繼電保護講義-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到保護安裝處的距離，加入繼電器的電壓電流

乙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用間分別接

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,短路點到保護安裝處的距離為/(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),負荷

阻抗ZL(Q),距保護安裝處/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‘正常運行時'測量阻抗在數(shù)值上是每相負荷阻抗的半倍'

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荷阻抗的方向旋

轉(zhuǎn)了30°。

2.三相短路

與正常運行相似,如圖5-21（相所示,將短路點到保護安裝處的正序阻抗Z"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

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到保護安裝處的正序阻抗，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。當同一點發(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。當功率因數(shù)為0.9時，Zmio?遠離動作區(qū),落在第IV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°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殂抗繼電器。

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;通常考慮采用接地距離

5

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(wù)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，繼電器應接入故障相電壓和電流。例如，反應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)短路點電壓為U&A，保護安裝處母線電壓為U.，短路電流為/八，若采用對稱分量表

示，則短路時，短路點有

UKA~+U必2+U心0=°

(5-57)

1KA~/⑼+,心2+'心0

保護安裝處有

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(guān)系

UA\='AZII+0KAi

U

iA2人ZJ+UKA1(5-59)

U=3。/+。KAO

則保護安裝處母線電壓為

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)中性接地點的數(shù)H和位置有關(guān)，

/八

不為常數(shù)，因此，繼電器不能準確地測最短路點到保護安裝處的距離。

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

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,為補償系數(shù)，

34

一般認為零序阻抗角等于正序阻

抗角，因而a是一個實數(shù)，這樣，

繼電器的測量阻抗應為

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償?shù)?°接

線。這種接線方式在接地電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。

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故障前后電壓、電流二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入此時系統(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點發(fā)生短路時工頻變化量為：

保護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所示為保護區(qū)、內(nèi)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(shè)

短路前為空載，且門檻電壓為

4=|瑞|

(5-70)

如圖5-25(b)所示，當保護區(qū)

內(nèi)K點短路時，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，當保護區(qū)

外K2點短路時，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保護區(qū)內(nèi)、外不同點金屬性短路時的電壓分布

(a)系統(tǒng)圖：(b)區(qū)內(nèi)占點短路：

如圖5-25(d)所示，當保護反

(c)區(qū)外卜點短路：(d)反方向向點短路

方向K點短路時，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［（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0

由動作判據(jù)

可得

|-認(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，繼電器允許短路點有較大過渡電阻。

10

(2)如圖5-28所示為反方向4點短路時的等值電路，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較大的過渡電阻，目前已應用于微機距離保護中，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，補償電壓定義

為保護安裝處母線電壓心，與被保護線

路電流在整定阻抗上的壓降

/,”Z?之差。即

U：,=Ujz如(5

-78)

1）保護區(qū)末端木點短路時Zk=Zset

補償電壓

f

Om=Om-itnzset

圖5-29不同地點短路時短路點電壓與補償電壓關(guān)系

二'，"??—Zset)+Uktrem

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

（d）?點短路時電壓相量圖；（e）心點短路時電壓相量圖；

(5-79)

式中Uj由一故障點殘存電壓。

由圖5-29（b）可知，補償電壓與故障點電壓同相位。

2）保護區(qū)內(nèi)ki點短路時Zk<Zsct

補償電壓

(5-80)

=i<Zk-z?J

由圖5-29（C）可知，補償電壓落后于故障點電壓口匕厘”。

3）保護區(qū)外正方向角點短路時Zk>zset

補償電壓

(5-81)

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

由5-29（d）所示可知，補償電壓超前于故障點電壓0人皿,。

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

12

補償電壓

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

補償電壓不是同一相，因而稱為交叉極化。將與U7P進行相位比較，補償電壓

落后于故障點電壓時，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

由于保護安裝處無法測量故障點電壓，實際的繼電器都是采用和故障點電壓有相位關(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，還應兼顧繼電器在

各種工作狀況下的適應能力。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)