繼電保護第5章線路的距離保護

1、第五章 電網(wǎng)的距離保護第一節(jié) 距離保護的工作原理 電流、電壓保護具有簡單、經(jīng)濟、可靠性高的突出優(yōu)點，但是，它們存在保護范圍、靈敏性受系統(tǒng)運行方式變化影響較大的缺點，尤其是在長距離重負荷的輸電線路上以及長線路保護與短線路保護的配合中，往往不能滿足靈敏性的要求；此外，在多電源環(huán)形網(wǎng)系統(tǒng)中，選擇性也不能滿足要求。因此，電壓等級在110kv以上、運行方式變化較大的多電源復雜電網(wǎng)，構成保護時通常要求采用性能更加完善的距離保護裝置。一、距離保護的基本概念 由于電流、電壓保護所反應的電氣量隨系統(tǒng)運行方式、系統(tǒng)結構、短路形式的改變而變化，使得它們的保護功能難以滿足系統(tǒng)發(fā)展的要求。 如圖5-1所示，距離保護是反

2、應被保護線路阻抗大小進行工作的，該阻抗是由被保護線路始端測量電壓與測量電流的比值來反應，稱為測量阻抗Zm 。在系統(tǒng)正常運行時的測量阻抗Zm是負荷阻抗ZL，它是額定電壓和線路負荷電流之比，值較大。當線路發(fā)生短路時測量阻抗Zm反應短路點到保護安裝處的線路阻抗Zk，它與距離成正比，值較小，而且短路點愈靠近保護安裝處，母線殘壓愈低，短路電流愈大，其比值Zm愈小，保護愈先動作。測量阻抗Zm的大小，反應了短路點的遠近，當Zm小于保護范圍末端的整定阻抗Zset而進入動作區(qū)時，保護動作。因此，距離保護是以測量阻抗的大小來反應短路點到保護安裝處的距離，并根據(jù)距離的遠近確定動作時限的一種保護。使距離保護剛好動作的

3、最大測量阻抗稱為動作阻抗或起動阻抗，用ZOP表示。由于距離保護反應的參數(shù)是阻抗，故又被稱為阻抗保護。因線路阻抗只與系統(tǒng)在不同運行方式下短路時電壓、電流的比值有關，而與短路電流的大小無關，所以距離保護基本不受系統(tǒng)運行方式變化的影響。 二、距離保護的時限特性 距離保護動作時間t與保護安裝處至短路點之間距離l的關系 ，稱為距離保護的時限特性。為了滿足速動性、選擇性、靈敏性的要求，目前距離保護廣泛采用具有三段動作范圍的階梯時限特性，如圖5-1所示，t>t>t，分別稱為距離、 段。它與三段式電流保護的時限特性相類似。 以圖5-1中保護1為例， 距離保護1理想的保護范圍是線路AB全長，為此，其

4、第段的動作阻抗應整定為。當下一線路BC出口k點短路時，保護1測量阻抗Zm 大于動作阻抗，處于距離段保護范圍以外，保護1不動作。然而，實際中存在動作阻抗的計算誤差、電壓和電流互感器的誤差以及短路時暫態(tài)過程的影響，使保護1因測量阻抗Zm小于動作阻抗， 而越級誤動作，失去選擇性。為使保護1在下一線路出口短路時具有選擇性，只有降低動作阻抗，縮小保護范圍，滿足 ，計及上述各種誤差，動作阻抗應按整定 。這樣，距離保護1的第段只能保護AB線路全長的8085，在此范圍內，保護1距離段具有選擇性，應該瞬時動作， 是保護裝置的固有動作時限，如圖5-1所示。 為了切除本線路末端1520范圍內的故障，相似于三段式電流

5、保護的考慮，保護1還應裝設距離段。為了保證選擇性，保護1距離段保護范圍必然伸入下一級線路，并與下一級線路保護2的保護范圍部分重疊，為使保護1動作具有選擇性，并力求動作時限最短，為此，保護1距離第段不應超過保護2距離段的保護范圍，即動作阻抗按整定；動作時限還應與保護2距離段動作時限配合且大一個時限級差t ，即保護1距離段動作時限按整定 ，如圖5-1所示 。如此，可使保護1距離、段在時間內切除被保護線路任一點的故障，滿足速動性要求。 距離段和段互相配合，構成本線路的主保護。 為了作相鄰下一線路保護和本線路主保護的后備保護，還應設置距離第 段保護。距離第 段保護的保護范圍較大，其動作阻抗應按躲過正常

6、負荷阻抗等條件整定；動作時限按階梯時限原則整定，即動作時限應比本線路及相鄰線路中保護的最大動作時限大一個時限級差t，如圖5-1所示 。 三、距離保護的原理框圖 圖5-2所示為三段式距離保護原理框圖，它由三部分組成。各部分的組成與作用如下： 起動部分 起動部分的主要元件可以是電流繼電器、阻抗繼電器、負序電流電流繼電器或負序、零序電流增量電流繼電器。以往的距離保護，起動元件采用電流繼電器或阻抗繼電器。目前，為了提高起動元件的靈敏性及保護可能誤動時兼起閉鎖作用，大多采用反應負序電流或負序電流與零序電流的復合電流或其增量的電流繼電器KAN作為起動元件。正常運行時，起動部分的起動元件KAN不起動，三段式

7、距離保護不投入工作。線路短路時，起動元件KAN解除整套保護的閉鎖，使其投入工作。起動部分的作用是判別線路是否發(fā)生短路、保護是否應該投入工作。 測量部分 測量部分的核心是具有方向性的阻抗繼電器或無方向性的阻抗繼電器與功率方向元件的組合。其作用是利用阻抗繼電器KI測量短路點到保護安裝處的距離。 邏輯部分 邏輯部分主要由門電路和時間電路組成。它的作用是根據(jù)阻抗繼電器測量及起動元件輸出結果，決定是否應該跳閘、以什么時間跳閘。 測量部分是距離保護的核心。 三段式距離保護工作情況分析：（1）正常運行情況下，線路沒有負序電流I2，起動元件KAN無輸出，閉鎖整套保護。（2）發(fā)生短路時，出現(xiàn)負序電流I2，KAN

8、起動整套保護。如果短路點在段保護范圍內（也屬于、段的范圍），0.1s內，時間電路KT1 無信號輸出，禁止門A1開放，允許距離段跳閘，與此同時，、段公用阻抗繼電器1、2KI未經(jīng)切換繼電器KCH段別切換而處于段位置，1、2KI與段阻抗繼電器3KI同時起動，與門A2、A3 有輸出，由于時間電路KT2 、KT3 的時限 t、t 長，則1、2KI的輸出經(jīng)與門A2、禁止門A1、信號繼電器1KS、或門O瞬時跳閘。如短路點在段保護范圍內時，阻抗繼電器3KI起動，0.1s后，時間電路KT1一方面起動切換繼電器KCH，切換阻抗繼電器1、2KI至段，另一方面經(jīng)禁止門A1閉鎖距離段的瞬時跳閘回路，因t< t，阻

9、抗繼電器1、2KI的輸出經(jīng)與門A2、時間電路KT2 、信號繼電器2KS、或門O ，以t 時限跳閘。當短路點在段保護范圍內時，時間阻抗繼電器3KI起動，t時限到達后，經(jīng)與門A3、時間電路KT3、信號繼電器3KS、或門O跳閘。第二節(jié) 阻抗繼電器 按測量阻抗原理工作的繼電器叫做阻抗繼電器，它是距離保護中的核心元件。阻抗繼電器的主要作用是測量短路點到保護安裝處的線路阻抗，并與整定阻抗進行比較，以確定保護是否應該動作。一、阻抗繼電器的構成方式 構成阻抗繼電器的方式按輸入電氣量的多少可分為單相式和多相式兩種。輸入電氣量只是一個電壓（相電壓或線電壓）和一個電流（相電流或兩相電流之差）的阻抗繼電器，稱為單相式

10、或第類阻抗繼電器，輸入幾個電壓、電流或其組合構成的，稱為多相式（多相補償式）或第類阻抗繼電器。目前常用的阻抗繼電器多為單相式阻抗繼電器。 單相式阻抗繼電器輸入的電壓、電流取自被保護線路始端母線電壓互感器TV和線路電流互感器TA的二次側，其比值就是測量阻抗Zm，即 （5-1）式中 保護安裝處一次側母線電壓； 被保護線路一次側電流； nTV 電壓互感器變比； nTA 電流互感器變比； Zk 一次側測量阻抗。 線路的測量阻抗可以用復數(shù)的形式表示為Zm = Rm + jXm，因此，可以利用復數(shù)平面分析繼電器測阻抗Zm的動作特性。二、阻抗繼電器的動作特性分析圖5-3（a）所示網(wǎng)絡中，線路AB、BC的阻抗

11、角D相等?，F(xiàn)以BC線路上保護2為例來說明其動作特性。假定電流的正方向規(guī)定為由母線指向線路，當正方向發(fā)生短路時，距離保護2的測量阻抗Zm=Rm+ jXm隨著短路點的不同，它在第一象限的直線BC上變化；反方向短路時，Zm在第三象限。正向測量阻抗與R軸的夾角即是線路阻抗角k。保護2距離段的整定阻抗，整定阻抗角set =k，則阻抗繼電器的動作特性就是一條位于BC上的直線，其保護范圍就是幅值和相位確定的動作特性直線，如圖5-3（b）所示。短路時，測量阻抗Zm落在上，則阻抗繼電器動作；反之，阻抗繼電器不動作。然而，在BC線路的保護范圍內發(fā)生短路時，假如短路點伴隨有過渡電阻Rtr，將使繼電器的測量阻抗Zm落

12、在其動作特性直線范圍以外，導致阻抗繼電器不能動作，如圖5-3（b）所示。此外，由于電流、電壓互感器及繼電器存在角度誤差，也會使阻抗繼電器因測量阻抗Zm超出其動作特性直線而拒動。為了保證阻抗繼電器在其保護范圍內發(fā)生實際可能的短路時都能正確動作，應擴大動作范圍，將動作特性由一條直線擴大為包含該直線的一個面積，如圓形、橢圓形、四邊形等。常見的動作特性為圓形，其中以整定阻抗幅值為直徑，圓周過阻抗復平面坐標原點的圓，稱方向阻抗特性圓，如圖5-3（b）曲線1所示；以整定阻抗幅值為半徑，圓心位于坐標原點的圓，稱全阻抗特性圓，如圖5-3（b）曲線3所示；圓心偏離原點，且圓心處于整定阻抗反向延長線的圓，稱偏離特

13、性阻抗圓，如圖5-3（b）曲線2所示；圖5-3（b）曲線4所示為直線特性。此外，較復雜的四邊形、橢圓形等特性也在集成電路和微型機繼電保護中得到應用。 利用復數(shù)平面分析單相式和直線特性阻抗繼電器的動作特性，可以容易地確定動作方程、擬定原理接線方案或構成邏輯關系。阻抗繼電器的動作特性分析中，常常采用幅值比較式和相位比較式兩種原理。（一） 偏移特性的阻抗繼電器1. 幅值比較式 如圖（5-4）所示，幅值比較式偏移特性阻抗繼電器的動作特性，是以整定阻抗Zset與反向偏移-Zset（1）的幅值之和Zset +Zset為直徑的圓，圓心坐標為，半徑為。保護安處在原點，圓內是動作區(qū)，圓外為非動作區(qū)。為偏移特性阻

14、抗繼電器的偏移度。當測量阻抗Zm落在圓周上時，繼電器處于動作區(qū)邊界恰好動作，只要Zm落在圓內，繼電器動作；反之，繼電器不動作，動作既有方向性，又沒有完全的方向性，例如在反向出口短路，也能動作，故稱其為具有偏移特性的阻抗繼電器。使用時，通常取偏移度= 0.10.2，以消除方向阻抗繼電器的死區(qū)。偏移特性阻抗繼電器的偏移度0<<1。 按幅值比較原理分析圖5-4（a）所示的動作特性，其動作區(qū)的動作方程為 （5-2） 將圓心坐標，半徑代入式（5-2），可得 （5-3）繼電器整定阻抗的實現(xiàn)，是通過其內部整定變壓器（電壓變換器）TV變比和電抗變換器TL的轉移阻抗的調整與組合來完成，故繼電器整定阻

15、抗可以表達為，考慮，用乘式（5-3）兩端，可得以電壓表示的動作方程 （5-4）2. 相位比較式 按相位比較原理分析具有偏移特性阻抗繼電器的動作方程，根據(jù)圖5-4（b）所示可得 （5-5） 可知，動作特性是以向量的末端為直徑的圓，圓內為動作區(qū)?？紤]，分子、分母同乘，可得電壓表示的動作方程 （5-6）如圖5-5中，將取自互感器二次側的電壓 和電流接入阻抗繼電器的整定變壓器TV 和電抗變換器TL，在其二次側分別得到電壓，再根據(jù)比幅式動作方程構成測量部分實現(xiàn)電路，如圖5-5(a)所示；根據(jù)比相式動作方程構成測量部分實現(xiàn)電路，如圖5-5(b)所示 。（二） 全阻抗繼電器偏移特性阻抗繼電器的偏移度= 1，

16、就是全阻抗特性繼電器。1. 幅值比較式使式（5-3）中偏移度= 100=1，其幅值比較式動作方程為 （5-7）圓半徑為，圓心為原點，圓內為動作區(qū)。動作特性如圖5-6（a）所示，為全阻抗特性圓，保護安裝處位于原點。只要測量阻抗Zm落在圓內，繼電器就能動作，與Zm的方向即相位角無關，因此稱之為全阻抗特性圓阻抗繼電器。 由于繼電器輸入的電氣量是電壓、電流，考慮到，在式（5-7）兩端同乘以可得幅值比較式全阻抗繼電器測量部分實現(xiàn)電路的動作方程 （5-8）在圖5-5（a）中，取= 1，可得比幅式全阻抗繼電器測量部分的實現(xiàn)電路。2. 相位比較式用相位比較原理分析全阻抗繼電器的動作特性。由式（5-5），考慮偏

17、移度= 1，則動作方程為 （5-9）動作特性是以向量的端點為直徑的圓，圓內為動作區(qū)，如圖5-6（b）所示。用比相電壓表示的動作方程為 （5-10）在圖5-5（b）中，取= 1，可得比相式全阻抗繼電器測量部分的實現(xiàn)電路。 （三）、方向阻抗繼電器偏移特性阻抗繼電器的偏移度= 0，即為方向阻抗特性繼電器。1. 幅值比較式在式（5-3）中，偏移度= 0，可得方向阻抗特性繼電器幅值比較式動作方程為 （5-11） 圓半徑為，圓心為向量的端點。動作特性如圖5-7（a）所示。保護安裝處位于坐標原點，圓內為動作區(qū)，圓外為非動作區(qū)，圓周是動作邊界。當測量阻抗Zm落在圓周和圓內，繼電器動作；否則，不動作。如保護背后

18、發(fā)生短路時，Zm在第三象限，處于動作特性圓外，繼電器不動作，其動作特性具有方向性，故稱之為方向圓特性阻抗繼電器。 如圖5-7所示， 當測量阻抗Zm落在圓周上時，Zm即為繼電器的動作阻抗ZOP，ZOP隨加入繼電器的電壓和電流間相角差m的改變而變化。當m等于整定阻抗的阻抗角k時，動作阻抗ZOP達到最大，與Zset相等，此時，阻抗繼電器的保護范圍最大，工作最靈敏。因此，這個角度稱為繼電器的最靈敏角，以sen表示。為使繼電器工作在最靈敏角的條件下，應調整繼電器的最靈敏角sen接近或等于線路阻抗角k?？紤]式（5-4）中，偏移度= 0，可得以電壓表示的方向阻抗繼電器動作方程 （5-12）在圖5-5（a）中

19、，取= 0，可得比幅式方向阻抗繼電器測量部分的實現(xiàn)電路。方向阻抗繼電器動作特性，也可用相位比較原理進行分析。2. 相位比較式由式（5-5），偏移度= 0，可得比相式方向阻抗繼電器的動作方程 （5-13）可知，動作特性也是以Zset為直徑的圓，圓內為動作區(qū)，如圖5-7（b）所示。由式（5-6），偏移度= 0，得出電壓表示的比相式動作方程 （5-14）在圖5-5（b）中，取= 0，可得比相式方向阻抗繼電器測量部分的實現(xiàn)電路。 （四）拋球特性阻抗繼電器 圖5-8所示為阻抗繼電器拋球動作特性。保護安裝處在原點，圓內為動作區(qū)，且ZA、ZB已知。對圖5-8（b）分析可知，拋球動作特性相位比較式動作方程為

20、（5-15）動作特性為以向量ZA、ZB的端點為直徑的圓，圓內為動作區(qū)。圖5-8（a）所示拋球動作特性的幅值比較式動作方程為 （5-16） （五）直線特性阻抗繼電器如圖5-9所示為幾種直線特性阻抗繼電器，其陰影部分為動作區(qū)，它們的動作特性既可用幅值比較，也可用相位比較原理來分析。下面采用幅值比較原理分析直線特性阻抗繼電器、電抗特性阻抗繼電器、功率方向繼電器的動作特性。相位比較原理的特性分析可參考前述方法進行。按幅值比較原理分析直線特性阻抗繼電器的動作特性，由圖5-9（a）分析，可得出動作方程 （5-17）動作區(qū)為2Zset的中垂線，方向指向原點。 根據(jù)圖5-9（b）分析，可知比幅式電抗特性阻抗繼

21、電器動作方程為 (5-18)動作區(qū)為2Xset的中垂線，方向指向原點。根據(jù)圖5-9（c）分析，可知比幅式功率方向繼電器的動作方程為 (5-19)動作區(qū)為向量-Zset、Zset末端連線的中垂線，方向指向Zset。 （六）方向阻抗繼電器動作特性的擴展橄欖形和蘋果形動作特性 前述相位比較式方向阻抗繼電器的動作方程表達式為 （5-20）其動作特性如前圖5-7（b）所示，按相位比較原理而言，繼電器處于動作邊界時，Zm Zm超前Zm的相角為 90°，等于其相鄰角，即直徑Zset所對的圓周角。若圓周角所對的是小于直徑的一條弦，此時圓周角將大于或小于90°，對應的相鄰角 也將小于或大于9

22、0°。當 90°時，動作特性改變?yōu)?(5-21)在阻抗復平面上的特性曲線如圖5-10（a）所示，由帶斜線的兩圓弧組成，特性曲線所包圍面積是兩個相交圓的相交部分，形似橄欖，因而稱橄欖形動作特性，所構成的繼電器也被稱為橄欖形特性阻抗繼電器。當時，其動作特性將為如圖5-10（b）所示帶斜線的兩圓弧組成，形如蘋果，因而稱蘋果形特性阻抗繼電器，其動作方程表達式為 (5-22)三、方向阻抗繼電器的死區(qū)及其消除方法 產(chǎn)生死區(qū)的原因前面分析了單相式阻抗繼電器圓特性和直線特性的動作方程，而按上述原理構成的方向阻抗繼電器在實際工作中，當保護正方向出口發(fā)生三相短路時，故障點相間殘壓接近于零，加入

23、繼電器的電壓或小于繼電器動作所需最小電壓時，方向阻抗繼電器將不能動作。因此，把短路時方向阻抗繼電器不能動作的一定區(qū)域稱為方向阻抗繼電器的死區(qū)。 對于按幅值比較原理構成的方向阻抗繼電器，其動作方程為 ，當時，變?yōu)?，理論上處于動作邊界，實際上，由于繼電器的執(zhí)行元件動作需要消耗一定的功率，因此，繼電器不能動作。對于按比相原理構成的方向阻抗繼電器，動作方程為式（5-14），當時，由于進行比相的兩個電壓中有一個為零，因而無法比相，繼電器不動作。 消除死區(qū)的方法 為了減小和消除繼電器的死區(qū)，通常在方向阻抗繼電器的兩個電壓比較量中引入相等極化電壓。為了不影響繼電器的動作特性, 應與同相位；保護安裝處出口短路

24、時，極化電壓應不為零或能保持一段時間。 通常引入極化電壓的方法如下： （1）記憶回路，如圖5-11（a）所示。記憶回路由R、L、C組成50HZ 工頻串聯(lián)諧振回路，諧振回路在正常情況下呈電阻性，回路中與及在電阻上的壓降同相，因此以代替或作為極化電壓接入繼電器，繼電器的特性不會改變。當相間短路時，電壓突然由正常值降為零，諧振狀態(tài)的回路電流不能突然消失，要按回路的自由振蕩頻率經(jīng)過幾個周波后逐漸衰減到零?；芈分须娮枭系膲航狄惨缘淖兓?guī)律衰減到零，如圖5-11（b）所示。在此過程中保持短路前的相位，因而具有“記憶作用”，該回路稱為“記憶回路”。在失去記憶作用以前，繼電器可以進行相位或幅值比較，從而消除出

25、口短路的死區(qū)以及保證反方向出口短路時不失去方向性?！坝洃浕芈贰狈€(wěn)態(tài)諧振頻率與暫態(tài)諧振頻率不同，為使阻抗繼電器的動作特性受頻率變化的影響較小，一般快速動作的方向阻抗繼電器按的條件選擇“記憶回路”元件參數(shù)，而對動作較慢的保護，則按的條件選擇。 （2）引入非故障相電壓。在保護安裝處正方向出口發(fā)生各種相間短路時，故障相間電壓降低為零，隨之，而非故障相相間電壓仍然很高。將非故障相電壓引入作為極化電壓接入繼電器，即可消除記憶作用消失后，保護安裝處正方向出口兩相短路的死區(qū)；此外，還可防止反方向出口兩相短路時的誤動作。第三節(jié) 整流型方向阻抗繼電器的接線和特性分析 一、原理接線圖5-12所示為常用的幅值比較式整

26、流形方向阻抗繼電器原理接線圖。它由電抗變換器 TL、電壓變換器TV、極化變壓器TP和幅值比較回路組成。圖示繼電器是距離保護、段的測量元件，它反應線路中A、B相間短路，接入繼電器的電流為，電壓為。 正常運行時，切換繼電器KCH帶電，其處于閉合狀態(tài)的常開觸點接通第段整定阻抗；短路后，KCH失磁，經(jīng)過第段允許跳閘時間的延時，由KCH觸點切換到第段整定阻抗。一般第段允許跳閘時間為0.1s 。、經(jīng)過電抗變換器 TL和電壓變換器TV，得到電壓 、，為實數(shù)。從R、C、L組成的串聯(lián)諧振記憶回路中取接入極化變壓器TP，其副邊N2、N3 輸出與同相位的兩個等幅極化電壓（也稱插入電壓），插入幅值比較回路。 以極化電

27、壓作為參考電壓，由圖5-12所示極性，可寫出幅值比較回路的兩個電壓 （5-23）為動作量，為制動量，當時繼電器動作。 二、動作特性分析 （一）幅值比較式 在方向阻抗繼電器動作方程式（5-12）兩端同乘以2，動作方程關系不變，即 （5-24）若為動作量，為制動量，則有 （5-25）動作。將式（5-23）等值變形為 （5-26）比較式（5-25）和式（5-26）可知，式（5-26）多一項。如果按式（5-26）構成的幅值比較式阻抗繼電器和按式（5-25）構成的方向阻抗繼電器，具有相同的動作特性，則該繼電器就是方向阻抗繼電器。分析圖5-13（a）可知，穩(wěn)態(tài)時，和同相位，當位于動作特性圓的邊界上時，。

28、可以證明，、分別插入后得到的四邊形MNP0為等腰梯形，它的兩個對角線相等，即，因此，極化電壓的引入并不改變方向阻抗繼電器的穩(wěn)態(tài)特性，按式（5-26）構成的阻抗繼電器是方向阻抗繼電器。 三、引入電壓的作用 （一）極化電壓的作用 從前面分析已知，在穩(wěn)態(tài)時不影響方向阻抗繼電器的特性；正方向出口三相短路時，若，起“記憶作用”。由圖5-14可知，在記憶過程中，動作量始終大于制動量，阻抗繼電器能夠可靠動作，從而消除了死區(qū)。 （二）第三相電壓的作用 “記憶回路”能保證方向阻抗繼電器在暫態(tài)過程中正確動作，但其作用時間有限，因此，應引入第三相電壓，即非故障相電壓。通過高阻值電阻R5（約30k）接到“記憶回路”中

29、C與L的連接線上，且與“記憶回路”并用，如圖5-11（a）及5-15（a）所示。正常時，R、L、C諧振回路中電壓較高，因為XL=XC，所以有；由于R5為高阻值，故在R、C、R5回路中產(chǎn)生的電流很小，第三相電壓基本不起作用。 當保護正方向出口AB兩相短路時， 記憶作用消失后，其等值電路如圖5-15（a）所示。由圖可知，5倍相電壓作用于AB相短接后和C相構成的回路上，由于R5 阻值遠大于回路中阻抗值（RjXC）jXL ，故回路主要呈電阻性，電流基本與所加電壓或同相位，且電壓主要降落在R5上，即。在兩支路中按阻抗成反比分配，在R、C支路中分配的電流為 （5-27）由上式可知，超前90°，即

30、超前90°，其相量如圖5-15（b）所示。由圖可知，與短路前同相位，又因為，所以，第三相電壓提供的極化電壓與短路前同相位。同樣，該電壓的存在可消除正方向出口兩相短路時繼電器動作的死區(qū)。 第三相電壓的引入還能防止在反方向出口兩相短路時，因5倍非故障相電壓的作用而可能引起的繼電器誤動作。其作用原理可結合圖5-16所示進行具體分析，例如，當反方向出口處發(fā)生AB兩相短路時，電壓互感器二次側接入繼電器的電壓等于零，即，而非故障相和故障相間的電壓及為5倍相電壓。若電壓互感器二次負載不對稱，即 ZuvZvwZwu ，電壓互感器引至保護盤間的導線阻抗也不等，即ZuZvZw時，在及的作用下，電壓互感器

31、二次側產(chǎn)生電流 、，其數(shù)值不等，且不對稱，則流入繼電器的電流、在、上的壓降也不等，從而使為任意值。因此，在記憶作用消失后,若0，則有，Zm 反應為正方向出口短路阻抗，引起繼電器誤動作。為此，由第三相電壓引入一個極化電壓,以抵消的作用，從而保證反方向短路時，保護可靠不動。 (三)“記憶回路”對繼電器動作特性的影響如前所述，方向阻抗繼電器引入“記憶回路”電壓后，其動作方程 （5-28）在正常運行和短路后的穩(wěn)態(tài)情況下，和同相位，因此，動作特性為圖5-7所示的方向阻抗圓特性，被稱為穩(wěn)態(tài)特性。但在發(fā)生短路的初瞬間，由于的記憶作用，將記憶短路前負荷狀態(tài)下母線電壓的相位，因此方向阻抗繼電器的動作方程應為 (

32、5-29)式中為短路前負荷狀態(tài)下的母線電壓，是故障后的母線電壓，兩者相位不同，可見式（5-29）所表示的繼電器在短路初瞬間的動作特性與穩(wěn)態(tài)時不同，因此，稱其為初態(tài)特性。 短路以后，有記憶作用的方向阻抗繼電器動作特性隨著記憶作用的逐步消失，由初態(tài)特性逐步向穩(wěn)態(tài)特性過渡。由于初態(tài)特性的動作方程含有多個變量，所以不能簡單地只用Zm來表示，只能根據(jù)具體系統(tǒng)接線、參數(shù)和短路位置進行分析。 正方向短路時的初態(tài)特性系統(tǒng)接線及相關參數(shù)如圖5-17（a）所示，設互感器變比為1，則在k點短路時有 (5-30) (5-31) (5-32)計及 (5-33)將式（5-33）代入式（5-29），可得繼電器初態(tài)特性動作方

33、程 （5-34）如果短路前為空載，則，繼電器動作方程為 （5-35）可知，動作特性是以為直徑所作的圓，圓內為動作區(qū)，如圖5-17（b）所示。當記憶作用消失以后，穩(wěn)態(tài)情況下繼電器的動作特性仍是以Zset為直徑所作的圓，如圖5-17（b）所示。 正方向短路時，Zm為短路點到保護安裝處的線路阻抗Zk，其阻抗角為線路阻抗角k，若考慮短路點存在過渡電阻或串補電容的影響，Zm有可能進入第象限，但絕不會出現(xiàn)負值而進入第象限，因此，動作圓的有效區(qū)為圖5-17（b）所示陰影部分。動作特性圓雖然包含第象限，但并不意味著會失去選擇性，因為式（5-35）是在保護正方向短路的條件下導出的，它不適用于保護反方向短路的情況

34、。 可見，正方向短路時的繼電器初態(tài)特性，擴大了動作范圍，既有利于消除死區(qū)和減小過渡電阻的影響，而又不會失去方向性。 反方向短路時的初態(tài)特性系統(tǒng)接線及有關參數(shù)如圖5-18（a）所示，當保護反方向K點發(fā)生短路時，流過保護的電流由對側電源提供，設電流正方向為母線流向被保護線路，且，。 則有 （5-36）將和式（5-35）代人式（5-29），則繼電器初態(tài)特性動作方程為 （5-37）如短路前空載在記憶作用消失前，繼電器動作方程為 (5-38)可知，繼電器初態(tài)特性為以為直徑所作的拋球圓，如圖5-18（b）所示，圓內為動作區(qū)。以上的分析結果表明，反方向短路時繼電器的初態(tài)特性位于第象限，而實際上Zm測到的是-

35、Zk，位于第象限，因此繼電器不會誤動作，有明確的方向性。 四、阻抗繼電器的精確工作電流 以上分析阻抗繼電器的動作特性都是基于理想情況，它所反應的阻抗只與加入繼電器的電壓電流比值有關，而與電流的大小無關。但實際的阻抗繼電器必須考慮執(zhí)行元件起動消耗的功率，晶體二極管的正向電壓降等因素，因此，其動作方程應為 （5-39）式中，U0表示繼電器動作時克服功率消耗及整流二極管壓降所必須的電壓。一般選擇繼電器的最靈敏角sen等于線路阻抗角k，當線路上發(fā)生金屬性短路時，m=sen，式中各相量是同相位、代數(shù)和，考慮到 ， ，在動作邊界有Zm =Zop，最終可以簡化為 （5-40）考慮U0的影響后，根據(jù)式（5-4

36、0）作出Zset = f（Im）的關系曲線如圖（5-19）所示。可知，Im較小時 較大，繼電器實際動作值Zop小于整定動作值Zset，縮小了實際保護范圍。這將影響到與相鄰距離保護中阻抗元件的配合，甚至會使保護無選擇性動作。只有Im大到使，才能保證 Zop與Zset的誤差限制在一定范圍內。因此，要求加入阻抗繼電器的電流滿足最小精確工作電流的要求。所謂最小精確工作電流（簡稱精工電流），就是指當繼電器的動作阻抗Zop=0.9Zset時，加入繼電器的最小測量電流，以Iaop表示。當ImIaop，就可以保證動作阻抗的誤差在10以內，而此誤差在整定計算中選擇可靠系數(shù)時考慮。如Im過大使電抗變換器TL飽和時

37、，轉移阻抗下降，則動作阻抗Zop又將隨著Im的增大而減小，這同樣會增大誤差，因此設計電抗變換器TL時必須對飽和倍數(shù)提出要求。根據(jù)式（5-40）及精工電流的定義，并考慮，整理可得 （5-41）可知：最小精工電流Iaop與執(zhí)行元件的靈敏度U0成正比，與轉移阻抗成反比。因此，選擇較高靈敏度（U0較?。┑膱?zhí)行元件（如采用助磁繞組，可以降低精確工作電流），同時增大轉移阻抗（即電抗變換器TL電抗變換器TL一次繞組匝數(shù)在允許范圍內選取較多），就可以得到較小的Iaop，從而保證在最小短路電流時繼電器能正確工作。另外，增大也可采用在電抗變換器TL氣隙中插入玻鏌合金片的方法，當Im大時，玻鏌合金片因飽和而不起作用

38、，當Im小時，它將使電抗變換器TL磁阻減小而增大。需要指出的是：采用助磁繞組使繼電器接線復雜，降低了可靠性和返回系數(shù)等。第四節(jié) 阻抗繼電器的接線方式 一、阻抗繼電器接線的基本要求 為使阻抗繼電器能正確測量短路點到保護安裝處的距離，加入繼電器的電壓電流應滿足以下基本要求： （1）測量阻抗Zm應與短路點到保護安裝處的距離成正比； （2）測量阻抗Zm與短路形式無關，即Zm不隨同一短路類型的不同短路形式而改變。短路類型分為相間短路和接地短路兩種。每種類型又有不同的短路形式，如接地短路有單相和兩相接地短路兩種形式。對于阻抗繼電器接線方式的命名方法與功率方向繼電器接線方式的命名方法相同。 二、相間短路阻抗

39、繼電器的接線方式 （一）相間短路阻抗繼電器的0°接線方式這種接線方式廣泛應用在相間距離保護中，為了反應各種相間短路故障，在AB、BC、CA相間分別接入一只阻抗繼電器來反應對應的相間短路，原理接線如圖5-20所示。各只阻抗繼電器接入的電壓和電流如表5-1所示。根據(jù)功率方向繼電器接線方式命名方法，cos =1時，接入阻抗繼電器的、同相位，故稱為0接線。表5-1 0°接線方式接入的電壓和電流繼電器標號KIABKIBCKICA在以下分析中 ，假設：互感器變比為1，短路點到保護安裝處的距離為l（km），線路自感抗為Zz（km），互感抗為ZM（km），單位正序阻抗Z1=ZZ-ZM（km

40、），負荷阻抗Z L（），距保護安裝處l公里發(fā)生短路。 三相短路如圖5-21(a)所示，由于三相短路是對稱的，三只電器工作情況完全相同，故僅以AB相阻抗繼電器為例進行分析。由表5-1可知，加入繼電器的電壓和電流為 (5-42)根據(jù)表5-1，AB相測量阻抗為 (5-43) 兩相短路如圖5-21（b）所示，以UV短路為例，此時存在下列關系式 (5-44)AB相測量阻抗為 (5-45)與三相短路時測量阻抗相同。BC、CA相阻抗繼電器所加電壓為非故障相電壓，數(shù)值較高，而加入的電流為一相的短路電流，數(shù)值較小，因而測量阻抗大，相應的繼電器不動作。但三只阻抗繼電器是經(jīng)“或”門控制跳閘出口回路的，因此，只要有一

41、只繼電器工作，就可以保證整套距離保護正確工作。 兩相接地短路如圖4-21（c）所示，可將A相和B相看成兩個“導線大地”的輸電線路，則故障相電壓為 （5-46）AB相阻抗繼電器的測量阻抗為 (5-47)由式（5-47）可知，A、B兩相接地短路時，測量阻抗也與三相短路時相同。 由上述分析可見，阻抗繼電器的0°接線對各種相間短路，其測量阻抗都等于短路點到保護安裝處的線路正序阻抗，滿足了接線方式的基本要求。 （二）阻抗繼電器的 ±30°接線方式 如表5-2所示， 相間短路時阻抗繼電器還可以采用±30°接線方式，即+30°和-30°兩

42、種方式。表5-2 ±30°接線方式接入的電壓和電流接線方式繼電器標號引入電氣量+30°-30°KIABKIBCKICAKIABKIBCKICA 正常運行三相對稱，可只分析AB相阻抗繼電器。由于取接入繼電器的電壓為，電流為或，當功率因數(shù)cos=1時落后30°，因此，稱為+30°接線；同理，在接入電壓取，電流為或時，超前30°，稱為-30°接線。其它相的阻抗繼電器接入的電壓電流如表5-2所示。接入AB相阻抗繼電器的電壓為 （5-48） 對于+30°接線 ，取 ，其測量阻抗為 （5-49） 對于-30°

43、;接線 ，取，其測量阻抗為 （5-50）式（5-49）和式（5-50）說明，正常運行時，測量阻抗在數(shù)值上是每相負荷阻抗的倍；在相位上，對于+30°接線和-30°接線，測量阻抗分別向超前和滯后每相負荷阻抗的方向旋轉了30°。 三相短路與正常運行相似，如圖5-21（a）所示，將短路點到保護安裝處的正序阻抗Z1l替換負荷阻抗ZL，可得三相短路時±30°接線方式的測量阻抗表達式 （5-51） （5-52）式（5-51）、式（5-52）表明，測量阻抗在數(shù)值上是每相短路正序阻抗的倍，相位則比線路阻抗角k偏移±30°。 兩相短路如圖5-2

44、1（b）所示，AB兩相短路時接入繼電器的電壓為 （5-53） 對于+30°接線 ，取，則測量阻抗為ZJ（+30°）=Z1l （5-54）對于- 30°接線 ，取，則測量阻抗為 ZJ（-30°）= Z1l （5-55）由式（5-34）、式（5-35）可知，兩相短路時，阻抗繼電器采用±30°兩種接線方式，其測量阻抗都等于短路點到保護安裝處的正序阻抗，測量阻抗角m等于線路正序阻抗角k。 由以上分析可見，若阻抗繼電器采用±30°接線方式，則在線路上同一點發(fā)生同類型不同形式的短路時，其測量阻抗的大小、相位各不相同。因此，這種

45、接線方式的采用有一定的局限性。 （1）全阻抗繼電器：采用±30°接線方式時，不宜作測量元件。由于全阻抗繼電器的動作阻抗與角度無關，而測量阻抗在三相短路時為Z1l，兩相短路時則為 Z1l，對不同的短路形式，保護范圍不同。 （2）方向阻抗繼電器：采用±30°接線方式時，可以作為測量元件。對于方向阻抗繼電器來說，雖然測量阻抗在同一點兩相短路與三相短路時的幅值不同，但都處于動作邊界，因此，采用±30°接線的方向阻抗繼電器對兩種形式的短路具有相同的保護范圍。當選擇兩相短路的測量阻抗為整定阻抗，即Zset=Z1l時，方向阻抗繼電器的動作特性是一個

46、以Z1l為直徑、最靈敏角sen等于線路阻抗角k的圓，如圖5-22所示。當同一點發(fā)生三相短路時，繼電器的測量阻抗Zm（±30°）分別向超前和滯后線路阻抗的方向旋轉30°，減小為，即Z1l，正好處于動作特性邊界。 （3）方向阻抗繼電器采用±30°接線可以提高躲過負荷阻抗的能力。在輸電線路的送電端，采用- 30°接線時，正常情況下的繼電器測量阻抗為，它將ZL順時針旋轉了30°，如圖5-22所示。當功率因數(shù)為0.9時，Zm（-30°），遠離動作區(qū)，落在第象限，可靠躲開了負荷阻抗。同理，方向阻抗繼電器在受電端采用+30

47、76;接線時，具有相同的效果。注意：在輸電線路的受、送電端±30°兩種接線不能用錯，對于負荷電流可能雙向流動的線路，也不宜采用。 此外，這種接線方式比較簡單，電流互感器負擔也較輕，可用于圓特性的方向阻抗繼電器和作起動元件時的全阻抗繼電器。 三、接地短路阻抗繼電器的接線方式 在中性點直接接地的電網(wǎng)中，當零序電流保護不能滿足要求時，通?？紤]采用接地距離保護配合零序過流保護。接地距離保護中阻抗繼電器的主要任務是在電網(wǎng)中發(fā)生接地短路時，正確反應短路點到保護安裝處的距離。因此，應分析阻抗繼電器采用怎樣的接線方式才能滿足準確測量的要求。在單相接地時，只有故障相電壓最低，電流最大，而其它

48、非故障相間電壓仍較高，根據(jù)阻抗繼電器的構成原則，繼電器應接入故障相電壓和電流。例如，反應A相接地的繼電器接入 (5-56)這種接線方式能否滿足要求，需作具體分析。設短路點電壓為，保護安裝處母線電壓為，短路電流為，若采用對稱分量表示，則短路時，短路點有 (5-57)保護安裝處有 (5-58) 按照各序等效網(wǎng)絡，在保護安裝處母線上各對稱分量電壓與短路點的各對稱分量電壓之間，具有以下關系 (5-59)則保護安裝處母線電壓為 (5-60)阻抗繼電器的測量阻抗 (5-61)顯然，測量阻抗Zm與比值有關，而該比值與電網(wǎng)中性接地點的數(shù)目和位置有關，不為常數(shù)，因此，繼電器不能準確地測量短路點到保護安裝處的距離

49、?？紤]從零序電流互感器或零序電流慮過器得到的零序電流為，且，當取接入阻抗繼電器的電壓、電流為，或 (5-62)時，即能滿足測量要求。 式中，為補償系數(shù)，一般認為零序阻抗角等于正序阻抗角，因而是一個實數(shù)，這樣，繼電器的測量阻抗應為 (5-63)可見，式（5-63）與按0°接線的相間短路阻抗繼電器有相同的測量值，因此， 接線方式稱為阻抗繼電器帶有零序電流補償?shù)?°接線。這種接線方式在接地距離保護和綜合重合閘的選相元件中得到廣泛應用。為了反應各相的接地短路，接地距離保護也必須采用三只阻抗繼電器，其原理接線如圖5-23所示。每只繼電器接入的電壓、電流分別為：，；，；，。對于相間故障

50、采用0°接線和接地故障采用帶有零序電流補償0°接線的阻抗繼電器。目前還有應用于微機距離保護的工頻變化量阻抗繼電器和交叉極化阻抗繼電器。（四）工頻變化量阻抗繼電器1. 工作原理工頻變化量阻抗繼電器是反應故障前后電壓、電流工頻變化量而進行工作的。當電力系統(tǒng)發(fā)生短路時如圖5-24（a）所示，根據(jù)疊加原理，相當于在短路點加入與短路前電壓大小相等、方向相反的附加電壓，此時系統(tǒng)狀態(tài)為短路前負荷狀態(tài)如圖5-24（b）所示與附加電壓產(chǎn)生的短路狀態(tài)如圖5-24（c）所示的疊加，因此，工頻變化量阻抗繼電器只考慮如圖5-24（c）所示的短路附加狀態(tài)。在圖5-24中，K點發(fā)生短路時工頻變化量為：保

51、護安裝處電流變化量為 （5-64）電壓變化量為 (5-65)繼電器工作電壓（補償電壓）為 (5-66)比幅式工頻變化量阻抗繼電器的動作判據(jù)為 (5-67)式中 門檻電壓，通常取保護安裝處故障前電壓記憶量。對于相間故障，繼電器工作電壓為 (5-68) 對于接地故障，繼電器工作電壓為 (5-69) 如圖5-25所示為保護區(qū)、內外不同地點發(fā)生金屬性短路時短路狀態(tài)的電壓分布。假設短路前為空載，且門檻電壓為 (5-70) 如圖5-25（b）所示，當保護區(qū)內K1點短路時，在M側電源至連線的延長線上，可知，滿足動作判據(jù)，繼電器動作； 如圖5-25（c）所示，當保護區(qū)外K2點短路時，在M側電源至的連線上，不滿足動作判據(jù)，繼電器不動作；如圖5-25（d）所示，當保護反方向K3點短路時，在N側電源至的連線上，不滿足動作判據(jù)，繼電器不動作；由上述分析可知，只有保護區(qū)內短路時，按工頻變化量原理構成的阻抗繼電器滿足動作判據(jù)，能夠動作。2. 動作特性分析（1） 如圖5-26所示為正方向k點短路時，動作特性分析的等值網(wǎng)絡。設門檻電壓其中 （5-71）式中 為對側電源助增系數(shù)；，為經(jīng)過渡電阻短路時的測量阻抗。則繼電器的工作電壓為 （5-72）由動作判據(jù)