中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护分析

主讲人：肖仕武电气与电子工程学院四方研究所Office:教五B309NorthChinaElectricPowerUniversity第三章电网距离保护第三章电网距离保护一、距离保护基本原理与构成二、阻抗继电器及动作特性三、阻抗继电器的实现方法四、距离保护的整定计算与对距离保护的评价五、距离保护的振荡闭锁六、故障类型判别和故障选相七、距离保护特殊问题的分析八、工频故障分量距离保护第一节距离保护基本原理及构成一、距离保护的概念电流保护：反映故障电流大小。简单、经济、工作可靠，适用于35kV及以下电网；受系统运行方式变化的影响较大，难以满足高压和超高压电网快速、有选择性地切除故障的要求。距离保护：利用短路时电压、电流同时变化的特征，反应故障点至保护安装点之间的距离，并根据距离的远近而确定动作时间。mmmIUZ通过选取适当的接线方式，使得测量阻抗与故障距离L成正比。MN21setL1K2K3KLZk1ZSetZRjXk2Zk3ZmmmmmmmjXRZIUZ依据测量阻抗在不同情况下幅值和相位的“差异”，保护就能够区分出系统是否发生故障以及故障发生的范围。：是测量电流：是测量电压mUmI：是测量阻抗mZ：是测量电阻mR：是测量电抗mX三相系统中测量电压和测量电流的选取（距离保护的接线方式）若使距离保护正确工作，测量阻抗在不同故障类型情况下均能正确反应故障距离，必须选取适当的接线方式。对接线方式的基本要求：测量电压、测量电流的选取形式，称为接线方式。mmmIUZ2）测量阻抗应该与故障类型无关，即在故障位置确定情况下，测量阻抗不随故障类型的变化而变化。lZml，是故障距离。1）测量阻抗正比于短路点到保护安装点之间的距离；lzZm1阻抗继电器的接线方式主要有两种：1、相间距离继电器接线（0°接线方式），反应相间故障；2、接地距离继电器接线方式（相电压和具有K3I0补偿的相电流接线），反应接地短路故障。三相系统中测量电压和测量电流的选取（距离保护的接线方式）(1)接地距离保护的接线方式000333IKIUIKIUIKIUIUCCBBAAmm110103)3(ZZZKlZIKIUUd其中1)三相短路0101033)3(IKIUlZIKIUIUZlZIKIUUAdAAAmmmAdAAllZZUmdA10MN21dkIU2)单相接地短路假设A接地短路:MN21dkIUlZIKIUUd10)3(0101033)3(IKIUlZIKIUIUZlZIKIUUAdAAAmmmAdAAllZZUmdA103)两相接地短路假设AB接地短路:MN21dkIUlZIKIUUd10)3(0101033)3(IKIUlZIKIUIUZlZIKIUUAdAAAmmmAdAAllZZUmdA104)两相相间短路MN21dkIU假设AB相间短路:lZIKIUUd10)3(0101033)3(IKIUlZIKIUIUZlZIKIUUAdAAAmmmAdAAlIKIUlZZUAdAmdA0130（2）相间距离保护的接线方式CACABCBCABABmmIUIUIUIUlZIUUd11)三相短路ABdABABABmmmABdABABIUlZIUIUZlZIUU11llZZUmdAB10MN21dkIU2)两相相间短路MN21dkIUABdABABABmmmABdABABIUlZIUIUZlZIUU11假设AB相间短路:lZIUUd1llZZUmdAB103)两相接地短路假设AB接地短路:MN21dkIUlZIUUd1ABdABABABmmmABdABABIUlZIUIUZlZIUU11llZZUmdAB104)单相接地短路假设A接地短路:MN21dkIUlZIUUd1ABdABABABmmmABdABABIUlZIUIUZlZIUU11lIUlZZUUUABdABmdBdAdAB10(3)K1)(1,K(1)K(2)K接地距离保护接线方式相间距离保护接线方式为保证距离保护的正确工作，测量电压、测量电流应取用故障环路（故障电流流通的回路）上电压、电流量。接地短路的故障环路为相－地故障环路；相间短路的故障环路为相－相故障环路。三、阶段式距离保护（距离保护的时限特性）每一线路装设有三段式距离保护，Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段之间，并与相邻线路三段式距离保护共同构成了较完善的保护系统。四、距离保护的构成启动部分：判别系统是否发生故障，故障时能瞬间启动保护测量部分：测量故障距离（阻抗），由阻抗元件构成，三段振荡闭锁：系统振荡时，防止距离保护误动PT断线：防止由于测量电压消失而使测量部分误动第二节阻抗继电器及其动作特性阻抗继电器：测量保护安装点至短路点之间的距离，与整定阻抗比较，确定故障范围，决定保护是否应该动作。LZk1ZSetZRjXk2Zk3Z由于互感器误差、故障点过渡电阻等因素的影响，Zm并不能严格落在与Zset同向直线上，而是附近的一个区域中，为保证区内故障时正确动作，通常将动作区域设定为圆或四边形。阻抗继电器的动作特性由阻抗复平面图上的阻抗动作区来表示。阻抗动作区：是阻抗复平面图上的一个区域，当测量阻抗落在区域内，则阻抗继电器认为是内部故障，继电器动作一、阻抗继电器的动作特性阻抗继电器动作区域的形状，称为动作特性（圆特性、四边形特性）；描述动作特性的数学方程，称为动作方程。1）全阻抗圆特性以保护按照点为圆心，以整定阻抗Zset为半径所作的一个圆，圆内为动作区，圆外为非动作区。RjXZsetZmmsetMN21dkIU动作特性取决于短路点到保护安装处之间的阻抗大小，与阻抗角无关。三种圆特性的阻抗动作区：1.全阻抗继电器特性2.方向阻抗继电器特性3.偏移阻抗继电器特性动作方程：（1）幅值比较方式（2）相位比较方式setmmsetmZIUZZ90arg9090arg90setmmmsetmsetmmsetZIUUZIZZZZRjXZsetZmZset-ZmZset+Zm-ZsetRjXZsetZmZset-ZmZset+Zm-Zset全阻抗圆特性的缺陷：正向、反向故障情况下具有相同的保护区，即阻抗元件本身不具备方向性。2）方向阻抗圆特性以保护安装点为圆心，以整定阻抗Zset为直径所作的一个圆，圆内为动作区，圆外为非动作区。MN21dkIU动作特性与短路点到保护安装处之间的阻抗大小以及阻抗角都有关。RjXZsetZmset当测量阻抗的阻抗角Φ不同时，方向阻抗元件的动作阻抗也不相同，当Φ等于整定阻抗的阻抗角Φset时，动作阻抗达到最大，等于Zset，此时方向阻抗元件的保护范围最大，工作最灵敏，因此Φset也称为最大灵敏角Φsen动作方程：（1）幅值比较方式RjXZsetZmZset/2setsetmsetmmsetsetmZIZIUZZZ21212121（2）相位比较方式RjXZsetZmZset/2msetZZ90arg9090arg90mmsetmmmsetUUZIZZZRjXZsetZmZset/2msetZZ方向阻抗元件在第三象限无动作区，当保护反方向发生故障时不动作，阻抗元件本身具有方向性。3）偏移圆特性有两个整定阻抗，即正方向整定阻抗Zset1和反方向整定阻抗Zset2，以保护安装点为圆心，以两整定阻抗对应矢量末端的连线为直径所作的一个圆，圆内为动作区，圆外为非动作区。MN21dkIURjXZset1ZmZ0Zset2RjXZset1ZmZ0Zset2圆心坐标：)(21)(21212110setsetsetsetsetZZZZZZ圆的半径：2121setsetZZR动作方程：（1）幅值比较方式：RZZm0RjXZset1ZmZ0Zset2动作方程：（2）相位比较方式：90arg9021setmmsetZZZZ偏移特性阻抗元件在第三象限有一段小的动作区，能够消除方向阻抗元件在正向出口处的保护死区，但同时反方向故障也存在误动的可能，所以没有完全的方向性。测量阻抗、整定阻抗、起动阻抗的意义和区别1、测量阻抗：mZmmmIUZ由加入继电器的测量电压和测量电流计算得出。2、整定阻抗：setZ取继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗作为整定阻抗。由线路阻抗整定计算得出。3、起动阻抗：表示当继电器opZ刚好动作时，加入继电器电压和电流的比值，整定阻抗模值随的不同而改变。mUmIopZmRjXZsetZmZset/2set幅值比较和相位比较之间的关系（互换性）：（1）幅值比较原理：（2）相位比较原理：BA90arg90DCABCDABCDABCD90arg90DCBA90argDCBA90arg270DCBA幅值比较方式与相位比较方式之间具有互换性，可以用其中任意一种来分析，但需要注意：（1）只适用于A、B、C、D为同一频率正弦交流量；（2）短路暂态过程中的非周期分量不成立。22;BADBACDCBDCA其他圆特性的阻抗继电器1）上抛圆特性；2）特性圆的偏转。其他形状阻抗动作区的阻抗继电器1）苹果形特性和橄榄形特性阻抗继电器；2）直线特性的阻抗继电器；3）多边形特性的阻抗元件；4）复合特性的阻抗元件5.动作角度范围变化对继电器特性的影响橄榄形（透镜型）继电器：mmsetZZZarg苹果型继电器：折线型继电器：60arg600ZIUJJmmsetZZZarg9090,第三节阻抗继电器的实现方法阻抗继电器的两种实现方法：（1）精确测量出测量阻抗Zm，然后把它与事先确定的动作特性进行比较。如果Zm在动作区域内，判为内部故障，发出动作信号。（2）根据阻抗继电器的动作方程，即幅值比较不等式动作方程或相位比较不等式动作方程来实现。setmsetmmsetsetmZIZIUZZZ2121212190arg9090arg90mmsetmmmsetUUZIZZZ一、幅值（绝对值）比较原理和相位比较原理的实现setmsetmmZIZIU21211.模拟式距离保护中的实现在模拟式距离保护中，绝对值比较原理都是以电压的形式实现的。模拟式距离保护的相位比较原理也是以电压比较的形式实现的。90arg90mmsetmUUZIsetmsetmmZIZIU212190arg90msetmmUZIU2.数字式距离保护中的实现在数字式保护（微机保护）中，利用微机强大的数值计算和存储能力，可以精确的计算出、和。然后代入幅值比较不等式动作方程或相位比较不等式动作方程，如果满足不等式方程，则判断为内部故障，发出动作命令。mUmImZsetsetmZZZ212190arg90mmsetZZZ在数字式保护中，实现的关键是计算、和。mUmImZ这些关键的相量在微机保护中，可以基于电流、电压的瞬时采样值