线路的距离保护

第五章 电网的距离保护

第一节 距离保护的工作原理

电流、电压保护具有简单、经济、可靠性高的突出优点，但是，它们存在保护范围、灵敏性受系统运行方式变化影响较大的缺点，尤其是在长距离重负荷的输电线路上以及长线路保护与短线路保护的配合中，往往不能满足灵敏性的要求；此外，在多电源环形网系统中，选择性也不能满足要求。因此，电压等级在110kv以上、运行方式变化较大的多电源复杂电网，构成保护时通常要求采用性能更加完善的距离保护装置。

一、距离保护的基本概念

由于电流、电压保护所反应的电气量随系统运行方式、系统结构、短路形式的改变而变化，使得它们的保护功能难以满足系统发展的要求。

如图5-1所示，距离保护是反应被保护线路阻抗大小进行工作的，该阻抗是由被保护线

与测量电流Im的比值来反应，称为测量阻抗Zm 。在系统正常运行时的路始端测量电压Um和线路负荷电流I之比，值较大。当线路发测量阻抗Zm是负荷阻抗ZL，它是额定电压ULN生短路时测量阻抗Zm反应短路点到保护安装处的线路阻抗Zk，它与距离成正比，值较小，

愈低，短路电流Ik愈大，其比值Zm愈小，保而且短路点愈靠近保护安装处，母线残压Urem护愈先动作。测量阻抗Zm的大小，反应了短路点的远近，当Zm小于保护范围末端的整定阻抗Zset而进入动作区时，保护动作。因此，距离保护是以测量阻抗的大小来反应短路点到保护安装处的距离，并根据距离的远近确定动作时限的一种保护。使距离保护刚好动作的最大测量阻抗称为动作阻抗或起动阻抗，用ZOP表示。由于距离保护反应的参数是阻抗，故又被称为阻抗保护。因线路阻抗只与系统在不同运行方式下短路时电压、电流的比值有关，而与短路电流的大小无关，所以距离保护基本不受系统运行方式变化的影响。

二、距离保护的时限特性

距离保护动作时间t与保护安装处至短路点之间距离l的关系 tf(l)，称为距离保护的时限特性。

为了满足速动性、选择性、灵敏性的要求，目前距离保护广泛采用具有三段动作范围的阶梯时限特性，如图5-1所示，t>t>t，分别称为距离Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 段。它与三段式电流保

52 |

Ⅲ

Ⅱ

Ⅰ

护的时限特性相类似。

以图5-1中保护1为例， 距离保护1理想的保护范围是线路AB全长，为此，其第Ⅰ段

AIIm1B2kC3ZZAB+ZkZkUUmttⅢ1tⅠ1tⅡ1tⅠ2tⅡ2tⅢ20图5-1 距离保护作用原理l

Ⅰ的动作阻抗应整定为ZOP.1ZAB。当下一线路BC出口k点短路时，保护1测量阻抗Zm 大

于动作阻抗Zset.1，处于距离Ⅰ段保护范围以外，保护1不动作。然而，实际中存在动作阻抗的计算误差、电压和电流互感器的误差以及短路时暂态过程的影响，使保护1因测量阻抗Zm小于动作阻抗ZOP.1， 而越级误动作，失去选择性。为使保护1在下一线路出口短路时具有

Ⅰ选择性，只有降低动作阻抗，缩小保护范围，满足 ZOP.1ZAB ，计及上述各种误差，动作

ⅠⅠⅠ阻抗应按ZOP.1＝0.8~0.85ZAB整定 。这样，距离保护1的第Ⅰ段只能保护AB线路全长的

80％~85％，在此范围内，保护1距离Ⅰ段具有选择性，应该瞬时动作，t1 是保护装置的固有动作时限，如图5-1所示。

为了切除本线路末端15％~20％范围内的故障，相似于三段式电流保护的考虑，保护1还应装设距离Ⅱ段。为了保证选择性，保护1距离Ⅱ段保护范围必然伸入下一级线路，并与下一级线路保护2的保护范围部分重叠，为使保护1动作具有选择性，并力求动作时限最短，为此，保护1距离第Ⅱ段不应超过保护2距离Ⅰ段的保护范围，即动作阻抗按

ⅡⅠZⅡ＝0.8~0.85(ZAB＋ZⅠOP.1OP.2)整定；动作时限t1还应与保护2距离Ⅰ段动作时限t2配合且

Ⅰ大一个时限级差Δt ，即保护1距离Ⅱ段动作时限按t1＝t2＋t整定 ，如图5-1所示 。如

ⅡⅠ53 |

Ⅱ此，可使保护1距离Ⅰ、Ⅱ段在t1时间内切除被保护线路任一点的故障，满足速动性要求。

距离Ⅰ段和Ⅱ段互相配合，构成本线路（110kV）的主保护。

为了作相邻下一线路保护和本线路主保护的后备保护，还应设置距离第 Ⅲ 段保护。距离第 Ⅲ 段保护的保护范围较大，其动作阻抗应按躲过正常负荷阻抗等条件整定；动作时限按阶梯时限原则整定，即动作时限应比本线路及相邻线路中保护的最大动作时限大一个时限级差Δt，如图5-1所示 。 三、距离保护的原理框图

图5-2所示为三段式距离保护原理框图，它由三部分组成。各部分的组成与作用如下：

KT1KAN0.1S起动回路0&A1KCH逻辑回路1KSA2&tⅡKT202KSO≥测量回路1、2KI跳闸A3&3KItⅢKT303KS图5-2 三段式距离保护原理框图

⒈ 起动部分

起动部分的主要元件可以是电流继电器、阻抗继电器、负序电流电流继电器或负序、零序电流增量电流继电器。以往的距离保护，起动元件采用电流继电器或阻抗继电器。目前，为了提高起动元件的灵敏性及保护可能误动时兼起闭锁作用，大多采用反应负序电流或负序电流与零序电流的复合电流或其增量的电流继电器KAN作为起动元件。正常运行时，起动部分的起动元件KAN不起动，三段式距离保护不投入工作。线路短路时，起动元件KAN解除整套保护的闭锁，使其投入工作。起动部分的作用是判别线路是否发生短路、保护是否应该投入工作。 ⒉ 测量部分

测量部分的核心是具有方向性的阻抗继电器或无方向性的阻抗继电器与功率方向元件的组合。其作用是利用阻抗继电器KI测量短路点到保护安装处的距离。 ⒊ 逻辑部分

54 |

逻辑部分主要由门电路和时间电路组成。它的作用是根据阻抗继电器测量及起动元件输出结果，决定是否应该跳闸、以什么时间跳闸。 测量部分是距离保护的核心。 三段式距离保护工作情况分析：

（1）正常运行情况下，线路没有负序电流I2，起动元件KAN无输出，闭锁整套保护。 （2）发生短路时，出现负序电流I2，KAN起动整套保护。如果短路点在Ⅰ段保护范围内（也属于Ⅱ、Ⅲ段的范围），0.1s内，时间电路KT1 无信号输出，禁止门A1开放，允许距离Ⅰ段跳闸，与此同时，Ⅰ、Ⅱ段公用阻抗继电器1、2KI未经切换继电器KCH段别切换而处于Ⅰ段位置，1、2KI与Ⅲ段阻抗继电器3KI同时起动，与门A2、A3 有输出，由于时间电路KT2 、KT3 的时限 t、t 长，则1、2KI的输出经与门A2、禁止门A1、信号继电器1KS、或门O瞬时跳闸。如短路点在Ⅱ段保护范围内时，阻抗继电器3KI起动，0.1s后，时间电路KT1一方面起动切换继电器KCH，切换阻抗继电器1、2KI至Ⅱ段，另一方面经禁止门A1闭锁距离Ⅰ段的瞬时跳闸回路，因t< t，阻抗继电器1、2KI的输出经与门A2、时间电路KT2 、信号继电器2KS、或门O ，以t 时限跳闸。当短路点在Ⅲ段保护范围内时，时间阻抗继电器3KI起动，t时限到达后，经与门A3、时间电路KT3、信号继电器3KS、或门O跳闸。

Ⅲ

ⅡⅡ

Ⅲ

Ⅱ

Ⅲ

第二节 阻抗继电器

按测量阻抗原理工作的继电器叫做阻抗继电器，它是距离保护中的核心元件。阻抗继电器的主要作用是测量短路点到保护安装处的线路阻抗，并与整定阻抗进行比较，以确定保护是否应该动作。

一、阻抗继电器的构成方式

构成阻抗继电器的方式按输入电气量的多少可分为单相式和多相式两种。输入电气量只是一个电压（相电压或线电压）和一个电流（相电流或两相电流之差）的阻抗继电器，称为单相式或第Ⅰ类阻抗继电器，其动作特性可以在阻抗复数平面上表示出来；输入几个电压、电流或其组合构成的，称为多相式（多相补偿式）或第Ⅱ类阻抗继电器，其动作特性不能直接在阻抗复数平面上表示出来。目前常用的阻抗继电器多为单相式阻抗继电器。

、电流I取自被保护线路始端母线电压互感器TV和 单相式阻抗继电器输入的电压Umm线路电流互感器TA的二次侧，其比值就是测量阻抗Zm，即

55 |

nnTAUUnUmTVZmZKLTA （5-1）

nnTVnTVIIImTA— 保护安装处一次侧母线电压； 式中 U— 被保护线路一次侧电流； I nTV — 电压互感器变比； nTA — 电流互感器变比； Zk — 一次侧测量阻抗。

线路的测量阻抗可以用复数的形式表示为Zm = Rm + jXm，因此，可以利用复数平面分析继电器测阻抗Zm的动作特性。

二、阻抗继电器的动作特性分析

图5-3（a）所示网络中，线路AB、BC的阻抗角φK相等。现以BC线路上保护2为例来说明其动作特性。假定电流的正方向规定为由母线指

jXA1B2kCZⅠsetC~KI~41320ZKRtrZmBR（a）A（b）图5-3 阻抗继电器的复数平面分析（a）网络图；（b）测量阻抗及动作特性

向线路，当正方向发生短路时，距离保护2的测量阻抗Zm=Rm+ jXm随着短路点的不同，它在第一象限的直线BC上变化；反方向短路时，Zm在第三象限。正向测量阻抗与R轴的夹角即

Ⅰ是线路阻抗角φk。保护2距离Ⅰ段的整定阻抗Zset＝0.8~0.85ZBC，整定阻抗角φset =φk，

则阻抗继电器的动作特性就是一条位于BC上的直线Zset，其保护范围就是幅值和相位确定的动作特性直线Zset，如图5-3（b）所示。短路时，测量阻抗Zm落在Zset上，则阻抗继电器动作；反之，阻抗继电器不动作。然而，在BC线路的保护范围内发生短路时，假如短路点伴随有过渡电阻Rtr，将使继电器的测量阻抗Zm落在其动作特性直线Zset范围以外，导致

56 |

ⅠⅠⅠⅠ

阻抗继电器不能动作，如图5-3（b）所示。此外，由于电流、电压互感器及继电器存在角度误差，也会使阻抗继电器因测量阻抗Zm超出其动作特性直线而拒动。为了保证阻抗继电器在其保护范围内发生实际可能的短路时都能正确动作，应扩大动作范围，将动作特性由一条直线扩大为包含该直线的一个面积，如圆形、椭圆形、四边形等。常见的动作特性为圆形，其中以整定阻抗幅值为直径，圆周过阻抗复平面坐标原点的圆，称方向阻抗特性圆，如图5-3（b）曲线1所示；以整定阻抗幅值为半径，圆心位于坐标原点的圆，称全阻抗特性圆，如图5-3（b）曲线3所示；圆心偏离原点，且圆心处于整定阻抗反向延长线的圆，称偏离特性阻抗圆，如图5-3（b）曲线2所示；图5-3（b）曲线4所示为直线特性。此外，较复杂的四边形、椭圆形等特性也在集成电路和微型机继电保护中得到应用。

利用复数平面分析单相式和直线特性阻抗继电器的动作特性，可以容易地确定动作方程、拟定原理接线方案或构成逻辑关系。

阻抗继电器的动作特性分析中，常常采用幅值比较式和相位比较式两种原理。 （一） 偏移特性的阻抗继电器 1. 幅值比较式

如图（5-4）所示，幅值比较式偏移特性阻抗继电器的动作特性，是以整定阻抗Zset与反

jXjXZsetZmZsetθZsetZ01Zset21Zset2ZmetZmZmR0ZsetZmZs0ZsetR（a）（a）比幅式；（b）比相式（b）图5-4 偏移特性阻抗继电器动作特性

向偏移-αZset（α＜1，）的幅值之和Zset +αZset为直径的圆，圆心坐标为Z0半径为ZsetZ01(1)Zset，21(1)Zset。保护安处在原点，圆内是动作区，圆外为非动作区。α为2偏移特性阻抗继电器的偏移度。当测量阻抗Zm落在圆周上时，继电器处于动作区边界恰好动作，只要Zm落在圆内，继电器动作；反之，继电器不动作，动作既有方向性，又没有完全的方向性，例如在反向出口短路，也能动作，故称其为具有偏移特性的阻抗继电器。使用时，

57 |

考虑互感器的误差，通常取偏移度α= 0.1~0.2，以消除方向阻抗继电器的死区。

偏移特性阻抗继电器的偏移度0<α<1。

幅值比较原理的园特性阻抗继电器，分析其动作特性时应求出圆心坐标和半径。

按幅值比较原理分析图5-4（a）所示的动作特性，其动作区的动作方程为

ZmZ0ZsetZ0 （5-2）

将圆心坐标Z0，代入式（5-2），可得

11Zm(1α)Zset(1α)Zset （5-3）

22和电抗变继电器整定阻抗的实现，是通过其内部整定变压器（电压变换器）TV变比KU

K换器TL的转移阻抗KI的调整与组合来完成，故继电器整定阻抗可以表达为ZsetI，考

KUIZU，用K虑ImmmUm乘式（5-3）两端，可得以电压表示的动作方程

1U1(1)KIIK(1)KUmImIm （5-4）

222. 相位比较式

按相位比较原理分析具有偏移特性阻抗继电器的动作方程，根据图5-4（b）所示可得

90Arg-(ZmZset)90 （5-5）

ZmαZset 可知，动作特性是以向量Zset和－αZset的末端为直径的圆，圆内为动作区。

KI考虑ImZmUm，ZsetI，分子、分母同乘KUm，可得电压表示的动作方程 KUIKImKUUm90Arg90 （5-6）

IKUαKImUm和电流I接入阻抗继电器的整定变压器如图5-5中，将取自互感器二次侧的电压 UmmU，TV 和电抗变换器TL，在其二次侧分别得到电压KUm1I，1(1α)KI(1α)KImIm，

2258 |

再根据比幅式动作方程构成测量部分实现电路，如图5-5（a）所示；根据比相式动作方程构

成测量部分实现电路，如图5-5（b）所示 。 （二） 全阻抗继电器 偏移特性阻抗继电器的偏移度α= 1，就是全阻抗特性继电器。

1. 幅值比较式

(a)U*TV**ITATAIm**122I(1)KImIImIm**IKIm*1(1)KUm***KIImTV***UKUmUmUKUmUKUm(b)使式（5-3）中偏

图5-5 偏移特性阻抗继电器测量部分电路移度α= 100％=1，其幅值比较式动作方程为

（a）幅值比较测量电路；（b）相位比较测量电路ZmZset （5-7）

圆半径为Zset，圆心为原点，圆内为动作区。动作特性如图5-6（a）所示，为全阻抗特性圆，保护安装处位于原点。只要测量阻抗Zm落在圆内，继电器就能动作，与Zm的方向即相位角无关，因此称之为全阻抗特性圆阻抗继电器。

jXZsetKIKUZmRjXZset-ZmZset θset0mZmR-Zset （b） 图5-6 全阻抗继电器动作特性（a）比幅式；（b）比相式m-Zse0Zt

K 由于继电器输入的电气量是电压、电流，考虑到ImZmUm，ZsetI，在式（5-7）KUI可得幅值比较式全阻抗继电器测量部分实现电路的动作方程 两端同乘以KUmUKUmKIIm （5-8）

59 |

在图5-5（a）中，取α= 1，可得比幅式全阻抗继电器测量部分的实现电路。 2. 相位比较式

用相位比较原理分析全阻抗继电器的动作特性。由式（5-5），考虑偏移度α= 1，则动作方程为

90Arg-(ZmZset)90 （5-9）

ZmZset动作特性是以向量Zset和Zset的端点为直径的圆，圆内为动作区，如图5-6（b）所示。 用比相电压表示的动作方程为

IKImKUUm90Arg90 （5-10）

KIImKUUm在图5-5（b）中，取α= 1，可得比相式全阻抗继电器测量部分的实现电路。 （三）、方向阻抗继电器

偏移特性阻抗继电器的偏移度α= 0，即为方向阻抗特性继电器。 1. 幅值比较式

在式（5-3）中，偏移度α= 0，可得方向阻抗特性继电器幅值比较式动作方程为

Zm11ZsetZset （5-11） 22圆半径为

11Zset，圆心为向量Zset的端点。动作特性如图5-7（a）所示。保护安装处 22jXjXZsetZ01Zset2ZsetθZsetZmZm1Zset2ZmZm0（a）R0（b）R图5-7 方向阻抗继电器动作特性（a）比幅式；（b）比相式

位于坐标原点，圆内为动作区，圆外为非动作区，圆周是动作边界。当测量阻抗Zm落在圆周和圆内，继电器动作；否则，不动作。如保护背后发生短路时，Zm在第三象限，处于动作特

60 |

性圆外，继电器不动作，其动作特性具有方向性，故称之为方向圆特性阻抗继电器。 如图5-7所示， 当测量阻抗Zm落在圆周上时，Zm即为继电器的动作阻抗ZOP，ZOP随加

和电流I间相角差φm的改变而变化。当φm等于整定阻抗的阻抗角φk入继电器的电压Umm时，动作阻抗ZOP达到最大，与Zset相等，此时，阻抗继电器的保护范围最大，工作最灵敏。因此，这个角度称为继电器的最灵敏角，以φsen表示。为使继电器工作在最灵敏角的条件下，应调整继电器的最灵敏角φsen接近或等于线路阻抗角φk。

考虑式（5-4）中，偏移度α= 0，可得以电压表示的方向阻抗继电器动作方程

U1KI1KIKUmImIm （5-12）

22在图5-5（a）中，取α= 0，可得比幅式方向阻抗继电器测量部分的实现电路。 方向阻抗继电器动作特性，也可用相位比较原理进行分析。 2. 相位比较式

由式（5-5），偏移度α= 0，可得比相式方向阻抗继电器的动作方程

90Arg(ZmZset)90 （5-13）

Zm可知，动作特性也是以Zset为直径的圆，圆内为动作区，如图5-7（b）所示。 由式（5-6），偏移度α= 0，得出电压表示的比相式动作方程

IKImKUUm90Arg90 （5-14）

KUUm在图5-5（b）中，取α= 0，可得比相式方向阻抗继电器测量部分的实现电路。 （四）抛球特性阻抗继电器 图5-8所示为阻抗继电器抛球动作特性。保护安装处在原点，圆内为动作区，且ZA、ZB已知。对图5-8（b）分析可知，抛球动作特性相位比较式动作方程为

Z0ZAZBZA2（a）jX0ZBZmRjX0ZBZmR?ZA（b）图5-8 抛球特性阻抗继电器动作特性（a）比幅式；（b）比相式61 |

90ArgZmZA270 （5-15）

ZmZB动作特性为以向量ZA、ZB的端点为直径的圆，圆内为动作区。 图5-8（a）所示抛球动作特性的幅值比较式动作方程为

11Zm(ZAZB)(ZAZB) （5-16）

22 （五）直线特性阻抗继电器

如图5-9所示为几种直线特性阻抗继电器，其阴影部分为动作区，它们的动作特性既可

jX 2jX0 jX jXZ0Zm－2jZm-ZX0ZmR0ZmjX0Zm-Z0（c)00Z02Z0（a)Z0Zm+R用幅值比较，也可用相位比较原理来分析。下面采用幅值比较原理分析直线特性阻抗继电器、电抗特性阻抗继电器、功率方向继电器的动作特性。相位比较原理的特性分析可参考前述方法进行。

按幅值比较原理分析直线特性阻抗继电器的动作特性，由图5-9（a）分析，可得出动作方程

动作区为2Zset的中垂线，方向指向原点。

根据图5-9（b）分析，可知比幅式电抗特性阻抗继电器动作方程为

动作区为2Xset的中垂线，方向指向原点。

根据图5-9（c）分析，可知比幅式功率方向继电器的动作方程为

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2Z0－Zm0（b)R图5-9 直线特性阻抗继电器（a）直线特性；（b）电抗特性；（c）功率方向继电器

Zm2ZsetZm （5-17）

ZmZm2Xset (5-18)

ZmZsetZmZset (5-19)

动作区为向量-Zset、Zset末端连线的中垂线，方向指向Zset。

（六）方向阻抗继电器动作特性的扩展——橄榄形和苹果形动作特性 前述相位比较式方向阻抗继电器的动作方程表达式为

90ArgZsetZm90 （5-20）

Zm其动作特性如前图5-7（b）所示，按相位比较原理而言，继电器处于动作边界时，Zm – Zm超前Zm的相角θ为 90°，等于其相邻角，即直径Zset所对的圆周角。若圆周角所对的是小于直径的一条弦，此时圆周角将大于或小于90°，对应的相邻角θ 也将小于或大于90°。当 θ＜90°时，动作特性改变为

ArgZsetZm,Zm(90) (5-21)

在阻抗复平面上的特性曲线如图5-10（a）所示，由带斜线的两圆弧组成，特性曲线所包围面积是两个相交圆的相交部分，形似橄榄，因而称橄榄形动作特性，所构成的继电器也被称为橄榄形特性阻抗继电器。当90时，其动作特性将为如图5-10（b）所示带斜线的两圆弧组成，形如苹果，因而称苹果形特性阻抗继电器，其动作方程表达式为

ArgZsetZmZm(90) (5-22)

jxjxZθZZθ-ZZZ-ZZ0R0R图5-10 橄榄形和苹果形阻抗继电器动作特性（a）橄榄形特性（θ＜90°）；（b）苹果形特性（θ＞90°）

三、方向阻抗继电器的死区及其消除方法

⒈ 产生死区的原因

前面分析了单相式阻抗继电器圆特性和直线特性的动作方程，而按上述原理构成的方向

接近于阻抗继电器在实际工作中，当保护正方向出口发生三相短路时，故障点相间残压Urem63 |

0或小于继电器动作所需最小电压时，方向阻抗继电器将不能零，加入继电器的电压Um动作。因此，把短路时方向阻抗继电器不能动作的一定区域称为方向阻抗继电器的死区。

对于按幅值比较原理构成的方向阻抗继电器，其动作方程为

0时，变为1KU1KI1KI，当UI1KI KmUmImImImIm，理论上处于

2222动作边界，实际上，由于继电器的执行元件动作需要消耗一定的功率，因此，继电器不能动作。

0时，由于进行对于按比相原理构成的方向阻抗继电器，动作方程为式（5-14），当Um比相的两个电压中有一个为零，因而无法比相，继电器不动作。

⒉ 消除死区的方法

为了减小和消除继电器的死区，通常在方向阻抗继电器的两个电压比较量中引入相等极

同相位；保护安装处出口短路时，。为了不影响继电器的动作特性, U 应与U化电压UmTPTP应不为零或能保持一段时间。 极化电压UTP

通常引入极化电压的方法如下：

（1）记忆回路，如图5-11（a）所示。记忆回路由R、L、C组成50HZ 工频串联谐振回 路，谐振回路在正常情况下呈电阻

CL与U及在电阻上的性，回路中ImU同相，因此以U代替U压降UmRR

或作为极化电压接入继电器，继电器的特性不会改变。当相间短路时，

0UmiURIU(a)UR0(b)t图5-11 记忆回 路（a）电路图；（b）记忆波形图突然由正常值降为零，谐振状态的回路电流I不能突然消失，要按回路的自由振荡电压UmU的变化规律衰减到零，也以I频率经过几个周波后逐渐衰减到零。回路中电阻上的压降URU的相位，因而U具有“记忆作用”保持短路前U如图5-11（b）所示。在此过程中U，该mmR

失去记忆作用以前，继电器可以进行相位或幅值比较，从而消回路称为“记忆回路”。在UR

64 |

除出口短路的死区以及保证反方向出口短路时不失去方向性。“记忆回路”稳态谐振频率与暂态谐振频率不同，为使阻抗继电器的动作特性受频率变化的影响较小，一般快速动作的方向阻抗继电器按L1的条件选择“记忆回路”元件参数，而对动作较慢的保护，则按CLR12的条件选择。 LC4L2 （2）引入非故障相电压。在保护安装处正方向出口发生各种相间短路时，故障相间电压

0，而非故障相相间电压仍然很高。将非故障相电压引入作为极化电降低为零，随之Um接入继电器，即可消除记忆作用消失后，保护安装处正方向出口两相短路的死区；此压UTP外，还可防止反方向出口两相短路时的误动作。

第三节 整流型方向阻抗继电器的接线和特性分析

一、原理接线

图5-12所示为常用的幅值比较式整流形方向阻抗继电器原理接线图。它由电抗变换器

***IUUa*RCNTV3*R4KCHUE2TL**图图图图图图图图IaNN12图图图图N4*TP*R6*UE1N2N1R3**N1LUTPUbR5KCH图图图图NRφ2Rφ1R1UE2IbR2*UETPC31*N43图a图UcTPC2C1图b图图 5 -12 图图图图图图图图图图图图图图图图a图图图图图图图b图图图图图图图

TL、电压变换器TV、极化变压器TP和幅值比较回路组成。图示继电器是距离保护Ⅰ、Ⅱ段

IIABI，的测量元件，它反应线路中A、B相间短路，接入继电器的电流为ImIabnTA65 |

U。 电压为Umab 正常运行时，切换继电器KCH带电，其处于闭合状态的常开触点接通第Ⅰ段整定阻抗；短路后，KCH失磁，经过第Ⅰ段允许跳闸时间的延时，由KCH触点切换到第Ⅱ段整定阻抗。

经过电抗变换器 TL和电压变换器TV，得到电、U一般第Ⅰ段允许跳闸时间为0.1s 。ImmI压KIm 、KUUm，KU为实数。从R、C、L组成的串联谐振记忆回路中取UR接入极化

同相位的两个等幅极化电压U（也称插入电压）变压器TP，其副边N2、N3 输出与U，插mTP作为参考电压，由图5-12所示极性，可写出幅值比较回入幅值比较回路。 以极化电压UTP路的两个电压

U(KUKIATPUmIm) （5-23） BUTP(KUUmKIIm)为动作量，BB为制动量，当A时继电器动作。 A 二、动作特性分析 （一）幅值比较式

在方向阻抗继电器动作方程式（5-12）两端同乘以2，动作方程关系不变，即

IKIm2KUUmKIIm （5-24）

为动作量，B为制动量，则有 若AKIAIm2KUKIBUmIm （5-25）

B动作。将式（5-23）等值变形为 AKIAIm(UTPKUUm) （5-26） B2KUUmKIIm(UTPKUUm)KU)。如果按式（5-26）比较式（5-25）和式（5-26）可知，式（5-26）多一项(UTPUM构成的幅值比较式阻抗继电器和按式（5-25）构成的方向阻抗继电器，具有相同的动作特性，则该继电器就是方向阻抗继电器。

66 |

同相位，当U位于动作特性圆的边界和KU分析图5-13（a）可知，稳态时，UmUmTPKU)后得到的四边形MNP0为、BB分别插入(U。 可以证明，A上时，ATPUm的引入并不改变方向阻B，因此，极化电压U等腰梯形，它的两个对角线相等，即ATP抗继电器的稳态特性，按式（5-26）构成的阻抗继电器是方向阻抗继电器。

jXImjXImI2KImI2KImNKIAImPB2UTPMAKUUTPUm2KUUmUTP90º2KUUm2KUBUmKIIm0图a图RIm0图b图RIm图5-13 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图(a)图图图图图图(b)图图图图图

三、引入电压的作用

的作用 （一）极化电压UTP不影响方向阻抗继电器的特性； 从前面分析已知，在稳态时U正方向出口三相短路时，TP起“记忆作用”0，U在记若U。由图5-14可知，UmmTPXjImI2KImUTPIKImBUTPAUKI忆过程中，动作量ATPIm始终大于制动量

UKIBTPIm，阻抗继电器能够可靠动作，从而消除

了死区。

（二）第三相电压的作用

0RImU5-14 ???? ???TP“记忆回路”能保证方向阻抗继电器在暂态过程中正确动作，但其作用时间有限，因此，

。U通过高阻值电阻R5（约30kΩ）接到“记忆回应引入第三相电压，即非故障相电压Ucc路”中C与L的连接线上，且与“记忆回路”并用，如图5-11（a）及5-15（a）所示。正常

UU；由于R5为电压较高，因为XL=XC，所以有U时，R、L、C谐振回路中UmRabab在R、C、R5回路中产生的电流很小，第三相电压U基本不起作用。 当保高阻值，故Uabc67 |

U0，护正方向出口AB两相短路时，U 记忆作用消失后，其等值电路如图5-15（a）mabU作用于AB相短接后和C相构成的回路上，由于所示。由图可知，⒈5倍相电压Uacbc基本与所加R5 阻值远大于回路中阻抗值（R－jXC）∥jXL ，故回路主要呈电阻性，电流IR或UURI同相位，且电压主要降落在R5上，即U电压Uacbc5R。IR在两支路中按acbc阻抗成反比分配，在R、C支路中分配的电流为

jIICRXLXL （5-27） jIRRjXLjXCR超前I 90°，90°，由上式可知，I即超前U其相量如图5-15（b）所示。由图可知，jUcacacRk(AB)KIabTPCIICLRUcLIcABCUUacbcIIIabcUbR5cIRUUkakb(b)UaZaZbbZbcZcaZaZacc(a)图 5 -15 图图图图图图图图图图图图a图图图图图图图b图图图图图5-16 图图图图图图图图图图b

IRjIXjUXL，所以，第三相电压提供的同相位，又因为U与短路前UabTPCRLacR5同相位。同样，该电压的存在可消除正方向出口两相短路时继电与短路前U极化电压UabTP器动作的死区。

第三相电压的引入还能防止在反方向出口两相短路时，因⒈5倍非故障相电压的作用而可能引起的继电器误动作。其作用原理可结合图5-16所示进行具体分析，例如，当反方向出

等于零，即口处发生AB两相短路时，电压互感器二次侧接入继电器的电压Um及UU0，而非故障相和故障相间的电压U为⒈5倍相电压。若电压互感器二Umabacbc次负载不对称，即 Zuv≠Zvw≠Zwu ，电压互感器引至保护盘间的导线阻抗也不等，即Zu≠Zv

68 |

及U的作用下，电压互感器二次侧产生电流 I、I、I，其数值不等，≠Zw时，在Uacbcabc、I在Z、Z上的压降也不等，从而使U为任意值。且不对称，则流入继电器的电流Iababba＜0，则有Z因此，在记忆作用消失后,若UmabUab，Zm 反应为正方向出口短路阻抗，Iab的作用，从而保,以抵消U引起继电器误动作。为此，由第三相电压引入一个极化电压UabTP证反方向短路时，保护可靠不动。

(三)“记忆回路”对继电器动作特性的影响

后，其动作方程 如前所述，方向阻抗继电器引入“记忆回路”电压UTPIKImKUUm90Arg90 （5-28）

UTP同相位，因此，动作特性为图5-7所示的方和U在正常运行和短路后的稳态情况下，UmTP的记忆作用，U将记向阻抗圆特性，被称为稳态特性。但在发生短路的初瞬间，由于UTPTP的相位，因此方向阻抗继电器的动作方程应为 忆短路前负荷状态下母线电压ULIKImKUUm90Arg90 (5-29)

UL是故障后的母线电压，两者相位不同，可见式为短路前负荷状态下的母线电压，U式中UmL（5-29）所表示的继电器在短路初瞬间的动作特性与稳态时不同，因此，称其为初态特性。

记忆作用的逐步消失，由初 短路以后，有记忆作用的方向阻抗继电器动作特性随着UTP态特性逐步向稳态特性过渡。由于初态特性的动作方程含有多个变量，所以不能简单地只用Zm来表示，只能根据具体系统接线、参数和短路位置进行分析。 ⒈ 正方向短路时的初态特性

系统接线及相关参数如图5-17（a）所示，设互感器变比为1，则在K点短路时有

ImE (5-30)

ZsZk69 |

IZ (5-31) UmmkUImmZk (5-32)

ImjXZsetEUm图图图图90ºφkZmKIImZsetZkK0ZSR图图图图图a图-ZS图b图图5-17 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图a图图图图图图b图图图图图

K计及ZmI

KUIKImKUUmKIImKUImZmKUIm(ZsetZm)E (5-33) KU(ZZDZm)ZsetZmZsetZmKUEZsZm将式（5-33）代入式（5-29），可得继电器初态特性动作方程

ZZKUEm90Argset90 （5-34）

ZsZmULKUE如果短路前为空载，则EUL，Arg0，继电器动作方程为 UL90ArgZsetZm90 （5-35）

ZsZm可知，动作特性是以Zset(Zs)为直径所作的圆，圆内为动作区，如图5-17（b）所示。当记忆作用消失以后，稳态情况下继电器的动作特性仍是以Zset为直径所作的圆，如图5-17（b）所示。

70 |

正方向短路时，Zm为短路点到保护安装处的线路阻抗Zk，其阻抗角为线路阻抗角φk，若考虑短路点存在过渡电阻或串补电容的影响，Zm有可能进入第Ⅲ象限，但绝不会出现负值而进入第Ⅳ象限，因此，动作圆的有效区为图5-17（b）所示阴影部分。动作特性圆虽然包含第Ⅳ象限，但并不意味着会失去选择性，因为式（5-35）是在保护正方向短路的条件下导出的，它不适用于保护反方向短路的情况。

可见，正方向短路时的继电器初态特性，扩大了动作范围，既有利于消除死区和减小过渡电阻的影响，而又不会失去方向性。 ⒉ 反方向短路时的初态特性

系统接线及有关参数如图5-18（a）所示，当保护反方向K点发生短路时，流过保护的

jXZ'sZmKZkUm图图图图KIImZsetZ'sEZset图图图图0图a图-Zk图b图R图5-18 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图a图图图图图图b图图图图图

由对侧电源E提供，设电流正方向为母线流向被保护线路，且ZsZset，电流ImKUmImZm，ZsetI。 则有

KUUIZEEmmm ImZsZsImE （5-36） ZmZsI将K，则继电器初态特性动ImKUUmKUIm(ZsetZm)和式（5-35）代人式（5-29）

作方程为

71 |

ZZKUEm90Args90 （5-37）

ZmZsetULKUE如短路前空载在记忆作用消失前EUL，Arg0，继电器动作方程为

UL90ArgZmZs90 (5-38)

ZmZsetZset为直径所作的抛球圆，如图5-18（b）所示，圆内为 可知，继电器初态特性为以Zs动作区。以上的分析结果表明，反方向短路时继电器的初态特性位于第Ⅰ象限，而实际上Zm测到的是-Zk，位于第Ⅲ象限，因此继电器不会误动作，有明确的方向性。 四、阻抗继电器的精确工作电流

以上分析阻抗继电器的动作特性都是基于理想情况，它所反应的阻抗只与加入继电器的电压电流比值有关，而与电流的大小无关。但实际的阻抗继电器必须考虑执行元件起动消耗的功率，晶体二极管的正向电压降等因素，因此，其动作方程应为

(KUKIUTPUmIm)UTP(KUUmKIIm)U0 （5-39）

式中，U0表示继电器动作时克服功率消耗及整流二极管压降所必须的电压。一般选择继电器的最灵敏角φsen等于线路阻抗角φk，当线路上发生金属性短路时，φm=φsen，式中各相量

UKm是同相位、代数和，考虑到Zm ， ZsetI，在动作边界有Zm =Zop，最终可以简

KUIm化为

ZopZset2KUImU0

ZopZaop0.9Zaop （5-40）

考虑U0的影响后，根据式（5-40）作出Zset = f（Im）的关系曲线如图（5-19）所示。

0IaopIaop.maxImU0可知，Im较小时 较大，继电器实际

2KUIm图5-19 方向阻抗继电器 Zop＝f（Im）的曲线动作值Zop小于整定动作值Zset，缩小了实际保护范围。这将影响到与相邻距离保护中阻抗元

72 |

件的配合，甚至会使保护无选择性动作。只有Im大到使

U00，才能保证 Zop与Zset

2KUIm的误差限制在一定范围内。因此，要求加入阻抗继电器的电流满足最小精确工作电流的要求。所谓最小精确工作电流（简称精工电流），就是指当继电器的动作阻抗Zop=0.9Zset时，加入继电器的最小测量电流，以Iaop表示。当Im≥Iaop，就可以保证动作阻抗的误差在10％以内，而

此误差在整定计算中选择可靠系数时考虑。如Im过大使电抗变换器TL饱和时，转移阻抗KI下降，则动作阻抗Zop又将随着Im的增大而减小，这同样会增大误差，因此设计电抗变换器TL时必须对饱和倍数提出要求。

根据式（5-40）及精工电流的定义，并考虑ZsetKI，整理可得 KUU0 （5-41） Iaop0.2KI成反比。因此，选可知：最小精工电流Iaop与执行元件的灵敏度U0成正比，与转移阻抗KI择较高灵敏度（U0较小）的执行元件（如采用助磁绕组，可以降低精确工作电流），同时增

（即电抗变换器TL电抗变换器TL一次绕组匝数在允许范围内选取较多）大转移阻抗K，就I也可采可以得到较小的Iaop，从而保证在最小短路电流时继电器能正确工作。另外，增大KI用在电抗变换器TL气隙中插入玻镆合金片的方法，当Im大时，玻镆合金片因饱和而不起作

。需要指出的是：采用助磁绕组使用，当Im小时，它将使电抗变换器TL磁阻减小而增大KI继电器接线复杂，降低了可靠性和返回系数等。

第四节 阻抗继电器的接线方式

一、阻抗继电器接线的基本要求

电流I 为使阻抗继电器能正确测量短路点到保护安装处的距离，加入继电器的电压Umm应满足以下基本要求：

（1）测量阻抗Zm应与短路点到保护安装处的距离成正比；

（2）测量阻抗Zm与短路形式无关，即Zm不随同一短路类型的不同短路形式而改变。

73 |

短路类型分为相间短路和接地短路两种。每种类型又有不同的短路形式，如接地短路有单相和两相接地短路两种形式。对于阻抗继电器接线方式的命名方法与功率方向继电器接线方式的命名方法相同。

二、相间短路阻抗继电器的接线方式 （一）相间短路阻抗继电器的0°接线方式

这种接线方式广泛应用在相间距离保护中，为了反应各种相间短路故障，在AB、BC、CA相间分别接入一只阻抗继电器来反应对应的相间短路，原理接线如图5-20所示。各只

***ABC**********KIAB和电流阻抗继电器接入的电压Um*KIBC≥1跳闸出口如表5-1所示。I根据功率方向继电m器接线方式命名方法，

****KICA、cosφ =1时，接入阻抗继电器的Um同相位，故称为0接线。 Imabc图5-20 相间短路阻抗继电器的0°接线表5-1 0°接线方式接入的电压和电流

继电器标号  Um ImI IabI IbcKIAB KIBC KICA  Uab Ubc Uca

I Ica在以下分析中 ，假设：互感器变比为1，短路点到保护安装处的距离为l（km），线路自感抗为Zz（Ω／km），互感抗为ZM（Ω／km），单位正序阻抗Z1=ZZ-ZM（Ω／km），负荷阻抗Z L（Ω），距保护安装处l公里发生短路。

⒈ 三相短路

如图5-21（a）所示，由于三相短路是对称的，三只电器工作情况完全相同，故仅以AB

74 |

EAEBUUUCABIAIBKEAEBUUUCABIAIBKEAEBUUUCABIAIBKECICECECL(a)(b)L(c)L图5-21 图图图图图图图图图图图图图a图图图图图图图b图A图B图图图图图图c图A图B图图图图图图

相阻抗继电器为例进行分析。由表5-1可知，加入继电器的电压和电流为

UUUIZlIZL(II)ZlUmababa1b1ab1 (5-42)

ImIabIaIb根据表5-1，AB相测量阻抗为

UUmZmabZabZ1l (5-43)

IImab ⒉ 两相短路

如图5-21（b）所示，以UV短路为例，此时存在下列关系式

IZlUUIZlUUaa1kabb1kb (5-44)

Uab(IaIb)Z1lAB相测量阻抗为

UZmmZ1l (5-45)

Im与三相短路时测量阻抗相同。BC、CA相阻抗继电器所加电压为非故障相电压，数值较高，而加入的电流为一相的短路电流，数值较小，因而测量阻抗大，相应的继电器不动作。但三只阻抗继电器是经“或”门控制跳闸出口回路的，因此，只要有一只继电器工作，就可以保证整套距离保护正确工作。

⒊ 两相接地短路

如图4-21（c）所示，可将A相和B相看成两个“导线－大地”的输电线路，则故障相电压为

IZlIZlUaaZbM （5-46）

UbIbZZlIaZMl75 |

AB相阻抗继电器的测量阻抗为

I)(ZZ)lU(IababZMZmZ1l (5-47)

IabIaIb由式（5-47）可知，A、B两相接地短路时，测量阻抗也与三相短路时相同。

由上述分析可见，阻抗继电器的0°接线对各种相间短路，其测量阻抗都等于短路点到保护安装处的线路正序阻抗，满足了接线方式的基本要求。 （二）阻抗继电器的 ±30°接线方式

如表5-2所示， 相间短路时阻抗继电器还可以采用±30°接线方式，即+30°和-30°两种方式。

表5-2 ±30°接线方式接入的电压和电流

接继 线方式电+30° KIAB KIBC KICA KIAB -30° KIBC KICA 引器入电气量标号 Um Im Uab Ubc Uca Uab Ubc Uca(I) 2I(I) 2I(I) (I) 2I(I) 2I(I) 2I2Iaabbccccbbaa⒈ 正常运行

，电流为I或三相对称，可只分析AB相阻抗继电器。由于取接入继电器的电压为Uaba，当功率因数cosφ=1时IU落后U30°，因此，称为+30°接线；同理，在接入电压取2Iaab或2I超前U，电流为I时，I30°，称为-30°接线。其它相的阻抗继电器接Uabbbbab电流I如表5-2所示。接入AB相阻抗继电器的电压为 入的电压UmmU(II)ZI3ej30Z （5-48） UmababLaL2I，其测量阻抗为 对于+30°接线 ，取 ImaZm(30)U3abZLej30 （5-49）

22Ia2I2Iej60，其测量阻抗为 对于-30°接线 ，取Imba76 |

Zm(30)U3abZLej30 （5-50）

22Ib3倍；2式（5-49）和式（5-50）说明，正常运行时，测量阻抗在数值上是每相负荷阻抗的

在相位上，对于+30°接线和-30°接线，测量阻抗分别向超前和滞后每相负荷阻抗的方向旋转了30°。

⒉ 三相短路

与正常运行相似，如图5-21（a）所示，将短路点到保护安装处的正序阻抗Z1l替换负荷阻抗ZL，可得三相短路时±30°接线方式的测量阻抗表达式

Zm(30)U3abZ1lej30 （5-51）

22IaU3abZ1lej30 （5-52）

22Ib3倍，相位则2Zm(30)式（5-51）、式（5-52）表明，测量阻抗在数值上是每相短路正序阻抗的比线路阻抗角φk偏移±30°。

⒊ 两相短路

如图5-21（b）所示，AB两相短路时接入继电器的电压为

U(II)Zl2IZl （5-53） Umabab1a12I，则测量阻抗为 对于+30°接线 ，取ImaZJ（+30°）=Z1l （5-54）

2I2I，则测量阻抗为 对于- 30°接线 ，取ImbaZJ（-30°）= Z1l （5-55）

由式（5-34）、式（5-35）可知，两相短路时，阻抗继电器采用±30°两种接线方式，其测量阻抗都等于短路点到保护安装处的正序阻抗，测量阻抗角φm等于线路正序阻抗角φk。 由以上分析可见，若阻抗继电器采用±30°接线方式，则在线路上同一点发生同类型不同形式的短路时，其测量阻抗的大小、相位各不相同。因此，这种接线方式的采用有一定的

77 |

局限性。

（1）全阻抗继电器：采用±30°接线方式时，不宜作测量元件。由于全阻抗继电器的动

作阻抗与角度无关，而测量阻抗在三相短路时为路形式，保护范围不同。

3Z1l，两相短路时则为 Z1l，对不同的短2 （2）方向阻抗继电器：采用±30°接线方式时，可以作为测量元件。对于方向阻抗继电器来说，虽然测量阻抗在同一点两相短路与三相短路时的幅值不同，但都处于动作边界，因此，采用±30°接线的方向阻抗继电器对两种形式的短路具有相同的保护范围。当选择两相短路的测量阻抗为整定阻抗，即Zset=Z1l时，方向阻抗继电器的动作特性是一个以Z1l为直径、最灵敏角φsen等于线路阻抗角φk的圆，如图5-22所示。当同一点发生三相短路时，继电器的测量阻抗Zm（±30°）分别向超前和滞后线路阻抗的方向旋转30°，减小为Z1lcos(30)，即

jX3Z1lej302Z1l3Z1lej30230º30º30º3Z1l，正好处于动作特性边界。 2 （3）方向阻抗继电器采用±30°接线可以提

高躲过负荷阻抗的能力。在输电线路的送电端，采用- 30°接线时，正常情况下的继电器测量阻

L03ZLej302R抗为Zm(30)3ZLej30，它将ZL顺时针旋转2图5-22 方向阻抗继电器采用±30°接线在相间短路时的测量阻抗及提高输送功率能力说明图了30°，如图5-22所示。当功率因数为0.9时，Zm（-30°），远离动作区，落在第Ⅳ象限，可靠躲开了负荷阻抗。同理，方向阻抗继电器在受电端采用+30°接线时，具有相同的效果。注意：在输电线路的受、送电端±30°两种接线不能用错，对于负荷电流可能双向流动的线路，也不宜采用。

此外，这种接线方式比较简单，电流互感器负担也较轻，可用于圆特性的方向阻抗继电器和作起动元件时的全阻抗继电器。 三、接地短路阻抗继电器的接线方式

在中性点直接接地的电网中，当零序电流保护不能满足要求时，通常考虑采用接地距离

78 |

保护配合零序过流保护。接地距离保护中阻抗继电器的主要任务是在电网中发生接地短路时，正确反应短路点到保护安装处的距离。因此，应分析阻抗继电器采用怎样的接线方式才能满足准确测量的要求。

在单相接地时，只有故障相电压最低，电流最大，而其它非故障相间电压仍较高，根据阻抗继电器的构成原则，继电器应接入故障相电压和电流。例如，反应A相接地的继电器接入

UUmA (5-56) ImIA这种接线方式能否满足要求，需作具体分析。

，保护安装处母线电压为U，短路电流为I，若采用对称分量表设短路点电压为UkAAA示，则短路时，短路点有

UUUKAKA1KA2UKA00 (5-57)

IKAIKA1IKA2IKA0保护安装处有

UUUUAA1A2A0 (5-58)

IAIA1IA2IA0 按照各序等效网络，在保护安装处母线上各对称分量电压与短路点的各对称分量电压之间，具有以下关系

IZlUUA1A11KA1IZlUUA2A22KA2 (5-59) IZlUUA0A00KA0则保护安装处母线电压为

UUUUAA1A2A0ZlIZlIZl(UUIA11A22A00KA1KA2UKA0)IIZ0)Z1l(IA1A2A0Z13IZ0Z1)Z1l(IAU03Z1阻抗继电器的测量阻抗

79 |

(5-60)

UZmAZ1l(1IAZZI010) (5-61) Z1IAI显然，测量阻抗Zm与比值0有关，而该比值与电网中性接地点的数目和位置有关，不

IA为常数，因此，继电器不能准确地测量短路点到保护安装处的距离。

，且3I3I，当取考虑从零序电流互感器或零序电流虑过器得到的零序电流为3IA0A00接入阻抗继电器的电压、电流为

UUmAUUmA，或 ZZ (5-62) 1I3I0IImIA3I0mA03Z1时，即能满足测量要求。 式中Z0Z1，为补偿系数，3Z1ABC***一般认为零序阻抗角等于正序阻抗

***角，因而是一个实数，这样，继电器的测量阻抗应为

*KIA3I)UZ1l(ImA0ZmZ1lImIA3I0 (5-63) 可见，式（5-63）与按0°接线的相间短路阻抗继电器有相同的测量值，因此， 接线方式称为阻抗继电器带有零序电流补偿的0°接线。

ABCN****KIB=1???****KIC5-23 ?????????0°?????这种接线方式在接地距离保护和综合重合闸的选相元件中得到广泛应用。

为了反应各相的接地短路，接地距离保护也必须采用三只阻抗继电器，其原理接线如图

3I；、3I；，I，IUU5-23所示。每只继电器接入的电压Um电流Im分别为：A0B0AB，I3I。 UCC080 |

对于相间故障采用0°接线和接地故障采用带有零序电流补偿0°接线的阻抗继电器。目前还有应用于微机距离保护的工频变化量阻抗继电器和交叉极化阻抗继电器。

（四）工频变化量阻抗继电器 1. 工作原理

工频变化量阻抗继电器是反应故障前后电压、电流工频变化量而进行工作的。当电力系统发生短路时〔如图5-24（a）所示〕，根据叠加原理，相当于在短路点加入与短路前电压大

，此时系统状态为短路前负荷状态〔如图5-24（b）所示〕小相等、方向相反的附加电压EE产生的短路状态〔如图5-24（c）所示〕的叠加，因此，工频变化量与附加电压EK阻抗继电器只考虑如图5-24（c）所示的短路附加状态。 在图5-24中，K点发生短路时工频变化量为：

ZsetEMKIKZKEENEMKIILKENZs=EEEk图a图图b图ZsetKIUmImKZsUmZKEEk图c图图5-24 图图图k图图图图图图图图图图图图a图图图图图图图b图图图图图图图图图图c图图图图图图图

保护安装处电流变化量为

Im电压变化量为

EK （5-64）

ZsZKIZEIZ (5-65) UmmsKmK81 |

继电器工作电压（补偿电压）为

UIZI(ZZ) (5-66) Ummmsetmsset比幅式工频变化量阻抗继电器的动作判据为

U (5-67) Umz式中 Uz—门槛电压，通常取保护安装处故障前电压记忆量。

对于相间故障，继电器工作电压为

UIZUmmmsetmAB,BC,CA 对于接地故障，继电器工作电压为

(5-68)

U(I3I)ZUmmm0setmA,B,C (5-69)

如图5-25所示为保护区、内外不同地点发生金属性短路时短路状态的电压分布。假设短路前为空载，且门槛电压为

ZsetMK3EkEk（a） UzEK (5-70)

如图5-25（b）所示，当保护区

K1K2NEk在M侧电源U内K1点短路时，m连线的延长线上，可知，至EkUmUEkm（b）E，满足动作判据，Umk继电器动作；

如图5-25（c）所示，当保护区

UmUm（c）Ek在M侧电源U外K2点短路时，m至

EkUm（d）UmEk的连线上，

图5-25 保护区内、外不同点金属性短路时的电压分布E，不满足动作判据，UmD（a）系统图；（b）区内k1点短路；（c）区外k2点短路；（d）反方向k3点短路82 |

继电器不动作；

在N侧电源至E的连线上， 如图5-25（d）所示，当保护反方向K3点短路时，UmkE，不满足动作判据，继电器不动作； Umk由上述分析可知，只有保护区内短路时，按工频变化量原理构成的阻抗继电器满足动作判据，能够动作。

2. 动作特性分析

（1） 如图5-26所示为正方向K点短路时，动作特性分析的等值网络。 设门槛电压

 UzEk其中

I[(ZZ)Rej]Ekmsktr[Z(ZRej)]ImsktrZsetMZsUm(ZZ)Imsm （5-71） 式中 ejKIImkUmNImEkZkZmRtr－为对侧电源助增系数；

ZmZkRtrej，为经过渡电阻

图5-26 正方向短路时的等值电路短路时的测量阻抗。 则继电器的工作电压为

UIZUmmmset （5-72）

Im(ZsZset)由动作判据

U Umz可得

(ZZ)I(ZZ) （5-73） ImssetmsmZsZsetZsZm （5-74）

83 |

式（5-74）表明，继电器在阻抗平面的动作特性是以向量Zs末端为圆心，以ZsZset为半径的圆，圆内为动作区，如图5-27（a）所示，继电器允许短路点有较大过渡电阻。

jXZsetZk0-ZsZ's-ZmjXRtrZ'sZmZm+ZsRZsetZRRtr图a图Zkm图5-27 图图图图图图图图图图图图图图图图a图图图图图图图图图b图图图图图图图图图b图

 （2）如图5-28所示为反方向k点短路时的等值电路，假设UzEk分析图5-28可知

ZsetMkZkKIImUmI(ZZ) （5-75）EkmsmNRtrUmUIZUmmmsetZZ 's m (ZZ)ImssetEk（5-76）

由继电器的动作判据

图5-28 反方向短路时的等值电路U Umz可得

(ZZ)I(ZZ)ImssetmsmZsetZsZmZsZset(Zm)Zs或Zs末端为圆心， 由式（5-77）可知，继电器测量阻抗Zm在阻抗平面的动作特性是以向量Zs （5-77）

Zset为半径处于第一象限的圆，圆内为动作区，如图5-27（b）所示，而反方向短路以Zs时测量阻抗Zm总是在第三象限，因此，继电器有明确的方向性，而且工频变化量阻抗继电器允许短路点较大的过渡电阻，目前已应用于微机距离保护中，收到了良好的工作效果，受

84 |

到一致的好评。

(五) 交叉极化阻抗继电器 1、工作原理

与极化电压U的相位而交叉极化阻抗继电器是比较补偿电压即继电器的工作电压UTPm为比相的参考量。如图5-29（a）所示，补偿电压定义为保护安装处工作的。极化电压UTP与被保护线路电母线电压UmMEMk4KIk2ZsetImk1Umk3NEN在整定阻抗Z上的压流ImsetZ之差。即 降ImsetUIZ Ummmset （5-78）

0UmEMUm（a）EMUmUmUsetZImkIImk3IZIZUsetksetkk1) 保护区末端k1点短路时Zk=Zset 补偿电压

UUmk.rem（b）EMIImk10Uk.rem（c）ENUIZUmmmset(ZZ)UImksetk.rem （5-79）

Um0UsetIImk2UUJUmZImset?0k.remUUmk.rem（e）IIImk4m（d）式中 Uk.rem－故障点残存电

压。

由图5-29（b）可知，补

图5-29 不同地点短路时短路点电压与补偿电压关系(a)系统图；（b）k1点短路时电压相量图；（c）k2点短路时电压相量图；（d）k3点短路时电压相量图；（e）k4点短路时电压相量图；与故障点电压U偿电压Umk.rem同相位。

2) 保护区内k2点短路时ZkUIZUmmmset （5-80）

Im(ZkZset)Uk.rem 落后于故障点电压U 由图5-29（c）可知，补偿电压Umk.rem。

85 |

3) 保护区外正方向k3点短路时Zk>Zset 补偿电压

UIZUmmmset （5-81）

Im(ZkZset)Uk.rem超前于故障点电压U 由5-29（d）所示可知，补偿电压Umk.rem。

I，4) 保护区反方向M母线k4点短路时，N侧电源供给短路电流Ikk且UmUk.rem

补偿电压

UIZUmmmset （5-82）

UIZk.remmset超前于U由图5-29（e）可知，Umk.rem。

与因此，可将故障点电压U由于极化电压Uk.rem极化后作为比相的参考极化电压UTP，TP不是同一相， 与U 落进行相位比较，补偿电压U因而称为交叉极化。将U补偿电压UmmmTP后于故障点电压Uk.rem时，判别为内部故障。依此，可构成理想交叉极化阻抗继电器。

2、动作特性分析

由于保护安装处无法测量故障点电压，实际的继电器都是采用和故障点电压有相位关系的其它电压作为极化电压。极化电压的选取既要考虑阻抗继电器的特性，还应兼顾继电器在各种工作状况下的适应能力。对于相间阻抗继电器，比较理想的极化方案有：以第三相电压作为极化电压、以超前相相间电压作为极化电压或以正序电压作为极化电压；对于接地阻抗继电器通常以正序电压作为极化电压。

作为极化电压U时，比相动作方程 当取系统正序电压U1TPU90Argm90UTPIZUmJset即90Arg90 （5-83）

UTPIZUmmset或90Arg90－U1显然，交叉极化阻抗继电器的动作特性为方向圆特性。

86 |

对于相间故障

UIZUmmmsetmAB,BC,CA （5-84）

UUTP1对于接地故障

U(I3I)ZUmmm0setmA,B,C （5-85）

UUTP1 下面以相间故障为例，分析交叉极化阻抗继电器的动作特性。

1)

三相短路k

（3）

UU，UUIZ 此时取UTP1mmmmset则动作方程为

U90Argm90UTPIZUmmset即90Arg90 (5-86)

－U1mAB,BC,CA 动作特性为以Zset为直径，动作边界过原点的方向圆。对于出口K

（3）

，由于

U0，因此，继电器需加记忆回路来减小死区或防止误动。 UTP12)

两相短路K

（BC）

I 如图5-30所示，此时边界条件为IU1U2IA1IC2IB2(II)j3IIBB1B2A1(II)j3IICC1C2A1IC1I)j3I(IB1C1A1IU2IB1图5-30 k(BC)图图图图图图图图图图图图图图图

87 |

因

故IIa2IaIj3IIBB1B2A1U2A1Ij3IICBU1UUTPBC1(UB1UC1)(IB1IC1)Zkj3IA1Zk (5-87) UIZIZIZI(ZZ)UmmmsetmkmsetBCkset(ZZ)j23IA1kset动作方程为

U90Argm90UTPIZUmmset即90Arg90 (5-88) －U190Arg2(ZkZset)90ZkmB，C动作特性仍为方向圆，继电器动作无死区。

由上述分析可知，相间故障时，交叉极化阻抗继电器的比相式动作特性为方向圆，出口k

（3）

UU0，继电器需加记忆回路。目前，用微机构成继电器能在取得时，UTP1m正序电压的同时，具有良好的记忆作用，因此，交叉极化阻抗继电器在微机保护中应用非常广泛。

第五节 电力系统运行对距离保护的影响和防止方法

一、 短路点过渡电阻对距离保护的影响

前面对阻抗继电器测量阻抗的分析，都是按金属性短路来考虑的，实际上，在短路点往往存在过渡电阻Rtr。过渡电阻Rtr将使距离保护因阻抗继电器的测量阻抗增大而产生无选择性的动作。

过渡电阻Rtr是指当相间短路和接地短路时，短路电流从一相到另一相或从相导线流入大地的途径中所经过的物质的电阻。相间短路时的Rtr主要由电弧电阻构成；在接地短路时，构成Rtr的主要部分是铁塔接地电阻。电弧电阻值的特点是随时间而增大，而铁塔接地电阻值则是与接地体的构成材料、表面积、布置方式和大地电导率等因素有关，数值较大，对于跨越山区的高压线路甚至高达几十至几百欧姆。

88 |

⒈ 单侧电源线路上过渡电阻Rtr的影响

单侧电源系统及线路AB、BC距离保护第Ⅰ、Ⅱ段的动作特性如图5-31所示。当在线路BC出口经Rtr短路时，保护2的测量阻抗Zm2= Rtr，若Rtr值较大，且整定值较小，Zm2则会超出保护2第Ⅰ段的保护范围而进入其第Ⅱ段保护范围内；对于保护1而言，测量阻抗Zm1=ZAB＋Rtr，落在了自己的第Ⅱ保护范围内。这样，保护1、2将以相同的第Ⅱ段时限无选择性地动作。

A1B2CZⅡOP.2RtrA1IkBIkIkCjXjXCZⅠOP.2RtrjXZⅡOP.1ZABBZⅠOP.1Zm1RZm2=Rtr0Zm1IkRtrej(0)IkIkRtrej(0)IkIkRtrej(0)IkRA对测量阻抗的影响R图5-32 双侧电源线路上过渡电阻Rg对测量阻抗的影响 图5-31 单侧电源线路上过渡电阻Rg

根据图5-31所示，并与金属性短路时比较，Zm2在经过渡电阻Rtr短路时，其值由零增加为Rtr，增幅较大，也就是Zm2受Rtr的影响大；而Zm1是ZAB与Rtr的相量和， 其数值较金属性短路时增加不多，Rtr的影响也较小。因此，越靠近短路点的保护，受过渡电阻的影响越大；整定值越小的保护，则相对地受过渡电阻的影响也越大。 ⒉ 双侧电源线路上过渡电阻Rtr的影响

在图5-32所示线路BC出口经过渡电阻Rtr短路时，保护1、2的测量阻抗为

ZIRIIUkABktrAZm1ZABkRtrejIkIIkk （5-89）

IUZm2BkRtrejIkIk超前I的角度； 式中α－Ikk89 |

－A母线残余电压； UA－B母线残余电压。 UB

因为e j=cosα＋jsinα，所以，当保护远离对侧电源且保护背后电源为电厂时 ，α＞0，测量阻抗Zm增大；而当保护靠近对侧电源且电源为电厂时，对侧电源电流助增下，α＜0，测量阻抗Zm的电抗部分减小，如图5-32所示。在后一种情况下，将可能引起保护的无选择性动作。

如图5-33所示，在具有相同保护整定值的前提下，过渡电阻Rtr对不同动作特性的阻抗继电器有着不同的影响。由于过渡电阻Rtr的纯电阻性，因此，阻抗继电器的动作特性在＋R轴方向所占的面积越大，则受过渡电阻Rtr的影响越小。

根据以上分析，可以采用允许较大过渡电阻的阻抗继电器，如曲线①零序电抗特性阻抗继电器，曲线②四边形特性阻抗继电器，以及曲线③苹果型特性

Zk2jX3αZset13Rtr1Zm1Rtr2Rtr3Zm2Zm3阻抗继电器等来防止过渡电阻Rtr的影响。④对于双侧电源系统的接地故障，

0RU不变，交叉极化方极化电压UTP1向阻抗继电器的动作区扩大为偏移特性，以此可以提高躲过渡电阻的能力，

同时采用零序电抗继电器来增强躲过渡电阻的能力并防止对侧电源电流助增下，保护超越动作。

当A相接地短路时，如故障点存在较大过渡电阻Rtr，则短路点电压

图5-33 过渡电阻Rtr对不同特性阻抗继电器的影响UUU3IR (5-90) UkAkA1kA2kA0k0tr不为零，采用零序电流补偿0°接线的阻抗继电器不能正确测量短路点到保护安装处的距离，

取故障而对于零序电抗继电器的动作特性不受过渡电阻的影响，理想情况下，极化电压UTP，故障相补偿电压U，继电器的动作方程 点电压UkAmA90 |

U180ArgmA0 (5-91)

UTPR与3I同相位，与故障点零序电流I由于故障点电压3I保护安装处零序分量Ik0trk0k00brIR同相位，因此实际零序电抗继电器故障相补ej与3I有Argk0关系，可知I0brk0trI0b偿电压为

U(I3I)ZUmmm0setmA,B,CIej，动作方程 取极化电压 UTP0br (5-92)

Um180Arg0 (5-93) jIe0bUm90Arg90 (5-94) jjXI0bre可由通入零序电jXI0brjXjX零序电抗继电器&δZZD=jX-jXe-jδO0º15º30º交叉极化阻抗继电器0RR（a）逻辑关系（b）复数平面特性图5-36 零序电抗特性阻抗继电器图5-37 零序电抗特性阻抗继电器和交叉极化阻抗继电器“与”关系流的电抗器二次获得。抗继电

器的动作特性在复平面上为一条通过Zset顶点与R轴向右下倾斜δ角的直线，动作区为直线下方，如图5-36所示，缺点是反向故障保护误动作。为此，可与交叉极化方向阻抗继电器经

ej旋转θ角（0º“与”关系后输出，并根据需要将方向阻抗继电器的极化电压U，15°，TP30º三档）向第Ⅰ象限偏移，以进一步提高允许过渡电阻的阻值，而且还可以利用交叉极化方向阻抗继电器防止反方向故障时保护误动作如图5-37所示。

另外，也可以根据在相间短路瞬间Rtr数值最小，大约经过 0.1~0.15s后迅速增大的特点，

91 |

利用瞬时测量装置把阻抗继电器的动作固定下来，从而达到减小Rtr影响的目的。通常在辐射形线路的距离保护第Ⅱ段上采用瞬时测量装置，其原理接线如图5-34所示。在短路瞬间，负序电流起动元件KAN（或距离第Ⅲ段）和距离保护第Ⅱ段的阻抗测量元件KI动作，

ABC******+KAN****ZINabc(a)(b)一方面起动距离第Ⅱ段的时间继电器KT；另一方面经KAN、KI的常开触点起动瞬时测量（跳闸出口）中间继电器KM，并通过KM的常开触点自保持。这样，即使由于电弧电阻Rtr随时间增大而使第Ⅱ段KI的返回，但只要第Ⅱ段的动作时限达到，保护仍然可以通过KT和KM的常开触点去跳闸。

必须提出的是当单回线路的相邻线为双回线路或环行网络时，在单回线路上一般不能采用瞬时测量装置，否则可能引起单回线路保护的无选择性动作。图5-35所示为单回线路采用瞬时测量装置使保护无选择动作

5的系统接线图，其中保护1距离第Ⅱ段装设有瞬时测量装置。当在图中靠近B母线的线路上发生短路时，若短路点k既处于

保护1的距离第Ⅰ段保护范围内，同时又处于保护6的距离第Ⅱ段保护范围内，则应由保护5的距离第Ⅰ段瞬时动作，断开断路器5QF。由于保护1的距离Ⅱ段在5QF未断开之前经瞬时测量装置加以固定，因此在5QF断开以后，保护1将不能返回，并与保护6以相同的第Ⅱ段时限动作于跳闸，断开1、6 QF ，从而造成保护1的无选择性动作。 二、电力系统振荡对距离保护的影响

电力系统正常运行时，各并列运行的电源间都处于同步状态。当输电线路传输功率超过

92 |

+KTKMKI图图+KMKANKT-KMKMKIKTKMKM图5-34 图图图图图图(a)图图图图图(b)图图图图

B34CAE12k6图5-35 采用瞬时测量装置使保护无选择动作的系统图

静稳极限；或者由于无功功率严重不足等原因引起系统电压下降，使静稳定遭到破坏；或者由于短路时故障切除缓慢而使发电机加速面积大于减速面积及采取非同期重合闸等操作导致动稳定破坏时，都有可能引起系统及发电机间失去同步而产生振荡。在振荡过程中，两个系统间等值电源电势或两个发电机电势之间的相位角将随时间作周期性的变化，从而使系统中的电流和各点电压以及阻抗继电器测量阻抗的幅值和相位也都呈现周期性的变化，运行经验表明，运行中电功率为PEUsin（E为发电机电动势，U为系统电压，X∑为系统纵向阻X抗，δ为发电机功角）的发电机，在与系统振荡后，考虑以下因素，在异步运行中经过几次摆动，系统振荡若干个周期后，多数情况下仍然可以自行恢复同步。即振荡开始时，振幅大，周期短，经过一段异步运行和摆动之后，振幅逐渐减小，周期逐渐增长，形成衰减性质的振荡，最后又拉入同步。此时，如果距离保护或其它保护误动作，断开了系统重要联络线或将负荷切除，将使系统解裂或扩大事故范围，严重时，甚至会使系统崩溃、瓦解。

（1） 发电机异步运行，其轴上存在同步功率和异步功率两部分制动功率，其中同步功率P的大小和方向在振荡中以时间轴交变，变化量的平均值很小，因此以异步功率Pas为主。如图5-所示，异步功率Pas与转差率s的绝对值近似成正比，因此异步功率Pas随发电机的转速增大而增大，转差率s越大，制动作用越大，由此阻止发电机加速。

（2） 发电机转速增大，其原动机的调速器将起调节作用，减少进汽（进水）量，使原动机驱动功率P降低，减少发电机的动力。

（3） 异步运行中发电机的励磁调节系统使励磁电流增加，则同步功率的振荡幅度增加，从而使转差率振荡幅度增加，当转差率振幅转差率平均值时，则转差率可能过零，发电机可能进入同步运行。

（4） 对于与大系统联网运行的容量较小的发电机或地区电厂，联络线采用采用非同期合闸时，如果同步功率较大、电气联系紧密，则在非同期合闸时，即使角差很大，但合闸后仍能被大系统强行拉入同步。

对于如图5-36所示，电气联系不是太紧密的重负荷、长线路连接的两个区域系统，发生振荡时，由于在上述情况下功率很不平衡，M侧功率过剩，N侧功率不足，系统振荡时两侧转速可能相差很大，转差率的平均值较高，可能超过转差率的的振幅；或电气联系较弱，同步功率小，转差率的振幅变化小，难于过零。转差率不能过零或接近零，就不具备再拉入同

93 |

步的条件，振荡为非同期性质，自行平息比较困难，将持续下去，δ值由正常运行角度增大到360°、720°，以至很大，如图5-37所示。此时，应采用振荡解列装置或人为处理进行解列、停机。

EMMPNENδt图5-36 两侧电源重负荷长距离送电系统图5-37 非同期振荡功角δ与时间t的关系

为此，必须分析距离保护的测量阻抗在振荡时的变化特点，并采取措施来防止电力系统振荡对距离保护的影响。

（一）振荡时电流、电压的变化规律

电力系统振荡是一个复杂的过程。工程上的计算，一般不要求十分精确，在不影响结论的有效性、正确性的前提下，可以对电力系统振荡时的分析中提出一些必要的假设，使分析过程更加简单、明确。

当系统在全相运行状态下，由于上述原因而引起系统振荡时，假设系统三相是对称的，因此，可以按单相系统进行分析。如图5-38（a）所示为由M侧向N侧送电的两侧电源简化

EMMINZLpENZM12ZN(a)0δzEM3θENUNUzUMEφ0zδEMφφI4(180)Imax(b)ENUNUzUMI(c)图5-38 图图图图图图图a图图图图图图b图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图c图图图图图图图图图图

系统，设由于某种原因引起系统振荡，其中Z M、Z L为M侧和N侧电源阻抗，ZL为线路阻抗，

分别为两侧电源电势。和E为参考相量，E系统总的纵向阻抗为ZΣ=ZM＋ZL＋ZL；若以ENMM94 |

EEEej，δ为E滞后EM的相位角，在0°到则有EMEM，NNej或ENMNEMEM360°的范围内变化。因此，两个电源之间通过的振荡电流为

IEEMNZMZLZNEM(1ENje)EM (5-95)

ZEE的角度为系统总阻抗角 滞后于电势差E振荡电流IMNArgX (5-96) R沿圆4变化，如图5-38（b）所示。 振荡角δ由0º～360 º的变化时，振荡电流I还可表示为 振荡电流IEEMNZMZLZNEM(1ENje)EEMEM(1Nej)ejZZEM (5-97)

IEM(1hcosjhsin)ejZEMZEMZ(1hcos)2(hsin)2ejej1h22hcos2ej()其中hENhsin,Arctg EM1hcos故振荡电流I的有效值、相位角为

1h22hcos2 (5-98) I 当h=1，即EM=EN时，振荡电流的有效值为

EMZI2EMsin (5-99) Z2可知，振荡电流I的有效值与振荡角δ有关。如图5-39（a）所示，振荡电流有效值I随

95 |

iiuuMuzuNIOPIr0180º360º720ºδ0360º720ºδ0180º360º540º720ºδ图a图图b图图c图图5-39 图图图图图图图图图图图图图图a图图图图图图图图图图图图图图图b图图图图图图图图图图图图图图图c图图图图图图图图图图

着δ变化，并设两侧电势的有效值EMEN，线路阻抗角与两侧系统阻抗角均相等，则当

δ为π的偶数倍时，有效值I等于零；当δ为π的奇数倍时，有效值I为最大。若EM ≠EN，

则δ为π的偶数倍时，有效值I最小；当δ为π的奇数倍时，有效值I为最大，如图5-39（b）所示。

如图5-39所示，若保护中使用电流继电器，当振荡电流大于继电器的动作电流IOP时，继电器起动，当振荡电流小于继电器的返回电流Ir时，继电器返回。振荡电流周期性变化，则电流继电器周期性动作与返回。

为 和U振荡时，系统中性点电位仍保持为零，故线路两侧母线电压UNMEIZUMMM (5-100)

UNENIZN落后于EM的角度为δ，如图5-38（b）所为参考相量，如以EM为实轴，则E由于ENM相量端点得到电势差EE，和E示。连接ENMN电流I落后电势差EMEN的角度为φ。MEIZ和若线路阻抗角与系统阻抗角及总阻抗角相同，均为φ，则根据UMMM）必然与直线EIZ，可在图中画出相量U， 其端点连线(U、U-UUNNNNNMM)上任一点E）重合，而此连线表示了线路上的电压降，由原点O与直线(U-U(EMNNM)的垂线所得的相量幅值最短，其-U所构成的相量表示了该点的电压，从原点作直线（UNM垂足z表示在振荡角δ下系统的最低电压点，该点称为在δ下的系统振荡中心。当线路阻抗角和系统阻抗角相同且两侧电源电势幅值相等时，振荡中心不随δ的变化而移动，始终位于纵向总阻抗ZΣ的中点，也即位于系统的电气中心，随着振荡角δ从0º～360 º变化，系统各

96 |

沿圆2、U沿圆3变化，如图5-38（b）沿圆1、U点电压E；当δ=180º时，振荡中心电NNM压有效值UzEMcos2为零，振荡电流I2EMsin最大，其特点无异于该点发生三Z2相短路，但系统振荡时距离保护不应该动作于跳闸。图5-38（c）所示为系统阻抗角与线路

）-U阻抗角不等而两侧电势幅值相等时的相量关系。在此情况下代表线路电压降的直（UNM）的垂线，即可找出振荡角在δ时E）重合。从原点O 作（U-U不会与直线（EMNNM的振荡中心及振荡中心的电压。显然，此时的振荡中心位置随δ角的变化而沿着直线

）移动。假设：当EM=EN，且两侧的系统阻抗角不等时，随着振荡角δ的变化，-U（UNM系统各点电压的有效值变化如图5-39（c）所示。 以瞬时值表示振荡电流iosc时

ioscEMmaxsin2f1tENmaxsin2f2t （5-101） Z式中EMmax、ENmax—M、N两侧电势的幅值；

f1、f2—M、N两侧电势的频率。

Z以标幺值表示，假设EMmaxENmax1，则振荡电流

sin2f1tsin2f2tZ2cos2f1f2ff2tsin21t22 （5-102） Ziosc式（5-62）中的余弦函数表明，振荡电流的频率为

f1f2，正弦函数部分的瞬时值则以2频率

f1f22周期性变化，周期为T，振荡电流iosc波形如图5-40（c）所示。可

f1f221为振荡电流由一个最小值（最大值）变化到下一个最小值（最大值）

f1f2见振荡周期T绕E旋转一周（振荡角δ=360°）所经历的时间。 所经历的时间，即非周期振荡时ENM如图5-38所示，设振荡中心为z点，则系统中任一点p的电压为

97 |

E1EMNUpEM(ZZpz)Z2ZZ(1pz)E(1pz)EMN2Z2ZuZ （5-103）

T2f1f2ffcos212t2T1f1f2tup图a图sin2f1f2fftcos212t22tioscT1f1f2图b图sin2f1f2t2tcos2f1f2fftsin212t22图c图图5-40 图图图图图图图图图图图图图a图图图图图图图图图图图b图图图图图图图图图图c图图图图图图图图图图图图图图图

以瞬时值表示，且取EMmaxENmax1及两侧频率为f1和f2时，则有

1Zpz1Zpzup()sin2f1t()sin2f2t （5-104）

2Z2Z当p点为振荡中心时，Zpz=0，则振荡中心电压瞬时值uz为

upuz11sin2f1tsin2f2t22 （5-105）

ff2ff2sin21tcos21t22其频率为

f1f2，式中余弦函数则使电压包络线的幅值呈周期性变化，振荡电压由一2个最小值（最大值）变化到下一个最小值（最大值）所经历的时间，即振荡周期与振荡电流相同，均为T1。其振荡中心电压uz波形如图5-40（a）所示。

f1f298 |

时，ZZ当图5-38中p点移到电源EMpzMz1Z1，式（5-64）为 2upsin2f1t

的电势和频率。 此时，p点的电压和频率为电源EM时，ZZ当p点移到电源ENpzNz1Z1，式（5-64）为 2upsin2f2t

的电势和频率。 此时，p点的电压和频率为电源EN可见，振荡时，系统各点的电压和频率均不相同，任意点p越靠近某侧电源，则越接近某侧电源的电势和频率，振荡中心电压的频率为两侧电源电势频率的平均值。

当p点离开振荡中心时的电压波形如图5-40（b）所示。

振荡过程中，振荡周期及电压、电流频率一般不是常数，对于两侧系统可在同步的同期振荡，其振荡周期逐渐增长，频率变化趋于稳定直到恢复同步运行；对于两侧功率很不平衡、频差较大的非同期振荡，振荡周期将逐渐减小，振荡加快，有可能失步，直到系统解列。 （二）振荡时对距离保护的影响 ⒈ 振荡时测量阻抗的变化规律

在如图5-38（a）所示两侧电源开式系统，设两侧电源电势相等，变电所M的线路上装设距离保护，其测量元件为阻抗继电器。当系统振荡时，电流、电压随振荡角δ变化，因此，安装在M处的阻抗继电器测量阻抗为

Zm.M因为

IZUEE1m.MMMMZMZZM (5-106) jIm.MII1e1ej1cossin2sin222sin2cos22sin222(1jctg2)2sin21ctg22

21jctg221jctg299 |

则

11Zm.M(ZZM)jZctg (5-107)

222将继电器测量阻抗Zm.M随δ变化的关系画在以保护安装处M为原点的阻抗复平面上，如图5-41所示。从保护安装处M点沿系统总阻抗ZΣ直线MN方向作出相量（

jX)(EN1ZΣ2O-ZM），再从其端点作出相量-jZΣctg，δ角

2N(不同时，该相量将会超前或滞后于相量ZΣ90°，该相量与M的连线即为Zm. M。当δ(1ZZ)21Zctg)22KMZm.M90O'R=0°时，Zm. M=∞；当δ=-360°时，Zm. M=-∞；当δ=180°时，Zm. M =

1ZΣ-ZM，即保护2)(EM图5-41 系统振荡时测量阻抗的变化安装处到振荡中心的阻抗。

系统振荡时，为了找出距离保护在不同安装处测量阻抗的变化规律，设系统阻抗ZM为变量 ，并设变数mZM ，m＜1。则有 Z11Zm.M(m)ZjZctg (5-108)

222当变数m为不同值时，保护安装处的位置也随之改变，其测量阻抗的变化轨迹如图5-42所

1 时，该直线所代表的测量阻抗的变化轨迹通过211坐标原点，即保护装设在振荡中心；当m时，振荡中心处在保护范围的正方向；当m22示，为平行于oo线的一簇直线。当m时，振荡中心处于保护范围的反方向。

当两侧电

o'oRjX1Z2jX1o2EM>EN源电势幅值EM ≠EN时，测量阻抗Zm随振荡角

o'EN>E1Z2RM图5-42 系统振荡时，不同安装处距离保护测量阻抗的变化轨迹图5-43 当两侧电势幅值不等时测量阻抗的变化轨迹100 |

δ变化的轨迹分析较为复杂，其轨迹是位于直线oo两侧的一簇圆，如图5-43所示。

⒉ 振荡时对距离保护的影响

由上述分析可知，系统振荡时将对距离保护的测量阻抗产生影响，从而影响距离保护的正确工作。以图5-44所示变电所M处

jX的距离保护为例进行分析。设：M侧与N侧的电源电势幅值相等，两侧系统阻抗角与线路阻抗角相同，距离Ⅰ段的整定值为Zset，则当距离保护采用不同的

002414阻抗继电器时，其动作特性曲线如图

30R5-44所示。其中1为橄榄形阻抗继电器特性曲线，2为方向阻抗继电器特性曲线，3为全阻抗继电器特性曲线，4为苹果形阻抗继电器特性曲线。当系统振荡

时，测量阻抗的变化轨迹为直线oo，与各阻抗继电器特性曲线分别相交于δ1、δ8 ，δ2、

图5-44 系统振荡时对各种阻抗继电器测量阻抗的影响δ7 ，δ3 、δ6 ，δ4、δ5 ，此时，若测量阻抗的变化轨迹处于继电器的动作区内，将引

起该继电器误动作。可见，振荡角从δ4摆动到δ5（即Δδ=δ5-δ4）时，变化幅度最大， 误动作区域也最大，即苹果形特性的阻抗继电器受振荡的影响最大；对于橄榄形阻抗特性而言，

Δδ=δ8-δ1，变化最小，因而继电器受到的的影响也最小。一般来说，系统振荡时，在复

平面上反应测量阻抗变化的直oo进入继电器动作区域的范围越大，则该继电器受的影响就越大。

有关资料统计，振荡开始的第一个周期，约为1~2s；振荡过程中，振荡周期约为0.1~0.3s，个别情况可能小于0.1s；拉入同步前一个周期，约为1s左右。振荡持续时间和恢复稳定的措施有关，当功率过剩端采取切机或短时投入电气制动，功率不足端采取切负荷或水电机组低频快速投入时，可缩短振荡持续时间。否则，振荡时间可长达数分钟。例如，西北电网在1987年6月27日的一次110kV~220kV电磁大环网中，220kV线路距离保护误动解环，引起110kV系统振荡长达4~5min，直到振荡电流将双回联络线相继烧断为止。由非同期重合闸引起系统振荡时间，据西北电网统计，一般在5~6个周期，约6~7s振荡即可停息。

101 |

若系统的振荡周期为Tz（0.1～2s），振荡角δ作匀速变化，各阻抗继电器测量阻抗进入特性圆内的时间

tTz （5-109） 360当距离保护的动作时限tOP≤t时，保护将误动；如果t OP≥t，虽然阻抗继电器动作，但保护并不会发出跳闸命令。运行经验证明，只要保护的动作时限大于、等于1.5 s 时，如距离Ⅲ段动作时限取t≥1.5s，就可以躲过振荡的影响。

此外，距离保护受振荡的影响还与其安装处所处的位置有关。从图5-33所示可知，保护安装处越靠近振荡中心，所受的影响越大，而当振荡中心位于保护的反方向或在保护范围以外时，则系统振荡不会影响距离保护的正确工作。 （三） 振荡时防止距离保护误动作的措施

由于距离保护第Ⅰ、Ⅱ段的动作时限较短，振荡时容易引起保护的误动作，故应将其闭锁；另外，还可考虑减小整定阻抗和增大保护的动作时限来防止振荡的影响，但这两种办法只局限于灵敏系数有相当余量的距离保护Ⅱ段和动作时限较长的距离保护Ⅲ段。因此，系统振荡时，对于可能误动作的距离保护第Ⅰ、Ⅱ段，所采取的主要措施就是增设振荡闭锁装置或振荡闭锁回路。 （四） 振荡闭锁装置 振荡闭锁回路的构成原理

当系统振荡使两侧电源之间的角度摆到δ=180°时，保护感受到的测量阻抗值和振荡中心处发生三相短路时完全相同，因此，距离保护的振荡闭锁回路应具有区分系统振荡和短路的能力。

由前面的分析可知，系统振荡和三相短路的主要区别是：

（1）振荡时，电流和各点电压的幅值均作周期性变化；而短路后的电气量幅值在稳态下保持不变。此外，振荡时电流和各点电压及测量阻抗的幅值变化缓慢，而短路时则是突变，速度很快。

（2）振荡时，测量阻抗Zm随δ的不同而改变；而短路时则Zm保持不变。

（3）振荡时，如果三相完全对称，系统中不会出现负序分量；而短路（包括三相短路的初瞬）时则总会出现负序分量。

Ⅲ

102 |

目前，振荡闭锁回路用以区分系统振荡与短路的判别元件，主要采用两种原理构成。一种为利用系统是否出现负序分量判别振荡与短路的原理；另一种为利用电气量的变化速度或利用其在一定条件下大小的不同来判别振荡与短路的原理。

振荡闭锁回路的使用不能影响距离保护的正确工作，必须保证：振荡时，可靠将距离Ⅰ、Ⅱ段闭锁；保护区内短路时，开放距离Ⅰ、Ⅱ段的闭锁。

1、 利用负序（零序）电流增量实现的振荡闭锁回路

1、2KI开放保护A1&跳闸如图5-45所示为利用负序（零序）电流增量实现的振荡闭锁回路原理方框图。该回

I2I0≥1&&O1KT110ms0A2A3KT30.2s0路的起动可以利用系统短路时出现的负序

KA&A4≥1&≥1KT22s0(3I)或其增量I(3I)（零序）电流I2020来实现。由于采用负序（零序）电流增量

O2≥1A5O4O3图5-45 负序、零序电流增量起动、振荡停息复归的振荡闭锁回路原理方框图(3I)构成的起动元件可以较好地躲I20过非全相运行中出现的稳态负序电流，还能

可靠地防止因系统振荡使负序（零序）电流滤过器不平衡输出增大所引起的距离保护误动作，且具有较高的灵敏度和较快的动作速度，因此，应重点分析。

采用负序、零序电流增量作为起动元件的交流回路原理接线如图5-46所示。它由中间变流器TAa、TAb、TAc等元件组成三相式负序电流滤过器，将负序电流接入三相整流桥UE2；经中间变流器TA0将零序电流引入整流桥UE1； 再将UE1、UE2并联后的输出经微分电路接入起动继电器KST。构成距离保护的负序（序）电流增量起动元件。正常运行时，负序或零序电流滤过器只平稳输出

TA*TAR*NRIu*N*CRRRNUERRC，因此，或3I很小的不平衡电流I02UE2、UE1两端的输出电压保持不变，微分电路无输出，KST不动作。当系统

NKAIv*N*CRR*RVDR*KSTNNTANRUEIw*N*CR突然增加时，整流或3I发生短路使I023I0NRTA0**R后的输出电压也随之突变，并经过KST

图5-46 负序、零序电流增量起动元件交流回路原理接线103 |

的绕组对电容C4充电，在充电电流的作用下，KST动作，当C4充电结束以后，虽然KST中的电流消失，但它仍然可以通过直流回路中的另一个自保持绕组保持在动作状态。当系统静

缓慢增大时，或3I稳定破坏引起振荡使I整流后的电压输出也随之平稳增大，则C4的充电02的突变而使I或3I动作。 或3I电流很小，不足以使KST动作。可见，该回路只反应I0022负序、零序电流增量起动、振荡停息复归的振荡闭锁直流回路原理接线如图5-47所示，

D21In261KHO1RD43KLOKCHIn892KCE12整组复归时间D30D31D31KCEKTD321KTIn55D33In56KACKAC6VD345后加速继电器瞬时恢复Ⅰ、Ⅱ段整组复归时间闭锁自保持动稳定闭锁静稳定闭锁KLMKLO4KCEKLM4R678KSTIKA1VD3R2VD3VD9振荡闭锁回路KSTKCHU101112保护切换继电器起动自保高频闭锁发信回路KSRKACKSTKLKL4VDIn521KCE2KCEIn41D37至高频闭锁发信In421KSIn44In452KTIn462KSIn585VDKSRKCHIn57U1KCOD421314KCHⅠ段15KLMIn4316Ⅱ段出口继电器4KCEKAKLOKLM1KT29整组复归时间图5-47 负序、零序电流增量起动、振荡停息复归的振荡闭锁直流回路原理接线

其中各元件的名称和作用为

KST：负序、零序电流增量起动继电器，其动作绕组在图5-45的交流回路中，保持绕组在直流回路中。系统正常运行时，KST的保持绕组被其常闭触点和二极管2VD短接。二极管的正向管压降约为0.7V，故有助磁电流通过保持绕组，是起动值的50～60％，以提高其灵敏度和加快动作速度。若发生短路，KST动作，一方面断开保持绕组的短接回路，同时将其接入直流回并路自保持，开放整套保护装置，并使重动继电器KCE动作，增大触点容量。

KCH：切换继电器，正常工作时处于励磁状态。其失磁后的延时复归时间为0.12~0.15 s ，失磁复归后将1、2 KI由Ⅰ段切换到Ⅱ段。

KLM：振荡闭锁中间继电器，正常时不励磁，其常闭触点控制距离保护Ⅰ、Ⅱ段跳闸回路及高频闭锁停信继电器起动回路。

KA：B相电流继电器，在静稳定遭破坏时起动KLM。

104 |

KBL：断线闭锁继电器，电压互感器TV二次回路断线时闭锁保护。

KL：总闭锁继电器，正常时处于励磁状态。KBL动作或距离测量元件误动作时，励磁绕组被短接，其常开接点断开跳闸出口回路，闭锁整套保护。

1KT：使振荡闭锁装置整组复归的时间继电器，正常时不动作。

KLO：控制振荡闭锁回路对距离保护Ⅰ、Ⅱ段开放时间的继电器，正常时处于励磁状态，其延时复归时间（0.08~0.12 s）即为闭锁开放时间。

1KCE、2KCE：距离Ⅰ、Ⅱ段共用测量阻抗继电器1、2KI的重动继电器，用于增加触点数量。

3KCE、4KCE：距离Ⅲ段测量阻抗继电器3KI的重动继电器，用于增加触点容量及数量。 振荡闭锁回路工作原理说明如下。

当系统的静态稳定遭到破坏而引起振荡时，在没有故障和操作的情况下，由于负序（零序）电流不会突变，故KST不动作，但在振荡的第一个周期开始时，相电流继电器KA或第Ⅲ段阻抗继电器3KI以及其重动继电器4KCE动作，通过KA和4KCE的常开触点起动闭锁执行继电器KST，使其常闭触点断开，将距离保护的第Ⅰ、Ⅱ段闭锁。

当动态稳定被破坏而引起系统振荡时，必然会出现负序或零序电流（或其组合）增量，使KST动作，并通过它在直流回路中的绕组自保持。KST动作时，它的常闭触点断开KCH的回路，此时2KCE因1、2KI处于Ⅰ段定值而不动作，KCH的失磁使其常闭触点（2）延时复归将KLO短接。KLO失磁后，其常闭触点（7）延时返回，延时到达后起动KLM。KLM的常闭触点（15）断开距离Ⅰ、Ⅱ段的跳闸出口回路。KCH和KLO常闭触点的延时复归时间之和，即为振荡闭锁回路对距离Ⅰ、Ⅱ段的开放时间。如果在开放时间内1、2KI不动作，说明短路发生在保护范围之外，开放时间到达时，KLM起动并闭锁距离Ⅰ、Ⅱ段，则系统振荡将不会使其误动作。如果短路发生在距离Ⅰ、Ⅱ段保护范围内时，1、2KI使2KCE动作，其常闭触点不能短接KLO，由于KLO保持励磁而使KLM无法起动 ，故不论振荡与否，距离Ⅰ、Ⅱ段跳闸出口回路一直开放，直到保护动作于跳闸。

系统振荡使KLM动作后自保持，它的常开触点接通1KT绕组回路。振荡闭锁的整组复归时间按照大于线路重合闸周期加上重合闸后保护动作的最长时间来考虑。如果此时振荡停息，4KCE、KA的常闭触点将接通1KT回路，1KT励磁，其触点延时后短接KLM，振荡闭锁回路即整组复归，准备好下一次再动作。如果振荡依然存在，则由于4KCH和KA在一个振

105 |

荡周期内 均要动作一次，使1KT在此期间循环起动，而系统最大振荡周期又远小于闭锁回路的整组复归时间，故1KT总也不能完成其动作。只有振荡停息，4KCE、KA返回，1KT 完成动作，才能使振荡闭锁回路恢复原状。

这种振荡闭锁回路的不足之处是：在发生转换性短路时，距离第Ⅰ、Ⅱ段拒动，只能由第Ⅲ段动作于跳闸，延长了故障切除时间。对于保护范围外三相短路，由于负序分量出现的时间很短，振荡闭锁回路可能来不及起动，若短路发生在保护范围内，将导致距离保护拒动。

2、反应测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路

在三段式距离保护中，当第Ⅰ、Ⅱ段采用方向阻抗继电器，第Ⅲ 段采用偏移特性阻抗继电器时，如图5-48所示，各段的整定值应按保护范围配合，其关系为

jXⅢZsetZ

ZⅠsetⅢ

set＞Zset＞Zset

ⅡⅠ

。

A1ZⅡsetZⅠsetZⅠmZⅡmⅢZmA2≥1O1O2tⅡ0≥1跳闸ZⅡset0RⅢZsett0000.5s～1sA3图5 -48 三段式距离保护的动作特性tⅢ0当系统发生振荡且振荡中心位于保

图5 -49反应测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路方框结构Ⅲ

护范围内时，测量阻抗Zm将随振荡角δ的逐渐改变而进入各段的保护范围，因此Z动，其次Z因此Z

Ⅰ

Ⅱ

set先起

set起动，Zset最后起动。而在保护范围内短路时，测量阻抗

Ⅱ

Ⅰ

Zm的减小是突变的，

set 、Zset 、Z

Ⅰ

Ⅲ

set将同时起动，两种情况下，保护的起动方式明显不同。依此，可实

Ⅱ

现振荡闭锁：当Zset 、Z

Ⅰ

set 、Z

Ⅱ

Ⅲ

set

同时起动时，允许Z

Z

Ⅰ

Ⅰ

set

Ⅱ

、Z

Ⅱ

set

动作于跳闸；而当Z

Ⅲ

set

先起动，经t0延时后，Zset 、Zset再起动时，则将set 、Zset闭锁，不允许其动作于跳闸。

按此原则构成的振荡闭锁回路方框结构如图5-49所示。这种振荡闭锁回路实现简单，工作可靠，但不能用于系统中采用非同期重合闸的情况以及Z此外，在发生转换性短路时，同样Z

Ⅰ

Ⅱ

set 、Z

Ⅲ

set

定值相差很小的保护中。

Z

Ⅱ

set 、Z

Ⅱ

set可能拒动，只能延时或由set动作于跳闸。

目前，国内生产的微机距离保护，在保护范围内发生转换性短路时，采用振荡闭锁开放回路来开放距离Ⅰ、Ⅱ段的闭锁，力求加快保护的动作速度。

106 |

ImI和UcosK为判据的振荡闭锁开放回路 3、以I201该闭锁装置在系统振荡时不会开放距离保护，振荡过程中发生内部故障能快速开放保护距离Ⅰ、Ⅱ段。开放保护距离Ⅰ、Ⅱ段的判据有不对称短路判据和对称短路判据。

（1） 不对称短路判据

ImI （5-110） I201称为I20判据。作为系统振荡过程又发生不对称故障时开放保护的条件。

、I、I－分别为负序、零序、正序电流的幅值； 其中 I201 m－比例系数，通常取0.66。

=I=0，滤过器不平衡输出很小，I判据不满足，距离保护不开放。1) 系统振荡时，I 02022) 保护范围外短路，振荡角180、振荡中心处于保护范围内时，如图5-50所示，z

0，点为振荡中心，U振荡电流zE0MEMIE为I，短路点k短路前振荡ZzZzzZkZzE180NENk电压Uk(0)ZkE。由叠加原ZzZz+ZKZz-ZK图5-50 振荡角δ=180°发生外部短路时的系统图理，即故障状态为故障前负荷状态

与短路引起附加状态的叠加，两相接地短路k短路点故障分量正序电流为

(2,0)时，根据对称分量法可知：

ZkE(0)UkZz （5-111） Ik13(ZzZk)(ZzZk)3(ZzZk)(ZzZk)22Zz22ZzM母线保护安装处故障分量正序电流为

ZzZkI （5-112） Ik1k12ZzM母线保护安装处正序电流为

107 |

IZzZkI （5-113） I1k12Zz为了便于分析，假设正序、负序、零序综合等值阻抗均相等，则 M母线保护安装处负序、零序电流为

ZzZkIIZzZkI1ZzZkI （5-114） I2k20k0k12Zz2Zz22ZzM母线保护安装处有

2Zk2I2I00.5(ZkZz) （5-115） Z3ZZzk13zI1maxZkI0.5I （5-116） 即I201同理，对于单相接地短路K(1)(2,0)(1)和两相短路K(2)可得出

2Zk2I2I00.4(ZkZz) （5-117） Z3Z2Zzk23zI1maxZkI0.4I （5-118） 即I201Zk1I2I00.33(ZkZz) （5-119） Z2ZzZk12zI1maxZk(2)I0.33I （5-120） 即I201因此，系统振荡达到180和外部不对称短路并存时，按I20判据工作的振荡闭锁回路不会开放保护。

3)

保护范围内短路，或同时存在振荡

E0EMRtrMkIkEENN时，如图5-51所示，则由对称分量法确定的边界条件可知，短路附加状态下短路点各序电流的关系

图5-51 振荡伴随内部短路时的系统图108 |

I2I单相接地短路..........Ik2k0k1I两相短路............................Ik2k1 （5-121）

两相接地短路..........Ik2Ik0Ik1① 假设短路点各序电流在保护安装处的分配系数相同，则I20判据满足要求，开放保护； ② 线路末端发生K(2,0)时，本侧I20判据可能不满足要求，但对侧I20判据满足要求开

放保护，距离Ⅰ、Ⅱ段动作于跳闸后，本侧即可满足I20判据，使保护开放相继迅速动作。

和I时，I判据难以满足要求，③ 振荡角180附近发生短路，振荡电流远大于I0202但等偏离180一定值，即可满足I20判据，开放保护距离Ⅰ、Ⅱ段，而不必以Ⅲ段动作时限跳闸。

由于振荡过程中又发生对称短路时，由于没有负序和零序电流，I20判据不能满足要求，因此，还需采用对称短路判据。

cosK，称为Ucos判据。作为系统振荡过程又发生对称故障 （2）对称短路判据U时开放保护距离Ⅰ、Ⅱ段的条件。通常取标么值K=0.06。

－保护安装处母线正序电压； 其中U－为正序电压与正序电流之间的夹角。

cos如图5-52（a）所示，假设系统纵向联系阻抗角为90°，当系统正常运行或振荡时，U；此时，电流相量I与振荡中心电压U相位相同，落后于相量 为振荡中心正序电压Uzz(EE)90°，如图5-52（c）所示。 EMNMNcos为短路点过渡电阻即弧光电阻上的压降，其幅值小于当系统发生三相短路时，Ucos0.06作为保护开3.2%UN，通常用标么值0.032表示，为了保证可靠性，一般取U放判据。

cos0。当 cos的大小随系统振荡角的变化而改变，0~360时，U1U109 |

EMUIkRtrENδEM0.06ENXsXL（a）δ（b）EMXIsUEMZIsXILφUzzφL=90°UIOφφ1θDAφLZILBICEN（c）（d）图5-52 对称短路时Ucosφ判据分析（a）系统图；（b）φ'L=90°时；（c）振荡时Ucosφ动作角范围计算；（d）φ'L≠90°时

cos0.06，即振荡角173~187时，保护开放元件误动作。为此，应躲开振荡U时由于变化使按Ucos判据工作的保护开放元件误动的时间。如图5-52（b）所示，若系统最大振荡周期为3s，则173187的时间为

t1871733s0.1167s （5-122）

360为了保证可靠性，可取120ms。国电南瑞继保电气有限公司生产的RCS-902系列超高压线路

cos判据的实际动作时间取值为150ms。 成套保护装置中，U系统实际阻抗角小于90°，因而需要进行相位补偿。如图5-52（d）所示，OD为测量

cosOB是线路阻抗角为90时弧光电阻压降，因为线路阻抗角小于90为，U电压UR0.06，与线路压降IZ之和为测量电压U。引入补偿L，实际弧光压降应为OAItrLcos(角90L，振荡中心电压UzOCU)，Ucos判据改变为

cos(U)0.06。对称短路时，UzOCOA，完全满足保护开放判据。

可见，根据Ucos判据构成的振荡闭锁开放元件，只要动作时间延长120ms，就能保证系统振荡时不误动作，又能在振荡伴随对称短路时可靠开放保护。

三、电压回路断线对距离保护的影响

在系统正常运行状态下，当电压互感器二次回路断线时，距离保护将会失去电压。此时，

110 |

由于负荷电流的作用，将使继电器的测量阻抗减小为零，从而引起保护的误动作。为此，距离保护应装设电压回路断线闭锁装置。当距离保护采用负序（零序）或其增量元件作为保护的整组起动和振荡闭锁起动元件时，则该元件同时兼有断线闭锁的作用。运行经验证明，这是十分简单、可靠的办法。为了避免在断线的情况下又发生外部短路，造成距离保护无选择的动作，一般还应装设断线闭锁装置KBL，用于发出断线信号，以便值班人员及时发现并加以处理。

电压回路断线闭锁装置可以根据零序电压磁平衡原理构成，即零序电压取自两个不同的二次回路，分别由极性点和非极性点接入断线闭锁继电器KBL的工作绕组N1和制动N2进行磁平衡，如图5-53所示。其中N1经电容器 Ca 、Cb 、Cc 组成的零序电压虑过器，接到电压

上，、U、U互感器二次侧的三个相电压Uabc而N2接于电压互感器二次侧接成开口三角形

上。 的电压3U0TVABC正常时，加到N1和N2绕组上的零序电压都为零，KBL不动作。当一次系统发生接地短

CCACBC0路时，N1和N2绕组上都存在零序电压，选择参数使 N1、N2上产生的零序磁势大小相同而方向相反，达到平衡，因而KBL不会动作。当电压互感器二次侧因断线而在N1上产生零序

*CCN1KBLN23U0*R0图5-53 断线闭锁装置原理接线电压时，N2却因一次系统未发生接地短路而没有零序电压，零序磁势不达平衡，故KBL动作将距离保护闭锁。

断线闭锁继电器KBL作为断线闭锁的的触点接于距离保护的总闭锁回路中。

此外，当电压互感器二次侧三相同时断线时，KBL将会拒绝动作，因此，可在其中一相的熔断器两端并联一只电容器，使零序电压虑过器有一个输出，KBL能够动作发出信号。

四、分支电路对距离保护的影响

在单侧电源辐射形网络中，距离保护阻抗继电器的测量阻抗Zm只与短路点到保护安装处的距离成正比，但当保护安装处到短路点之间存在分支电路时，必然会影响测量阻抗的数值，从而影响保护动作的灵敏度以及相邻保护间的动作范围配合。因此，必须分析分支电路对距

111 |

离保护的影响，确保保护的正确工作。系统的分支电路一般分为助增分支电路和外汲分支电路两种。

（一）助增分支电路的影响

。当在BC线路k点发生短路时，故障线路BC的如图5-54所示，分支电路中有电源EBAEAB21IABEBIBIBCZkkCII 有II，这种因短路电流IBCABBBCAB的影响而使故障线路电流增大的现分支电源EB称助增电源，其产象，称为助增，支接电源EB图5-54 助增分支电路对测量阻抗影响称为助增电流。此时，变电所A母线处的距离保护1的测量阻抗为 生的电流IBZm1ZIZIIUABABBCkAZABBCZkIII （5-123） ABABABZZKABbrk称为分支系数，是故障线路短路电流与上一级保护所在线路短路电流之比。通常I与KbrBC

相位差别不大，实际工作中取实数K。 IBCbr的作用，由于助增电流I使Kbr1，与无助增作用时相比，此时的继电器测量阻抗Zm1B增大了。当短路发生在距离保护1的第Ⅱ段保护范围末端以内，且测量阻抗Zm1又因Kbr过大而超出其保护范围时，保护1的第Ⅱ段将拒动。因此，助增分支电路的影响，使距离保护第Ⅱ段的实际动作范围减小，灵敏度降低。 （二）外汲分支电路的影响

外汲分支电路如图5-55所示，分支电路为一平行线路。当k点短路时，故障线路BC中的短

将小于保护2所在线路AB中的电路电IBC

B3。这种由于分支电路的影响而使故障线路IAB。中电流减小的现象称为外汲，外汲电流为IBC此时，保护1的测量阻抗为由于外汲电流IBC

IBCZkK4CEA1IAB25IBC6图5-55 外汲分支电路对测量阻抗的影响 ＜I，变电所A母线处的距离保护1的测量阻抗为 的汲出作用，使IBCAB112 |

Zm1ZIZIIUABABBCkAZABBCZk （5-124） IIIABABABZABKbrZkKbr1，与无外汲分支电路时相比，保护1的测量阻抗Zm1是减小的。当短路发生在保护1

第Ⅱ段保护范围以外不远处，因外汲分支电路的作用，若Kbr减小到使测量阻抗Zm1进入第Ⅱ段的保护范围内时，将造成保护1第Ⅱ段的越级误动作。由此可见，外汲分支电路的影响，使距离保护第Ⅱ段的实际动作范围扩大，失去选择性。

在复杂系统中，由于系统运行方式的变化和线路的投切，分支系数Kbr也随之改变。当保护的整定值一定时，Kbr越大保护实际能动作的范围越小，灵敏度越低；Kbr越小保护实际能动作的范围延伸越长。为了保证距离Ⅱ段的保护范围不伸入与之配合的相邻下一级保护的同段保护范围，保证选择性，整定计算时，分支系数Kbr应取实际可能的最小值Kbr.min。这样，在外部短路且运行方式改变使Kbr增大时，实际测量阻抗只会增加，而不可能进入Ⅱ段保护范围使保护误动作。

当距离第 Ⅲ 段需作为相邻线路末端短路的远后备保护时，其灵敏系数则应按助增电流最大时的情况来考虑。

对于距离保护的第Ⅰ段，在其保护范围内短路时，由于测量阻抗与分支电流无关，故不

受分支电路的影响。

第六节 距离保护的整定计算举例

距离保护的整定原则及计算方法

在输电线路上，距离保护一般采用三段式，并且认为动作具有方向性。以图5-56为例说明三段式距离保护的整定计算原则。

A1B2Ck1k23k3k4图5-56 三段式距离保护整定计算说明

一、 距离Ⅰ段整定计算 1. 动作阻抗

113 |

距离Ⅰ段应在保证选择性的前提下，使保护范围尽可能大。因此，保护1第Ⅰ段动作阻抗应按躲过下一线路出口k1点（可选B母线）短路时的正序阻抗来整定。即

ⅠZⅠOP.1KrelZAB (5-125)

Ⅰ式中 ZOP.1— 线路AB中保护1距离第Ⅰ段的动作阻抗；

KⅠrel— 可靠系数，取 0.8～0.85 ，考虑继电器误差，互感器误差及裕度系数。若线

路参数未经实测，则取KⅠ0.8； rel ZAB— 被保护线路AB的正序阻抗，Ω。

2. 动作时限

tⅠ0s，瞬时动作。一般距离Ⅰ段保护装置的固有动作时限为 0.1～0.15 s 。 1二、 距离Ⅱ段整定计算 1. 动作阻抗

距离Ⅱ段的保护范围是本线路全长，并力求与相邻下一级快速保护相配合，使距离保护第Ⅱ段动作时限尽可能短。故保护1第Ⅱ段动作阻抗应按躲过下一级快速保护的保护范围末端短路时的正序阻抗整定。

（1） 与相邻下一线路BC的距离第Ⅰ段相配合，即按躲过下一线路距离第Ⅰ段末端k2点

短路时的正序阻抗来整定。

ⅡZⅡ（ZABKbr.minZⅠ （5-126） OP.1KrelOP.2）Ⅱ式中 ZOP.1— 保护1距离第Ⅱ段的动作阻抗；

Ⅰ ZOP.2— 相邻下一线路BC中保护2距离第Ⅰ段的动作阻抗；

Kbr.min— 最小分支系数；

Ⅱ Krel— Ⅱ段可靠系数，一般取0.8，考虑本保护的可靠系数KⅡrel和相邻保护的缩短系

数以及本线路与相邻线路的阻抗角可能不同等因素。

（2） 与相邻变压器快速保护相配合，即按躲过相邻变压器末端k4点短路时的正序阻抗来

整定。

114 |

ⅡZⅡ（ZABKbr.minZT） （5-127） OP.1Krel式中 Kbr.min— 实际可能的最小分支系数；

ZT— 当变压器快速保护为电流速断保护时，ZT为速断保护范围内的变压器阻抗；

当变压器快速保护为差动保护时，ZT为变压器阻抗。

Ⅱ Krel— 可靠系数，一般取 0.7～0.75，考虑ZT误差较大以及其与线路阻抗算术和的

误差等因素。

取式（5-81）和式（5-82）中的较小值作为距离第Ⅱ段的整定阻抗。 2. 动作时限

距离第Ⅱ段的动作时限应比与之相配合的相邻下一级保护的配合段动作时限大一个时限级差Δt（通常取Δt=0.5 s）。则

Ⅱt1tⅠ2t （5-128）

式中 t1— 本保护第Ⅱ段动作时限，一般取t10.5s；

ⅡⅡtⅠ2— 相邻配合段的保护动作时限。

3. 灵敏度校验

应保证本线路末端发生金属性短路时有足够的灵敏度，要求Ksen≥⒈25。则

KsenKⅡOP.11.25 （5-129） ZAB若灵敏度Ksen不满足要求，则应与相邻下一级保护的距离Ⅱ段配合整定，方法与式（5-82）和式（5-83）相同。如与之相配合的保护Ⅱ段为其它保护方式，则应按躲过其Ⅱ段保护范围末端短路时的阻抗来整定。

三、 距离Ⅲ段整定计算 1. 动作阻抗

应保证与相邻下一级保护的第Ⅱ段或第Ⅲ段有配合关系，并应躲过正常运行时的最大负荷。

（1） 按与相邻下一级保护距离Ⅱ段配合。则

115 |

ⅢZOP（ZABKbr.minZⅡ （5-130） .1KrelOP.2）式中符号的含义与距离第Ⅱ段相同。

（2） 按与相邻下一级保护距离Ⅲ段配合。则

ⅢⅢZOP（ZABKbr.minZOP （5-131） .1Krel.2）式中符号的含义同上。

（3） 躲过正常运行时的最大负荷

1） 距离保护采用电流起动元件时，其整定原则与过电流保护的整定原则相同。则

ⅢIOP1KrelKastIL.max （5-132） Kr2） 距离保护采用阻抗继电器作为起动元件时： ① 采用全阻抗继电器

ⅢZOP11ZL.min （5-133）

KrelKrKast② 采用方向阻抗继电器（0°接线）

ⅢZOP.11ZL.min （5-134）

KrelKrKastcos(setL)其中 ZL.min(0.9~0.95)UN

IL.max以上式中 Krel—可靠系数，取1.15~1.25； Kr—返回系数，取1.17；

Kast—电机负荷自起动系数，取1~1.3；

ZL.min—本线路最小负荷阻抗；

sen—方向阻抗继电器最灵敏角，等于或接近线路阻抗角；

L—本线路负荷的功率因数角

UN—保护安装处母线额定电压；

116 |

距离第 Ⅲ 段整定阻抗原则上应选取按（1）、（2）、（3）三个条件下计算出的最小值。实际工作中，还应根据网络结构特点，并结合网络中其它保护的配合要求来具体选取。

2. 动作时限

按大于与之相配合的相邻下一级保护的配合段动作时限来整定，至少大一个时限级差Δt。当距离保护受系统振荡影响时，整定时限还应大于振荡周期Tosc。

3. 灵敏度校验

按作为近后备和远后备保护两种情况下，保护范围末端的阻抗值校验。作为近后备时，要求Ksen≥1.5；作为远后备时，要求Ksen≥1.2 。则

（1） 保护作为本线路末端金属性短路近后备时的灵敏系数

KsenⅢKOP.11.5 （5-135） ZAB（2） 保护作为相邻线路末端(或相邻变压器出口k4点)短路远后备时的灵敏系数

KsenⅢKOP.11.2 （5-136） ZABKbr.maxZBC(ZT)式中 Kbr.max—相邻元件末端短路时实际可能的最大分支系数。

当采用全阻抗继电器作保护的起动元件不能满足灵敏度的要求时，可改用方向阻抗继电器，以提高保护动作的灵敏度。根据式（5-135）或（5-136），并比较式（5-133）和式（5-134），可知，采用方向阻抗继电器作保护的起动元件比采用全阻抗继电器时灵敏度提高

1cos(senL)。若灵敏度仍不满足要求，则应采用四边形动作特性和直线动作特性等特

性的阻抗继电器。

最小、最大分支系数Kbr.min、Kbr.max的主要考虑原则： （1） 辐射形网络

Kbr.min应按保护背后电源容量为最大，分支电源容量为最小考虑；Kbr.max则相反。

（2） 辐射形网络对环形网络

Kbr.min应按环形网络闭环运行考虑；Kbr.max则取开环运行。

（3） 环形网络

117 |

Kbr.min应按环形网络开环运行考虑；Kbr.max则取闭环运行。

整定计算中最小分支系数的求取，还需要根据具体网络和线路分析，应用时可参考有关资料。

四、 最小精确工作电流Iaop校验

为了使距离保护能正确工作，阻抗继电器的测量误差在允许范围内，则阻抗继电器的最小精工电流不能超过保护范围末端短路时流过继电器的最小短路电流，通常用精工电流的灵敏度来校验，其灵敏系数

Ksen.aopIk.min （5-137）

Iaop.min式中 Ksen.aop— 继电器精确工作电流的灵敏系数，在校验点，要求Ksen.aop≥ 2； Ik.min— 在校验方式下，流过继电器的最小短路电流。

校验精确工作电流时，为了简化计算，最小短路电流可按下述原则计算：对于距离保护第Ⅰ、Ⅱ段，短路点选择在本线路末端；距离第Ⅲ段，则短路点选在相邻下一线路末端。

以上整定计算均为一次动作值，当换算到继电器动作阻抗时，必须计及互感器的变比和继电器的接线系数。

【例 4-1】 在图5-57所示110 kv 网络中，各线路均装设三段式距离保护，试对保护1的相间距离保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段进行整定计算。已知：线路AB的最大负荷电流IL.max= 350A，功率因数cosφL=0.9 ，各线路单位阻抗Z1=0.4Ω/ km，阻抗角φk=70°，电动机的自起动系数Kast=1，正常时母线最低工作电压UL.min为0 . 9 UN，变压器的主保护采用差动保护。

BA130km25115E13kvC360km4760km6Ⅲt80.5sE8Xs1.max25Xs1.min20D910Ⅲt101.5s115E23kvST=31.5MVAUk%=10.5Xs2.max30ΩXs2.min25Ω图5-57 例5-1网络接线图

解 ⒈ 计算各元件参数

118 |

线路AB的正序阻抗 ZAB=Z1lAB=0.4×30=12（Ω） 线路BC的正序阻抗 ZBC=Z1lBC=0.4×60=24（Ω）

2Uk%UB10.51152 变压器等值阻抗ZT44.1(Ω)

100ST10031.5⒉ 距离Ⅰ段的整定

（1） 动作阻抗根据式（5-125）可得

ⅠZⅠΩ) OP.1KrelZAB0.81210.2(（2） 动作时限 t10s，保护装置固有动作时限。 ⒊ 距离Ⅱ段的整定

（1）动作阻抗根据以下两个条件整定

1）与相邻下一线路BC中保护3（或保护5）距离Ⅰ段配合，根据（4-70）可知

ⅡZⅡ（ZABKbr.minZⅠ） OP.1KrelOP.3ⅠⅠⅡ式中 Krel0.85，Krel0.8

ⅠⅠΩ) 而 ZOP.3KrelZBC0.852420.4( Kbr.min的求取，如图5-58所示

当保护3的Ⅰ段末端k1点短路时，分支系数计算式为

KbrXZABI2Xs1ZABZs2(10.15)ZBC1.15 (s11)I1Xs22ZBCXs22为使Kbr最小，式中Xs1应取可能最

Xs1.maxAZABB0.85ZBCk10.15ZBCC小值，即取电源1最大运行方式下的等值阻抗Xs1.min，而Xs2取最大可能值，即取电源2最小运行方式下的最大等值阻抗Xs2.max，同时，双回线投入，故

I3ZTk2I1Xs2.minI2ZBCKbr.min(20121.151)1.19392图5-58 保护1距离Ⅱ段求取分支系数的等值电路119 |

Ⅱ（121.1920.4）29.6(Ω) 则有 ZOP.10.82）按躲过相邻变压器低压侧出口k2点短路整定计算，根据式（5-127）可知

ⅡZⅡ（ZABKbr.minZT） OP.1KrelⅡ式中 Krel0.7，Kbr.min为在相邻变压器低压侧出口k2点短路时保护1的最小分支系数

Kbr.minXs1.minZAB201212.07

Xs2.max30Ⅱ（122.0744.1）72.3(Ω) 则 ZOP.10.7取 1）、2）中最小值作为整定值，即

ZⅡΩ) OP.129.6(（2）灵敏度校验，根据式（5-84）得

Ksen（3）动作时限

KⅡ29.6OP.12.411.25，满足要求。 ZAB12Ⅱt1tⅠ2t0.5s

⒋ 距离 Ⅲ 段的整定

（1）动作阻抗

方向阻抗继电器采用0°接线方式，按躲过最小负荷阻抗整定计算，根据式（5-134）

ⅢZOP.11ZL.min

KrelKrKastcos(setL)其中 ZL.minUL.nin0.91100.9110163.5() IL.max3IL.max30.351取Krel1.2，Kr1.15，Kast1，senk70，Lcos0.925.8

则 ZOP.1Ⅲ163.5165.3()

1.21.5cos(7025.8)120 |

（2）灵敏度校验

1）保护作为本线路末端短路近后备时的灵敏系数

KsenⅢKOP165.3.113.781.5，满足要求 ZAB122）保护作为相邻元件末端短路远后备时的灵敏系数 ① 相邻线路末端k3点短路时，由式（5-136）可知

KsenZABⅢKOP.1

Kbr.maxZBC其中，保护1的最大分支系数Kbr.max按相邻线路BC末端短路时求取，如图（5-59）所示。

Kbr.maxI2I1XZABs1.max1Xs2.min251212.4825Xs1.maxAZABBZBCCk3I1Xs2.minI2ZTDk4I3图5-59 距离Ⅲ段校验灵敏度时求取Kbr.max等值电路则

Ksen165.32.311.2，满足要求

122.4824② 相邻变压器低压侧出口k4点短路时，最大分支系数为

Kbr.max则 Ksen（3）动作时限

Xs1.maxZAB2512112.48

Xs2.min25165.31.361.2，满足要求

122.4844.1Ⅲt1Ⅲt83t0.530.52s

ⅢⅢ或 t1t102t1.520.52.5s

取较大时限作为动作时限：t12.5s

实际应用时，距离 Ⅲ 段的动作阻抗还应考虑与相邻下一级保护的Ⅱ、Ⅲ段（或元件保护的后备保护）的动作阻抗（或保护范围的阻抗）相配合，以确定最小值并作为整定阻抗，

121 |

Ⅲ

同时，整定动作时限时也必须与之对应配合。

第七节 距离保护装置举例

为了对以单相式阻抗继电器为测量元件的距离保护有一个整体概念，本节以反应110~220kv相间短路故障的整流型三段式距离保护装置为例，介绍其组成、各部分作用以及整组保护的动作过程。对微机距离保护的构成作一简要说明。

装置是由六只方向阻抗继电器并配以时间元件构成的整流形三段式距离保护。其中三只方向阻抗继电器为第Ⅰ、Ⅱ段共用，采用切换方式进行阻抗的测量，而第Ⅲ段阻抗的测量则采用三只独立的阻抗继电器，依此来反应AB、BC、CA相间短路及三相短路；时间元件采用阶梯形时限特性，并与阻抗继电器配合来保证动作的选择性。作为110~220kv大接地电流系统相间短路故障的保护，在国内得到了广泛应用。

装置采用负序、零序电流增量继电器作为整组保护的起动元件，以保证同时性短路时能可靠起动，并能有效地防止交流失压引起的保护误动作。起动元件动作后，一方面准备好保护出口跳闸回路和共用阻抗继电器Ⅰ、Ⅱ段动作值的切换，另一方面对保护的第Ⅰ、Ⅱ段进行振荡闭锁控制。

振荡闭锁装置采用负序、零序增量元件起动，振荡停息复归。当静稳定和动稳定破坏引起振荡时，通过起动元件和相电流元件相互配合，实现对保护Ⅰ、Ⅱ段的闭锁。振荡闭锁装置的投入，可由跨线端子进行操作。

装置设有手动合闸和自动重合闸后加速保护跳闸回路。通过跨线端子可进行Ⅱ、Ⅲ段加速，以及手动合闸加速Ⅲ段等。此外，通过跨线端子还能实现瞬时测定。

装置还设有总闭锁回路，当交流电压二次回路故障，被保护线路严重过负荷，总闭锁继电器均会起动，闭锁整套保护，并延时发出告警信号。总闭锁只能由值班员手动复归。

此外，此装置与高频收发信机配合，即可构成高频闭锁距离保护。 一、交流回路

装置交流回路如图5-60所示。它的六只阻抗继电器均采用0°接线，此外还接有起动继 电器KST和断线闭锁继电器KBL以及相电流继电器KA，其功能和作用以及基本原理在前面已作分析和介绍，不再赘述。这里，主要针对装置的直流回路说明其各元件的作用和整组动作过程。

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二、直流回路

IIabIcInUUUUbcanⅠ、ⅡKIABKCHⅠⅡ、段距离元件Ⅰ、ⅡKIBCKCHⅠ、ⅡKICAKCHⅢKIABⅢⅢKIBC段距离元件ⅢKICAKSTKBLCACBCC起动元件及断线闭锁元件KA图5-60 整流型距离保护装置交流回路

此装置的直流回路如图5-61所示。 （一）主要继电器的名称和作用

KST—负序、零序电流增量起动继电器（10）；KCH—切换继电器（11）；KLM— 振荡闭 锁中间继电器（7）；KLO—闭锁开放继电器（1）；KL—总闭锁继电器（35）；1KCE、2KCE —1、2KI的重动继电器；3 KCE、KCE—3KI的重动继电器；1KT—使振荡闭锁装置整组复 归的继电器。

上述继电器的作用可参阅本章第五节的二、（四）振荡闭锁装置部分。 2KT、3KT—分别为距离Ⅱ、Ⅲ 段时间继电器。

1KCO—Ⅰ、Ⅱ段跳闸出口继电器（15），增加触点容量。 2KCO— Ⅲ段跳闸出口继电器（18），增加触点容量。

KAC— 后加速继电器（3），由本装置以外，自动重合闸装置中手动合闸继电器KOC和重合闸起动继电器KRS的常开触点控制，实现后加速。

1SR— 总闭锁手动复归按扭。

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2SR— 信号自保持回路手动复归按钮。

在本节内容介绍时，若后缀有括号，则其中的数字表示继电器或其触点位置，下同。

D21In261RD43KLO2KCEIn891整组复归时间KCHD30D311KCE1KHOD312In553后加速继电器KTD32D33KACKAC6VD4In561KT瞬时恢复Ⅰ、Ⅱ段整组复归时间闭锁自保持动稳定闭锁振荡闭锁回路5KLMKLO4KCEKLM4R678KSTIKA1VD3R2VD3VD静稳定闭锁9KSTKCHU101112保护切换继电器起动自保高频闭锁发信回路KSRKACKSTKLKL4VDIn521KCE2KCEIn41D37至高频闭锁发信KSRKCHIn57UD421314KCHIn421KSIn44In455VDⅠ段15KLMIn432KT1KCO16Ⅱ段出口继电器In463KCE4KCEIn492KCE4KCE4KCE2KCE1、2KIuv1、2KIvw1、2KIwu3KIuv3KIvw3KIwuIn50In59In60D34D282KHOIn41In53D39至高频闭锁停信3KTIn482KS3KSIn5817In542KCO1819高频闭锁停信回路Ⅲ段瞬时加速瞬时加速Ⅱ段瞬时加速Ⅱ段21221KCE232425262KCE3KCE2728手合加速瞬时测量出口继电器KLM3KTKACIn47In514KS20D29D35Ⅰ、Ⅱ段阻抗重动继电器Ⅰ、Ⅱ段阻抗重动继电器(a)4KCE图5-61 整流型距离保护装置直流回路(一)（a）振荡闭锁及各段工作回路

（二）整组保护动作说明 ⒈ 正常运行状态

交流回路中六只阻抗继电器1、2KI、3KI阻抗继电器和KST、KA均不动作。直流回路

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中，切换继电器KCH，闭锁开放继电器KLO和总闭锁继电器KL都处于励磁状态，其余各

D21In264KCED43KLOKAKLM1KTIn8929整组复归时间Ⅱ段动作时间Ⅲ段动作时间及总闭锁起动时间2KCE2KCE4KCEIn281SR2R2KT3KT30313233KLKBL3KT3435总闭锁自保持KL总闭锁继电器1KS2KS3KS4KSD22In272KCO1KCOIn61In621XB2XBD47RR1KSR2KSR3KSR4KSD46N1HL2HL3HL4HLKL信号灯36出口跳闸回路In29D232SRD27In32信号继电器复归线圈In90D44信号复归回路KCEKCHKLOKLKLMIn30D242KCOIn31D251KCO2KCOIn34In65D50In64D49跳闸备用In35D29In36D301KCOIn63D48In72振荡闭锁动作信号装置异常信号In33D281KS2KS3KS4KSD521KS2KS3KS4KS2KCOIn73D53In74D54In75In76备用通信In37In38In39In40距离保护动作信号D31KAC(b)图5-61 整流型距离保护装置直流回路(二)（b）总闭锁、信号及跳闸回路

继电器均不励磁。

⒉ 振荡闭锁回路

系统振荡时，交流回路KST起动，直流回路KST自保持，使KLO动作并闭锁距离Ⅰ、

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Ⅱ段跳闸出口回路。详细说明见本章第五节的二、（四）振荡闭锁装置部分。

⒊总闭锁回路

装置的保护跳闸出口回路受总闭锁继电器KL正常时闭合的常开触点控制（14）、（15），以防止阻抗继电器电压回路断线或严重过负荷时保护装置误动作。当正常运行中发生失压或过负荷时，阻抗继电器可能误动作，虽然整组保护受负序、零序电流增量继电器KST控制，不会误发跳闸脉冲，但是，如果系统此时进行某种操作或发生区外故障而使KST起动，保护就有误动作的可能。因此，发生失压或异常过负荷时，应起动总闭锁回路，断开跳闸出口回路，闭锁保护，同时发出异常信号，以便运行人员及时处理。

（1）总闭锁回路的起动。当发生失压时，断线闭锁继电器KBL起动，其常开触点（33）短接KL绕组，其常开触点（15）切断Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段跳闸出口回路，将保护闭锁。在发生过负荷或阻抗继电器电压回路断线时，KI动作，起动 1KCE～4 KCE ,其中2 KCE和4 KCE的常开触点（31）、（32）闭合，起动3KT，3KT终止常开触点，短接KL绕组，KL失磁，其常开触点（15）瞬时断开距离保护的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段出口。3KT终止常开触点的时限应大于最长

保护段动作时间、断路器跳闸时间及保护装置返回时间之和。

（2）要求总闭锁继电器KL延时动作、瞬时返回，其目的是保证总闭锁回路可靠工作，避免因失去直流电压而随之失去交流电压，使距离元件动作的瞬间起动出口1、2KI（15）、（18），故要求KL常开触点瞬时断开，以免误动；又当直流电压恢复的同时，交流电压也随之恢复。如果KL常开触点瞬时闭合，则距离保护元件闭合的触点就通过KL常开触点使距离 保护误动，故KL常开触点（14）、（15）应延时闭合。

（3）总闭锁起动回路动作后，不允许在异常情况未作处理的情况下，让总闭锁自动解除，故要求总闭锁起动后由值班人员手动复归。

⒋ 保护各段动作情况。若短路发生在第Ⅰ段保护区，KST动作使保护开放一段时间，1KI动作起动1KCE和2KCE，在KST没有返回前接通出口继电器1KCO。若短路发生在Ⅱ段保护范围内时，在KCH常开触点（15）返回前1、2KI不动，只有等定值切换到Ⅱ段定值时1、2KI才动作，起动1KCE和2KCE。2KCE起动Ⅱ段延时继电器2KT，其常开触点（16）闭合后接通出口继电器1KCO。若短路发生在Ⅲ段时，只有等3KT滑动触点（18）达到振荡时间才能接通出口继电器2KCE。

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⒌ 后加速回路

后加速回路包括手动合闸后加速和重合闸后加速保护回路两部分。

（1）手动合闸后加速保护回路。一般手动合闸均在同期方式下进行，因此，手动合闸后加速不应带时限。为提高手动合闸于三相短路时的动作可靠性，手动合闸后加速保护回路不再经电流起动元件，而直接经由距离元件触点起动跳闸出口中间继电器。当手动合闸于三相短路时，3KI立即动作，并起动3 KCE和4 KCE，4 KCE常开触点（21）通过手动合闸继电器的常开触点2KHO（21）直接起动跳闸出口中间继电器2KCO。

（2）重合闸后加速保护回路。按以下四种方式考虑，可通过选连预留的不同接线端子来实现，以适应各种需要。

重合闸加速保护方式有：瞬时加速Ⅱ段；瞬时加速Ⅲ段；第Ⅲ段可带躲振荡的短延时；瞬时恢复Ⅰ、Ⅱ段。

连接ln 47—ln 48：瞬时加速Ⅱ段，且经短延时加速Ⅲ段。 连接ln 48—ln 49：瞬时加速Ⅲ段。

在ln 48与ln 49间：外接加速触点（例KER）作为综合重合闸三相跳闸时瞬时加速第Ⅲ段用。

连接ln 55—ln 60：瞬时恢Ⅰ、Ⅱ复段。 ⒍ 整组复归

当短路消失，振荡停息时，KA常闭触点（29）闭合，4KCE常闭触点（29）闭合，串联起动整组复归时间继电器1KT，由1KT终止触点（5）短接KLM和KST绕组使它们复归。随后，KCH和KLO重新动作（11）、（1），同时1KT复归（29），于是整组保护复归到正常状态。

应该注意，1KT终止触点短接KLM和KST绕组，使KLM和KST复归后，KCH重新动作。在KCH短接KLO绕组的常闭触点断开前（2），KLO尚未励磁时，KLM可能再次动作，从而使1KT重复动作（29），以致装置无法整组复归。为避免出现这种现象，1KT绕组回路中的KLM触点并联有KLO的常闭触点，使1KT不致因KLM再次励磁而重复动作。

目前国内生产的微机保护装置，基本上都是成套保护，距离保护只是其中一部分。例如，南京南瑞继保电气有限公司生产的RSC-902系列超高压线路成套保护中，包括以纵联距离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以及不同延时段零序方向过流构成全套后备保护。有些型号的保护还将零序

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Ⅲ段方向过流保护改为零序反时限方向过流保护，以满足各种不同线路对保护的要求。

RSC-902系列超高压线路成套保护中，由工频变化量，交叉极化比相等原理构成距离保护的测量阻抗继电器，并且在接地距离继电器中设有零序电抗特性，以防止接地故障时继电器超越。距离保护的振荡闭锁部分既采用了负序（零序）增量起动、振荡停息复归、短时开放保护的传统闭锁方式；还采用了振荡伴随内部短路时解除闭锁、开放保护的闭锁新原理，达到了快速切除故障的目的。其距离保护的简化原理方框图如图5-62所示。

起动输入变换选相测量&&加速跳闸UAUBU3U0C 固跳& 3I0IAIBIC单跳振 荡闭 锁跳闸执行三跳 跳闸输出 发 信 号事故记录起动重合闸 5-1 为什么在多电源的复杂电力网络中，方向性电流保护常常不能满足选择性的要求，而距离保护却能保证选择性？

5-2 什么叫距离保护的时限特性？它有什么特点，在距离保护中的作用如何？ 5-3 什么叫阻抗继电器的测量阻抗，动作阻抗，整定阻抗？

5-4 在阻抗复平面上作出方向阻抗继电器的动作特性，写出其幅值比较式的动作方程，并分析说明构成动作方程的依据。

5-4 阻抗继电器的插入电压主要有哪些作用？请分析说明。

5-5 什么叫继电器的精确工作电流？为什么要求通过继电器的最小电流必须大于精确工作电流？

5-6 阻抗继电器的接线方式有哪几种？分别适用于什么情况 ？

5-7 影响距离保护正确工作的因素主要有哪些？减小其影响的针对性措施是什么？ 5-8 工频变化量阻抗继电器与交叉极化阻抗继电器的有何特点？与单相式阻抗继电器相

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图5-62 距离保护原理简化方框图

思考题与习题

比，它具有哪些突出的优点？

5-9 如图5-63所示，各线路均装设三段式距离保护，已知Z1=0.45Ω/ km，在平行线路上装设距离保护为主保护，保护Ⅰ、Ⅱ段可靠系数取0.85，试对保护1和保护3的距离Ⅰ、Ⅱ段作整定计算，并校验灵敏度。其中ZsA .max= 20Ω，ZsA min=15Ω、XsB.max = XsB.min= 25Ω。

E1A140km2BC370km4730kmD110kvE2570km6图5-63 习题9的图

5-10 如图5-64所示，变电所A引出线路参数如下：线路AB的最大负荷电流为310 A ，自起动系数Kast=1.5，功率因数角φ L=30°，线路阻抗角φ k= 63.5°，Z1= 0 . 45Ω/km，线路BC距离Ⅲ段的动作时限为3s。距离保护的测量元件采用方向阻抗继电器，Kr=1.25。求线路AB距离Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的起动阻抗及Ⅱ、Ⅲ段的灵敏系数。

EA30kmB20kmC110kv图5-64 习题10的图

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