大学课件 电力系统继电保护 第三章第三节 阻抗继电器的实现方法

3.3阻抗继电器的实现方法两种不同的方法来实现距离保护•3.3.1绝对值比较原理的实现如前所述，绝对值比较的一般动作表达式如式（3-39）所示。绝对值比较是的阻抗元件，既可以用阻抗比较的方式实现，也可用电压比较的方式实现。式（3-39）两端同乘以测量电流Im，并令ImZA=UA，ImZB=UB，则得到电压形式的绝对值比较方程为：精确地测量出Zm与事先确定的动作特性比较给出动作信号继电器不动作无需精确测出Zm间接判断它在动作边界内还是动作边界外确定继电器动作或不动作Zm在动作区域内Zm在动作区域外(345)BAUU•1模拟式距离保护中绝对值比较的实现传统的模拟式距离保护中，绝对值比较原理是以电压比较的形式实现的。以圆特性的方向阻抗元件为例，可用图3-18所示的回路连接完成电压形成。一个输入绕组----输入电流互感器TA的二次电流三个输出绕组1其中一个接调节电阻R，通过改变R可改变阻抗角2另外两个接阻抗继电器的电压形成回路，输出电压均为KIIm/2，KI具有阻抗量纲。电抗互感器电抗互感器输出电压近似为输入电流的导数，它对输入电流中不同频率成分的影响是不同的，对输入信号中的直流分量，其输出基本没有反映，即可以滤除直流分量，而当输入中含有高频信号时，它将会有较大的放大作用。电压变换器T----将电压互感器输出电压（100V/√3）变换为适合弱电回路运算的电压，有一个输入绕组和一个输出绕组，输出电压接入阻抗继电器的电压形成回路。变换器的变换系数Ku为没有量纲实数，所以变换器的输出电压与输入电压同相位，幅值为|KuUm|由图3-18可得：绝对值比较回路动作条件为：两侧同除以|KUIm|，并令Zset=KI/KU，上式就变成了式（3-19）的形式，即用阻抗表示的具有方向圆特性的阻抗继电器。•2数字式保护中绝对值比较的实现若采用电压比较算法----直接根据动作特性要求用软件形成两个比较电压，并比较它们的大小，决定是否动作；若采用阻抗比较算法----先算出Zm，然后按动作特性要求形成两个比较阻抗，判断它们的大小，决定是否动作。11;22AImBImUmUKIUKIKU1122ImUmImKIKUKI来自TV的测量电压来自TA的测量电流模拟量输入回路模拟量输入回路A/D转换器微机算出相量Um和Im应用傅氏算法可以方便地从电压电流的采样值中计算出测量电压和测量电流基波相量的实部和虚部，从而求出基波测量电压、测量电流和测量阻抗。假设由傅氏算法算出的电压和电流实、虚部分别用UR、UI和IR、II表示，则•3.3.2相位比较原理的实现相位比较原理的阻抗元件动作条件的一般表达式为：上式为电压形式相位比较方程。2222mRImUmRImImRIRRIIIRRImmmmRIRIRIUUjUUIIjIIUUjUUIUIUIUIZjRjXIIjIIIII()mmmUImmmmUUZZII或Um、Im—分别为测量电压、电流基波的有效值；90arg90CDUU分子、分母同乘Im，并令ImZC=UC、ImZD=UD/90arg90CBADZZZZ•1模拟式保护中相位比较的实现模拟式保护的相位比较原理也是以电压比较的形式实现的。电压的形成依靠回路串联连接。以圆特性的方向阻抗元件为例，比较电压可由图3-19所示的回路连接形成。按照图示的连接，可以得到：相位比较回路动作条件为：得到式（3-20）的形式，即用阻抗表示的方向阻抗特性。(354)(355)CImUmDUmUKIKUUKU90arg90ImUmUmKIKUKU分子、分母同除以KUIm，并令Zset=KI/KU电抗互感器UR有两个输出绕组，一个接相角调节电阻；另一个的输出电压为KIIm电压变换器T有两个输出绕组，输出的电压都为KUUm•2数字式保护中相位比较的实现数字式保护中，相位比较既可以用阻抗形式实现，也可以用电压形式实现。阻抗比较：电压比较：可以分为相量比较和瞬时采样值比较两种。（1）相量比较方式系统故障时，微机保护装置首先应用傅氏算法等计算方法，求出保护安装处的测量电压Um和测量电流Im，然后根据动作特性的要求求出相量UC和UD。在复平面上，UC和UD既可用幅值和相角表示为极坐标的形式，也可用实部和虚部表示为直角坐标的形式，即：各种不同的相位比较方程，就是判断相位差φC－φD是否在给定的动作边界和范围之内。求出系统故障时的测量阻抗与整定阻抗组合出比较阻抗ZC和ZD代入动作条件的一般表达式（3-40）根据是否满足动作条件决定是否动作CCCCRCIDDDDRDIUUUjUUUUjU(357)动作范围为-90°~90°相位比较动作的条件为：-90°≤φC－φD≤90°，即：cos(φC－φD)≥0在两端同乘以|UC|·|UD|，得到：即相位比较动作的条件可以表示为：由于该式是通过运用相角差余弦的形式导出的，它又称余弦型相位比较判据。式（3-60）还可通过下面方法推出：在用直角坐标系的情况下UC、UD之比可表示为：复平面上UC、UD之间的夹角在-90°~90°范围内的判断，等价于该复数相量的实部大于0，即动作条件可表示为：在|UD|≠0的情况下，它与式（3-60）完全等同。cos()coscossinsin0CDCDCCDDCCDDCRDRCIDIUUUUUUUUUU0(360)CRDRCIDIUUUU22DRDICRDRCIDICIDRCRDICCRCIDDRDIUUUUjUUUUUUjUUUjUUU220DRDICRDRCIDIUUUUUU2）动作范围为0°~180°此时相位比较动作的条件为：0°≤φC－φD≤180°，即：sin(φC－φD)≥0上式左端展开，并在两端同乘以|UC|·|UD|，得到：即相位比较动作的条件可表示为：由于该式是通过UC和UD相角差正弦的形式导出的，所以它又称为正弦型相位比较判据。也可理解为UC、UD之间的夹角在0°~180°范围内的判断，等价于它们之比的复数矢量的虚部大于0。sin()sincoscossin0CDCDCCDDCCDDCIDRCRDIUUUUUUUUUU0(364)CIDRCRDIUUUU（2）瞬时采样值比较方式与比较电压UC、UD对应的瞬时电压可表示为：若当前的采样时刻为n，当前时刻的采样值表示为：工频1/4周期以前时刻的采样值表示为：2sin()2sin()CCCDDDuUtuUt()2sin()()2sin()CCnCDDnDunUtunUt()2sin[()]2cos()44()2sin[()]2cos()44CCnCCnCDDnDDnDNTunUtUtNTunUtUt(365)(366)(367)式（3-66）和式（3-67）中的对应项平方相加式（3-68）简写为：式（3-66）和式（3-67）中的对应项相除式（3-69）简写为：即UCR、UCI可看作是幅值UC、相角wtn+φC的相量UC的实虚部；同理UDR、UDI。瞬时采样值表示的余弦比相方程：和正弦比相方程：222222()()24()()24CCCDDDNununUNununU22222222CICRCDIDRDUUUUUU()()()4()()()4CnCCDnDDuntgtNununtgtNun()()CInCCRDInDDRUtgtUUtgtU()()4()()4CICCRCDIDDRDUunNUunUunNUun若令()()()()044CDCDNNunununun()()()()044CDCDNNunununun0(360)CRDRCIDIUUUU•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----在距离保护中，工作电压又称为补偿电压，通常用Uop表示，定义为保护安装处测量电压Um与测量电流Im的线性组合，即：。式中，Zset为整定阻抗，它对应下图从母线M到整定点Z的线路阻抗。正常运行：按照上图所示的参考方向，系统正常运行时，补偿电压Uop就是线路上Z点的运行电压，它在量值上接近额定电压，相位上基本与Um同相位。k1点短路：正方向区内k1点短路时，Um=ImZk1为M侧电源在母线M处的残余电压；系统中没有任何一点的实际电压与Uop相对应，可看作是Um与0V之间连线的延长线在Z点的值。此时Uop与Um相位相反opmmsetUUIZ11()()opmksetmsetkUIZZIZZk2点短路：正方向区外k2点短路时，Um=ImZk2为母线M处的残余电压，而是整定点Z点的残余电压，系统各点电压沿线分布如图3-20b所示。Uop与Um相位相同。k3点短路：反方向k3点短路时，分别为N处电源在M、N处的残余电压，电压分布如图3-20c所示。此时，Uop与Um相位相同。所以：当Uop与Um同相位时，判为区外故障；Uop与Um反相位时，判为区内故障。2()opmksetUIZZ33()mmkopmksetUIZUIZZ实际系统中，考虑互感器误差、过渡电阻等因素，测量元件动作条件可表示为：直接用Um作为比相参考电压时，无法保证出口短路时的选择性，为克服这一缺点，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。12180arg180(373)opmUU90arg270(374)mmsetmUIZU90arg90(375)setmmZZZUop=Um-ImZset，并取α1=α2=90°分子分母同乘以-，并整理、化简α1、α2----为比相动作范围偏离180°的角度，两者都取正值Um----作为判断Uop相位的参考，又称为参考电压或极化电压方向圆阻抗元件的动作特性经过坐标原点，在正向出口或反向出口短路时，测量阻抗Zm的阻抗值都很小，都会落在坐标原点附近，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。mI当参考电压为其它电压量时，动作条件可表为：在的组成不变的情况下，选择不同的参考电压Uref和不同的动作边界β1、β2，就可以获得不同的动作特性。•2以正序电压为参考电压的测量元件正序电压就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。对于不同类型和相别的故障，应取故障环路上的电压、电流作为继电器的测量电压Um和测量电流Im。同样，构成参考电压的正序电压，也应取故障环路上的电压。12argoprefUUopU（1）不同故障情况下正序参考电压的变化分析A相单相接地短路出口A相单相接地短路时，保护安装处的三相电压为：式中，分别为故障前母线处的三相电压。式（3-77）表明，出口单相接地故障时，故障相正序电压的相位与该相故障前电压的相位相同，幅值等于该相故障前电压的2/3。[0][0]0ABBCCUUUUU2[0]2[0][0]1112()(0)(377)333AABCBCAUUaUaUaUaUU[0][0][0],,ABCUUUAB两相接地短路出口AB相两相接地短路时，保护安装处的三相电压为：出口两相接地故障时，两故障相正序电压的相位都与对应故障前电压的相位相同，幅值等于故障前电压的1/3；两故障相间正序电压的相位与该两相故障前相间电压的相位相同，幅值等于故障前相间电压的1/3。[0]00ABCCUUUU22[0][0]12[0][0]1[0]111111()(00)(378)333111()(00)(379)3331(380)3AABCCABABCCBABABABUUaUaUaUUUaUUaUaUUUUUUA