继电保护第三章
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第三章
电网的距离保护
第一节 距离保护的基本概念
(暂不考虑测量电流、电压的变比关系)
一、距离保护的作用原理 • 线路单位长度的正序阻抗为 z1 ，短路距离为 l d
时，测量阻抗与短路阻抗关系为
UJ ZJ IJ
nYH nLH
nLH nLH Zd z1 ld nYH nYH
• 距离保护反应故障点至保护安装处的距离(或 阻抗)，并根据距离的远近而确定动作行为
(2)相位比较方式
• 阻抗比相方程
Z zd Z J 90 arg 900 Z zd Z J • 电压比相方程
0
I J Z zd U J D 90 arg arg 900 C I J Z zd U J
0
（3） 0 时，为方向阻抗继电器 1 时，为全阻抗继电器
• 增设记忆回路，必然影响方向阻抗继电器在系统 发生正向或反向短路时的动作行为 • 需要结合具体系统分析正、反向短路初瞬间阻抗 继电器的初态动作特性 • 考虑记忆回路后的比相方程：
I J Z zd U J 90 arg 900 UP • 稳态时， U U ，动作特性为原阻抗方向圆 P J
K (Z AB K Z BC ) , K 0.8
'' k ' k '' k
• 距离保护III段
– 保护本线路及相邻下条线路的全长 – 作相邻线路保护和断路器拒动的远后备 – 作本线路I 、II段的近后备 – 保护定值不能保证选择性，必须使保护的动作 带有一定的时限
– 相邻线路距离III段动作时限配合关系：阶梯时 限特性
(2)相位比较方式
• 阻抗比相方程
Z zd Z J 90 arg 900 ZJ • 电压比相方程
0
I J Z zd U J D 90 arg arg 900 C UJ
0
• 比相电压 D 为工作电压， 比相电压 C 为极化电压（即比相参考电压）
（3）方向阻抗继电器的动作特性
1.方向阻抗继电器死区
• 当被保护线路始端发生金属性短路时，方向性阻 抗继电器的测量电压为零 • 幅值比较方式:需要一定动作功率，则 | A | | B | 时不能动作 • 相位比较方式：比相电压为零，无法进行相位比 较，不能动作
• 方向阻抗继电器存在电压死区
2. 消除方向阻抗继电器死区的方法
Z J . AB (U J . AB , I J . AB ) Z J . BC (U J . BC , I J . BC ) Z ( U , I ) J . CA J . CA J . CA
• 下面对各种相间短路时继电器的测量阻抗分析 时，测量阻抗用电力系统一次侧阻抗表示
• 以下分析引用《电力系统故障分析》相关结论： • 线路各相自阻抗/互阻抗为: ZL/ZM • 线路各相正/负/零序阻抗为 Z1/Z2/Z0
• 起动阻抗躲开正常运行时的负荷阻抗
三、距离保护的主要组成元件
1．起动元件 在发生故障的瞬间起动整套保护，并作距离保护的 III段；与I、II段与逻辑出口，提高可靠性
2．方向元件 保证动作的方向性，防止反方向故障时保护误动 作。方向元件可采用单独的功率方向继电器，但 更多采用方向阻抗继电器 3.距离元件（阻抗继电器） 测量短路点到保护安装地点之间的距离 4．时间元件 按照故障点到保护安装处的远近，根据时限特性 确定动作的时限，保证保护动作的选择性
Va Z L Z M Z M I a Ia V Z Z Z I Z I b M L M b b Z I I V Z Z c M M L c c
（1）电压记忆回路
• 输入电压U J 经工频LC串联谐振电路后产生工 频谐振电流 I u ，取 U R I u R 为极化电压 • 线路始端发生三相短路 时，串联谐振电流 I u 逐渐衰减， 保持 U J ,U R 相位基本一致，不影 响正确比相
• 对于微机保护中的方向阻抗继电器，采用数字 存储器保存故障前的电压采样值，无需采用上 述电压记忆回路
• 则比相方程为
Z zd Z J 90 arg 900 Zs ZJ
0
• 初态特性为偏移 阻抗特性圆:
– 扩大了动作范围
– 耐过度电阻的能力增强 – 不失去选择性 (正向故障前提下导出的结论)
(2)保护反方向短路
' E U J • 故障初态时， IJ ' Zs ' ' 即 U J I J Z s E ,求得 I J
1.动作特性
• 偏移阻抗继电器的动作特性是以整定阻抗 (1 )Z zd 为直径的过原点 (继电器安装点)的圆
• 其正向整定阻抗(I相限)为 Z zd 其反向整定阻抗(III相限)为 Z zd ( 0.1 ~ 0.2)
• 继电器的圆心向量为 继电器的半径为
(1 ) Z zd Z0 2 (1 ) Z zd Zr 2
2.全阻抗继电器的构成原理
二、方向阻抗继电器
1.动作特性
方向阻抗继电器的动作特性是以整定阻抗Z zd 为直径的过原点(继电器安装点)的圆
(1)幅值比较方式
• 阻抗比幅方程 • 电压比幅方程
1 1 | Z J Z zd | | Z zd | 2 2 1 1 | U J Z zd I J | | Z zd I J | 2 2
(1)幅值比较方式
• 阻抗比幅方程
| Z J Z0 | | Z r |
(1 ) Z zd (1 ) Z zd | ZJ || | 2 2
• 电压比幅方程
1 1 | U J (1 ) Z zd I J | | (1 ) Z zd I J | 2 2
三、距离保护的保护范围
• 距离保护I段（速断）
– 反应于阻抗降低而瞬时动作；不能保护本线路 的全长
' ' ' Zd K Z , K k AB k 0.8 ~ 0.85 z. A
• 距离保护II段（限时速断）
– 切除本线路速断范围以外的故障，保护本线路 的全长；作为速断的后备
Z
'' dz . A
第三节 阻抗继电器的接线方式
一、对接线方式的基本要求 根据距离保护的工作原理，加入继电器的 电压和 电流应满足以下要求: (1)继电器的测量阻抗正比于短路点到保护 安装地点之间的距离 (2)继电器的测量阻抗应与故障类型无关， 保护范围不随故障类型而变化
二、相间短路阻抗继电器的
00 接线方式
• 这种接线方式在距离保护中广泛采用：
0
• 故障初态时，U P U|0| U f ，记忆电压与故障前 母线电压同相位
(1)保护正方向短路
• 故障初态时，
E IJ Zs Z J
0
,则比相方程为
Z zd Z J E 0 90 arg 90 Zs ZJ U |0|
• 设短路前为空载,则
U f U|0| E
• 即：
| B | | A|
(2)相位比较方式
• 阻抗比相方程
Z zd Z J 0 90 arg 90 Z zd Z J • 电压比相方程
0
I J Z zd U J D 90 arg arg 900 C I J Z zd U J
0
• 比相电压 D 为工作电压， 比相电压 C 为极化电压，即比相参考电压）
则比相方程为
' 0
E' ' Z J Zs
( Z zd Z J ) E 0 90 arg 90 ' Z J Zs U|0|
• 设短路前为空载,则
U f U|0| E
• 则比相方程为
Z J Z zd 90 arg ' 900 Zs ZJ
0
• 初态特性为上抛 阻抗特性圆: – 有明确的方向性: 实际测量阻抗在III 象限, 远离上抛阻抗特性圆
七、阻抗继电器的精确工作电流 和精确工作电压
• 以上分析阻抗继电器的动作特性时从理 想的条件出发 – 执行元件的灵敏度很高 – 继电器的动作特性与工作电流的大小 无关
• 实际工作非理想的条件, 继电器的整定 阻抗与工作电流具有非线性关系
• 定义最小精确工作电流:
I JG.min I J |Z zd. J 0.9Z zd
Z0 90 arg 900 Z0 Z J
0
• 电压比相方程
I J Z0 0 90 arg 90 I J Z0 U J
0
•
Z 0 jX 0 时，为电抗型阻抗继电器
• 多边形特性阻抗继电器由不同的直线阻抗特性 逻辑组合构成
六、方向阻抗继电器死区与 消除死区的方法
• 正方向故障时，继电器的起动阻抗随测 量阻抗角变化；当 J d 时，继电器的 起动阻抗最大，为整定阻抗 Z zd
• J d 对应的阻抗角为最大灵敏角 lm • 反方向故障时，测量阻抗位于阻抗平面 的第三相限，继电器不动作：其方向性 明确
Baidu Nhomakorabea
2.方向阻抗继电器的构成原理
三、偏移阻抗继电器
(2)透镜形阻抗继电器相位比较方式
• 阻抗比相方程
0
• 电压比相方程
0
Z zd Z J (90 ) arg (900 ) ZJ
Z zd I J U J (90 ) arg (900 ) UJ
• 与方向阻抗继电器相比, 具有更强的躲负荷阻抗 能力 • 特别注意:比相方程的动作边界不是 900 , 因此 (1),(2)不能由比相/比幅互相易定理得出比幅条件
Z J Z d Z zd , 动作 不动作 Z J Z d Z zd • 距离保护动作行为不受运行方式影响，由测量
阻抗的大小决定
二、距离保护的时限特性
• 距离保护的时限特性 – 距离保护的动作时间与保护安装点至短路 点之间距离的关系 • 为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求， 目前广泛应用具有三段动作范围的阶梯型时 限特性，称为距离保护的I、II、III段 • 与电流速断、限时电流速断以及过电流保护 相对应
四、苹果形和透镜形阻抗继电器
(1)苹果形阻抗继电器相位比较方式
• 阻抗比相方程
0
• 电压比相方程
0
Z zd Z J (90 ) arg (900 ) ZJ
Z zd I J U J (90 ) arg (900 ) UJ
• 与方向阻抗继电器相比, 具有更强的允许 过渡电阻能力
（2）引入第三相(健全相)电压 • 对于保护出口两相短路，两故障相的相 间测量电压为零 • 对第三相(健全相)电压进行适当的相移， 使其输出电压与输入电压 U J 同相，作 为辅助极化电压 • 不能消除出口三相短路的电压死区 • 一般与电压记忆回路同时采用 • 两种方式均不用于微机保护
3.方向阻抗继电器的动态特性
第二节 单相阻抗继电器的构成原理 一、全阻抗继电器 1.动作特性
全阻抗继电器的动作特性是以原点(继电器安装点)为圆
心，以整定阻抗 Z zd 为半径的圆，无方向性
(1)幅值比较方式
• 阻抗比幅方程 • 电压比幅方程
| Z J | | Z zd |
| U J | | Z J I J | | Z zd I J |
五、直线特性阻抗继电器
• 常用于构成多边形特性阻抗继电器 • 功率方向继电器与电抗型阻抗继电器是其 特例 (1)幅值比较方式
• 阻抗比幅方程 • 电压比幅方程
| Z J | | 2Z0 Z j |
| U J | | 2I J Z 0 U J |
(2)相位比较方式
• 阻抗比相方程
• 要求阻抗继电器
的动作阻抗误差小
于10%，则必须
满足
I J I JG.min
• 不同整定阻抗对应不同最小精确工作 电流，则最小精确工作电流指标不便 应用
• 定义最小精确工作电压:
U JG.min I JG.min Z zd
• 最小精确工作电压指标不随整定阻抗 变化，便于比较阻抗继电器的工作灵 敏度
电网的距离保护
第一节 距离保护的基本概念
(暂不考虑测量电流、电压的变比关系)
一、距离保护的作用原理 • 线路单位长度的正序阻抗为 z1 ，短路距离为 l d
时，测量阻抗与短路阻抗关系为
UJ ZJ IJ
nYH nLH
nLH nLH Zd z1 ld nYH nYH
• 距离保护反应故障点至保护安装处的距离(或 阻抗)，并根据距离的远近而确定动作行为
(2)相位比较方式
• 阻抗比相方程
Z zd Z J 90 arg 900 Z zd Z J • 电压比相方程
0
I J Z zd U J D 90 arg arg 900 C I J Z zd U J
0
（3） 0 时，为方向阻抗继电器 1 时，为全阻抗继电器
• 增设记忆回路，必然影响方向阻抗继电器在系统 发生正向或反向短路时的动作行为 • 需要结合具体系统分析正、反向短路初瞬间阻抗 继电器的初态动作特性 • 考虑记忆回路后的比相方程：
I J Z zd U J 90 arg 900 UP • 稳态时， U U ，动作特性为原阻抗方向圆 P J
K (Z AB K Z BC ) , K 0.8
'' k ' k '' k
• 距离保护III段
– 保护本线路及相邻下条线路的全长 – 作相邻线路保护和断路器拒动的远后备 – 作本线路I 、II段的近后备 – 保护定值不能保证选择性，必须使保护的动作 带有一定的时限
– 相邻线路距离III段动作时限配合关系：阶梯时 限特性
(2)相位比较方式
• 阻抗比相方程
Z zd Z J 90 arg 900 ZJ • 电压比相方程
0
I J Z zd U J D 90 arg arg 900 C UJ
0
• 比相电压 D 为工作电压， 比相电压 C 为极化电压（即比相参考电压）
（3）方向阻抗继电器的动作特性
1.方向阻抗继电器死区
• 当被保护线路始端发生金属性短路时，方向性阻 抗继电器的测量电压为零 • 幅值比较方式:需要一定动作功率，则 | A | | B | 时不能动作 • 相位比较方式：比相电压为零，无法进行相位比 较，不能动作
• 方向阻抗继电器存在电压死区
2. 消除方向阻抗继电器死区的方法
Z J . AB (U J . AB , I J . AB ) Z J . BC (U J . BC , I J . BC ) Z ( U , I ) J . CA J . CA J . CA
• 下面对各种相间短路时继电器的测量阻抗分析 时，测量阻抗用电力系统一次侧阻抗表示
• 以下分析引用《电力系统故障分析》相关结论： • 线路各相自阻抗/互阻抗为: ZL/ZM • 线路各相正/负/零序阻抗为 Z1/Z2/Z0
• 起动阻抗躲开正常运行时的负荷阻抗
三、距离保护的主要组成元件
1．起动元件 在发生故障的瞬间起动整套保护，并作距离保护的 III段；与I、II段与逻辑出口，提高可靠性
2．方向元件 保证动作的方向性，防止反方向故障时保护误动 作。方向元件可采用单独的功率方向继电器，但 更多采用方向阻抗继电器 3.距离元件（阻抗继电器） 测量短路点到保护安装地点之间的距离 4．时间元件 按照故障点到保护安装处的远近，根据时限特性 确定动作的时限，保证保护动作的选择性
Va Z L Z M Z M I a Ia V Z Z Z I Z I b M L M b b Z I I V Z Z c M M L c c
（1）电压记忆回路
• 输入电压U J 经工频LC串联谐振电路后产生工 频谐振电流 I u ，取 U R I u R 为极化电压 • 线路始端发生三相短路 时，串联谐振电流 I u 逐渐衰减， 保持 U J ,U R 相位基本一致，不影 响正确比相
• 对于微机保护中的方向阻抗继电器，采用数字 存储器保存故障前的电压采样值，无需采用上 述电压记忆回路
• 则比相方程为
Z zd Z J 90 arg 900 Zs ZJ
0
• 初态特性为偏移 阻抗特性圆:
– 扩大了动作范围
– 耐过度电阻的能力增强 – 不失去选择性 (正向故障前提下导出的结论)
(2)保护反方向短路
' E U J • 故障初态时， IJ ' Zs ' ' 即 U J I J Z s E ,求得 I J
1.动作特性
• 偏移阻抗继电器的动作特性是以整定阻抗 (1 )Z zd 为直径的过原点 (继电器安装点)的圆
• 其正向整定阻抗(I相限)为 Z zd 其反向整定阻抗(III相限)为 Z zd ( 0.1 ~ 0.2)
• 继电器的圆心向量为 继电器的半径为
(1 ) Z zd Z0 2 (1 ) Z zd Zr 2
2.全阻抗继电器的构成原理
二、方向阻抗继电器
1.动作特性
方向阻抗继电器的动作特性是以整定阻抗Z zd 为直径的过原点(继电器安装点)的圆
(1)幅值比较方式
• 阻抗比幅方程 • 电压比幅方程
1 1 | Z J Z zd | | Z zd | 2 2 1 1 | U J Z zd I J | | Z zd I J | 2 2
(1)幅值比较方式
• 阻抗比幅方程
| Z J Z0 | | Z r |
(1 ) Z zd (1 ) Z zd | ZJ || | 2 2
• 电压比幅方程
1 1 | U J (1 ) Z zd I J | | (1 ) Z zd I J | 2 2
三、距离保护的保护范围
• 距离保护I段（速断）
– 反应于阻抗降低而瞬时动作；不能保护本线路 的全长
' ' ' Zd K Z , K k AB k 0.8 ~ 0.85 z. A
• 距离保护II段（限时速断）
– 切除本线路速断范围以外的故障，保护本线路 的全长；作为速断的后备
Z
'' dz . A
第三节 阻抗继电器的接线方式
一、对接线方式的基本要求 根据距离保护的工作原理，加入继电器的 电压和 电流应满足以下要求: (1)继电器的测量阻抗正比于短路点到保护 安装地点之间的距离 (2)继电器的测量阻抗应与故障类型无关， 保护范围不随故障类型而变化
二、相间短路阻抗继电器的
00 接线方式
• 这种接线方式在距离保护中广泛采用：
0
• 故障初态时，U P U|0| U f ，记忆电压与故障前 母线电压同相位
(1)保护正方向短路
• 故障初态时，
E IJ Zs Z J
0
,则比相方程为
Z zd Z J E 0 90 arg 90 Zs ZJ U |0|
• 设短路前为空载,则
U f U|0| E
• 即：
| B | | A|
(2)相位比较方式
• 阻抗比相方程
Z zd Z J 0 90 arg 90 Z zd Z J • 电压比相方程
0
I J Z zd U J D 90 arg arg 900 C I J Z zd U J
0
• 比相电压 D 为工作电压， 比相电压 C 为极化电压，即比相参考电压）
则比相方程为
' 0
E' ' Z J Zs
( Z zd Z J ) E 0 90 arg 90 ' Z J Zs U|0|
• 设短路前为空载,则
U f U|0| E
• 则比相方程为
Z J Z zd 90 arg ' 900 Zs ZJ
0
• 初态特性为上抛 阻抗特性圆: – 有明确的方向性: 实际测量阻抗在III 象限, 远离上抛阻抗特性圆
七、阻抗继电器的精确工作电流 和精确工作电压
• 以上分析阻抗继电器的动作特性时从理 想的条件出发 – 执行元件的灵敏度很高 – 继电器的动作特性与工作电流的大小 无关
• 实际工作非理想的条件, 继电器的整定 阻抗与工作电流具有非线性关系
• 定义最小精确工作电流:
I JG.min I J |Z zd. J 0.9Z zd
Z0 90 arg 900 Z0 Z J
0
• 电压比相方程
I J Z0 0 90 arg 90 I J Z0 U J
0
•
Z 0 jX 0 时，为电抗型阻抗继电器
• 多边形特性阻抗继电器由不同的直线阻抗特性 逻辑组合构成
六、方向阻抗继电器死区与 消除死区的方法
• 正方向故障时，继电器的起动阻抗随测 量阻抗角变化；当 J d 时，继电器的 起动阻抗最大，为整定阻抗 Z zd
• J d 对应的阻抗角为最大灵敏角 lm • 反方向故障时，测量阻抗位于阻抗平面 的第三相限，继电器不动作：其方向性 明确
Baidu Nhomakorabea
2.方向阻抗继电器的构成原理
三、偏移阻抗继电器
(2)透镜形阻抗继电器相位比较方式
• 阻抗比相方程
0
• 电压比相方程
0
Z zd Z J (90 ) arg (900 ) ZJ
Z zd I J U J (90 ) arg (900 ) UJ
• 与方向阻抗继电器相比, 具有更强的躲负荷阻抗 能力 • 特别注意:比相方程的动作边界不是 900 , 因此 (1),(2)不能由比相/比幅互相易定理得出比幅条件
Z J Z d Z zd , 动作 不动作 Z J Z d Z zd • 距离保护动作行为不受运行方式影响，由测量
阻抗的大小决定
二、距离保护的时限特性
• 距离保护的时限特性 – 距离保护的动作时间与保护安装点至短路 点之间距离的关系 • 为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求， 目前广泛应用具有三段动作范围的阶梯型时 限特性，称为距离保护的I、II、III段 • 与电流速断、限时电流速断以及过电流保护 相对应
四、苹果形和透镜形阻抗继电器
(1)苹果形阻抗继电器相位比较方式
• 阻抗比相方程
0
• 电压比相方程
0
Z zd Z J (90 ) arg (900 ) ZJ
Z zd I J U J (90 ) arg (900 ) UJ
• 与方向阻抗继电器相比, 具有更强的允许 过渡电阻能力
（2）引入第三相(健全相)电压 • 对于保护出口两相短路，两故障相的相 间测量电压为零 • 对第三相(健全相)电压进行适当的相移， 使其输出电压与输入电压 U J 同相，作 为辅助极化电压 • 不能消除出口三相短路的电压死区 • 一般与电压记忆回路同时采用 • 两种方式均不用于微机保护
3.方向阻抗继电器的动态特性
第二节 单相阻抗继电器的构成原理 一、全阻抗继电器 1.动作特性
全阻抗继电器的动作特性是以原点(继电器安装点)为圆
心，以整定阻抗 Z zd 为半径的圆，无方向性
(1)幅值比较方式
• 阻抗比幅方程 • 电压比幅方程
| Z J | | Z zd |
| U J | | Z J I J | | Z zd I J |
五、直线特性阻抗继电器
• 常用于构成多边形特性阻抗继电器 • 功率方向继电器与电抗型阻抗继电器是其 特例 (1)幅值比较方式
• 阻抗比幅方程 • 电压比幅方程
| Z J | | 2Z0 Z j |
| U J | | 2I J Z 0 U J |
(2)相位比较方式
• 阻抗比相方程
• 要求阻抗继电器
的动作阻抗误差小
于10%，则必须
满足
I J I JG.min
• 不同整定阻抗对应不同最小精确工作 电流，则最小精确工作电流指标不便 应用
• 定义最小精确工作电压:
U JG.min I JG.min Z zd
• 最小精确工作电压指标不随整定阻抗 变化，便于比较阻抗继电器的工作灵 敏度