电网的距离保护设计

本科毕业设计（论文）

电网的距离保护设计

学 院

专 业 电气工程及其自动化

摘 要

电力系统的快速发展对继电保护不断提出新的要求，特别是在高压且复杂的电网

中，各种保护都具有其重要性。距离保护作为一种性能较完善的保护装置，它可以应用

在任何结构复杂、运行方式多变的电力系统中，能有选择行的、较快的切除相间故障。

根据继电保护装置在电力系统中的应用，本设计详细介绍了220kv高压电网中距离保护

的整定配置。

首先，本文将概述本课题将要研究的电网，并利用PSASP电力系统综合分析程序

绘制电网图和计算出参数，以及作整定计算的准备工作。

其次，本文将简要叙述潮流分布计算的结果以及短路电流的举例计算，为距离保护

的整定计算作好准备。本文将详细阐述距离保护的原理、配置的基本原则以及计算原则，

并对本课题研究的电网中各线路进行整定计算分析。

最后，本文将详细阐述距离保护的原理、配置的基本原则以及计算原则，并对本课

题研究的电网中各线路进行整定计算分析。

关键词:

潮流分布，短路电流计算，距离保护，整定计算

Abstract

Power system for the rapid development of protection have made new demands,

particularly in the high-pressure and complex network, protection with its own importance.

Distance protection as a better performance of the protection device, it can be applied to any

complex structure, changing mode of operation of the electricity system, will be able to

choo the time, with a faster pha to pha fault. Under the protection device in the power

system,the application The detailed design of a 220 kv high voltage power network protection

from the configuration tting.

First of all, the paper will outline the topics to be studied will be the power grid, PSASP

and u power system analysis procedures mapping grid map and calculate parameters, and

the tting for the preparatory work.

Secondly, the paper will elaborate on the principle of the protection of distance, the

distribution of basic principles and calculating principle, as well as the study of the subject

line of the Power Grid for tting analysis.

Finally, the paper briefly describes the trend of distributed computing, and the results of

short-circuit current examples, distance protection for the tting ready.

Key word:

short-circuit current calculation, the trend of distributed computing

calculationDistance , protection,tting

目 录

1 绪 论 ................................................................................................................................ 1

1.1 本课题研究背景及意义 .............................................................................................. 1

1.2 距离保护的研究现状 .................................................................................................. 1

1.3 论文的主要工作 .......................................................................................................... 2

2 电网距离保护整定计算的准备工作 ................................................................................. 3

2.1 本课题研究的电网概述 .............................................................................................. 3

2.2 整定计算的工作步骤 .................................................................................................. 4

2.3 电网的原始数据 .......................................................................................................... 4

2.3.1 220kv的电网图 .................................................................................................. 4

2.3.2 系统各元件的参数 ............................................................................................ 6

3 电网潮流分布和短路电流计算 ......................................................................................... 7

3.1 系统潮流分布计算 ...................................................................................................... 8

3.1.1 变压器中性点接地的选择 ................................................................................ 8

3.1.2 潮流分布结果 .................................................................................................... 8

3.2短路电流计算 ............................................................................................................... 8

3.2.1 短路计算的假设条件 ........................................................................................ 8

3.2.2 运行方式的确定原则 ........................................................................................ 9

3.2.3 系统的运行方式 ................................................................................................ 9

3.2.4 短路电流计算举例 .......................................................................................... 10

4 电网距离保护的整定计算 ................................................................................................ 16

4.1 距离保护的概述 ........................................................................................................ 16

4.1.1 距离保护的概念 .............................................................................................. 16

4.1.2 距离保护的应用 .............................................................................................. 17

4.2 距离保护的原理 ........................................................................................................ 17

4.2.1 距离保护的作用原理 ...................................................................................... 17

4.2.2 距离保护时限特性 .......................................................................................... 19

4.2.3 距离保护的接线方式 ...................................................................................... 21

4.2.4 距离保护定值配合的基本原则 ...................................................................... 26

1

4.3 距离保护的整定计算 ................................................................................................ 27

4.3.1 距离保护的整定计算原则 .............................................................................. 27

4.2.2 分支系数的产生分析及计算 .......................................................................... 31

4.3.3 相间距离整定计算 .......................................................................................... 32

4.4 距离保护的评价与分析 ............................................................................................ 46

结 论 .................................................................................................................................... 47

致 谢 ........................................................................................................ 错误!未定义书签。

参考文献 .................................................................................................................................. 48

2

1 绪 论

1.1 本课题研究背景及意义

在电力系统中，合理的电网结构是保证系统安全稳定运行的物质基础，而性

能良好的、配置合理的継电保护和安全自动装置，则是保证系统安全稳定运行最

为重要的技术措施。电力系统中的某个设备发生故障时，由継电保护装置自动迅

速有选择性地将故障设备从电力系统中切除，以保证系统中无故障部分继续运

行。电力系统中某个设备出现不正常运行情况时，由継电保护装置自动地发出信

号，提示值班员做出处理，以消除异常运行状态。

因此合理配置与正确使用継电保护装置，是保障电网安全运行地重要条件。

从电网安全运行地角度出发，电网对継电保护装置提出了严格地“四性”要求，

即选择性、速动性、灵敏性、可靠性；除可靠性要依赖于継电保护装置外，継电

保护地选择性、速动、灵敏性则要依赖于整定值地准确、可靠。因此电网中継电

保护定值的整定计算工作，一直是継电保护人员地一项重要工作，它直接关系到

电网运行的安全，做好这项工作是电网安全运行地必要条件。

在现代化的超高压、大容量的电力系统中，对継电保护装置提出了更高的要

求。电力系统継电保护装置的可靠运行涉及到継电保护装置的配置设计、制造安

装、整定计算等诸多方面。其中选择的保护方式和正确地进行整定计算对保证电

力系统継电保护装置的可靠运行十分重要。整定継电保护装置定值时，特别要注

意相邻上下级保护间的配合关系，不但要考虑正常方式下的配合关系，还要考虑

运行方式变化时的配合关系，特别是临时性的改变方式更应慎重，避免造成保护

误动作。

本次毕业设计中，我努力掌握电力系统継电保护和自动装置的设计配置原

则，综合运用所学专业知识，提高了独立分析和解决问题的能力。

1.2 距离保护的研究现状

电力系统在运行中，可能会发生各种故障何部正常运行状态，最常见同时也

是最危险的故障是发生各种型式的短路。在发生短路时可能产生严重的后果，包

括：第一，通过故障点的很大的短路电流何所燃气的电弧，使故障元件损坏；第

二，短路电流通过非故障元件，由于发热何电动力的作用，引起它们的损坏或缩

短它们的使用寿命；第三，电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作

的稳定性或影响工厂产品质量；第四，破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系

统振荡，甚至使整个系统瓦解。

在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外，

故障一旦发生，必须迅速而有选择行地切除故障元件，这是保证电力系统安全运

行地最有效方法之一。切除故障地时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，

实践证明只有在每个电气元件上装设保护装置才有可能满足这个要求。这种保护

装置直到目前为止，大多是由单个继电器或继电器与其附属设备地组合构成的。

这样我们称这些保护装置为继电保护装置。它的基本任务是自动、迅速、由选择

行地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无

故障部分迅速恢复正常运行，并且反应电气元件的不正常运行状态，根据电力系

统及元件的危害程度一定的延时，以免不必要的动作何由于干扰而引起的误动

作。

在大型高压的电网中，距离保护作为继电保护的一种主要保护装置，我们常

将距离保护应用与于这些电网中。距离保护使反应故障点到保护安装地点之间的

距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。相对于电

流何电压保护，应用于高压电网中，更能满足选择性、灵敏性以及快速切除故障

的要求。

1.3 论文的主要工作

了解掌握电网的电力系统和继电保护情况

（1）画出电力系统图

（2）了解各输电线路之间的平行情况

（3）厂、站母线接线方式，桥母线、双母线、一个半断路器母线等

（4）建立发电机、变压器、输电线、电抗器等电气设备的技术档案

（5）重要负荷的特性及要求

（6）了解掌握继电保护情况和图纸资料

（7）绘制阻抗图

（8）研究确定电力系统的运行方式

（9）学习有关的规章制度

（10）制定整定方案中特殊的整定原则和数据

2 电网距离保护整定计算的准备工作

2.1 本课题研究的电网概述

本次整定计算的电网电压等级为220kv，电网结构较复杂，属于多电源网络，

包括多电源的环网以及由零序互感的双回线，每一变电站母线上都有较大的系

统，运行方式变化复杂。

220kv的高压电网，由于中间变电所对故障电流的分流作用大，线路距离较

长，符合较重要等原因，往往不可能由相邻元件的保护装置实行安全的远后备作

用。为了保证区内故障保护装置不拒动，采用两套原理不同的高频保护装置作为

全线速动的保护。常规高频保护的配置中，以CD为例，采用高频闭锁距离、高

频闭锁零序电流方向保护作为一套原理的主保护，另一套高频保护选择的是高频

负序方向保护。另外在220kv电网中，一般装设断路器失灵保护，当控制故障设

备的断路器拒绝动作时，它能用最短的延时跳开同一母线上的其它断路器，对于

中间变电站的主变压器装设差动保护装置。

220kv电网为中性点直接接地电网，对于系统中发生的接地故障，必须配置

相应的保护装置。一般装设多段式零序电流方向保护，根据重合闸方式的不同，

零序电流方向保护可采用三段式或四段式，根据非全相运行时，线路零序电流大

小的不同，零序电流保护可能有两个一段或两个二段。对重要线路，零序电流保

护的第二段在动作时限和灵敏系数上均应满足一定要求。当电网结构比较复杂

时，运行方式变化又很大时，零序保护的灵敏度可能变坏，应考虑选择接地保护，

以改善接地保护性能，但是为了保护经高阻抗接地故障时相邻线路有较多的后备

保护作用，同时也为选择性的配合，在装设接地保护的线路仍设有多段式零序电

流方向保护。

220kv电网中，采用多段式的相间距离保护作为相间主保护的后备保护。在

本次设计的电网中，双回线按单回线处理，不宜采用横差保护和平衡保护。

220kv电网，由于输送功率大，稳定问题突出，一般采用综合重合装置，用综合

重合闸的不同保护接入端子实现与保护装置的合理配合。

本220kv电网保护配置如下：

1、主保护（双重化）：高频闭锁距离保护和高频闭锁零序电流方向保护、高

频相差保护（或高频负序方向保护）。

2、后备保护：相间距离保护用来保护相间故障，零序电流方向保护用来保

护接地故障。

3、采用综合重合闸装置。

2.2 整定计算的工作步骤

进行整定计算的步骤大致如下：

（1）按继电保护功能分类拟定短路计算的运行方式，选择短路类型，选择分

支系数的计算条件。

（2）进行短路故障计算，录取结果。

（3）按同一功能的保护进行整定计算，本课题主要按距离保护进行整定计算。

选取出整定值并做出定值图。

（4）对整定结果分析比较，重复修改，以选出最佳方案。最后应归纳出存在

的问题，并提出运行要求。

（5）方案的评价及改进方向。

2.3 电网的原始数据

2.3.1 220kv的电网图

如下图所示为本次设计利用PSASP电力系统综合分析程序，绘制出研究所

要用的220kv电网图

180180

2

2

0

k

V

E

3

0

k

m

42



9

0

M

V

A

2

0

/

1

1

k

V

u

k

%



1

2

R

22

2

0

/

1

1

5

/

3

5

k

V

UUU

III



II

I



1

7

%

I

I



1

0

.

5

%

3

5

k

V

1

1

5

k

V

I



I

I

I



6

%



0

180

180

4



7

7

.

5

2.3.2 系统各元件的参数

由上图所示，系统由水电站W、R和两个等值的110KV系统S、N，通过六

条220KV线路构成一个整体。整个系统的最大开机容量为1509.29MVA，最小

开机容量为1007.79MVA，并且分两种开机运行情况来考虑。

第一种开机运行情况为：在最大开机情况下，W、R水电厂所有机组、变压

器均投入，S、N等值系统按最大容量发电,变压器均投入。

第二种开机运行情况为：在最小开机情况下，W厂停2x30MVA机组，R厂

停77.5MVA机组一台，S系统发电容量为300MVA，N系统发电容量为240MVA。

各发电机、变压器容量和连接方式已在图中示出。

系统中各主要元件的参数标幺值如下：

1、发电机及等值系统参数

表1 发电机及等值系统的参数

名称 总容量(MVA) 每台机额定电额定功正序电负序电

额定容压率因数 抗% 抗%

最大 最小

W厂 295.29 235.29 235.29 15 0.85 0.35 0.508

量(MVA) Ue(KV)

2x30 11 0.83 0.25 0.362

13.8 0.84 0.3 0.435 R厂 310 232.5 4x77.5

115 -- 0.5 0.61 S系统 476 300 --

115 -- 0.5 0.61 N系统 428 240 --

负序电抗按下列情况计算:对水电厂（W、R）的发电机，X2=1.45Xd，对系

统（S、N）的汽轮发电机，X2=1.22Xd。

2、变压器的参数

表2 变压器等值参数

厂站/系统容量（MVA）

变压器

W厂 240 12% 0.03

60 12% 0.12

R厂 12% 0.068 4x90

U

K12

UUXXX

K23K13Ⅰ*BⅡ*BⅢ*B

S系统 3x120 10.75% 6.25% -0.25% 0.046 0.027 -0.001

N系统 2x120 10.75% 6.25% -0.25% 0.046 0.027 -0.001

3、输电线路的参数

如附图所示：

计算时线路单位长度的电抗为：X1=X2=0.41，线路阻抗角。

4、变压器中性接地的数目和位置

为了使接地短路时，变压器不会受到过电压的危害，又能使零序电流的分布

基本不变，系统中各变电站的变压器接地情况如下表所示：

表3 变压器中性点接地情况表

变电站名称 W N R S

变压器台数 2 2 4 3

220KV侧中性点1 1 2 2

接地变压器台数

3 电网潮流分布和短路电流计算

3.1 系统潮流分布计算

3.1.1 变压器中性点接地的选择

原则如下：

1、发电厂及变电站低压侧有电源的变压器，中性点均应接地运行，以防出

现步接地系统的工频过电压状态。

2、自耦型和有绝缘要求的其它变压器，其中性点必须接地运行。

3 、T接于线路上的变压器，以不接地运行为宜。当T接变压器低压侧有电

源时，则应采取防止工频过电压的措施。

4、为防止操作过电压，在操作时应临时将变压器中性点接地，错作完毕后

再断开，这种情况不按接地运行考虑。

3.1.2 潮流分布结果

潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，它的任务是对给定的运行

条件确定系统的运行状态，如各母线上的电压、网络中的功率分布及功率损耗等。

在本次毕业设计中，系统的潮流分布计算的目的是确定各线路的最大负荷电流,

然后确定各线路的输出功率。所以，在计算中，我们是在系统最大开机情况下来

进行潮流分布计算各线路得输出功率的。最大开机情况下：（1）线路BA：按1.3S

b

计算；（2）线路BC：Z=200+j108.3；（3）线路DC：Z=120+j25；（4）线路

BCDC

DE：Z=135+j59；（5）线路EC：。

DE

0

3.2短路电流计算

3.2.1 短路计算的假设条件

1、忽略发电机、变压器、架空线路、电缆线路等阻抗参数的电阻部分，并

假设旋

转电机的负序电抗等于正序电抗。

2、发电机及调相机的正序阻抗课采用t=0时的瞬态值。

3、发电机电动势标么值可以假定等于1，且两侧发电机电动势相位一致，

只有在计算线路非全相运行电流和全相震荡电流时，才考虑相线路两侧发电机综

合电动势间有一定的相角差。

4、不考虑短路电流的衰减，不计短路暂态电流中的非周期分量，但具体整

定

时应考虑其影响。

5、各级电压可采用计算电压值或平均电压值，而不考虑变压器电压分接头

实

际位置的变动。

6、不计线路电容和负荷电流的影响。

7、不计故障点的相间电阻和接地电阻。

3.2.2 运行方式的确定原则

继电保护整定计算用的运行方式，是在电力系统确定好运行方式的基础上，

在不影响继电保护的保护效果的前提下，为提高继电保护对运行方式变化的适应

能力而进一步选择的，特别是有些问题主要是由继电保护方面考虑决定的。例如，

确定变压器中性点是否接地运行，当变压器绝缘性能没有特殊规定时，则应以考

虑改善零序电流保护性能来决定。整定计算用的运行方式选择合理与否，不仅影

响继电保护的保护效果，也会影响继电保护配置和选择的正确性。确定运行方式

变化的限度，就是确定最大和最小运行方式，它应以满足常见运行方式为基础，

在不影响保护效果的前提下，适当加大变化范围。其一般原则如下：第一，必须

考虑检修与故障两种状态的重迭出现，但不考虑多种重迭。 第二，不考虑极少

见的特殊方式。因为出现特殊方式的机率较小，不能因此恶化了绝大部分时间的

保护效果。必要时，可采取临时的特殊措施加以解决。

3.2.3 系统的运行方式

在本设计的电网中，最大、最小运行方式的选择，目的在于计算通过保护装

置的最大最小运行短路电流。在线路末端发生短路时，流过保护的最大最小短路

电流与系统的运行方式和算路类型电流分配系数这些因数有关。系统中对于单侧

电源的辐射线路AB ，最大运行方式是在电源在第一种开机运行以及系统中所

有线路和选定的接地中性点均投入的条件下决定的。而最小运行方式则是在第二

种开机情况和双回线路BC单回线运行条件下考虑。对双侧电源和多侧电源的环

形网络中的线路中，电源在第一种开机运行情况和环网开环，且开环点在该线路

相邻的下一级线路上运行决定最大运行方式的。电源在第二种开机情况和线路闭

环运行，停运该线路背后可能的机组和线路运行时决定最小运行情况。对于双回

线路BC，除考虑上述情况外，还要考虑双回线保护的接线方式。当双回线路分

别装设保护时，单回线运行为保护的最大运行方式；双回线路同时运行为保护的

最小运行方式。当双回线路接一套电流保护时，情况刚好相反。保护的运行方式

确定后，还要很具选择保护方式的需要选择短路点，然后再进行短路电流的计算。

3.2.4 短路电流计算举例

根据上述运行方式的确定原则，我们可以计算各线路、各工况下的短路电流。

由于工作量非常大，且各条线路的计算方法相同。因此，我们选取了其中以条线

路进行短路电流计算并列出计算过程，并将线路短路电流计算结果则列于表4

中。

举例：最小运行方式下，线路BC（230Km）的短路电流计算

1、当C母线发生三相短路故障时，流过B侧的保护电流

（1）对于正序网络：

1）三相短路：

1

23.81

0.042

23.810.055

'

I

E

5.573

0.0550.18

I

E

I

BC

2.902

I

d.1

0.457

5.5730.127

0.1170.127

2.90260

（KA）

3220

2）两相短路：

I

E

10.753

1

0.0420.051

10.7530.055

'

2.517

I

E

0.0550.18

2.5170.127

1.310

I

BC(1)

0.1170.127

I

d.1

0.206

1.31060

（KA）

3220

3）单相短路：

1

9.01

0.0420.0510.018

9.010.055

'

2.109

I

E

0.235

2.1090.127

1.098

I

BC(1)

0.1170.127

I

E

I

d.1

0.173

1.09860

（KA）

3220

4）两相短路接地：

1

18.082

0.0420.051//0.018

18.0820.055

'

4.232

I

E

0.235

4.2320.127

2.203

I

BC(1)

0.1170.127

I

E

I

d.1

0.317

2.02960

（KA）

3220

（2）对于负序网络：

1）两相短路：

I

E

10.753

1

0.0420.051

10.7530.066

'

2.481

I

E

0.0660.22

2.4810.127

1.291

I

BC(2)

0.1170.127

I

d.2

0.203

1.29160

（KA）

3220

2）单相短路：

1

9.01

0.0420.0510.018

9.010.066

'

2.079

I

E

0.0660.22

2.0790.127

1.082

I

BC(2)

0.1170.127

I

E

I

d.2

0.170

1.08260

（KA）

3220

3）两相短路接地：

1

18.082

0.0420.051//0.018

18.0820.055

'

4.232

I

E

0.235

4.2320.127

2.172

I

BC(2)

0.1170.127

I

E

I

d.2

0.342

2.17260

（KA）

3220

（3）对于零序网络：

1）单相短路：

I

E

9.01

I

E

0.799

'

1

0.0420.0510.018

9.010.102

0.2256

0.7990.127

I

BC(0)

0.416

0.244

I

d.0

30.06630.198

0.41660

（KA）

3220

2）两相短路接地：

I

E

18.082

I

E

1.603

'

1

0.0420.051//0.018

18.0820.02

0.02256

0.83460

0.646

I

BC(0)

0.382

I

d.0

30.13130.393

0.83460

（KA）

3220

2、B母线发生三相短路故障时，流过C侧保护的电流。

（1）对于正序网络：

1）三相短路：

1

16.949I

0.059

16.9490.119

'

I8.583

E

0.1190.116

E

I4.467

BC

8.5830.127

0.1170.127

4.46760

0.703

（KA）

3220

I

d.1

2）两相短路：

1

7.752

0.0590.07

7.7520.119

'

3.925

I

E

0.1190.116

3.9250.127

2.060

I

BC(1)

0.1170.127

I

E

I

d.1

0.324

2.06060

（KA）

3220

3）单相短路：

1

6.711

0.0590.0710.02

6.7110.119

'

3.398

I

E

0.1190.116

3.3980.127

1.769

I

BC(1)

0.1170.127

I

E

I

d.1

0.279

1.76960

（KA）

3220

4）两相短路接地：

1

13.333

0.0590.071//0.02

13.3330.119

'

6.752

I

E

0.1190.116

6.7520.127

3.514

I

BC(1)

0.1170.127

I

E

I

d.1

0.553

3.51460

（KA）

3220

（2）对于负序网络：

1）两相短路：

I

E

7.752

1

0.0590.071

7.7520.159

'

4.307

I

E

0.1590.127

4.0370.127

2.242

I

BC(2)

0.1170.127

I

d.2

0.353

2.24260

（KA）

3220

2）单相短路：

1

6.711

0.0590.0710.02

6.7110.159

'

3.731

I

E

0.1590.127

3.3710.127

1.755

I

BC(2)

0.1170.127

I

E

I

d.2

0.276

1.75560

（KA）

3220

3）两相短路接地：

I

E

13.333

1

0.0590.071//0.02

13.3330.159

'

7.412

I

E

0.1590.127

7.4120.127

3.858

I

BC(2)

0.1170.127

I

d.2

0.607

3.85860

（KA）

3220

（3）对于零序网络：

1）单相接地：

I

E

6.711

I

E

0.672

'

1

0.0590.0710.02

6.7110.0226

0.02260.203

0.6720.352

I

BC(0)

0.322

0.3520.382

I

d.0

30.06430.152

0.32360

（KA）

3220

2）两相短路接地：

1

13.333

0.0590.071//0.02

13.3330.0226

'

1.336

I

E

0.02260.203

1.3360.352

0.641

I

BC(0)

0.3520.382

I

E

I

d.0

30.10130.303

0.64160

（KA）

3220

3、短路电流计算结果列表

线路BC（230Km）的短路电流计算结果如下：

表4 线路BC（230km）的短路电流计算结果

C母线故障，流过B侧保护的电流 B母线故障，流过C侧保护的电流

短路

类型

各序分量电流 各序分量电流

III3IIII3I

d1d2d0d0d1d2d0d0

0.455 0.728

0.208 0.202 0.332 0.366

0.173 0.168 0.065 0.195 0.275 0.304 0.069 0.207

0.345 0.09 0.094 0.282 0.549 0.166 0.100 0.300

d



3

d



2

d



1

d



1.1

计算短路电流时，由于工作量非常大，由本设计的各组成员一起计算得到各

线路的短路电流计算结果，且对距离保护整定计算中的分支系数的计算作准备。

4 电网距离保护的整定计算

4.1 距离保护的概述

4.1.1 距离保护的概念

1、距离保护的概念

距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗），并根据距离

的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置主要的元件为距离（阻抗）继电

器，它可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗值，

此阻抗称为继电器的测量阻抗。当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动

作时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增大，这样

就保证了保护有选择地切除故障线路。

2、距离保护的构成特点

距离保护时属于反映一侧电气量的保护。一套完整的距离保护装置通常由三

段组

成。其中第一段保护线路全长的(80%--85%)，第二段保护全长，动作时间一般为

0.5s

第三段作为后备保护，其动作时间一般在2s以上。

距离保护主要反映测量阻抗值，与电流保护相比，受电力系统运行方式变化

影响

小，躲负荷能力强。在本线路发生短路时，距离保护的第一段的保护范围不受电

力系统

运行方式变化的影响。当故障点位于相邻线路上时，由于可能有助增电流或外汲

电流，

对距离保护的第二三段，保护的实际动作区随系统运行方式变化而有所变化。

距离保护装置的启动元件也是震荡闭锁装置的启动元件，一般多采用

II

21

元件作为距离保护的启动元件。启动元件的作用是在故障时开放距离保护各段。

对一二

段采用短时开放原则，对第三段长期开放直至整组复归。距离保护的测量元件一

般为一

二三段阻抗继电器。距离保护装置需设震荡闭锁元件和断线闭锁元件。

距离保护采用的阻抗继电器的接线方式一般为，对相间保护，用0度接线方

式；对接地距离保护采用带零序电流补偿的接线方式。

4.1.2 距离保护的应用

距离保护可以应用在任何结构复杂、运行方式多变的电力系统中，能有选择

性的、较快的切除相间故障。当线路发生单相接地短路时，距离保护在有些情况

下也能动作；当发生两相短路接地故障，它可与零序电流保护同时动作，切除故

障。因此，在电网结构复杂，运行方式多变，采用一般的电流、电压保护不能满

足运行要求时，则应考虑采用距离保护装置。

4.2 距离保护的原理

4.2.1 距离保护的作用原理

电流保护的主要优点是简单、经济及工作可靠。但是由于这种保护整定值的

选择、保护范围以及灵敏系数等方面都直接受电网接线方式及系统运行方式的影

响，所以，在35kV及以上电压的复杂网络中，它们很难满足选择性、灵敏性以

及快速切除故障的要求。为此，就必须采用性能更加完善的保护装置。距离保护

就是适应这种要求的一种保护原理。

如图4.1所示，假设各保护测量元件的输入不只是电流或电压，而是该处的



（称为保护的母线电压和流过该线路上的电流，定义保护安装处的母线电压

U

m

测量电压）和流经该线路的电流（称为保护的测量电流）之比为保护的测量

I



m

阻抗，即

Z

m



U

Z

m

m



I

m

（4.1）

A

123

K

1

K

2

B

Z

K1

Z

t

Z

K2

图4.1 距离保护的作用原理图



IUUI

（线路的负荷电在正常工作情况下，（母线的工作电压），

mL

mL

流），此时保护测量元件的测量阻抗为负荷阻抗，即

Z

L



U

ZZ

mL

L



I

L

（4.2）

显然正常运行时母线上的工作电压在额定值附近，一般说，线路的负荷

U

L

电流相对于短路电流要小很多，故线路在负荷状态下的测量阻抗值较大，

I



L

Z

L

且其角度为负荷功率因数角。例如，当线路的负荷功率因数为0.9时，负荷功率

因数角＝。当AB线上K点发生金属性三相短路时，在保护1处所测量



L

25.8

1

的阻抗等于该处母线残余电压与流经该保护的短路电流的比值，即为短路阻抗

Z，有

K1

Z

m

（4.3）

U

K1

I

K1

Z

K1

式中，——点短路时，保护安装处A母线的残余电压；

U

K1

K

1

I

K1

——流过故障线路AB的短路电流。

Z——故障点至保护安装处的线路阻抗，其阻抗值小而阻抗角（称为短

K1

路阻抗角）等于线路阻抗角。

通过适当选择距离保护的接线方式，使得短路时测量阻抗的大小与短路点到

保护安装处的距离成正比，即

Z

K1

＝

Zl

11

（4.4）

式中，——从故障点至保护安装处母线A的距离；

l

1

K

1

Z

1

——线路每千米的正序阻抗。

从以上分析可知，电网短路时测量阻抗有以下特征：

第一，由保护安装处的测量阻抗能区分线路在正常状态还是故障状态，

Z

m

两种状态下测量阻抗在幅值和角度上均有明显的差别；

第二，由保护安装处的测量阻抗Z能区分故障点的远近，故障点离保护安

m

装处的距离越远，测量阻抗Z越大，反之，3测量阻抗越小；

m

第三，金属性短路时的测量阻抗只与故障点至保护安装处的距离有关，而与

系统运行方式无关。

为了区分故障点在保护范围内还是在保护范围外，可根据选择性和灵敏度要

求事先给定距离保护的保护范围，与这个保护范围对应的保护安装处至保护范围

末端的线路阻抗称为距离保护的整定阻抗，用Z表示，如图4.1所示。

t

可见，距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗），并根

据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置的核心元件为阻抗元件

（传统上称阻抗继电器），它可根据施加的电压和电流测得保护安装处至短路点

间的阻抗值，即为测量阻抗。当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作

时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增长，这样就

保证了保护有选择性地切除故障线路。

4.2.2 距离保护时限特性

AB

12

k

C

3

Z

K

ZZ

ABK

t

(a)

t

1





t

2

t

1



tt

12



Z

Ⅰ

t1



t

2

Z

Ⅰ

t2

Z

Ⅱ

t2

Z

Ⅱ

t1

l

(b)

图4.2 距离保护的时限特性

（a）网络接线图；（b）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的时限特性

距离保护的动作时间与保护安装地点至短路点之间距离的关系，称

tf(l)

为距离保护的时限特性。为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛采

用具有三段动作范围的阶梯型时限特性，如图4.2（b）所示，并分别称为距离保

护的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段，可以分别与电流速断、限时电流速断以及过电流保护相对应。

距离保护的第Ⅰ段是瞬时动作的，是保护本身的固有动作时间。以保护1

t



为例，其第Ⅰ段本应保护线路AB的全长，即保护范围为线路全长的100％，然

而实际上却是不可能的，因为当线路BC出口处短路时，保护1的第Ⅰ段不应动

作，为此，其起动阻抗的整定值必须躲开这一点短路时所测量到的阻抗，即

Z

AB





ZZK

t1AB

。考虑到阻抗元件和电流、电压互感器的误差，引入可靠系数（一

rel

般取为0.8～0.85），则



ZKZ

t1relAB

（4.5）

同理对保护2的第Ⅰ段整定值应为



ZKZ

t2relBC

（4.6）

如此整定后，距离Ⅰ段就只能保护本线路全长的80％～85％，这是一个严

重缺点。为了切除本线路末端15％～20％范围以内的故障，就需设置距离保护

第Ⅱ段。

距离Ⅱ段整定值的选择与限时电流速断的相似，即应使其不超过下一条线路

距离Ⅰ段的保护范围，同时带有高出一个的时限，以保证选择性。例如在图

t

4.2（a）单侧电源网络中，当保护2第Ⅰ段末端短路时，保护1的测量阻抗为





ZZK

ABt2

，则保护1的距离Ⅱ段整定值为 ，引入可靠系数（一般取0.8）

rel



ZK(ZZ)

t1relABt2

0.8[Z(0.8~0.85)Z]

ABBC

（4.7）

距离Ⅰ段与Ⅱ段的联合工作构成本线路的主保护。

为了作为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作的远后备保护，同时也作为本

线路距离Ⅰ、Ⅱ段的近后备保护，还应该装设距离第Ⅲ段保护。

对距离Ⅲ段整定值的考虑是与过电流保护相似的，其起动阻抗要按躲开运行

正常运行时的最小负荷阻抗来选择，而动作时限则应根据阶梯原则，使其比距离

Ⅲ段保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个。

t

4.2.3 距离保护的接线方式

根据距离保护的工作原理，加入保护的电压和电流应满足一下要求：

U

m

I

m

（1）测量阻抗正比于短路点到保护安装地点之间的距离；

（2）测量阻抗应与故障类型无关，也就是保护范围不随故障类型而变化。

距离保护在相间短路和接地短路时广泛采用的接线方式如表4.1所示

表4.1 距离保护采用不同接线方式时，接入的电压和电流关系

阻抗元

件

接线方式

MMM

123

UUU

mmm

III

mmm

相间距离保护的

0



接线



UII

ABAB



UIIUII

BCBCCACA



接地距离保护接

线



UU

AB



＋ ＋ ＋

II



AB

K3IK3IK3I

000







UI

CC

1、相间距离保护的0°接线方式

以下对各种相间短路时保护的测量阻抗进行分析：

（1）三相短路

A

B

C

Z



I

A



I

B



I

C

l

K

(3)

图4.3 三相短路时测量阻抗的分析

如图4.3所示，三相短路时，三相是对称的，三个阻抗元件～的工作

MM

12

情况完全相同，因此，可以以为例分析。设短路点至保护安装地点之间的距

M

1



应为 离为l ，线路每千米的正序阻抗为，则保护安装地点的电压

Z

1

U

AB



UUIZlIZl(II)ZlU

ABABAlBlABl

（4.8）

因此，在三相短路时，的测量阻抗为

M

1

(3)

ZZl

M11

U

AB

II

AB

（4.9）

在三相短路时，三个阻抗元件的测量阻抗均等于短路点到保护安装地点之间

的阻抗，三个阻抗元件均能动作。

（2）两相短路

AB

C

Z



I

A



I

B

(2)

k

AB



0I

C

l

图4.4 AB两相短路时测量阻抗的分析

－



为 如图4.4所示，设以相间短路为例，则故障环路的电压

AB

U

AB



IZlIZl(II)ZlU

ABAlBlABl

（4.10）因此，的测量阻抗为

M

1

(2)

ZZl

M11

U

AB

II

AB

（4.11）

和三相短路时的测量阻抗相同，因此，M能正确动作。

1

在两相短路的情况下，对阻抗元件M和M而言，由于所加电压为非

AB

23



为高，而电流又只有一个故障相的电流，数值较故障相间的电压，数值较

U

AB



I)(I

为小，因此，其测量阻抗必然大于（4.11）式的数值，也就是说它们不

AB

能正确地测量保护安装地点到短路点的阻抗，因此，不能起动。

由此可见，在两相短路时，只有能准确地测量短路阻抗而动作。同

AB

M

1

理，分析和两相短路可知，相应地只有和能准确地测量到短

BCCA

MM

23

路点的阻抗而动作。这就是为什么要用三个阻抗元件并分别接于不同相间的原

因。

（3）中性点直接接地电网中的两相接地短路

如图4-5所示，仍以两相故障为例，它与两相短路不同之处是地中有

AB



II

。 电流流回，因此

AB

AB

C

Z



I

A



I

B

(1,1)

K

AB



0I

C

l

图4-5 AB两相接地短路时测量阻抗的分析

－

此时，我们可以把A相和B相看成两个“导线——地”的送电线路并有互

感耦合在一起，设用表示输电线每千米的自感阻抗，表示每千米的互感阻

ZZ

LM

抗，则保护安装地点的故障相电压为



IZlIZlU

AALBM

（4.12）



IZlIZlU

BBLAM

（4.13）

因此，阻抗元件的测量阻抗为

M

1

Z

(1.1)

M1



U

AB

＝



II

AB



I)(ZZ)l(I

ABLM

＝



II

AB

＝＝

（4.14）

M

1

的测量阻抗与三相短路时相同，由此可见，当发生两相接地短路时，

AB

(ZZ)lZl

LM1

保护能够正确动作。

2、接地距离保护的接线方式

在中性点直接接地的电网中，当零序电流保护不能满足要求时，一般考虑采

用接地距离保护，它的主要任务是正确反应这个电网中的接地短路，因此，对接

地距离保护的接线方式需要作进一步的讨论。

在单相接地时，只有故障相的电压降低，电流增大，而任何相间电压都是很

高的，因此，从原则上看，应该将故障相的电压和电流加入阻抗元件中。例如，

对A相阻抗元件采用

UUII

mA

（4.15）

••••

；

mA

至于这种接线能否满足要求，现分析如下：将故障点的电压和电流分

UI

kA



A

解为对称分量，则

IIII

A120

UUUU0

KAK1K2K0











（4.16）

按照各序的等效网络，在保护安装地点母线上各对称分量的电压与短路点的

对称分量电压之间，应具有如下的关系

UUIZl

1K111





UUIZl

2K221





UUIZl

0K000



（4.17）

因此，保护安装地点母线上的A相电压即应为

UUUUUIZlUIZlUIZl

AA1A2A0K111K221K000



ZZ

ZlIIIZlIII

11201A00



00

ZZ

11





ZZ

10

ZlII

1A0



Z



1

（4.18）

假如采用和的接线方式时，则阻抗元件的测量阻抗为

UUII

mA

mA

ZZl(ZZ)l

m101

••••

UI

m

II

mA

••

••

0

（4.19）