《继电保护及二次回路》学习(7)

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因此，ZJ在特征区间可以用图3.17表示，当I1超前I2，θ＜0，I1落后I2，θ＞0，由于对侧助增电流的角度的不确定性，在θ＜0时，测量阻抗ZJ小于实际的阻抗（Zk+R），在II段的故障就有可能落在I段动作。所以，我们设计了电抗继电器来躲避这种情况。

Zk R θ＞0 K θ＜ 0 －Zs 图3.17 θ=0 距离II段 距离I段

第四节 复合距离继电器

在高频保护中，南瑞公司902系列保护采用复合距离继电器作为高频方向元件。复合距离继电器由两部分组成，一部分是第一节讲述的工频变化量距离继电器，另一部分是四边形距离继电器。因此称作复合距离继电器。

四边形距离继电器动作特征如图3.18，Zzd=1.5ZL, Zx=0.05Zzd, Zzd阻抗角78°，Φ1=Φ2=30°，Rzd⊥Zzd。只需要整定Rzd和Zzd，四边形的区间大小就可以确定下来了。

Z 为了防止在双电源下线路故障出现A 距离保护超越现象，AB边不与R轴平行，Zzd 而是向下倾斜10°~15°，为了防止出口经B 过渡电阻接地也能可靠动作，CD边也要向

Φ1 D Zzd Φ2 Rzd R 下倾斜，Rzd由过渡电阻有可能的最大值决定，为了保证经过渡电抗接地也能可靠动作，取Φ1=Φ2=30°得到A、B两点。

图3.18

C

图3.17

工频变化量的整定值分两个，一个是在后备保护中的距离I段Zzd1，它与四边形距离继电器共同构成快速独立跳闸元件，即△Z，动作时间小于10 ms。必须注意理解的是△Z也是

复合距离继电器，而不仅仅是工频变化量距离继电器。△Z的动作特征区间如图3.19。第二个是以超范围整定到对端电源的工频变化量阻抗保护DzzdF，它与四边形距离继电器构成高 频距离保护Z++的方向元件。它的动作区间如图3.20。

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这里看到Z++的动作区间就是四边形距离继电器，似乎工频变化量距离没有用处，其实由于四边形是固定的，在反方向和区外故障时候工频变化量是一个远离四边形的上抛圆，与四边形无交集，也就没有动作区，所以能很好的防止非故障区故障时候高频正方向元件的误动。

第五节 保护闭锁系统振荡的原理

有关什么是系统振荡，和发生振荡时，系统中各点的电压，电流，相角变化规律以及振荡对不同地点距离保护的影响的问题在《技术问答》上有详细的讲解，这里只对南瑞公司保护的开放闭锁元件的四个判据作详细的分析。

在系统发生振荡时，应该由手动或自动减少发电机机端出力和有选择性的切除负荷，不应由保护无选择的任意解列系统。因此，对有可能出现电网振荡的保护必须加装振荡闭锁元件。

正常运行时，振荡闭锁元件一直是投入的，它闭锁了距离保护等的动作，在网络异常时，保护会启动，该元件必须立刻判断出异常是什么原因造成的。如果是系统振荡，则该元件继续投入，如果是故障，该闭锁元件应立刻开放。下面就讲南瑞保护区别振荡和故障用的四个判据。

一、保护启动瞬间开放160ms.

即使是保护由于系统振荡的原因而启动，系统两侧电势由正常功角θ摆至振荡中心角180°的时间也远大于200ms。这样振荡的轨迹还没有进入动作区间闭锁元件就已经复归。

如图3.21，正常运行在Ａ点，振荡时振荡轨迹是从Ａ点到Ｂ点（θ由θ1到θ2）的时

EM=0 图3.19

图3.20

Zzd DzzdF Zzd1 Zzd ~ M N EN=0 间远远超过160ms。轨迹在这个时间内不能进入保护动作区。此时若是故障引起的保护启动，闭锁元件已经开放，保护可以动作。所以这个判据在系统振荡时候不会误动，在故障时候不会拒动。该判据只在启动瞬间开放160ms，之后就永久闭锁（保护整组复归时才复归），即使是在系统振荡时候再有故障也不开放，这就需要其他判据。

θ2 B ~ θ1 A 图3.21

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二、不对称故障开放元件

不对称故障时的开放判据：∣I0∣+∣I2∣＞m∣I1∣ （式3.6） 系统振荡时，I0、I2接近于零，该判据不满足。

不对称故障时，根据对称分量法作出复合序网图，可以得到短路点各序电流的关系： 单相接地短路：∣I0∣+∣I2∣=2∣I1∣

两相短路∣I2∣=∣I1∣ （式3.7） 两相接地短路∣I0∣+∣I2∣=∣I1∣

考虑到两端电网分支系数的影响，在式3.6中m取0.6，很好的满足式3.7。 三、对称故障开放判据 Uos=Ucosφ

在保护启动160ms后再发生三相对称短路，以上的判据都不能满足，所以需要新的判据，即采用振荡中心的电压Uos（图3.22）的大小作为判据。

EM

M

S

N

EN

无论系统是正常运行还是振荡，∣OM∣都是M点母线电压U，Ucosφ都反应了振荡中心点S的正序电压∣OS∣。三相短路一般都是弧

φ O 图3.22

光短路，弧光电阻压降小于0.05U。此时分析振荡中心在最不利的情况下，如何用延时来躲过振荡轨迹处于区内的问题。

该判据又分两部分：

（1）－0.03U＜Uos＜0.08U，延时150ms开放。

cosφ1=0.08 , φ1=85.5°系统角171° cosφ2=－0.03 , φ2=91.7°系统角183.5°

图3.23给出了此时振荡的轨迹图。从φ1到φ2变化了6.2°，整个振荡周期φ变化是180°以最大振荡周期3〞计算，振荡周期在这个区间内停留的时间是104ms，取延时150ms闭锁开放，即使该区域是保护动作区保护也能躲过振荡轨迹。

M

Φ2 D

S N

－0.1

－0.03

0.08

0.25

C 判据（1）

B A

φ1 判据（2）

图3.23

（2）－0.1U＜Uos＜0.25U，延时500ms开放

图3.24

该判据作为（1）判据的后备分析的道理和（1）完全一致。

以上的判据在Uos很小时候，就能很好的用延时来躲避可能是振荡原因引起的低压。从而保证保护不会误动。

如何更好的理解（1）、（2）两个判据的关系，如图3.24振荡轨迹是由A到B到C到D的单向运动，进入A点即（2）判据开始工作，接着进入B点，（1）判据也开始 ，如果是故障进入B点后150ms后（1）判据动作，如果是振荡或者故障条件不满足（1）的判据，轨迹继续进入C点，如果是故障，在进入A点开始后的500ms时（2）判据动作。如果是振荡，则进入D点继续运行。

以上的分析都是基于线路阻抗角为90°状态下。在南瑞技术书上提到如果线路阻抗角不为90°时，φ角需要补偿，这里解释一下补偿的原因。

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三相短路时，M点测得的电压实际上是一个呈感抗性质的线路压降与一个纯电阻性质的弧光电阻压降，一次系统图如图3.25

图3.25

U U2 U R Rg U2

U1 M φ O U2 θ U3 图3.26

δ B C A θ

可见，U1与U2相加就是母线电压U，结合图2.26，如果R不是纯电感性质，则U1与U2之间的角度不再是90°而是线路的阻抗角δ，因此Ucosφ也不再是弧光电阻U2，作一个矢量U3，让U3⊥U2，则θ =90°－ δ ，Ucos(φ+θ)=U3 , U3﹤U2，U3是振荡中心的电压，U2是弧光电压，当然用U3来代替U2把Ucosφ的范围缩小了，判据仍然有效，不会造成振荡时保护误动。θ就是补偿角。在运行中，U和φ是保护采集量，δ是整定值，所以U3的大小能够计算出来，说明这个判据也是实用的。

另外从图3.26可以分析出，当线路阻抗角为90°时，A、B、C三点合一，即δ=90°，则θ=0°，不需要补偿，这和前面讲的公式是一致的。

四、非全相时的振荡判据

分相操作电网系统中，还要考虑非全相运行的情况。由于是非全相运行，选相元件会一直选中断开相，此时系统振荡不会误动，若此时健全相再故障，选相元件就会选中故障相，因此可以用选相元件在不在断开相来开放闭锁元件。

另外，也可以采用测量健全相电流的工频变化量来判断是否开放非全相的振荡闭锁。

第六节 高频零序方向元件（0++）

零序方向元件由零序功率P0决定，P0=3 U0*3 I0*ZD。ZD是一个幅值为1，相角为78°的补偿阻抗。

在正方向A相金属性接地故障时的电气量如图3.27，三相合成的零序电压和零序电流如图3.28，φ角为线路阻抗角，一般为78°，I0在补偿了78°之后P0的矢量图如图3.29。

Ub Ib Uc Ic 3U0 Uc 3U0 180° 3I0*ZD φ Ua Ia 图3.28

φ 3I0 图3.29

图3.27

图3.29正好反映了在正方向故障时零序电流由线路流向母线，计算公式：

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P0=3 U0*3 I0*ZD=9∣U0* I0∣cos180°=－9∣U0* I0∣﹤0

那么在保护的反方向故障时，3 U0、3 I0和补偿后的3 I0矢量图如图3.30。

P0==9∣U0* I0∣cos0°=9∣U0* I0∣＞0

3I0 由次可得，当P0＞0时，反方向元件F0－动作，当P0﹤0时，正方向元件F0+动作，为了增加正方向

3U0 3I0*ZD 元件动作的可靠性，将这个结论稍微改成当P0﹤－1时，正方向元件F0+动作。

图3.30

线路阻抗角一般为78°，所以设计补偿角也为78°，目的是让P0取得最大值，拥有更高的可靠性。如果没有这个阻抗，线路出口经过渡电容或者过渡电感接地时，零序电压和零序电流之间的夹角就有可能接近90°或270°，此时P0=0，处于动作的临界点，保护就有可能误动或拒动。

在RCS系列保护中，零序保护正方向元件由零序比较过流元件和F0+与门输出，反方向元件由零序启动元件和F0－与门输出，零序比较过流元件定值比零序启动元件大，所以反方向元件更加灵敏，这样提高了装置的可靠性。

第七节 主变保护的比率差动

南瑞系列变压器保护的比率差动保护动作方程如下 Id﹥Icdqd

Id﹤K*Ir

同时满足上式两个条件保护动作，Id：差动电流，Icdqd：差动启动电流，Ir：制动电流，K比率系数。

设计比率差动主要有两方面原因

1、正常运行时，主变各侧CT的参数特性不一致，CT的励磁电流不同，保护平衡系数整定的误差，使得差动回路中有不平衡电流通过，不平衡电流有可能超过差动电流的启动电流。

2、在差动保护外部短路时（图3.31），CT一次侧短路电流含有大量随指数衰减的非周

期分量，它衰减速度远小于周期分量，所以很难转变H M I2 I1 到CT二次侧，而主要作为CT的励磁电流，使CT铁芯更加饱和，二次电流误差更大，这种电流又称暂态穿越性电流。

以上两种情况都能使不平衡电流增大，尤其是后

者，在大电流故障时极有可能使差动保护误动。

I3 L 因此引入了制动电流来克服这些缺点。

制动电流的采用对象各个保护是不一样的，有选

择各侧电流矢量差的，有选用各侧电流最大值的，南

图3.31

瑞变压器系列保护用后者，Id=∣I1+I2+I3∣，

Ir=max｛∣I1∣、∣I2∣、∣I3∣｝，一般故障电流为最大，所以可以把Ir理解为故障电流，

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