电网距离保护作用原理及实现
距离保护的基本原理及应用举例
主要元件为距离继电器，可根据其端子上所加的电压和电 流测知保护安装处至故障点间的阻抗值。距离保护保护范 围通常用整定阻抗 的大小来实现。 Z set
故障时，首先判断故障的方向 ：
若故障位于保护区的正方向上，则设法测出故障点到保护 安装处的距离Lk，并将Lk与Lset相比较，若Lk小于Lset， 说明故障发生在保护范围之内，这时保护应立即动作，跳开 对应的断路器；若Lk大于Lset，说明故障发生在保护范围之 外，保护不应动作，对应的断路器不会跳开。
方向阻抗继电器特性圆
jX
Z set
1 Z set 2
Z m 1 Z set 2
o
R
1 1 Z m Z set Z set 2 2
全阻抗继电器
特性：全阻抗继电器的动作特性是以保护安
装点为圆心、以整定阻抗Zset为半径所作的一 个圆。圆内为动作区，圆外为非动作区，圆 周是动作边界。 特点： 动作无方向性； 动作阻抗与整定阻抗相等。
的测量阻抗减小，保护范围延长， 可能造成保护无选择动作。 解决：在整定计算中解决，计算 动作电流时引入最小分支系数。
灵敏度校验：
K sen
Z 1.25 Z 12
II ( x) 2
II set
动作时间：t t
t
3、距离III段
整定原则：躲过本线路最小负荷阻抗
III set
5、整定计算举例
【例 3-1】 在图所示110kV网络中,各线路均装有距离保护，已知Z sA.max=20Ω、 Z sA.min=15Ω、Z sB.max=25Ω、Z sB.min=20Ω，线路AB的最大负荷电流 I L.max=600A，功率因数为0.85，各线路每公里阻抗Z 1=0.4Ω/km，线路阻抗角 =70º ，电动机的自起动系数K ast=1.5，保护5三段动作时间=2s，正常时母线最低 工作电压U L,min取等于0.9U N (U N=110kV)。试对其中保护1的相间保护短路Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ段进行整定计算。（各段均采用相间接线的方向阻抗继电器）
第三章距离保护
第三章距离保护第三章：电网距离保护1.距离保护的定义和基本原理：距离保护：是利用短路时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的壁纸，反映故障点到保护安装处的距离而工作的保护。
基本原理：按照继电保选择性的要求，安装在线路两端的距离保护仅在下路MN内部故障时，保护装置才应该立即动作，将相应的断路器跳开，而在保护区的反方向或本线路之外正方向短路时，保护装置不应动作。
与电流速断保护一样，为了保证在下级线路的出口处短路时保护不误动作，在保护区的正方向（对于线路MN的M侧保护来说，正方向就是由M指向N的方向）上设定一个小于本线路全长的保护范围，用整定距离Lset来表示。
当系统发生短路故障时，首先判断故障的方向，若故障位于保护区的正方向上，则设法测出故障点到保护安装处的距离Lk，并将Lk与Lset相比较，若Lk小于Lset，说明故障发生在保护范围之内，这时保护应立即动作，跳开相应的断路器；若LK大于Lset，说明故障发生在保护范围之外，保护不应动作，对应的断路器不会跳开。
若故障位于保护区的反方向上，则无需进行比较和测量，直接判断为区外故障而不动作。
｝通常情况下，距离保护可以通过测量短路阻抗的方法来间接地测量和判断故障距离。
2.几种继电器的方式：苹果特性：有较高的耐受过渡电阻的能力，耐受过负荷的能力比较差；橄榄特性正好相反。
电抗特性：动作情况至于测量阻抗中的电抗分量有关，与电阻无关，因而它有很强的耐过渡电阻的能力。
但是它本身不具有方向性，且在负荷阻抗情况下也可能动作，所以通常它不能独立应用，而是与其他特性复合，形成具有复合特性的阻抗原件。
电阻特性：通常也与其他特性复合，形成具有复合特性的阻抗原件。
多边形特性：能同时兼顾耐受过渡电阻的能力和躲负荷的能力。
3测量阻抗：Zm定义为保护安装处测量电压Um&与测量电流Im&之比，即Um&/Im& 动作阻抗：使阻抗原件处于临界动作状态对应的阻抗（Zop）。
电力系统继电保护-3 电网距离保护
3.1.1 距离保护的概念
测量阻抗和故障距离的关系 测量阻抗的定义（以单相系统为例）
Zm
U
m
zl
z为线路单位长度的阻抗
Im
试图找到与系统运行方式、短路类型无关，只与短路点到 保护安装处有关的测量参量
3.1.1 距离保护的概念
距离保护-利用短路发生时电压、电流同时变化的特征，测量电压与 电流的比值，反应故障点到保护安装处的距离而工作的保护。 整定距离Lset-与距离保护的范围相对应的距离。 工作原理大致如下：
3.1.3 三相系统中测量电压和测量电流的选取
不同故障类型电流、电压和测量阻抗的关系：
CASE3：两相短路接地故障 ABG故障边界条件 (I K 3I )z L 0 U U A A 0 1 k kA K 3I )z L U kB 0 U B ( I B 0 1 k I z L 0 U U I kAB A B 1 k kAB
3 电网距离保护
3.1 距离保护的基本原理与构成
电流保护的缺陷 缺点 灵敏度不足 运行方式对保护影响大 配合困难 问题 无法满足更高电压等级电网对保护的速动性、选择性、灵 敏性的要求
3.1 距离保护的基本原理与构成
故障特征分析 特征 故障时电流增大 故障时电压降低 思路 综合利用电流、电压可以提高灵敏度，所以就有了阻抗保 护，利用电流电压比值作为故障特征量
总结
只有采用与故障回路相关的电流、电压才能实现距离的测量。继电器接 入不同电压、电流仪，称为不同的接线方式。 存在相间故障回路时，采用保护安装处的故障相间电压和故障相间电流 差可以反应故障距离，称为相间距离保护。 存在接地故障回路时，采用保护安装处的相电压和经零序补偿的相电流 可以反应故障距离，称为接地距离保护。 为了保护接地故障和相间故障，需要配备接地距离保护和相间距离保 护，短路形成几个故障回路。就有几个阻抗继电器可以实现阻抗测量。
第九讲电网的距离保护
K2、K4—具有阻抗量纲的比例系数
(一)比幅式阻抗继电器
U A K1U m K2Im
U B K3U m K4Im
动作条件：
U A U B
1.当K1===0时
K2Im K3Um K4Im
K2 K3
U m Im
K4 K3
其动作特性是以K4/K3为圆心，以K2/K3为半径的园
按加入的电压和电流的相数分：有单相式和多相式
按被比较两个电压的方式分：有相比较和幅值比较
(2)阻抗继电器的分析方法
在阻抗复平面上分析阻抗继电器特性 (a)网络接线 (b)被保护线路的测量阻抗及动作特性
2、测量阻抗 测量阻抗：加入阻抗继电器的电 压和电流的比值
整定阻抗：以线路全长的（80-85）%的阻抗， 其阻抗角为线路的阻抗角 3、利用复数平面分析阻抗继电器的特性
当θ1≥180°≥θ2时，特性曲线的外部为动作区
1.园特性阻抗继电器 当θ2-θ1=180°时，动作特性为园，ab为弦； 当θ2=270 °，θ1= 90°时，动作特性是以ab为直径的园； 若令K1=K3，K2=-K4,则为全阻抗继电器。 若令K1=K3，K2=0,则为方向阻抗继电器。
2.橄榄形特性阻抗继电器 当θ2-θ1< 180°时， 且（θ2-θ1）/2= 180°
①若 K2=K4=KI
KI K3
U m Im
KI K3
为方向阻抗继电器
②K4>K2，为上抛园； ③K4<K2，为偏移特性阻抗园。
2.当K1=K3=Ku时
KUUm K2Im KUUm K4Im
Zm
K2 KU
Zm
K4 KU
令
K2 KU
电网的距离保护
阻抗继电器
阻抗继电器是距离保护的核心元件，它的作
用是用来测量保护安装处到故障点的阻抗 （距离），并与整定值进行比较，以确定是 保护区内部故障还是保护区外故障。
阻抗继电器分类
（1）阻抗继电器分类根据阻抗继电器的比较原理， 阻抗继电器可以分为幅值比较式和相位比较式。 （2）根据阻抗继电器的输入量不同，阻抗继电器 可以分为单相式（第I型）和多相补偿式（第II型） 两种。 （3）根据阻抗继电器的动作边界（动作特性）的 形状不同，阻抗继电器可以分为圆特性阻抗继电器 和多边形特性阻抗继电器（包括直线特性阻抗继电 器）两种。
动作不具有方向性。
动作方程两边同乘以测量电流,则方程为
U m I m Z set
若令整定阻抗为：
Z set K ur / K uv
圆的动作方程也可用下式表示：
K uvU m K ur I m
Z m Z set
方程的物理意义为：正常运行时，由于电压为 额定电压、电流是负荷电流，方程不满足条件， 即继电器不动作；当在保护区内发生短路故障 时，电压降低，电流增大，方程满足条件，保 护起动。
动作阻抗概念：
jX
Z set
set
Zm
Z op
R
m
定义
使阻抗继电器起动的 最大测量阻抗。
动作 阻抗 特点
当加入继电器电压与电流之间 的相位差为不同数值时，动作 阻抗也随之而变。 动作阻抗具有最大值， 保护区最长。
灵 敏 角
当测量阻抗角等于整定阻抗 角时，此时动作阻抗具有最大 值，将此角度称为灵敏角。
Z m 0.5(1 ) Z set 0.5(1 ) Z set
当 1时 ，方程为；
继电保护之距离保护
范围，或反向。
距离保护的保护范围和灵敏度受运行方式的影响较小， 尤其是距离保护Ⅰ段的保护范围比较稳定，同时，还具备 判别短路点方向的功能。
5/59
Um 测量阻抗Z m 通常为复数，还可以表示为： Im
Um Zm Z m m Rm jX m Im Z m — 测量阻抗的幅值；
18/59
通用式 : Um UK Z1 Im K 3 I 0 m
U K U K 0 3 I0 0
U UK Z1 I K 3 I 0 Z1 I
因此，接地测量阻抗为： U Zm Z1 I K 3 I 0
3/59
3.1.1
距离保护基本原理
利用保护安装处测量电压和测量电流(适当选择接
线方式)的比值 U m / I m 所构成的继电保护方式-----称为阻抗保护。
对于输电线路，由于
U m / I m z1lm
，
U m / I m 能反映短路点到保护安装处的距离 l m ，
因此，通常也称为距离保护。其中，
U m U 1m U 2 m U 0 m
U 1 K U 2 K U 0 K Z1 I1m Z 2 I 2m Z 0 I 0m
Z1 Z 2时
U K Z1 I1 m Z1 I 2 m Z 0 I 0 m
接地距离接线方式 A相 B相 C相
UC UA UB I A k 3I 0 I B k 3I 0 I C k 3I 0
相间距离接线方式 AB相 BC相 CA相
U AB I A IB
第三章距离保护-1解析
B
C
1
2
ZT
D
1. 距离保护I段： 按躲过线路末端短路整定
ZsIet1 KIrel ZAB
其中 KIrel 0.8 ~ 0.85
一、距离保护的整定计算
2. 距离保护II段：
A
B
C
1
2
ZT
D
(1)定值计算： ① 与相邻线路的距离I段配合
ZsIeIt1 KIreI l(ZAB Kb.minZsIet2)
EA A Z K3 1
Ik K1
K2
B EB
2
Zk1
Zset
jX
Zk2
Zset
Zk1
k
ZL
A
L
R
Zk3
3.1 距离保护的基本原理与构成
由三段构成
Ⅰ段 主保护
Ⅱ段
Ⅲ段 后备保护
二、距离保护的时限特性
指距离保护的动作时间 t与保护安装点至短
路点之间的距离 的l关k 系。
3.1 距离保护的基本原理与构成
jX
B A
C
Zset
Zm Zset
Zm
R
3.2 阻抗继电器及其动作特性
二、利用复数平面分析圆特性阻抗继电器
2、方向阻抗继电器
jX
Zset C
B R
Zm A
方向阻抗继电器的特点：
（1）有死区 （2） Zo随p 变m化而不同 （3）有明确的方向性
3.3 阻抗继电器的接线方式
一、基本要求和接线方式
基本要求： (1) 测量阻抗正比于保护安装处到短路点之间
的距离； (2) 继电器的测量阻抗与故障类型无关;
3.3 阻抗继电器的接线方式
继电保护教程 第三章 距离保护
第三章 电网的距离保护 第一节距离保护的作用原理一﹑基本概念电流保护的优点：简单﹑可靠﹑经济。
缺点：选择性﹑灵敏性﹑快速性很难满足要求（尤其35kv 以上的系统）。
距离保护的性能比电流保护更加完善。
Z dU d....1fe f dd d ld I U Z I U Z Z =<==，反映故障点到保护安装处的距离——距离保护，它基本上不说系统的运行方式的影响。
二﹑距离保护的时限特性距离保护分为三段式： I 段：AB Idz Z Z )85.0~8.0(1=，瞬时动作 主保护 II 段：)(21Idz AB IIK IIdz Z Z K Z +=，t=0.5’’III 段：躲最小负荷阻抗，阶梯时限特性。
————后备保护第二节 阻抗继电器阻抗继电器按构成分为两种：单相式和多相式单相式阻抗继电器：指加入继电器的只有一个电压U J （相电压或线电压）和一个电流I J （相电流或两相电流之差）的阻抗继电器。
JJ J I U Z ..=——测量阻抗Z J =R+jX 可以在复平面上分析其动作特性它只能反映一定相别的故障，故需多个继电器反映不同相别故障。
多相补偿式阻抗继电器：加入的是几个相的补偿后的电压。
它能反映多相故障，但不能利用测量阻抗的概念来分析它的特性。
本节只讨论单相式阻抗继电器。
一﹑阻抗继电器的动作特性PTld PT l lPT JJ J n n Z n n I U n I n U I U Z ⨯=⨯===1.1.1.1...BC 线路距离I 段内发生单相接地故障，Z d 在图中阴影内。
由于1）线路参数是分布的， Ψd 有差异2)CT,PT 有误差 3）故障点过渡电阻 4）分布电容等 所以Z d 会超越阴影区。
因此为了尽量简化继电器接线，且便于制造和调试，把继电器的动作特性扩大为一个圆，见图。
圆1：以od 为半径——全阻抗继电器（反方向故障时，会误动，没有方向性） 圆2：以od 为直径——方向阻抗继电器（本身具有方向性） 圆3：偏移特性继电器另外，还有椭圆形，橄榄形，苹果形，四边形等二﹑利用复数平面分析阻抗继电器它的实现原理：幅值比较原理 B A U U ..≥J相位比较原理 90arg 90..≤≤-DC U U（一） 全阻抗继电器 特点），以Z zd 为半径的圆。
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第三章 电网的距离保护第一节 距离保护的作用原理 一﹑基本概念电流保护的优点：简单﹑可靠﹑经济。
缺点：选择性﹑灵敏性﹑快速性很难满足要求（尤其35kV 以上的系统）。
距离保护的性能比电流保护更加完善。
Z dU d....1fe f dd d ld I U Z I U Z Z =<==，反映故障点到保护安装处的距离——距离保护，它基本上不说系统的运行方式的影响。
二﹑距离保护的时限特性距离保护分为三段式： I 段：AB Idz Z Z )85.0~8.0(1=，瞬时动作 主保护II 段：)(21Idz AB IIK IIdz Z Z K Z +=，t=0.5’’ III 段：躲最小负荷阻抗，阶梯时限特性。
————后备保护第二节 阻抗继电器阻抗继电器按构成分为两种：单相式和多相式单相式阻抗继电器：指加入继电器的只有一个电压U J （相电压或线电压）和一个电流I J （相电流或两相电流之差）的阻抗继电器。
JJ J I U Z ..=——测量阻抗Z J =R+jX 可以在复平面上分析其动作特性它只能反映一定相别的故障，故需多个继电器反映不同相别故障。
多相补偿式阻抗继电器：加入的是几个相的补偿后的电压。
它能反映多相故障，但不能利用测量阻抗的概念来分析它的特性。
本节只讨论单相式阻抗继电器。
一﹑阻抗继电器的动作特性、PTld PT l lPT JJ J n n Z n n I U n I n U I U Z ⨯=⨯===1.1.1.1...BC 线路距离I 段内发生单相接地故障，Z d 在图中阴影内。
由于1）线路参数是分布的， Ψd 有差异2)CT,PT 有误差J3）故障点过渡电阻 4）分布电容等 所以Z d 会超越阴影区。
因此为了尽量简化继电器接线，且便于制造和调试，把继电器的动作特性扩大为一个圆，见图。
圆1：以od 为半径——全阻抗继电器（反方向故障时，会误动，没有方向性） 圆2：以od 为直径——方向阻抗继电器（本身具有方向性） 圆3：偏移特性继电器另外，还有椭圆形，橄榄形，苹果形，四边形等二﹑利用复数平面分析阻抗继电器它的实现原理：幅值比较原理 B A U U ..≥相位比较原理90arg 90..≤≤-DC U U（一） 全阻抗继电器 特性：以保护安装点为圆心（坐标原点），以Z zd 为半径的圆。
圆内为动作区。
Z dz.J ——测量阻抗正好位于圆周上，继电器刚好动作，这称为继电器的起动阻抗。
无论Ψd 多大，zd J dz Z Z =.，它没有方向性。
1. 幅值比较原理：zd J Z Z ≤两变同乘J I .，且J J J U Z I ..=，所以zd J J Z I U ..≤，这也就是动作方程。
2.90arg90≤-+≤-Jzd Jzd Z Z Z Z分子分母同乘以I J ，90arg90....≤-+≤-Jzd J J zd J U Z I U Z I（二） 方向阻抗继电器以Z zd 为直径，通过坐标原点的圆。
圆内为动作区。
Z dz.J随ΨJ 改变而改变，当 ΨJ 等于Z zd 的阻抗角时，Z dz.J 最大，即保护范围最大，工作最灵敏。
Ψlm ——最大灵敏角，它本身具有方向性。
1. 幅值比较原理：zd zd J Z Z Z 2121≤-Jzd J zd J J Z I Z I U ...2121≤-2. 相位比较原理： 90arg90≤-≤-Jzd JZ Z Z90arg90...≤-≤-Jzd J J U Z I U（三） 偏移特性阻抗继电器 正方向：整理阻抗Z zd 反方向：偏移-αZ zd (α<1) 圆内动作。
圆心zd zd zd Z Z Z Z )1(21)(210αα-=-=半径：zd Z )1(21α+ Z dz.J 随 ΨJ 变化而变化,但没有安全的方向性。
1. 幅值比较原理zd J Z Z Z )1(210α+≤-zdJ Z Z Z )1(21)1(21αα+--....)1(21)1(21zd J zd J J Z I Z I U αα+≤--2. 相位比较原理 90arg90≤-+≤-Jzd zdJ Z Z Z Z α90arg90....≤-+≤-Jzd J zd J J U Z I Z I U α总结三种阻抗的意义：1） 测量阻抗Z J ：由加入继电器的电压U J 与电流I J 的比值确定。
JJ J I U ..arg=ϕ2） 整定阻抗Z zd ：一般取继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗。
全阻抗继电器：圆的半径方向阻抗继电器：在最大灵敏角方向上圆的直径 偏移特性阻抗继电器：在最大灵敏角方向上由原点到圆周的长度。
3） 起动阻抗（动作阻抗）Z dz.J ：它表示当继电器刚好动作时，加入继电器的电压U J 和 电流I J 的比值。
除全阻抗继电器以外：Z dz.J 随ΨJ 的不同而改变。
当ΨJ =Ψlm 时，Z dz.J =Z zd ，此时最大。
三﹑阻抗继电器的构成主要由两大基本部分组成：电压形成路和幅值比较或相位比较回路。
U A ﹑U B ﹑U C ﹑U D 基本上是由U J 和I J Z zd 组合而成。
而U J 可直接从PT 二次侧取得，必要时经YB 变换。
而I J Z zd 则经过DKB 获得。
（一） 方向阻抗继电器交流回路的原理接线zd J AZ I U ..21= J c U U ..= zd J J BZ I U U ...21-=J zd J D U Z I U ...-=交流回路交流回路其它的继电器的交流回路的组成，可参照此图自行作成。
（二） 幅值比较回路将U A 和U B 分别整流后进行幅值比较，有两种类型：1． 均压式 U A 整流后在R 1上产生U a ， U B 整流后在R 2上产生U b 。
继电器反应U ab =U a -U b 而动作。
2．环流式 U A 整流后在R 1回路产生I a ,U B 整流后在R 2回路产生I b 。
继电器反应I a -I b 而动作。
BB（三） 相位比较回路90arg90..≤≤-DC U U 它是以测定U C 和U D同时为正的时间来判断它们的相位。
)不动作2．脉冲式比相电路0arg180..≤≤-DC U U加移相器后移相90º，.90'.-=e U U C C90arg90..≤≤-DC U U第三节 阻抗继电器的接线方式 一﹑基本要求要使Z J 正比于l d ，且与故障类型无关。
二﹑常用接线方式微分元件（产生脉冲输出的时间与U C 方波的前沿同时）参见P 90，表3-2，其中0º接线，+30º接线和-30º接线的阻抗继电器用于反映各种相间短路。
相电压和具有k3I 0补偿的相电流接线用于反映各种接地故障。
三﹑分析（一） 母线残压计算公式：假设：Z 1=Z 2，不计负荷电流...10.00.22.11...d A d A d A d A AD A l Z I l Z I l Z I l Z I U U -+++=dA Ad d A d A Ad l Z I k I U l Z Z I l Z I U ..1.0.....100.1..)3()(++=-++= （其中：k=(Z 0-Z 1)/3Z 1，零序补偿系数）同理：..1.0.)3(d B Bd B l Z I k I U U ++=d C Cd C l Z I k I U U 1.0...)3(++=（二） 0º接线方式的分析（设n PT =n l =1）1． 三相短路因为三相对称，继电器1，继电器2，继电器3工作情况完全相同，所以就以继电器1为例分析。
0...===Cd Bd Ad U U U 03.0=Il dd BA dB A BA B A J l Z I I l Z I I I I U U Z 1..1......1)(=--=--=同理Z J2=Z j3=Z 1l d结论：在三相短路时，Z J1，Z J2，Z J3均等于短路点到保护安装处点的线路正序阻抗。
2． 两相短路以BC 两相短路为例。
C B I I ..-= 0.=A I 03.0=I..A A E U = dB Bd B l Z I U U 1...+= d C Cd C l Z I U U 1...+=d CB dC B CB C B J l Z I I l Z I I I I U U Z 1..1......2)(=--=--=..Cd Bd U U =d BABd d BdB Bd A BA B A J l Z I E U l Z I l Z I U E I I U U Z 1...1..1......1>-+=---=--=d CACd d CAd C Cd AC A C J l Z I E U l Z I E l Z I U I I U U Z 1...1..1......2>-+=-+=--=结论：接于故障环路的阻抗继电器可以正确反映保护安装处到故障点之间的线路正序阻抗。
其余两只阻抗继电器的测量阻抗很大，不会动作。
这也就是为什么要用三个阻抗继电器并分别接于不同相间的原因。
3． 中性点直接接地电网的两相接地短路 仍然以BC 两相接地短路为例0..==Cd Bd U U 03.0≠Id CB dd d C B CB C B J l Z I I l Z I k l Z I k l Z I I I I U U Z 1..1.01.01......233)(=--+-=--=d BA B A J l Z I I U U Z 1....1>--=d J l Z Z 13>结论：同两相短路。
（三） 接地短路阻抗继电器的接线方式以A 相接地短路为例0.=Ad U d A dA A A J l Z I k I l Z I k I I k I U Z 1..1.0....13)3(3=++=+=可见：它能正确测量以短路点到保护安装处之间线路正序阻抗。
d B B B J l Z I k E I k I U Z 1.....233>=+=d J l Z Z 13> 均不动所以必须采用三个阻抗继电器。
该接线方式能正确反映两相短路和三相短路。
（自行分析）第四节 方向阻抗继电器的特性分析由于方向阻抗继电器的应用最为广泛，故进一步分析之。
一﹑方向阻抗继电器的死区和清除方法 （一） 产生死区的原因在保护正方向出口发生相间短路时，U J =0，继电器不动作。
发生这种情况的一定范围，就称为“死区”。
1． 幅值比较式zd J zd J U zd J zd J J Z I Z I Z I Z I U J ..0...21212121.=-⇒≤-=而实际上，继电器的执行元件动作需要一定的功率，所以继电器不动。