如何选择合适的距离继电器？

本装置设有三阶段式相间和接地距离继电器；用于短输电线路时，为了进一步扩大测量过渡电阻的能力，还可将Ⅰ、Ⅱ段阻抗特性向第Ⅰ象限偏移；接地距离继电器设有零序电抗特性，可防止接地故障时继电器超越。

继电器由正序电压极化，可确保有较大的测量故障过渡电阻的能力，其原因分析如下：正序极化电压较高时，正序电压极化的距离继电器有很好的方向性；当正序电压下降至10%以下时，进入三相低压程序，由正序电压记忆量极化，Ⅰ、Ⅱ段距离继电器在动作前设置正的门槛，保证母线三相故障时继电器不可能失去方向性；继电器动作后则改为反门槛，保证正方向三相故障继电器动作后一直保持到故障切除。Ⅲ段距离继电器始终采用反门槛，因而三相短路Ⅲ段稳态特性包含原点，不存在电压死区。

当用于长距离重负荷线路，常规距离继电器整定困难时，可引入负荷限制继电器，负荷限制继电器和距离继电器的交集为动作区，这有效地防止了重负荷时测量阻抗进入距离继电器而引起的误动。

（1）低压距离继电器

当正序电压小于10%Un时，进入低压距离程序，此时只可能有三相短路和系统振荡2种情况；系统振荡由振荡闭锁回路区分，这里只需考虑三相短路。三相短路时，因3个相阻抗和3个相间阻抗性能一样，所以仅测量相阻抗。

一般情况下各相阻抗一样，为保证母线故障转换至线路构成三相故障时仍能快速切除故障，应对三相阻抗均进行计算，任一相动作跳闸时选为三相故障。

低压距离继电器比较工作电压和极化电压的相位：

工作电压：

极化电压：

式中　Φ=A，B，C；

UOPΦ——工作电压；

UPΦ——极化电压；

ZZD——整定阻抗；

U1ΦM——记忆故障前正序电压。

正方向故障时，故障系统图如图5.10所示。

图5.10　正方向故障系统图

在记忆作用消失前

因此

继电器的比相方程为：

则

设故障线母线电压与系统电势同相位δ=0，其暂态动作特性如图5.11所示。

测量阻抗ZK在阻抗复数平面上的动作特性是以ZZD至-ZS连线为直径的圆，动作特性包含原点表明正向出口经或不经过渡电阻故障时都能正确动作，并不表示反方向故障时会误动作；反方向故障时的动作特性必须以反方向故障为前提导出。当δ不为零时，将是以ZZD至-ZS连线为弦的圆，动作特性向第Ⅰ或第Ⅱ象限偏移。

反方向故障时，故障系统图如图5.12所示。

图5.11　正方向故障时动作特性

图5.12　反方向故障的计算用图

在记忆作用消失前

因此

继电器的比相方程同式（5.18），则

图5.13　反方向故障时的动作特性

图5.14　三相短路稳态特性

测量阻抗-ZK在阻抗复数平面上的动作特性是以ZZD与Z′S连线为直径的圆，如图5.13所示，当-ZK在圆内动作时继电器有明确的方向性，不可能误判方向。以上的结论是在记忆电压消失以前，即继电器的暂态特性，当记忆电压消失后，

正方向故障时：

反方向故障时：

正方向故障时，测量阻抗ZK在阻抗复数平面上的动作特性如图5.14所示，反方向故障时，-ZK动作特性也如图5.14所示。由于动作特性经过原点，母线和出口故障时，继电器处于动作边界。为了保证母线故障，特别是经弧光电阻三相故障时不会误动作，对Ⅰ、Ⅱ段距离继电器设置了门槛电压，其幅值取最大弧光压降。同时，当Ⅰ、Ⅱ距离继电器暂态动作后，将继电器的门槛倒置，相当于将特性圆包含原点，以保证继电器动作后能保持到故障切除。为了保证Ⅲ段距离继电器的后备性能，Ⅲ段距离元件的门槛电压总是倒置的，其特性包含原点。

（2）接地距离继电器

①Ⅲ段接地距离继电器。

工作电压：

极化电压：

UPΦ采用当前正序电压，非记忆量，这是因为接地故障时，正序电压主要由非故障相形成，基本保留了故障前的正序电压相位，因此，Ⅲ段接地距离继电器的特性与低压时的暂态特性完全一致，如图5.11、图5.13所示，继电器有很好的方向性。

②Ⅰ、Ⅱ段接地距离继电器。

a.由正序电压极化的方向阻抗继电器：

工作电压：同式（5.26）。

极化电压：

Ⅰ、Ⅱ段极化电压引入移相角θ1，其作用是在短线路应用时，将方向阻抗特性向第Ⅰ象限偏移，以扩大允许故障过渡电阻的能力。其正方向故障时的特性如图5.15所示。θ1取值为0°、15°、30°。

由图5.15可见，该继电器可测量很大的故障过渡电阻，但在对侧电源助增下可能超越，因而引入了第二部分零序电抗继电器以防止超越。

图5.15　正方向故障时继电器特性

b.零序电抗继电器

工作电压同式（5.26）。

极化电压：

式中　ZD——模拟阻抗。

比相方程：

正方向故障时：

则

式（5.32）为典型的零序电抗特性，如图5.15中直线A。(www.xing528.com)

当I0与IΦ同相位时，直线A平行于R轴，不同相时，直线的倾角恰好等于I0相对于IΦ+K×3I0的相角差。假定I0与过渡电阻上压降同相位，则直线A与过渡电阻上压降所呈现的阻抗相平行，因此，零序电抗特性对过渡电阻有自适应的特征。

实际的零序电抗特性由于ZD为78°而要下倾12°，所以当实际系统中由于二侧零序阻抗角不一致而使I0与过渡电阻上压降有相位差时，继电器仍不会超越。由带偏移角θ1的方向阻抗继电器和零序电抗继电器两部分结合，同时动作时，Ⅰ、Ⅱ段距离继电器动作，该距离继电器有很好的方向性，能测量很大的故障过渡电阻且不会超越。

（3）相间距离继电器

①Ⅲ段相间距离继电器。

工作电压：

极化电压：

继电器的极化电压采用正序电压，不带记忆。因相间故障其正序电压基本保留了故障前电压的相位；故障相的动作特性如图5.11、图5.13所示，继电器有很好的方向性。

三相短路时，由于极化电压无记忆作用，其动作特性为一过原点的圆，如图5.14所示。由于正序电压较低时，由低压距离继电器测量，因此，这里既不存在死区也不存在母线故障失去方向性问题。

②Ⅰ、Ⅱ段距离继电器。

a.由正序电压极化的方向阻抗继电器：

工作电压：同式（5.34）。

极化电压：

上式极化电压与接地距离Ⅰ、Ⅱ段一样，较Ⅲ段增加了一个偏移角θ2，其作用也同样是为了在短线路使用时增加允许过渡电阻的能力。θ2的整定可按0°、15°、30°选择。

b.电抗继电器：

工作电压：同式（5.34）。

极化电压：

式中　ZD——模拟阻抗。

正方向故障时：

比相方程为：

当ZD阻抗角为90°时，该继电器为与R轴平行的电抗继电器特性，实际的ZD阻抗角为78°，因此，该电抗特性下倾12°，使送电端的保护受对侧助增而过渡电阻呈容性时不致超越。

以上方向阻抗与电抗继电器两部分结合，增强了在短线上使用时允许过渡电阻的能力。

图5.16　负荷限制继电器特性

（4）负荷限制继电器

为保证距离继电器躲开负荷测量阻抗，本装置设置了接地、相间负荷限制继电器，其特性如图5.16所示。继电器两边的斜率与正序灵敏角Φ一致，RZD为负荷限制电阻定值，直线A和直线B之间为动作区。当用于短线路不需要负荷限制继电器时，用户可将控制字“投负荷限制距离”置“0”。

（5）振荡闭锁

装置的振荡闭锁分为4个部分，任意一个动作开放保护。

①启动开放元件。启动元件开放瞬间，若按躲过最大负荷整定的正序过流元件不动作或动作时间尚不到10 ms，则将振荡闭锁开放160 ms。

该元件在正常运行突然发生故障时立即开放160 ms，当系统振荡时，正序过流元件动作，其后再有故障时，该元件已被闭锁，另外当区外故障或操作后160 ms再有故障时也被闭锁。

②不对称故障开放元件。不对称故障时，振荡闭锁回路还可由对称分量元件开放，该元件的动作判据为：

以上判据成立的依据如下所述。

①系统振荡或振荡又区外故障时不开放。系统振荡时，I0、I2接近于零，上式不开放是容易实现的。

振荡同时区外故障时，相间和接地阻抗继电器都会动作，上式也不应开放，这种情况考虑的前提是系统振荡中心位于装置的保护范围内。

对短线路，必须在系统角180°时继电器才可能动作，这时线路附近电压很低，短路时的故障分量很小，因此，容易取m值以满足式（5.41）不开放。

对长线路，区外故障时，故障点故障前电压较高，有较大的故障分量。在此情况，上式的不利条件是长线路在电源附近故障时，不过这时线路上零序电流分配系数较低，短路电流小于振荡电流，仍很容易以最不利的系统方式验算m的取值。

本装置中m的取值是根据最不利的系统条件下，振荡又区外故障时振荡闭锁不开放为条件验算，并留有相当裕度。

②区内不对称故障时振闭开放。当系统正常发生区内不对称相间或接地故障时，将有较大的零序或负序分量，上式成立，振荡闭锁开放。

当系统振荡伴随区内故障时，如果短路时刻发生在系统电势角未摆开时，振荡闭锁将立即开放。如果短路时刻发生在系统电势角摆开状态，则振荡闭锁将在系统角逐步减小时开放，也可能由一侧瞬时开放，跳闸后另一侧相继速跳。

采用对称分量元件开放振荡闭锁，保证了在任何情况下，甚至系统已经发生振荡的情况下，发生区内故障时瞬时开放振荡闭锁以切除故障，振荡或振荡同时区外故障时则可靠闭锁保护。

A.对称故障开放元件。在启动元件开放160 ms以后或系统振荡过程中，如发生三相故障，则上述两项开放措施均不能开放振荡闭锁，本装置中另设置了专门的振荡判别元件，即测量振荡中心电压：

式中　U——正序电压；

Φ——正序电压和电流之间的夹角。

如图5.17所示，假定系统联系阻抗的阻抗角为90°，则电流向量垂直于EM、EN连线，与振荡中心电压同相。在系统正常运行或系统振荡时，U cosΦ恰好反映振荡中心的正序电压；在三相短路时，U cosΦ为弧光电阻上的压降，三相短路时过渡电阻是弧光电阻，弧光电阻上压降小于5%UN。

图5.17　系统电压向量图

图5.18　短路电流电压向量图

而实际系统线路阻抗角不为90°，因而需进行角度补偿，如图5.18所示。

OD为测量电压，U cosΦ=OB，因而OB反映当线路阻抗角为90°时弧光电阻压降，实际的弧光压降为OA，与线路压降AD相加得到测量电压U。

本装置引入补偿角θ=90°-ΦL，由Φ1=Φ+θ，上式变为UOS=U cosΦ1，三相短路时，UOS=OC≤OA，可见U cosΦ1可反映弧光压降。

本装置采用的动作判据分为两部分。

a.-0.03UN＜UOS＜0.08UN，延时150 ms开放。实际系统中，三相短路时故障电阻仅为弧光电阻，弧光电阻上压降的幅值不大于5%UN。为了保证振荡时不误开放，其延时应保证躲过振荡中心电压在该范围内的最长时间，而振荡中心电压为0.08UN时，系统角为171°，振荡中心电压为-0.03UN时，系统角为183.5°，按最大振荡周期3"计，振荡中心在该区间停留时间为104 ms，装置中取延时150 ms已有足够的裕度。

b.-0.1UN＜UOS＜0.25UN，延时500 ms开放。该判据作为第一部分的后备，以保证任何三相故障情况下保护不可能拒动。振荡中心电压为0.25UN时，系统角为151°，振荡中心电压为-0.1UN时，系统角为191.5°，按最大振荡周期3″计，振荡中心在该区间停留时间为337 ms，装置中取500 ms已有足够的裕度。

B.非全相运行时的振荡闭锁判据。非全相振荡时，距离继电器可能动作，但选相区为跳开相。非全相再单相故障时，距离继电器动作的同时选相区进入故障相，因此，可以以选相区不在跳开相作为开放条件。

另外，非全相运行时，测量非故障二相电流之差的工频变化量，当该电流突然增大达到一定幅值时开放非全相运行振荡闭锁。因而非全相运行发生相间故障时能快速开放。

以上两种情况均不能开放时，由对称故障开放元件部分作为后备。