繼電保護(hù)講義-阻抗繼電器的接線方式

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(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離，加入繼電器的電壓電流

乙應(yīng)滿足以下基本要求:

（1）測量阻抗Zm應(yīng)與短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離成王比；

（2）測量阻抗Zm與短路形式無關(guān)，即備不隨同??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。對于一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、相間短路阻抗繼電器的接線方式

（-）相間短路阻抗繼電器的0°接線方式

這種接線方式廣泛應(yīng)用在相間

距離保護(hù)中，為了反應(yīng)各種相間短路

故障，在AB、BC、CA用間分別接

入一只阻抗繼電器來反應(yīng)對應(yīng)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Um和電流

im如表5-i所示。根據(jù)功率方向繼電

器接線方式命名方法，

abc

cos（p=1時，接入阻抗繼甩器的、圖5-20相間短路阻抗繼電器的0°接線

],“同相位，故稱為0接線。

表5-10°接線方式接入的電壓和電流

繼電器標(biāo)號

KIABUabia-ib

X7BCUbe

1

KICA匕.〃

ic-ia

在以下分析中，假設(shè)：互感器變比為1,短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離為/(km),線路

自感抗為馬(。/km),互感抗為ZM(。/km),單位正序阻抗ZI=ZZ-ZM(。/km),負(fù)荷

阻抗ZL(Q),距保護(hù)安裝處/公里發(fā)生短路。

1.三相短路

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44

(b)(C)

05-2100D00D000000

0aO000000bOAOBOD0000cOADBO00000

相阻抗繼電器為例進(jìn)行分析。由表5-1可知，加入繼電器的電壓和電流為

3=u=u-u=口-0=

ahah(5-42)

根據(jù)表5-1,48相測量阻抗為

Zm=%=￥=Zab=Z1/

(5-43)

1m1ab

2.兩相短路

如圖5-21(b)所示，以UP短路為例，此時存在卜列關(guān)系式

u=izuu=u=iziu

aa,kahh,+kh(5-44)

AB相測量阻抗為

(5-45)

1m

與三相短路時測量阻抗相同。BC.。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(yīng)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I路的，因此，只要有一只繼電器工作，就可

2

以保證整套距離保護(hù)正確工作。

3.兩相接地短路

如圖4-21(c)所示，可將4相和3相看成兩個“導(dǎo)線一大地”的輸電線路，則故障相

電壓為

(j=izi+iz,.i

a.7.h(5-46)

%=-Z/J

AB相阻抗繼電器的測量阻抗為

z"m)(Zzf/g7)

】ablaf

由式(5-47)可知，4、8兩相接地短路時，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°接線對各種相同短路，其測量阻抗都等于短路點(diǎn)到

保護(hù)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°

兩種方式。

表5-2±30°接線方式接入的電壓和電流

+30°-30°

飛KJABK/HCKICAK/AHKIBCKICA

Um%UbeUca%3cLa

2〃4)2AA)2〃乙)-2/M)

1.正常運(yùn)行

三相對稱，可只分析44相阻抗維電器。由于取接入繼電器的電壓為〃岫,電流為北或

2乙，當(dāng)功率因數(shù)必忻1時"落后。砧30°,因此，稱為+30。接線；同理，在接入電壓取

Um，電流為-乙或-2八時，-(超前。歷30°,稱為-30°接線。其它相的阻抗繼電器接

入的電壓。用電流lm如表5-2所示。接入AB相阻抗繼電器的電壓為

L=口=。-力Z/.=fa43e^ZL(548)

3

對于+30。接線，取乙=2乙,其測量阻抗為

7_ihiL_@70+戶0。

乙必+30°)—3J―-f5%(5-49)

對于-30。接線，取十=-2治=21/。,其測量阻抗為

Z…="=生產(chǎn)(5-50)

式（5Y9）和式（5-5。）說明‘正常運(yùn)行時'測量阻抗在數(shù)值上是每相負(fù)荷阻抗的半倍'

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(fù)荷阻抗的方向旋

轉(zhuǎn)了30°。

2.三相短路

與正常運(yùn)行相似,如圖5-21（相所示,將短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的正序阻抗Z"替換負(fù)

荷阻抗ZL，可得三相短路時±30°接線方式的測量阻抗表達(dá)式

Z…=#邛卬叱

(5-51)

7-—(5-52)

,皿一吩）-2/,,

J7

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匚倍，相位

2

則比線路阻抗角8k偏移±30°。

3.兩相短路

如圖5-21（b）所示，月8兩相短路時接入繼電器的電壓為

Um=Uab=(L-ib)Z\i=2i,Z,i(5-53)

對于+30°接線，取乙=21,則測量阻抗為

Zj(+30*)~Z\l(5-54)

對于-30。接線，取乙=-2乙=2乙,則測量阻抗為

Zj<-30。)=Z\l(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,

具測量阻抗都等于短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的正序阻抗，測量阻抗角8m等于線路正序阻抗角伙。

4

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(diǎn)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(guān)，而測量阻抗在三相短路時為立Z/兩相短路時則為Z.1,對不同的短

2

路形式，保護(hù)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(diǎn)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(hù)范圍。當(dāng)選擇兩相

短路的測量阻抗為整定阻抗，即ZseLZ”時，方向阻抗繼電器的動作特性是一個以Z/為直

杼、最靈敏角仍由等于線略阻抗角佻的圓.如圖5-22所示。當(dāng)同一點(diǎn)發(fā)牛三相短路時，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(zhuǎn)30°,減小為ZJcos（±30。），

即Jz/正好處于動作特性邊界。

2

（3）方向阻抗繼電器采用±30°接線可以提

高躲過負(fù)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

圖5-22方向阻抗繼電器采用±30°接線

在相間短路時的測量阻抗

抗為Zg,=YZ”,它將ZL順時針旋轉(zhuǎn)及提高輸送功率能力說明圖

了30°,如圖5-22所示。當(dāng)功率因數(shù)為0.9時，Zmio?遠(yuǎn)離動作區(qū),落在第IV象限，可

靠躲開了負(fù)荷阻抗。同理，方向阻抗繼電器在受電端采用+30°接線時，具有相同的效果。

注意：在輸電線路的受、送電端±30°兩種接線不能用精，對于負(fù)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(fù)擔(dān)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殂抗繼電器。

三、接地短路阻抗繼電器的接線方式

在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，當(dāng)零序電流保護(hù)不能滿足要求時;通?？紤]采用接地距離

5

保護(hù)配合零序過流保護(hù)。接地距離保護(hù)中阻抗繼電器的主要任務(wù)是在電網(wǎng)中發(fā)生接地短路時,

正確反應(yīng)短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離。因此，應(yīng)分析阻抗繼電器采用怎樣的接線方式才能滿

足準(zhǔn)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，而其它非故障相間電壓仍較高，根

據(jù)阻抗繼電器的構(gòu)成原則，繼電器應(yīng)接入故障相電壓和電流。例如，反應(yīng)A相接地的繼電

器接入

u=0,

：'.八(5-56)

1m=.

這種接線方式能否滿足要求，需作具體分析。

設(shè)短路點(diǎn)電壓為U&A，保護(hù)安裝處母線電壓為U.，短路電流為/八，若采用對稱分量表

示，則短路時，短路點(diǎn)有

UKA~+U必2+U心0=°

(5-57)

1KA~/⑼+,心2+'心0

保護(hù)安裝處有

U=U+U.+UA

AMAA(5-58)

'A=Ai+AO.

按照各序等效網(wǎng)絡(luò)，在保護(hù)安裝處母線上各對稱分量電壓與短路點(diǎn)的各對稱分量電壓之

間，具有以下關(guān)系

UA\='AZII+0KAi

U

iA2人ZJ+UKA1(5-59)

U=3。/+。KAO

則保護(hù)安裝處母線電壓為

以=。川+a2+如。

=z"++(U+U2+°KAO)

/川iA2Z21+iAQZQI心］心

7

=4%+晨+”)(5-60)

7_7

=Z,Z(/A+340^-^)

D乙?

阻抗繼電器的測量阻抗

6

Z,L*Z"(1+A^L)

(5-61)

1A1AZl

顯然，測量阻抗Zm與比值9■有關(guān)，而該比值與電網(wǎng)中性接地點(diǎn)的數(shù)H和位置有關(guān)，

/八

不為常數(shù)，因此，繼電器不能準(zhǔn)確地測最短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離。

考慮從零序電流互感器或零序電流慮過器得到的零序電流為3北0,旦3/八。=3/0,當(dāng)

取接入阻抗繼電器的電壓、電流為

力=UA

u=U

Z-Z,H或mA(5-62)

lm=M+3,o()An=L+。3,0

時，即能滿足測量要求。

式中a=Zo-4,為補(bǔ)償系數(shù)，

34

一般認(rèn)為零序阻抗角等于正序阻

抗角，因而a是一個實(shí)數(shù)，這樣，

繼電器的測量阻抗應(yīng)為

UtnZ,/(/.+a3/0)

ZMJ=——=—：------：—=ZJ

乙〃+a3/。

(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ABCN

?5-23QQQQQQQQQNQQQQQ

繼電器帶有零序電流補(bǔ)償?shù)?°接

線。這種接線方式在接地電離保護(hù)和綜合重合閘的選相元件中得到廣泛應(yīng)用。

為了反應(yīng)各相的接地短路，接地距離保護(hù)也必須采月三只阻抗繼電器，其原理接線如圖

5-23所示。每只繼電器接入的電壓““、電流匕分別為：。八，IA+a3/0；UB,IR+?3/0；

Uc,ic+a3/°o

對于相間故障采用(),接線和接地故障采用帶有零序電流補(bǔ)償0°接線的阻抗繼電器。

目前還有應(yīng)用于微機(jī)距離保護(hù)的工頻變化量阻抗繼電器和交叉極化阻抗繼電器。

7

（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(yīng)故障前后電壓、電流二頻變化量而進(jìn)行工作的。當(dāng)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(dāng)于在短路點(diǎn)加入與短路前電壓大

小相等、方向相反的附加電壓入此時系統(tǒng)狀態(tài)為短路前負(fù)荷狀態(tài)（如圖5-24（b）所示）

與附加電壓二—月產(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(diǎn)發(fā)生短路時工頻變化量為：

保護(hù)安裝處電流變化量為

\E

-ALK(5-64)

K

Z+5Z人

電壓變化量為

△Um=-N=\EK+A/ZK(5-65)

繼電器工作電壓（補(bǔ)償電壓）為

=A"”-=-A乙(Z,十Z?)(5-66)

比幅式上頻變化量阻抗繼電器的動作判據(jù)為

8

(5-67)

式中U:一門檻電壓，通常取保護(hù)安裝處故障前電壓記憶量。

對天相間故障，繼電器工作電壓為

(5-68)

m=AB,BC,CA

對于接地故障，繼電器工作電壓為

AU：,=A”「(4,”+M37°)ZE

(5-69)

m=A,ByC

如圖5-25所示為保護(hù)區(qū)、內(nèi)外不同地點(diǎn)發(fā)生金屬性短路時短路狀態(tài)的電壓分布。假設(shè)

短路前為空載，且門檻電壓為

4=|瑞|

(5-70)

如圖5-25(b)所示，當(dāng)保護(hù)區(qū)

內(nèi)K點(diǎn)短路時，在M側(cè)電源

至△瓦連線的延長線上，可知，

火火,卜阻,滿足動作判據(jù)，繼

電器動作；

如圖5-25(c)所示，當(dāng)保護(hù)區(qū)

外K2點(diǎn)短路時，瓦；在M側(cè)電源

至△瓦的連線上，

不滿足動作判據(jù)，繼電器不動作；

圖5-25保護(hù)區(qū)內(nèi)、外不同點(diǎn)金屬性短路時的電壓分布

(a)系統(tǒng)圖：(b)區(qū)內(nèi)占點(diǎn)短路：

如圖5-25(d)所示，當(dāng)保護(hù)反

(c)區(qū)外卜點(diǎn)短路：(d)反方向向點(diǎn)短路

方向K點(diǎn)短路時，在N側(cè)電

源至△瓦的連線上，

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(hù)區(qū)內(nèi)短路時，按工頻變化量原理構(gòu)成的阻抗繼電器滿足動作

9

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(diǎn)短路時，動作特性分析的等值網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)門檻電壓

6=阻

其中

叫=-認(rèn)［（4+/）+&『］

ja

=-^im［Zs+（Zk+Rtre）］

=-（z$+z^,）

（5-71）

式中6%—為對側(cè)電源助增系數(shù);

ia

Zm=Zk+Rtre，為經(jīng)過渡電阻

圖5-26正方向短路時的等值電路

短路時的測量阻抗。

則繼電器的工作電壓為

(5-72)

=-認(rèn)0

由動作判據(jù)

可得

|-認(rèn)(Z,+z^)|>|-M(Z,+Zj|(5-73)

區(qū)+z以平s+z“J(5-74)

式（5-74）表明，繼電器在阻抗平面的動作特性是以向?qū)?Z,末端為圓心，以+Zj

為半徑的圓，圓內(nèi)為動作區(qū)，如圖5-27（a）所示，繼電器允許短路點(diǎn)有較大過渡電阻。

10

(2)如圖5-28所示為反方向4點(diǎn)短路時的等值電路，假設(shè)U：二|△心)

分析圖5-28可知

△&=△0(Z；+Z,“)(5-75)

△U-”一△&

=Mm(Z；—Zsel)

(5-76)

由繼電器的動作判據(jù)

圖5-28反方向短路時的等值電路

可得

|A/,M(Z.：-Z,VJ|>|A/W(Z：+ZJ|

|Z,：-Zj>|Z.；+Zj(5-77)

?g|Z；-Zj>|(-ZJ-Z；|

由式(5-77)可知，瞬電器測量阻抗-Z.在阻抗平面的動作特性是以向量Z：末端為圓

心，以為半徑處于第一象限的圓，圓內(nèi)為動作區(qū)，如圖5-27(b)所示，而反方

向短路時測顯陽杭Z,“總是在第三象限，因此，繼電器有明確的方向性，而FI1頻變化量陽

抗繼電器允許短路點(diǎn)較大的過渡電阻，目前已應(yīng)用于微機(jī)距離保護(hù)中，收到了良好的工作效

果，受到一致的好評。

(五)交叉極化阻抗繼電器

1、工作原理

11

交叉極化阻抗繼電器是比較補(bǔ)償電壓即繼電器的工作電壓與極化電壓。加的相位

而工作的。極化電壓U%為比相的參考

量。如圖5-29（a）所示，補(bǔ)償電壓定義

為保護(hù)安裝處母線電壓心，與被保護(hù)線

路電流在整定阻抗上的壓降

/,”Z?之差。即

U：,=Ujz如(5

-78)

1）保護(hù)區(qū)末端木點(diǎn)短路時Zk=Zset

補(bǔ)償電壓

f

Om=Om-itnzset

圖5-29不同地點(diǎn)短路時短路點(diǎn)電壓與補(bǔ)償電壓關(guān)系

二'，"??—Zset)+Uktrem

⑶系統(tǒng)圖：（b）和點(diǎn)短路時電壓相量圖：（c）用點(diǎn)短路時電壓相量圖;

（d）?點(diǎn)短路時電壓相量圖；（e）心點(diǎn)短路時電壓相量圖；

(5-79)

式中Uj由一故障點(diǎn)殘存電壓。

由圖5-29（b）可知，補(bǔ)償電壓與故障點(diǎn)電壓同相位。

2）保護(hù)區(qū)內(nèi)ki點(diǎn)短路時Zk<Zsct

補(bǔ)償電壓

(5-80)

=i<Zk-z?J

由圖5-29（C）可知，補(bǔ)償電壓落后于故障點(diǎn)電壓口匕厘”。

3）保護(hù)區(qū)外正方向角點(diǎn)短路時Zk>zset

補(bǔ)償電壓

(5-81)

=im(Zk-Zxel)4-Uk.rent

由5-29（d）所示可知，補(bǔ)償電壓超前于故障點(diǎn)電壓0人皿,。

4）保護(hù)區(qū)反方向M母線心點(diǎn)短路時，N側(cè)電源供給短路電流％=-乙，且

12

補(bǔ)償電壓

ur=u-iz

mmmset(5-82)

~k.retnhn^set

由圖5-29(e)可知，超前于6\加。

因此，可將故障點(diǎn)電壓。匕…,極化后作為比相的參考極化電壓U.。，由于極化電壓Uh與

補(bǔ)償電壓不是同一相，因而稱為交叉極化。將與U7P進(jìn)行相位比較，補(bǔ)償電壓

落后于故障點(diǎn)電壓時，判別為內(nèi)部故障。依此，可構(gòu)成理想交叉極化阻抗繼電器。

2、動作特性分析

由于保護(hù)安裝處無法測量故障點(diǎn)電壓，實(shí)際的繼電器都是采用和故障點(diǎn)電壓有相位關(guān)系

的其它電壓作為極化電壓，極化電壓的選取既要考慮阻抗繼電器的特性，還應(yīng)兼顧繼電器在

各種工作狀況下的適應(yīng)能力。對于相間阻抗繼電器，比較理想的極化方案有：以第三柱電壓

作為極化電壓、以超前相相間電壓作為極化電壓或以正序電壓作為極化電壓；對于接地阻抗

繼電器通常以正序電壓作為極化電壓。

當(dāng)取系統(tǒng)正序電壓-。作為極化電壓U加時，比相動作方程

01

一90。工A-gK90。

UTP

n-jz

即-90°<Arg'-<90°(5-83)

UTP

n-i7

或-90”A年二~<90°

j

顯然，交叉極化阻抗繼電器的動作特性為方向圓特性。

對于相間故障

m=AB,BC、CA?(5-84)

Un=也

對于接地故障

13

*力-(…3d

in=A,B,C?(5-85)

%=也

下面以相間故障為例，分析交叉極化阻抗繼電器的動作特性。

I)三相短路A-9

此時取也

U7P==-um,u'm=um-imzse,

則動作方程為

一90"ArglW90。

UTP

(1-j7

即—90。WA喈i<90°(5-86)