第五章電網的距離保護
第一節距離保護的工作原理
電流、電壓保護具有簡單、經濟、可靠性高的突出優點，但是，它們存在保護範圍、靈敏性受系統執行方式變化影響較大的缺點，尤其是在長距離重負荷的輸電線路上以及長線路保護與**路保護的配合中，往往不能滿足靈敏性的要求；此外，在多電源環形網系統中，選擇性也不能滿足要求。因此，電壓等級在110kv以上、執行方式變化較大的多電源複雜電網，構成保護時通常要求採用效能更加完善的距離保護裝置。
一、距離保護的基本概念
由於電流、電壓保護所反應的電氣量隨系統執行方式、系統結構、短路形式的改變而變化，使得它們的保護功能難以滿足系統發展的要求。
如圖5-1所示，距離保護是反應被保護線路阻抗大小進行工作的，該阻抗是由被保護線路始端測量電壓與測量電流的比值來反應，稱為測量阻抗zm 。在系統正常執行時的測量阻抗zm是負荷阻抗zl，它是額定電壓和線路負荷電流之比，值較大。當線路發生短路時測量阻抗zm反應短路點到保護安裝處的線路阻抗zk，它與距離成正比，值較小，而且短路點愈靠近保護安裝處，母線殘壓愈低，短路電流愈大，其比值zm愈小，保護愈先動作。
測量阻抗zm的大小，反應了短路點的遠近，當zm小於保護範圍末端的整定阻抗zset而進入動作區時，保護動作。因此，距離保護是以測量阻抗的大小來反應短路點到保護安裝處的距離，並根據距離的遠近確定動作時限的一種保護。使距離保護剛好動作的最大測量阻抗稱為動作阻抗或起動阻抗，用zop表示。
由於距離保護反應的引數是阻抗，故又被稱為阻抗保護。因線路阻抗只與系統在不同執行方式下短路時電壓、電流的比值有關，而與短路電流的大小無關，所以距離保護基本不受系統執行方式變化的影響。
二、距離保護的時限特性
距離保護動作時間t與保護安裝處至短路點之間距離l的關係，稱為距離保護的時限特性。
為了滿足速動性、選擇性、靈敏性的要求，目前距離保護廣泛採用具有三段動作範圍的階梯時限特性，如圖5-1所示，tⅲ>tⅱ>tⅰ，分別稱為距離ⅰ、ⅱ、ⅲ 段。它與三段式電流保護的時限特性相類似。
以圖5-1中保護1為例， 距離保護1理想的保護範圍是線路ab全長，為此，其第ⅰ段
的動作阻抗應整定為。當下一線路bc出口k點短路時，保護1測量阻抗zm 大於動作阻抗，處於距離ⅰ段保護範圍以外，保護1不動作。然而，實際中存在動作阻抗的計算誤差、電壓和電流互感器的誤差以及短路時暫態過程的影響，使保護1因測量阻抗zm小於動作阻抗， 而越級誤動作，失去選擇性。
為使保護1在下一線路出口短路時具有選擇性，只有降低動作阻抗，縮小保護範圍，滿足 ，計及上述各種誤差，動作阻抗應按整定 。這樣，距離保護1的第ⅰ段只能保護ab線路全長的80％~85％，在此範圍內，保護1距離ⅰ段具有選擇性，應該瞬時動作， 是保護裝置的固有動作時限，如圖5-1所示。
為了切除本線路末端15％~20％範圍內的故障，相似於三段式電流保護的考慮，保護1還應裝設距離ⅱ段。為了保證選擇性，保護1距離ⅱ段保護範圍必然伸入下一級線路，並與下一級線路保護2的保護範圍部分重疊，為使保護1動作具有選擇性，並力求動作時限最短，為此，保護1距離第ⅱ段不應超過保護2距離ⅰ段的保護範圍，即動作阻抗按整定；動作時限還應與保護2距離ⅰ段動作時限配合且大乙個時限級差δt ，即保護1距離ⅱ段動作時限按整定 ，如圖5-1所示 。如此，可使保護1距離ⅰ、ⅱ段在時間內切除被保護線路任一點的故障，滿足速動性要求。
距離ⅰ段和ⅱ段互相配合，構成本線路的主保護。
為了作相鄰下一線路保護和本線路主保護的後備保護，還應設定距離第 ⅲ 段保護。距離第 ⅲ 段保護的保護範圍較大，其動作阻抗應按躲過正常負荷阻抗等條件整定；動作時限按階梯時限原則整定，即動作時限應比本線路及相鄰線路中保護的最大動作時限大乙個時限級差δt，如圖5-1所示 。
三、距離保護的原理框圖
圖5-2所示為三段式距離保護原理框圖，它由三部分組成。各部分的組成與作用如下：
⒈ 起動部分
起動部分的主要元件可以是電流繼電器、阻抗繼電器、負序電流電流繼電器或負序、零序電流增量電流繼電器。以往的距離保護，起動元件採用電流繼電器或阻抗繼電器。目前，為了提高起動元件的靈敏性及保護可能誤動時兼起閉鎖作用，大多採用反應負序電流或負序電流與零序電流的復合電流或其增量的電流繼電器kan作為起動元件。
正常執行時，起動部分的起動元件kan不起動，三段式距離保護不投入工作。線路短路時，起動元件kan解除整套保護的閉鎖，使其投入工作。起動部分的作用是判別線路是否發生短路、保護是否應該投入工作。
⒉ 測量部分
測量部分的核心是具有方向性的阻抗繼電器或無方向性的阻抗繼電器與功率方向元件的組合。其作用是利用阻抗繼電器ki測量短路點到保護安裝處的距離。
⒊ 邏輯部分
邏輯部分主要由閘電路和時間電路組成。它的作用是根據阻抗繼電器測量及起動元件輸出結果，決定是否應該跳閘、以什麼時間跳閘。
測量部分是距離保護的核心。
三段式距離保護工作情況分析：
（1）正常運**況下，線路沒有負序電流i2，起動元件kan無輸出，閉鎖整套保護。
（2）發生短路時，出現負序電流i2，kan起動整套保護。如果短路點在ⅰ段保護範圍內（也屬於ⅱ、ⅲ段的範圍），0.1s內，時間電路kt1 無訊號輸出，禁止門a1開放，允許距離ⅰ段跳閘，與此同時，ⅰ、ⅱ段公用阻抗繼電器1、2ki未經切換繼電器kch段別切換而處於ⅰ段位置，1、2ki與ⅲ段阻抗繼電器3ki同時起動，與門a2、a3 有輸出，由於時間電路kt2 、kt3 的時限 tⅱ、tⅲ 長，則1、2ki的輸出經與門a2、禁止門a1、訊號繼電器1ks、或門o瞬時跳閘。
如短路點在ⅱ段保護範圍內時，阻抗繼電器3ki起動，0.1s後，時間電路kt1一方面起動切換繼電器kch，切換阻抗繼電器1、2ki至ⅱ段，另一方面經禁止門a1閉鎖距離ⅰ段的瞬時跳閘迴路，因tⅱ< tⅲ，阻抗繼電器1、2ki的輸出經與門a2、時間電路kt2 、訊號繼電器2ks、或門o ，以tⅱ 時限跳閘。當短路點在ⅲ段保護範圍內時，時間阻抗繼電器3ki起動，tⅲ時限到達後，經與門a3、時間電路kt3、訊號繼電器3ks、或門o跳閘。
第二節阻抗繼電器
按測量阻抗原理工作的繼電器叫做阻抗繼電器，它是距離保護中的核心元件。阻抗繼電器的主要作用是測量短路點到保護安裝處的線路阻抗，並與整定阻抗進行比較，以確定保護是否應該動作。
一、阻抗繼電器的構成方式
構成阻抗繼電器的方式按輸入電氣量的多少可分為單相式和多相式兩種。輸入電氣量只是乙個電壓（相電壓或線電壓）和乙個電流（相電流或兩相電流之差）的阻抗繼電器，稱為單相式或第ⅰ類阻抗繼電器，輸入幾個電壓、電流或其組合構成的，稱為多相式（多相補償式）或第ⅱ類阻抗繼電器。目前常用的阻抗繼電器多為單相式阻抗繼電器。
單相式阻抗繼電器輸入的電壓、電流取自被保護線路始端母線電壓互感器tv和線路電流互感器ta的二次側，其比值就是測量阻抗zm，即
5-1）
式中 — 保護安裝處一次側母線電壓；
被保護線路一次側電流；
ntv — 電壓互感器變比；
nta — 電流互感器變比；
zk — 一次側測量阻抗。
線路的測量阻抗可以用複數的形式表示為zm = rm + jxm，因此，可以利用複數平面分析繼電器測阻抗zm的動作特性。
二、阻抗繼電器的動作特性分析
圖5-3（a）所示網路中，線路ab、bc的阻抗角φd相等。現以bc線路上保護2為例來說明其動作特性。假定電流的正方向規定為由母線指
向線路，當正方向發生短路時，距離保護2的測量阻抗zm=rm+ jxm隨著短路點的不同，它在第一象限的直線bc上變化；反方向短路時，zm在第三象限。正向測量阻抗與r軸的夾角即是線路阻抗角φk。保護2距離ⅰ段的整定阻抗，整定阻抗角φset =φk，則阻抗繼電器的動作特性就是一條位於bc上的直線，其保護範圍就是幅值和相位確定的動作特性直線，如圖5-3（b）所示。
短路時，測量阻抗zm落在上，則阻抗繼電器動作；反之，阻抗繼電器不動作。然而，在bc線路的保護範圍內發生短路時，假如短路點伴隨有過渡電阻rtr，將使繼電器的測量阻抗zm落在其動作特性直線範圍以外，導致阻抗繼電器不能動作，如圖5-3（b）所示。此外，由於電流、電壓互感器及繼電器存在角度誤差，也會使阻抗繼電器因測量阻抗zm超出其動作特性直線而拒動。
為了保證阻抗繼電器在其保護範圍內發生實際可能的短路時都能正確動作，應擴大動作範圍，將動作特性由一條直線擴大為包含該直線的乙個面積，如圓形、橢圓形、四邊形等。常見的動作特性為圓形，其中以整定阻抗幅值為直徑，圓周過阻抗復平面座標原點的圓，稱方向阻抗特性圓，如圖5-3（b）曲線1所示；以整定阻抗幅值為半徑，圓心位於座標原點的圓，稱全阻抗特性圓，如圖5-3（b）曲線3所示；圓心偏離原點，且圓心處於整定阻抗反向延長線的圓，稱偏離特性阻抗圓，如圖5-3（b）曲線2所示；圖5-3（b）曲線4所示為直線特性。此外，較複雜的四邊形、橢圓形等特性也在積體電路和微型機繼電保護中得到應用。
利用複數平面分析單相式和直線特性阻抗繼電器的動作特性，可以容易地確定動作方程、擬定原理接線方案或構成邏輯關係。
阻抗繼電器的動作特性分析中，常常採用幅值比較式和相位比較式兩種原理。
（一） 偏移特性的阻抗繼電器
1. 幅值比較式
如圖（5-4）所示，幅值比較式偏移特性阻抗繼電器的動作特性，是以整定阻抗zset與反向偏移-αzset（α＜1）的幅值之和zset +αzset為直徑的圓，圓心座標為，半徑為。保護安處在原點，圓內是動作區，圓外為非動作區。α為偏移特性阻抗繼電器的偏移度。
當測量阻抗zm落在圓周上時，繼電器處於動作區邊界恰好動作，只要zm落在圓內，繼電器動作；反之，繼電器不動作，動作既有方向性，又沒有完全的方向性，例如在反向出口短路，也能動作，故稱其為具有偏移特性的阻抗繼電器。使用時，通常取偏移度α= 0.1~0.
2，以消除方向阻抗繼電器的死區。
偏移特性阻抗繼電器的偏移度0<α<1。
按幅值比較原理分析圖5-4（a）所示的動作特性，其動作區的動作方程為
5-2）
將圓心座標，半徑代入式（5-2），可得
5-3）
繼電器整定阻抗的實現，是通過其內部整定變壓器（電壓變換器）tv變比和電抗變換器tl的轉移阻抗的調整與組合來完成，故繼電器整定阻抗可以表達為，考慮，用乘式（5-3）兩端，可得以電壓表示的動作方程
5-4）
2. 相位比較式
按相位比較原理分析具有偏移特性阻抗繼電器的動作方程，根據圖5-4（b）所示可得
5-5）
可知，動作特性是以向量的末端為直徑的圓，圓內為動作區。
考慮，，分子、分母同乘，可得電壓表示的動作方程
5-6）
如圖5-5中，將取自互感器二次側的電壓和電流接入阻抗繼電器的整定變壓器tv 和電抗變換器tl，在其二次側分別得到電壓，，，再根據比幅式動作方程構成測量部分實現電路，如圖5-5(a)所示；根據比相式動作方程構成測量部分實現電路，如圖5-5(b)所示 。
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第四章電網的距離保護
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