[科普中国]-距离继电器

简介

距离继电器是反应当故障发生时，由故障点到继电器安装处的距离小于预定值动作的继电器。它主要用在输电线路距离保护中作故障判别元件，也用来构成发电机和变压器的相间故障保护。它的主要动作判据是在继电器的安装处测量所“见到”的阻抗数值是否小于预先给定的数值，因而又叫阻抗继电器。有各种构成方式和不同动作特性的距离继电器可供选用。最早设计的距离继电器，其动作时间与继电器安装点到故障点间的全阻抗值成正比，而与故障电流值大小无关，这是对普遍采用的反时限过电流保护的一个重大改进，20世纪20年代末出现了电抗型距离继电器，30年代初又有了导纳型距离继电器，以后又陆续出现了各种阻抗型距离继电器和多相补偿式的距离继电器。距离继电器的具体构成，最早用电磁型元件，稍后用整流型元件和分立式半导体元件，目前广泛应用的是集成电路型元件，数字式距离继电器也已由试验室进入了商品市场。现代的距离继电器从原理上分为模拟式及数字式两大类，它们的动作原理各不相同。在实际的电力网应用中，对距离继电器的运行性能分析，一直是受到关注的议题1。

方向距离继电器最常用的一种距离继电器，普遍用于相间故津保护(相间元件)和作为单相重合闸的选相元件(相对地元件)，也用于单相接地的保护口它以构成距离测量电压的柑同电压量为极化量，动作相位差范围为±90°。这种继电器自带方向性，母线短路时不动作，但出口短路时因输入电压为零也不动作。为了消除这种电压死区，一般这种继电器的极化回路为一工频谐振回路，当发生出口短路时，虽然输入电压突变为零，但输出到执行元件回路的极化量仍短时保持与故漳前电压基本同相位的电压量，以确保执行元件回路有可靠输出。这种现象，叫极化回路具有记忆作用。另外的一种常见极化方法，是以不同的相或相间电压作极化量，叫交叉极化，同样可以消除除三相短路而外的电压死区。交叉极化，特别是极化回路的记忆作用，还显著改善了距离继电器允许故障电阻的性能，它们的动作性能已不能再用表中所示的特性来说明。实际应用中，还有动作范围不是±90°。以及正负相位差角不对称，以适应某些特殊要求的方向距离继电器。

四边形距离继电器它的四个边由不同直线特性的距离元件组合而成，可以用几种不同的相位比较方法实现。常用的四边形距离继电器是方向性的，即特性的底边过原点，并带记忆作用，这种继电器对母线侧经过故障电阻的反方向短路有很好的选择性，对允许保护区内的故障电阻也有较好性能，既用于保护相间故障也用于保护接地故障用判别元件，有的应用中，将保护接地故障的四边形距离继电器作为单相重合闸中的选柑元件，但需要去掉距离测量电压回路中的电流分量，以避免非故障相的误选相。

零序电流极化的接地距离继电器用电压作极化量的保护接地的距离继电器有共同的缺点，即:两相短路经电阻接地故障时，接到领前一相的继电器会严重超越，即实际保护范围大于整定范围;同时允许保护区内的电阻能力不强。以零序电流作极化量的相对地距离继电器可以显著地改善以上性能口有三种实际应用的方式:

①零序电流极化的三相分相式接地距离继电器，用于组合式距离保护装置中.在方向元件和选相元件的控制下，使故障相的接地距离继电器发挥接地保护作用;

②以零序电流、落后零序电流90°的一个量和三个相对地距离测量电压共5个量是否在同半个平面内作为动作判据构成的多项补偿接地距离继电器;

③以二个相对地距离测量电压同时落在以零序电流为基准的一定范围内为判据，构成具有方向性的，同时保护.三个相别的接地故障的距离继电器。

工频突变量距离继电器这是中国独创的一种方向距离继电器。它没有极化量，只是依靠故障发生后初瞬间的距离测量电压突变量的幅值大小来判断故障方向和故障距离。令正常运行时的距离测量电压幅值为1，当在正方向末端发生金属性短路时，距离测量电压的突变量幅值为1;在保护区内短路时大于1。而在保护比外及反方向时则恒小于1。以此实现方向距离保护。这种继电器的缺点是正方向精度较差，作为无时限的线路保护段其整定值需较短;但其特殊优点是在方向性优良的同时，动作极为迅速，作为线路近端处的相间保护，有利于提高系统的暂态稳定2。

距离继电器的构成原理将输入的工频电压和电流量经过精心安排的文直流回路转换，最终由电磁式或电子式执行元件输出动作信号，构成距离继电器。虽然模拟式距离继电器的构成方式及动作特性多种多样，但都可归结为三个基本组成部分，即:距离测量电压回路、极化回路及输出执行元件回路。

距离测量电压回路是任何可以正确进行距离测量的模拟式距离继电器所共有的一个回路，它由输入的电流及电压量组成，组成后的量如下:极化回路为了构成距离继电器，需要有一个参考电量作基准，来判别距离测量电压在整定短路点前后发生故障时的相位突变，这个参考电量叫距离继电器的极化量，形成的回路叫极化回路。任何合适的电流、电压或它们的组合量都可以选作极化量。由于选取的极化量不同，从而构成了各种不同运行性能、名目繁多的距离继电器。尤为特殊的是以不同相的或不同相间的距离测量电压互为极化量，即当某一相(或相间)短路时，以另外的相(或相间)距离测量电压作为故障相(或相间)距离测量电压的极化量，这一大类继电器通称为多相补偿距离继电器。

数字式距离保护的构成原理距离继电器或距离保护只是线路微机型保护中的一个组成环节，并不以独立的继电器出现。其构成原理如下:来自被保护线路的电流和电压模拟量，经变换器隔离并转换成适合微型机计算的电平，经过模拟式低通滤波器，在中央处理器的指挥下实行采样，变成离散信号，传到中央处理器。按特定的数值算法和逻辑运算，实现距离继电器的性能要求。常用的距离继电器的数值算法有:微分方程算法、傅力叶算法等，大多用以求得发生故障后由继电器安装处到故障点的电抗.Y及电阻R值，并与给定的动作数值范围相比较，决定是否输出动作信号。也有完全按照模拟式距离继电器的距离测量电压，极化量及相位动作判据以构成数字式距离继电器的。

继电器动作特性的Matlab 仿真分析为了验证零序电压极化的自适应继电器的优良动作性能，采用Matlab 软件对一条长300km的500kV 超高压线路进行了A 相接地仿真计算，其中输电线路采用分布参数模型。仿真系统参数如下：

系统参数：ZM=ZN= 5.74+j14.1Ω；

线路参数：r1=0.02083Ω/km，l1= 0.8984mH/km，c1=0.0129MF/km，r0=0.1148Ω/km，l0=2.2886mH/km，c0=0.00523MF/km；

线路两侧电源电动势相位差60°，整定区为线路全长的85%。

总结得出：

（1）继电器无论是安装在送电侧和受电侧都能正确动作。

（2）在保护范围内发生接地故障时，零序电压极化的接地阻抗继电器有很强的抗过渡电阻能力，这是其他极化电压继电器所无法比拟的。

（3）当保护出口处发生接地故障时，零序电压极化的继电器有最高的动作灵敏性，即不存在电压动作“死区”，解决了常规的接地阻抗继电器的“死区”问题。

（4）继电器动作具有明确的方向性，这是零序电抗特性的继电器所不具备的。

（5）与其他距离继电器的动作特性相比，近保护范围末端故障时，受电侧继电器耐受过渡电阻的能力有很大的提高。

总结零序电压极化的自适应接地阻抗继电器不但对保护区内过渡电阻有很强的自适应性，而且在保护出口故障时具有动作的高灵敏性和明确的方向性，因此是综合性能很好的自适应接地距离继电器3。