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距离保护原理

作者:保护人     文章来源:本站原创    更新时间:2009年01月06日     
内容预览

      系统在正常运行时,不可能总工作于最大运行方式下,因此当运行方式变小时,电流保护的保护范围将缩短,灵敏度降低;而距离保护,顾名思义它测量的是短路点至保护安装处的距离,受系统运行方式影响较小,保护范围稳定。常用于线路保护。
距离保护的具体实现方法是通过测量短路点至保护安装处的阻抗实现的,因为线路的阻抗成正比于线路长度。
在前面的分析中大家已经知道:保护安装处的电压等于故障点电压加上线路压降,即UKM=UK+△U;其中线路压降△U并不单纯是线路阻抗乘以相电流,它等于正、负、零序电流在各序阻抗上的压降之和,即△U=IK1*X1+ IK2*X2+ IK0*X0 。

接下来我们先以A相接地短路故障将保护安装处母线电压重新推导一下。

因为在发生单相接地短路时,3IO等于故障相电流IKA;同时考虑线路X1=X2  则有:
UKAM=UKA+IKA1* X LM1+ IKA2* X LM2+ IKA0* X LM0
=UKA+IKA1*X LM1+ IKA2*X LM1+ IKA0*X LM0+ (IKA0* X LM1-IKA0* X LM1)
=UKA+ X LM1(IKA1+ IKA2+ IKA0)+ IKA0(X LM0-X LM1)
=UKA+X LM1*IKA+ 3IKA0(X LM0-X LM1)*X LM1/3X LM1
=UKA+X LM1*IKA[1+(X LM0-X LM1)/3X LM1]

令      K=(X LM0-X LM1)/3X LM1
则有             UKAM=UKA+IKA*X LM1(1+K)
或             UKAM=UKA+IKA*X LM1(1+K)
=UKA+X LM1(IKA+KIKA)
=UKA+X LM1(IKA+K3I KA0)

同理可得        UKBM=UKB+ X LM1(IKB+K3I KB0)
UKCM=UKC+ X LM1(IKC+K3I KC0)

这样我们就可得到母线电压计算得一般公式:
UKΦM=UKΦ+ X LM1(IKΦ+K3I0)
该公式适用于任何母线电压的计算,对于相间电压,只不过因两相相减将同相位的零序分量K3I KC0减去了而已。

一、接地阻抗继电器的测量阻抗
我们希望,故障时加入阻抗继电器的电压、电流测量值ZJ=UJ/IJ正好成正比于保护安装处至短路点的线路阻抗Z LM
对于单相接地阻抗继电器来说,如果按相电压、相电流方式接线,则故障时继电器的测量阻抗
ZJ=UJ/IJ
=Z LM(IKΦ+K3I0)/IKΦ      当金属性单相接地短路时UKΦ=0
= (1+K)Z LM
它不能正确反映保护安装处至短路点的线路阻抗Z LM

那么为了使阻抗继电器测量阻抗ZJ正好等于保护安装处至短路点的线路阻抗Z LM我们可以在构成阻抗继电器上做文章,使
ZJ=Z LM(IKΦ+K3I0)/(IKΦ+K3I0)=Z LM
也就是说使继电器的计算用电压等于相电压、计算用电流等于IKΦ+K3I0,常规继电器构成上可以采用IKΦ+K3I0复合滤序器实现,微机保护更简单,直接通过软件算法实现。
ZJ=UJ/(IKΦ+K3I0)的接线方式称为带零序电流补偿的接地阻抗继电器。接地阻抗保护一般采用该种接线。

二、相间阻抗继电器的测量阻抗
在前面两相短路的分析中,我们得出:
IKABM=2IKAM
UKABM=2IKAM*X1M
则有母线处测量阻抗ZJ=2IKAM*X1M/2IKAM=X1M
因此对于相间阻抗继电器来说,如果按相间电压、对应相间电流方式接线,则故障时继电器的测量阻抗
ZJΦΦ=UJΦΦ/IJΦΦ
= 2IKΦ*Z LM/2 IKΦ
=Z LM
能够正确反映保护安装处至短路点的线路阻抗Z LM
ZJΦΦ=UJΦΦ/IJΦΦ的接线方式称为相间阻抗继电器的0。接线,相间距离一般采用该种接线。

三、正、反向短路故障测量阻抗比较
假设为金属性短路,故障点电压为零
规定正方向:电流由母线指向线路为正方向;
电压以电压升为正方向
如下图示:
距离保护原理 

1、 正方向短路故障测量阻抗:
ZJ=UJ/IJ=ZLM
2、 反方向短路故障测量阻抗:
ZJ=UJ/IJ=-ZLM
由上式可以看出:在特定的正方向下,测量阻抗具有明显的方向性;也就是说正向故障实际上是由保护装置背侧电源作用的结果;而反向故障是由对侧电源作用的结果。
四、距离保护的实现方法
不论是常规保护还是微机保护为了实现对一次设备的保护,首先要按照我们的意愿确定一个固定的动作特性(相对应有一个动作方程),若计算出的测量阻抗ZJ落在动作特性内部,继电器就动作。
阻抗继电器一般应包含两个量 1)补偿电压或工作电压
2)极化电压或参考电压
工作电压UOP=UJ-IJZZD
通过这个等式可以看出,IJZZD实际上是保护安装处至整定点的压降。那么母线电压减去保护安装处至整定点的压降实际上就是整定点的电压。即保护范围末端的电压。
现在我们结合下图来看一下工作电压UOP在正向区内、正向区外及反方向故障时同测量电压UJ测量的相位关系。
距离保护原理 

在正向区内K1点发生短路,ZJ<ZZD则UOP=UJ-IJZZD=-IJ(ZZD-ZJ)
UJ=IJZJ
UOP与UJ反向;
在正向区外K2点发生短路,ZJ>ZZD则UOP=UJ-IJZZD=IJ(ZJ-ZZD)
UJ=IJZJ
UOP与UJ同向;
在反方向K3点发生短路,ZJ>ZZD则UOP=UJ-IJZZD=-IJ(ZJ+ZZD)
UJ=-IJZJ
UOP与UJ同向;

所以可以通过比较UOP与UJ的相位关系来判断区内、区外及反向故障。
只要是按动作方程实现的距离保护就一定含有工作电压这一项。

极化电压是与工作电压比较的参考电压,选用不同的极化电压可以获得不同的动作特性。例如:选用UJ为极化电压可构成方向阻抗继电器、选用UJ+IJZZD为极化电压可构成全阻抗继电器、选用IJRZD为极化电压可构成电抗性阻抗继电器、选用IJXZD为极化电压可构成电阻性阻抗继电器等等。
下面我来介绍一下方向阻抗继电器的动作特性:
其动作方程为            |1/2ZZD|≥|ZJ-1/2ZZD|       (绝对值比较方程)

          或          90o≤arg(ZJ-ZZD)/ZJ≤270o      (相位比较方程)

这两个方程对应同一个动作特性,又是如何等效互换的呢?
是根据平行四边形法则实现的互换。大家看一下下面的四个图形:
距离保护原理 

由图可看出:C=B-A;D=B+A
当|A|=|B|,且B超前A时,argC/D=90o;
当|A|=|B|,且A超前B时,argC/D=270o;
当|A|>|B|,且B超前A时,argC/D>90o;
当|A|>|B|,且A超前B时,argC/D<270o;

根据上面的关系式就可以将绝对值比较方程等效转换为相位比较方程:
|A|≥|B|   可转换为    90o≤arg(B-A)/(B+A)≤270o

根据动作方程可绘出方向阻抗继电器的动作特性,大家都知道以圆的直径为斜边交于圆周上的三角形必定是直角三角形。那么根据相位比较方程可知,若测量阻抗落于圆周上,刚好是临界动作状态。动作特性如下图示:
距离保护原理 在实际应用中,若采用阻抗形式动作方程需要计算出测量阻抗值向量;所以在构成继电器的过程中,常常采用电压形式动作方程,即动作方程上下同乘测量电流IJ乘转换为电压形式动作方程:90o≤arg(UJ-IJZZD)/UJ≤270o
构成单相接地阻抗继电器时,测量电流IJ=IKΦ+K3I0
构成相间阻抗继电器时,测量电流IJ=IKΦΦ
五、距离保护应用中的相关辅助措施:
1、测量阻抗ZJ= UJ/IJ,那么当因某种原因电压断线时,阻抗继电器将会误动作,故必须采取电压断线闭锁措施,当发生电压断线时闭锁保护。通常采用电压互感器二次电压与开口三角电压比较实现。微机保护采用软件算法实现(例如:启动元件不动作的情况下,三相向量和大于8V;或绝对值和小于额定电压的一半且断路器在运行位置等等)
2、当系统振荡时,振荡中心的电压降低、电流升高;那么处于振荡中心的阻抗继电器因感受到的测量阻抗降低,所以也必须采取振荡闭锁措施,当发生振荡时闭锁保护。并遵循振荡不消失,闭锁不解除的原则。通常引入正序元件,负、零序电流或电流增量元件及采用短时开放来监视静稳破坏。
3、在正方出口短路时可能拒动,反方向出口短路时可能误动;通常采用使极化电压带“记忆”来实现。常规保护引入第三相电压构成RLC串联谐振回路,使故障时保持故障前相位;微机保护直接读取故障前数据。

所以说,正真构成一套距离保护至少包含以下几个部分:启动元件、阻抗测量元件、电压闭锁元件、振荡闭锁元件、逻辑回路。

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