第三章 电网的距离保护 第一节 距离保护的作用原理 第二节 阻抗继电器 第三节 阻抗继电器的接线方式 第四节 集成电路型方向阻抗继电器的接线和分析 第五节 距离保护的整定计算原则及对距离保护的评价 第六节 影响距离保护正确动作的因素及防止方法

第一节 距离保护的作用原理 问题的提出—电流保护的局限性 电力系统的进一步发展，出现了容量大、电压高、距离长、负荷重和结构复杂的网络，这时简单的电流、电压保护就难于满足电网对保护的要求。 1、高压长距离、重负荷线路，由于负荷电流大，线路末端短路时，短路电流数值与负荷电流相差不大，故电流保护往往不能满足灵敏度的要求； 2、对于电流速断保护，其保护范围因电网运行方式的变化而变化，保护范围不稳定，某些情况下甚至无保护区； 3、对于多电源复杂网络，方向过电流保护的动作时限往往不能按选择性的要求整定，且动作时限长，难于满足电力系统对保护快速动作的要求。 简单的电流、电压保护就难于满足电网对保护的要求。如高压长距离、重负荷线路，由于负荷电流大，线路末端短路时，短路电流数值与负荷电流相差不大，故电流保护往往不能满足灵敏度的要求；对于电流速断保护，其保护范围受电网运行方式的变化而变化，保护范围不稳定，甚至无保护区。对于多电源复杂网络，方向过电流保护的动作时限往往不能按选择性的要求整定，且动作时限长，难于满足电力系统对保护快速动作的要求。 它基本上不说系统的运行方式的影响。

第一节 距离保护的作用原理 3.1.1 距离保护的基本概念 距离保护是反应故障点至保护安装处之间的距离（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。 实际上是测量保护安装处至故障点之间的阻抗大小，故有时又称阻抗保护。 实质是用整定阻抗 Zdz与测量阻抗 Zcl比较。当短路点在保护范围以内时，即Zcl ＜ Zdz 时，保护动作；反之保护不动作。因此，距离保护又称低阻抗保护。 简单的电流、电压保护就难于满足电网对保护的要求。如高压长距离、重负荷线路，由于负荷电流大，线路末端短路时，短路电流数值与负荷电流相差不大，故电流保护往往不能满足灵敏度的要求；对于电流速断保护，其保护范围受电网运行方式的变化而变化，保护范围不稳定，甚至无保护区。对于多电源复杂网络，方向过电流保护的动作时限往往不能按选择性的要求整定，且动作时限长，难于满足电力系统对保护快速动作的要求。 它基本上不说系统的运行方式的影响。

3.1.2 距离保护的时限特性 距离保护的动作时间与保护安装处至故障点之间距离的关系，称为距离保护的时限特性。 为了保证选择性，广泛应用的是阶梯形时限特性，这种时限特性与三段式电流保护的时限特性相同，一般也做成三阶梯式，即有与三个动作范围相对应的三个动作时限。 当两个故障点分别发生在线路的末端或下一级线路始端时，保护同样存在无法区分故障点选择性的问题，

为无延时的速动段，其动作时限仅为保护装置的固有动作时间。 1、距离保护第Ⅰ段（距离Ⅰ段） 为无延时的速动段，其动作时限仅为保护装置的固有动作时间。 Ⅰ段的保护范围不能延伸到下一线路中去，而为本线路全长的80%～85%，动作阻抗整定为80%～85%线路全长的阻抗。 2、距离保护第Ⅱ段（距离Ⅱ段） 为带延时的速动段，为了有选择性地动作，距离II 段的动作时限和启动值要与相邻下一条线路保护的I 段和II 段相配合。 3、距离保护第Ⅲ段（距离Ⅲ段） 根据相邻线路之间选择性配合的原则：两者的保护范围重叠，则两者保护的动作时限整定不同；若动作时限相同，则保护范围不能重叠。 距离 III 段为本线路和相邻线路(元件)的后备保护，其动作时限的整定原则与过电流保护相同，即大于下一条变电站母线出口保护的最大动作时限一个Δt ，其动作阻抗应按躲过正常运行时的最小负荷阻抗来整定。

3.1.3 距离保护的主要组成元件 由 起动元件、 测量元件（核心部分）、 延时元件组成。

1. 起动元件 发生故障时，瞬间启动保护装置，以判断线路是否发生了故障，并兼有后备保护的作用。通常启动元件采用过电流继电器或阻抗继电器。为了提高元件的灵敏度，也可采用反应负序电流或零序电流分量的复合滤过器来作为启动元件。 2. 测量元件 测量元件用来测量保护安装处至故障点之间的距离，并判别短路故障的方向。通常采用带方向性的阻抗继电器作测量元件。如果阻抗继电器是不带方向性的，则需增加功率方向元件来判别故障的方向。 3. 延时元件 用来提供距离保护Ⅱ段、Ⅲ段的动作时限，以获得其所需要的动作延时。通常采用时间继电器或延时电路作为时间元件。

第二节 阻抗继电器 作用： 阻抗继电器是距离保护装置的核心元件，它主要用来作测量元件，并与整定值进行比较，以确定是保护区内故障还是区外故障；也可以作起动元件兼作功率方向元件。 分类： （1）根据构成原理不同可分为幅值比较、相位比较和多输入量时序比较； （2）按其动作特性不同可分为圆特性、四边形特性、直线特性、苹果形特性等； （3）按阻抗继电器的接线方式不同可分为单相式、多相式、多相补偿式等。

单相式阻抗继电器：指加入继电器的只有一个电压UJ（可以是相电压或线电压）和一个电流IJ（相电流或两相电流之差）的阻抗继电器。

3.2.2 利用复数平面分析圆或直线特性阻抗继电器 常见的阻抗继电器特性： 圆1：以oc为半径——全阻抗继电器（反方向故障时，会误动，没有方向性） 圆2：以oc为直径——方向阻抗继电器（本身具有方向性） 圆3：偏移特性继电器 另外，还有椭圆形，橄榄形，苹果形，四边形等

一、全阻抗继电器 特性：以保护安装点为圆心（坐标原点），以Zzd为半径的圆。圆内为动作区，圆外为不动作区。 Zdz.J——测量阻抗正好位于圆周上，继电器刚好动作，这称为继电器的起动阻抗。 由于这种特性是以原点为圆心的圆，故不论加入继电器的电压与电流的角度多大，继电器的起动阻抗在数值上都等于整定阻抗。它没有方向性。

幅值比较原理： 两变同乘 ，且 ，这也就是动作方程。 所以 2、相位比较原理 分子分母同乘以IJ，

极化电压： 补偿电压： 幅值比较方式与相位比较方式之间的关系：

如果把比幅式的两个向量看成平行四边形的两个边，则比相式的两个向量就是该平行四边形的两条对角线。 1、只适用于A、B、C、D为同一频率的正弦交流量； 2、只适用于 ☞ ； 3、继电器受暂态过程的影响。

二、方向阻抗继电器 1、、方向阻抗继电器的动作特性 以Zzd为直径，通过坐标原点的圆，保护安装处位于复平面坐标原点，圆内为动作区。 当正方向发生短路时，测量阻抗位于第一象限；只要测量阻抗落在圆内时，继电器就动作。 当反方向发生短路时，测量阻抗位于第三象限，继电器不动作。 Zdz.J随ΨJ改变而改变，当ΨJ等于Zzd的阻抗角时，Zdz.J最大，即保护范围最大，工作最灵敏。 Ψlm——最大灵敏角，它本身具有方向性。

几个概念： 坐标原点到圆周的向量称为动作阻抗，用Zdz表示。 将Zzd此时的阻抗角称为最大灵敏角ψlm。 若ψJ=ψlm，则动作阻抗Zdz最大并且等于整定阻抗，此时保护范围最长，继电器也最灵敏。 若ψJ为其他值，继电器的动作阻抗为 应调整继电器的灵敏角等于被保护线路的阻抗角 ，以便继电器工作在最灵敏的条件下。 特点：具有明确的方向性。

2、比相式方向阻抗继电器 3、相位比较方向阻抗继电器

三、、偏移特性阻抗继电器 1、偏移特性阻抗继电器的动作特性 正方向：整定阻抗Zzd 反方向：偏移-αZzd(α<1) 圆内动作。 圆心 半径： Zdz.J随 ΨJ变化而变化,但没有安全的方向性。

2、幅值比较原理 3、相位比较原理

总结三种阻抗的意义： 1、测量阻抗ZJ：由加入继电器的电压UJ与电流IJ的比值确定。 2、整定阻抗Zzd：一般取继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗。 全阻抗继电器：圆的半径 方向阻抗继电器：在最大灵敏角方向上圆的直径 偏移特性阻抗继电器：在最大灵敏角方向上由原点到圆周的长度。 3、起动阻抗（动作阻抗）Zdz.J：它表示当继电器刚好动作时，加入继电器的电压UJ 和电流IJ的比值。 除全阻抗继电器以外：Zdz.J随ΨJ的不同而改变。当ΨJ=Ψlm时，Zdz.J=Zzd，此时最大 。

四、继电器的极化电压和补偿电压

A、补偿电压：当发生金属性短路时，设电流和电压互感器变比为1 ，则 当Ψd=Ψlm时， Zd与Zzd阻抗角相同。 （1）当保护范围外部故障时Zd＞Zzd， 同相位 （2）当保护范围末端故障时，Zd=Zzd， 临界动作 （3）当保护范围内部故障时，Zd＜Zzd， 相位相差180° 实质上反映了短路阻抗Zd与整定阻抗Zzd的比较，阻抗继电器正是反映于补偿电压相位的变化而动作。 B、极化电压： 区别不同特性的阻抗继电器

3.2.3 阻抗继电器交流回路的原理接线 阻抗继电器的构成 主要由两大基本部分组成：电压形成路和幅值比较或相位比较回路。 UA﹑UB﹑UC﹑UD基本上是由UJ和IJZzd组合而成。 UJ可直接从PT二次侧取得，必要时经YB变换。而IJZzd则经过DKB获得。

一、电抗变换器DKB的工作原理 1、作用 将电流互感器的二次电流变换成与之成正比并超前其一定角度的电压； 将继电保护回路与电流互感器二次回路隔离以降低干扰。 2、结构 铁芯中有气隙 二次侧接近开路工作状态 R用于改变次级绕组中感应电势的相位。

3、原理 电流变换为电压 阻抗角的调整： 利用改变W3所接的电阻R来实现

二、全阻抗继电器交流回路的原理接线

三、方向抗继电器交流回路的原理接线

3.2.4幅值比较回路 一、基本原理 将UA和UB分别整流后进行幅值比较，有两种类型 均压式 环流式 UA整流后在R1上产生Ua； UB整流后在R2上产生Ub； 继电器反映Uab=Ua-Ub而动作 环流式 UA整流后在R1上产生Ia； UB整流后在R2上产生Ib； 继电器反映Ia-Ib而动作

二、执行元件 1、极化继电器

3.2.5 相位比较回路 测量瞬时值同时为正（或同时为负）的与门比相回路。 适用方程：

二、测量瞬时值为一正一负的异或门比相回路 适用方程：

第三节 阻抗继电器的接线方式 3.3.1 对接线方式的基本要求 一﹑基本要求 加入继电器的电压和电流应满足 第三节 阻抗继电器的接线方式 3.3.1 对接线方式的基本要求 一﹑基本要求 加入继电器的电压和电流应满足 1、测量阻抗的值仅与保护安装处至故障点的距离有关，而与电网运行方式无关。 2 、测量阻抗与故障类型无关，即保护范围不随故障类型而变化。 二﹑常用接线方式 1、0°接线、+30º接线和-30º接线的阻抗继电器用于反映各种相间短路。 2、相电压和具有k3I0补偿的相电流接线用于反映单相接地故障。

3.3.2 相间短路阻抗继电器的0°接线方式 当 时，加入继电器的电压和电流的夹角为0°，故称为0°接线。 阻抗继电器相别 AB BC CA 当 时，加入继电器的电压和电流的夹角为0°，故称为0°接线。 0°接线方式加入的电压和电流 阻抗继电器相别 AB BC CA

一、三相短路 因为三相对称，继电器1，继电器2，继电器3工作情况完全相同，所以就以继电器1为例分析。 同理ZJ2=Zj3=Z1ld 结论：在三相短路时，ZJ1，ZJ2，ZJ3均等于短路点到保护安装处点的线路正序阻抗。

二、两相短路（以AB两相短路为例）

结论： 接于故障环路的阻抗继电器可以正确反映保护安装处到故障点之间的线路正序阻抗。 其余两只阻抗继电器的测量阻抗很大，不会动作。

内容回顾 （2）正方向两相短路 以BC两相短路为例，且假设空载运行。 有两种极限情况:出口和远处 出口处BC相短路分析

三、中性点接地电网中的两相短路（以AB两相短路为例）

内容回顾 2.3.1 零序电压过滤器 一、对称分量法 架空输电线和电缆三相对称 ，Z1=Z2≠Z0 正序、负序、零序实际上都是以A相为参考相得各序电压 在求电流的过程中，将第一个公式的电压用电流代替，带入第三个公式的右边，Z1—自阻抗 zm ---各相互阻抗 但三个单相电抗器和电容器对称且没有互感，则有z1=Z2=Z0 架空输电线和电缆三相对称 ，Z1=Z2≠Z0

结论：同两相短路。 四、结论 1、0°接线方式在三相短路、两相短路以及两相接地短路至少有一个继电器可以正确反映保护安装处到故障点间的距离。 2、相间短路必须装设三个阻抗继电器。

3.3.3 接地短路阻抗继电器的接线方式 在单相接地时，只有故障相的电压降低，电流增大，因此从原则上看，应将故障相的电压和电流加入继电器中。

所以取 结论： 1、故障相的阻抗继电器能正确反应短路点到保护安装处的阻抗，并与相间短路的阻抗继电器测量结果一致。 2、接地距离保护也必须采用三个阻抗继电器。

第五节 距离保护的整定计算原则及对距离保护的评价 3.5.1、距离保护的整定计算原则 1. 距离保护I段的整定 A B C 1 2 3 4 5 6 距离保护I段为无延时的速动段，它应该只反应本线路的故障，下级线路出口发生短路故障时，应可靠不动作，即应该按照躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定。

线路末端母线接有分支电路时，应考虑分支电路对测量阻抗的影响。 2. 距离保护II段的整定 原则1：与相邻线路的距离I段配合 需要考虑分支电路对测量阻抗的影响 A B C 1 2 3 4 5 6 线路末端母线接有分支电路时，应考虑分支电路对测量阻抗的影响。 线路首端保护安装处测量阻抗为： 1、分支电路为电源支路时，使测量阻抗大于保护安装处到故障点的阻抗。这种使测量阻抗变大的分支称为助增分支。 （考虑到Zb的计算误差大）

2、分支电路为负荷支路时，测量阻抗小于保护安装处到故障点的阻抗。这种使测量阻抗变小的分支称为外汲分支。 （考虑到Zb的计算误差大）

原则2：按躲过线路末端变压器低压母线短路整定 与相邻变压器的快速保护配合。其动作范围不应超过变压器快速保护的范围。 取上述两项中数值小者作为保护II段定值。 动作时间： （考虑到Zb的计算误差大） 如果保护线路末端母线既有出线又有变压器，应分别按上述情况计算，取其中的较小者为整定阻抗。

灵敏度校验：按本线路末端故障校验灵敏度。 距离保护II段应能保护线路全长，本线路末端短路 若灵敏度不满足要求，应与相邻线路距离保护II段配合。

3. 距离保护III段整定 原则：按躲过输电线路的最小负荷阻抗整定（考虑外部故障切除后，电动机自启动时，距离保护III段应可靠返回） ，并与相邻下级线路距离保护II段或III段配合。 求最小负荷阻抗： 对于全阻抗继电器，其整定值为： 对于方向阻抗继电器。其整定阻抗为：

动作时间按阶梯时限原则整定。应比与之配合的相邻设备保护动作时间大一个级差，但其动作时间不应小于最大振荡周期。 灵敏度校验： 近后备的灵敏度：作为近后备时，按本线路末端短路校验。 远后备的灵敏度：作为远后备时，按相邻设备末端短路校验。

3.5.2 对距离保护的评价 1. 选择性 在多电源的复杂网络中能保证动作的选择性。 2. 快速性 距离保护的第一段能保护线路全长的85%，对双侧电源的线路，至少有30%的范围保护要以II段时间切除故障

3. 灵敏性 由于距离保护同时反应电压和电流，比单一反应电流的保护灵敏度高。 距离保护第一段的保护范围不受运行方式变化的影响。保护范围比较稳定。第二、第三段的保护范围受运行方式变化影响。（分支系数变化） 4. 可靠性 由于阻抗继电器构成复杂，距离保护的直流回路多，振荡闭锁、断线闭锁等使接线复杂，可靠性较电流保护低。 应用：在35kV~110kV作为相间短路的主保护和后备保护，采用带零序电流补偿的接线方式，在110kV线路中也可作为接地故障的保护。 在220kV线路中作为后备保护。

例：如图所示网络，母线1和3处均装设距离保护，计算母线1处距离保护I、II、III段的一次和二次动作阻抗，并校验灵敏性。 已知：1、线路AB ，网络的正序阻抗Z1=0.4欧/km，阻抗角 ； 2、I段的可靠系数取0.85，II段取0.8，III段为1.25，返回系数1.17，自起动系数为1； 3、保护用电流互感器变比为400/5；电压互感器变比110000/100，母线处距离保护初步拟定采用全阻抗继电器。

解 1、各元件阻抗的计算 AB线路的正序阻抗 BC线路的正序阻抗 变压器的阻抗 2、距离I段整定计算 （1）整定阻抗 A、保护1第I段一次整定阻抗 B、保护1第I段二次次整定阻抗 （2）动作时间 T=0s，实际上取决于继电器本身固有动作时间。

3、距离II段 （1）与下一线路保护I段配合（K1） 最小分支系数（考虑无助增电源情况）

（2）躲过线路末端变压器低压侧出口（K2）的测量阻抗 取两次计算的小值作为距离保护整定值，即 保护1第II段二次整定阻抗

灵敏系数校验 动作时间 4、距离III段 整定阻抗

动作时间： 由t4=1.0s可得t3=1.5s；由t7=0.5s可得t5=1s，取其中较长时间 T=1s+0.5s+0.5s=2s 灵敏系数校验 近后备 远后备

第六节 影响距离保护正确动作的因素及防止方法 阻抗继电器的测量阻抗时受很多因素影响的。主要有： 1、短路点的过渡电阻； 2、电力系统振荡； 3、保护安装处与故障点之间有分支电路； 4、电流互感器、电压互感器的误差； 5、电压互感器二次回路断线； 6、串连补偿电容。 本课着重讨论1、2两因素的影响及相应的措施。

3.6.1短路点过渡电阻对距离保护的影响 短路一般是非金属性的，即存在过渡电阻使得测量阻抗变化，保护范围可能缩短，但也可能超范围或误动。 一、过渡电阻的性质： 1、短路点的过渡电阻：当相间短路或接地短路时，短路电流从一相流到另一相或从相导线流入地的途径中所通过的物质的电阻。 2、分类：电弧、中间物质的电阻、相导线与地之间的接触电阻、金属杆塔的接地电阻等。 电弧电阻 ——电弧电阻 ——电弧电阻，杆塔电阻，大地电阻

3、过渡电阻的性质： 阻抗继电器感受到的过渡电阻可能不是纯电阻性的。

二、单侧电源线路上过渡电阻的影响 纯电阻性 增大，保护范围缩小 BC线路出口经Rg短路

当Rg较大，ZJ2超出其I段范围而落入II段范围内，而仍在II段的保护范围内，则保护1和2将同时以第II段时限动作，造成保护误动。 小结： ①.短路点距保护安装处越近，影响越大，反之影响越小； ②.保护装置整定值越小，相对的受过渡电阻影响越大。

三、双侧电源网络中过渡电阻的影响 BC线路出口经Rg短路（M侧为送电侧） EM EN

保护3：正方向出口短路，α<0，ZJ3落在第四象限，拒动； EM EN 保护3：正方向出口短路，α<0，ZJ3落在第四象限，拒动； 保护2：反方向出口短路，ZJ2落在第二象限，误动； 以上分析是针对方向阻抗继电器，对其它特性阻抗继电器也有类似的情形。一般而言，阻抗继电器动作特性在＋R轴方向上所占面积越大，受过渡电阻的影响就越小。 保护1：区外短路，ZJ1落入动作特性圆，误动。

四、过渡电阻对不同动作特性阻抗元件的影响： 1、对不同动作特性阻抗元件的影响分析： 假定在保护2处的距离I段采用不同特性的阻抗继电器，其整定值选择都一样。 椭圆特性阻抗继电器动作特性在复数阻抗平面+R轴方向面积最小，对过渡电阻最敏感，受其影响最大。 全阻抗继电器动作特性在+R轴方向面积最大，受影响最小。 结论：阻抗继电器的动作特性在+R轴方向所占面积越大，则受过渡电阻的影响也就越小。

2、目前防止过渡电阻影响的方法 （1）在保护范围不变的情况下，采用动作特性在+R轴方向上有较大面积的阻抗继电器。 （2）采用瞬时测量装置 只能测量用于反应相间短路的阻抗继电器。在接地短路情况下，由于电弧电阻只占过渡电阻的很小部分，这种方法不会起很大作用。

3.6.2电力系统振荡对距离保护的影响 及振荡闭锁回路 一、电力系统振荡的基本概念 1、振荡：在继电保护范围内，把发电机与系统电源之间或系统两部分电源之间功角δ的摆动现象，称为振荡。 2、振荡中心：振荡时在电势相角差为δ的情况下，系统中总有一点的电压为最低，这一点称为振荡中心，又称电气中心。 3、振荡周期：在系统发生振荡时，电压的幅值由一个最大值到下一个最大值所经历的时间，一般发生在0.25~2.5s的范围内。 在振荡时不允许继电保护误动。

1、振荡时系统各发电机电势间的相角差随时间作周期性变化； 2、系统中各点电压、线路电流以及距离保护的测量阻抗→发生周期性变化； 3、可能导致距离保护的误动作。 一、系统振荡时电压电流的分布 几点假设： ①.全相振荡时，系统三相对称，故可只取一相分析； ②.两侧电源电势EM和EN电势相等，相角差为 ③.系统中各元件阻抗角均相等，以 表示 ④．不考虑负荷电流的影响，不考虑振荡同时发生短路。

三、振荡时电流变化 振荡电流的有效值δ随变化（包络线） 四、振荡时电压变化

小结： 1、系统中总有一点的电压为最低，其值为由0向相量 所做的垂线的长度，该点则称为振荡中心，以z表示； 2、当 且系统中各元件阻抗角相等时，振荡中心的位置在全系统纵向阻抗的中点 （即 处） 3、当 ， ，I最大，相当于在线路z点发生三相短路。

五、电力系统发生振荡和短路时的主要区别 1、系统振荡时，不会出现电压和电流的负序或零序分量； 短路故障时，可能会出现电压和电流的负序或零序分量。 2、振荡时，电流和各点电压的有效值均出现周期性平滑变化；短路时，电流突然增大，电压突然降低，其变化速度很快 3、振荡时，系统各点电压和电流的相位差随振荡角不同而变化；短路故障时，电压和电流的相位差是固定不变的，等于线路阻抗角 4、在振荡中心及其附近，电压变化最为剧烈，当该点电压为零时，相当于这一点发生三相短路故障，但与实际三相短路故障仍有一定区别。

六、振荡闭锁回路的基本要求： ①.当系统只发生振荡而无故障时，应可靠闭锁保护； ②.区外故障而引起系统振荡时，应可靠闭锁保护 ③.区内故障，不论系统是否振荡，都不应闭锁保护。 根据上述基本要求，振荡闭锁回路目前主要采用两种原理： ①.利用短路时出现负序分量而振荡时无负序分量的原理 ②.利用振荡和短路时电气量变化速度不同的原理

1、利用负序（和零序）分量元件起动的振荡闭锁回路 起动元件可以利用短路时出现的负序或零序分量起动，也可以利用这些分量的增量或突变量来起动。 负序电压过滤器 在接线时，应使输出端没有正序和零序电压分量，仅有负序分量。

（1）零序分量 因零序电压大小相等、方向相同，故线电压中不可能有零序分量。 （2）正序分量

（3）负序分量