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上海交通大学 硕士学位论文 高压电力电缆架空混联线路接地保护方案探讨 姓名：肖成刚 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：郁惟镛;陈曦 20070601 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 I 页 高压电力电缆架空混联线路接地保护方案探讨高压电力电缆架空混联线路接地保护方案探讨 摘 摘 要 要 在现代社会中，电力电缆以及电力电缆架空混联线路越来越多 地被用于城市输电网中，同时电力电缆的继电保护问题也摆在我们面前。 电力电缆在电气特性上不同于传统的架空线路，传统的继电保护方案并 非完全满足电力电缆的继电保护需要，针对电力电缆或电缆架空混 联线路继电保护新方案的研究，不仅具有较大的理论意义，而且会带来 较好的社会效益。 本文首先总结分析了现有国内外电力电缆的型号及其主要特性，并 针对电力电缆的通用特性展开了详细分析，从其正、负、零序阻抗特性 以及零序阻抗与零序电流的关系入手，分析了架空线路与电力电缆电气 特性的主要区别；然后，详细总结了现有架空线路接地保护基本原理， 及其继电保护配置和定值计算流程，分析了将其应用于电力电缆线路所 带来的弊端，以及传统自适应保护算法存在的缺陷。 基于此，本章着眼于电力电缆分布参数模型，在充分考虑电力电缆 故障情况下，零序电流与零序电抗之间呈非线性关系的特性，提出了新 的自适应接地距离保护和零序电流保护方案，通过迭代和拟合的方法来 计算短路点的零序阻抗和零序电流，并最后判定故障位置。 通过对电力电缆，以及电缆-架空混合线所做的大量ATP仿真可以看 出，本文提出的通过迭代拟合法得出电缆的零序阻抗和零序电流关系曲 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 II 页 线的方案，能对电力电缆以及架空-电缆混合线路接地故障起到很好的保 护作用。该算法较好的解决了由于电缆的零序阻抗随着零序电流的变化 而变化给电缆接地保护带来的困难。采用零序电流作为极化量的接地距 离继电器或多边形特性阻抗继电器，其抗过渡电阻的能力达到30欧姆以 上。本文提出的自适应零序电流保护在电网各种运行方式下，发生各种 接地故障均能起到可靠的保护作用，具有较强的抗过渡电阻能力，能满 足运行规程对零序电流保护的要求。 关键词：关键词：电缆架空线路，接地距离保护，零序电流保护，自适应技术， 零序电流，零序阻抗 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT 第 III 页 THE NEW SCHEME DISCUSSION OF GROUNDED PROTECTION FOR HIGH VOLTAGE CABLESAERIAL LINE ABSTRACT In the modern society, more and more electric power cables and cable-lines have been applying in the electric power networks. At the same times the problems of relaying protection have discovered. The parameter traits are not steady contrasting with lines. Especially the parameter traits of zero-order will be changed by the flowing zero order current. So, the design of relaying protection about electric power cables become complex for the above causes. Another reason is that the research of relaying protection about power cables is not mature. Many technology problems of cables relaying protection need be studied in the future. Because the electric traits of cables are not same the lines, the schemes of relaying protection applying in lines are not satisfied for the power cables. The research of relaying protection about electric power cables and cablelines will bring out many academic meaning and society benefits. The main types and traits of electric power cables in the world are summarized and analyses in the first in the paper. The universal traits, such as impedance traits and the relationship between zero order current and zero order impedance, are set forth. And the main differences between power cables and aerial lines are analyzes. The grounded distance protection and 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT 第 IV 页 zero order current protection theorys of aerial line is summarized, and the courses of relaying protection set are set forth. The abuses and bugs are analyzes if the traditional relaying protection theory of lines should be applied in the cables or cable-lines. A new auto-adaptive algorithm of grounded distance relaying and zero order current protections of electric power cables is put forwarded. The traits of non-linear relationship between zero order current and zero impedance and distributing parameter model are took into account. The zero order impedance and zero order current on faulted cable point are be calculated by iterative and insert value method. And the faulted points could be identified in the end. The influences of especial electric traits and grounded resistance to relaying protection can be debased. The ability of standing against transition resisdance can reach 30 ohm. It can satisfy with the request of relaying rules. The new algorithm has been validated by ATP modeling and program in MATLAB. Keywords: cable-aerial line； Grounded distance proteciton; zero order current protection; auto-adaptive technology; zero order current; zero order impedance 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：肖成刚 日期： 2008年3 月6日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定。同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在_年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：肖成刚 指导教师签名：郁惟镛 日期： 2008年3 月6日 日期： 2008年3 月6日 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪 论 第 页 第一章 绪 论 1.1 课题背景和意义课题背景和意义 在现代城市的发展中，电能已经成为社会发展的必不可少的基础能源之一。电能 的传输需要一个巨大的电力网络建设，电厂、变电站、输电线路和保护系统等成为整 个电网的主要组成部分。电网中任何一个部分出现问题，都会对电网的安全运行带来 不可估量的损失。由于电能输送设备的故障造成的停电事故不仅对电网本身的安全和 经济运行带来损失，更严重的是会对社会、经济甚至政治产生深刻的影响。因此，如 何确保电能安全可靠传输到城市的各个角落，是电力企业多年来一直追寻的目标，也 是社会的发展对电力企业的一个最基本要求。 现阶段所使用的高压输电网络设备主要有2种:架空线和电力电缆。架空线作为一 种传统的输电线路，其工艺简单，成本较低，各种电气参数都比较稳定。尤其是电气 参数比较稳定这一点，使得对于架空线路的继电保护设计就显得比较容易，国内外学 者通过多年的研究，对于架空线路的各种保护方案建立了比较完善的理论体系。但是 由于它占地面积大，电磁干扰强烈，布置在空中严重影响了城市的景观和环境，因此， 越来越不符合现在城市建设中所需要的安全、环保和美化的要求，这也注定着架空线 路将逐渐淡出城市输电网络。 现代电网正逐步向超高压，远距离，大容量发展。城市电网高电压、大截面、超 大长度电力电缆的普遍使用，极大地带动了电力电缆的发展。电力电缆的发展经历了 由PDF电缆-一纸绝缘电缆-XLPE一一-GIS的发展过程。特别是XLPE(交联聚乙 烯电缆)己经成为中高压输电系统的主要产品。近几年随着电力网络的洲际化、国际 化、海底电缆的应用更加频繁。进入二十一世纪，随着人们日益对自己的居住和生活 环境的关心，电力传输的环境问题己经成为关注的一个焦点，环保的重要性也日益显 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪 论 第 页 著。这将对电力传输及其相关产品的可持续发展及企业生存带来深远的影响。 在现代社会中，电力电缆以及电力电缆架空混联线路越来越多地被用于城市 输电网中，同时电力电缆的继电保护问题也摆在我们面前。电力电缆的电气参数不像 架空线那样稳定，尤其是它的零序参数，均会随着所流经的零序电流的变化而发生改 变，正由于此，使得对于电力电缆的继电保护的设计就显得复杂得多，又因为电力电 缆是近几年才开始广泛使用，对它的研究还不是很成形，因此对于电力电缆的保护而 言，还有许多技术难题需要我们去攻破。由于电力电缆在电气特性上不同于传统的架 空线路，传统的继电保护方案并非完全满足电力电缆的保护需要。 现有高压电力电缆一般采用分相差动作为其主保护，但该保护不能作为相邻线路 的后备，所以高压电缆线路在装设分相差动保护的同时，应装设零序电流保护和距离 保护，而接地故障在电缆故障中所占比例较大，因此针对电力电缆或电缆架空混 联线路接地后备保护新方案的研究与探讨，不仅具有较大的理论意义，而且会带来较 好的社会效益。 本文针对上述问题，研究一种高压电力电缆以及电缆架空输电混联线路的新 型接地保护方案，并通过仿真验证其高效性。 1.2 相关课题国内外研究现状相关课题国内外研究现状 现有电力系统超高压输电网络所使用的输电设备主要有两种，一种是架空线路， 另一种就是电力电缆，它们有着各自不同的优缺点。对于架空线路而言，人们运用它 作为输电设备的历史已经比较长久了，所以对于它的特性也有了比较深入的研究。架 空线路的主要优点就在于它制作工艺简单，成本较低，各种电气参数都比较稳定。尤 其是电气参数比较稳定这一点，使得对于架空线路的继电保护设计就显得比较容易， 人们通过多年的摸索研究，对于架空线路的各种保护方案建立了相对比较完善的理论 体系。但是架空线路也有着非常显著的缺点，例如它占地面积大，影响环境，而且其 产生的电磁干扰也比较大。基于此，近年来，用于高压输电的电力电缆被越来越广泛 的用于城市高压输电网络中 41 。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪 论 第 页 电力电缆的特点与架空线恰恰相反， 它所占空间小， 一般埋于地下， 有利于环保。 不过它的施工和维修难度都较大，而且造价比起架空线路而言要高出许多。最为重要 的一点是电力电缆的电气参数不像架空线那样稳定，尤其是它的零序参数，均会随着 所流经的零序电流的变化而发生改变，使得对于电力电缆的继电保护的设计就显得复 杂得多，又因为对于高压电力电缆继电保护等相关领域的研究还处于起步阶段，所以 对它的研究还不是很成型，仍有许多与保护相关的技术难题需要去攻破 155 。 随着我国大中型城市建设的飞速发展和城市规划的要求，电力电缆以其占地少、 对人身安全、 供电可靠、 维护工作量小等优点得到了广泛的应用。 城区 220kV和 110kV 线路大量采用电力电缆，根据电网规划要求，预计在不久的将来还会出现 500kV电缆 线路输电，特别是架空电缆混联线路将会得到更为广泛使用。未来的二至七年， 上海等诸多城市建设又将迎来新一轮的建设高峰，地铁、磁悬浮、轻轨等重大轨道交 通市政工程的实施都将为地下电网的发展带来新的机遇 1311 。 以上海市为例，该市在 2020 年负荷将达到 3200 万kW以上，外部输入的电力将 达到 30%左右，为了受电的需要，500kV变电站将建设到 15 座，220kV变电站将建设 到 140 座，上海城市超高压地下电网也将有新的发展，将出现新型地下电网通道如长 距离地下电网专用隧道、长距离跨海大桥上敷设电缆等。另外根据上海电网规划，上 海城市电网将实现 500kV双环网，预计在不久的将来上海电网还会出现 500kV站进 城和由 500kV电缆线路输电的实施，对 220kV网架的建设也在做进一步的探讨，在 充分发挥通道资源的前提下，有可能需要超大截面及容量的超高压电缆线路。 但是，根据上海电网发展实际需求出发，要求上海在短时间内完成电力电缆输电 网络的大面积铺设以之用来完全替代现有的架空线超高压输电网络是不现实的。所 以，在近阶段，我们必将处于架空线与电力电缆共同组成超高压输电网络的格局中， 随之而来必将产生电力电缆架空线混合输电线路，而目前国内外针对电缆架空线 混合线路继电保护方面的理论研究与探讨处于起步阶段，相应的有针对性与说服力的 仿真验证更是寥寥无几。如何在高压架空线路保护的基础之上，针对电缆电气参数的 特点，提出一种电缆架空线混合线路切实可行的保护方案，并在理论分析的基础之 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪 论 第 页 上进行可靠的仿真校验已经作为一个相当重要的课题摆在我们面前 3416 。 国外针对电缆保护方面初步研究已做了一定工作 ，这些工作主要集中在英国的 SCFF型 400kV的电缆保护，法国的XLPE型 90kV地下电缆的保护简配，德国的 LPFF型 380kV地下电缆的成套二次保护控制装置,日本的XLPE型 275kV东京地下 电缆的二次设备设计回路等。同时，12D输电线路保护小组委员会和PSRC(power system relay committee)工作组，已经针对 115kV及以上电压等级的交流电力电缆 的物理特性、电气特性以及如何将此特性运用到继电保护领域进行了详细的分析与探 讨。IEEE协会的SR(safety and reliability)工作组和PSRC(power system relay committee)工作组对地下电缆的保护配置作了一定的研究，但目前也只有初步的研究 结果，详细的研究报道尚未发表。可见，国外学者的研究仍停留在单纯的高压输电电 缆的继电保护领域，对于电缆架空线混合线路的继电保护方案研究非常少见 4135 。 综上所述， 开展高压电力电缆及其电缆架空混联线路继电保护新方案的探讨与 研究具有较好的理论意义和实用价值，必将带来广泛的社会效益和经济效益。 1.3 本文所做工作本文所做工作 本文主要对以下几个方面开展了工作： 1) 通过查阅大量文献，调研现有国内外高压电缆以及高压电缆架空混联 线路接地保护方案的研究现状，找出其优点和存在的缺陷； 2) 研究高压电力电缆的电气特性，并研究一种适合高压电力电缆接地故障特 殊电气特性的接地距离保护和零序电流保护新方案，进而推广到高压电 缆架空混联线路接地保护； 3) 运用 ATP 建模，产生各种类型故障数据，然后运用 MATLAB 进行编程仿真， 验证高压电力电缆以及电缆架空混联线路接地保护算法的有效性和高效 性； 4) 最后展望了相关课题的研究和应用前景。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 高压电力电缆的电气特性及保护配置方案 第 页 第二章第二章 高压电力电缆的电气特性及保护配置方案 高压电力电缆的电气特性及保护配置方案 2.1 高压电力电缆的分类高压电力电缆的分类 在国外，20世纪初己经开始使用电力电缆，而我国在建国后才开始在电网建设中 使用电力电缆，特别是在七十年代以后，我国电缆的使用量更是迅猛增长。现在使用 的35kV以下电力电缆主要有橡皮绝缘电力电缆、聚氯乙烯绝缘电力电缆、油浸纸绝缘 电力电缆、交联聚乙烯电力电缆；35kV以上电力电缆主要有高压充油电力电缆、交联 聚乙烯电力电缆、SF6气体绝缘电力电缆、超导电缆等，以下就主要型号电力电缆的 特性给予介绍。 （1）橡皮绝缘电力电缆 橡皮绝缘电力电缆的绝缘材料是普通的合成橡胶或乙丙橡胶等，普通的合成橡胶 耐臭氧能力差，在电晕的作用下容易发生开裂，击穿场强较低，一般只适用于低压配 电系统，也可以用于定期移动的固定敷设线路。当用于直流电力系统时，电缆的工作 电压可以是交流电压的两倍。 （2）聚氯乙烯电力电缆 聚氯乙烯电力电缆加工简单、成本低、耐腐蚀、化学稳定性好，但这种材料的介 质损耗大、耐热性差、击穿场强低。因而，使用场合也受到限制。 （3）油浸纸绝缘电力电缆 油浸纸绝缘电力电缆是由纤维纸和浸渍剂组成的复合绝缘电缆，分为带绝缘电缆 和分相铅包电缆， 这种电缆在生产和运输过程中难免会产生气隙， 使其绝缘强度较低， 因此只能用于低压配电系统。 （4）高压充油电力电缆 高压充油电力电缆利用补充浸渍油的原理来消除绝缘层中的气隙以提高电缆工 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 高压电力电缆的电气特性及保护配置方案 第 页 作场强。按照其保护层的结构不同分为两类:一类是自容式充油电缆，一类是钢管充 油电缆。自容式充油电缆在线芯中心有油道和补充浸渍设备相连，使得当电缆温度升 降时，浸渍剂热胀冷缩，膨胀的油可以流入浸渍设备或者从浸渍设备补充浸渍油。钢 管式充油电缆设有中心油道，三根屏蔽电缆拉入密封的钢管内浸渍剂粘度较高。充油 电缆虽然有较好的运行特点，但是运行维护工作量大，安装不方便目前正在逐渐被淘 汰。 （5）交联聚乙烯电力电缆 从70年代开始，交联聚乙烯(XLPE)作为电缆的绝缘得到了广泛的应用，国外高压 电缆的电压等级己发展到500kV，而且己在线路上应用。我国则从80年代开始大规模 引进XLPE绝缘电力电缆生产线，产品的等级也在逐步提高。66-110kV交联聚乙烯电缆 于1991年在沈阳进行了首批鉴定，并在沈阳电缆厂和上海电缆厂批量生产。目前国内 己形成了一个生产高压交联电缆热，已能批量生产，加上从国外引进的产品，极大地 促进了我国城市电网的建设和改造。 交联聚乙烯绝缘电力电缆由于无油、附属设备较少，在一定防护条件下无火灾危 险、安装敷设以及运行维护较简单，而成为城市电网改造和建设所需电力电缆的首选 产品。110kV及220kVX LPE电缆也逐渐取代110kV及220kV充油电缆，使高压电能通过 高压电缆地下输电方式输入至城市负荷中心，这为我国XLPE电缆技术的发展与规模生 产也带来了良好的机遇。通过在城市拓展的新区中预留和安排好变电站地址、线路走 廊、地下电缆通道和大型建筑物的配电间以及开关室等，使新区实现高低压配电地下 电缆化。按水电部1982年8月提出的城市电网新装备技术条件，地下电缆普遍采 用交联聚乙烯绝缘电力电缆。 （6）新型电力电缆 随着科学技术的发展和大容量远距离输电的要求，一些新型结构的电力电缆还在 不断出现，如管道充气电缆，低温有阻电缆和超导电缆。管道充气电缆主要是为了满 足封闭式变电站的要求，也就是六氟化硫电缆，这种电缆的优点在于既有架空电线的 传输能力，又有电缆的运行优点:其介电系数小，电缆电容量小，充电电流小，不需 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 高压电力电缆的电气特性及保护配置方案 第 页 要电容电流补偿装置，有效输电距离长:介质损耗小，限制了运行时温度的上升，增 加了传输容量。低温阻电缆是采用冷却技术把高纯度铝或铜导体冷却到很低温度，使 得导体电阻系数大大降低，从而提高电流密度，降低导线损耗，增强散热能力，增加 整体传输容量。超导电缆是由超导技术的发展而出现的，电缆工作时处于超导状态， 导体电阻等于零，其传输容量远远超过充油电缆，也大于低温有阻电缆。但因为常温 冷却和降低造价和一些关键技术等问题很难寻求一个合理解决的平衡点，故其离实际 应用有一定的距离。虽然电缆的形式多种多样，但目前广泛应用以及使用范围将不断 扩大的电缆仍然以XLPE电力电缆为主。 2.2 高压电力电缆的电气特性分析高压电力电缆的电气特性分析 2.2.1 电力电缆的电容和电感 电力电缆由于制作工艺的不同，使得它的电容和电感比较起普通架空线有很大的 不同，这使得电力电缆的继电保护工作比较起普通的架空线保护都有很大的差异。 由于架空线路的相间距远大于电缆线路相间距，因此电力电缆的单位长度电感小 于架空线路单位长度的电感。由此导致一般电力电缆的阻抗角都明显小于架空线路的 阻抗角。电缆的小电感特性带来了一系列诸如负载分配和短路电流水平等问题，同时 也影响继电保护的配置方案。 分布电容是电力电缆又一个关键特性参数。同架空线路相比，电力电缆无论是缆 芯之间，还是缆芯与护套之间的间距都要小得多，再加上绝缘材料的高介电常数，造 成电力电缆的单位长度的电容要远大于架空线路单位长度的电容。从一些已知数据计 算比较可以看出：电缆线路单位长度电容较同电压等级架空线路单位长度电容基本上 高一个数量级，较大数量级的分布电容必将在线路中产生较大的容性电流。通常，我 们在计算保护的整定值时，会忽略线路分布电容所产生的影响。但在研究保护算法方 面，显然不能忽略分布电容所产生的容性电流对于整个系统的影响。比如在暂态过程 中，分布电容将产生各整次及非整次的高频自由振荡分量，而在趋于稳态过程中，电 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 高压电力电缆的电气特性及保护配置方案 第 页 容电流又将使输电线路两端的电流大小与相位发生严重畸变等等，这一切都将对保护 的配置方案产生严重的影响，必须采取合理的补偿方法来消弱分布电容的影响，使得 保护更加可靠。 2.2.2 电力电缆的正（负）序阻抗 电缆线路序阻抗不同于架空线路的阻抗，需要考虑诸多因素。比如电缆的型号、 结构、护套接地方式以及布置（例如是否布置于磁化通道中） ，还必须计及集肤效应 以及邻近电缆效应的影响。一般电力电缆的正（负）序阻抗比架空线路小。 在计算正，负序阻抗时，分两种情况考虑： (1)当金属护套单端接地时，电缆的正序（负序）抗计算方法与架空线路相同； (2)当金属护套两端直接接地时，护套内电流与芯线电流方向相反，并产生护套 损耗，导致电缆正序（负序）电阻减小，正序（负序）电抗增加。 2.2.3 电力电缆的零序阻抗 电缆线路的零序电流同时经大地和护套，其零序阻抗分以下两种情况予以讨论： (1) 金属护套发生单端接地短路时，电流主要以地作为回路，护套内零序阻抗达 到最大值； (2) 金属护套两端直接互联或交叉互联接地时，可以认为短路电流全部以金属护 套作为回路， 流过大地部分的电流可以忽略， 此时护套内电流最大零序阻抗达到最小； 电缆线路的零序阻抗一般通过实测获得，在工程中可采用如下近似计算公式： 01 10RR= ， 0 (3.5X = 1 4.6)X （2-1） 对布置于铁磁材料中的三相电力电缆，或布置于钢管中的电力电缆，零序阻抗的 计算就会变得非常复杂。这是由于强电电缆的钢丝或钢带铠装被交变磁场贯穿，产生 反复磁化损耗，它与材质的磁滞回线面积成正比，而零序阻抗的大小取决于所处铁磁 场的导磁率，零序电流增大，磁感应强度增大，相对导磁率会增大。但是磁感应强度 过大又会导致磁饱和，这就造成了处于铁磁材料中的高压地下电缆的零序阻抗随零序 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 高压电力电缆的电气特性及保护配置方案 第 页 电流的大小而改变。 图2-1所示为在10英寸钢管中布置的电缆零序阻抗与零序电流的 关系曲线。 零序电流和零序电抗的非线性关系，对高压电力电缆接地保护的动作特性带来较 大影响，本文将以图 2-1 所示的零序电流和零序阻抗关系为例，研究一种新型的接地 距离保护方案。 2.2.4 电力电缆的特性总结 综上述，高压电力电缆的电气特性可总结如下： （1） 电缆线路与地之间的耦合电容较大,对地电容电流可能会给保护的测量阻 抗和整定值计算带来影响； （2） 电缆单位长度的电感较小， 所以电力电缆的阻抗角明显小于架空线的阻抗 角，这给电力电缆的保护带来较大影响； （3） 电力电缆的正（负）序阻抗角相对于架空线路小很多，电缆长度一般也远 小于架空线路， 所以过渡电阻对于电力电缆继电保护的影响也比架空线路 Fig.2-1 the relationship curve between the zero order current and zero order impedance 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 高压电力电缆的电气特性及保护配置方案 第 页 大很多； （4） 电力电缆线路零序阻抗角远比架空线路零序阻抗角小， 阻抗角的变化会给 阻抗继电器的最大灵敏角的校整以及附加阻抗值的测量带来一定的影响； （5） 电力电缆的正序和零序阻抗的比值和架空线路比起来也有很大的不同。 零序电抗的的非线性，对于接地距离保护有较大的影响。 2.3 高压电力电缆的保护配置方案高压电力电缆的保护配置方案 （1）配置方案综述 （1）配置方案综述 继电保护是电力系统的重要部分，它在保证系统安全、稳定运行等方面起着不可 替代的重要作用。对继电保护装置的设计、运行和配置提出了快速性、灵敏型、选择 性和可靠性四项基本要求，由于线路网架结构、电压等级的不同，有时候这些要求可 能会出现相互矛盾的现象。一个优秀的设计方案往往是综观全局后在保证系统安全、 可靠、稳定运行前提下的合理折中。 在高压、超高压电网广泛采用微机型保护的今天,为了强调和突出继电保护的可 靠性和选择性,对 220kV线路，符合下列条件之一时，可装设二套全线速动保护：a、 根据系统稳定要求；b、复杂网络中，后备保护配合整定有困难时；330500kV电力 网中， 一般情况下都应实现主保护双重化。 随着电力系统对可靠性要求的进一步提高， 也由于纵联保护常常因通道等原因而不能投入运行，因此在 220kV及 500kV高压线 路上都要求采用两套纵联保护，以实现主保护的双重化。两套主保护互为备用，原则 上只要保护的性能十分完善，采用两套原理相同的保护装置实现主保护的双重化是可 行的。但由于系统的运行方式变化很大，也可能出现预料不到的稀有故障，两套主保 护采用不同原理应当是有益的。 对于 220kV及以上电力系统的线路继电保护，一般采用近后备保护方式，即当故 障元件的一套继电保护装置拒动时，由相互独立的另一套继电保护装置动作切除故 障；而当断路器拒动时，起动断路器失灵保护，断开与故障元件所接入母线相连的所 有其他连接电源的断路器。有条件时可采用远后备保护方式，即故障元件所对应的继 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 高压电力电缆的电气特性及保护配置方案 第 页 电保护装置或断路器拒绝动作时，由电源侧最邻近故障元件的上一级继电保护装置动 作切除故障。在电网的实际运行中，尤其是在高压电网的实际运行中，双套主保护的 配置已得到贯彻落实，快速保护的技术不断完善和提高，使得远后备保护的作用在下 降，而且远后备保护相互配合比较复杂，考虑问题比较多，另外，远后备保护时限长， 与电网稳定要求相差远，也使其作用大打折扣。近后备有两种方式，第一种只解决断 路器的拒动问题，又成为断路器失灵保护，失灵保护尽管目前正确动作率较低，动作 机会较少，但其作用是不可忽视的，第二种近后备由相邻线路近故障侧的保护起后备 作用，为此要求距离保护的后备段在反方向故障时动作。反方向动作比正方向动作的 距离后备段在相邻线路故障时的测量阻抗小（差值等于线路阻抗） ，因而灵敏度有所 提高，但这种近后备在我国没有得到应用。 电缆线路的保护配置要求与高压架空线路基本一致，鉴于目前尚未有电缆线路专 用保护技术规程，高压电缆线路的保护配置可参考上述高压架空线路保护整定规程的 要求。考虑到高压电缆线路的建设投资成本很高，一旦发生故障损坏修复周期较长， 高压电缆线路应装设互为备用的分相差动或纵联保护作为其主保护,以三段式的接地 距离和四段式的零序方向过流保护构成接地故障的后备保护。 （2）后备保护配置方案 （2）后备保护配置方案 高压电缆线路在无混合线路的情况下基本不会发生相间故障，所以不考虑相间后 备保护，讨论接地故障情况，可以采用三段式接地距离保护、四段式的零序方向电流 保护构成完整的后备保护。 三段式的接地距离元件多采用多边形特性的阻抗继电器。其动作原理是按照短路 点的电压边界条件建立动作判据，当故障发生在保护范围末端时动作判据处于临界状 态。结合电网参数，将故障分为正方向故障和反方向故障两种情况进行分析。 当采用阻抗元件作为方向纵联保护的方向判别元件的时候，必须要考虑电缆线路 电气参数特性对阻抗元件带来的影响。电缆线路保护中用到的阻抗继电器特性与架空 线不同。 要选择合适的阻抗和特性角， 若保护范围不足就要在继电器设置时进行补偿。 另外由于套管型电缆的零序阻抗为故障电流的函数，为使其保护范围达到最佳，可考 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 高压电力电缆的电气特性及保护配置方案 第 页 虑采用自适应的方案来解决该问题。 电缆端套故障中由于电弧电阻引起的保护超越 问题必须进行补偿，在有些情况下弧阻可能会高达6(远远高于架空线路相间浮空电 阻0.5的数值)。在计算超越问题以及继电器定值选取时须注意到这个阻抗。在系统 与电缆线路阻抗比值较大时，有可能会对短电缆的距离段的设置带来困难。 对于安装于非磁化通道中的高压电缆线路，其零序方向过流保护方案与高压架空 线路几乎一样，一般在全相运行时配置四段零序方向保护，非全相运行时可设置两个 零序段，其一按躲过被保护线路末端单相或两相接地短路时出现的最大零序电流原 则条件整定，另一个按单相故障切除后的非全相情况下可能出现振荡最大零序电流整 定（称为不灵敏段） 。一般情况下，本线路非全相振荡的零序电流比母线故障通过 本线路的零序电流大，因此灵敏段在非全相振荡下可能误动作，必须在非全相运行 前退出工作。零序段的动作电流应与下段线路的第段保护配合。零序段一方面 作为本线路和相邻线路的后备保护，另一方面起着本线路单相跳闸而单相断路器拒绝 合闸时防止长期非全相运行的作用，其动作电流需要按与相邻线路零序段相配合和 躲过三相短路时的最大不平衡电流来进行整定。 2.4 本章小结本章小结 本章详细总结分析了现有国内外电力电缆的型号及其主要特性，并对电力电缆的 通用特性展开了详细分析，从其正、负、零序阻抗特性以及零序阻抗与零序电流的关 系入手，分析了架空线路与电力电缆电气特性的主要区别，详细综述和讨论了高压电 缆线路保护配置方案，这对电力电缆继电保护新方案的研究与探讨创造了必要条件。 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 电力电缆接地距离保护新方案 第 页 第三章第三章 高压电力电缆接地距离保护算法探讨高压电力电缆接地距离保护算法探讨 3.1 传统架空线路接地距离保护整定概述传统架空线路接地距离保护整定概述 (1) 接地距离保护段整定计算 接地距离保护接线为 X X U I +3 0 KI时，它是以测量接地短路点至保护安装处之间的 相阻抗，来反映线路长度距离。因此，整定公式也以线路相阻抗(正序阻抗)表示。 按躲开本线路末端故障整定，即 dzkl ZK Z= 式中 k K为可靠系数，取 k K 0.7， l Z为本线路全长的阻抗值， 1dz Z为被整定线 路接地距离保护I段定值。 单回线送变压器终端方式，送电侧伸入受端变压器时 dzklkTT ZK ZK Z=+ 式中 k K， kT K均为可靠系数，取 k K为0.80.85， kT K0.7， T Z为受端变压器 正序阻抗。 (2) 接地距离保护段整定原则 接地距离保护11保护按如下几个原则整定: 按本线路末端接地故障有足够灵敏度整定，即 dzlml ZK Z= 式中， lm K为灵敏系数，取可靠系数 k K为1.31.5。 按与相邻线路接地距离段配合整定，即 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 电力电缆接地距离保护新方案 第 页 1dzkkZdz ZK ZK K Z=+ 式中可靠系数 k K取0.70.8， dz Z为相邻线路接地距离I段动作阻抗， Z K为助 增 系 数，选用正序助增系数与零序助增系数中的较小值。 按与相邻线路纵联保护配合整定，躲相邻线路末端接地故障，即 1dzkkZl ZK ZK K Z=+ 式中可靠系数 k K取0.70.8， l Z为相邻线路正序阻抗。 按与相邻线路零序电流()段配合(只考虑单相接地故障)整定，即 1dzkkZ ZK ZK K Z=+ 式中可靠系数 k K取0.70.8， Z为相邻线路零序阻抗。 按与相邻线路接地距离段配合整定，即 1dzkkZdz ZK ZK K Z=+ 式中可靠系数 k K取0.70.8， dz Z为相邻线路接地距离段动作阻抗。 如果是线路变压器组，则按躲变压器另一侧母线三相短路，即 1dzkkZT ZK ZK K Z=+ 式中可靠系数 k K取0.70.8， T Z为相邻变压器正序阻抗。 按躲变压器其他侧(大接地系统)母线接地故障： a. 单相接地故障时 20 10 2 2(1 3 ) dzk EUU ZK IK I + = + b.两相短路接地故障时 2 120 2 120 2 (1 3 ) dzk a UUU ZK a IaIK I + = + 式中 1 U、 2 U、 0 U和 120 ,I II分别为变压器其他侧母线接地故障时，在继电器安 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 电力电缆接地距离保护新方案 第 页 装处测得的各相序电压和相序电流，E为发电机等值电势，可取额定值， k K取0.7 0.8。 在接地距离保护段整定计算中，通常按原则整定，并获得定值，然后按 照原则、进行较核。 (3) 接地距离保护段定值的整定计算 接地距离保护段可按以下原则进行整定计算: 按本线路末端接地故障有足够灵敏度整定，即 1dzlm ZK Z= 式中 lm K为灵敏系数，取1.83.0。 按与相邻线路接地距离段配合整定，即 dzklkzdz ZK ZK K Z=+ 式中可靠系数 k K，取0.70.8 ， dz Z为相邻线路接地距离II段动作阻抗。 按与相邻线路接地距离段配合整定，即 dzklkzdz ZK ZK K Z=+ 式中 k K取0.70.8， dz Z为相邻线路接地距离III段动作阻抗。 (4) 传统架空线路接地距离保护的评价 传统架空线接地距离保护，在理论和运行上已经相对完善，对于架空线路的保护 可以说是尽善尽美，并且长期的使用中，也积累了相当的经验。但是，由于电力电缆 所具有的特殊电器特性，若将传统架空线路接地距离保护的整定原则应用到电力电 缆，就出现较大的计算误差。 前面已经提到了，电力电缆的零序阻抗和零序电流成非线性关系，这对于保护整 定都是定值的传统接地距离保护来说，就会带来新的问题。在继电器中加入的电流为 0 3 jA IIK I=+，其中 01 1 3 ZZ K Z =。运用在普通架空线时，由于零序电流和零序阻抗成 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 电力电缆接地距离保护新方案 第 页 线性关系， 在计算时通常认为零序阻抗角和正序阻抗角相同， 故K被认为是一个实数。 而当运用在电力电缆中，却不相同， 0 Z会随着零序电流的不同而变化。因此，将传 统接地距离保护的整定计算方法运用到电力电缆时，就会出现较大误差，甚至会带来 运行上的错误。 3.2 电力电缆自适应接地距离保护新方案探讨电力电缆自适应接地距离保护新方案探讨 3.2.1 自适应接地距离保护新原理分析 3.2.1 自适应接地距离保护新原理分析 电力电缆自适应接地保护方案的提出， 对于电缆的继电保护工作是一个极大的进 步。现有诸多电力电缆继电保护方案中，零序阻抗和零序电流非线性关系都未能很好 的解决，而自适应方案的提出，对解决这一非线性关系提供了较好的解决思路，对于 今后电力电缆的继电保护工作也起到了很大的作用。 传统自适应方案也存在较大的不 足之处，它的基本前提是假设电力电缆为集中参数模型，而非分布参数模型，这将对 较长线路的保护带来不小的误差，对于过渡电阻的影响也显得无能为力。 首先，需要选择正确的阻抗继电器。由于以零序电流为极化量的接地方向阻抗继 电器和多边形阻抗继电器可以减小保护区受过度电阻的影响，这使得保护区更加稳 定；并且采用极化量后，比较起普通继电器而言，受电力电缆的特殊电气特性影响较 小，利于保护的可靠性和选择性。所以，本文在对比几种阻抗继电器后，决定采用以 零序电流为极化量的接地方向阻抗继电器和多边形阻抗继电器。 本文根据高压电力电缆的发生接地故障后， 其零序电流与零序电抗成非线性的电 气特性，运用迭代和拟合方法来计算电力电缆的零序阻抗和零序电流，以此通过阻抗 继电器判断电力电缆的接地短路。 由于电力电缆不像架空线路，其零序阻抗和零序电流成非线性的函数关系。因此 需要采用已有的零序电抗和零序电流的函数关系曲线。为了算法编程仿真的需要，本 文以离散表格的形式给出图2-1所示的函数曲线数学模型。 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 电力电缆接地距离保护新方案 第 页 表 3-1 图 2-1 中曲线的表格化数学模型 Tab.3-1 the mathematic model about fig.2-1 0 3I（A） 01 /RR 01 /XX 0 3I（A） 01 /RR 01 /XX 10 21.389