第三章 电网的距离保护

3.1距离保护的原理

（一）原理

第三章 电网的距离保护

距离保护是反应短路点与保护安装处之间的电气距离，并根据其大小确定动作时间的继电保护。距离保护采用阻抗继电器构成，用输入阻抗继电器的电压和电流计算短路点与保护安装处之间的阻抗，对线路而言，这可以表示物理距离的远近。二次侧阻抗z与一次侧阻抗Z的关系为z?KTAZ。 KTV（二）距离保护的构成

如图3.1所示：

启动元件距离Ⅰ段距离Ⅱ段距离Ⅲ段Ⅱ段延时Ⅲ段延时图3.1 三段式距离保护的构成原理与或

①启动回路

可采用电流继电器、阻抗继电器、负序电流继电器，一般采用负序电流继电器。 ②测量回路

采用阻抗继电器，作用是测量短路点与保护安装处之间的电气距离。 ③逻辑回路

由或、与逻辑电路和时间元件构成跳闸信号逻辑。

3.2 阻抗继电器动作特性

（一）动作特性曲线

阻抗继电器根据输入量的不同分为单相式和多相补偿式两类。单相式阻抗继电器只有

?U????一个输入电压Ur和一个输入电流Ir，Ur和Ir之比为测量阻抗 ，即Zr?r。多相补偿?Ir式阻抗继电器的输入量不是单一的电压和电流，而是多相补偿后的电压和电流，不能用测量

阻抗来分析其特性。用下图所示的阻抗复平面表示测量阻抗的变化范围，刚好使阻抗继电器动作的测量阻抗称为启动阻抗 ，其在阻抗复平面上的轨迹称为阻抗继电器动作特性曲线，与整定阻抗Zop相关。

jxZrjxZopjxZopO?OZoprO?O?r?senO?senr?ZopO（a）全阻抗继电器（b）方向阻抗继电器图3.2-1 圆特性的阻抗继电器（c）偏移特性阻抗继电器

如图3.2-1，是圆特性的阻抗继电器，?sen称为最大灵敏角，一般使其等于线路阻抗角

?k，以使阻抗继电器最灵敏。除此以外，还有直线、透镜形、多边形等特性的阻抗继电器。

它们是为了应对各种复杂的运行方式和故障情况而设计的，在设置必要的参数后，由继电器自动实现。对于圆特性阻抗继电器，测量阻抗位于圆内时继电器动作，所以圆内为动作区，圆外为不动作区。

①全阻抗继电器动作圆半径等于Zop，其不能够区分短路处的方向，只能够用于单电源

辐射形线路。

②方向阻抗继电器动作圆直径等于Zop，其能够区分短路处的方向。当在保护安装处发

生短路时，输入电压很低，测量阻抗趋于零，继电器不能够动作，存在死区。当Zop??时，方向阻抗继电器成为功率方向继电器。

③偏移特性阻抗继电器能够消除死区，?通常为0.1~0.2。

（二）动作判据

?、阻抗继电器的动作判据分为幅值比较和相位比较两种方式，参与比较的向量是由Ur?和Z构造的极化电压和补偿电压。 Iopr以方向阻抗继电器为例：

①幅值比较式 如图3.2-2所示：

jxZopjxZopO?1Zop21Zr?Zop2ZrO?1Zop21Zr?Zop2Zr?senO?senrOr图3.2-2 方向阻抗继电器幅值比较式判据

由Zr?11?Z?1I?Z?1I?Z，可得U??1I?Z?1I?Z Zop?Zop，Irroproprrroprop222222②相位比较式 如图3.2-3所示：

jxZopjxZopO?Zr?ZopO?ZrO?Zr?Zop?senO?senrZrOr图3.2-3 方向阻抗继电器相位比较式判据

?ZZrI00rr由90?arg?270，90?arg?2700，

?Z?I?ZZ?ZopIrrop0?Ur可得90?arg?2700。

?Z?I?ZIrrop0

3.3基本接线方式

?和I?的组合方式，应该满足两个条件：测量阻抗与保阻抗继电器的接线是指输入量Urr护安装处到短路点的距离成正比，且与系统运行方式无关；测量阻抗与短路类型无关。目前

常用的接线方式如表3.3-1、表3.3-2和表3.3-3所示，单一的接线无法同时满足以上要求，但数字式继电器可以同时组合多种接线以满足需要。

表3.3-1 阻抗继电器00接线方式 继电器相别 AB BC CA ? Ur? UAB? UBC? UCAI?r ??I? IAB??I? IBC??I? ICA反应短路类型 (2)(1,1) K(3),KAB,KAB(2)(1,1) K(3),KBC,KBC(2)(1,1) K(3),KCA,KCA 表3.3-2 阻抗继电器反应接地短路的接线方式 继电器相别 A B C 其中，3K?

? Ur? UA? UB? UCI?r ??3KI? IA0??3KI? IB0??3KI? IC0反应短路类型 (1)(1,1)(1,1) KA,KAB,KAC(1)(1,1)(1,1) KB,KBC,KAB(1)(1,1)(1,1) KC,KAC,KBCZ0?Z1 Z1表3.3-3 阻抗继电器反应相间短路的接线方式

+300接线 继电器相别 -300接线 反应短路类型 ? UrAB BC CA I?r ? IA? IB? IC? Ur? UAB? UBC? UCAI?r ? ?IA? ?IB? ?IC(2) K(3),KAB(2) K(3),KBC(2) K(3),KCA? UAB? UBC? UCA

短路发生时，不是每相阻抗继电器都能够动作，不能够动作的阻抗继电器的测量阻抗较大。通常将正确反应接地短路的接线方式称为接地距离，将正确反应相间短路的接线方式称为相间距离。

3.4 距离保护整定原则

（一）距离Ⅰ段

①按躲过相邻下一级设备出口处（被保护线路末端）短路来整定。

?.P1?Krel?ZAB （3.4-1） Zop?取0.8~0.85。按此原则整定的距离Ⅰ段在任何系统运行方式下保护范围其中，可靠系数Krel为线路全长的80%~85%。

②对线路-变压器组按躲过变压器出口处短路来整定。

?.P1?Krel?(ZAB?ZT) （3.4-2） Zop其中，可靠系数KⅠrel取0.75。此时距离Ⅰ段可能保护线路全长。

?.P1?0s （3.4-3） top（二）距离Ⅱ段

①按与相邻下一级设备距离Ⅰ段相配合来整定。

??.P1?Krel??(ZAB?Kb.minZop?.P2) （3.4-4） Zop??取0.8。最小分支系数Kb.min为相邻下一级设备距离Ⅰ段保护范围末其中，可靠系数Krel端三相短路时，相邻下一级设备电流与被保护线路电流之比。

??.P1?top?.P2??t （3.4-5） top

②按躲过相邻变压器出口处短路来整定。

??.P1?Krel??(ZAB?Kb.minZT) （3.4-6） Zop

??取0.7。最小分支系数Kb.min为变压器出口处三相短路时，变压器电其中，可靠系数Krel流与被保护线路电流之比。

??.P1?0.5s （3.4-7） top选择上述式（3.4-4）和式（3.4-6）中数值较小者，式（3.4-5）和式（3.4-7）中数值较大者

为整定值。 求灵敏系数

???Ksen??.P1ZopZAB （3.4-8）

??大于1.3~1.5。 要求灵敏系数Ksen

（三）距离Ⅲ段

按躲过最小负荷整定

???.P1?全阻抗继电器ZopZL.min （3.4-9）

???KrelKreKssZL.min （3.4-10）

???KreKssCOS(?sen??L)Krel???.P1?方向阻抗继电器Zop???取1.2~1.3，阻抗继电器返回系数Kre取1.1~1.25，自启动系数Kss取其中，可靠系数Krel1.5~3，阻抗继电器灵敏角?sen，一般电压线路阻抗角，?L是负荷阻抗角。

ZL.min?其中，Uph是相电压。

(0.9~1)UphIL.max （3.4-11）

???.P1?top???.P2??t （3.4-12） top求灵敏系数

????近后备Ksen???.P1ZopZAB （3.4-13）

???应该不小于1.3~1.5。 Ksen????远后备Ksen???.P1ZopZAB?Kb.maxZBC （3.4-14）

???应该不小于1.2，Kb.max是最大分支系数。 Ksen3.5影响距离保护正确动作的因素及其对策

3.5.1过渡电阻

（一）过渡电阻的特性

过渡电阻Rg是指短路时电流从一相导线流到另一相导线或大地途经中的物质的电阻，包括电弧电阻、接触电阻、接地电阻等。电弧电阻的经验计算式为：

Rg?1050lgIg （3.5.1-1）

其中，Ig是电弧电流有效值（A），lg是电弧长度（m）。而其他类型的过渡电阻大小难以估计。

（二）单侧电源辐射线路上的过渡电阻

P1AP2BC~SIQF1RgjxjxC341ZABB`Zr.p1?RgrZr.p1A2r图3.5.1-1 单侧电源辐射线路经过渡电阻短路

如图3.5.1-1，圆1、2、3和4分别是距离保护P1Ⅰ、Ⅱ段和P2Ⅰ、Ⅱ段的动作特性，

在线路BC出口处经过渡电阻Rg短路。P2的测量阻抗为Zr.P2，位于圆3之外和圆4之内，保护Ⅰ段拒动，保护Ⅱ段正确动作；P1的测量阻抗为Zr.P1，位于圆2之内，保护Ⅱ段误动。可见过渡电阻对同一安装处的距离保护而言，对整定值较小者影响较大。也即过渡电阻是否

会影响保护动作的正确性与过渡电阻的大小、位置有关。

（三）双侧电源线路上的过渡电阻

P1AP2BC~?IkRgIk~

图3.5.1-2 双侧电源辐射线路经过渡电阻短路

如图3.5.1-2，P1和P2的测量阻抗分别是

Zr.P1?R???I??ZIUUIKgABKAB ???ZAB??ZAB?KRgej? （3.5.1-2）

???????IKIKIKIK?R?IUIKgB ???KRgej? （3.5.1-3）

?????IIKIKKZr.P2过渡电阻是否会影响保护动作的正确性与过渡电阻的大小、位置和系统运行状态有关。

（四）过渡电阻对不同动作特性阻抗继电器的影响

AP1~BZkRgjxZopRgZkZr.p1r

图3.5.1-3 过渡电阻对不同动作特性阻抗继电器的影响

如图3.5.1-3，距离保护整定值相同，经过渡电阻短路，采用全阻抗继电器的距离保护能够正确动作，而采用方向阻抗继电器的距离保护会拒动。也即，阻抗继电器动作特性在+r方向面积越大，受过渡电阻的影响越小。

3.5.2振荡

（一）振荡时的电压、电流和测量阻抗

电力系统正常运行时，各发电机以同步转速旋转，各电动势的相位保持不变，各电动势之间的相位差（功角）?恒定，系统各处电压和电流均不变。当系统遭受扰动（短路、故障切除、电源投入或切除等）时，?随时间变化，系统系统各处电压、电流幅值和相位均随时间连续变化，这种现象称为振荡。?在变化一定时间后，重新恢复到原来的或在新数值下稳定运行，这种不引起发电机失去同步运行的功角变化称为同期振荡。而?在00~3600内不断变化，使发电机进入失步状态，称为非同期振荡。

分析图3.5.2-1所示系统在振荡时电压、电流的变化情况。

~N?IZLMZNZM~?NE?NU?ME?ZNI?M?E?NE?MU?I

?ZMI

图3.5.2-1 两侧电源系统的振荡??E???EMN?I?ZM?ZN?ZL?????I?Z （3.5.2-1） ?UM?EMM?U??E??I?ZNNM????和U?的连线MN分布，在M和N之间，电压向量沿U垂直于MN的电压向量幅值最小，MN

该位置称为振荡中心，振荡中心电压幅值最小为零，一般其位置在振荡过程中连续变化。

?和E?幅值相等的情况下，计算保护安装处M的测量阻抗。 在EMN??UE1MZrM??M?ZM?(ZM?ZN?ZL)?ZM?j???II1?e （3.5.2-2）

1??1???Z??ZM??jZ?ctg22?2?其中，Z??ZM?ZN?ZL。可见测量阻抗的幅值和相角随?变化，其轨迹在阻抗复平面上是一条直线O?O，如图3.5.2-2所示。

jxO?Zr.MOr图3.5.2-2 测量阻抗的变化及对距离保护的影响

当测量阻抗位于圆内时，阻抗继电器将启动，距离保护可能误动。如图3.5.2-2所示，由于全阻抗继电器沿O?O方向的范围较大，所以振荡对它的影响要大于方向阻抗继电器受到的影响。通常系统振荡周期为0.15~0.35s，当保护动作时间大于一定值（1.5~2s）时，距离保护虽然可能会启动，但会在跳闸前因为测量阻抗变大而返回，不会发生误动。

（二）电力系统振荡和短路的主要区别

①振荡中，电流、电压幅值均周期性变化；短路后，衰减结束电流、电压幅值不变。振荡中，电流、电压幅值变化速度较慢；而短路后短时间内，电流、电压幅值快速变化。

②电流、电压的相位在振荡时随?变化，而短路时是不变的。 ③振荡时，三相对称，而短路将短时或长期不对称。

④振荡时，测量阻抗连续变化，短路时测量阻抗仅仅会因为弧光放电而有较小变化。 当系统发生振荡时，距离保护不应该动作，所以要为其配置振荡闭锁。根据以上区别，振荡闭锁的原理有两种：一种是是否有负序分量，另一种是利用电压、电流或测量阻抗的变化速度不同。

振荡闭锁应该满足的基本要求：

①系统未振荡时不应该闭锁；系统仅发生振荡时应该可靠闭锁，直至振荡结束。

②振荡过程中发生短路，应该及时开放，保证保护不被闭锁。 ③先短路后振荡，应该保证保护不被闭锁。

jxO?Zr.MOr图3.5.2-2 测量阻抗的变化及对距离保护的影响

当测量阻抗位于圆内时，阻抗继电器将启动，距离保护可能误动。如图3.5.2-2所示，由于全阻抗继电器沿O?O方向的范围较大，所以振荡对它的影响要大于方向阻抗继电器受到的影响。通常系统振荡周期为0.15~0.35s，当保护动作时间大于一定值（1.5~2s）时，距离保护虽然可能会启动，但会在跳闸前因为测量阻抗变大而返回，不会发生误动。

（二）电力系统振荡和短路的主要区别

①振荡中，电流、电压幅值均周期性变化；短路后，衰减结束电流、电压幅值不变。振荡中，电流、电压幅值变化速度较慢；而短路后短时间内，电流、电压幅值快速变化。

②电流、电压的相位在振荡时随?变化，而短路时是不变的。 ③振荡时，三相对称，而短路将短时或长期不对称。

④振荡时，测量阻抗连续变化，短路时测量阻抗仅仅会因为弧光放电而有较小变化。 当系统发生振荡时，距离保护不应该动作，所以要为其配置振荡闭锁。根据以上区别，振荡闭锁的原理有两种：一种是是否有负序分量，另一种是利用电压、电流或测量阻抗的变化速度不同。

振荡闭锁应该满足的基本要求：

①系统未振荡时不应该闭锁；系统仅发生振荡时应该可靠闭锁，直至振荡结束。

②振荡过程中发生短路，应该及时开放，保证保护不被闭锁。 ③先短路后振荡，应该保证保护不被闭锁。

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