第三章 电网的距离保护 电流保护简单可靠 整定、保护范围、灵敏度受电网接线方式、运行方式影响大 电流、电压保护一般只适用于35kV及以下电压等级的配电网。35kV及其以上的复杂电网很难满足选择性、灵敏性和速动性的要求 对于110kV及以上电压等级的复杂网，线路保护采用何种保护方式？ →距离保护

第一节 距离保护的作用原理 一、基本原理 距离保护：反映故障点至保护安装点之间的距离（或阻抗），并根据距离远近而确定动作时间的一种保护装置。 测量阻抗：由施加于继电器的电压和电流测得的保护安装处至短路点的阻抗值。 当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增加，动作时间增长；保证有选择性地切除故障线路。

使阻抗继电器起动的最大测量阻抗。 1） 测量阻抗Zr：由加入继电器的电压Ur与电流Ir的比值确定。 2）  整定阻抗Zset：一般取继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗。 3) 起动阻抗（动作阻抗）Zop：它表示当继电器刚好动作时，加入继电器的电压Ur 和电流Ir的比值。 使阻抗继电器起动的最大测量阻抗。

正常运行时保护安装处测量到的线路阻抗为负荷阻抗，即 距离保护也有一个保护范围，短路发生在这一范围内，保护动作，否则不动作，这个保护范围通常只用给定阻抗的大小来实现的。 正常运行时保护安装处测量到的线路阻抗为负荷阻抗，即

在被保护线路任一点发生故障时，测量阻抗为保护安装地点到短路点的短路阻抗，即 距离保护反应的信息量比反应单一物理量的电流保护灵敏度高。

当d点短路时，保护1测量的阻抗是 ，保 护2测量的阻抗是 。 由于保护1距短路点较近，保护2距短路点较远，所以保护1的动作时间可以做得比保护2的动作时间短。这样故障由保护1切除，而保护2不动作。这种选择性的配合，是靠适当地选择各个保护的整定值和动作时限来完成的。

二、距离保护的时限特性 定义：动作时间与保护安装处至短路点之间距离关系 三段阶梯型时限特性，称距离保护的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。 ① 距离Ⅰ段 定义：动作时间与保护安装处至短路点之间距离关系 三段阶梯型时限特性，称距离保护的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。 ① 距离Ⅰ段 希 望：保护被保护范围全长，但满足选择性要求 动作值： 动作时间： =保护本身固有动作时间

② 距离Ⅱ段 希 望：保护范围不超出下一条线路距离Ⅰ段的保护范围，同时带有高出一个 的时限。 ② 距离Ⅱ段 希 望：保护范围不超出下一条线路距离Ⅰ段的保护范围，同时带有高出一个 的时限。 动作值：当保护1第Ⅰ段末端短路时，保护2的测量阻抗为 动作时间： 距离保护Ⅰ段和Ⅱ段联合构成本线路的主保护。 ③ 距离Ⅲ段 希 望：作为相临线路保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也作为距离Ⅰ、Ⅱ段的后备保护。 动作值： = 按躲开正常运行的最小负荷阻抗来整定， 不同工作特性阻抗继电器整定方法有差别。 动作时间：

距离保护的动作时间t与保护安装处到故障点之间的距离l的关系称为距离保护的时限特性，目前获得广泛应用的是三阶梯型时限特性。

第二节 阻抗继电器 阻抗继电器是距离保护装置的核心元件，主要作用：测量短路点到保护安装处之间的距离，并与整定阻抗值进行比较，以确定保护是否应该动作。 单相式阻抗继电器：加入继电器的只有一个电压 （可 以是相电压或线电压）和一个电流 （可以是相电流或两相 电流之差）的阻抗继电器， 和 的比值称为继电器的测量 阻抗 ，即 可以写成 的复数形式，利用复数平面来分析 这种继电器的动作特性。

一、构成阻抗继电器的基本原则 以线路B-C的保护1为例，将阻抗继电器的测量阻抗画在复数阻抗平面上。 线路的始端B位于坐标原点，正方向线路的测量阻抗在第一象限，反方向线路的测量阻抗在第三象限，正方向线路测量阻抗与R轴之间角度为线路B-C的阻抗角 。对保护1的距离Ⅰ段，起动阻抗应整定为

为了减少过渡电阻以及互感器误差的影响，尽量简化继电器的接线，并便于制造和调试，通常把阻抗继电器的动作特性扩大为一个圆。如图所示，其中1为全阻抗继电器的动作特性，2为方向阻抗继电器的动作特性，3为偏移特性的阻抗继电器的动作特性。

正方向短路时：测量阻抗在第一象限，正向测量阻抗Zr与R轴的夹角为线路的阻抗角d； 反方向短路时：测量阻抗在第三象限。如果测量阻抗的相量，落在　　向量以内，则阻抗继电器动作；反之，阻抗继电器不动作。 阻抗继电器都接于流互和压互的二次侧，测量阻抗与系统一次侧阻抗之间存在关系

二、阻抗继电器的特性分析 1.全阻抗继电器 特性：以B点（继电器安装点）为圆心，以整定阻抗 为半径所作的一个圆，如图所示。当测量阻抗 位于圆内时继电器动作，圆内为动作区，圆外为不动作区。当测量阻抗正好位于圆周上时，继电器刚好动作，此时阻抗为起动阻抗 。

该特性是以原点为圆心作的圆，因此不论加入继电器的 电压和电流之间的角度 为多大，继电器起动阻抗在数值 上等于整定阻抗，即 ，全阻抗继电器没有方向性。 ①幅值比较方式。当测量阻抗 位 于圆内时，继电器能够起动，用阻抗的幅值表示，即 这是比幅式继电器（比较两电压向量幅值大小）的动 作与边界条件。 为电流在某一恒定阻抗 上的电压 降落，利用电抗互感器或其它补偿装置获得。

（2）相位比较 继电器的动作边界条件为:

继电器的动作边界条件为: 分子分母同乘以测量电流得

2. 方向阻抗继电器 特性：以整定阻抗 为直径而通过坐标原点的一个圆。 圆内为动作区，圆外为不动作区。当加入继电器的电压和电流之间的相位差 为不同数值时，继电器的起动阻抗也将随之改变。 当 等于的阻抗角 时，继电器的起动阻抗达到最大，等于圆的直径，此时，阻抗继电器的保护范围最大，工作最灵敏。

（1）幅值比较 起动（即测量阻抗 位于圆内）条件为 当反方向发生短路时，测量阻抗 位于第三象限，继电器不能动作，它本身具有方向性，称方向阻抗继电器。

（2）相位比较 相位比较的方向阻抗继电器动作特性如下图所示： 其动作与边界条件为

3. 偏移特性的阻抗继电器 特性：当正方向的整定阻抗为 时，同时向反方向偏移一个 ，其中 。圆内为动作区，圆外为不动作区。圆的直径为 ，圆心坐标 该特性介于方向阻抗继电器和全阻抗继电器之间，当 时，为方向阻抗继电器，而当 时，为全阻抗继电器，其起动阻抗既与 有关，但又没有完全的方向性，所以一般称为具有偏移特性的阻抗继电器。

Z r - r Z 1、比幅式动作方程： set r Z ) 1 ( 5 . a +  -

（2）相位比较 其相位比较的动作与边界条件为 r Z r Z set2 Z - set2 Z -

r Z r Z set2 Z - set2 Z -

第三节 阻抗继电器的接线方式 1、对阻抗继电器接线要求 （１）阻抗继电器的测量阻抗应正比于短路点到保护安装处之间的距离； （２）阻抗继电器的测量阻抗应与故障类型无关，也就是保护范围不随故障类型而变化；

2、反映相间短路故障接线 （1） 当 时，加在继电器端子上电压与电流的相位差为零。

为了正确反映保护安装处到短路点之间的距离，必须加入相间电压和同名相的两相电流差。 继电器1 继电器2 继电器3

当发生单相金属性接地短路故障时，只有故障相的电压降低，故障点相对地电压为零。 3、反映接地短路故障的阻抗继电器接线 作用：作为接地短路故障测量元件。 当发生单相金属性接地短路故障时，只有故障相的电压降低，故障点相对地电压为零。

以A相为例，故障点对地电压为零。

将故障点电压和电流分解为序分量，则 保护安装处三序分量电压为

保护安装处A相电压为：

若加入继电器电压、电流为 则测量阻抗为

为了正确测量阻抗，加入继电器电压、电流应为： 其中： 测量阻抗

显然，加入相电压、带零序电流补偿的相电流，阻抗继电器就能正确测量保护安装处至短路点间距离。 继电器1 继电器2 继电器3

前情提要： 三段式距离保护工作原理 阻抗继电器的接线 阻抗继电器的动作特性

r Z set r Z ) 1 ( 5 . a +  -

第5节 距离保护振荡闭锁 1、电气量变化特点； 2、测量阻抗的特性分析； 3、短路故障和振荡的区分； 4、振荡过程中对称短路故障的识别； 第5节 距离保护振荡闭锁 1、电气量变化特点； 2、测量阻抗的特性分析； 3、短路故障和振荡的区分； 4、振荡过程中对称短路故障的识别； 5、振荡闭锁。

教学要求： 通过学习要求掌握系统振荡时电气量变化的特点；测量阻抗变化特性；短路与振荡的区分原理。

1、系统振荡时电气量变化特点 定义：并列运行的系统或发电厂失去同步的现象称为振荡。 特点：电力系统振荡时两侧等效电动势的夹角 在 作周期性变化。 原因：切除短路故障时间过长、误操作、发电厂失磁或故障跳闸、断开某一线路或设备等造成系统振荡。 产生的影响：电力系统振荡时，将引起电压、电流大幅度变化，对用户产生严重影响。 要求：在振荡过程中不允许保护发生误动作。

振荡时电气量变化的特点 （1）电流作大幅度变化 若 ，正常运行时夹角为 ， 负荷电流为：

系统振荡时，设 超前 的相位为 ，两侧电势相等，系统中各元件阻抗角相等，振荡电流为： 最大。 当 振荡电流滞后电势差角为： M N

特点：正常运行时负荷电流幅值保持不变，振荡电流幅值作周期变化。 最大。 当

M N 系统M、N点的电压为： Z点位于 处。 当 最大。

母线M的电压： =0, 90, =180, 270, =360,

因此，继电保护装置必须具备区别三相短路和系统振荡的能力，才能保证在系统振荡状态下的正确工作。 在Z点位于Z/2处，当=180时： 最大。 电压Uz=0， 此点的电气参数与什么故障相类似？ 三相短路。 因此，继电保护装置必须具备区别三相短路和系统振荡的能力，才能保证在系统振荡状态下的正确工作。

2.电力系统振荡对距离保护的影响 M母线上阻抗继电器的测量阻抗为 M N

结论：阻抗继电器的测量阻抗将在Z的垂直平分线OO上移动。 应用欧拉公式及三角公式，有 2 jctg 1 e j d - = j e d - = sin cos 于是 结论：阻抗继电器的测量阻抗将在Z的垂直平分线OO上移动。

N B M A M N

结论：在同样整定值的条件下全阻抗继电器受振荡的影响最大，而方向阻抗继电器所受的影响最小。

前情提要： 电力系统振荡电气量变化

电力系统振荡对距离保护的影响 (1)继电器的动作特性在阻抗平面沿oo′方向所占的面积越大，受振荡的影响就越大。 (2)保护安装地点越靠近于振荡中心，距离保护受振荡的影响越大，而振荡中心在保护范围以外时，距离保护不会误动。 （3）当保护的动作带有较大的延时时，如距离Ⅲ段，可利用延时躲开振荡的影响。

双稳态

第7节 影响距离保护正确工作的因素 短路点过渡电阻对距离保护的影响 分支电流的影响 电压回路断线对距离保护的影响 第7节 影响距离保护正确工作的因素 短路点过渡电阻对距离保护的影响 分支电流的影响 电压回路断线对距离保护的影响 电力系统振荡对距离保护的影响

1、过渡电阻对距离保护的影响 为了分析问题的简便，前面分析问题时总是假设金属性短路故障。事实上，短路点通常是经过渡电阻短路的。 短路点的过渡电阻是指当相间短路或接地短路时，短路点的短路电流所通过的物质的电阻。

过渡电阻的特点： 短路点的过渡电阻主要是纯电阻性的电弧电阻Rg，且电弧的长度和电流的大小都随时间而变化，在短路开始瞬间电弧电流很大，电弧的长度很短，Rg很小。随着电弧电流的衰减和电弧长度的增长，Rg随着增大，大约经0.1～0.15秒后，Rg剧烈增大。

保护2的测量阻抗为 。 保护1的测量阻抗为 ，

结论：保护装置距短路点越近时，受过渡电阻的影响越大，同时保护装置的整定值越小，则相对地受过渡电阻的影响也越大。

当为正时，测量阻抗增大，当为负时，测量阻抗的电抗部分将减小。在后一种情况下，可能导致保护无选择性的动作。 保护1和保护2的测量阻抗分别为 对于双侧电源的网络，短路点的过渡电阻可能使测量阻抗增大，也可能使测量阻抗减小。 当为正时，测量阻抗增大，当为负时，测量阻抗的电抗部分将减小。在后一种情况下，可能导致保护无选择性的动作。

=

过渡电阻对不同特性的阻抗继电器的影响

在短路开始瞬间电弧电流很大，电弧的长度很短，Rg很小。随着电弧电流的衰减和电弧长度的增长，Rg随着增大，大约经0. 1～0 在短路开始瞬间电弧电流很大，电弧的长度很短，Rg很小。随着电弧电流的衰减和电弧长度的增长，Rg随着增大，大约经0.1～0.15秒后，Rg剧烈增大。

2、采用瞬时测定装置 既使电弧电阻增大，使KR返回，保护仍能以预定的延时跳闸。 “瞬时测定”就是把距离元件的最初动作状态，通过起动元件的动作而固定下来，当电弧电阻增大时，仍以预定的时限动作跳闸。它通常应用于距离保护第Ⅱ段。 在短路的初瞬间，KA及KR均动作， KM、KT起动，通过KA的接点及KM自保持，此后KM的动作与KR无关 经过KT的延时 发出跳闸脉冲。 既使电弧电阻增大，使KR返回，保护仍能以预定的延时跳闸。

二、分支电流的影响 1.助增电流的影响 使故障线路电流增大的现象，称为助增。如下图所示电路，当在BC线路上的D点发生短路时，在变电所A距离保护1的测量阻抗为 结论：助增电流，使测量阻抗增大，保护范围缩短。

2.外汲电流的影响 使故障线路中电流减小的现象称为外汲。如下图所示电路，当在平行线路上的D点发生短路时，在变电所A距离保护1的测量阻抗 结论：外汲电流时使测量阻抗减小，保护范围增大，可能引起无选择性动作。

第八节 距离保护的整定计算 一、距离保护段 1.动作阻抗 2.动作时限

二、距离保护Ⅱ段 1.动作阻抗 （1）与下一线路的第一段保护配合 式中 Kb为分支系数， （2）与相邻变压器的快速保护相配合 取（1）、（2）计算结果中的小者作为 。

2.动作时限 3.灵敏度校验 如灵敏度不能满足要求，可按照与下一线路保护第Ⅱ段相配合的原则选择动作阻抗，即 第Ⅱ段的动作时限应比下一线路第Ⅱ段的动作时限大一个时限阶段，

三、 距离保护段 1.动作阻抗 按躲开最小负荷阻抗来选择，若第Ⅲ段采用全阻抗继电器，其动作阻抗为 式中 ——最小负荷阻抗，

2．动作时限 3.灵敏度校验 作近后备保护时 作远后备保护时 式中，Kb为分支系数，取最大可能值。

讨论： 1）当采用全阻抗特性圆时，由于起动阻抗与 无关，因此： 2）当采用方向圆时， 因此，方向阻抗继电器具有较好的躲负荷性能。

思考：灵敏度不能满足要求时， 怎么办？ 采用方向阻抗继电器，以提高灵敏度 方向阻抗继电器的动作阻抗的整定原则与全阻抗继电器相同。正常运行时，负荷阻抗的阻抗角L较小;短路时，短路阻抗角d较大。如果选取方向阻抗继电器的lm = k ，则方向阻抗继电器的动作阻抗为 结论：采用方向阻抗继电器时，保护的灵敏度比采用全阻抗继电器时可提高1/cos(k - L )。

二、对距离保护的评价 距离Ⅰ段，保护全长80%～85%，两端合成起来有30%～40%长度不能瞬时切除，0.5s延时。 较电流保护的灵敏度高。 根据距离保护的工作原理，可在多电源的复杂网络中保证动作的选择性。 距离Ⅰ段，保护全长80%～85%，两端合成起来有30%～40%长度不能瞬时切除，0.5s延时。 较电流保护的灵敏度高。 距离保护中，采用了复杂的阻抗继电器和大量辅助继电器，可靠性低（指传统阻抗继电器）。