第3章 电网的距离保护

nullnull第3章 电网的距离保护电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.1.1 距离保护的引入 特点：保护安装点到故障点的短路阻抗不变 3.1.2 三段式距离保护整定 1 距离I段-其保护范围本回线末端 ZsetI=KrelIZAB 2 距离II段 本回线路的保护范围不伸出下回线的I段保护区 Zset.2II=KrelII ( ZAB+ KrelIZBC） 3 距离III段 躲开正常运行时的最小负荷阻抗整定3.1 距离保护的原理电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.1.3 阻抗继电器 3.1.3.1 对阻抗继电器的要求 线路阻抗角 过渡电阻 负荷阻抗 3.1.3.2 具体的阻抗继电器 如图 A＝ZsetIm B＝Um |A|≥ |B|－－比幅式 |Zm|≤ |Zset| 如图 C=Um+ZsetIm D=-Um+ZsetIm |arc(C/D)| ≤ 90 –比相式 |arc(Zm+Zset)/(Zset-Zm)| ≤ 90 比相式和比幅式具有相同的阻抗平面特性电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null 3.1.3.3 理论依据 已知 A B C=A+B D=A-B 当|A|>|B| C D 夹角<90 当|A|=|B| C D 夹角=90 当|A|<|B| C D 夹角>90 3.1.3.4 阻抗继电器的实现 1 全阻抗继电器 1）比幅式 2）比相式 3) 特点： 没有方向性；躲过渡电阻的能力强 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null 2 方向阻抗继电器 1）比幅式 |Zm-1/2Zset|≤|1/2Zset| |Um-1/2ZsetIm|≤|1/2ZsetIm| A=1/2Zset B= Zm-1/2Zset 2）比相式 C=A+B=Zm D=A-B=Zset-Zm |arg(C/D)| ≤90 或|arg(D/C)| ≤90 3）特点 存在死区电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null 3 具有偏移特性的阻抗继电器 设偏移度为а （一般5％－15％之间） 1）比幅式 |Zm- ½(Zset-аZset)| ≤ ½ |Zset+аZset| 2）比相式 很容易得出比相式的表达式 4 最期望的阻抗继电器特性 没有死区又有方向性的保护特性 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.2.1 接线方式 0 度接线方式 相间距离： AB 相 UmAB =UA-UB; ImAB =IA-IB BC 相 UmBC =UB-UC; ImAB =IB-IC CA 相 UmCA =UC-UA; ImAB =IC-IA 接地距离： A 相 UmA =UA; ImA =IA+ K3Io B 相 UmB =UB; ImB =IB+ K3Io C 相 UmC =UC; ImC =IC+ K3Io 3.2 阻抗继电器的接线方式电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.2.2 相间阻抗继电器的性能分析 3.2.2.1 三相短路K（3） AB相 ZmAB= Z1 BC相 ZmBC= Z1 CA相 ZmCA= Z1 ---用保护安装处到故障点的正序阻抗Z1来反应距离 3.2.2.2 二相短路K（2） 不失一般性 设BC相短路 BC 相 UBC＝Z1IB－Z1IC ZmBC= Z1 AB相 ZmAB>> Z1 由于UAB很高，IA＝0 CA相 ZmCA>> Z1 由于UCA很高，IA＝0 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null 3.2.2.3 二相接地短路K（1.1） 不失一般性 设BC相接地短路 用序网络分析法分析： U1=Ud1+Z1I1 U2=Ud2+Z2I2 U0=Ud0+Z0I0 BC 相 UB=a2U1+aU2+U0 =a2Z1I1+aZ2I2+Z0I0+(a2Ud1+aUd2+Ud0) = a2Z1I1+aZ2I2+Z0I0 = Z1(a2I1+aI2+I0-I0)+Z0I0 = Z1(IB-I0)+Z0I0=Z1IB+(Z0-Z1)I0 UC= Z1Ic+(Z0-Z1)I0 UBC=UB-UC=Z1(IB-IC) ZmBC=Z1 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null AB相 ZmAB>> Z1 由于UAB很高，IA＝0 CA相 ZmCA>> Z1 由于UCA很高，IA＝0 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null 3.2.2.4 单相接地短路K（1） 不失一般性 设A相接地短路 AB相 ZmAB>> Z1 由于UAB很高，IB＝0 BC相 ZmBC>> Z1 由于UBC很高，IB＝0，IC＝0 CA相 ZmCA>> Z1 由于UCA很高，IC＝0 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.2.3 接地阻抗继电器的性能分析 3.2.3.1 单相接地短路K（1） 不失一般性 设A相接地短路 用序网络分析法分析： U1=Ud1+Z1I1 U2=Ud2+Z2I2 U0=Ud0+Z0I0 A相 UA=U1+U2+U0 =Z1I1+Z2I2+Z0I0+(Ud1+Ud2+Ud0) =Z1I1+Z2I2+Z0I0 = Z1(I1+I2+I0-I0)+Z0I0 = Z1(IA-I0)+Z0I0=Z1IA+(Z0-Z1)I0 =Z1（IA+(Z0-Z1)/Z1I0) =Z1（IA+K3I0) K=(Z0-Z1)/(3Z1)=Const ZmA=Z1 B相 ZmB>> Z1 由于UB很高，IB＝0 C相 ZmC>> Z1 由于UC很高，IC＝0电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.2.3.2 三相短路K（3） A相 ZmA= Z1 B相 ZmB= Z1 C相 ZmC= Z1 3.2.3.3 二相短路K（2） 不失一般性 设BC相短路 A相 ZmA>> Z1 由于UA很高，IA＝0 B相 ZmB>> Z1 由于UB很高 C相 ZmC>> Z1 由于UC很高 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null 3.2.3.4 二相接地短路K（1.1） 不失一般性 设BC相接地短路 用序网络分析法分析： U1=Ud1+Z1I1 U2=Ud2+Z2I2 U0=Ud0+Z0I0 B 相 UB=a2U1+aU2+U0 =a2Z1I1+aZ2I2+Z0I0+(a2Ud1+aUd2+Ud0) = a2Z1I1+aZ2I2+Z0I0 = Z1(a2I1+aI2+I0-I0)+Z0I0 = Z1(IB-I0)+Z0I0=Z1IB+(Z0-Z1)I0 ＝Z1(IB+K3I0) ZmB=Z1 C 相 同样分析可得 ZmC=Z1 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null A相 ZmA>> Z1 由于UA很高，IA＝0 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.2.4 正确测量的阻抗继电器总结 只有故障相的继电器可以正确测量距离 故障相应理解为故障回路，而不是一般意义上的故障相。 表格：能正确测量的阻抗继电器 数字保护经常采用选择故障相的方法来减少CPU的运行负担 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.3.1 问题的提出 方向阻抗继电器，比相式： C=Um D=ZsetIm - Um |arc(C/D)| ≤90 或|arc(D/C)| ≤90 保护安装点出口处发生故障时 Um＝0 无法比相 死区是由于Um的消失而产生的。 如果Um不消失则问题就可能解决 3.3 具有记忆作用的方向阻抗继电器电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.3.2 Um 方向的分析 以K（2）为例 Um的方向和Um[0]相同 C=Um[0] D=ZsetIm - Um 3.3.3 Um[0] 方向的实现 a）Um较大时， Um起主导作用 b）引入非故障相电压 c）近处三相短路时，无死区 A) 如图 R5很大，Xc＝Xl 分析：三相短路，谐振回路记住了故障前的相位 分析：二相短路，非故障相电压产生的电压方向和Um相同 Ip＝j(Xl/Rp)*IR5 B) UBC.m[0]=UBC+αUAe-j90 C) 数字保护中采用故障前的记忆电压 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.3.4 具有记忆作用的方向阻抗继电器性能分析 3.3.4.1 正前方发生故障 如图 Im=E/(Zs+Zm) Um=ZmIm=(Zm/(Zs+Zm)E arg(C/D)=arg(Um[0]/(ZsetIm-Um)) =arg(Zm+Zs)/(Zset-Zm)+arg(Um[0]/E) Um[0]和E基本同相： arg(Um[0]/E)＝0 | arg(Zm+Zs)/(Zset-Zm) |≤ 90 偏移特性园 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null 3.3.4.2 反方向发生故障 如图 Im=－E’/(Zs’+(-Zm)) (Zs’含线路阻抗） = E’/(Zm-Zs’) Um=ZmIm arg(C/D)=arg(Um[0]/(ZsetIm-Um)) =arg(Zm-Zs’)/(Zset-Zm)+arg(Um[0]/E’) Um[0]和E’基本同相： arg(Um[0]/E’)＝0 | arg(Zm-Zs’)/(Zset-Zm) |≤ 90 上抛特性园 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.4.1 戴维南叠加原理 3.4.2 保护原理 ∆ Uop= ∆ Um- ∆ ImZset ∆ Uop有明确的物理观念：保护范围末的故障分量电压 动作方程： | ∆ Uop |≥ |UE[0]| 正常时：|UE[0]|≈ |E| 因此动作方程可表达为： | ∆ Uop |≥ |E| 3.4 工频变化量距离保护电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.4.3 保护性能分析 3.4.3.1 正前方保护区外故障 3.4.3.1 保护区内故障 可见为以Zset整定的 ∆ Uop：保护范围末的故障分量计算电压 没有死区 3.4.3.1 背后故障 具有方向性 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.5.1 距离I段 距离I段-其保护范围本回线80％－85％ ZsetI=KrelIZAB 3.5.2 距离II段 本回线路的保护范围不伸出下回线的I段保护区 以双回线为例： Zset.2II=KrelII ( ZAB+ KrelIKb.minZBC） 3.5.3 距离III段 躲开正常运行时的最小负荷阻抗整定 全阻抗 方向阻抗－灵敏度更高 有时用过流保护替代 3.5.4 精工电流的概念 在数字保护中一般都满足 3.5 再谈距离保护的整定电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.6.1 振荡的原因和特点 3.6.1.1 原因 重负荷、长线路 短路大扰动、其它小扰动 系统一侧功率过剩，另一侧不足 稳定裕度太小 3.6.1.2 特点 相当于振荡中心三相短路 三相仍是对称 振荡过程是缓慢的 一般指没有故障的振荡 3.6 距离保护的振荡闭锁电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.6.2 振荡电压和电流的变化规律 3.6.2.1 振荡中心处 设|EM|=|EN|=|Eφ| φ =0 U= Eφ I=0 φ =180 U=0 I= Eφ /(Z∑/2)(相当于三相短路电流） Z∑/2＝振荡中心 3.6.2.2 保护安装处 设|EM|=|EN|=|Eφ| φ =0 U= Eφ I=0 φ =180 U= Eφ- (ZM/ Z∑)2Eφ =[（ Z∑－2ZM)/ Z∑ ]Eφ I= Eφ /(Z∑/2) Z∑/2＝振荡中心 从定性的分析看，阻抗保护将可能误动 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.6.3 振荡对距离保护的影响 3.6.3.1 距离保护测量到的振荡轨迹 1 |EM| ＝|EN|时 线路中心o到地电位点o’ Zo=jZ∑/2ctg(δ/2) (方向指向o点） Zm=(Z∑/2-ZM)+(- Zo) = (Z∑/2-ZM)-jZ∑/2ctg(δ/2) (教科书3.131式） 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null 2 |EM| < |EN|时 3 |EM| > |EN|时 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null 3.6.3.2 距离保护的影响 1 只影响振荡中心经过的距离保护 2 一般对距离I段II段影响最大，对距离III段基本没有影响 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.6.4 距离保护的振荡闭锁 3.6.4.1 振荡闭锁的要求 1 全相、非全相振荡不误动 2 全相、非全相振荡，线路不对称故障，保护应有选择性跳闸 纵联保护快速跳闸 3 全相振荡发生三相短路，可靠带延时动作 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null 3.6.4.2 dZ/dt原理的振荡闭锁 1 ZI、ZII ZIII同时启动认为短路，否则为振荡 依靠to延时确定 一般30ms 显然to不能太长超过振荡阻抗从III段进入II段的时间 显然to不能太短，应充分考虑III段比II段短路时先启动的误差时间。 2 一旦振荡，通过0/0.5“ 保持。振荡不止，闭锁不解 3 缺点：振荡时短路III段切除故障电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.6.4.3 利用系统短路时的负序、零序分量或电流的突变短时开放保护，实现振荡闭锁 （见教科书图3.33 P111） 1 系统没有故障时，ZI、ZII处于出口闭锁状态 2 系统振荡时 SW 的 故障判别S和整组复归R 一般不动 ZI、ZII处于出口闭锁状态 3 系统故障 SW 的 故障判别S和整组复归R 同时动作 ZI、ZII短时开放出口动作TDW，如此时间不动作则闭锁保护 显然 TDW 要保证故障时可靠跳闸动作，不能太短小于0.1 TDW 振荡时测量阻抗进入ZII之前可靠闭锁，不能太长大于0.3 TDW 一般取0.15 4 振荡期间整组不会复归，保护一直闭锁 5 故障消失和振荡不存在同时满足后一短时间整组才复归 6 故障判别 利用系统短路时的负序、零序分量或电流的突变原理电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.6.4.4 利用dZ/dt周期性开放保护，实现振荡闭锁 （见教科书图3.34 P112） 1 KZ1 比KZ2灵敏。大圆套小圆 2 和第一种方法比，振荡中心经过时间⌂t（前述to）比较好整定和控制 3 每个振荡周期都将从头再来 4 ⌂t考虑短路KZ1 KZ2同时启动误差时间，保证振荡中心由KZ1到KZ2时间大于⌂t（即在KZ2输出开放保护之前KZ1能闭锁之） 5 保护一旦开放，必须等到KZ2返回才会再次闭锁 6 短路时，KZ1，KZ2 同时动作，由于KT经过⌂t才去闭锁出口，因此，KZ2能够开放保护，同时将KZ1出口与门解除，使得KT一直没有输出，直到KZ2返回开放保护才结束。 7.振荡时KZ1比KZ2 先动作，由于KT经过⌂t后KZ2还未动因此闭锁开放保护出口，直到KZ1返回闭锁开放保护才第一个过程结束。如果一直是振荡过程，事实上开放保护一直是闭锁的。 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护）null3.6.5 振荡过程中再故障判定 1 振荡不对称短路开放 |I2|+|Io|≥ m|I1| (m=0.5-0.7) 2 振荡对称短路开放 不计线路阻抗中的电阻分量（超高压线路），等效图如图 电力系统继电保护 （第3章 电网的距离保护） 一般取定值 -0.03p.u.