电力系统继电保护——第三章——电网的距离保护
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国家电网继电保护第三章电网的距离保护
4.Ⅲ段：①定值：按躲开正常运行时的负荷阻抗进行选择； ②时限：使其比距离Ⅲ段保护范围内其它各保护的最大动作时 限高出一个△t。 注：定值取小，时限取长。
三.距离保护的主要组成元件： 1.起动元件： 过电流继电器 低阻抗继电器 负（零）序电流继电器 2.距离元件（ZⅠ、ZⅡ、ZⅢ）：测量短路点到保护安装地点间的阻抗 （距离）。 3.时间元件：（tⅡ、tⅢ）
.
J
2 Z zd Z J
. .
U
J
2 I J Z zd U J
2）相位比较： 270°≥θ≥90° θ：向量 Zzd 超前于（ZJ－Zzd）的角度 极化电压－－－－ Up＝IJZzd 补偿电压－－－－ U’＝UJ－IJZzd 若取Zzd＝jXzd，则为电抗型继电器，线下为动作区，与ZJ的电阻部分 无关。 6.动作角度范围变化对继电器特性的影响：
Ⅰ.继电器的测量阻抗：ZJ 由加入继电器中电压UJ与电流IJ的比值确定，ZJ的阻抗角就是UJ、IJ之 间的相位差ΦJ。 Ⅱ.继电器的整定阻抗：Zzd 一般取继电器安装地点到保护范围末端的线路阻抗作为～。 全阻抗继电器：圆的半径； 方向阻抗继电器：最大灵敏角方向上圆的直径； 偏移特性的阻抗继电器：最大灵敏角方向上由原点到圆周的长度。 Ⅲ.继电器的起动阻抗： Zdz.J 表示当继电器刚好动作时，加入继电器中电压UJ与电流IJ的比值。除 全阻抗继电器， Zdz.J随ΦJ的改变而改变。 当ΦJ ＝Φlm时，Zdz.Jmax ＝Zzd
4.功率方向继电器： 1）从阻抗继电器的观点了理解功率方向继电器： 当整定阻抗Zzd ∞时，特性圆 和直径垂直的一条圆的切线。 同：必须是正方向时动作； 异：阻抗继电器，测量阻抗小于一定值时动作。 2）幅值比较：
Z
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。
继电保护(距离保护)
对于相间短路，故障环路为相—相故障环路，取测量电 压为保护安装处两故障相的电压差，测量电流为两故障相的 电流差，称为相间距离保护接线方式，能够准确反应两相短 路、三相短路和两相接地短路情况下的故障距离。
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UB = z1 l k B 、 C 相 测 量 I B + K3I 0
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三、三相系统中测量电压和测量电流的选取
U A = U kA + (I A + K3I 0 )z1 l k U B = U kB + (I B + K3I 0 )z1 lk U = U + (I + K3I )z l kC C 0 1 k C
增大，短路阻抗比正常时测量到的阻抗大大降低。
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二、测量阻抗及其与故障距离的关系
Um Zm = = z1 l k Im Z set = z1 l set
♣ 距离保护反应的信息量测量阻抗在故障前后变化比电流变 化大，因而比反应单一物理量的电流保护灵敏度高。 ♣ 距离保护的实质是用整定阻抗 Zset 与被保护线路的测量阻 抗 Zm 比较： 当短路点在保护范围以内时，Zm<Zset，保护动作； 当短路点在保护范围以外时，Zm>Zset时，保护不动作。 因此，距离保护又称低阻抗保护。
U kA = 0
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三、三相系统中测量电压和测量电流的选取
U A = U kA + (I A + K3I 0 )z1 l k U B = U kB + (I B + K3I 0 )z1 lk U = U + (I + K3I )z l kC C 0 1 k C
电力系统继电保护电网距离保护原理
9
三相系统中测量电压和测量电流的选取
. 两相接地短路故障
有
或者
. 两相不接地短路故障 有
. 三相对称短路 此时故障点处的各相电压相等，且三相系统对称 时均为0。这种情况下，选用任意一相的电压、电 流或任意两相间的电压、电流差作为距离保护的 测量电压和电流均可。
10
故障环路的概念及测量电压、电流的选取
. 一种是首先精确地测量出Zm ，然后再将它与事先确 定的动作特性进行比较。当Zm落在动作区域之内 时，判为区内故障，给出动作信号；当Zm落在动作 区域之外时，继电器不动作。
. 另一种方法无需精确地测出Zm ，只需间接地判断 它是处在动作边界之内还是处在动作边界之外，即 可确定继电器动作或不动作。
18
偏移圆特性
正向整定阻抗与反向整定阻抗相量末端的连线，就是 圆特性的直径，它将圆分成两部分，即右下部分和左 上部分，当测量阻抗落在右下部分圆周的任一点上 时，有
当测量阻抗落在左上部分 圆周的任一点上时，有
测量元件的动作条件可表示为
19
偏移圆特性
• 使阻抗元件处于临界动作状态对应的阻抗称为动作阻 抗，通常用Zop 表示。对于具有偏移圆特性的阻抗继 电器而言，当测量阻抗Zm 的阻抗角不同时，对应的动 作阻抗是不同的。
. 在系统中性点直接接地系统中，发生单相接地时， 故障电流在故障相与大地之间流通；两相接地短路 时，故障电流既可在两故障相与大地间流通，也可 在两故障相间流通；两相不接地短路时，故障电流 在果把故障电流可以流通的通路称为故障环路，则
在单相接地短路时，存在一个故障相与大地之间的
20
方向圆特性
. 在偏移圆特性中，令Zset2 = 0， Zset1 = Zset ，则动作 特性就变成方向圆特性，特性圆经过坐标原点。
三相系统中测量电压和测量电流的选取
. 两相接地短路故障
有
或者
. 两相不接地短路故障 有
. 三相对称短路 此时故障点处的各相电压相等，且三相系统对称 时均为0。这种情况下，选用任意一相的电压、电 流或任意两相间的电压、电流差作为距离保护的 测量电压和电流均可。
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故障环路的概念及测量电压、电流的选取
. 一种是首先精确地测量出Zm ，然后再将它与事先确 定的动作特性进行比较。当Zm落在动作区域之内 时，判为区内故障，给出动作信号；当Zm落在动作 区域之外时，继电器不动作。
. 另一种方法无需精确地测出Zm ，只需间接地判断 它是处在动作边界之内还是处在动作边界之外，即 可确定继电器动作或不动作。
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偏移圆特性
正向整定阻抗与反向整定阻抗相量末端的连线，就是 圆特性的直径，它将圆分成两部分，即右下部分和左 上部分，当测量阻抗落在右下部分圆周的任一点上 时，有
当测量阻抗落在左上部分 圆周的任一点上时，有
测量元件的动作条件可表示为
19
偏移圆特性
• 使阻抗元件处于临界动作状态对应的阻抗称为动作阻 抗，通常用Zop 表示。对于具有偏移圆特性的阻抗继 电器而言，当测量阻抗Zm 的阻抗角不同时，对应的动 作阻抗是不同的。
. 在系统中性点直接接地系统中，发生单相接地时， 故障电流在故障相与大地之间流通；两相接地短路 时，故障电流既可在两故障相与大地间流通，也可 在两故障相间流通；两相不接地短路时，故障电流 在果把故障电流可以流通的通路称为故障环路，则
在单相接地短路时，存在一个故障相与大地之间的
20
方向圆特性
. 在偏移圆特性中，令Zset2 = 0， Zset1 = Zset ，则动作 特性就变成方向圆特性，特性圆经过坐标原点。
《电力系统继电保护》第3章电网的距离保护 第5678节
导线对杆塔放电的接地短路：杆塔的接地电阻为主 500KV : 300Ω 220KV : 100Ω
二、单侧电源线路过渡电阻的影响
jX C
Z1I
B R
g
Z m1 Rg Z m 2 Z AB Rg
A
Z 2I
Zm Z 2II R
影响：
（1）使测量阻抗增大，保护范围缩短； （2）保护装臵距离短路点越近，受到的影响越大， 可能导致保护无选择性动作（2动，1不动）；
CA C A C A C A
I A I A I [A0 ] [ I B I B I B0 ] I I I [ 0 ]
C C C
相电流差突变量
相电流突变量
m I BC I AB m I BC I CA K(1) m I CA I AB m I CA I BC
i
k
[ U k0 ]
2 N
EN
u[L0]
M1
i
k
[ U k0 ]
2 N
u
u ust utr i ist itr
工频故障分量 U、I
二、故障分量的特点
M1
i
k
[ U k0 ]
2 N
u
（1）仅在故障后存在故障分量。保护引入故障分量 作为测量量，可使保护不受负荷状态、系统振 荡等因素的影响；
U N EN I Z N
U M U N 连线
EM
M1 I
2 N
EN
U
z
EM I 2 sin Z 2
U
U M EM I Z M
U N EN I Z N
电力系统继电保护第3章 距离保护
由UA和UB转换为UC和UD可得相位阻抗继电器动作条件为
cos 0 并将式（3-12）代入式（3-11）可得
90 arg U A U B 90 UA UB
(3-13)
2、比较两个电气量相位原理的阻抗 继电器的构成
90 arg U A U B 90 UA UB
Ur
Ir
图3-1距离保护的作用原理
a)网络接线；b)时限特性
3.1.2距离保护的时限特性
1、距离保护1第I段：瞬时动作， t1 是保护本身固有的动作时间， 其保护范围最好能保护线路AB全长，即整定阻抗为ZAB ，实际上 当线路末端短路和 BC线路出口短路时，电流相差不多，距离保
护1的II段会误动。为此，距离保护1的I段的动作阻抗 ZOP.1＜
I
（可以是相电流
r
或两相电流差) 的阻抗继电器，加入继电器的电压与电流
比值称为继电器的测量阻抗。
3.2 单相式阻抗继电器 3.2.1阻抗继电器分类
测量电压 U r
测量电流 I r
U
Zr
U r Ir
K TV I
K TV K TA
ZK
K TA
作用是测量故障点到保护安装处之间的阻抗（距离），并与
区，特性圆半径为 1
2
Z set1 Z set2
圆心坐标为
。 1
Z0 2 Zset1 Zset2
图3-10a
2、偏移特性阻抗继电器
幅值比较形式的动作阻 抗方程为 ：
1
2
Z set1 Z set2
Zr
1 2
Z set1 Z set2
（3-29 ）
电力系统继电保护3电网距离保护
› 单相接地短路：1个相-地 › 两相接地短路：2个相-地，1个相-相 › 两相短路：1个相-相 › 三相短路：3个相-地，3个相-相
v 距离保护应取故障环路上的电压、电流间的关系判 断故障距离。非故障环路上电压、电流计算得到的 距离大。
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电力系统继电保护3电网距离保护
接线方式
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不随故障类型而变化。
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电力系统继电保护3电网距离保护
三相系统测量电压和测量电流的选取
三相 系统
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电力系统继电保护3电网距离保护
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电力系统继电保护3电网距离保护
单相接地短路
v 以A相接地短路为例
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电力系统继电保护3电网距离保护
两相接地短路
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电力系统继电保护3电网距离保护
三个阻抗意义和区别
v
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电力系统继电保护3电网距离保护
3 电网距离保护
v 3.1 距离保护的基本原理与构成 v 3.2 阻抗继电器及其动作特性 v 3.3 阻抗继电器的实现方法 v 3.4 距离保护的整定计算与评价 v 3.5 距离保护的振荡闭锁 v 3.6 短路点过渡电阻对距离保护的影响
电力系统继电保护3电网距离保护
圆特性阻抗继电器
v 偏移圆特性
绝对值比较动作方程
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电力系统继电保护3电网距离保护
圆特性阻抗继电器
v偏移圆特性
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电力系统继电保护3电网距离保护
圆特性阻抗继电器
v 方向圆特性 › 比幅式
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电力系统继电保护3电网距离保护
v 距离保护应取故障环路上的电压、电流间的关系判 断故障距离。非故障环路上电压、电流计算得到的 距离大。
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接线方式
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不随故障类型而变化。
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电力系统继电保护3电网距离保护
三相系统测量电压和测量电流的选取
三相 系统
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电力系统继电保护3电网距离保护
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电力系统继电保护3电网距离保护
单相接地短路
v 以A相接地短路为例
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电力系统继电保护3电网距离保护
两相接地短路
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电力系统继电保护3电网距离保护
三个阻抗意义和区别
v
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电力系统继电保护3电网距离保护
3 电网距离保护
v 3.1 距离保护的基本原理与构成 v 3.2 阻抗继电器及其动作特性 v 3.3 阻抗继电器的实现方法 v 3.4 距离保护的整定计算与评价 v 3.5 距离保护的振荡闭锁 v 3.6 短路点过渡电阻对距离保护的影响
电力系统继电保护3电网距离保护
圆特性阻抗继电器
v 偏移圆特性
绝对值比较动作方程
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圆特性阻抗继电器
v偏移圆特性
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圆特性阻抗继电器
v 方向圆特性 › 比幅式
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电力系统继电保护3电网距离保护
《电力系统继电保护》第3章电网的距离保护-第1234节
2) 电阻特性
jX
Zm Zm 2Rset
Rset 2Rset
90 arg Zm Rset 90 Rset
90 arg Zm Rset 90
Rset
Zm
3) 方向特性 Zm Zset Zm Zset
Zm Zset
jX Zm Zset
R
Z set R
90 arg Zm 90 Z set
=0
U A U kA (IA K 3I0 ) z1lk
Zm
U m Im
IA
U A K 3I0
z1lk
Zm lk 两个接地阻抗元件动作
4) 两相相间短路（AB）
M 1 Ik
K (2)
2N
U
U Uk (I K 3I0 ) z1lk
U A U kA (IA K 3I0 ) z1lk
Zm
1 2
Z set
1 2
Z
set
90 arg Zset Zm 90 Zm
Zm Zset
90 arg Zset Zm 90 Zm Zset
第三节 阻抗继电器的实现
k3 M 1 Ik
k1
k2 2 N
Lset
动作特性的实现有两种方法：
（1）精确测量Zm －微机保护; （2）无需精确测量Zm，间接判断故障位置－模拟保护
Zm Zset 90 arg Zset Zm 90
Zm Zset
jX
Z set
Zset Zm
Zm
R Zm Zset
动作阻抗Zop：不同测量阻抗角所对应的动作阻抗相同。
方向性：无方向性。
应用：单侧电源系统中。
jX
Z set
R
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全阻抗继电器动作特性
方向阻抗继电器的动作特性
偏移特性阻抗继电器的动作特性
苹果型动作特性
橄榄型动作特性
多边形特性（一）
3.2.3 阻抗继电器的特性分析
1）幅值比较动作方程
2）相位比较动作方程
1）幅值比较动作方程（比幅式）
2）相位比较动作方程
1）幅值比较动作方程
1）幅值比较动作方程
' • 继电器的动作特性在阻抗平面上沿 OO 方向 所占面积越大，受振荡的影响就越大 • 当保护的动作带有较大的延时 ( 1.5s) 时，可 躲过振荡的影响 • 距离保护的第I段和第II段， 必须经过振荡闭锁控制； 距离保护的第三段， 可以利用延时躲过振荡的 影响
5.振荡闭锁措施
基本要求
当系统只发生振荡而无故障时，应可靠闭锁保护 区外故障而引起系统振荡时，应可靠闭锁保护 区内故障，不管系统是否发生振荡，都不应闭锁 保护
中国石油大学 信控学院 张丽霞
正常运行时电压、电流和测量阻抗的关系
• 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l的关系称为距离保护的时限 特性
断路器2的 三段t2III应 与继电器3 的三段配 合
3.1.3 距离保护的具体组成元件
3.2 阻抗继电器
• 3.2.1 阻抗继电器的分类 按加入继电器的补偿电压分类 单相式，多相式 按继电器的动作特性分类 圆特性、非圆特性 按比较回路实现方法分类 比幅式、比相式
振荡闭锁措施
①利用短路出现负序分量而震荡时无负序分量 ②利用振荡和短路时电气量变化速度不同
• ①利用短路出现负序分量而震荡时无负序分量
② 利用振荡和短路时电气量变化速度不同
• 利用振荡和短时电气 量变化速度不同
t0 t2 t1
ZK
ห้องสมุดไป่ตู้t2
t1
3.8 距离保护的整定计算及对距离保护的评价
• 3.8.1 距离保护的整定计算 1距离保护Ⅰ段整定阻抗
3.6 短路点过渡电阻对距离保护的影响
M1
M2
3.7.2 电力系统振荡对距离保护的影响
此处 有错 讲完 改
当保护安装处越靠近振荡中心时，受 到影响越大 振荡中心在保护范围以外或位于保护 的反方向时，则在振荡的影响下距离 保护不会误动
系统振荡对不同特性的阻抗继电器的影响
解决方法：引入非故障相电压。 第三相电压为C相，它通 过高阻值的电阻R接到记忆 回路中 Cj和Rj的连接点上。
正常时 ：电压 U AB较高且Lj、Cj处于工频谐振状态，而R值又 很大，第三相电压 U C 基本上不起作用。
(2)．引入第三相电压
当系统中AB相发生突然短路时：
R j jxcj jxLj U R I cj R j jI R X Lj
I fc fc
U KB U KC 0
I fb
U KB U KC
I fa 0 U fb U fc 0
， ，
I fa(1 ) I fa( 2 ) I fa( 0 ) 0
1 U fa(1) U fa( 2) U fa( 0) U fa 3
3.5 阻抗继电器的精确工作电流 与精确工作电压
在灵敏角条件下，方向阻抗继电器的实际动作条件
0.9Z set
I ac.min
3.6 阻抗继电器的死区
(1) 记忆回路 记忆回路是一个由R、L、C组成的电路
(2)．引入第三相电压
思考：记忆回路只能保证方向阻抗继电器在暂态过 程中正确动作，但它的作用时间有限。
（1）测量阻抗正比于保护安装处到短路点之间的距离 （2）测量阻抗与故障类型无关
2 常用的几种接线方式
3.母线残压的计算公式
零序电流补偿系数
4. 0o 接线方式分析
• (1) 三相(金属性)短路时
（2）BC两相短路时
.
UB
E B EC
. .
1 2
(E B EC )
.
.
（2）BC两相短路时
5.具有零序电流补偿的0o接线方式的分析 （2）两相接地短路
a b c
1 a a 2 U fa U fa(1) 1 2 a U fb U fa( 2) 3 1 a 1 1 1 U fc U fa( 0)
2）相位比较动作方程
3.3 阻抗继电器的实现方法
回顾（比幅与比相的关系）
1）幅值比较动作方程（比幅式）
3.3.1 幅值比较原理的实现
比幅式阻抗继电器构成框图
Ku为实数
幅值比较回路
• （1）均压式
• （2）环流式
（回顾）相位比较动作方程
3.4 距离保护的实现方法
1 基本要求
5.具有零序电流补偿的0o接线方式的分析 （2）两相接地短路
5.具有零序电流补偿的0o接线方式的分析
在两相接地短路时 • 接在故障相的阻抗继电器的测量阻抗等于 短路点到保护安装地点的线路正序阻抗。 • 接在非故障相的两只阻抗继电器的测量阻 抗较大，不会误动作。
5.具有零序电流补偿的0o接线方式的分析 （3）两相短路
5.具有零序电流补偿的0o接线方式的分析 （1）A相接地短路
5.具有零序电流补偿的0o接线方式的分析
• 在单相接地短路时，只有接于故障相的阻 抗继电器的测量阻抗等于短路点到保护安 装地点的线路正序阻抗。其余两只阻抗继 电器的测量阻抗偏大，不会误动作。这也 就是为什么要用三个阻抗继电器并分别接 于不同相的原因
• (2) 引入非故障相电压
出口两相短路时，引入第三相电压而产生 的UP 可保证继电气的方向性 三相短路时，无第三相电压，故不能消除 出口三相短路的死区
3.7 影响距离保护正确工作的 因素及对策
影响阻抗继电器正确工作的因素
短路点的过渡电阻 电力系统振荡 保护安装处与故障点之间的分支电路 TA、TV的误差 TV二次回路断线 串联补偿电容
I cj I R
jxLj
IR
jxLj Rj
(2)．引入第三相电压
U 结论：Icj 超前I R 近90º ，电阻Rj上电压降U R 超前AC 90º ，即极化 电压与故障前电压 AB 同相位。因此，当出口两相短路时， U 第三相电压可以保证方向阻抗继电器正确动作，即能消 除死区。
• 在两相短路时，只有接于故障环路的阻抗 继电器的测量阻抗等于短路点到保护安装 地点的线路正序阻抗。其余两只阻抗继电 器的测量阻抗偏大，不会误动作。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（金属性） 接地短路时
• 在两相接地短路时，只有接于故障环路得阻抗继 电器测量阻抗等于短路点到保护安装地点的线路 正序阻抗。其余两只阻抗继电器的测量阻抗较大， 不会误动作
2.距离保护Ⅱ段整定阻抗
2.距离保护Ⅱ段整定阻抗
距离保护动作时间的配合
欠量保护，灵敏度表示方法与 电流保护不同
Zset1
III
φset
4.整定计算举例