线路保护原理

测量阻抗及其与故障距离之间的关系
测量阻抗定义为保护安装处测量电压与测量 电流之比：
Zm

U m Im
Zm Zm m Rm jXm
测量阻抗及其与故障距离之间的关系
❖在电力系统正常运行时，Um 近似为额定电 压， Im 为负荷电流，Zm 为负荷阻抗。负荷 阻抗的量值较大，其阻抗角为数值较小的功 率因数角（一般功率因数为不低于0.9，对 应的阻抗角不大于25.80），阻抗性质以阻 性为主，如下图2中的ZL 所示。
相电压电流算出的测量阻抗都会比较大，算出的距离
一般都大于整定距离，由它们构成的距离保护一般都
不会动作，但在某些特殊的情况下（比如保护安装处
零序电流很大时），也有可能动作。
三相系统中测量电压和测量电流的选取
❖同理可以分析B相和C相单相接地故障时的情 况，分析表明，只有故障相电压与带零序电流 补偿的故障相电流之间满足（5）式，能够正 确测量故障距离，非故障相测出的阻抗接近负 荷阻抗，一般不会动作。
❖不能正确测量有两个方面的含义，一方面是把测量阻抗测大， 反映出故障距离变远，即不动作；另一方面是把测量阻抗测 小，反映出故障距离变近，可能导致在区外故障情况下误动 作。此处，非故障环上的电压、电流算出的阻抗一般是第一 种情况，通常不会动作
故障环的概念
❖微机保护中，距离保护的硬件接线只有一套，故障环的选 取是由软件实现的，分两种情况：
测量阻抗及其与故障距离之间的关系
❖电力系统发生金属性短路时，U m 降低，Im 增大，Zm 变为短路点与保护安装处之间短路 阻抗 Zk ，对于具有均﹥匀分布参数的输电线 路来说， Zk与短路距离 Lk 成线性正比关系， 即：
Zk z1Lk
测量阻抗及其与故障距离之间的关系
❖短路阻抗的阻抗角就等于输电线路的阻抗 角，数值较大(对于220kV及以上电压等级的 线路，阻抗角一般不低于750)，阻抗性质以 感性为主。当短路点分别位于图1 中的k1 、 k2和k3点时，对应的短路阻抗分别如图2中 的 Zk1 、Zk2 和 Zk3 所示。
❖ 故障的形式包括：三相故障、两相故障、两相 接地故障、单相接地故障共有不同相别的十种 故障类型，同时要考虑非全相运行的问题、同 杆并架双回线的跨线故障问题等；
220kV及以上输电线路的继电保护
❖ 220kV及以上电压等级输电线路在电力系统中 占据着十分重要的地位，对其继电保护有较高 的要求，微机保护后，线路保护一般均设计为 成套保护，即一套保护完成所有的主保护和原 理上的后备保护功能，为了实现设备上的后备， 通常采用双重化配置或多重化配置。
配电线路的继电保护
这样的保护配置带来的危害： （1）设备烧毁的程度严重； （2）引发电压稳定性问题； （3）电压跌落持续时间长。
配电线路的继电保护
解决问题的思路：
（1）微机保护采用后，简单、经济、可靠不再是电 流电压保护的独特优点；
（2）配电系统全面推广应用距离保护；（技术上没 有困难，不增加复杂程度，除应该考虑TV断线闭 锁外，基本没有负面影响）
故障环的概念
故障电流可能流通的通路称为故障环。 在单相接地故障的情况下，存在一个故障相与大地之间的 故障环（相—地故障环）； 两相接地故障的情况下，存在两个故障相与大地之间的 相—地故障环和一个两故障相之间的故障环（相—相故障 环）； 两相不接地故障的情况下，存在一个两故障相之间的相— 相故障环； 三相故障的情况下，存在三个相—地故障环和三个相—相 故障环。
❖该式是距离保护能够用测量阻抗来正确表示 故障距离的前提和基础，即只有测量电压、测 量电流之间满足该式时，测量阻抗才能正确地 反应故障的距离。 ❖在实际三相系统的情况下，由于存在多种不 同的短路类型，而在各种不对称短路时，各相 的电压电流都不再简单地满足式（5），所以 无法直接用各相的电压、电流构成距离保护的 测量电压和电流。
U A U kA IA1z1Lk IA2 z2 Lk IA0 z0 Lk
UkA [(IA1
U kA (IA
IA2 IA0 ) 3IA0
K 3I0 ) z1Lk
z0 z1 3z1
] z1Lk
（6a）
U B U kB (IB K 3I0 ) z1Lk
（6b）
UC UkC (IC K 3I0 ) z1Lk
k3 M KZ Im
G~
Lk3
QF
U m
k1 Lset k2
Lk1
Lk2
图1 线路系统图
N
G~ QF
jX Zk2
Zset
Zk1
ZL
R Zk3
图2 负荷阻抗与短路阻抗
测量阻抗及其与故障距离之间的关系
❖依据测量阻抗 Zm 在上述不同情况下的 “差异”，保护就能够“区分”出系统是否 出现故障，在发现有故障的情况下，可以进 一步地“区分”出是区内故障还是区外故障。 ❖继电保护：依据“差异”，实现“区分”
ImB 或 U mC 、 ImC 之间都不满足式(5)，所以 两非故障相的测量电压、电流不能准确地反应 故障的距离。
三相系统中测量电压和测量电流的选取
IC
❖在另一方面，由于U kB 、U kC 均接近正常电压，而IB 、
均接近正常负荷电流，B、C两相的工作状态与正常
负荷状态相差不大，所以在A相故障时，由B、C两
三相系统中测量电压和测量电流的选取
上面的讨论是以单相系统为基础的。在这种 单相系统中，测量电压 U m 就是保护安装处 的电压，测量电流 Im 就是线路中的电流， 系统金属性短路时两者之间的关系为：
U m Im Zm Im Zk Im z1 Lk （5）
三相系统中测量电压和测量电流的选取
线路继电保护 原理
线路的分类
❖ 从继电保护的角度出发，在电力系统中，线 路主要分为以下三类：
1. 6～66kV的中压配电线路； 2. 110kV的输配电线路； 3. 220kV及以上电压等级的高压输电线路。
配电线路的继电保护
❖ 这三种类型线路的继电保护在原理上和构成 上有很大的差异：
6～66kV的中压配电线路一般为单电源、辐 射状的小电流接地系统线路，故障形式只有 三相故障和两相故障两种形式（ABC三相故 障或AB、BC、CA两相故障）。保护一般为 电流电压保护。主要问题是速断保护区短， 线路大部分的故障需要经过延时切除。
（3）纵联保护原理应用于配电线路保护。（主要考 虑用低成本的通信手段传输继电保护的信息，可用 的手段包括：导引线、复用光纤、无线电台、移动 通信、无线宽带技术 等）
110kV输配电线路的继电保护
❖ 110kV的输配电线路一般为大电流接地系统的单 电源辐射状网络，部分线路末端可能接有小的 分散电源；
❖ 主要包括以下的几项内容： （1）输电线路的距离保护； （2）输电线路的纵联电流差动保护； （3）输电线路的综合重合闸。
220kV及以上输电线路的继电保护
（1）输电线路的距离保护； （2）输电线路的纵联电流差动保护。 （3）输电线路的重合闸。
输电线路的距离保护
❖距离保护是通过反映故障点到保护安装处的距离而动作 的继电保护装置，通常应用于110kV及以上电压等级的输 电线路，其原理也可以应用于35kV及以下电压等级的配电 线路； ❖构成距离保护的核心就是测量故障点到保护安装处的距 离，并与一个事先整定的距离相比较，测量距离小于整定 距离时保护动作； ❖测量故障距离的方法包括阻抗法、行波法和雷达法，其 中应用最多的是阻抗法，此处重点介绍阻抗法。
故障环的概念
❖在传统的距离保护中，故障环的选取是靠冗余接线来实现的， 即距离保护的每一段都有三个相间阻抗继电器和三个接地阻 抗继电器组成，三段式保护中需要18个独立的阻抗继电器。 对于任何一种类型和相别的故障，每一段的6个继电器中，至 少有一个是在故障环上，它能够正确测量故障距离，其他不 在故障环上的继电器不能正确测量，但一般不动作。
❖ 故障的形式包括：三相故障、两相故障、两相 接地故障、单相接地故障共有不同相别的十种 故障类型；
❖ 采用的保护一般为三段式相间距离保护、三段 式接地距离保护、多段式（方向）零序电流保 护；
~
1
2
3
t2II t1I
t3III t1I
t3III t2II
110kV输配电线路的继电保护
❖ 末端带有分散电源时，或线路接于较为重 要的母线时，可采用纵联保护。
三相系统中测量电压和测量电流的选取
❖现以图3所示网络中k点发生短路故障时的情况为例， 对此问题进行分析讨论。按照对称分量法，可以求 出M母线上各相的电压：
M KZ IA
G~
IB IC
U AU BU C
Lk
(Z1 ,Z2, Z0) Lk
k
U kA U kB U kC
N G~
三相系统中测量电压和测量电流的选取
（6c）
三相系统中测量电压和测量电流的选取
❖（6）式的成立与故障类型无关，即对任何 类型的故障都成立； ❖对于不同类型和相别的故障，故障点的边界 条件是不同的，即（6）式中 U kA 、U kB 和 U kC的 取值是不同的，下面以单相接地故障情况为例 进行讨论。
U m
三相系统中测量电压和测量电流的选取
早期的微机保护普遍采用第一种方式，新型微机保护倾向于 采用第二种。
测量阻抗与整定阻抗的比较
❖ 在理想情况下，在金属性短路的时候，测量阻抗是与整定 阻抗同方向的，在这种情况下，算出测量阻抗后直接与整 定阻抗比较大小，就能够判断出故障的范围。
❖ 实际情况下，由于各种误差因素的存在，以及过渡电阻的 影响，测量阻抗可能与整定阻抗之间有一定的角度，这时 用直接比较大小的方法就不行了。
以A相单相接地短路故障为例进行分析。在A相金
属性接地短路的情况下， U kA 0 ，式3-6a变为：
U A (IA K 3I0 ) z1Lk