页数：83页文件大小：542.5 KB来源： 电力系统继电保护原理ppt课件
本课件讲解电网距离保护，先说明测量阻抗、故障环路与接地距离、相间距离接线方式，再系统介绍圆特性与直线特性阻抗继电器的动作方程、比幅与比相原理的互换，随后讨论阻抗继电器的模拟式与数字式实现方法、精确工作电流与电压，最后展开距离保护三段式整定计算、电力系统振荡对测量元件的影响与振荡闭锁措施，以及过渡电阻对保护区的影响。
第3章 电网距离保护
第1节 距离保护的基本原理与构成
距离保护反应的信息量测量阻抗 Zm 在故障前后的变化比电流变化大，因而比反应单一物理量的电流保护灵敏度高。
距离保护的实质是用整定阻抗 Zset 与被保护线路的测量阻抗 Zm 比较：当短路点在保护范围以内，即 Zm < Zset 时保护动作；当 Zm > Zset 时保护不动作。因此距离保护又称低阻抗保护。
测量电压、测量电流之间满足测量阻抗关系是距离保护能够用测量阻抗正确表示故障距离的前提和基础。在实际三相系统中可能发生多种不同的短路故障，在各种不对称短路时，各相的电压、电流都不再简单地满足上述公式，需要寻找满足该式的电压、电流接入保护装置，以构成在三相系统中可以使用的距离保护。
图示三相系统中不同短路类型下测量电压与测量电流的选取方式。
说明：本页源文件主要为公式与接线图，文字版给出图示说明，具体接线请对照原课件图片。
单相接地短路故障：以 A 相接地为例，当 A 相发生金属性短路时，接地点电压为零，故障相电压与带零序补偿的故障相电流之比可以写成与距离成正比的形式，据此算出的测量阻抗能够正确反应故障的距离，从而实现对故障区段的比较和判断。
非故障相对地电压不为零，无法满足所需要的测量阻抗形式。
故障环路的概念：把故障电流可以流通的通路称为故障环路。
距离保护的时限特性：为保证选择性，目前获得广泛应用的是阶梯形时限特性，这种时限特性与三段式电流保护的时限特性相同，也为三阶梯式。
距离保护的组成：
第2节 阻抗继电器及其动作特性：正方向保护范围内短路时，测量阻抗与整定阻抗同方向且其值小于整定阻抗。但实际情况下由于互感器误差、过渡电阻等因素，继电器实际测量到的阻抗不能严格落在整定阻抗同向的直线上，而是落在该直线附近的一个区域。
为保证区内故障可靠动作，其动作范围应该是包括整定阻抗对应线段在内、但在整定阻抗方向上不超过整定阻抗的区域。
根据动作特性圆在阻抗复平面上位置和大小的不同，圆特性又分为偏移圆特性、方向圆特性和全阻抗圆特性等。
偏移圆特性：有两个整定阻抗，即正方向整定阻抗和反方向整定阻抗，两整定阻抗对应相量末端的连线就是圆的直径。
偏移圆特性——幅值比较原理：当测量阻抗落在圆内或圆周上时，其末端到圆心的距离一定小于或等于圆的半径；当测量阻抗落在圆外时，其末端到圆心的距离一定大于圆的半径。据此可写出幅值比较形式的动作条件。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据给出文字表述。
偏移圆特性——相位比较原理：正向整定阻抗与反向整定阻抗相量末端的连线是圆特性的直径，它将圆分成右下部分和左上部分，测量阻抗落在两部分圆周上时分别对应不同的相位关系，据此可写出测量元件的相位比较动作条件。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据给出文字表述。
方向圆特性：在偏移圆特性中令 Zset2 = 0、Zset1 = Zset，动作特性就变成方向圆特性，特性圆经过坐标原点。方向圆特性可用幅值比较动作方程和相位比较动作方程两种形式描述。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据给出文字表述。
全阻抗圆特性：在偏移圆特性中令 Zset2 = −Zset、Zset1 = Zset，则圆心位于坐标原点、半径等于整定阻抗模值，可用幅值比较和相位比较两种动作方程描述。
全阻抗圆特性在各个方向上的动作阻抗相同，在正向或反向故障情况下具有相同的保护区，阻抗元件本身不具有方向性。
直线特性的阻抗元件可看作圆特性阻抗元件的特例：当特性圆的圆心在无穷远处而直径趋向无穷大时，圆形动作边界就变为直线边界，因此圆特性中的幅值比较原理和相位比较原理都可以应用于直线特性。
根据直线在阻抗复平面上位置和方向的不同，直线特性可分为电抗特性、电阻特性和方向特性等几种。
电抗特性：动作边界直线平行于 R 轴，到 R 轴的距离为 Xset，直线的下方为动作区。临界动作状态下可写出阻抗形式的幅值比较动作方程和相位比较动作方程。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据给出文字表述。
电阻特性：动作边界直线平行于 jX 轴，到 jX 轴的距离为 Rset，直线的左侧为动作区。类似于电抗特性的分析，可以得到电阻特性阻抗形式的幅值比较动作方程和相位比较动作方程。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据给出文字表述。
电阻特性与电抗特性一样，通常也是与其他特性复合形成复合特性的阻抗元件。实际应用的电阻特性一般与 R 轴垂线成 θ 夹角，相应的特性称为准电阻特性或修正电阻特性，对应有相应的相位比较动作方程。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据给出文字表述。
方向特性：动作边界直线经过坐标原点，且与整定阻抗方向垂直，直线的右上方为动作区。类似于电抗特性的分析，可以得到方向特性阻抗形式的幅值比较动作方程和相位比较动作方程。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据给出文字表述。
比幅原理：任何按比幅原理工作的阻抗继电器都具有两个输入量，其中一个构成动作量，另一个构成制动量。比较两个电气量的幅值，就是只比较其幅值大小而不管它们的相位如何。
说明：原页含正弦交流量的数学表达式，文字版给出原理说明。
比相原理：比相器的动作决定于被比较两电气量的相位，而与它们的幅值大小无关。按比相原理构成的继电器动作条件一般可写为相位差落在给定范围内的形式，动作范围为 −90°～+90° 的继电器称为余弦型比相器。
说明：原页含正弦交流量的数学表达式，文字版给出原理说明。
当相位差大于 90° 或小于 −90° 时，继电器不在动作区内。由此可得出两种比较原理的两组比较量之间的互换关系。
利用这一互换关系，可以用比幅式继电器实现相位比较，也可以用比相式继电器实现幅值比较。
第3节 阻抗继电器的实现方法：对于动作于跳闸的继电保护功能而言，最重要的是判断故障处于规定的保护区内还是区外，区内或区外的具体位置一般并不需要确切知道，因此可以用两种方法实现距离保护：
绝对值比较原理的实现：根据幅值比较的条件，在该式两端同乘以测量电流，并引入相应的电压量，则幅值比较的动作条件又可以表示为电压形式的幅值比较方程。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
模拟式距离保护中幅值比较的实现：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，从而得到幅值比较回路的动作条件。
说明：原页含变换回路公式，文字版给出实现原理说明。
数字式保护中幅值比较的实现：来自 TV 的测量电压和来自 TA 的测量电流分别通过各自的模拟量输入回路送到 A/D 转换器，转换成数字信号，由微型计算机计算出测量电压和测量电流。
相位比较原理的实现：与幅值比较原理类似，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，称为电压形式相位比较方程。它应根据动作特性的需要，首先形成两个参与相位比较的电压量，然后在相位比较电路中比较两者的相位关系。
按照图示的连接，可以得到相位比较回路的动作条件。
说明：本页源文件主要为接线图与公式，文字版给出图示说明，具体回路请对照原课件图片。
数字式保护中相位比较的实现：相位比较既可以用阻抗形式实现，也可以用电压形式实现；在用电压比较方式的情况下，又可分为相量比较和瞬时采样值比较两种。
相量比较方式：电力系统出故障时，微机保护装置首先应用傅氏算法等计算方法算出保护安装处的测量电压和测量电流，然后根据动作特性的要求算出相量 UC 和 UD。
在复平面上，两个比较相量之间的相位差为 φC − φD，各种不同的相位比较方程就是判断该相位差是否在给定的动作边界和范围之内。
（1）动作范围为 −90°～+90°：此时相位比较动作的条件可整理为由相角差余弦表示的判据。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据给出文字表述。
（2）动作范围为 0°～180°：此时相位比较动作的条件可整理为由相角差正弦表示的判据，又称为正弦型相位比较判据。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据给出文字表述。
瞬时采样值比较方式：比较电压的瞬时电压及其当前时刻采样值，与工频 1/4 周期以前时刻的采样值之间存在确定的相位关系，据此可实现比相判据。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
令相应的采样值组合量后，可以得到用瞬时采样值表示的余弦比相方程和正弦比相方程。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
阻抗继电器的精确工作电流和工作电压：在传统的模拟式保护中，阻抗继电器的整定阻抗由电抗互感器的变换系数 KI 和电压变换器的变比系数 KU 决定。
这样在输入电流较小或较大时，相当于继电器整定阻抗变小，动作阻抗也随之变小，即整个动作区变小。
为保证动作的可靠性，实现幅值比较原理的比较电路有一定的动作门槛，即只有比较电压之差大于一个固定门槛值时才会动作。对于具有圆特性的方向阻抗继电器，实际继电器动作的条件在此基础上表示。
使继电器的测量阻抗处于临界动作状态，就是继电器的动作阻抗，记为 Zop。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据给出文字表述。
由于误差及动作门槛，继电器实际的动作阻抗与输入电流的关系如曲线所示，曲线上对应的一段范围由最小精确工作电流 Iac.min 和最大精确工作电流 Iac.max 界定。
第4节 距离保护的整定计算与评价：与电流保护类似，距离保护的整定也采用阶梯时限配合的三段式配置方式。整定计算就是根据被保护电力系统的实际情况，确定计算出距离 I 段、II 段和 III 段测量元件的整定阻抗及 II 段和 III 段的动作时限。
当距离保护用于双侧电源系统时，一般要求 I 段和 II 段的测量元件都有明确的方向性；第 III 段作为后备，包括本线路的近后备和相邻线路的远后备，通常采用带有偏移特性的测量元件，用较大的时延保证其选择性。
距离保护 I 段的整定：I 段为无延时的速动段，它应该只反应本线路的故障，下级线路出口发生短路故障时应可靠不动作，所以其测量元件的整定阻抗应按照躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定，一般可按被保护正序阻抗的 80%～85% 计算。
分支电路对测量阻抗的影响：线路末端母线接有分支电路时，应考虑分支电路对测量阻抗的影响，本线路首端保护安装处测量阻抗由本线路阻抗与分支系数共同决定。
分支电路为电源支路时，使测量阻抗大于保护安装处到故障点的阻抗，这种使测量阻抗变大的分支称为助增分支（注增分支）。
分支电路为负荷支路时，使测量阻抗小于保护安装处到故障点的阻抗，这种使测量阻抗变小的分支称为外汲分支。
整定距离 II 段时应按助增与外汲两种分支中使测量阻抗最小的运行方式校验，以保证保护范围不超过下级线路 I 段范围。
距离保护 II 段阻抗的整定原则：
如果保护线路末端母线既有出线又有变压器，应分别按上述情况计算，取其中的较小者为整定阻抗。
距离保护 II 段：
距离保护 III 段的整定：
（1）阻抗整定：
（2）灵敏度校验：作为近后备时按本线路末端短路校验，作为远后备时按相邻设备末端短路校验。
（3）动作时间整定：应比与之配合的相邻设备保护动作时间大一个级差，但其动作时间不应小于最大振荡周期。
对距离保护的评价（根据继电保护四个基本要求评定）：
对距离保护的评价（续）：
第5节 距离保护的振荡闭锁：并联运行的电力系统或发电厂之间出现功率角大范围周期性变化的现象，称为电力系统振荡。
因此在系统振荡时要采取必要措施防止保护因测量元件动作而误动，这种措施称为振荡闭锁。距离保护一般用在较高电压等级的电力系统，出现振荡的可能性大，误动造成的损失严重，必须考虑振荡闭锁问题。
电力系统振荡对距离保护测量元件的影响：系统振荡时，两侧系统的电势幅值相等，相角差以 δ 表示并在 0°～360° 之间变化，振荡电流的有效值随之变化；系统振荡时中性点电位仍保持为零，故线路两侧母线的电压可由电势与功角关系求得。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
图示电力系统振荡时，线路电流有效值及线路两侧 M、N 母线电压有效值随功角变化的曲线。
曲线反映了振荡过程中电流随功角增大而增大、电压大幅波动的规律，是分析振荡对距离保护影响的基础。
由原点向两端电势相量差作一垂线，将该垂线代表的相量记为 Uos，在功角为零度以外的任意值时电压 Uos 都是全系统最低的；当功角为 180° 时该电压有效值变为零。
电力系统振荡时该点称为系统在振荡角度为 δ 时的电气中心或振荡中心，它不随 δ 的改变而移动，始终位于系统纵向总阻抗的中点。当 δ = 180° 时，振荡中心的电压降至零，从电压、电流的数值看与在此点发生三相短路无异，但系统振荡属于不正常运行状态而非故障，继电保护装置不应该切除振荡中心所在的线路。
当系统振荡时，M 点的母线电压可由系统电势与功角关系表示，安装于 M 点阻抗继电器的测量阻抗为该点母线电压与线路电流之比。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
系统振荡时，保护安装处的测量阻抗由两大部分组成：
为算出不同安装处距离保护测量阻抗的变化规律，令 ZX 代替 ZM，并假定 m = ZX/ZΣ（m 为小于 1 的变数），则当 m 取不同值时测量阻抗变化的轨迹是一直线簇：
当两侧系统的电势不等时，继电器测量阻抗的变化将具有更复杂的形式，测量阻抗末端的轨迹为阻抗复平面上的两段圆弧。
与电势相等时的直线簇轨迹相比，圆弧轨迹的位置随两侧电势比值改变，分析时应按实际电势关系确定。
分析系统振荡时距离保护所受到的影响：曲线 1 为方向透镜型继电器特性，曲线 2 为方向阻抗继电器特性，曲线 3 为全阻抗继电器特性。当系统振荡时测量阻抗沿 OO′ 直线变化，找出各种动作特性与直线 OO′ 的交点及所对应的角度，则在这两个交点对应的范围内，继电器的测量阻抗均位于动作特性圆内，距离保护受振荡影响可能误动。
总之，电力系统振荡时阻抗继电器是否误动、误动时间长短与保护安装处位置、保护动作范围、动作特性的形状和振荡周期的长短等有关：
振荡与短路时电气量的差异：
构成振荡闭锁回路的基本要求：
利用是否出现负序、零序分量实现闭锁：为提高保护动作的可靠性，在系统无故障时距离保护处于闭锁状态；当系统发生故障时短时开放距离保护，允许保护出口跳闸，这称为短时开放。
故障判断元件是实现振荡闭锁的关键元件，其作用是仅判断系统是否发生故障，不需要判断故障的远近及方向，要求灵敏度高、动作速度快、系统振荡时不误动。
目前距离保护中应用的故障判断元件主要有两种：
（2）反映电流突变量的故障判断元件：根据系统正常或振荡时电流变化比较缓慢、而系统故障时电流会出现突变这一特点判断故障，电流突变的检测既可用模拟方法也可用数字方法实现。
2）利用阻抗变化率的不同实现闭锁：系统短路时测量阻抗由负荷阻抗突变为短路阻抗，而振荡时测量阻抗缓慢变为保护安装处到振荡中心点的线路阻抗，根据测量阻抗变化速度的不同即可构成振荡闭锁。
3）利用动作延时实现闭锁：系统振荡时距离保护的测量阻抗随 δ 角变化，当 δ 变到某一值时测量阻抗进入阻抗继电器动作区，δ 继续变化到另一角度时测量阻抗又从动作区移出，测量元件返回。
分析表明，对于按躲过最大负荷整定的距离保护 III 段阻抗元件，测量阻抗落入其动作区的时间小于一个振荡周期（1 s～1.5 s），只有距离保护 III 段动作延时大于 1 s～1.5 s，系统振荡时保护 III 段才不会误动作。
第6节 过渡电阻对距离保护的影响：实际电力系统中发生相间短路或接地短路时，短路点通常具有阻抗，分析和实验表明这些电抗是电阻性的，因此常称之为过渡电阻。
1）单侧电源网络：过渡电阻的存在使测量阻抗增大，保护范围缩小。过渡电阻的数值对阻抗元件工作的影响较大，保护装置的整定值越小，受过渡电阻的影响越大，在短线上的距离保护装置应特别注意过渡电阻的影响。
2）双侧电源的网络：短路点的过渡电阻可能使测量阻抗增大，也可能使测量阻抗减小。以 M 侧为例，其测量阻抗等于保护安装处到短路点的线路阻抗与一个附加分量之和，该附加分量是一个复数，代表测量阻抗的变化量，称为附加测量阻抗，它不是纯电阻性的。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
说明：原页公式以相量相位关系表示，此处按教材结论给出文字表述。
3）过渡电阻对不同动作特性阻抗继电器的影响：椭圆特性阻抗继电器的动作特性在复数阻抗平面 +R 轴方向面积最小，对过渡电阻最敏感，受其影响最大；全阻抗继电器动作特性在 +R 轴方向面积最大，受其影响最小。
一般来说，阻抗继电器的动作特性在 +R 轴方向所占面积越大，则受过渡电阻的影响也就越小。
思考题：
思考题（续）：
思考题（续）：
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