱ段。執(zhí)行元件：出口、信號(hào)、切換等其他功能。

（1）距離保護(hù)第Ⅰ段的整定與單側(cè)電源線路相同，一般按躲開(kāi)下一條線路出口處短路的原則來(lái)確定，按式(3.37）和式（3.38）計(jì)算，在一般線路上，可靠系數(shù)取0.8。用帶方向的阻抗繼電器代替全阻抗繼電器即可。

（2）距離保護(hù)第Ⅱ段的整定

如圖3.30所示，應(yīng)按以下兩點(diǎn)原則來(lái)確定：

①與相鄰線距離保護(hù)第Ⅰ段相配合，參照式（3.39）的原則，并考慮分支系數(shù)的影響，可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，可靠系數(shù)Krel’’一般采用0.8;Kb

應(yīng)采用當(dāng)保護(hù)1第I段末端短路時(shí)，可能出現(xiàn)的最小數(shù)值。3.3.3雙側(cè)電源復(fù)雜電網(wǎng)相間距離保護(hù)的整定計(jì)算例如，在圖3.24所示具有助增電流的影響時(shí)，在K點(diǎn)短路時(shí)變電所A距離保護(hù)2的測(cè)量阻抗為：

由于分支系數(shù)的存在，與無(wú)分支的情況相比，將使保護(hù)2處的測(cè)量阻抗變化。：助增電流的影響：外汲電流的影響

圖3.30選擇整定阻抗的網(wǎng)絡(luò)接線

②躲開(kāi)線路末端變電所變壓器低壓側(cè)出口處(圖3.30中K1點(diǎn)）短路時(shí)的阻抗值，設(shè)變壓器的阻抗為ZT，則啟動(dòng)阻抗應(yīng)整定為：

式中，與變壓器配合時(shí)的可靠系數(shù)，考慮到ZT的誤差較大，一般采用Krel=0.7；分支系數(shù)則應(yīng)采用當(dāng)K點(diǎn)短路時(shí)可能出現(xiàn)的最小數(shù)值。計(jì)算后，應(yīng)取以上兩式中數(shù)值較小的一個(gè)。此時(shí)，距離Ⅱ段的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)與相鄰線路的Ⅰ段相配合，一般取為0.5s。

③校驗(yàn)距離Ⅱ段在本線路末端短路時(shí)的靈敏系數(shù)。由于是反應(yīng)于數(shù)值下降而動(dòng)作，其靈敏系數(shù)為：對(duì)于距離Ⅱ段，在本線路末端短路時(shí)，靈敏系數(shù)為：

一般要求