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继电保护的一些问题 距离保护的测量阻抗(Z U)I 正向故障时测量阻抗 Z d E m E n e j Zm Zn En F U f M I f Rf N I m I n 正向故障时的系统图 参见图所示的双端电源系统，保护装设在线路的 M 侧。设两侧电源电势分别为 E m 和 En，为系统功角。设在正方向 F 点发生故障，过渡电阻为 Rf；故障点电压为 U f ；Zd 为 F 点与保护安装处之间线路的阻抗；Zm 为 F 点向 M 看入的等效系统阻抗；Zn 为 F 点向 N 看入的等效阻抗。I m、I n 分别为 M 侧和 N 侧流入故障点的电流，电流方向如图所示。为了 方便分析起见，忽略系统阻抗和线路阻抗的电阻分量，并且假设两侧电源电势幅值相同，即 有 E m E ne j 。由图可得到以下方程：E m I mZm U f(11)E n I nZ n U f(12)U f I f Rf(I m I n)Rf(13)U m U f Z d I m(14)解式(11)(14)可以得到流入故障点 F 的电流：I m E m(Z n Rf)E n Rf(15)Z m Z n Rf(Zm Z n)I n n(Zm R f)E m Rf Z m Z n Rf(Z m (16)Z n)根据式(13)式(16)可得 距离保护的测量阻抗 为：U m Z d Z fh 0(1 1)Z d Z fh0(1 1 j )(17)Z I m j 1)Rf m1e (e 1 1 Z n 其中:Z fh 0 Z m Z n e j (18)e j 1 Zfh0 即为在 F 点观察到的负荷阻抗 ，对于保护测量到的负荷阻抗，显然有 Z fh Z d Z fh 0。m1 2 Rf sin 2(19)Zn 0 2(20)0 2 反向故障时测量阻抗 U m E m E ne j N E n I m F I n M Z m Uf Z n R f I f 反向故障时系统图 参见图，当故障点 F 位于保护背后时，式(11)(13)中电压、电流的关系仍然成立，根据 图 7 可得：U m U f Zd I n(21)根据式(11)(13)以及式(21)可得反向故障时保护的测量阻抗为：护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 Z U m Zd Z fh(1 1 Z fh(1 1)(22)I n(ej)Zd 1 m2e j 1)Rf 1 Zm 式中：2sin()Rf m2 2(23)Zm 0 2(24)0 2 测量阻抗变化轨迹 影响测量阻抗的因素为过渡电阻 Rf、功角、负荷阻抗 Z fh0(或 Z fh)。在上述简化模 型中，负荷阻抗实际上是由功角(以及系统阻抗参数)引起的。根据 圆的反演 的知识可知，若其它参数不变，当 Rf 从 0 到 变化时，正向故障和反向 故障时测量阻抗随着 Rf 的变化轨迹均为一段圆弧，下称“测量阻抗轨迹”。正向故障时测量 阻抗轨迹圆弧的圆心和半径分别为 1 2 Ozx Z d Z fh 0e j()2 sin Z fh 0 zx 2 sin (25)(26)反向故障时测量阻抗轨迹圆弧的圆心和半径分别为 1 Z fh e j()O fx 2 Zd 2 sin Z fh zx 2 sin (27)(28)观察式(17)、(22)可知，正向故障和反向故障时，保护的测量阻抗都是故障线路阻抗的 实际值与一个附加阻抗之和。为了方便讨论，设故障发生在出口处，即 Zd=0，对于非出口 故障的情况，容易从出口故障的结论中引出。护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 如图 10、11 所示，当 Rf 很小的时候，测量阻抗靠近原点，随着 Rf 的增大，测量阻抗沿 着测量阻抗轨迹圆弧逐渐接近负荷阻抗，当 Rf 时测量阻抗就等于负荷阻抗。测量阻抗 轨迹圆弧的所对应的弦是连接原点与负荷阻抗 Zfh 的直线。根据第 5 节中圆的反演的相关知 识可知，正、反向故障时测量阻抗轨迹圆弧与弦的关系分别由 和 决定。jX 0,Z m Z n N K B K C 0,Z m Zn R F 0,Zm Z n L L A D 0,Z m Z n M 图 10 正向故障时保护的测量阻抗轨迹 jX 0,Zm Zn K C B K 0,Z m Zn R 0,Zm Z n F L A L D 0,Z m Zn 图 11 反向故障时保护的测量阻抗轨迹 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 测量阻抗轨迹的要点：测量阻抗轨迹为一段圆弧，该圆弧两个端点分别为金属性故障(Rf 0)和负荷阻抗(Rf)。系统运行方式：振荡中心电压的估算公式(假设线路为纯电抗 )U osc U m(0)U m(0)cos ，cos()arg(I m(0)0 时称为送端，反之称为受端。送端时负荷阻抗在第 I 或者第 IV 象限(典型为 第 I 象限)。受端时负荷阻抗在第 III 或者第 II 象限(典型为第 III 象限)。Rf，变化时，就是系统振荡时的测量阻抗轨迹，振荡中心就是上面的 F 点。园的半径无穷大，退化为直线。若过渡电阻不是无穷大，则为系统振荡下故障的轨迹。E m U m(0)U osc U n(0)En I m(0)2 正常运行时的各点电压电流相量。送端正向故障时，造成距离保护超越的情况。运行方式在第 IV 象限(送端)，出口附近故障时，方向判别会受影响(影响小)受端反向(出口附近)故障时，容易造成故障方向的误判。运行方式在第 II 象限时影响 更大。系统振荡时，距离保护要误动。系统振荡下故障时，故障的选择性判别根据困难。距离继电器 防止正向故障距离保护超越的方法 U m Z d I m U f Zd I m Rf I f 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 U m Zd Rf I f Z d Rf e j Z I m I m 送端 0，距离保护要超越。I f 不能直接测量。若找到与 I f 相位相同的能够测量的电气量 A，就能够消除超越的影 响。设 Zd Zd ej d ，U m A Z d I m A R f I f A Im(U m A)Im(Zd I m A)Im(U m A)Zd Im(e j d I m A)因此，故障(线路段)阻抗能够测量，故能够防止超越。实际继电器(电抗继电器)的动作方程：采用电抗线 测量电抗：X Im(U m A)sin d Im(e j d I m A)动作方程：X X dz X dz Im(e j Im(U m A)sin d d I m A)X dze j d Im(U m I m)A 0 sin d Im(Z dzI m U m)A 0 0 arg(A )180 Zdz I m U m 参考电压(极化电压)、工作电压 (补偿电压)、临界点、补偿点的概念。零序电抗继电器 对于接地故障，零序电流与故障点电流相位接近。0 arg(3I 0)180 Z dz I m U m 为了防止故障点两侧等效零序阻抗角不相等产生的误差：实用继电器取 7 12 的下倾 角：0 arg(3I 0 e j 180 Z dz I m )U m 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 故障分量电抗继电器 对于不接地故障，可取：A I 对于高阻故障，动模试验发现，故障分量电抗继电器误差较大。对于感受到的过渡电阻，需要注意对侧的助增影响。对于弱系统，感受的过渡电阻会很大。防止反向故障距离保护误动的方法 以方向园阻抗继电器(西方称为：姆欧继电器)为例 90o arg U m 90o Zdz I m U m 要点：寻找与电源电势相位相同的电气量。具体的，对于正向故障，理想的是采用本侧电源电势作为参考电压。反向故障，则为对侧电源电压。90o arg(Zdz I m 90o arg (Zdz I m U m Z m I m Zm I m)(U m Em Z m I m)Em 90o Z m I m)90o 相当于将保护装设在电源出口。90o argU ref 90o U op U op Zdz I m U m U ref KE m,K 0 为实数 采用正序电压比较好。正序方向元件由于引入了健全相电压，出口不对称故障时没有死区，但出口三相故障 时由于正序电压为零，有死区。因此在正序电压小于 15V 时采用故障前的记忆电压进行比 U1 15V T1 0 1 Y1 U J 比&相 1 I J Y2 H1 Y3 H2 正序方向元件动作 比&1 1&F1 相 1 2 UJ(0)1 3 UJ(0)0.5V I J 0.05IN 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 相，并在方向判定后将判别结果固定，直到电压恢复。参考逻辑如图 1.6 所示。图中 U1(0)为故障前的正序电压(记忆电压)。对于记忆时间的选取，有两种方案。方案一为考虑反向出 口三相故障转为正向出口三相故障时能够正确判别故障的方向，记忆时间要长。但在振荡 时若记忆时间长，记忆电压的相移很大，会影响方向的判别。因此在短时开放期间记忆电 压取 160 毫秒(8 周波)前的电压，振荡闭锁期间记忆电压取 20 毫秒(1 周波)前的电压。方案 二为不考虑三相转三相故障，记忆电压一直取 20 毫秒前的电压。从图中看到，但正序电压 大于 15V 时，通过 Y1 开放不带记忆的正序方向，并通过 Y3 闭锁记忆电压构成的方向；否 则，开放记忆电压的方向，并且在故障方向判定后通过 H1、Y3 和 T1、Y2 将方向判别结果 固定，直到电压恢复。方向元件中还分别设置了电压和电流门槛。电流小于 0.05In(In 为额 定电流)时，将方向元件闭锁。正序方向元件 四边形特性的距离继电器 实用的四边形特性距离继电器有偏移多边形阻抗继电器、方向元件、电抗元件构成 与 门输出。距离继电器的特性 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 jX 0,Z m Z n N K B K C 0,Z m Zn R F 0,Zm Z n L L A D 0,Z m Z n M 图 10 正向故障时保护的测量阻抗轨迹 jX 0,Zm Zn K C B K 0,Z m Zn R 0,Zm Z n F L A L D 0,Z m Zn 图 11 反向故障时保护的测量阻抗轨迹 振荡闭锁 振荡闭锁一直是距离保护的重要问题。国内传统的方法是在短路发生后利用故障检测元件迅速短时开放保护，过后(经过 150ms 200m)就实现闭锁直到各种保护元件返回，并确认振荡已结束为止，于是振荡闭锁装置整组复归，准备下一次再动作。这种逻辑可以有效地在 暂态稳定破坏时实现对保护的闭锁，但在振荡闭锁期间发生区内故障时保护将拒动。系统振 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 荡是发生金属性故障，故障回路是能够正确反应故障距离的，但是若发生过渡电阻故障，也可能存在误动或超越的可能。所以振荡闭锁的重点是解决振荡系统故障时怎样有效的开放区 内故障的保护，同时有能够有效的闭锁会引起保护误动故障。振荡闭锁元件在发现发生线路内部故障时要将保护重新开放，其基本要求是：a)系统纯振荡时不开放；b)系统振荡又发生区内故障时能够可靠、快速开放；c)系统振荡又发生区外故障时，在距离保护会误动期间不开放。振荡与故障的特征差异 周期性，振荡是周期变化的，故障则不是。所以可以通过延时躲避振荡(距离 III 段)。对称性，振荡是三相对称的，不对称故障时系统是不对称的。电气量变化率。振荡时电流、电压以及它们的综合电气量变化时缓慢的；故障时故障 回路电气量有突变，故障后则不变。延时性，系统稳定破坏是需要一定时间的，在扰动发生后经过数百毫秒才会发生振荡。这就是短时开放振荡闭锁的依据。振荡闭锁技术的核心是区分振荡和故障电气量的不同特征。需要注意的是，有些情况上 o 故障，有些电气量可能没有突变，经过渡电阻故障时故障后电气量是变化的。所以振荡闭锁 方法需要解决这些问题。另外需要注意的是，实际系统振荡的概率并不大，因此保护在振荡闭锁期间绝大多数系 统都不是振荡的，所以寻找判别系统是否振荡的方法，在系统不振荡时退出振荡闭锁，是很 有实际意义的。目前还没有完善的振荡闭锁方法，实际装置中往往采用不同原理的综合。基于系统对称性的振荡闭锁原理 I0+I2mI1 方法 这是沈国荣提出并首先采用的方法。满足下面的判据时开放距离保护 I0+I2mI1 其中系数 m0.5。分析，可以证明当取 m0.5 后，区外故障时不会误动。问题：只能开放不对称故障 功角为 180o 附近故障时开放速度慢。本线路非全相允许时要误开放，必须退出。邻线非全相运行时一般情况下不会开放(需 要进一步分析 )，但是对于 1000kV 的单回路的开关站，邻线非全相时肯定要误开放。护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 振荡解列和合闸于振荡系统时，考虑三相开关操作的不同时，会短暂的误开放。高阻接地时，可能要拒动。阻抗不对称开放法 阻抗不对称法是根据振荡时三相电气量相同，而不对称故障时不相同这一特征来区别 振荡和故障的。关键是振荡与外部故障且会引起距离保护误动时要可靠不开放。开放条件 为(以 A 相为例)ZBC ZdzIII 式中，Z BC 为 BC 相间测量阻抗，ZdzIII 为距离 III 段的整定值。也就是说，当 BC 相间阻 抗处于距离 III 段范围以外时，就开放 A 相的接地距离保护 Z A。系统振荡时，各个回路 的测量阻抗是一致的，在 ZA 进入距离 II 段范围内以前，Z BC 早已进入距离 III 段范围而 将 Z A 闭锁；若振荡与 A 相故障同时发生，两侧电势相位差(功角)是周期性变化的，在功 角比较小时，ZBC 肯定在距离 III 段范围外，因而能够开放。阻抗不对称法的优点是灵敏度不受过渡电阻的影响，这是其它反应系统不对称的方法如 I 0 I 2 mI1 所不具备的。反应系统不对称的方法只能开放不对称故障，同时振荡与内部故 障同时发生，开放速度会比较慢。利用故障时电气量突变的方法 这是国外保护产品常用的方法。例如 大园套小圆方法 振荡中心电压 Ucos 的变化率检测法 利用故障后电气量不变的方法 Ucos 不变法 Ucos Udz，加上延时。参见南瑞产品说明书。护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 阻抗轨迹半径检测法 图 5 所示系统是振荡与反方向故障同时发生的情况。.m.n Zm I m Zn Em Z m ZL .I f U m Rf 图 5 振荡系统图 由于系统在振荡，两侧电势的相位差(功角)是变化的，即 Em En ej 测量阻抗 Z 的可求得 Z C1 C2 Me j 1 式中 M R f Z m Z m R f Rf ZL Z n Zm ZL Z n Zm Zm Zm C1 Rf Zm Zm C2 Zn ZL 在0 360 变化的一个振荡周期内，Z 的变化轨迹为一个园，如图 5(a)所示。圆 心向量 O 处在坐标系的第 III 相像，具体为 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 jX Z n Zn jX ZL ZLO ZJm Zjm m O R R Zm Z m C1 O 1 M2C2 轨迹园的半径为 C1 M(3-3)1 M 2 轨迹园的半径与过渡电阻成正比，在金属性故障时，半径趋向于零，轨迹园则退化为一 个点；系统纯振荡时，半径趋向于无穷大，轨迹园则退化为与线路阻抗垂直的直线。若振荡 中心处于反方向，轨迹园不会进入第 I 相像，距离保护不会误动；若振荡中心处于正方向，当过渡电阻比较大时，轨迹园可能会接入第 I 相像而导致距离保护的误动，必须采取相应的措施。由于圆心在第 III 相像，故测量阻抗接入第 I 相像时，必然小于轨迹园的半径，即 Z 。同理，正方向故障时测量阻抗的变化轨迹也是一个园，如图图 3 2(b)所示，具体计算 式略。若是正方向外部故障，则满足 Z Zdz。(a)反方向故障(b)正方向故障 图 6 测量阻抗的变化轨迹 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 因此，若能实时检测出测量阻抗园的半径，就可以根据以上两个特征来防止区外故 障时保护的误动。但 是不能直接快速测量的，要通过其它电气量进行间接测量。设振荡 周期为 Ts，故 2 t Ts 将式(3-4)代入式(3-2)，得测量阻抗的变化率为 dZ 2 C1M dt Ts 1 Me j 2 在 变化时，测量阻抗变化率的最小值为 dZ 2 C1M 2 dt min Ts 1 M 考虑实际系统最长振荡周期小于 3 秒，即 2 /Ts 2。进一步的研究表明，反方向故障 时，有 2 dZ dt 正方向故障时，有 4 dZ dt 在纯振荡时，则可以得到 dZ 0.5Z dt 振荡轨迹半径法就是利用 dZ/dt 的这些特征构成的振荡闭锁方法，判别条件为：(a)dZ/dt 0.5Z (b)Z 2 dZ/dt (c)Z Zdz 4 dZ/dt 在某个回路的 Z 满足上面三个条件时，开放该回路的距离保护。条件(a)是防止系统纯 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 振荡时保护的误动；条件(b)是为了防止振荡与反方向故障时保护的误动；条件(c)是为了防 止振荡又与正方向外部故障时保护的超越。在出口故障时，由于 Z 0，条件(b)将不能开放，为此在条件(b)中增加一个突变量方 向元件，与原判据构成或门输出。故障选相 难点：转换性故障，发电机负序阻抗与正序阻抗不一致。故障选相原理的分类与方向继电器类似，也可以分为常规方法和故障分量两种。二对于 故障分量的选相，也存在变化量选相和序(零序和正序 )分量两种选相原理。常规方法包括电流选相、电压选相、阻抗选相。电流选相灵敏度太低，实际上已经被淘 汰。电压选相灵敏度也低，目前只能作为出口转换性故障的辅助选相用。阻抗选相在欧洲的 产品中还是广泛采用，缺点是整定困难，灵敏度也比较低。故障分量选相是美国 GE 产品最先使用的。优点是灵敏度高，但是对于转换性故障存在 困难。欧洲国家面积小，线路长度短，所以阻抗选相方法通常能够满足要求，相应的距离保护 选用的动作特性喜欢阻抗四边形阻抗特性，因为园阻抗耐受过渡电阻能力太差。北美国家面 积大，线路长度长，阻抗选相灵敏度往往不足，所以最先提出采用故障分量的选相方法。由 于线路长，园阻抗特性的耐受过渡电阻能力相对也比较高，所以比较喜欢采用园特性的距离 继电器。我国面积大，与美国类似；但是东部地区却人口很稠密，线路段，却与欧洲国家类似。情况比较特殊。另外，我国继电器保护的研究是处于国际前列，所考虑的问题比欧美国际更 深，所以往往采用多种原理的综合判别。故障分量选相原理 基本原理：单相 (A 相 )故障基本特征：i b i c，I a I b 基本判据：ibc i b i c 0 幅值判据 iab,ica)ibc min(相位判据：arg(I 0)arg(I 2)arg(I 1)两相(BCG)接地时的相位关系 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 arg(I 0)arg(I 2)arg(I 1)对于故障分量选相，最先使用的都是纯电流的选相方法,存在两个缺陷：一是弱电源侧 灵敏度低，单电源时负荷侧选相元件拒动。单电源系统故障时，负荷侧的故障电流只有零序 电流，基于电流的选相元件难以区分故障相别。二是正反两点的转换性故障或跨线故障时要 误选，因为这两种原理都是基于一点故障推导出来的。补偿电压综合选相方法就是为了解决 这两个问题而提出的。为此采用了补偿电压综合选相元件，以解决这两个缺陷。补偿电压综 合选相元件由突变量补偿电压选相元件和序分量补偿电压选相元件两部分组成。故障发生的 20ms 内由补偿电压突变量选相元件进行选相，20ms 后则投入补偿电压序分量选相元件。补偿电压变化量选相方法 令 U U Z I，AB,BC,CA max(U ，U ,U )U max AB BC CA 其中 Z 为补偿阻抗，可取 可取线路阻抗或距离保护 I 段的整定值 (包括幅值和相 角)，U、I 是突变量电压和电流。U 称为突变量补偿电压。弱电源系统故障时，负荷侧突变量电流很小，但突变量电压电压突变量大。在引入了突 变量电压后，弱电源系统的灵敏度不会降低。单相故障与多相故障的判别方法与突变量 电流选相方法类似，即 4 U 时，故障类型为 C 相故障；U max AB U 4 U BC 时，故障类型为 A 相故障；max U 4 U BA 时，故障类型为 B 相故障。max 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 上述条件均不满足时为多相故障。对于多相故障，还要区分是复杂故障还是简单故障。令 1，当 U U 时 F U BC,CA,AB 0，当 U 时 其中，U 是 相间回路突变量电压的有效值。显然 F 就是 相间回路的突变量 方向元件。对于简单的多相故障，三个相间回路的 F 的结果是一致的，即正方向故障时均为 1；反方向故障时均为 0。而对于复杂故障，正方向故障相的方向元件的判别结果为 1；反 方向故障相的判别结果为 0。因此当 0 FBC FCA FAB 2 时，就判定为复杂故障；否则为简单故障。若判定为复杂故障，足 b)时，是反方向故障，保护不会动作，选相元件不输出；当满足条件 c)时，是复杂故障，通过相电流方向元件选择正方向的故障相。U U 补偿电压序分量选相方法 令 U 0 1 3 K z ZI 0 arg U2 ZI2 即 为补偿点零序电压和负序电压的相位差，其中 Z 为补偿阻抗，K Z 为零序补偿系数。当 30o 90 o 时为 A 区，为 AN(相接地故障 )或 BCN(BC 两相接地故障 )；当 护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 90o 210o 时为 B 区，为 BN 或 CAN；当 210o 330o 时为 C 区，为 CN 或 ABN；为了进一步区分单相接地和两相接地，判别如下(以 A区为例)：(a)Z BC Z zdIII 时，判定为 AN；否则 (b)I 0 0.5I1或 I2 0.5I1 时，判定为 BCN；否则 (c)B、C 相方向元件都动作时，判定为 BCN；否则 (d)B 相方向元件动作时，判定为 BN；C 相方向元件动作时判定为 CN。对于上面的各个判别条件，其意义为：条件(a)是为了区分是单相故障和多相故障；条 件(b)、(c)和(d)是 为 了 区 分 转 换 性 故 障，其 核 心 是 利 用 了 转 换 性 故 障 时 必 然 I 2 0.5I1,I 0 0.5I1 这个现象。事实上，简单多相故障时也可能满足 I 2 0.5I 1,I0 0.5I1 的 条件，但此时故障电流大，相电流方向元件是能够正确判别的。通常近端故障时 I 0.5 I ,I 0.5I 会满足，远端故障时由于对侧的分流作用，该条件不会满足。2 1 0 1 对于复杂故障，零序、负序电压与简单故障时相同。复杂故障的零序、负序电流 与简单故障时不一样，由于正方向故障相和反方向故障相的电流分别由两侧电源提供，由此形成的零序、负序电流有两个特点：一是数值肯定比较大，必然满足 I 2 0.5I1,I 0 0.5I 1；二是不能正确分区，但引入电压分量后仍能正确分区。装置启动和复归 采用相电流突变量作为启动元件，令 I|i(t)2i(t T)i(t 2T)|相电流突变量启动元件的动作判据为 I 0.2In 1.25 I(t T)A,B,C 其中 0.2In 为固定门槛(In 为额定电流)。1.25 I(t-T)为浮动门槛，其值根据一周波前的电流突变量的大小自动确定，以防止系统频率变化或系统振荡引起的电流突变量元件的误动。护装设在线路的侧设两侧电源电势分别为和为系统功角设在正方向点发生故障过渡电阻为故障点电压为为点与保护安装处之间线路的阻抗为点向看入的等效系统阻抗为点向看入的等效阻抗分别为侧和侧流入故障点的电流电流方向如下方程解式可以得到流入故障点的电流根据式式可得距离保护的测量阻抗为其中即为在点观察到的负荷阻抗对于保护测量到的负荷阻抗显然有反向故障时测量阻抗反向故障时系统图参见图当故障点位于保护背后时式中电压电流的关素为过渡电阻功角负荷阻抗或在上述简化模型中负荷阻抗实际上是由功角以及系统阻抗参数引起的根据圆的反演的知识可知若其它参数不变当从到变化时正向故障和反向故障时测量阻抗随着的变化轨迹均为一段圆弧下称测量阻抗轨 当任一相电流突变量连续三次大于整定值时，启动元件动作。有的保护装置采用两相电流差电流突变量起动元件，本方案采用相电流突变量起动元件主要是考虑在弱馈线或单电源线路接地故障时有较高的灵敏度。突变量起动元件在高阻接地、振荡后发生故障时灵敏度可能不够，因此还采用了零序元 件和静稳破坏检测元件作为电流突变量元件灵敏度不足时的辅助起动元件，辅助起动元件延时 30 毫秒动作。静稳破坏检测元件由一个 BC 相间辅助阻抗元件 ZFZ 和一个 A 相振荡电流检测元件组 成。电流元件的整定值单独整定；辅助阻抗元件的整定值与相间距离 III 段相同，但动作特 性不同，是一个全阻抗性质的四边形特性(如图 1.3 所示)。由于系统过负荷时也会引起阻抗 元件或电流元件的误起动，因此静稳破坏元件还经 U1cos 0.5Un 判据才开放，其中 U 1 为正 序电压，为正序电压和正序电流之间的相位差。U1cos M(j)。能量积分方向继电器的逻辑示意图如图 2 所示。继电器由正向电压、电流启动元件、反向启动电
