第四章距离保护

第四章 距离保护

一、GB50062—92《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定

（一)对110kV 线路的下列故障,应装设相应的保护装置 （1）单相接地短路. (2）相间短路。

（二)110kV 线路装设相间短路保护装置的配置原则如下

（1）主保护的配置原则。在下列情况下，应装设全线速动的主保护 1)系统稳定有要求时.

2）线路发生三相短路，使发电厂厂用电母线或重要用户电压低于额定电压的60％，且其他保护不能无时限和有选择性地切除短路时.

（2)后备保护的配置原则.11OkV 线路后备保护配置宜采用远后备方式。

（3）根据上述110kV 线路保护的配置原则，对接地短路，应装设相应的保护装置，并应符合下列规定:

1)宜装设带方向或不带方向的阶段式零序电流保护.

2）对某些线路，当零序电流保护不能满足要求时，可装设接地距离保护，并应装设一段或二段零序电流保护作后备保护。

（4）根据上述11OkV 线路保护的配置原则，对相间短路，应装设相应的保护装置，并应符合下列规定:

1)单侧电源线路，应装设三相多段式电流或电流电压保护。 2）双侧电源线路，可装设阶段式距离保护装置。 3)并列运行的平行线，可装设相间横联差动及零序横联差动保护作主保护.后备保护可按和电流方式连接.

4)电缆线路或电缆架空混合线路，应装设过负荷保护。保护装置宜动作于信号。当危及设备安全时,可动作于跳闸。

二、DL 400-91《继电保护和安全自动装置技术规程》规定

（一)ll0~220kV 中性点直接接地电力网中的线路保护 (1）对相间短路，应按下列规定装设保护装置。

1）单侧电源单回线路，可装设三相电流电压保护，如不能满足要求,则装设距离保护; 2）双侧电源线路宜装设距离保护；

(2）对接地短路,可采用接地距离保护，并辅之以阶段式或反时限零序电流保护. (二）330~500kV 线路的后备保护

（1）对相间短路，后备保护宜采用阶段式距离保护.

(2）对接地短路,应装设接地距离保护并辅以阶段式或反时限零序电流保护，对中长线路，若零序电流保护能满足要求时，也可只装设阶段式零序电流保护。接地后备保护应保证在接地电阻不大于300Ω时，能可靠地有选择性地切除故障。

第一节 距离保护概述

随着电网电压等级不断提高和用电负荷的快速增大,电流保护越来越不能满足灵敏度的要求,特别是电网运行方式改变很大时，电流速断保护可能没有了保护区,过电流保护的灵敏度小于1.而距离保护受系统运行方式的影响小,保护范围稳定,灵敏度高等优点,在高压、超高压电网中得到广泛采用.

一、距离保护的原理

如图4—1所示，线路在正常运行时，保护安装处的测量电压m U 与测量电流m I 之比测量阻抗Ｚm 为

1m

m Ld m

U Z Z L Z I =

=+ （4－1）

式中 m U -—为测量电压；

m I --为测量电流；

Ｚm —-测量阻抗；

Ｚ1——线路单位长度的正序阻抗值； Ｌ——线路长度； ＺLd-—负荷阻抗.

当线路发生相间故障时

1m

m k m

U Z Z L I ==

(4－2)

式中 Ｌk --故障点到保护安装处之间的距离。

m

I ——保护安装处的线电流。 m

U

--保护安装处母线的线电压. Z 1——被保护线路单位长度的正序阻抗。

比较式（4—1)与（4—2)可知，故障时的测量阻抗明显变小，且故障时的测量阻抗大小与故障点到保护安装处的之间的距离成正比。只要测量出这段距离阻抗的大小，也就等于测出了线路长度。这种反应故障点到保护安装处之间的距离，并根据这一距离的远近决定动作时限的一种保护，称为距离保护。距离保护实质上是反应阻抗的降低而动作的阻抗保护。

当线路发生接地故障时，为了保证测量阻抗与故障点至保护安装处之间的距离成正比,必须考虑零序电流的影响,通常采用具有零序电流补偿的方法，即

3I K I

U Z m m

m +=

（4－3) 式中 m

I —-保护安装处的相电流。 m

U —-保护安装处母线的相电压。 0

3I

-—保护安装处流向被保护线路的零序电流. K —-零序电流补偿系数.

二、距离保护的时限特性

距离保护的动作时限与故障点至保护安装处之间的距离的关系，称为距离保护的时限特性.目前广泛应用的是三段式阶梯时限特性的距离保护。距离保护的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段与电流保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段相似。

为了保证选择性，距离Ⅰ段的保

护范围应限制在本线路内,其动作阻抗应小于线路阻抗，通常其保护范围为被保护线路的全长的80％～85％。

距离Ⅱ段的保护范围超出本线路全长,

才能保护线路全长,所以应与下线路Ⅰ段相配合,即不超出下线路Ⅰ段保护范围，动作时限也与之配合. 如图4-2所示，1处保护的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段动作时限和保护范围。 距离保护Ⅲ段作为Ⅰ、Ⅱ段的近后备保护又作相邻下一线路距离保护和断路器

拒动时的远后备保护。

距离Ⅲ段整定阻抗的选择与过电流保护相似，按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定。 Ⅲ段保护范围较大,所以其动作时限也按阶梯时限原则整定。即：

t Ⅲ1 ＝t Ⅲ

2 ＋ Δt

除了采用三段式距离保护外，也可以采用两段式距离保护。 三、距离保护主要组成元件

距离保护的主要元件有五个组成部分，其逻辑图及各元件的作用如下：

起动元件：当线路发生短路时，立即起动整套保护装置，以判断短路点是否在被保护线路的保护范围内.起动元件一般具有较高的灵敏度，目前起动元件有突变量电流起动元件、负序电流起动元件、零序电流与负序电流复合起动元件等.

测量元件：测量故障点至保护安装处之间的距离,以决定保护是否动作。测量元件是距离保护的核心元件,距离保护的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段各有一个测量元件，分别来判断各自保护区内的故障.

方向元件:测量短路点是否在保护的正

方向，以防止反方向短路时，保护误动作.方

向元件一般与测量元件一起构成。

时间元件：建立延时段的时限，以保证

距离保护的选择性.

闭锁元件:非短路故障情况下,防止保护误动作。主要防止电压互感器二次侧断线使

得测量阻抗为0，从而引起保护误动作；电

力系统发生系统振荡时,振荡中心处于保护区内或附近引起距离保护误动作的情况。

第二节 阻抗元件的动作特性

一、阻抗元件的动作特性

在复平面上，线路阻抗是一条直线，

为了能反应线路阻抗，距离保护的测量元件通常有多种动作特性.圆动作特性、扩

展圆动作特性、多边形动作特性、复合特性等。

无论是哪种动作特性，都以闭合曲线

内部为动作区，如圆动作特性的测量元件其圆内为动作区，故障点落在圆内即动作。 (１）理想的阻抗元件动作特性 图4—5中,Ｚset 整定阻抗,R tr 过渡电阻,在线路OQ

上OA 为保护区为了防止过渡电阻的影响，理想的阻抗元件动作特性是以OA 和AB 为边的平行四边形。

在上述理想阻抗元件动作特性应用于实际时，存在两个严重缺点:

其一是保护出口处三相对称短路时会出现死区；

其二在下级线路出口处短路时，当短路阻抗角Φk 小于保护整定角Φset 时，保护可能会超出其保护范围,而非选择性动作.

二、实际应用的阻抗元件动作特性，如图4—6所示。

１）为了使保护不超出保护范围，而出现非选择性动作，线段ＸＦ应下倾. 运行证明，δ＝arctg(1/8）即能满足要求。

起动元件电压互感器二

次断线振荡闭锁Z Ⅰ 逻辑判断Z Ⅱ Z Ⅲ t Ⅲ

t Ⅱ

出口电压互感器二

次断线信号

图4-3 距离保护逻辑框图 Q M Z 123P Z Z L 1L 2L 3K

A

Z

L

图4-4 阻抗元件动作特性

O R jX R tr A

Q

C B

Ф

k

Фkm

图4-5 阻抗元件理想

四边形动作特性 图4-6 阻抗元件实

际四边形动作特性

2）为了使保护出口处短路不出现拒动作，线段ＯＥ应下倾. 保护出口处短路在过渡电阻的作用下，测量阻抗为：

Ｚm ＝ e jb (R tr I k ′/I k ）

当b 为负角时,Ｚm 将在Ｒ轴下方，为了保护能可靠动作,线段OE 应下倾15°。

3)线段OD 应左倾的原因是：当线路上发生金属性短路时，测量阻抗的相位有可能成超过 90°.

为防止拒动,线段OD 应左倾15°.

4）线段FZ 的角度：

线段FZ 的角度通常比整定角Φset 小.由于线路首端比末端短路时的切除时间要快，所以

线路首端的过渡电阻比线路末端影响小。通常选择60°。

一般情况下，用户需要整定两个值,X set 、R set 其他参数由保护软件来

处理，但R set 分为大电阻分量定值R L 和小电阻分量定值R S 两种情况.

三、复合四边形特性

将几种特性复合而得到的动作特性称为复合特性。常用的复合方式有

“与”复合和“或"复合两种，“与”复合的情况下，参与复合的各特性

动作区的公共部分，为复合特性的动作区，而在“或”复合的情况下，

参与复合的任一特性的动作区，都是复合特性的动作区。四边形特性也

可以看作是直线特性与折线特性的“与"复合；复合四边形特性的动作区

域为四边形特性与小矩形特性的“或”复合。如图4—7所示。当保护出口短路时，由于电压为零，X 、R 的计算值均接近为零，其符号正、负不能正确表示短路方向,为可靠地消除保护死区和防止反方向误动，在非手合情况下，调用故障前一周电压同故障后电流比相来判别短路方向,

同时小矩形动作特性包含了原点。小矩形的面积不宜太大，当X 〈1Ω时,取X 整定值的2

1

；当X >1Ω时，取0。5Ω。R 值取R set ／4与偏移X 值的8倍两者中小者。

四、圆特性阻抗元件

根据动作特性圆在阻抗复平面上位置和大小的不同，圆特性又可分为偏移圆特性、方向圆特性、全阻抗圆特性和上抛圆特性等几种。

(1) 偏移圆特性

偏移圆特性的动作区域如图4-8(c)所示，它有两个整定阻抗，即正方向整定阻抗Z set 和反方向-αZ set 整定阻抗，α为偏移度，通常为10％左右。两整定阻抗对应矢量末端的连线就是特性圆的直径.特性圆包括坐标原点，圆心位于21（1+α)Z set 处，半径为2

1(1+α）Z set 。圆内为动作区，圆外为非动作区,当测量阻抗正好落在圆周上时，阻抗继电器临界动作。

对应于该特性的动作方程，可以有两种不同的表达形式,一种是比较两个量大小的绝对值比较原理表达式，另一种是比较两个量

相位的相位比较原理表达

式,它们分别称为绝对值

（或幅值）比较动作方程和相位比较动作方程。 |set m Z Z 2

1α

--

｜≤|

set Z 2

1α

+| (4-3）

相位比较原理表达式：

o m

set m

set o Z Z Z Z 90arg

90≤+-≤- （4—4）

（2) 方向圆特性

在上述的偏移圆特性中，如果令α=0，Z set 为直径,则动作特性变化成方向圆特性，动作区域如图4—8(b ）所示。特性圆经过坐标原点处,圆心位于21Z set 处，半径为2

1Z set 。

可以得到方向圆特性的绝对值比较动作方程：

set set m Z Z Z 2121≤-

（4—5)

将,代入式（4—5），可得到方向圆特性的相位比较动作方程:

o m

set m

set o Z Z Z Z 90arg

90≤+-≤- （4-6)

与偏移阻抗特性类似,方向圆特性对于不同的m Z 阻抗角，动作阻抗也是不同的.在整定阻抗的方向上，动作阻抗最大，正好等于整定阻抗，其他方向的动作阻抗都小于整定阻抗，在整定阻抗的相反方向，动作阻抗降为0。即在反方向没有动作区，反向故障时不会动作，阻抗元件本身具有方向性.方向特性的阻抗元件一般用于距离保护的主保护段（I 段和II 段）中。 （3） 全阻抗特性

在偏移特性中,如果令α=1，Z set 为半径，，则动作特性变化成全阻抗圆特性，动作区域如图4-8(a)所示。特性圆的圆心位于坐标原点

处，半径为Z set . 将α=1,代入式（3—13），可以得到全阻抗特性的绝对值比较动作方程:

set

m Z Z ≤ （4—7)

可得到全阻抗特性的相位比较动作方程：

o m

set m set o

Z Z Z Z 90arg 90≤+-≤-

(4-8）

全阻抗圆特性在各个方向上的动作阻抗都相同，它在正向或反向故障的情况下具有相同的保护区，即阻抗元件本身不具方向性。全阻抗元件可以应用于单侧电源的系统中,当应用于多测电源系统时，应与方向元件相配合.

*第三节 工频变化量距离继电器

一、工频变化量阻抗元件的基本原理 工频变化量阻抗元件的基本原理是测量工作电压工频变化量Δop U 的幅值。

电力系统发生短路故障时，其短路电流、电压可分解为故障前负荷状态的电流电压分量和故障分量，如图4-11 的短路状态(A ）可分解为图（B)、（C)二种状态下电流电压的迭加,反应工频变化量的继电器不受负荷状态的影响，因此，只要考虑图(C ）的故障分量。

U｜＞U Z （4—9)

动作方程为： |Δ

op

对相间故障:

U op。L= U L-I L＊Z set（4—10）

对接地故障:

U op H=U PH-（I PH+K＊3I0） *Z set（4-11)

式中 Z set——整定阻抗，一般取0。8～

U Z--动作门坎,取故障前工作

电压的记忆量；

U L——相间短路电压差(短路电

压）；U PH相电压（短路电压).

I L--相间短路电流差(短路电

流）；I PH相电流（短路电流）。

U op—-测量电压（工作电压）.

如图4—12所示，为保护区内外各

点金属性短路时的电压分布，设故障

前系统各点电压一致,即各故障点故

障前电压为U N ,则｜ΔE K1｜＝｜Δ

E K2｜＝|ΔE K3｜＝U N；对反应工频变

化量的继电器，系统电势为零，因而

仅需考虑故障点附加电势ΔE K。

区内故障时,如图4—12(A），Δ

U op在本侧系统至ΔE K1的连线的延长线上，可见，ΔU op>ΔE K1，继电器动作。

反方向故障时，如图4-12（B)，ΔU op在ΔE K2与对侧系统的连线上，显然，ΔU op〈ΔE K2,继电器不动作。

区外故障时，如图4-12（C），ΔU op在ΔE K3与本侧系统的连线上，ΔU op<ΔE K3,继电器不

正方向经过渡电阻故障时的动作特性可用解析法分析，如图4—13 所示:

以三相短路为例，设U N =|∆E K|

由∆E K＝ -∆I ⨯( Z S+ Z K）

ΔU op= ∆U - ∆I ⨯ Z set= -∆I ⨯ (Z S+ Z set)（4—12）

则|∆I ⨯ (Z S+ Z set）｜> |∆I ⨯ (Z S+ Z K)｜

｜Z S+ Z set｜> |Z S+ Z K|（4—13）

式中Z m为测量阻抗,它在阻抗复数平面上的动作特性是以矢量- Z S为圆心，以｜Z S+ Z set| 为半径的圆，如图4—14 所示，当Z K矢量末端落于圆内时动作，可见这种阻抗继电器有大的允许过渡电阻能力.当过渡电阻受对侧电源助增时，由于∆I N一般与∆I 是同相位，过渡电阻上的压降始终与∆I 同相位,过渡电阻始终呈电阻性,与Ｒ轴平行，因此,不存在由于对侧电流助增所引起的超越问题.

对反方向短路， 如图 4-15 所示. 仍假设 U Z =|∆E K |

∆E K ＝ ∆I ⨯( S

Z ' + Z K ) ∆U OP = ∆U - ∆I ⨯ Z set = ∆I ⨯ (

S

Z '- Z set ） (4-14） 则 | S

Z '- Z set ｜> | S Z '+ Z K | 测量阻抗Z K 在阻抗复数平面上

的动作特性是以矢量S

Z '为圆心，以 S

Z '—Z set 为半径的圆，如图 4—14所示,动作圆在第一象限，而因为 —Z K 总是在第三象限，因此，阻抗元件有明确的方向性。

第四节 影响距离保护正确工作的因素及消除方法

影响距离保护正确工作的因素较多,最主要的影响因素有： （1）故障点的过渡

电阻.

(2）故障点与保护安装处之间的分支电流。

(3）电压互感器二

次回路断线.

（4）系统振荡等。 (5)串联补偿电容.

(6）电流互感器、电压互感器误差。

下面分别就过渡电阻、分支电流、二次断线及系统振荡进行分析，并得出消除措施。 一、过渡电阻的影响

过渡电阻对不同特性的阻抗元件的影响是不同的,由图4—16可以看出，过渡电阻对圆特性的阻抗元件影响是很大,对于四边形特性的影响是较小，因为四边形特性是从过渡电阻的角度考虑而设计。

过渡电阻主要是电弧电阻，其值随时间变化,由经验公式可得出它的大小。

1050

L tr K

L R I =(Ω）

(4-15)

式中 L L ——电弧长度，m ；

I K ——短路电流有效值，Ａ。

Ｒtr 过渡电阻的最大值出现在短路后的0。3~0.5S ，所以Ｒtr 对第Ⅱ段的影响最大。

∆E M = 0 Z K ∆I

Z 'S

∆E N = 0

∆E K Z set

R G K

图4-15 反方向故障计算图

图4-16 过渡电阻对阻抗元件的影响

(a) (b)

图 4-14 工频变化量阻抗元件特性图

(a)正方向短路动作特性；(b)反方向短路动作特性

消除措施：（1）使用四边形动作特性的测量元件。 (2）使用能完全躲开过渡电阻的算法。 二、分支电流的影响 （一）助增电流的影响

如4-17图所示在点k 短路时，距离保护的测量阻抗为

AB

k

BK AB AB m I L Z I L Z I Z 11+=

k

AB

BK AB L Z I

I

L Z 11 +=k bra AB L Z K L Z 11+= （4－16）

式中 bra K —-分支系数，

AB

BK bra

I I K =,一般情况下可认为AB I 与BK

I 同相位,即bra K 为实数，考虑助增电流的影响， bra K ＞1.

由于助增电流的存在,使第Ⅱ段距离保护的测量阻抗增大了，保护范围缩短了.在整定计算时引入大于1的分支系数，应适当增加第Ⅱ段的整定阻抗值，以抵消由于助增电流的存在对距离Ⅱ段保护范围缩短的影响.分支系数的大小与运行方式有关，引入分支系数时，应取各种可能的运行方式下的最小值.分支系数取大了，保护范围就增长了，会引起保护越超范围动作.

（二)汲出电流的影响

如图所示在k 点短路时,距离保护的测量阻抗为

AB k

BK AB AB m I L Z I L Z I Z 121+=k AB

BK AB L Z I I L Z 121 +=k bra AB L Z K L Z 11+= （4－17)

由于汲出电流的存在，使第Ⅱ段距离保护的测量阻抗减小了，因而其保护范围扩大了，

有可能导致保护超范围而无选择的动作。为防止这种无选择性动作，在整定计算时引入小于1的分支系数,使保护范围适当减小，以抵消由于汲取电流的存在保护范围扩大的影响.在引入汲取电流的分支系数时,应取各种可能的运行方式下的最小值.这样当运行方式改变，使分支系数增大时，只会使其测量

阻抗增大，保护范围缩小,不会造成无选择的动作。

三、二次回路断线的影响

运行中,测量阻抗m m m

U

Z I =。当电压互感器二次回路断线时，m U ＝0，m Z ＝0，阻抗元件将

误动作.微机保护中任何保护的出口必须在保护装置总起动的条件下才会实现，而保护总起动通常是电流元件，电流元件不受电压回路断线的影响,可以在失压过程中起到可靠的闭锁作用。但在断线失压后，又有外部故障因起起动元件起动，将会造成保护的误动。为了防止这种误动作，微机保护仍然应有专门的闭锁措施,当出现电压互感器二次回路断线时,将距离保护闭锁。但闭锁元件的责任已经大减轻了，并不需要瞬时闭锁，可以略带延时。

断线闭锁措施:在常规保护中采用断线闭锁继电器，而微机保护是采用特殊措施进行闭锁.下面对微机保护的断线闭锁进行讲述.

二次回路断线时的特点：

图4-17 具有汲出电流的网络图 图4-17 具有助增电流的网络图

（1)一次回路是正常的，一次回路中将有电流通过，电流互感器中将存在电流,即保护检无流。如果电流互感器有电流存在可能是断线。

（2）断路器的位置处于合闸后位置,合闸位置继电器处于闭合状态；跳闸位置继电器处于断开状态。

(3）三相电压绝对值之和很小（二次三相断线）；两相电压之差（二次两相断线或单相断线)很大或三相电压有效值之和的绝对值不小。

（4)对于检同期或检无压要求的线路，线路上有电压.

根据上述特点,微机保护就通过逻辑判断后，发出断线信号,并闭锁距离保护。 例如：LFP901Ａ型高压线路微

机保护的断线闭锁条件：

1）三相电压相量和大于8伏，起动元件不起动，延时1。25秒报TV 断线。

2）三相电压绝对值和小于0。

5U n ,任一相有电流（〉0。08In ），延

时1。25秒报TV 断线.

3）三相电压绝对值和小于0。

5U n ，当判断断路器在合后位置且跳

闸继电器KTP 不动作时，延时1。25秒报TV 断线。当三相电压恢复正常后经10秒延时断线信号复归。

再如：CSL101A 型微机保护断线

的判断条件：

1）三相电压之和不为零，用于

检测一相或两相断线的判据是|U u +U v +U w ｜〉7V(有效值）.

2）检测三相失压的判据是｜

U u |、|U v |、｜U w ｜均小于8V ，且

任一相电流大于0。04倍的额定电流。

3）当满足2）时，断路器在合位，可以报警. 四、系统振荡的影响； 1、系统振荡及影响

电力系统正常运行时,系统各电源之间同步运行，各电源电势之间的角差为常数.当系统因短路切除故障太慢或遭受较大冲击时，并列运行的各电源之间失去同步，系统发生振荡。系统振荡时，各电源电势之间的相角差随时间而变化,系统中出现幅值以一定周期变化的电流，该电流称为振荡电流。与此同时，系统各点电压的幅值也随时间变化.

取电源电动势G E 为参考相量，假定E G ＝E S ,则δj S G e E E -= (δ为G

E 与S E 间的相角）。系统振荡时,δ在0°～360°之间作周期性变化，各元件的阻抗角基本相等，均为Φs ，取振荡

电流的正方向为从电源G

E 流向S E ，则振荡电流为 ∑-=

Z E E I S G SG =∑

--Z e E j G )1(δ （4—18） 式中∑Z ＝Z G +Z L +Z N 。由于SG I 是S G E E -产生的,所以SG I 落后S

G E E -的角度为系统阻抗角Φs 。

振荡电流的有效值为

2

sin 2δ∑=Z E I SG

(4—19） 振荡电流有效值随δ的变化见图4-19所示。

在振荡时,系统各点电压也随δ角的变化而变化,按图4—19（a ）所示正方向

S

SG S Q G

SG G P Z I E U Z I E U +=-= (4—20）

P 侧距离保护阻抗元件测量阻抗的变化轨迹方程为

SG P

m I U Z ==∑---Z e E Z I E j G G SG G /)1()δ =G j Z e

Z ---∑δ1 (4-21） 式中δ

j e

--11＝21—j 21ctg 2δ

可用几何法证明如下。在图4—20中，在R 轴上取单位长度“1”,滞后δ作模为“1”的矢量即为j δe -,作“1”与j δe -的连线即是1-j δ

e -,其幅值为2sin 2

δ，

幅角为（90°—2

δ

)，则

1—j δ

e

-＝2sin 2

δ)

290(δ

--

e ＝

)

290sin()290cos(2

sin

2δ

δδ

--- j

＝

)2

cos()2sin(2

sin

2δ

δδ

j -＝

212

δ

jctg -

将δ

j e

--11＝21-j 21ctg 2δ代入上式（4—21）,得 Z m ＝21∑Z —G Z —j 21∑Z ctg 2

δ

（4-22）

由式（4—22）绘出测量阻抗的变化轨迹，如图所示。绘制轨迹的方法：先沿GS 方向作出

相量（

21∑Z —G Z )，然后再从其端点作出相量—j 21∑Z ctg 2

δ

，在不同的δ角度时，此相量超前或滞后于相量Z Σ 90°,计算结果如表2-1所示。将—j 21∑Z ctg 2

δ

的端点与0点(保护安装

图4-19 系统振荡时电流电压的变化

（a ）振荡电流；（b ）系统各点的电压值；（c ）各点电压随δ的变化

E G

E S

处）相连即得Z m .

表2—1 j

1∑Z ctg δ

计算结果

系统振荡时，Z m 从∞变到（

2

∑Z 一G Z )再变化到 一 ∞，变化速率等于两电源频率之差.系统振荡视为不正常运行状态，要求保护不动作，可根据系统需要预先指定解列点，需要解列时在指定点解列，将两系统一分为二独立运行。系统振荡时距离保护是否会误动作，可从两方面进行考查:一是看系统振荡时Z m 是否穿过动作区;二是看Z m 在动作区的停留时间.如果测量阻抗的变化周期大于保护的动作时限，当测量阻抗穿越保护动作区时保护将误动作。所以距离Ⅰ段受振荡的影响是最大的，只要测量阻抗穿过动作区，保护就会误动作；而第Ⅱ段就因振荡周期的不同而产生不同的后果；距离Ⅲ段受系统振荡的影响小，因为第Ⅲ段的动作时间长.在整个距离保护装置中一般不考虑系统振荡对距离Ⅲ段的影响。

2、电力系统振荡和系统短路的主要区别

(1）振荡时，电流和各点电压的幅值均作周期性变化（如图4—19所示)，只在δ=180°时才出现最严重的现象;而短路后，短路电流和各点电压的值,当不计其衰减时，是不变的。此外，振荡时电流和各点电压幅值的变化速度（

dt di ，dt

du ϕcos ）较慢,而短路时电流是突然增大，电压也突然降低，变化速度很快。

(2)振荡时,任一点电流与电压之间的相位关系都随δ的变化而改变；而短路时,电流和电压之间的相位是不变的.

（3）振荡时，三相完全对称，电力系统中没有负序分量、零序分量出现；而当短路时,总要长期(在不对称短路过程中）或瞬间（在三相短路开始时)出现负序分量、零序分量。

根据以上区别，振荡闭锁回路可以实现:当系统出现振荡时，将距离保护中会误动的阻抗元件闭锁，防止保护误动。当发生短路时开放保护，保护动作于切除故障.

3、振荡闭锁

在主系统发生稳定破坏后，应采取有效的措施合理而快速的平息振荡和最快的使系统恢复正常，而保证整个系统的完整性，不应由继电保护动作解列线路(预定的解列点除外），对受振荡影响可能要误动作的保护（距离保护)要实现振荡闭锁.但在系统振荡过程中，或者在短时开放保护之后的闭锁过程中,若再发生区内故障，为减少系统损失，防止系统全面瓦解,有效的办法是再有故障出现时,也再开放保护,立即将故障元件从系统中断开。 即系统振荡时保护闭锁，系统故障瞬时开放保护160ms.假如振荡中再故障，重新寻找开放保护条件,再次开放保护来切除故障。

以南瑞保护为主的距离保护装置振荡闭锁分四个部分，任意一个部分动作开放保护。 1）起动开放元件

起动元件开放瞬间，若按躲过最大负荷整定的正序过流元件不动作或动作时间尚不到10ms ,起动元件可以瞬间将振荡闭锁开放160ms 。此时间保证快速保护跳闸，且保护跳闸引起的振荡

还不足使保护误动作。若快速保护拒动由距离Ⅱ段动作跳闸，则只要在160ms 内距离Ⅱ段已动作，则可以开放至距离II 段阻抗返回.

该元件在正常运行突然发生故障时立即开放160ms ，当系统振荡时，正序过流元件动作，其后再有故障时，不开放保护,另外当区外故障或操作后160 ms 再有故障时也不开放保护。 2）不对称故障开放元件

当保护开放160 ms 又闭锁后,区内发生不对称故障时,振荡闭锁回路还可由对称分量元件再次开放保护,该元件的动作判据为:

| I 0 ｜+| I 2 ｜> m ⨯ |I 1｜ （4—23)

以上判据成立的依据是:

①系统振荡或振荡又区外故障保护处于闭锁时

系统振荡时，I 0、I 2接近于零,上式不开放是容易实现的。振荡同时区外故障时，相间和接地阻抗继电器都会因系统振荡中心位于装置的保护范围内而误动作，这时上式也不应开放。

对短线路,必须在系统角180°时继电器才可能动作，这时线路附近电压很低，短路时的故障分量很小,因此，容易取ｍ值以满足上式不开放。

对长线路，区外故障时,故障点故障前电压较高,有较大的故障分量，因此，上式的不利条件是长线路在电源附近故障时，不过这时线路上零序电流分配系数较低,短路电流小于振荡电流，因此，仍很容易以最不利的系统方式验算ｍ的取值。

式（4—23）中ｍ的取值是根据最不利的系统条件下，振荡又区外故障时振荡闭锁不开放为条件验算,并留有相应裕度。

② 区内不对称故障时振闭开放

当系统正常发生区内不对称相间或接地故障时，将有较大的零序或负序分量，这时上式成立，振荡闭锁开放保护。

当系统振荡伴随区内故障时,如果短路时刻发生在系统电势角未摆开时，振荡闭锁将立即开放。如果短路时刻发生在系统电势角摆开状态，则振荡闭锁将在系统角逐步减小时开放，也可能由一侧瞬时开放跳闸后另一侧相继开放保护.

因此,采用对称分量元件开放振荡闭锁保证了在任何情况下,甚至系统已经发生振荡的情况下,发生区内故障时瞬时开放振荡闭锁以切除故障，振荡或振荡又区外故障时则可靠闭锁保护.

3） 对称故障开放元件

在起动元件开放160ms 以后或系统振荡过程中，如发生三相故障，则上述二项开放措施均

不能开放振荡闭锁,保护装置应另设置专门的振荡判别元件,即测量振荡中心电压：

U os =U

cos Φ (4-24

）

U 为正序电压，Φ是正

序电压和电流之间的夹角.

由图4—20所示,假定系统联系阻抗的阻抗角为90°，则电流相量垂直于E G 、E S 连线，与振荡中心电压同相。在系统正常运行或系统振荡时，U cos Φ 恰好反应振荡中心的正序电压;在三相短路时，U cos Φ 为弧光电阻上的压降，三相短路时过渡电阻是弧光电阻，弧光电阻上压降小于5％U n .而实际系统线路阻抗角不为90°，因而需进行角度补偿，如图4-21所示。OD 为测量电压，U cos Φ ＝OB ，因而OB 反应当线路阻抗角为90°时弧光电阻压降，实际的弧光压降为OA ,与线路压降AD 相加得到测量电压U .本装置引入补偿角θ = 90°- ΦL ，由Φ1 = Φ + θ，上式变为U os =U cos Φ1 ,三相短路时，U os = OC ≤ OA ,可见U cos Φ 可反应弧光压降。

保护装置采用的动作判据分二部分：

图4-21 短路电流向量图

图4-20 系统电压向量图 E S

E G

a ）- 0。03U n < U os < 0。08U n 延时150ms 开放

实际系统中,三相短路时故障电阻仅为弧光电阻，弧光电阻上压降的幅值不大于5%U n ，因此，三相短路时该幅值判据满足,为了保证振荡时不误开放，其延时应保证躲过振荡中心电压在该范围内的最长时间;振荡中心电压为0。08U n 时，系统角为171°，振荡中心电压为－0。03U n 时,系统角为183。5°，按最大振荡周期3”计，振荡中心在该区间停留时间为104ms ，装置中取延时150ms 已有足够的裕度。

b ）-0。1U n

该判据作为第一部分A ）的后备,以保证任何三相故障情况下保护不可能拒动。振荡中心电压为0。25U n 时，系统角为151°，-0。1U n 时，系统角为191.5°，按最大振荡周期3"计，振荡中心在该区间停留时间为337ms ,装置中取500ms 已有足够的裕度。

4）非全相运行时的振荡闭锁判据

非全相振荡时，距离继电器可能动作，但选相区为跳开相.非全相再单相故障时，距离继电器动作的同时选相区进入故障相，因此，可以以选相区不在跳开相作为开放条件。

另外,非全相运行时，测量非故障二相电流之差的工频变化量,当该电流突然增大达到一定幅值时开放非全相运行振荡闭锁。因而非全相运行发生相间故障时能快速开放。 以上二种情况均不能开放时，由第3部分作为后备.

第五节 距离保护的整定计算

1、距离Ⅰ段的整定：

为了保证保护的选择性，在相邻的下线路首端短路时本保护不动作，距离Ⅰ段的动作阻抗不应超过本线路的全长的阻抗Ｚ1ＬＡＢ，取可靠系统I

rel K 则

1I I set rel AB Z K Z L = (4－25）

式中 I

rel K -—可靠系数,考虑互感器的误差及保护装置的误差等因素，一般取0。8～0.85;

Ｚ１——线路单位长度的正序阻抗; ＬＡＢ-—线路的长度。

2、距离Ⅱ段的整定：第Ⅱ段保护考虑与下线路的配合，同时还要考虑线路末端母线上的电源及线路的情况，因此要考虑分支系数的影响.

(1)动作阻抗的整定：为了保证保护的速动性与选择性，①本保护的保护范围不应超出相

邻下线路的第Ⅰ段保护区，如图4—22所示，K 2点短路，即

1.min ()

(II II I

set rel AB bra set Z K Z L K Z =+下） （4－26） ②本保护的保护范围不应超出相邻母线上变压器速断保护的保护范围，如图4-22中K 4点短路,

即

1.min .min()(II II

set rel AB bra t Z K Z L K Z =+下）

(4－27） 上(4－26）、（4－27)式中

II

rel K —-可靠系数,又叫配合系数，通常取0。7~0。8。

.min bra K —-分支系数，在上节课文中已经讲述。

.min()t Z 下--线路末端母线上的变压器最小等值电抗，当两台及以上并列运行时,取其等值并

联阻抗.

为了保护相邻线路首端短路时本保护不会出现误动作,本保护的动作时限应与相邻的下线路第Ⅱ段进行配合，即

图4-22 距离保护整定计算示意图

1II I set t t t =+∆＝0。5 S

（2)灵敏度校验:距离Ⅱ段应按被保护线路末端短路时的条件校验,即

1II II

set

sen

AB

Z K

Z L =

≥1。3 （4－28） 当灵敏度不能满足要求时，应增大保护的保护区,即与相邻线路保护的有时限保护进行配合，即

1.min ()

(II II II

set rel AB bra set Z K Z L K Z =+下） （4－29) 为了保护相邻线路首端短路时本保护不会出现误动作,本保护的动作时限应与相邻的下线

路第Ⅱ段进行配合，即

1II II set t t t =+∆=1。0S

3、距离Ⅲ段的整定：

（1）动作阻抗的整定:距离Ⅲ段是Ⅰ、Ⅱ段的后备保护，也是相邻下线路的远后备保护,因此，它应保证在正常运行时不动作,而在短路时可靠起动。即

.min

III L set III

rel re ms

Z Z K K K =

(4－30） 式中 III

rel K ——可靠系数,通常取1.2~1。3；

re K -—返回系数，通常取1。15～1。25;

ms K -—电动机自起动系数,通常取大于1； .min L Z ——最小负荷阻抗。

而

.min ,max

0.9ph L L U Z I =

（4－31)

式中 ph U -—相电压；

.max L I --不考虑电动机自起动的最大负荷电流。

为了保证选择性，距离Ⅲ段的动作时限应按阶梯时限特性时进行整定，即

t t t III

III ∆+=21 （4－32）

式中 2III

t ——相邻下线路第Ⅲ段动作时限。 (2）灵敏度校验应满足如下要求:

首先作为本线路的近后备保护进行灵敏度校验

()

1III III

set

sen AB

Z K

Z L =

近≥1.5 作为相邻下线路的远后备保护进行灵敏度校验

III

sen(yuan)

1.1III set

AB bra max BC

Z K Z L K Z L =

+≥1.2 第六节 微机距离保护应用举例 以RCS901高压线路微机保护为例:

RCS —901 包括以纵联变化量方向和零序方向元件为主体的快速主保护，由工频变化量距离元件构成的快速Ⅰ段保护，由三段式相间和接地距离及多个延时段或反时限零序方向过流构成全套后备保护；RCS —901 保护有分相出口,配有自动重合闸功能， 对单或双母线结线的开关

实现单相重合、三相重合和综合重合闸.

当采用光纤接口时,增加远跳、远传功能.

一、性能特征

l.动作速度快,线路近处故障跳闸时间小于10ms，线路中间故障跳闸时间小于15ms,线路远处故障跳闸时间小于25ms。

2.主保护采用积分算法，计算速度快；后备保护强调准确性,采用傅氏算法,滤波效果好，计算精度高。

3.反应工频变化量的测量元件采用了具有自适应能力的浮动门槛,对系统不平衡和干扰具有极强的预防能力，因而测量元件能在保证安全性的基础上达到特高速，起动元件有很高的灵敏度而不会频繁起动。

4.先进可靠的振荡闭锁功能,保证距离保护在系统振荡加区外故障时能可靠闭锁,而在振荡加区内故障时能可靠切除故障.

5。灵活的自动重合闸方式.

6.装置采用整体面板、全封闭机箱，强弱电严格分开，取消传统背板配线方式，同时在软件设计上也采取相应的抗干扰措施，装置的抗干扰能力大大提高，对外的电磁辐射也满足相关标准。

7。完善的事件报文处理，可保存最新64次动作报告,24次故障录波报告。

8。灵活的后台通信方式，配有RS-485通信接口（可选双绞线、光纤）或以太网.

9。支持电力行业标准DL/T667—1999（IEC60870—5—103 标准）的通信规约.

10. 与COMTRADE 兼容的故障录波。

二、距离保护逻辑图如4-23图

1。若用户选择“投负荷限制距离”，则Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的接地和相间距离元件需经负荷限制继电器闭锁。

2.保护起动时，如果按躲过最大负荷电流整定的振荡闭锁过流元件尚未动作或动作不到10ms,则开放振荡闭锁160ms，另外不对称故障开放元件、对称故障开放元件和非全相运行振闭开放元件任一元件开放则开放振荡闭锁；用户可选择“投振荡闭锁”去闭锁Ⅰ、Ⅱ段距离保护,否则距离保护Ⅰ、Ⅱ段不经振荡闭锁而直接开放。

3.非全相运行再故障时，距离Ⅱ段受振荡闭锁开放元件控制，经120ms 延时三相加速跳闸。

4.合闸于故障线路时三相跳闸可由二种方式:一是受振闭控制的Ⅱ段距离继电器在合闸过程中三相跳闸，二是在三相合闸时,还可选择“投三重加速Ⅱ段距离"、“投三重加速Ⅲ段距离"、由不经振荡闭锁的Ⅱ段或Ⅲ段距离继电器加速跳闸.手合时总是加速Ⅲ段距离.

三、跳闸逻辑方框图见4-24,RCS-901A 跳闸逻辑

1. 工频变化量距离、纵联保护、距离Ⅰ段、距离Ⅱ段、零序Ⅱ段动作时经选相跳闸;如果选相失败而动作元件不返回，则经200ms 延时发选相无效三跳命令.

2。零序Ⅲ段、相间距离Ⅲ段、接地距离Ⅲ段、合闸于故障线路、非全相运行再故障、TV 断线过流、选相无效延时200ms、单跳失败延时150ms、单相运行延时150ms直接跳三相.

3. 发单跳令后如果该相持续有流(>0。06I n），经150ms 延时发单跳失败三跳命令。

4。选相达二相及以上时跳三相.

5. 采用三相跳闸方式、有沟三闭重输入、重合闸投入时充电未完成或处于三重方式时，任何故障三相跳闸。

6。严重故障时，如零序Ⅲ段跳闸、Ⅲ段距离跳闸、手合或合闸于故障线路跳闸、单跳不返回三跳、单相运行三跳、TV 断线时跳闸等闭锁重合闸。

7. Ⅱ段零序、Ⅱ段相间距离、Ⅱ段接地距离等,经用户选择三跳方式时,闭锁重合闸.

8。经用户选择，选相无效三跳、非全相运行再故障三跳、二相以上故障闭锁重合闸。

图4-23距离保护方框图