第二章 线路的距离保护技术.docx

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第二章线路的距离保护技术

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电力系统继电保护新技术与故障检验调试

电网与线路继电保护新技术

第二章线路的距离保护技术

第一节距离保护的作用及其原理

距离保护的作用

1.电流、电压保护存在的问题

电流、电压保护，都是根据电力系统发生短路时，系统电压降低和电流增大的特点构成的，而电流、电压速断保护存在一个共同的问题：

当电力系统运行方式变化时，保护装置的灵敏度或保护范围将随之变化。

例如，在系统容量较小的方式下，瞬时电流速断或限时电流的保护范围将缩得很小，甚至于没有保护区，这时线路发生故障只能靠过电流保护来切除，由此产生三个问题：

延缓了故障切除时间、不能保证有选择地切除故障和在复杂电网中由于电源点多，而造成电流电压保护不能正确工作。

另外在较高电压的电网中，保护切除的时间不允许过长，所以需要有保护范围稳定和切除速度快的保护装置。

2.方向过电流保护存在的问题

过电压保护增加功率方向元件（功率方向元件指向：

母线→线路）就成为方向过电流保护，在双侧电源的辐射形网络和单侧电源的环形网络中均能有选择地切除故障。

但在多电源的复杂电网中，方向过电流保护就不能满足选择性要求。

例如在图2.1.1（a）所示的单侧电源的环形网络中，功率方向的规定如图中箭头所示，只要整定时限满足t6＞t4＞t2，t1＞t3＞t5，电网中无论何处发生故障均可满足选择性。

但是图2.1.1（b）所示的两侧电源的环形网络中［只比图2.1.1（a）的网络增加了一个电源E·2］，当E·2电源未加时在线路L2的k1点发生短路，方向过电流保护一般是4应比6先动作，如靠近QF3的k1点发生短路时，仍可按这个顺序有选择性地动作，但当增加E2电源后，无论靠近QF3的K1点发生短路，对QF3是正方向还是反方向，均会使保护4处于方向电源速断范围之内，而造成越级跳闸。

也即在增加另一电源后，保护范围将有很大的变化，这是所不允许的。

也就说明方向过电流保护不能满足复杂电网的选择性。

3.距离保护的作用

距离保护是反映故障点至保护安装处的电气距离、并根据电气距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。

距离越近，动作时间越短。

这样就可以保证有选择地切除故障。

由于电气距离的大小不随系统运行方式而变化，因此距离保护比简单的电流、电压保护的保护范围更确定，且较为灵敏，不受（或很少受）系统运行方式变化的影响。

距离保护的基本原理

由于距离保护反映的是输电线路的电气距离，而电气距离一般以阻抗形式表示，所以距离保护又称为阻抗保护。

它的基本原理是用阻抗继电器测量保护安装处与故障点之间的阻抗ZK（或距离），实际上是用它来测量保护安装处电压与电流的比值（ZK=UK／IK），再将此测量阻抗与整定〖请看图片H73，+65mm。

65mm，BP#〗〖请看图片图2.1.1方向过电流保护在不同网络中选择性的分析（a）单侧电源环形网络；（b）两侧电源环形网络

阻抗（Zset）进行比较，当测量阻抗大于整定阻抗时，保护不动作；而小于整定阻抗时，则保护动作，距离保护的动作时间，取决于故障点到保护安装处的距离；当故障点距保护安装点近时，其测量阻抗小，动作时间短；当故障点距保护安装点远时，其测量阻抗增大，动作时间增长，而此时间的长短，一般以固定的动作时间即阶梯式时间来计算，这样就保证了保护有选择地切除故障。

如图2.1.2（a）所示，当k1点发生短路时，保护1测量的阻抗是ZK，保护2测量的阻抗是ZAB+ZK，由于保护1距故障点较近，保护2距故障点较远，所以保护1的动作时间比保护2的动作时间短。

这样故障将由保护1切除，而保护2不会误动。

距离保护的时限特性

距离保护的动作时间与保护安装处至故障点之间的距离的函数关系t=f（L）或t=f（Z）称为距离保护的时限特性。

目前广泛应用具有三段阶梯形动作范围的时限特性，如图2.1.2（b）所示，分别称为距离保护的Ⅰ段、Ⅱ段及Ⅲ段。

〖请看图片H74，+51mm。

75mm，BP#〗〖请看图片图2.1.2距离保护的原理与时限特性（a）网络接线图；（b）时限特性

Ⅰ段距离保护是瞬时动作的（只有保护本身固有动作时间t1）以图2.1.2（a）网络中QF2的保护2为例，其Ⅰ段本应保护线路A—B的全长，然而要考虑到当相邻线路B—C出口处发生短路时（故障点k2）保护2Ⅰ段不应动作，考虑到阻抗继电器和互感器的测量误差，一般保护线路全长的80%～85%取可靠系数Krel1=（0.8～0.85），即

ZⅠset，2=（0.8～0.85）ZAB

（1）

式中ZⅠset，2——保护2距离Ⅰ段整定值（Ω）；

ZAB——线路A、B之间的固有阻抗（Ω）。

同理对保护1的第Ⅰ段阻抗整定值应为

ZⅠset，1=（0.8～0.85）ZBC

（2）

式中ZⅠset，1——保护1距离Ⅰ段整定值（Ω）；

ZBC——线路B、C之间的固有阻抗（Ω）。

距离Ⅰ段一般只能保护线路全长的80%～85%，而余下的15%～20%范围内的故障，将由距离Ⅱ段延时切除，距离Ⅱ段整定值的选择类似于限时电流速断，即应使其不超出下一条线路（BC）距离Ⅰ段的保护范围，同时带有比保护1距离Ⅰ段高出一个Δt的时限，以保护选择性。

距离Ⅱ段与距离Ⅰ段联合构成本线路的主保护。

距离Ⅲ段整定值的考虑类似于过电流保护，其动作阻抗要按躲开正常运行时的负荷参数来选择，而动作时限比距离Ⅲ段保护范围内其他保护的最大动作时限高出一个Δt。

距离Ⅲ段可作为可邻线路保护装置和断路器拒动的后备保护，同时也可作为距离Ⅰ段、Ⅱ段的后备保护。

距离保护的主要组成元件

如图2.1.3所示，距离保护装置由以下四种元件组成。

〖请看图片H75，+70mm。

70mm，BP#〗〖请看图片图2.1.3距离保护的组成元件及单相原理接线图KS1、KS2、KS3——信号继电器；TA——电流互感器；QF——断路器；LT——断路器跳闸线圈；QS——隔离开关

（1）启动元件（KA）。

启动元件的主要作用是在发生故障的瞬间启动整套保护，通常由灵敏度较高的负序电流继电器构成。

（2）方向元件（KPD）。

方向元件确保保护动作的方向性，防止反方向故障时，保护误动。

它可以采用功率方向继电器KPD，对于方向阻抗继电器，由于兼有方向元件功能，可省略方向元件。

（3）距离元件（KDS1、KDS2）。

距离元件的作用是测量故障点到保护安装处之间的距离（即测量阻抗）一般用阻抗继电器。

（4）时间元件（KT2、KT3）。

时间元件是按照故障点到保护安装点的远近配合，得到所需要的时限特性，以保证保护动作的选择性，一般采用时间继电器。

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第二章线路的距离保护技术

第二节新型自适应阻抗继电器

具有自适应能力的阻抗继电器的构成原理

1.工作电压

绝大多数距离继电器是按照故障点的电压边界条件建立其动作判据的。

当在保护区末端故障时动作判据处于临界状态。

为了反映此状态，在继电器中要形成或计算出保护区末端的电压，一般称为工作电压Uop，即

U·op=U·K-ZYI·K

（1）

对于相间距离继电器U·K=U·pp（U·AB、U·BC或U·CA），I·K=I·pp（I·AB、I·BC或I·CA），对于接地距离继电器U·K=U·P（U·A、U·B或U·C），I·K=I·P+KI·O［I·A+K3I·O、I·B+K3I·O、I·C+K3I·O］，K＝（Z0-Z′1／Z1）。

式

（1）中ZY即第一节中提到的“Y点”的整定阻抗（ZY=Zset）所以

（1）的另一表达形式为

U·OP=U·K-ZsetI·K

（2）

而比相式阻抗继电器的另一表达式为

90°≤argUPLUK-IKZY≤270°（3）

不难看出式

（2）实际上是式（3）的分母，即工作电压是比相式阻抗继电器的一个组成部分。

工作电压在正常情况下，等于线路上Y点的电压，即

UOP=UY（4）

工作电压有一个显著特点：

在保护区外发生故障或正常运行状态，它的相位与在保护区内发生故障时的相位相差180°（方向相反），这就为阻抗继电器能正确判别各种区内故障奠定了基础。

实际上现在绝大多数距离继电器都是反映U·OP的相位变化。

为了测量一个交流量的相位，必须以另一个交流量的相位作参考，在继电保护中我们称前者为工作电压（UOP），后者为极化电压（UPL），选择不同的极化量，将得到不同特性的距离继电器。

图2.2.1显示了工作电压在各种故障状态下的大小和方向，由图可见，在发生正方向区外故障（F1点）和反方向故障（F4点）时，工作电压都在电源与故障点的连线上（反映了Y点的电压）〖请看图片H76，+100mm。

75mm，BP#〗〖请看图片图2.2.1工作电压的大小与相位（a）系统图；（b）正方向区外故障（F1点）；（c）Y点故障（F2）；（d）区内故障（F3）；（e）反向故障（F4）

；在保护区末端（Y点）发生故障时，U·OP=0；在区内发生故障时，继电器测量到的工作电压在故障点与电源连续的延长线上（延长到Y点）。

2.带记忆功能的阻抗继电器

由图2.2.1工作电压分布图可见，故障电压UK与工作电压U·OP在区外故障时同相，在区内故障时反相，在保护区末端故障时，UOP=0，比相器处于临界状态，这就是阻抗继电器建立动作判据的依据。

在出口故障时，UK=0，阻抗继电器出现死区。

而带记忆功能的阻抗继电器，由于不再反应单一的电压，它的动作特性，只能结合电网参数，故障性质等具体情况来分析，一般按正方向故障和反方向故障两种情况来考虑。

（1）保护正方向短路。

系统接线及有关参数如图2.2.2（a）所示，由图可见。

〖请看图片H77，+70mm。

65mm，Y#〗〖请看图片图2.2.2带记忆阻抗继电器正方向短路特性分析（a）系统接线；（b）继电器动作特性

I·K=E·ZS+ZK

U·K=I·KZK

U·OP=U·K-I·KZY=I·KZK-I·KZＹ

=I·K（ZK-ZY）

=ZK-ZYZK+ZS·E·（5）

将式（5）代入（3）中，可得继电器动作条件为

90°＜argZK+ZSZK-ZY·U·PLE·＜270°（6）

式（6）中，ZS（系统阻抗），ZY（整定阻抗）均为已知量，UPL／E为参变量，将其移到不等式两边去，则仅剩下一个变量ZK，稍作整理后得

90°+argE·U·PL＜