4.5

阻抗元件4.5

阻抗元件

阻抗元件(繼電器)是距離保護的核心元件，它的作用是用來測量保護安裝處到故障點的阻抗(距離)，并與整定值進行比較，以確定是保護區(qū)內部故障還是保護區(qū)外故障。

根據阻抗繼電器的輸入量不同，可以分為單相式阻抗繼電器和多相補償式阻抗繼電器兩種。本節(jié)僅介紹單相式阻抗繼電器。根據阻抗繼電器的動作特性的形狀不同，又可以分為圓特性阻抗繼電器和多邊形特性阻抗繼電器兩類，本節(jié)將分別介紹。阻抗元件4.5.1

測量阻抗

單相式阻抗繼電器，是指只輸入單一的二次電壓(相電壓或相間電壓)、單一的二次電流(相電流或相電流差)的阻抗繼電器。

距離保護P安裝于MN線路左側，TV、TA為電壓、電流互感器，

、

為一次電壓、電流。

、

輸入阻抗繼電器（元件）KI的二次電壓、電流。單相式阻抗繼電器接線原理簡圖4.5.1

測量阻抗

阻抗繼電器中，

與

的比值稱為阻抗繼電器的測量阻抗ZK，為測量阻抗二次值即式中m、

m——測量電壓、電流一次值；

nTV——電壓互感器變比，對于110kV線路,變比為1100；

nTA——電壓互感器變比，如600A/5A=120；

——測量阻抗一次值。

在線路正方向故障時（如圖中的K1點），測量阻抗角為線路阻抗角φ，測量阻抗在第Ⅰ象限；在反方向故障（如圖中的K2

點），流過反方向電流，測量阻抗角為φ+180°，測量阻抗在第Ⅲ象限。4.5.1

測量阻抗4.5.1

測量阻抗

測量阻抗為復數(shù)，其幅值與其阻抗角都將隨故障點位置或故障性質變化，故阻抗元件（繼電器）動作判據無法延用電流保護只比較幅值的思路。

因此，在阻抗復平面上，阻抗繼電器的動作特性一定表示為一個區(qū)域，而不會僅是一條固定角度的線段。阻抗繼電器的動作區(qū)域主要分別為圓形區(qū)域及多邊形區(qū)域兩類。4.5.2

傳統(tǒng)圓特性阻抗繼電器特性

在傳統(tǒng)的模擬式距離保護中，多采用圓特性阻抗繼電器作為測量元件，傳統(tǒng)的阻抗繼電器可以分為幅值比較式和相位比較式兩種，電路結構不同，但本質原理相同。

這里主要介紹三種傳統(tǒng)圓特性阻抗繼電器，分別是全阻抗繼電器、偏移特性阻抗繼電器和方向阻抗繼電器。圓特性阻抗繼電器4.5.2

傳統(tǒng)圓特性阻抗繼電器特性（1）全阻抗繼電器

其動作特性如圖a所示，它是一個以坐標原點O為圓心，以整定阻抗

大小為半徑的圓，圓內為動作區(qū)。全阻抗繼電器4.5.2

傳統(tǒng)圓特性阻抗繼電器特性繼電器的比幅式阻抗動作方程為繼電器的比相阻抗動作方程為

由于繼電器的動作區(qū)包括四個象限，因此該繼電器的動作是無方向性的，同時當ZK=0(即

=0，相當于保護安裝處出口短路)時，繼電器仍然能夠動作，因此無電壓動作死區(qū)。此類繼電器一般用作無需判斷方向的啟動元件等。4.5.2

傳統(tǒng)圓特性阻抗繼電器特性（2）偏移特性阻抗繼電器

其動作特性如圖b所示，它以整定阻抗Zset1+Zset2（阻抗角相位差180°)的中點為圓心，以Zset1-Zset2大小的一半為半徑的圓，其中圓內為動作區(qū)，相當于全阻抗繼電器特性向第一象限偏移。偏移特性阻抗繼電器4.5.2

傳統(tǒng)圓特性阻抗繼電器特性繼電器的比幅阻抗動作方程為繼電器的比相阻抗動作方程為

繼電器的動作區(qū)包含坐標原點，因此無電壓動作死區(qū)。一般在已判別出故障屬于正向故障時，才采用此類繼電器。4.5.2

傳統(tǒng)圓特性阻抗繼電器特性（3）方向阻抗繼電器

圓特性方向阻抗繼電器如圖c所示，是以整定阻抗為直徑的圓。它的圓心對應整定阻抗的中點。其中圓內為動作區(qū)，圓特性方向阻抗繼電器4.5.2

傳統(tǒng)圓特性阻抗繼電器特性繼電器的比幅動作方程為繼電器的比相動作方程為

方向阻抗繼電器的動作區(qū)主要包括第一象限，但不包括第三象限。因此該繼電器有方向性，即正方向故障才有可能動作，而反方向故障時不會動作。但由圖可見，坐標原點O位于該繼電器動作邊界上，相對于前述兩種阻抗元件，方向阻抗繼電器需要考慮電壓死區(qū)問題。4.5.2

傳統(tǒng)圓特性阻抗繼電器特性

如圖所示為其他幾種圓特性阻抗繼電器。蘋果型與橄欖型方向阻抗繼電器是圓特性方向阻抗繼電器的變形，當兩個相交的圓特性方向阻抗繼電器動作區(qū)取并集(邏輯“或”)時為蘋果型方向阻抗繼電器(圖a)，當取交集(邏輯“與”)時為橄欖型方向阻抗繼電器(圖b)

蘋果型方向阻抗繼電器一般用在傳統(tǒng)的發(fā)電機失磁保護中，橄欖型方向阻抗繼電器一般用在失步解列裝置中。下拋圓特性阻抗繼電器(圖c)用于發(fā)電機失磁保護中的測量元件。4.5.3

傳統(tǒng)直線特性阻抗繼電器特性

我們可以將直線特性看成一種特殊的圓特性，如對于方向阻抗繼電器，無限擴大其Zset值，其邊界將變成過圓點的一條直線。本節(jié)介紹兩種直線特性。四邊形阻抗繼電器直線特性阻抗繼電器4.5.3

傳統(tǒng)直線特性阻抗繼電器特性（1）單一直線特性

圖中直線陰影側為動作區(qū)。則該繼電器的阻抗形式比相動作方程為

該類繼電器一般與其他阻抗特性配合使用，變化

的阻抗角與長度，可得到不同的直線特性。如

的阻抗角變?yōu)?0度，則動作區(qū)直接將與R軸平行，此時繼電器稱為電抗繼電器。4.5.3

傳統(tǒng)直線特性阻抗繼電器特性（2）四邊形特性

如圖所示的四邊形阻抗繼電器，由折線AOC、線段AB、線段BC圍成一個內部區(qū)域。四邊形阻抗繼電器4.5.3

傳統(tǒng)直線特性阻抗繼電器特性對應的阻抗形式動作方程為折線AOC：-α4≤

argZK

≤90°+α1

線段AB：180°-α2

≤

arg(ZK-Zset)

≤360°-α2

線段BC：α3≤

arg(ZK-Rset)

≤180°+α3 式中——OA線偏移角度，一般取15°~30°；

——AB線（也稱電抗線）偏移角度，一般取7°~15°；

——BC線（也稱電阻線）偏移角度，一般取60°；

——OC線偏移角度，一般取30°。將上面三式進行邏輯“與”，就是四邊形阻抗繼電器的動作方程。4.5.4

傳統(tǒng)方向阻抗繼電器的實現(xiàn)

以圓特性方向阻抗元件為例進行說明。將式

兩邊同乘以

，可得方向阻抗繼電器的動作方程變化為即可構成幅值比較型方向阻抗繼電器，其中

稱為動作電壓，

稱為制動電壓。當動作電壓大于制動電壓時，繼電器動作。4.5.4

傳統(tǒng)方向阻抗繼電器的實現(xiàn)同理，式

可變化為

即可構成相位比較型方向阻抗繼電器，該繼電器比較兩個電壓相量

與

的相位關系是否滿足上述條件。

其中分子稱為工作電壓或補償電壓，它是一種差電壓，與整定阻抗與測量阻抗的差值成正比；

分母稱為極化電壓，代表了母線電壓，它與測量阻抗成正比。4.5.4

傳統(tǒng)方向阻抗繼電器的實現(xiàn)

同理根據其他以阻抗形式表達的動作方程，也可以構成相應的幅值比較式或相位比較阻抗繼電器。

值得指出，上述兩種比較方法，任選用其中一種即可。以電壓比較形式表示的動作特性，與以阻抗比較形式表示的動作特性，其核心理念是統(tǒng)一的，因此動作特性圓的形狀是一致的。4.5.5

阻抗繼電器的精確工作電流

以上分析傳統(tǒng)阻抗繼電器的動作特性時，都是從理想的條件出發(fā)，即認為比幅元件(或比相元件)的靈敏度很高，或者認為只要電壓電流的比值滿足要求繼電器就會動作。

舉例來說，全阻抗繼電器的整定阻抗為1.1Ω，在電壓為1V，電流為1A時，繼電器可以動作；但是在電壓為0.1V，電流為0.1A時，繼電器就可能不會動作。是什么原因造成的呢？想一想4.5.5

阻抗繼電器的精確工作電流

將式

變?yōu)槿缦滦问剑?/p>

式

表明只要差值大于0，繼電器就應該動作。

因此式

就變?yōu)?.5.5

阻抗繼電器的精確工作電流從式

可見，當電流很小時，繼電器是無法動作的。為了考核阻抗繼電器的性能，引入了精確工作電流的概念。

精確工作電流指的是當(阻抗繼電器電壓與電流夾角為最靈敏角)，且動作阻抗Zact=0.9Zset時，使得繼電器剛好動作的電流。其中的最小值稱為最小精確工作電流Iac.min；最大值稱為最大精確工作電流Iac.max，最大精確工作電流取決于保護使用的變換器抗飽和能力。4.5.5

阻抗繼電器的精確工作電流

測量阻抗繼電器的精確工作電流方法是給繼電器加不同的電流，測出使得繼電器剛好動作的電壓(電壓與電流夾角為最靈敏角)，電壓與電流的比值就是動作阻抗Zact。做出曲線Zact=f(IK)，并取與直線Zact=0.9Zset的交點，對應的電流值就是精確工作電流(如下圖)。阻抗繼電器動作阻抗與測量電流的關系4.5.6

方向阻抗繼電器的死區(qū)問題

對于傳統(tǒng)方向阻抗繼電器而言，消除方向阻抗繼電器死區(qū)的方法一般有兩種：1）靠記憶故障前電壓；2）引入第三相電壓。傳統(tǒng)方向阻抗繼電器的電壓輸入回路圖中UV1、UV2為電壓變換器，A、B、C、N為電壓輸入端，

為AB相為線電壓，

為C相電壓。C相電壓右接RLC串聯(lián)諧振電路。4.5.6

方向阻抗繼電器的死區(qū)問題

如不接入C相電壓，只將AB相電壓代入，則由式

可得動作方程為顯然當

為零時，動作條件不滿足。如接入第三相電壓即C相電壓，該電壓在RLC串聯(lián)諧振電路中形成的電流與

同相，在電感上取壓并經電壓變換器UV2變換后形成兩路插入電壓

，不難推導，

的相位將與故障前的AB線電壓保持一致！4.5.6

方向阻抗繼電器的死區(qū)問題得到

后，其一與

（通過抽頭調整UV1次級電壓，用于調整定值，此處可假設等于

）反極性相接，形成

電壓。其二與

相連，形成

電壓（圖中未畫出）。則式

變?yōu)?.5.6

方向阻抗繼電器的死區(qū)問題（1）出口兩相短路

由式可見，引入第三相電壓后，在AB相出口短路時，非故障相C電壓不為0，并且其相位也不會隨故障位置的變化而變化。

代替了

，使動作條件滿足。（2）出口三相短路

出口三相對稱性短路時，三相電壓都降為0，C相電壓降為0，此時，相當于圖中CN被短接，此時，通過RLC串聯(lián)諧振電路中L元件的續(xù)流作用，對故障前電壓的相位加以“記憶”，保證

在短時間內不消失，滿足動作條件。4.5.6

方向阻抗繼電器的死區(qū)問題以上分析是傳統(tǒng)方向阻抗繼電器消除死區(qū)的方法。無論采用哪種形式構成方向阻抗繼電器，需要解決的問題，首先是能夠正確測量保護安裝處到故障點的距離，然后應當保證沒有正方向出口死區(qū)，并且在反方向故障時可靠不動作。4.5.7

阻抗繼電器的接線方式

阻抗繼電器的接線方式是指接入阻抗繼電器的電壓與電流的相別組合方式。因為阻抗繼電器用于測量保護安裝處到故障點的阻抗(距離)，因此應當滿足如下要求：①測量阻抗與保護安裝處到故障點的距離成正比，而與系統(tǒng)的運行方式無關；②測量阻抗應與短路類型無關，即同一故障點不同類型的短路故障時的測量阻抗應當一樣。4.5.7

阻抗繼電器的接線方式（1）測量阻抗分析結合圖進行分析，K點短路時，母線M電壓可以表示為以A相接地故障為例說明，考慮到z1=z2，有

，

，則4.5.7

阻抗繼電器的接線方式其中

稱為零序補償系數(shù)

可知測量阻抗與保護安裝處到故障點的距離成正比。同理可以得出，在兩相接地故障時，故障相阻抗繼電器的測量阻抗為短路阻抗也為

。

因此，對應于接地故障應采用此類電壓、電流的選擇方式（接線方式）。4.5.7

阻抗繼電器的接線方式

以BC兩相相間短路為例說明相間故障時的情況，邊界條件為

，

。則

可知實現(xiàn)測量阻抗與保護安裝處到故障點的距離成正比。在三相短路故障時，AB、BC、CA三個相間阻抗繼電器的測量阻抗為短路阻抗

。

需要指出的是，只有故障相(相間)的測