電力系統(tǒng)繼電保護2

1、第2章 電網(wǎng)的距離保護 2.1 距離保護的基本原理 電流、電壓保護的主要優(yōu)點是簡單、可靠、經(jīng)濟，但它們的靈敏性受系統(tǒng)運行方式變化的影響較大，特別是在重負荷、長距離、電壓等級高的復雜網(wǎng)絡中，很難滿足選擇性、靈敏性以及快速切除故障的要求，為此，必須采用性能完善的保護裝置，因而就引入了“距離保護”。 距離保護的時限特性 距離保護的動作時間與保護安裝地點至短路點之間距離的關系t=f(l)，稱為距離保護的時限特性。圖2.1 距離保護的基本原理 距離保護的主要組成元件 圖2.2 三段式距離保護的原理框圖 (2.1)(2.2)(2.3) (1)啟動回路 啟動回路主要由啟動元件組成。啟動元件可由過電流繼電器、

2、低阻抗繼電器或反應于負序和零序電流的繼電器構成。 (2)測量回路(Z、Z和Z) 測量回路的段和段由阻抗繼電器Z和Z組成，而第段由測量組抗繼電器Z組成。 (3)邏輯回路 邏輯回路主要由門電路和時間電路組成。 門電路包括與門和或門，時間電路主要由t和t兩個時間繼電器構成。 (4)其他部分 輔助相電流元件：接于相電流，作為輔助啟動元件之用。重合閘后加速回路：瞬時加速段或段。執(zhí)行元件：出口、信號、切換等其他功能。 2.2 阻抗繼電器 阻抗繼電器是距離保護裝置的核心元件，其主要作用是測量短路點到保護安裝地點之間的阻抗，并與整定阻抗值進行比較，以 確定保護是否應該動作。 阻抗繼電器可按以下不同方法分類：

3、根據(jù)其構造原理的不同，分為電磁型、感應型、整流型、晶體管型、集成電路型和微機型等。 根據(jù)其比較原理的不同，分為幅值比較式和相位比較式兩大類。 根據(jù)其輸入量的不同，分為單相式和多相式兩種。(2.4) 阻抗復平面分析法是最常用、最簡捷直觀的方法，它需要經(jīng)過以下步驟： 阻抗繼電器在阻抗復平面上的動作特性圖2.3 在阻抗復平面上分析阻抗繼電器特性(a)網(wǎng)絡接線；(b)被保護線路的測量阻抗及動作特性 (可從動作條件判別式取等號求得)。繼電器的測量阻抗Zr沿一定的軌跡變化而使繼電器始終處于臨界動作狀態(tài)時，這一軌跡便稱為繼電器的動作特性。 求出阻抗繼電器在各種運行情況下感受到的阻抗(測量阻抗Zr)。 按動作

4、條件判別式在阻抗平面上分析它們是否滿足該式，從而決定其是否動作。 阻抗繼電器的基本原則 由于阻抗繼電器都是接于電流互感器和電壓互感器的二次側，其測量阻抗與系統(tǒng)一 次側的阻抗之間存在下列關系： 如果保護裝置的一次側整定阻抗經(jīng)計算以后為Zset，則按式(2.5)，繼電器的整定阻抗應該為： 利用復數(shù)平面分析圓或直線特性阻抗繼電器 (2.5)(2.6) (1)全阻抗繼電器圖2.4 全阻抗繼電器的動作特性(a)幅值比較式；(b)相位比較式 (2.8)(2.9) 將兩個相量均以電流 乘之，即可得到可比較其相位的兩個電壓分別為： 圖2.5 相位比較方式分析全阻抗繼電器的動作特性(a)測量阻抗在圓內(nèi)；(b)測

5、量阻抗在圓外 當 時，繼電器啟動，則它們之間的關系符合下式: 圖2.6 幅值比較與相位比較之間的關系 (2.10)(2.11) 必須注意： 它只適用于 為同一頻率的正弦交流量； 只適用于相位比較方式動作范圍為 和幅值比較方式，且動作條件為 的情況；(2.12)(2.13) 對短路暫態(tài)過程中出現(xiàn)的非周期分量和諧波分量，以上轉換關系顯然是不成立的。因此，不同比較方式構成的繼電器受暫態(tài)過程的影響不同。 (2)方向阻抗繼電器圖2.7 方向阻抗繼電器的動作特性(a)幅值比較式的分析；(b)相位比較式的分析 用幅值比較方式分析，如圖2.7(a)所示，繼電器能夠啟動(即測量阻抗Zr位于圓內(nèi))的條件是： 等式

6、兩端均以電流 乘之，即變?yōu)槿缦聝蓚€電壓的幅值的比較： 用相位比較方式分析，如圖2.7(b)所示，當Zr位于圓周上時，阻抗Zr與(Zr-Zset)之間的(2.14)(2.15) 相位差為=90，類似于對全阻抗繼電器的分析，同樣可以證明，27090是繼電器能夠啟動的條件。 將Zr與(Zr-Zset)均以電流 乘之，即可得到比較相位的兩個電壓分別為： (3)偏移特性的阻抗繼電器 圓的直徑為|Zset+Zset|，圓心的坐標為 圓的半徑為：(2.16) 現(xiàn)對其構成方式分析如下：圖2.8 具有偏移特性的阻抗繼電器(a)幅值比較式的分析；(b)相位比較式的分析 用幅值比較方式分析,如圖2.8(a)所示，繼

7、電器能夠啟動的條件為: 或等式兩端均以電流 乘之，即變?yōu)槿缦聝蓚€電壓的幅值的比較: 用相位比較方式的分析,如圖2.8(b)所示,當Zr位于圓周上時,相量(Zr+Zset)與(Zr-Zset)之間的 相 位 差 為 = 9 0 , 同 樣 可 以 證明,27090也是繼電器能夠啟動的條件。將(Zr+Zset)和(Zr-Zset)均以電流(2.18)(2.17) 乘之，即可得到用以比較其相位的兩個電壓為: Zr是繼電器的測量阻抗，由加入繼電器中電壓 與電流 的比值確定，Zr的阻抗角就是 和 之間的相位差 。 Zset是繼電器的整定阻抗，一般取繼電器安裝點到保護范圍末端的線路阻抗作為整定阻抗。對全阻

8、抗繼電器而言，就是圓的半徑；對方向阻抗繼電器而言，就是在最大靈敏角方向上的圓的直徑；而對偏移特(2.19) 性阻抗繼電器，則是最大靈敏角方向上由原點到圓周上的長度； Zop.r是繼電器的啟動阻抗，它表示當繼電器剛好動作時，加入繼電器中電壓 與電流 的比值，除全阻抗繼電器以外，Zop.r是隨著 的不同而改變的，當 時，Zop.r的數(shù)值最大，等于Zset。 (4)功率方向繼電器(2.20)(2.21) (5)具有直線特性的繼電器圖2.9 功率方向繼電器的動作特性(a)幅值比較式的分析；(b)相位比較式的分析(2.22)圖2.10 具有直線特性的繼電器(a)幅值比較式的分析；(b)相位比較式的分析；

9、(c)電抗型繼電器(2.23)(2.24) (6)動作角度范圍變化對繼電器特性的影響 (7)繼電器的極化電壓和補償電壓 當保護范圍外部故障時，ZKZset，則 與 同相位； 當保護范圍末端故障時，ZK=Zset，則 =0，繼電器應處于臨界動作的條件； 當保護范圍內(nèi)部故障時，ZKZset，則 與 相位差180。圖2.11 240 120時的動作特性(a)方向阻抗繼電器；(b)功率方向繼電器圖2.12 四邊形阻抗繼電器圖2.13 對兩個邊折線的分析(a)折線的構成；(b)Zr位于動作范圍內(nèi)；(c)Zr位于動作范圍外圖2.14 連續(xù)式相位比較回路原理接線圖圖2.15 連續(xù)式相位比較回路工作原理的分析

10、(a)內(nèi)部故障；(b)外部故障 2.3 阻抗繼電器的接線方式 根據(jù)距離保護的工作原理，加入繼電器的電壓 和電流 應滿足以下要求： 繼電器的測量阻抗正比于短路點到保護安裝地點之間的距離； 繼電器的測量阻抗應與故障類型無關，也就是保護范圍不隨故障類型而變化。 (1)三相短路(2.25) (2)兩相短路 (3)中性點直接接地電網(wǎng)中的兩相接地短路圖2.16 三相短路時測量阻抗的分析(2.26)圖2.17 A、B兩相短路時測量阻抗的分析圖2.18 A、B兩相接地短路時測量阻抗的分析(2.27)(2.28) 當采用 和 的接線方式時，則繼電器的測量阻抗為：(2.29)(2.30)(2.31) 為了反映任一

11、相的單相接地短路，接地距離保護也必須采用三個阻抗繼電器，其接線方式分別為： 2.4 距離保護的整定計算 (1)距離保護第段的整定(2.32) (2)距離保護第段的整定圖2.19 選擇整定阻抗的網(wǎng)絡接線(2.35)(2.36)(2.37) 對于距離段，在本線路末端短路時，其測量阻抗即為ZAB，因此，靈敏系數(shù)為： (3)距離保護第段的整定 參照過電流保護的整定原則，考慮到外部故障切除后，在電動機自啟動的條件下，保護第段必須立即返回的要求，應采用：(2.38)(2.39) 可求得繼電器的啟動阻抗為：(2.40)(2.41)圖2.20 線路始端測量阻抗的相量圖 選擇繼電器的 ，則圓的直徑即段整定阻抗為

12、:圖2.21 第段啟動阻抗的整定 (4)阻抗繼電器的精確工作電流的校驗 根據(jù)距離保護的工作原理，它可以在多電源的復雜網(wǎng)絡中保證(2.42)圖2.22 復合特性的阻抗繼電器 動作的選擇性。 距離段是瞬時動作的，但是它只能保護線路全長80%85%，因此，兩端合起來就使得在30%40%的線路長度內(nèi)的故障不能從兩端瞬時切除，在一端須經(jīng)0.5s的延時才能切除。在220kV及以上電壓的網(wǎng)絡中，有時候這不能滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求，因而，不能作為主保護來應用。 由于阻抗繼電器同時反應于電壓的降低和電流的增大而動作，因此，距離保護較電流、電壓保護具有較高的靈敏度。此外， 距離段的保護范圍不受系統(tǒng)運行方式變化

13、的影響，其他兩段受到的影響也比較小，因此，保護范圍比較穩(wěn)定。 由于距離保護中采用了復雜的阻抗繼電器和大量的輔助繼電器，再加上各種必要的閉鎖裝置，因此，接線復雜，可靠性比電流保護低，這也是它的主要缺點。 2.5 影響距離保護正確動作的因素及其對策 (1)短路點過渡電阻的性質 根據(jù)這些數(shù)據(jù)可知電弧實際上呈現(xiàn)有效電阻，其值可按下式?jīng)Q定：(2.43)圖2.23 架空輸電線路短路時產(chǎn)生的電弧(a)電弧電阻隨時間變化曲線；(b)經(jīng)電弧短路時電弧上電流、電壓的波形 (2)單側電源線路上過渡電阻的影響圖2.24 單側電源線路經(jīng)過渡電阻Rg短路的等效圖圖2.25 過渡電阻對不同安裝地點距離保護影響的分析 (3)

14、雙側電源線路上過渡電阻的影響圖2.26 雙側電源通過Rg路的接線圖(2.44)(2.45)(2.46)(2.47) (4)過渡電阻對不同動作特性阻抗元件的影響圖2.27 過渡電阻對不動作特性阻抗元件影響的比較(a)網(wǎng)絡接線；(b)對影響的比較圖2.28 可減小過渡電阻影響的動作特性(a)多邊形動作特性 ；(b)既允許有較大過渡電阻又能防止負荷阻抗較小時誤動的動作特性 ；(c)圓與四邊形組合的動作特性 (1)電力系統(tǒng)振蕩時電壓電流的分布(2.48)圖2.29 瞬時測量裝置的原理接線圖 1保護裝置的啟動元件(或第段)；2第段阻抗元件；3瞬時測量的中間繼電器；4第段時間元件圖2.30 兩側電源系統(tǒng)中

15、的振蕩(a)系統(tǒng)接線；(b)系統(tǒng)阻抗角和線路阻抗角相等時的相量圖；(c)阻抗角不等時的相量圖(2.49)(2.50)(2.51)(2.52)(2.53)(2.54)(2.55)(2.56)(2.57)(2.58) (2)電力系統(tǒng)振蕩對距離保護的影響圖2.31 電力系統(tǒng)振蕩時電流電壓的變化圖2.32 分析系統(tǒng)振蕩用的系統(tǒng)接線圖 M點的母線電壓為：(2.59)(2.60)(2.61)圖2.33 系統(tǒng)振蕩時測量阻抗的變化(2.62)圖2.34 系統(tǒng)振蕩時，不同安裝地點距離保護測量阻抗的變化圖2.35 當h1時測量阻抗的變化圖2.36 系統(tǒng)振蕩時M變電所測量阻抗的變化圖 (3)振蕩閉鎖回路 電力系統(tǒng)發(fā)

16、生振蕩和短路時的主要區(qū)別 如下： 振蕩時，電流和各點電壓的幅值均作周期性變化(如圖2.31所示)，只在=180時才出現(xiàn)最嚴重的現(xiàn)象；而短路后，短路電流和各點電壓的值，當不計其衰減時，是不變的。此外，振蕩時電流和各點電壓幅 值的變化速度( 和 )較慢，而短路時電流 是突然增大，電壓也突然降低，變化速度很快。 振蕩時，任一點電流與電壓之間的相位關系都隨的變化而改變；而短路時，電流和電壓之間的相位是不變的。 振蕩時，三相完全對稱，電力系統(tǒng)中沒有負序分量出現(xiàn)；而當短路時，總要長期(在不對稱短路過程中)或瞬間(在三相短路開始時)出現(xiàn)負序分量。 振蕩時，測量阻抗的電阻分量變化較大，變化速率取決于振蕩周期；

17、而短路時，測時阻抗的電阻分量雖然因弧光放電而略有變化，但分析計算表明其電弧電阻變化率遠小于振蕩所對應的電阻的變化率。 構成振蕩閉鎖回路時應滿足以下基本要求： 系統(tǒng)發(fā)生振蕩而沒有故障時，應可靠地 將保護閉鎖，且振蕩不停息，閉鎖不應 解除。 系統(tǒng)發(fā)生各種類型的故障(包括轉換性故障)，保護應不被閉鎖而能可靠地動作。 在振蕩的過程中發(fā)生故障時，保護應能正確地動作。 先故障而后又發(fā)生振蕩時，保護不致無選擇性的動作。 1)利用負序(和零序)分量元件啟動的振蕩閉鎖回路 負序電壓過濾器圖2.37 負序電壓過濾器原理接線圖(2.63)圖2.38 負序電壓過濾器相量圖(a)加入正序電壓；(b)加入負序電壓(2.64) 負序電流過濾器圖2.39 負序電流過濾器原理接線圖(2.65) 如果只輸入負序電流時，如圖2.40(b)所示，輸出電壓為：圖2.40 負序電流過濾器的相量圖(a)加入正序電流；(b)加入負序電流 集成電路型對稱分量過濾器 利用負序(或零序)電流增量元件啟動的振蕩閉鎖回路 2)反映測量阻抗變化速度的振蕩閉鎖回路 (4)新型振蕩閉鎖工作原理(2.66)(2.67)圖2.41 產(chǎn)生負序和零序