電力系統繼電保護廣東工業大學華立學院機電工程學部第九講多媒體電子教案阻抗繼電器二零一一年二-七月主講：周展懷授課日期：2012.05.15/16第13周周二/三5-6/3-4節§6.1§6.2距離保護的原理及組成元件阻抗繼電器第6章電網的距離保護6.1距離保護的原理及組成元件6.1.1距離保護的基本概念電流保護對于容量大、電壓高和結構復雜的網絡，難于滿足電網對保護的要求。一般只適用于35kv及以下電壓等級的配電網。對于110kv及以上電壓等級的復雜電網，必須采用性能更加完善的保護裝置，距離保護就是適應這種要求的一種保護原理。距離保護：反應保護安裝地點至故障點之間阻抗的大小（即距離距離的遠近），以判斷故障是否發生在被保護區內為原則的一種保護裝置。主要元件為距離繼電器，可根據其端子上所加的電壓和電流測知保護安裝處至故障點間的阻抗值。距離保護保護范圍通常用整定阻抗的大小來實現。正常運行時保護安裝處測量到的阻抗為負荷阻抗，即——被保護線路母線的相電壓，測量電壓；——被保護線路的電流，測量電流；——測量電壓與測量電流之比，測量阻抗。在被保護線路任一點發生故障時，保護安裝處的測量電壓為，測量電流為故障電流，這時的測量阻抗為保護安裝處到短路點的短路阻抗，P116~1176.1距離保護的原理及組成元件6.1.1距離保護的基本概念主要元件為距離繼電器，可根據其端子上所加的電壓和電流測知保護安裝處至故障點間的阻抗值。距離保護保護范圍通常用整定阻抗的大小來實現。正常運行時保護安裝處測量到的阻抗為負荷阻抗，即——被保護線路母線的相電壓，測量電壓；——被保護線路的電流，測量電流；——測量電壓與測量電流之比，測量阻抗。在被保護線路任一點發生故障時，保護安裝處的測量電壓為，測量電流為故障電流，這時的測量阻抗為保護安裝處到短路點的短路阻抗，當短路點在保護范圍內，，即<時,繼電器動作。當保護范圍內發生短路故障時，母線電壓降低，母線殘壓遠小于額定電壓，同時線路電流大大增加，短路電流遠大于負荷電流。故短路阻抗遠小于繼電器動作阻抗，阻抗繼電器動作。P116~117當短路點在保護范圍以外時，，即>時,繼電器不動作。6.1.2距離保護的時限特性6.1距離保護的原理及組成元件距離保護的動作時間t與保護安裝處到故障點之間的距離l

的關系稱為距離保護的時限特性。距離保護的第Ⅰ段是瞬時動作的，是保護本身的固有動作時間。以保護1為例，其起動阻抗必須躲開這一點短路時所測量到的阻抗，即:。考慮到阻抗繼電器和電流、電壓互感器的誤差，需引入可靠系數

Krel，取(0.8~0.85)：目前獲得廣泛應用的是階梯型時限特性，稱為距離保護的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。ABCP116~1176.1.2距離保護的時限特性6.1距離保護的原理及組成元件距離保護的第Ⅰ段是瞬時動作的，是保護本身的固有動作時間。以保護1為例，其起動阻抗必須躲開這一點短路時所測量到的阻抗，即。考慮到阻抗繼電器和電流、電壓互感器的誤差，需引入可靠系數Krel，取(0.8~0.85)：為了切除本線路末端15%~20%范圍以內的故障，需要設置距離保護第Ⅱ段。距離Ⅱ段整定值的選擇不超過下一條線路距離Ⅰ段的保護范圍，同時高出一個的時限，以保證選擇性。引入可靠系數，則保護1的II段起動阻抗為：距離Ⅰ段和Ⅱ段的聯合工作構成本線路的主保護。距離Ⅲ段作后備保護。P116~117ABC6.1.3距離保護的主要組成元件6.1距離保護的原理及組成元件跳閘7645ZⅠZⅡZⅢtⅡtⅢ起動元件方向元件出口元件12381.起動元件:2.方向元件:3.距離元件：4.時間元件：其主要作用是在發生故障的瞬間起動整套保護。采用的是過電流繼電器或者阻抗繼電器。——作用是測量短路點到保護安裝處的距離（即測量阻抗），采用阻抗繼電器。——作用是保證保護動作的方向性。采用單獨的方向繼電器，或方向元件和阻抗元件相結合。作用是根據預定的時限特性確定動作的時限，以保證保護動作的選擇性，一般采用時間繼電器。方向元件5.出口執行元件：P116~1176.2阻抗繼電器6.2.1阻抗繼電器的動作特性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處之間的距離，并與整定阻抗值進行比較，以確定保護是否應該動作。阻抗繼電器按其構成方式可分為單相式和多相補償式。單相式阻抗繼電器是指加入繼電器的只有一個電壓(可以是相電壓或線電壓)和一個電流（可以是相電流或兩相電流之差）的阻抗繼電器。和的比值稱為繼電器的測量阻抗。由于=，所以可以利用復數平面來分析這種繼電器的動作特性，并用一定的幾何圖形把它表示出來。85%K當正方向K處短路：I段保護起動阻抗：I段保護整定阻抗：全阻抗繼電器方向阻抗繼電器偏移特性阻抗繼電器P117~1286.2阻抗繼電器6.2.1阻抗繼電器的動作特性單相式阻抗繼電器是指加入繼電器的只有一個電壓(可以是相電壓或線電壓)和一個電流（可以是相電流或兩相電流之差）的阻抗繼電器。和的比值稱為繼電器的測量阻抗。由于=，所以可以利用復數平面來分析這種繼電器的動作特性，并用一定的幾何圖形把它表示出來。85%K當正方向K處短路：I段保護起動阻抗：I段保護整定阻抗：正方向短路時：測量阻抗在第一象限，正向測量阻抗Zm與R軸的夾角為線路的阻抗角L；L反方向短路時：測量阻抗將在第三象限。如果測量阻抗落在相量以內，則阻抗繼電器動作；反之，不動作。

——為一個圓，圓內為動作區，圓外為非動作區。全阻抗特性圓方向阻抗特性圓偏移特性阻抗圓P1186.2阻抗繼電器6.2.2阻抗繼電器的構成方法1、全阻抗繼電器比幅式全阻抗繼電器的動作條件為：（1）比幅式全阻抗繼電器或圓內動作區圓外非動作區起動阻抗：兩個電壓幅值比較比幅式全阻抗繼電器交流回路的原理接線TV二次值可利用電抗變壓器獲得調節T的二次電壓，比幅式全阻抗繼電器均壓式幅值比較回路執行元件可改變阻抗繼電器的整定值。P124圖6-9(a)P125圖6-11P119全阻抗繼電器方向阻抗繼電器偏移特性阻抗繼電器P1191、全阻抗繼電器圓內動作區圓外非動作區起動阻抗：（2）比相式全阻抗繼電器比幅式全阻抗繼電器的起動條件為：即比較阻抗相量(Zm+Zset)和(Zm-Zset)的相位關系：對應于Zm超前Zset，此時θ為負值上式亦可寫成：P119P124圖6-9(b)比相式交流回路三極管相位比較回路或3VONON00OFF充電P126圖6-12P126圖6-13P1206.2.2阻抗繼電器的構成方法2、方向阻抗繼電器P120（1）比幅式方向阻抗繼電器當正方向短路時，測量阻抗Zm在第I象限，如故障在保護范圍內，Zm落在園內，繼電器動作。反向短路，測量阻抗在第三象限，繼電器不動作。保護動作具有方向性。其阻抗動作方程為：圓內動作區圓外非動作區P125圖6-10(a)比幅式交流回路均壓式幅值比較回路執行元件P125圖6-1108(3,4)2、方向阻抗繼電器（2）比相式方向阻抗繼電器比相式方向阻抗繼電器動作方程為P120圓內動作區圓外非動作區P125圖6-10(b)比相式交流回路三極管相位比較回路ONON00OFF充電P126圖6-126.2阻抗繼電器6.2.2阻抗繼電器的構成方法3、偏移特性阻抗繼電器（1）比幅式偏移特性阻抗繼電器整定阻抗偏移阻抗圓內動作區圓外非動作區動作特性，圓的直徑為與之差。動作條件：得比幅表達式：6.2阻抗繼電器6.2.2阻抗繼電器的構成方法3、偏移特性阻抗繼電器（2）比相式偏移特性阻抗繼電器整定阻抗偏移阻抗圓內動作區圓外非動作區動作條件：得比相表達式：4、具有直線特性阻抗繼電器（1）比幅式直線特性阻抗繼電器阻抗圓的半徑為無窮大時，圓特性變為直線特性，整定阻抗動作區非動作區測量阻抗等腰三角形起動條件為4、具有直線特性阻抗繼電器（1）比幅式直線特性阻抗繼電器整定阻抗動作區非動作區測量阻抗阻抗圓的半徑為無窮大時，圓特性變為直線特性，起動條件為兩邊同乘以測量電流得等腰三角形（2）比相式直線特性阻抗繼電器整定阻抗動作區非動作區測量阻抗起動條件為得比相表達式：6.2阻抗繼電器6.2.2阻抗繼電器的構成方法5、偏移特性阻抗繼電器3、偏移特性阻抗繼電器4、具有直線特性阻抗繼電器2、方向抗繼電器1、全阻抗繼電器整定阻抗動作區非動作區測量阻抗整定阻抗動作區非動作區6.2阻抗繼電器6.2.2阻抗繼電器的構成方法6.2.3阻抗繼電器交流回路的原理接線6.2.4阻抗繼電器幅值比較回路1、均壓式2、環流式1、全阻抗繼電器的比較電壓回路2、方向阻抗繼電器的比較電壓回路比幅式比相式比幅式6.2.5阻抗繼電器相位比較回路1、三極管相位比較回路2、異或門比相回路比相式三極管相位比較回路6.2.5阻抗繼電器相位比較回路1、三極管相位比較回路2、異或門比相回路6.3方向阻抗繼電器的特殊問題6.3.1方向阻抗繼電器的死區及其消除措施對于相位比較的方向阻抗繼電器，其動作條件為，亦無法進行比相，因而繼電器也不動作。

上式變為，此時被比較的兩個電壓變為相等，理論上處于動作邊界，實際上，由于繼電器的執行元件動作需要消耗一定的功率，因此，在這樣情況下繼電器不動作。當保護出口處短路時：故障線路母線上的殘余電壓將降低到零，即對幅值比較的方向阻抗繼電器，其動作條件為

這種不動作的范圍，稱為保護裝置的“死區”。可利用記憶回路和引入第三相電壓減小和消除死區。1、方向阻抗繼電器的死區a

（1）記憶回路對瞬時動作的距離I段方向阻抗繼電器，在電壓的回路中廣泛采用“記憶回路”的接線，即將電壓回路看作是一個對50HZ工頻交流的串聯諧振回路，其原理接線圖如圖6-16a所示，圖中，C、L、R是在原幅值比較的測量電壓回路中接入一個串聯諧振回路。取，則諧振回路中的電流與外加測量電壓同相位，所以在電阻R上的壓降也與外加電壓同相位，記憶電壓通過記憶變壓器T與同相位。2、消除方向阻抗繼電器的死區的措施引入記憶電壓以后，幅值比較的動邊條件為：圖6-16b在出口短路時，=0，由于諧振回路的儲能作用，記憶電壓在衰減到零之前存在，且與故障前同相位。由于繼電器記錄了故障前的電壓，故方向阻抗繼電器消除了死區。記憶回路記憶變壓器中間變壓器電抗變壓器TVTA引入記憶電壓以后，幅值比較的動邊條件為：(3-41)

在出口短路時，=0，由于諧振回路的儲能作用，記憶電壓在衰減到零之前存在，且與故障前同相位。由于繼電器記錄了故障前的電壓，故方向阻抗繼電器消除了死區。2．引入第三相電壓記憶回路只能保證方向阻抗繼電器在暫態過程中正確動作，但它的作用時間有限。為了克服這一缺點，再引入非故障相電壓。圖3-19（a）所示為在方向阻抗繼電器中引入第三相電壓，并將第三相電壓和記憶回路并用的方案。由圖3-19（a）可見，第三相電壓為C相，它通過高阻值的電阻R接到記憶回路中和的連接點上。正常時，由于電壓較高且、處于工頻諧振狀態，而R值又很大，使作用在上的電流主要來自且是電阻性的，第三相電壓基本上不起作用。當系統中AB相發生突然短路時，突然為零,此時記憶回路發揮了作用，使繼電器得到一個和故障前相位相同的極化電壓，但它將逐漸衰減到零，這時第三相電壓的作用表現出來，圖3-19（b）為圖3-19(a)在保護出口AB兩相短路時,記憶電壓消失后的等值電路。電阻R中的電流與同相位,因為電阻R的數值遠大于的值,而在、支路中的分流為在電阻上的壓降

從向量圖3-19（c）中可以看出，超前近，電阻上電壓降超前，即極化電壓與故障前電壓同相位。因此，當出口兩相短路時，第三相電壓可以在繼電器中產生和故障前電壓（即）同相的而且不衰減的極化電壓，以保證方向阻抗繼電器正確動作，即能消除死區。3．記憶電壓對方向阻抗繼電器特性的影響方向阻抗繼電器的穩態特性：

(2)方向阻抗繼電器的初態特性相位比較的方向阻抗繼電器在引入記憶電壓以后，其動作與邊界條件已變為：

①保護正方向短路此處為和短路點過渡阻抗之和，從而有繼電器動作條件為