电气系统继电保护第3章电网的距离保护.ppt
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1、第第3 3章章 电网的距离保护电网的距离保护2021/9/1513.1.1 3.1.1 基本工作原理基本工作原理3.1 3.1 距离保护的基本原理距离保护的基本原理 电流、电压保护的主要优点是简单、可靠、经济,但它们的灵敏性受系统运行方式变化的影响较大,特别是在重负荷、长距离、电压等级高的复杂网络中,很难满足选择性、灵敏性以及快速切除故障的要求,为此,必须采用性能更加完善的保护装置,因而就引入了“距离保护距离保护”。距离保护是距离保护是反映故障点至保护安装地点之间的距离(或阻抗),并根据反映故障点至保护安装地点之间的距离(或阻抗),并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置距离的远近而确定动
2、作时间的一种保护装置。该装置的主要元件为距离(阻抗)继电器,它可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗值,此阻抗称为阻抗继电器的测量阻抗。其主要特点是:短路点距离保护安装点越近,其测量阻抗越小;相反地,短路点距离保护安装点越远,其测量阻抗越大,动作时间就越长。这样就可保证有选择地切除故障线路。2021/9/152 图3.1 距离保护的基本原理 2021/9/1533.1.2 3.1.2 距离保护的时限特性距离保护的时限特性 距离保护的动作时间与保护安装地点至短路点之间距离的关系 ,称为距离保护的时限特性。为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求,目前广泛应用具有三段动作范围的阶
3、梯型时限特性,如图3.1(b)所示,并分别称为距离保护的、段。距离保护的第段是瞬时动作的,t1是保护本身的固有动作时间。对保护1的第段整定值应为:2021/9/154 距离段整定值的选择是相似于限时电流速断的,即应使其不超出下一条线路距离段的保护范围,同时带有高出一个t的时限,以保证选择性。距离段与段的联合工作构成本线路的主保护。为了作为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作的后备保护,同时也作为距离、段的后备保护,还应该装设距离保护第段。对于距离段整定值的考虑是与过电流保护相似的,其启动阻抗要按躲开正常运行时的最小负荷阻抗来选择,而动作时限则应根据前述电流保护的原则,使其比距离段保护范围内其他各保
4、护的最大动作时限高一个t。2021/9/1553.1.3 3.1.3 距离保护的主要组成元件距离保护的主要组成元件图3.2 三段式距离保护的原理框图2021/9/156(1)启动回路启动回路主要由启动元件组成。启动元件可由过电流继电器、低阻抗继电器或反应于负序和零序电流的继电器构成。具体选用哪一种,应由被保护线路的情况确定。(2)测量回路测量回路的段和段由阻抗继电器 组成,而第段由测量阻抗继电器 组成。测量回路是测量短路点到保护安装处的距离,用以判断故障处于哪一段保护范围。(3)逻辑回路逻辑回路主要由门电路和时间电路组成。门电路包括与门和或门,时间电路主要由 两个时间继电器构成。时间继电器的主
5、要作用是按照故障点到保护安装地点的远近,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。(4)其他部分辅助相电流元件:接于相电流,作为辅助启动元件之用。重合闸后加速回路:瞬时加速段或段。执行元件:出口、信号、切换等其他功能。2021/9/1573.2 3.2 阻抗继电器阻抗继电器 阻抗继电器可按以下不同方法分类:根据其构造原理的不同,分为电磁型、感应型、整流型、晶体管型、集成电路型和微机型等。根据其比较原理的不同,分为幅值比较式和相位比较式两大类。根据其输入量的不同,分为单相式和多相式两种。所谓单相式阻抗继电器是指加入继电器的只有一个电压(可以是相电压或线电压)和一个电流(可以是相电
6、流或两相电流之差)的阻抗继电器。电压和电流的比值称为继电器的测量阻抗Z。2021/9/158 多相补偿式阻抗继电器是一种多相式继电器,加入继电器的是几个相的电流和几个相的补偿后电压,它的主要优点是可反映不同相别组合的相间或接地短路,但由于加入继电器的不是单一的电压和电流,因此就不能利用测量阻抗的概念来分析它的特性,而必须结合给定的系统、给定的短路点和给定的故障类型对其动作特性进行具体分析。3.2 3.2 阻抗继电器阻抗继电器2021/9/159 阻抗复平面分析法是最常用、最简捷直观的方法,它需要经过以下步骤:阻抗继电器在阻抗复平面上的动作特性(可从动作条件判别式取等号求得)。继电器的测量阻抗Z
7、r沿一定的轨迹变化而使继电器始终处于临界动作状态时,这一轨迹便称为继电器的动作特性。求出阻抗继电器在各种运行情况下感受到的阻抗(测量阻抗Zr)。按动作条件判别式在阻抗平面上分析它们是否满足该式,从而决定其是否动作。对于单相式阻抗继电器,其动作特性可用单一变量即继电器的测量阻抗Zr的函数来分析,并在复阻抗平面上用一定的曲线来表示。2021/9/1510图3.3 在阻抗复平面上分析阻抗继电器特性(a)网络接线;(b)被保护线路的测量阻抗及动作特性2021/9/1511 由于阻抗继电器都是接于电流互感器和电压互感器的二次侧,其测量阻抗与系统一次侧的阻抗之间存在下列关系;如果保护装置的一次侧整定阻抗经
8、计算以后为 ,继电器的整定阻抗应该为:3.2.1 3.2.1 阻抗继电器的二次值阻抗继电器的二次值2021/9/15123.2.2 3.2.2 利用复数平面分析圆或直线特性阻抗继电器利用复数平面分析圆或直线特性阻抗继电器 (1)全阻抗继电器全阻抗继电器 全阻抗继电器的特性是以B点(继电器安装点)为圆心,以整定阻抗为半径所作的一个圆,如图3.4所示。当测量阻抗Zr位于圆内时继电器动作,即圆内为动作区,圆外为不动作区。当测量阻抗正好位于圆周上时,继电器刚好动作,对应此时的阻抗就是继电器的启动阻抗。由于这种特性是以原点为圆心而作的圆,因此,不论加入继电器的电压与电流之间的角度为多大,继电器的启动阻抗
9、在数值上都等于整定阻抗。具有这种动作特性的继电器称为全阻抗继电器,它没有方向性。2021/9/1513 幅值比较方式如图3.4(a)所示,当测量阻抗Zr位于圆内时,继电器能够启动,其启动的条件可用阻抗的幅值来表示,即 式中:Zset 继电器整定阻抗。上式两端乘以电流,变成为:2021/9/1514 相位比较方式全阻抗继电器的动作特性如图3.4(b)所示,当测量阻抗Zr 位于圆周上时,相量(Zr+Zset)超前于(Zr-Zset)的角度 ,而当Zr位于圆内时,;Zr位于圆外时,如图3.5(a)和(b)所示。因此,继电器的启动条件即可表示为:将两个相量均以电流乘之,即可得到可比较其相位的两个电压,
10、继电器的启动条件可表示为:2021/9/1515 图3.4 全阻抗继电器的动作特性(a)幅值比较式;(b)相位比较式2021/9/1516 图3.5 相位比较方式分析全阻抗继电器的动作特性(a)测量阻抗在圆内;(b)测量阻抗在圆外2021/9/1517一般称 为极化电压,为补偿电压。上述动作条件也可表示为:幅值比较方式与相位比较方式之间的关系,可以从图3.4和图3.5所示几种情况的分析得出。由平行四边形和菱形的定则可知,如用比较幅值的两个相量组成平行四边形,则相位比较的两个相量就是该平行四边形的两个对角线,三种情况下的关系如图3.6所示。2021/9/1518 图3.6 幅值比较与相位比较之间
11、的关系 2021/9/1519 a.当 时,如图3.6(a)所示,由这两个相量组成的平行四边形是一个菱形,因此,其两个对角线互相垂直,正是继电器刚好启动的条件。b.当 时,如图3.6(b)所示,之间的角度 ,继电器能够动作。c.当 时,如图3.6(c)所示,之间的角度 ,继电器不动作。2021/9/1520 一般而言,设以 表示比较幅值的两个电压,且当 时,继电器启动;又以 表示比较相位的两个电压,当 时,继电器启动,则它们之间的关系符合下式:2021/9/1521 必须注意:必须注意:它只适用于 为同一频率的正弦交流量;只适用于相位比较方式动作范围为 和幅值比较方式,且动作条件为 的情况;对
12、短路暂态过程中出现的非周期分量和谐波分量,以上转换关系显然是不成立的。因此,不同比较方式构成的继电器受暂态过程的影响不同。于是,已知 时,可以直接求出 ;反之,如已知 ,也可以利用上式求出 。由此可见,幅值比较原理与相位比较原理之间具有互换性。2021/9/1522 方向阻抗继电器的特性是以整定阻抗Zset为直径而通过坐标原点的一个圆,如图3.7所示,圆内为动作区,圆外为不动作区。当加入继电器的电压和电流之间的相位差为不同数值时,此种继电器的启动阻抗也将随之改变。当电压和电流之间的相位差等于整定阻抗的阻抗角时,继电器的启动阻抗达到最大,等于圆的直径,此时,阻抗继电器的保护范围最大,工作最灵敏。
13、因此,这个角称为继电器的最大灵敏角,用 表示。当保护范围内部故障时,(为被保护线路的阻抗角),因此,应该调整继电器的最大灵敏角,使 ,以便继电器工作在最灵敏的条件下。(2)(2)方向阻抗继电器方向阻抗继电器2021/9/1523 图3.7 方向阻抗继电器的动作特性(a)幅值比较式的分析;(b)相位比较式的分析2021/9/1524 当反方向发生短路时,测量阻抗Zr 位于第三象限,继电器不能动作,因此,它本身就具有方向性,故称之为方向阻抗继电器。方向阻抗继电器也可由幅值比较或相位比较的方式构成,现分别讨论如下:用幅值比较方式分析:等式两端均以电流乘之,即变为两个电压的幅值的比较:2021/9/1
14、525 用相位比较方式分析,如图3.7(b)所示,当Zr位于圆周上时,阻抗Zr与(ZrZset)之间的相位差为90度,类似于对全阻抗继电器的分析,同样可以证明,是继电器能够启动的条件。将Zr 与(ZrZset)均以电流乘之,即可得到比较相位的两个电压分别为:称为极化电压,称为补偿电压。2021/9/1526 偏移特性阻抗继电器的特性是当正方向的整定阻抗为Zset时,同时,向反方向偏移一个 ,继电器的动作特性如图3.8 所示,圆内为动作区,圆外为不动作区。圆的直径为 ,圆心的坐标为 ,圆的半径为:(3)(3)偏移特性的阻抗继电器偏移特性的阻抗继电器 2021/9/1527 图3.8 具有偏移特性
15、的阻抗继电器(a)幅值比较式的分析;(b)相位比较式的分析2021/9/1528 用幅值比较方式分析,如图3.8(a)所示,继电器能够启动的条件为:或等式两端均以电流乘之,即变为如下两个电压的幅值的比较:用相位比较方式的分析,如图3.8(b)所示,当Zr位于圆周上时,相量 之间的相位差为 ,同样可以证明,也是继电器能够启动的条件。2021/9/1529将 均以电流乘之,即可得到用以比较其相位的两个电压为 2021/9/1530 Zr:继电器的测量阻抗,由加入继电器中电压Ur 与电流Ir 的比值确定,Zset:继电器的整定阻抗,一般取继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗作为整定阻抗。对全阻抗继电
16、器而言,就是圆的半径;对方向阻抗继电器而言,就是在最大灵敏角方向上的圆的直径;而对偏移特性阻抗继电器,则是最大灵敏角方向上由原点到圆周上的长度。Zop.r:继电器的启动阻抗,它表示当继电器刚好动作时,加入继电器中电压Ur与电流Ir的比值,除全阻抗继电器以外,Zop.r是随着 的不同而改变的,2021/9/1531(4 4)功率方向继电器功率方向继电器 继电器能够动作的条件可表示为:两个电压的幅值的比较相位比较方式来分析功率方向继电器的特性:只要 之间的角度位于 之间,就是它能够动作的条件。为在最大灵敏角的方向上任取的两个相量。2021/9/1532 相位比较的两个电压为:2021/9/1533
17、 图3.9 功率方向继电器的动作特性 2021/9/1534(5 5)具有直线特性的继电器具有直线特性的继电器 图3.10 具有直线特性的继电器 2021/9/1535 幅值比较,继电器能够启动的条件为:电压幅值比较为:比较其相位的两个电压为 2021/9/1536 以上分析中均采用动作的角度范围为 ,在复数平面上获得的是圆或直线的特性。如果使动作范围小于 ,例如采用 ,则圆特性的方向阻抗继电器将变成透镜形特性的阻抗继电器,如图3.11(a)所示。而直线特性的功率方向继电器的动作范围则变为一个小于 的折线,如图3.11(b)所示。(6 6)动作角度范围变化对继电器特性的影响动作角度范围变化对继
18、电器特性的影响 2021/9/1537图3.11 时的动作特性(a)方向阻抗继电器;(b)功率方向继电器2021/9/1538 各种圆或直线特性的继电器均可用极化电压 与补偿电压 进行比相而构成。当保护范围外部故障时,则 同相位;当保护范围末端故障时,则 ,继电器应处于临界动作的条件;当保护范围内部故障时,则 相位差 。(7)(7)继电器的极化电压和补偿电压继电器的极化电压和补偿电压 2021/9/1539为了判别 相位的变化,必须有一个参考相量作为基准,这就是所采用的极化电压 ,可以认为不同特性的阻抗继电器的区别只是在于所选的极化电压 不同。当以母线电压 作为极化量时,可得到具有方向性的圆特
19、性(图3.7)阻抗继电器或直线特性的功率方向(图3.9)继电器。当保护安装处出口短路时,继电器将因失去极化电压而不能动作,从而出现电压死区;当以电流 作为极化量时,可得到动作特性为包括原点在内的各种直线,如图3.10所示,这些直线特性的继电器没有方向性,在反方向短路时均能够动作;当以 的复合电压(例如 )作为极化量时,则得到偏移特性的阻抗继电器,而偏移的程度则取决于 ,即 所占的比重。2021/9/1540 继电器的动作特性在复数阻抗平面上可以是各种形状的四边形,四边形以内为继电器的动作区,四边形以外为不动作区,如图3.12所示。图中折线A-O-C这段特性广泛采用动作范围小于180度的功率方向
20、继电器来实现,如图3.11(b)所示。直线AB是一个电抗型继电器的特性曲线,通常使其特性曲线下倾 ,以防区外故障时出现超越,引起误动,如图3.10(c)所示。直线BC属电阻型继电器特性,它与R 轴的夹角通常取为70度,可参照图3.10(b)的方法构成。将上述三个特性的继电器组成与门输出,即可获得图3.12的四边形特性。3.2.3 3.2.3 具有四边形特性的阻抗继电器具有四边形特性的阻抗继电器 2021/9/1541 图3.12 四边形阻抗继电器2021/9/1542 在上述三个电压中,当任何两个相邻电压之间的相位差均小于180 度时动作,而大于180度则不动作,即可满足以上分析的要求。202
21、1/9/1543 图3.13 对两个边折线的分析(a)折线的构成;(b)Zr 位于动作范围内;(c)Zr 位于动作范围外 2021/9/15443.3 3.3 阻抗继电器的接线方式阻抗继电器的接线方式3.3.1 3.3.1 对接线方式的基本要求对接线方式的基本要求 继电器的测量阻抗正比于短路点到保护安装地点之间的距离;继电器的测量阻抗应与故障类型无关,也就是保护范围不随故障类型而变化。2021/9/15453.3.1 3.3.1 对接线方式的基本要求对接线方式的基本要求表3.12021/9/15463.3.2 3.3.2 相间短路阻抗继电器的相间短路阻抗继电器的 接线方式接线方式 (1 1)三
22、相短路三相短路 设短路点至保护安装地点之间的距离为L km,线路每千米的正序阻抗为Z1欧姆,则保护安装地点的电压应为:2021/9/1547 图3.16 三相短路时测量阻抗的分析2021/9/1548(2)(2)两相短路两相短路继电器Zr的测量阻抗为:2021/9/1549 图3.17 A、B 两相短路时测量阻抗的分析2021/9/1550(3 3)中性点直接接地电网中的两相接地短路中性点直接接地电网中的两相接地短路图3.18 A、B 两相接地短路时测量阻抗的分析 2021/9/1551 设用Z1表示输电线每千米的自感阻抗,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:继电器r1的
23、测量阻抗为 2021/9/1552 在单相接地时,只有故障相的电压降低,电流增大,而任何相间电压都是很高的,因此,应该将故障相的电压和电流加入继电器中。将故障点的电压和电流分解为对称分量:保护安装地点母线上各对称分量的电压:3.3.3 3.3.3 接地短路阻抗继电器的接线方式接地短路阻抗继电器的接线方式 2021/9/1553保护安装地点母线上的A相电压:继电器的测量阻抗为:继电器不能准确地测量从短路点到保护安装地点之间的阻抗,因此,不能采用。2021/9/1554为了使继电器的测量阻抗在单相接地时不受零序电流的影响,根据以上分析的结果,就应该给阻抗继电器加入如下的电压和电流:一般可近似认为零
24、序阻抗角和正序阻抗角相等,因而k是一个实数。继电器的测量阻抗即是:2021/9/1555 (1 1)距离保护第距离保护第段的整定段的整定 一般按躲开下一条线路出口处短路的原则来确定,按式(3.1)和式(3.2)计算,在一般线路上,可靠系数取0.8。(2 2)距离保护第距离保护第段的整定段的整定 如图3.19所示,应按以下两点原则来确定:与相邻线距离保护第段相配合,参照式(3.3)的原则,并考虑分支系数的影响,可采用下式进行计算:式中,可靠系数Krel一般采用0.8;Kb 应采用当保护1第I段末端短路时,可能出现的最小数值。3.4 3.4 距离保护的整定计算距离保护的整定计算3.4.1 3.4.
25、1 距离保护的整定计算原则距离保护的整定计算原则2021/9/1556例如,在图3.19 所示具有助增电流的影响时,在K 点短路时变电所A 距离保护2 的测量阻抗为:由于分支系数的存在,与无分支的情况相比,将使保护2处的测量阻抗变化。2021/9/1557 躲开线路末端变电所变压器低压侧出口处(图3.19中K1点)短路时的阻抗值,设变压器的阻抗为ZT,则启动阻抗应整定为:式中,与变压器配合时的可靠系数,考虑到ZT的误差较大,一般采用Krel=0.7;分支系数则应采用当K点短路时可能出现的最小数值。计算后,应取以上两式中数值较小的一个。此时,距离段的动作时限应与相邻线路的段相配合,一般取为0.5
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