正序极化的阻抗继电器

比较工作电压相位法实现的故障距离测量（Fault

Distance Measurement by Phase Comparison of the Compensated Operating Voltage）

上面两小节讨论了直接根据绝对值比较方程和相位比较方程实现阻抗继电器的方法，本小节将讨论通过比较工作电压相位的原理实现故障区段测量和判断的方法。

1．比较工作电压相位法的基本原理

在距离保护中，工作电压又称为补偿电压，通常用U op或U com表示，定义为保护安装处测量电压U m与测量电流I m的线性组合，即：

U I ZUopmmset （3-72）

式中

Zs

et

——整定阻抗，它对应图3-20(a)中从母线M

到整定点z点一段线路的阻抗。

按照图3-20(a)所示的参考方向，在系统正常运行时，式（3-72）中的补偿电压U op就是线路上z点的运

行电压，它在量值上接近额定电压，相位上基本与Um

同相位。

（b）

Um

Uop

（c）

Um

（d）

Uop

图3-20 补偿电压法原理示意图

(a) 网络接线； (b) 区外（k2点）短路时电压分布；

(c) 反向（k3点）短路时电压分布；(d) 正向（k1点）短路时电压分布

下面分别讨论k2、k3 和k1点发生金属性短路时，补偿电压的变化情况。

k2点短路时，

压，而Uop

I ZUmmk2为母线

M处的残余电

I m(Zk2 Zset)是

z点的残余电压，系统各点

电压沿线的分布如图3-20(b)所示。显然，U op与U m相位相同。

k3点短路时，

I Z I (Z Z)UU，mmk3，opmk3set

分别为N侧电源在M、z处的残余电压，电压分布情

UU况如图3-20(c)所示。这时，op也与m相位相同。

k1

点短路时，

I ZUmmk1

，

I (Z Z) I (Z Z)，这种情况下，系统Uopmk1setmsetk1

中没有任何一点的实际电压与U op相对应，但从保护安装处来看，Uop可以看作是U m与0之间联线的延长线

在z点的值，如图3-20(d )所示。此时，U op与Um相位

相反。

以Um作为参考相量，根据不同故障情况下Uop相

对U m相位的“差异”，就可以“区分”出故障的区段，

U即U op与U m反相位时判断为区内故障，op与Um同相位

时，判断为区外故障。

在实际的系统中，由于互感器误差、过渡电阻等

U因素的存在，区内故障时U与op之间相位也并不一m

定正好相反，区外故障时也并不一定正好相同。为保证区内故障时可靠动作，只要U m与U op之间相位差在180左右的一个范围内，测量元件就应该动作，而相位差在0o左右的一个范围内时，应可靠不动作。这样，测量元件动作的条件可以表示为：

180 1 arg

o

o

Uop Um

180 2

o

(3-73)

式中

1

、 ——为比相动作范围偏离180o的角度，两

2

者都取正值。

若取 1 2 90o，并将式(3-72)代入，则式(3-73)变为

I ZUmset

90 argm 270

U

o

m

o

(3-74)

分子分母同除以 I ，并整理、化简可以得到：

m

90 arg

o

Zset Zm

Zm

90

o

(3-75)

它与式（3-20）具有完全相同的形式，所以对应的特性也是方向圆阻抗特性，这表明，在 1 2 90

o

的情况下，式（3-73）可以实现与方向圆阻抗特性完全一致的特性，即用它也可以构成具有方向圆特性的阻抗继电器。

方向阻抗特性的优点是阻抗元件本身具有方向性，只在正向区内故障时动作，反方向短路时不会动作，即无须与方向元件配合，阻抗元件本身就能区分故障的方向。其主要缺点是动作特性经过座标原点，在正向出口或反向出口短路时，测量阻抗Zm的阻抗值都很小，都会落在座标原点附近，正好处于阻抗元件

临界动作的的边沿上，有可能出现正向出口短路时拒动或反向出口短路时误动的严重情况。对式（3-73）分析，也可以得出类似的结论，出口短路时，测量电

压U其相位可能因误差等因素而为m的幅值接近于0，

随机相位，所以测量元件可能处于随机动作状态。 在式（3-73）中，电压U m的作用就是作为判断U op相位的参考，所以又称为参考电压或极化电压。上述分

U析表明，直接用m作为比相的参考电压时，无法保证

出口短路时的选择性，因而也就不能应用于实际的继电保护装置中。为克服这一缺点，保证出口短路时正确动作，应选择相位不随故障位置变化、在出口短路时不为0的电压量作为比相的参考电压。通常情况下，

参考电压用U ref或Upol表示。

当参考电压为其它电压量时，动作的条件可以表示为：

1 arg

Uop Uref

2

(3-76)

在Uop的组成不变的情况下，选取不同的参考电

压Uβ2，就可以获得不同的ref和不同的动作边界β1、

动作特性。下面将对不同的特性加以讨论。

2． 以正序电压为参考电压的测量元件 在出口发生各种类型的短路时，故障相或相间的电压下降为0，所以由故障相或相间电压构成的测量电压U m也必然为0。但除三相对称性故障以外，在各种不对称故障时，非故障相的电压都不会为0，并且其相位也不会随故障位置的变化而变化。所以，如果引入非故障相的电压作为比较U 相位的参考电压，在

op

出口发生各种不对称性故障情况下，可望克服上述以

Um

为极化电压的测量元件存在的缺点。

由对称分量算法可以知道，正序电压是由三相电

压组合而成的，即在不对称短路时，正序电压中自然包括了非故障相的电压，用它来作为参考电压，就相当于在参考电压中引入了非故障相电压。下面就来分析一下用正序电压作为参考电压时，测量元件的动作特性。

如本章第一节所述，对于不同类型和相别的故障，应取故障环上的电压、电流作为继电器的测量电压U 和测量电流I 。同样，构成参考电压的正序电压，

m

m

也应该随着故障类型和相别的不同而不同，它的选取方式应该与测量电压的选取方式一致。例如，在接地距离接线方式下，A相测量元件中U m U A，则应选取

U

A1

作为参考电压，即U ref ； U而在相间距离接线方A1

式下，BC相测量元件中U

作为参考电压，即Uref

m

UBC，则应选取U

BC1

U UB1C1

UBC1。

（1） 不同故障情况下正序参考电压的分析 以最严重的出口短路为例，假设短路前后非故障相的电压不变。

1) A相单相接地短路

出口A相单相接地短路时，保护安装处的三相电压为：

0 UA

UB UB

U UC C

1 12 2 2 aUC ) UA1 (UA aUB aUC) (0 aUB

A

333

(3-77) 式中

UA

、U、UC──分别为故障前母线处的三相B

电压。

式(3-77)表明，出口单相接地故障时，故障相正序电压的相位与该相故障前电压的相位相同，幅值等于该相故障前电压的2。 3

2) AB相两相接地短路

出口AB相两相接地短路时，保护安装处的三相电压为：

0 UA

UB 0 U UCC

(3-79)

1(U aU a2U ) 1(0 0 a2U ) 1 UA1ABCCA

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