第三章电网的距离保护

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第三章电网的距离保护

第一节距离保护概述

一、距离保护的基本概念

思考：电流、电压保护的主要优点是简单、可靠、经济，但是，对于容量大、电压高或结构复杂的网络，它们难于满足电网对保护的要求。电流、电压保护一般只适用于35kV及以下电压等级的配电网。对于110kV及以上电压等级的复杂网，线路保护采用何种保护方式？

解决方法：采用一种新的保护方式——距离保护。

距离保护是反应保护安装处至故障点的距离，并根据距离的远近而确定动作时限的一种保护装置。

测量保护安装处至故障点的距离，实际上是测量保护安装处至故障点之间的阻抗大小，故有时又称之为阻抗保护。

距离保护也有一个保护范围，短路发生在这一范围内，保护动作，否则不动作，这个保护范围通常只用给定阻抗Zzd的大小来实现的。

正常运行时保护安装处测量到的线路阻抗为负荷阻抗Zfh，即

?UZcl?cl?Zfh?Icl

在被保护线路任一点发生故障时，测量阻抗为保护安装地点到短路点的短路阻抗Zd，即

??UUclZcl??残?Zd??IIcld

距离保护反应的信息量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Zzd与被保护线路的测量阻抗Zcl比较。当短路点在保护范围以外时，即Zcl>Zzd时继电器不动。当短路点在保护范围内，即Zcl

动作阻抗：使距离保护刚能动作的最大测量阻抗。

二、时限特性

距离保护的动作时间t与保护安装处到故障点之间的距离l的关系称为距离保护的时限

特性，目前获得广泛应用的是阶梯型时限特性，如图3—1所示。这种时限特性与三段式电流保护的时限特性相同，一般也作成三阶梯式，即有与三个动作范围相应的三个动作时限：

t?、t??、t???。

Z3Z2Z1t??t3???t3???t2??t2?t3保护3的Ⅰ段保护3的Ⅱ段?t2t1?l保护3的Ⅲ段

图3-1 距离保护的时限特性图3—1 距离保护的时限特性

三、距离保护的组成

三段式距离保护装置一般由以下四种元件组成，其逻辑关系如图3—2所示。 1．起动元件

起动元件的主要作用是在发生故障的瞬间起动整套保护。早期的距离保护，起动元件采用的是过电流继电器或者阻抗继电器。

2．方向元件

方向元件的作用是保证保护动作的方向性，防止反方向故障时，保护误动作。采用单独的方向继电器或方向元件和阻抗元件相结合。

3．距离元件

距离元件（Z?、Z??、Z???）的主要作用是测量短路点到保护安装处的距离（即测量阻抗），一般采用阻抗继电器。

4．时间元件

时间元件（t??、t???）的主要作用是，根据预定的时限特性确定动作的时限，以保证保护动作的选择性，一般采用时间继电器。

正常运行时，起动元件1不起动，保护装置处于被闭锁状态。

当正方向发生故障时，起动元件1和方向元件2动作，距离保护投入工作。

如果故障点位于第Ⅰ段保护范围内，则Z?动作直接起动出口元件8，瞬时动作于跳闸。如果故障点位于距离Ⅰ段之外的距离Ⅱ段保护范围内，则Z?不动作，而Z??动作，起动距离Ⅱ段时间继电器5，经t??时限，出口元件8动作，使断路器跳闸，切除故障。

如果故障点位于距离Ⅱ段之外的距离Ⅲ段保护范围内，则Z?、Z??不动作，而Z???动作，起动距离Ⅲ段时间继电器7，经t???时限，出口元件8动作，使断路器跳闸，切除故障。

第二节阻抗继电器

继电器的测量阻抗：指加入继电器的电压和电流的比值，即

?I?Zcl?Uclcl。

Zcl可以写成R?jX的复数形式，所以可以利用复数平面来分析这种继电器的动作特

ABZ?ZBCzd?0.85TATVC(a)?IclZ?jX?UclZ?zdBZBCC?dR(b)A图3-3 用复数平面分析阻抗继电器的特性（a）系统图；(b)阻抗特性图性，并用一定的几何图形把它表示出来，如图3-3所示。

以图3—3（a）中线路BC的距离保护第Ⅰ段为例来进行说明。设其整定阻抗

??0.85ZBC，并假设整定阻抗角与线路阻抗角相等。 Zzd当正方向短路时测量阻抗在第一象限，正向测量阻抗Zcl与R轴的夹角为线路的阻抗角

?d。

?向量以反方向短路时，测量阻抗Zcl在第三象限。如果测量阻抗Zcl的相量，落在Zzd内，则阻抗继电器动作；反之，阻抗继电器不动作。

阻抗继电器的动作特性扩大为一个圆。如图3—3（b）所示的阻抗继电器的动作特性为方向特性圆，圆内为动作区，圆外为非动作区。

??nUUnclZcl??BTV?ZdTA??nnTV IIclBCTA 一、具有圆及直线动作特性的阻抗继电器

（一）特性分析及电压形成回路

jXZzd?kZcl?jR0图3-4 全阻抗继电器的动作特性1．全阻抗继电器

（1）幅值比较

全阻抗继电器的动作特性如图3—4所示，它是以整定阻抗Zzd为半径，以坐标原点为圆心的一个圆，动作区在圆内。它没有方向性。全阻抗继电器的动作与边界条件为：

Zzd?Zcl

BTADKBTV?Icl??Z?AIclzd?Ucl??B?UyYB图3-5 全阻抗继电器幅值比较电压形成回路构成幅值比较的电压形成回路如图 3—5所示。

（2）相位比较

相位比较的动作特性如图3—6 所示，继电器的动作与边界条件为Zzd?Zcl与

Zzd?Zcl的夹角小于等于90?，即

?90??argjXZzd?Zcl???90?Zzd?Zcl

jXjXZz0Zz?dZc?dZz?dZclZz?Zz?dZcdZz?dZcZzdl?lZclRl0Zz?dZclZcRl0Zz?dZclZcRl（a）（b）图3-6 相位比较方式分析全阻抗继电器的动作特性（c）（a）测量阻抗在圆上;（b）测量阻抗在圆内;（c）测量阻抗在圆外

分子分母同乘以测量电流得

??U??UDky?90?arg?arg???90????U?UCky

?量时?角为正，反之为负。构成相位比较的电压形成回路如图3?量超前于C上式中，D?—7所示

DKB?Uk?Icl?DYB?Uy?Ucl?Uk?C?Uy图3-7 全阻抗继电器相位比较电压形成回路2．方向阻抗继电器

（1）幅值比较

方向阻抗继电器的动作特性为一个圆，如图3—8(a)所示，圆的直径为整定阻抗Zzd，圆周通过坐标原点，动作区在圆内。当正方向短路时，若故障在保护范围内部，继电器动作。当反方向短路时，测量阻抗在第Ⅲ象限，继电器不动。因此，这种继电器的动作具有方向性，

j1Zz2XZzdjdXZzd1Zc?lZz2RZclZz?dZcd0（a）0（b）?ZcRl图3-8 方向阻抗继电器的动作特性（a）幅值比较的分析;（b）相位比较的分析幅值比较的动作与边界条件为

分子分母同乘以测量电流得

11Zzd?Zcl?Zzd22

其电压形成回路如图3—9所示。

??1U??U??1U??B?Akyk22

DKB?IclYB?Ucl1?Uk21?Uk2?A?B?Uy 图3-9 方向阻抗继电器幅值比较电压形成回路

（2）相位比较

Z1Z2j1Zc?lZz2RZXZzdZz?dZcd0?ZcRl（b）（a）相位比较的方向阻抗继电器动作特性如图上图所示，其动作与边界条件为Z?Zcl?90??argzd???90?Zcl （b）相位比较的分析（a）幅值比较的分析;分式上下同乘以电流

??U?Uky?90?arg?90??U?y

YB?cU?Uyl?C?D?Uy?Icl?kUDKB 图3-10 方向阻抗继电器相位比较电压形成回路方向阻抗继电器相位比较的电压形成回路，如图3—10所示。

3．偏移特性阻抗继电器

jXZzd0?0?Zz?dZclR图3-11 偏移特性阻抗继电器动作特性（1）幅值比较

?Zzd之差。偏移特性阻抗继电器的动作特性，如图3—11所示，圆的直径为Zzd与??=（-0.1～-0.2）其中?，圆心坐标

Zoo'?圆的半径为

1?Zzd)(Zzd??2,

1?Zzd)(Zzd??2，

其动作与边界条件为

即

1?Zzd)?Zcl?Zoo'(Zzd??2

11?Zzd)?Zcl?(Zzd???Zzd)(Zzd??22

两边同乘以电流得

（2）相位比较

偏移特性阻抗继电器相位比较分析，如图3-12所示，其相位比较的动作与边界条件为

??1(1????U??1(1????)U?)UAkyk22

Zzd?Zcl???90??ZzdZcl?? jX?90??argZzd?0?Zzd?ZclR图3-12 偏移特性阻抗继电器相位比较分析两边同乘以电流得

??U??UDky?90?arg?arg?90???????UUC?yk (二)阻抗继电器的比较回路

具有圆或直线特性阻抗继电器可以用比较两个电气量幅值的方法来构成，也可以用比

较两个电气量相位的方法来实现，所有继电器都可以认为是由图3-15所示的两个基本部分

组成，即由电压形成回路和幅值比较或相位比较回路组成。

?Uc?Icll电压形成（a）?A?B??B?A比幅执行?回路（输出）Ic?Ucll电压形成?C?D比相执行回路（输出）C?D（b）?9??0ar??g9?0图3-15 阻抗继电器的构成原理方框图（a）幅值比较式；（b）相位比较式

二极管环形相位比较回路

二极管环形相位比较回路基于把两个进行比较的电气量的相位变化关系转换为直流输出脉动电压的极性变化。原理图和其等效电路图如下图所示。

D1Y2B?U2?C?U2D2D4D3R1+mm+numD1R2?U1+?I1??I1-nD4?E1-??R1I2D3?E2-+?R2I2D2Y1B?Dn-（b）（a）图3-16 二极管环行整流比相电路（a）原理接线图;（b）等效电路图?)?U?)?arg(D?C??arg(U12， R1?R2。??U??U?,E??U??U?UE112212，当相位角?变化时，比相回路的输出电压mn脉冲宽度及极

假定U1?U2，两者相位角性相应产生变化，现分析如下。

?（1）当??0时，输出电压Umn等于在一周期内电阻R1、R2上电压降的代数和，即

DYB?U??U1D?E1Dui1R1+i1?RR2mm+?Ei1Ri1?R?U?2U??0??DE20u?tD1U??Ii2R2??R1i2UmR+1?mUU-n.npJnD4?E1-00YB???180?t??I1?Ri+i22R?E?E2D2?uR2I2??R1I2-0D3?00-0n?U2?Um.n0?2?Umn???i1Ri1?Ri1Ri1?R(2) 当??180时，E1、E2与比较量的向量关系如下图（b）所示。E1?E2，这时输

????（b）等效电路图?U（a）原理接线图;U出电压的平均值为负极性最大值。 ????EUE0234（a）??i2（a）?)R1 ?(i1)R2?(i1?i2图3-16 二极管环行整流比相电路（b）（b）i2Ru?Ri2Ri2?Ri200

234Um.np?J?（C）

?E?U?Ui1Ri1?R?Ei1Ri1?R0?E?i2R?Ri2Um.n?U?E0?i2Ru?Ri2??0U??180?00??2时，Umn的波形如下图U（3）当??90 ,Umn为正、负脉冲，其脉冲宽度均为90。显

0?000

（b）2?Um.n（a）u??U2?E2i1R1i1?R2i1R1i1?R2????U1?U2?E10?t?i2R2umn2?3?4???R1i2R2i2i2?R100?2?3?4?Um.np?tJ?0（C）然，这时输出电压的平均值是零。当?为其它任意角度时，同样可得到相应的输出电压Umn的正、负脉冲的宽度及其幅值，从而可绘出如图3-18所示的Umn.pj?f(?)关

（a），；（b），；（c）， E1?E??180E1?E??0??90E1?E??在?90???90范围的条件下，输出电压平均值为正值，这就保证了阻抗继电器动作条件。

Um.pnj??180?9?00???9?0180

图3-18 环形整流比相电路输出电压平均值与比相角Um.nθ的关系曲线三. 方向阻抗继电器的死区及死区的消除方法

思考：对于方向阻抗继电器，当保护出口短路时，会不会有死区？为什么？对幅值比较的方向阻抗继电器，其动作条件为

当

1???1U?,UK?UyK22 ??0Uy?时，继电器也不动作。对于相位比较的方向阻抗继电器，其动作条件为

??U?UKy?90?arg?90??Uy，

当y时，无法进行比相，因而继电器也不动作。

思考：对于方向阻抗继电器，当保护出口短路时，采用什么措施消除死区？

1．记忆回路

??0U

对瞬时动作的距离I段方向阻抗继电器，在电压Uy的回路中广泛采用“记忆回路”的接线，即将电压回路作成是一个对50HZ工频交流的串联谐振回路。图3-23所示是常用的接线之一。

DKBAJYB?Ic1?Uk2l??Uj?Uj?yU?UcA?URRjIj1?Uk2CjUclLjlBYB图3-23 具有记忆的幅值比较的方向阻抗继电器电压形成回路Bj?L???j?c，则谐振回路中的电流Ij与外加测量电压Ucl同相位。

??1结论：在电阻Rj上的压降UR也与外加电压Ucl同相位，记忆电压Uj通过记忆变压器JYB与Uy同相位。

引入记忆电压以后，幅值比较的动边条件为：

??1???U??1U??U?UK?UjyKj2 2

??在出口短路时，Uy=0，由于谐振回路的储能作用，极化电压Uj在衰减到零之前存在，且

与Uy同相位。由于继电器记录了故障前的电压，故方向阻抗继电器消除了死区。 2．引入第三相电压

思考：记忆回路只能保证方向阻抗继电器在暂态过程中正确动作，但它的作用时间有限。

解决方法：引入非故障相电压。

JYB?UjRj?UjCjLj?Ucl?A?UJYBABI?RLI?RC?A??UCU?U??I?RUjcj?I?ICRBC?E??U?UB?E如下图所示为在方向阻抗继电器中引入第三相电压，并将第三相电压和记忆回路并用的方(b)(a)案。

图3-24 引入第三相电压产生极化电压的工作原理?UC正常时，第三相电压基本上不起作用。

（a）原理图；（b）短路后的等值电路；（c）向量分析当系统中AB相发生突然短路时,

(c)

Rj?jxcj?jxLj??I?R?jI?XURcjjRLj

??I??IcjRjxLj??IRjxLjRj

JYB??UUjRjRAAJYBAAJYB??UUjRRjlBBI?I?U????AU??AUCUC??UUjCjCLjL??UUclLLjI?I?Lj??UUj???U?I?jcRjUj?jIcR?CCj?IIcj?RR?IIRCCRRBBCC??EE????U?UUB?BU??EE(a)a) (

(b)(b)(c)(c)?????图3-24 引入第三相电压产生极化电压的工作原理图3-24 引入第三相电压产生极化电压的工作原理结论：Icj超前IR近90，电阻Rj上电压降UR超前UAC90，即极化电压与故障前电

（c）向量分析）向量分析（b）短路后的等值电路；（c（b）短路后的等值电路；?（a）原理图；（a）原理图；压UAB同相位。因此，当出口两相短路时，第三相电压可以在继电器中产生和故障前电压

????UUUj，以保证方向阻抗继电器正确动作，即能消AB（即y）同相的而且不衰减的极化电压

除死区。

四、阻抗继电器的精工电流和精工电压实际上方向阻抗继电器的临界动作方程为

??2U??U??U?Ukyk0?U0?

式中为动作量克服二极管正向压降及极化继电器动作反力所需的剩余电压，假设上式中

各向量均为同相位，则上列方程可写为

??2U??U??U?Ukyk0

?U??Uy?Uk?02 ?UZdz?Zzd?0?2Icl

考虑U0的影响后，给出Zdz?f(Icl)的关系曲线如图3—30所示

ZdzZzd0.9ZzdIgIclZdz?f?Icl?图3-30 方向阻抗继电器的曲线

所谓精工电流，就是当Icl?Ig时，继电器的动作阻抗Zdz?0.9Zzd，即比整定阻抗缩小了10%。

因此，当Icl?Ig时，就可以保证起动阻抗的误差在10%以内，而这个误差在选择可靠系数时，已经被考虑进去了。

在继电器通以精工电流的条件下，其动作方程

Zdz?Zzd? 根据允许条件

U02Ig

Zzd?Zdz?0.1Zzd 得

结论：精工电流与反应元件的灵敏性（U0）及电抗变压器的整定阻抗有关。为了便于衡量阻抗继电器的灵敏度，有时应用精工电压作为继电器的质量指标。

精工电压就是精工电流和整定阻抗的乘积，用Ug表示，则

结论：它不随继电器的整定阻抗而变，对某指定的继电器而言，它是常数。在整定阻抗一定的情况下，U0越小，Ig越小，即Ug越小，继电器性能越好。

Ug?IgZzd?U?00.2

第三节阻抗继电器的接线方式

一、对距离保护接线方式的要求及接线种类

加入继电器的电压和电流应满足如下要求：

1．继电器的测量阻抗应能准确判断故障点，即与故障点至故障安装处的距离成正比。 2．继电器的测量阻抗应与故障类型无关，即保护范围不随故障类型而变化。

阻抗继电器常用的接线方式有四类，如表3-1中所示。表中“Δ”表示按相间电压或相

表3-1 阻抗继电器的常用接线方式接线方式继电器J1J2J3??0??UUUU00YΔΔΔ0?3030?????IY?K3IIΔ?IYIY0????????UIUIIIUUJJJJJJJJ??I?U?????K3I??U??IUI?IUBABAABABIAA0BA??K3I??????U???IIU?IUB0BCB?ICUBCCBCIBB??K3I????I?U?????IUIUUI?I??????CACACAACACCC0电流差，“Y”表示按相电压或相电流。

二、反应相间短路阻抗继电器的0接线

EZLd?3?图3-31 三相短路测量阻抗分析 1、三相短路

以J1为例分析之。设短路点至保护安装地点之间的距离为L千米，线路每千米的正序阻抗为Z1?，则保护安装地点的电压UAB应为

???U??U??I?ZL?I?ZL?(I??I?)ZLUABABA1B1AB1

此时，阻抗继电器的测量阻抗为

ZJ1?3??UAB??Z1L??I?IAB

结论：在三相短路时，三个继电器的测量阻抗均等于短路点到保护安装地点之间的正序

阻抗，三个继电器均能正确动作。 2．两相短路

如图3-32所示，设以AB两相短路为例，分析此时三个阻抗继电器的测量阻抗。对J1而言

??I?ZL?I?ZL?(I??I?)ZLUABA1B1AB1

EZL?2?dAB图3-32 两相短路测量阻抗分析则

Z(2)J1?UAB??Z1L??IA?IB

结论：与三相短路时的测量阻抗相同。因此，J1能正确动作，J2和J3不会动作。同理，在BC或CA两相短路时，相应地分别有J2和J3能准确测量出Z1L而正确动作。

3．中性点直接接地电网中两相接地短路

ABCZ?IA?IB??0ICL?1.1?dAB?1.1?图3-33 测量阻抗的分析dAB 如图3—33所示，设故障发生在AB相，它与两相短路不同之处是地中有电流流回，

??因此IA??IB。我们可以把A相和B相看成两个“导线——地”的送电线路并有互感耦合

在一起，设ZL表示每千米的自感阻抗，ZM表示每千米的互感阻抗，则保护安装地点的故障相电压应为

??I?ZL?I?ZLUAALBM ??I?ZL?I?ZLUBBLAM

继电器J1的测量阻抗为

Z(1.1)J1???I?)(Z?Z)LU(IABABLM????I???I?IIABAB

?(ZL?ZM)L?Z1L

?其值与三相短路时相同，保护能够正确的动作。三、反应相间短路阻抗继电器的30接线

这种接线方式有两种，以继电器J1为例，在三相和AB两相短路时，其测量阻抗为

ZJ(?30?)???I?)ZLU(IABAB1???(1?e?j?)Z1L??IIAA ???I?)ZLU(IABAB1???(1?ej?)Z1L???I?IBB

ZJ(?30?)将以上两式合并写成

ZJ?(1?e?j?)Z1L

1．正常运行情况

?j120??j30?ZJ?(1?e)Zfh?3Zfhe

?测量阻抗的数值为每相负荷阻抗的3倍，阻抗角则较负荷阻抗的角度偏移?30，当采

用?30接线时，测量阻抗的阻抗角向超前于每相负荷阻抗的方向移动30，而当采用?30接线时，则向滞后方向移动30。

2. 2. 三相短路

???? 三相短路与正常运行时相似，只是Z1L为短路点到保护安装地点之间每相的正序阻抗，因此

ZJ?3Z1Le?j30?

?即测量阻抗的数值为每相线路阻抗的3倍，相位则比线路阻抗角偏离?30。

3. 两相短路

以AB两相短路为例，IA超前于IB的角度180，因此

??? ZJ?(1?e?j180?)Z1L?2Z1L

即测量阻抗的数值为每相短路阻抗的2倍，相位则等于线路的阻抗角。

采用30接线方式的阻抗继电器在不同故障类型时，其测量阻抗的数值与相位均不相同，这种接线方式可应用于圆特性方向阻抗继电器。如图3-34所示，三相短路与两相短路时

?3Z1ljX2Z1l?30?3Z1l03?dR0?线图3-34 方向阻抗继电器用于 3 接动作特性0时的的保护范围一样。

这种接线方式较简单，电流互感器的负担也较轻，因此，除了用于圆特性的方向阻抗继电器外，还可用于作为起动元件的全阻抗继电器。此外在输电线路的送电端，当采用?30?接线时，在正常情况下其测量阻抗一般位于第四象限，它将具有更好的避越长距离重负荷线路负荷阻抗的能力，而在输电线路的受电端采用?30接线时，也具有同样的效果。四、反应接地短路阻抗继电器的接线

单相接地故障时，只有故障相电压降低，电流增大，而任何相间电压都是很高的。因此应将故障相的电压和电流加入到继电器中，对A相阻抗继电器，接入继电器的电压为

???U??U??U??I?ZL?I?ZL?I?ZLUAd1d2d0112200

??? ?I1Z1L?I2Z2L?I0Z0L

????? ?(I1?I2?I0)Z1L?I0Z1L?I0Z0L

?ZL?Z0L?Z1LI?ZL?IA101ZL1

?? ?(IA?3KI0)Z1L

?式中 KI0——称为零序补偿电流，其中

K?1Z0?Z13Z1，为常数；

??? 接入继电器的电流Ij?IA?3KI0，则故障相阻抗继电器的测量阻抗为

Z(1)JA?UA??Z1L??IA?3KI0

它能正确地测量从短路点到保护安装地点间的阻抗。为了反应任一相的单相接地短路，接地距离保护也必须采用三个阻抗继电器。这种接线方式同样能够正确反应两相接地短路和三相短路，此时接于故障相的阻抗继电器的测量阻抗均为Z1L。

第四节影响距离保护正确工作的因素及采取的防止措施

一、短路点过渡电阻对距离保护的影响

保护1的测量阻抗为Rg，保护2的测量阻抗为ZAB?Rg。由图(b)可见，当Rg较大时，可能出现ZJ.1已超出保护1第Ⅰ段整定的特性圆范围，而ZJ.2仍位于保护2第Ⅱ段整定的特性圆范围以内。此时保护1和保护2将同时以第Ⅱ段的时限动作，因而失去了选择性。

jXjXC?Z1B1A2CL1L2Rg?Zj.1??Z2?Z2RRgZj.2R0(a)(b)图3-35 过渡电阻对不同安装地点距离保护的影响（a）电网接线图；（b）保护范围图结论：保护装置距短路点越近时，受过渡电阻的影响越大，同时保护装置的整定值越小，则相对地受过渡电阻的影响也越大。

对图3—36（a）所示的双侧电源的网络，短路点的过渡电阻可能使量阻抗增大，也可能使测量阻抗减小。

A?2Id!B1Rg?Id2CjXIdRgej?Id1Rg?IdBA0R(b)(a)图3-36 双侧电源通过短路的接线图及阻抗电流向量图Rg(a)系统图；(b)向量图

保护1和保护2的测量阻抗分别为

ZJ1??IIUB??dRg?dRgej???Id1IId1d1 ?IU?A?ZAB?dRgej??Id1Id1

式中

ZJ2???—Id超前Id1的角度。

当?为正时，测量阻抗增大，当?为负时，测量阻抗的电抗部分将减小。在后一种情

况下，可能导致保护无选择性的动作。过渡电阻主要是纯电阻性的电弧电阻Rg，且电弧的长度和电流的大小都随时间而变化，在短路开始瞬间电弧电流很大，电弧的长度很短，Rg很小。随着电弧电流的衰减和电弧长度的增长，Rg随着增大，大约经0.1～0.15秒后，Rg剧烈增大。

减小过渡电阻对距离保护影响的措施（1）采用瞬时测定装置

它通常应用于距离保护第Ⅱ段。原理接线如图3—37所示。

（2）采用带偏移特性的阻抗继电器保护2的测量阻抗Zcl2=Zd+Rg

当过渡电阻达Rg1时，具有椭圆特性的阻抗继电器开始拒动。当过渡电阻达Rg2时，方向阻抗继电器开始拒动。当过渡电阻达Rg3时，全阻抗继电器开始拒动。

结论：阻抗继电器的动作特性在+R轴方向所占的面积越大则受过渡电阻的影响越小。采用能容许较大的过渡电阻而不致拒动的阻抗继电器，如偏移特性阻抗继电器等。

二、电力系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路

（一）电力系统振荡时电流、电压的分布

?EMZMMZ?IzhN?ENZNZL图3-38 系统振荡的等值图图3-38为简化系统等值电路图, 当系统发生振荡时，设EM超前于EN的相位角为

?????,EM?EN?E，且系统中各元件的阻抗角相等，则振荡电流为

??E???E??(1?e?j?)EEEMNMN??I?zhZM?ZL?ZNZ?Z?=

??振荡电流滞后于电势差EM?EN的角度为系统振荡阻抗角为

??argtgXM?XL?XNRM?RL?RN

?Izh?EMMZN??EN?图3-39 系统振荡时电压、电流向量图系统M、N、Z点的电压分别为：

??E??I?ZUMMzhM??E??I?ZUNNzhN??E??I?1ZUZMzh?2

(二)电力系统振荡对距离保护的影响

M母线上阻抗继电器的测量阻抗为

ZMcl??I?Z??EUEMzhMM???M?ZM???IIIzhzhzh

?E1M?Z??ZM?Z??ZM?j???1?e(EM?EN) 应用尤拉公式及三角公式，有

e?j??cos??jsin?21?e?j???1?jctg2

于是

11?ZMcl?(Z??ZM)?jZ?ctg222

将此继电器测量阻抗随?变化的关系，画在以保护安装地点M为原点的复数阻抗平面上，当系统所有元件的阻抗角都相同时，阻抗继电

OjXENNZ1?2MEM1Z??ZM2RZc1?2KOl?图3-41 系统振荡时，测量阻抗的变化器的测量阻抗将在

Z?的垂直平分线oo?上移动，如图3-41所示。

系统振荡对距离保护的影响

以变电站M处的保护为例,其距离Ⅰ段起动阻抗整定为0.85ZL，在图3-42中以长度MA表示，由此可绘出各种继电器的动作特性曲线。

jO???XN1A32?d??MRO?图3-42 系统振荡时变电站处测量阻抗的变化图M

结论：在同样整定值的条件下全阻抗继电器受振荡的影响最大，而椭圆继电器所受的影响最小。

(1)继电器的动作特性在阻抗平面沿oo′方向所占的面积越大，受振荡的影响就越大。 (2)保护安装地点越靠近于振荡中心，距离保护受振荡的影响越大，而振荡中心在保护范围以外时，系统振荡，距离保护不会误动。

（3）当保护的动作带有较大的延时时，如距离Ⅲ段，可利用延时躲开振荡的影响。（三）振荡闭锁回路

1、电力系统振荡和短路时的主要区别。

（1）、振荡时电流和各电压幅值的变化速度较慢,而短路时电流是突然增大,电流也突然降低。

（2）、振荡时电流和各点电压幅值均作周期变化，各点电压与电流之间的相位角也作周期变化。

（3）振荡时三相完全对称,电力系统中不会出现负序分量；而短路时,总要长期(在不对称短路过程中)或瞬间(在三相短路开始时)出现负序分量。 2、对振荡闭锁回路的要求

（1）、系统振荡而没故障时,应可靠将保护闭锁。（2）、系统发生各种类型故障,保护不应被闭锁。（3）、在振荡过程中发生故障时,保护应能正确动作。

（4）先故障,且故障发生在保护范围之外,而后振荡,保护不能无选择性动作。 3、振荡闭锁回路的工作原理

（1）、利用负序(和零序)分量或其增量起动的振荡闭锁回路。 ①负序电压滤过器

负序电压滤过器:

从三相不对称电压中取出其负序分量的回路。

目前广泛应用的是阻容双臂式负序电压滤过器，其接线如下图所示。

其参数关系为：

R1?3X1,X2?3R2

当输入端加入电压时,在m?n端的空载输出电压为

????U??U? UmnR1X2?I1R1?jI2X2?

??3Uab3?j??3Ubc?3?j??UUabbcR1?jX2R1?jX1R2?jX23?3?j30??Uab1e?Ubc1e?j30?22当输入端只有正序电压加入时,在m?n端的空载输出电压为

3?3?j30????Umn?UR1?UX2?Uab1e?Ubc1e?j30??022

当输入端有负序电压加入时,在m?n端的空载输出电压为

?Ux1?Ua1b?UR1?Ia13?0b?Um?Ib1?60c??UX1UR1?Ua?n30?Ia2b2b?Ux2?0?Uc0?Uc1a?Ux2?Ub1?UR2c30?60?Ib2c?Ub2c?R2U2a（a）（a）加入正序电压；（b）（b）加入负序电压图3-44 负序电压滤过器向量图???U??3U?ej30??3U?e?j30??3U?ej60??1.53U?ej30?U?Umn2R1X2ab2bc2ab2a2222

②负序电流滤过器

负序电流滤过器：从三相不对称电流中取出其负序分量的回路称为负序电流滤过器。目前常用的一种由电抗变压器TX和电流变换器TA组成，其原理接线如图3-45所示。

?IbWI?c?IaWDKB?UKmLBW11W13?Um?W2RURn?3I0n图3-45 负序电流滤过器原理接线图其中电抗变压输出:

???jz(I??I?)UkKbc，

电流变换器的变比为:

n?W2W1，

在电阻R上的压降为:

1??)R(Ia?I0n。

在m-n端子上的输出电压为:

??1(I??I?)R?jZ??Umna0k(b?Ic)n

当输入端加入正序电流时，其相量如图3-46(a) 所示，输出电压为：

??1I?R?jZ(I??I?)?I?(R?3Z)Umn1a1kb1c1a1knn

R?n3zk,则 Umn1?0。

当选取参数为

? 当只有零序电流输入时在TX和TA原边的安匝互相抵消，Umn0?0。

当只输入负序电流时，如图3-46(b)所示，负序电流滤过器的输出电压为

???1I?R?jz(I??I?)?I?(R?3z)?2RI?Umna2kb2c2a2ka2nnn

思考：除了利用负序分量构成振荡闭锁回路外，还可以利用哪些原理构成振荡闭锁回路？答案: 1、利用负序增量

2、利用电气量变化速度

三、分支电流的影响

使故障线路电流增大的现象，称为助增。如图3—47所示电路

当在BC线路上的D点发生短路时，在变电所A距离保护1的测量阻抗为

Zcl.1?Z?I?Z??IIUABABBCdA???ZAB?BCZd???IIIABABAB

?ZAB?KfzZd

ZA1?IABZ?B2IBZdDCC???IAAB

结论：助增电流，使测量阻抗增大，保护范围缩短。

图3-47 有助增电流的网络接线

使故障线路中电流减小的现象称为外汲。如图3—48所示电路，当在平行线路上的D点发生短路时，在变电所A距离保护1的测量阻抗

Zcl.1

?Z?I?Z??IIUABABBCdA???ZAB?BCZd?ZAB?KfzZd???IIIABABAB

ZA1?IABZ?B2IBZd??IBCCDC图3-48 有外汲电流的网络接线结论：外汲电流时使测量阻抗减小，保护范围增大，可能引起无选择性动作。

四、电压回路断线对距离保护的影响

当电压互感器二次回路断线时，距离保护将失去电压，这时阻抗元件失去电压而电流回路仍有负荷电流通过，可能造成误动作。对此，在距离保护中应装设断线闭锁装置。

对断线闭锁装置的主要要求是：

（1）当电压互感器发生各种可能导致保护误动作的故障时，断线闭锁装置均应动作，将保护闭锁并发出相应的信号。

（2）当被保护线路发生各种故障，不因故障电压的畸变错误地将保护闭锁，以保证保护可靠动作。

区分以上两种情况的电压变化的办法：解决方法:

看电流回路是否也同时发生变化。

断线信号装置大都是反应于断线后所出现的零序电压来构成的，其原理接线如图3—49所示。

?C3U0?UA?UB?UC?UNC1C2C3C0W1DXJW2R0图3-49 电压回路断线信号装置原理接线图当电压回路断线时，断线信号继电器动作，一方面将保护闭锁，一方面发出断线信号。

思考：这种反应于零序电压的断线信号装置，在系统中发出接地故障时也会动作。怎么办？

C?UA?UB?UC?UN?3U0C1C2C3C0W1DXJW2R0图3-49 电压回路断线信号装置原理接线图

解决方法:将KS的另一组线圈W2经C0和R0接于电压互感器二次侧开口三角形的输出电压上，当系统中出现零序电压时，两组线圈W1和W2所产生的零序电压安匝大小相等，方向相反，合成磁通为零，KS不动作。

第五节距离保护的整定计算

一、距离保护第一段 1.动作阻抗

(１)对输电线路，按躲过本线路末端短路来整定，即取

??1?kK?ZAB Zdz

Z?Z??Z???00.5tA1ZAZ?Z??Z???00.5tB2ZBZACCBA?Z?A3B 2．动作时限

图3-50 电力系统接线图t??0秒。

二、距离保护第二段

1．动作阻抗

（1）与下一线路的第一段保护范围配合，并用分支系数考虑助增及外汲电流对测量阻抗的影响，即

???1?Kk???ZAB?KfzKk?ZBC? Zdz式中Kfz为分支系数

?IBCKfz???I?AB????min

（2）与相邻变压器的快速保护相配合

???1?Kk???ZAB?KfzZB? Zdz???1。取（1）、（2）计算结果中的小者作为ZdzZ?Z??Z???00.5tA1ZAZ?Z??Z???00.5tB2ZBZACCBA?Z?A3B

图3-50 电力系统接线图

2. 动作时限

保护第Ⅱ段的动作时限，应比下一线路保护第Ⅰ段的动作时限大一个时限阶段，即

???t2???t??t t1 3.灵敏度校验

Klm???Zdz?1.5ZAB

如灵敏度不能满足要求，可按照与下一线路保护第Ⅱ段相配合的原则选择动作阻抗，即

???Kk???ZAB?KfzZdz??.2? Zdz 这时，第Ⅱ段的动作时限应比下一线路第Ⅱ段的动作时限大一个时限阶段，即

???t2????t t1 三、距离保护的第三段 1．动作阻抗

按躲开最小负荷阻抗来选择，若第Ⅲ段采用全阻抗继电器，其动作阻抗为

???.1?Zdz式中

1Zfh.min???KkKhKzq

2．动作时限

保护第Ⅲ段的动作时限较相邻与之配合的元件保护的动作时限大一个时限阶段，即

?????t t????t2 3．灵敏度校验

作近后备保护时

Klm?近?

???.1Zdz?1.5ZAB

作远后备保护时

Klm?远?

ZAB???Zdz?1.2?KfzZBC

式中，Kfz为分支系数，取最大可能值。

思考：灵敏度不能满足要求时，怎么办？

解决方法：采用方向阻抗继电器，以提高灵敏度

方向阻抗继电器的动作阻抗的整定原则与全阻抗继电器相同。考虑到正常运行时，负荷阻抗的阻抗角?fh较小，（约为25），而短路时，架空线路短路阻抗角?d较大（一般约为65~

??85?）。如果选取方向阻抗继电器的最大灵敏角?lm??d，则方向阻抗继电器的动作阻抗为

???.1?Zdz

???KhKzqcos??d??fh? KkjXZzZfdhZfh.min?d?fhR图3-51 全阻抗继电器和方向阻抗继电器灵敏度比较结论：采用方向阻抗继电器时，保护的灵敏度比采用全阻抗继电器时可提高

1cos(?d??fh)。

四、阻抗继电器的整定

保护二次侧动作阻抗

Zdz.j?Zdz式中

Kjx——接线系数

nTAKjxnTV

五、对距离保护的评价

1．主要优点

（1）能满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求。

（2）阻抗继电器是同时反应电压的降低与电流的增大而动作的，因此距离保护较电流保护有较高的灵敏度。 2.主要缺点

（1）不能实现全线瞬动。

（2）阻抗继电器本身较复杂，调试比较麻烦，可靠性较低。

BMZ?A1If.mn23k0m/13k5VN3ax5C46k0m6k0m????0.5st867108E1???19Xx1?m?2Ωa5xSB?3.51ME???1/13k5VXx1?m?2Ωi0n2Ud%?1.50Xx2?m?3Ωa0xXx2?m?2Ωi5n????t1VA00.5s图3-52 网络接线图例3-1 在图3-52所示网络中，各线路均装有距离保护，试对其中保护1的相间短路保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段进行整定计算。已知线路AB的最大负荷电流Ifh?max?350A,功率因数

cos?fh?0.9，各线路每公里阻抗Z1?0.4?/km，阻抗角?l?70?，电动机的自起动系数

Kzq?1,正常时母线最低工作电压Ufh?min取等于0.9Ue(Ue?110kV)。

解： 1.有关各元件阻抗值的计算

2．距离Ⅰ段的整定

?? (1)动作阻抗： Zdz?1?KkZAB?0.85?12?10.2?

(2)动作时间：t??0s

3．距离Ⅱ段

(1)动作阻抗：按下列两个条件选择。

1)与相邻线路BC的保护3(或保护5)的Ⅰ段配合

??1?KK??(ZAB?K?Kfz?minZBC)Zdz

Kfz?

?1.15I2XX1?ZAB?XX2(1?0.15)ZBC?XX1?ZAB??????1???2I1XX22ZBCXX2??