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1mm Ld mU 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1mm k mU Z Z L I ==(4－2)式中 Ｌk --故障点到保护安装处之间的距离。

mI ——保护安装处的线电流。

mU--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 IU Z m mm +=（4－3) 式中 mI —-保护安装处的相电流。

mU —-保护安装处母线的相电压。

03I-—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 Ⅲ2 ＋ 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 Ⅲt 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 3KAZL图4-4 阻抗元件动作特性O R jX R tr AQC BФkФkm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21；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21(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 21α--｜≤|set Z 21α+| (4-3）相位比较原理表达式：o mset mset o Z Z Z Z 90arg90≤+-≤- （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21Z 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 mset mset o Z Z Z Z 90arg90≤+-≤- （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。