电网距离保护

第三章电网距离保护3.1距离保护的基本原理与构成3.1.1距离保护的概念距离保护（distanceprotection）是利用短路发生时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，该比值反应故障点到保护安装处的距离，如果短路点距离小于整定值则动作的保护。整定距离故障距离故障距离故障距离3.1.2测量阻抗及其与故障距离的关系在距离保护中，测量阻抗Zm来表示，它定义为保护安装处测量电压与测量电流之比，即在电力系统正常运行时，Um近似为额定电压，Im为负荷电流，Zm为负荷阻抗。电力系统发生金属性短路时，Zm变为短路点与保护安装处之间的线路阻抗Zk。与短路距离Lk成线性正比关系，即短路阻抗的阻抗角就等于输电线路的阻抗角，数值较大（对于220kv及以上电压等级的线路，阻抗角一般不低于75°)，阻抗性质以电感性为主。正常运行时阻抗角为数值较小的功率因数角短路阻抗的阻抗角整定阻抗保护区内保护区外保护区外3.1.3三相系统中测量电压和测量电流的选取+IA0Z1LK-IA0Z1LK故障环路的概念在系统中性点直接接地系统中故障电流流通的通路称为故障环路单相接地短路：故障电流在故障相与大地之间流通；（相一地）两相接地短路:故障电流在两个故障相与大地之间、以及两个故障相之间流通；（相一地）（相一相）两相短路时:故障电流在两个故障相之间流通；（相一相）三相短路时:故障电流在三相之间流通。（相一地）（相一相）为保护接地短路，取接地短路的故障环路为相一地故障环路，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。称为接地距离保护接线方式。对于相间短路，故障环路为相一相故障环路，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，称为相间距离保护接线方式。常用接线方式各种短路故障只有符合：才能得到正确的故障阻抗在三相短路时，三个继电器的测量阻抗均等于短路点到保护安装地点的线路正序阻抗。三个继电器均能正确动作。在两相短路时，只有接于故障环路的阻抗继电器的测量阻抗等于短路点到保护安装地点的线路正序阻抗。其余两只阻抗继电器的测量阻抗较大，不会误动作。这也就是为什么要用三个阻抗继电器并分别接于不同相间的原因在两相接地短路时，只有接于故障环路的阻抗继电器的测量阻抗等于短路点到保护安装地点的线路正序阻抗。其余两只阻抗继电器的测量阻抗较大，不会误动作。相间距离保护：0°接线方式可以正确反应三相短路、两相短路、两相接地短路，不能正确反应单相接地短路。1．单相接地短路以A相单相接地短路故障为例A相测量阻抗能够正确反应故障的距离非故障相B，C的UKB与UKC不为0.测量阻抗接近负荷阻抗，测量距离大于整定距离，不会动作。具有零序电流补偿的0°接线方式的分析2．两相接地短路以BC两相接地故障为例B、C能够正确地反应故障距离非故障相A相由于UKA不能够正确地反应故障距离3．两相不接地短路以BC两相故障为例接地距离保护：带零序电流补偿的接线方式不能正确反应两相短路。4．三相对称短路任何一相的电压、电流或任何两相的相间电压、两相电流差作为距离保护的测量电压和电流，都可以用来进行故障判断。两种接线方式的阻抗继电器在各种不同类型的短路时动作情况，见表3.1思考：若要反映各种故障，实际接线中要采用多少个继电器？为什么？3.1.4距离保护的延时特性：时限整定同三段式保护3.1.5距离保护的构成1．启动部分：来判别电力系统是否发生故障2．测量部分：测定出故障方向和距离并与预先设定的保护范围相比较。3．振荡闭锁部分：防止出现保护误动4．电压回路断线部分：防止出现保护误动5．配合逻辑部分：6．出口部分3.2阻抗继电器及其动作特性3.2.1阻抗继电器动作区域的概念阻抗继电器的作用通过测量故障环路上的测量阻抗Zm，并将它与整定阻抗Zset相比较，以确定故障所处的区段，在保护范围内部故障时，给出动作信号。Zm一般并不能严格地落在与Zset相同的直线上，而是落在该直线附近的一个区域中。在阻抗复平面上，其动作的范围应该是一个包括Zset对应线段在内，但在Zset的方向上不超过Zset的区域.区域以内时，判断为区内故障区域以外时，判断为区外故障，区域的边界就是阻抗继电器的临界动作边界。3.2.2阻抗继电器的动作特性和动作方程阻抗继电器在阻抗复平面动作区域的形状，称为动作特性.1．圆特性阻抗继电器偏移圆特性、方向圆特性、全阻抗圆特性和上抛圆特性(1)偏移圆特性:圆内为动作区，圆外为非动作区.绝对值比较原理正方向整定阻抗反方向整定阻抗圆心测量点到圆心的距离≤半径相位比较动作方程当测量阻抗落在右下部分圆周的任一点上时，有当测量阻抗落在左上部分圆周的任一点上时，有当测量阻抗落在圆内任一点时，有当测量阻抗Zm的阻抗角与正向整定阻抗Zset1的阻抗角相等时，此时继电器最为灵敏，所以Zset1的阻抗角也称为最灵敏角。一般取为被保护线路的阻抗角。偏移圆特性的阻抗继电器特点：在反向故障时有一定的动作区。偏移特性的阻抗元件通常用在距离保护的后备段（如第3段）中。（2）方向圆特性令Zset2=0，Zset1=Zset2则动作特性变化成方向圆特性绝对值比较动作方程为相位比较动作方程为方向圆特点：在整定阻抗的方向上，动作阻抗最大，正好等于整定阻抗；其他方向的动作阻抗都小于整定阻抗；在整定阻抗的相反方向，动作阻抗降为0.反向故障时不会动作，阻抗元件本身具有方向性。方向圆特性的阻抗元件一般用于距离保护的主保护段（1段和2段）中。（3）全阻抗圆特性令Zset2=-Zset1，Zset1=Zset则动作特性变化成方向圆特性绝对值比较动作方程为相位比较动作方程为全阻抗圆特点：各个方向上的动作阻抗都相同，它在正向或反向故障的情况下具有相同的保护区，即阻抗元件本身不具方向性。全阻抗圆特性的阻抗元件可以应用于单侧电源的系统中；当应用于多测电源系统时，应与方向元件相配合。(4)上抛圆与下抛圆特性---与偏移圆特性的动作方程式完全相同上抛圆特性与另一方向圆特性组合成8字形特性，可作为距离保护的启动元件（5）特性圆的偏转圆的直径变大，测量元件在整定方向上的保护区不变，但其他方向的保护区有可能会伸长，应采取必要的措施，防止区外故障时测量元件误动作。2.苹果形特性和橄榄形特性阻抗元件苹果形特性的阻抗元件有较高的耐受过渡电阻的能力。耐受过负荷的能力比较差。橄榄特性的阻抗元件耐受过负荷能力较强，但耐过渡电阻能力较差。3．直线特性的阻抗元件是圆特性阻抗元件的特例：圆心在无穷远处，而直径趋向于无穷大.直线特性可分为电抗特性、电阻特性和方向特性几种。(1)电抗特性Zm处于临界时：左侧右侧Zm在动作特性直线下方（动作区）不具有方向性，且在负荷阻抗情况下也可能动作(2)电阻特性。电阻特性阻抗形式的绝对值比较动作方程和相位比较动作方程分别为准电阻特性(3)方向特性。绝对值比较动作方程和相位比较动作方程分别为4．多边形特性的阻抗元件圆特性的阻抗元件的不足：在整定值较小时，动作特性圆也就比较小，区内经过渡电阻短路时，测量阻抗容易落在区外，导致测量元件拒动作；而当整定值较大时，动作特性圆也较大，负荷阻抗有可能落在圆内，从而导致测量元件误动作。具有多边形特性的阻抗元件可以克服这些缺点，能够同时兼顾耐受过渡电阻的能力和躲负荷的能力Zm-Zset2Zm-Zset2方向四边形特性：设测量阻抗Zm的实部为Rm，虚部为Xm第4象限部分第2象限部分第1象限部分3.2.3绝对值比较与相位比较之间的相互转换设绝对值比较动作方程中≤左侧的阻抗记为ZB，右侧的阻抗记为ZA，则绝对值比较动作条件的一般表达式为设相位比较动作方程中分子、分母的阻抗分别用Zc和ZD表示，则相位比较动作条件的一般表达式为4个量之间关系为3.3阻抗继电器的实现方法阻抗继电器一般根据已经导出的绝对值比较动作方程和相位比较动作方程来实现.3.3.1绝对值比较原理的实现电压形式的绝对值比较方程绝对值比较阻抗继电器的实现电压变换器输出电压与输人电压同相位幅值为电抗变换器:电流变换为电压,成导数关系。故可滤除直流分量KI:阻抗量纲改变匝数可以改变变换系数的值，改变调节绕组中的调节电阻，可以改变其阻抗角。同除以令方向圆特性阻抗继电器3.3.2相位比较原理的实现电压形式相位比较方程分子、分母同除以令方向圆阻抗特性3.3.3比较工作电压相位法实现的故障区段判断1．比较工作电压相位法的基本原理工作电压又称为补偿电压：保护安装处测量电压Um与测量电流Im的线性组合。即正方向区外k2点短路时K1K2母线M处的残余电压整定点z点的残余电压相位相同正方向区内k1点短路时K1K2母线M处的残余电压整定点z点的残余电压相位相反反方向k3点短路时K1K2N侧电源在母线M处的残余电压N侧电源整定点z点的残余电压相位相同动作条件为=180°在实际的系统中，由于互感器误差、过渡电阻等因素的存在，相位差在180°左右的一个范围内，测量元件就应该动作方向圆特性多个负号，两边减180°阻抗继电器的死区在中Um称为参考电压或极化电压作为判断口Uop相位的参考当在保护安装处正方向出口发生金属性相间短路时，母线电压降到零或很小，加到继电器的电压（Um）为零或者小于继电器动作所需的最小电压时，方向继电器会出现死区。测量阻抗Zm的阻抗值都很小，正好处于阻抗元件临界动作的边沿上，有可能出现正向出口短路时拒动或反向出口短路时误动的情况。应选择相位不随故障位置变化、在出口短路时不为0的电压量作为比相的参考电压参考电压用Uref表示动作的条件2．以正序电压为参考电压的测量元件正序电压是由三相电压组合而成的，用它来作为参考电压就相当于在参考电压中引入了非故障相电压。接地距离接线方式参考电压取相电压如：Uref=UA1相间距离接线方式参考电压取线电压如：Uref=UAB1不同故障情况下正序参考电压的变化分析l)A相单相接地短路。正序电压与故障前相电压相位相同，幅值等于该相故障前电压的2/3U[0]AU[0]BU[0]CUCUB2)AB两相接地短路。出口两相接地故障时，两故障相正序电压的相位都与对应相故障前电压的相位相同。幅值等于故障前电压的1/3。故障相间正序电压的相位与故障前相间电压的相位相同，幅值等于故障前电压的1/3.3)AB两相短路。两故障相正序电压的相位都与对应相故障前电压的相位相同，幅值等于故障前电压的1/2。故障相间正序电压的相位与该故障前相间电压的相位相同，幅值等于故障前相间电压的1/2。U[0]AU[0]BU[0]CUCUAUB60°4）三相对称短路。出口三相短路时，各相正序电压都为0，正序参考电压将无法应用。以正序电压为参考电压的测量元件的动作特性。参考电压等于相应相或相间的正序电压参考电压等于正序电压负值动作特性完全相同以正序电压负值做参考电压为例分析动作特性按接地距离接线方式，设发生区内K2点单相接地故障时：M侧保护处正序电压由复合序网得到M侧系统电源电动势短路点的等值电动势，假设短路点看入的等值正序、零序阻抗M侧系统的正序阻抗正序电流M侧分流系数Kc为大于0的实常数不会对比相有任何影响对照偏移圆阻抗特性得到：方向圆变为偏移圆，正向出口短路时，测量阻抗明确地落在动作区内，不再处于临界动作的边沿，能够可靠地动作。与整定阻抗相同的方向圆特性相比，该偏移圆的直径要大得多因而其耐受过渡电阻的能力要比方向圆特性强。该偏移特性是在正向故障的前提下导出的，所以动作区域包括原点并不会失去方向性。设发生区内K3点单相接地故障时：保护安装处实际电流的方向与规定的正方向相反。对比两式得：方向圆变为上抛圆。反向出口短路时，测量阻抗在原点附近，远离动作区域，可靠不动。反向远处短路时，Zm位于第三象限，不可能落人动作圆内，所以也不会动作。以正序电压为参考电压的测量元件具有明确的方向性。不会对比相有任何影响3．以记忆电压为参考电压的测量元件出口三相对称性短路时三相电压都降为0，为克服这个缺点，可以利用故障前的电压，作为测量元件的参考电压。以相间接线方式的AB相继电器为例：以记忆电压为参考电压的测量元件的动作