（电气工程专业论文）高压t型线路保护新原理的研究和应用.pdf

摘要 高压t 型线路保护的新原理的研究与应用 研究生：姚亮导师：郑建勇1 、马文龙2东南大学1 、国电南京自动化股份有限公司2 摘要 嵌入式平台技术在继电保护领域的广泛应用为改进微机保护和开发新型保护提供了前所未有 的机遇。本文主要针对l l o k v 高压t 型线路保护的特点提出有效、实用的方案。具体包括以下三个 方面内容： 适用于三端输电线路的电流差动保护原理，通过各侧电流傅氏值计算差动电流，再结合计算所 得的各侧电流比较后选取制动电流，克服了多端线路区内故障有电流流出情况时制动电流选取的困 难，且相比较原来差动原理大大提高了保护的灵敏度。 在线监测线路的负荷电流，实时计算负荷阻抗的变化，并结合距离保护的各段阻抗定值范围、 选相元件判断不同的故障类型、振荡检测元件识别系统振荡与否、线路合闸期间等多种实际情况， 调整阻抗元件的电阻分量：既可以避开过负荷状态的不利影响，又可以保证对高阻接地故障的反应 能力。 根据正序等值电路，通过各端计算得到t 点电压比较识别故障支路。再利用光纤通道传输电气 量数据，采用同步后的各端电压电流参数，可以消除过渡电阻和并行线路互感的影响，解决了由于 单侧电源网络电气参数不准确带来测距误差的问题。 关键词：t 型线路，差动保护，距离保护，故障测距 a b s t r a c t a bs t r a c t r e s e a r c ho fn e w p r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no nt - c o n n e c t i o nh i 曲- v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e p r o t e c t i o n y a o l i a n 9 1 ，z h e n gj i a n y o n 9 2 ，m aw e n l o n 9 1 ( 1 g u o d i a nn a n j i n ga u t o m a t i o nc o ，l t d ，2 s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ) t h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h n i q u ei sa p p l i e dw i d e l yt ot h ef i e l do fr e l a yp r o t e c t i o n , w h i c hb r i n g st h e b r a n d - n e wo p p o r t u n i t yt od e v e l o pn e w - s t y l er e l a y i te m p h a s i z e dr e s e a r c ho n110 k vh i g h - v o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n e ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c ho f f e r e ds o m ee f f e c t i v ea n dp r a c t i c a b l em e t h o d t h e a c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w i n g s ： 1 t h ed i f f e r e n t i a lc u r r e n tt h e o r yo ft h r e e - t e n n i n a lt r a n s m i s s i o nl i n ec a l c u l a t e st h ec u r r e n to f e a c h t e r m i n a lt og e td i f f e r e n tc u r r e n t , a n dc o m p a r e st h ec u r r e n to fe a c ht e r m i n a lt os e l e c tr e s t r a i n t c u r r e n t i tr e s o l v e st h ed i f f i c u l t yo fg e t t i n gr e s t r a i n tc u r r e n ta sc u r r e n tl e a k sa ti n t e r n a lf a u l ta n d i m p r o v e sg r e a t l yt h es e n s i t i v i t yo v e rf o r m e rt h e o r y 2 1 1 圮r e l a yi n s p e c t sl o a dc u r r e n to n - l i n ea n da c c o u n t st h el o a di m p e d a n c er e a lt i m e i ta d j u s t s r e s i s t a n c ee l e m e n to fm e a s u r i n gi m p e d a n c ea c c o r d i n gt ot h ee a c hz o n es e t t i n g s r a n g e 。v a e d f a u l tt y p ea n dp o w e rs w i n g i tc a l la v o i dt h en e g a t i v ee f f e c to fo v e r l o a da n de n s u r er e s p o n s et o t h ef a u l tp a t ht r a n s i t i o nr e s i s t a n c e 3 i tc o m p a r e st h ev o l t a g eo f t n o d ea c c o u n t e db ye a c ht e r m i n a lb a s e do np o s i t i v es e q u e n c e e q u i v a l e n c ec i r c u i tt od i s t i n g u i s hf a u l tb r a n c h , t h e nu s e st h es y n c h r o n o u sv o l t a g ea n dc u r r e n t a c t o s st h ef i b e rt oa v o i dt h ee 肿rb r o u g h tb yt h ef a u l tp a t ht r a n s i t i o nr e s i s t a n c e ，m u t u a l i n d u c t a n c eo fp a r a l l e lt r a n s m i s s i o nl i n ea n di n a c c u r a t ee l e c t r i cp a r a m e t e ri ns i n g l es o u r c e n e t 0 出 k e yw o r d s ：t - c o n n e c t i o nt r a n s m i s s i o nl i n e ，d i f f e r e n t i a lc u r r e n tp r o t e c t i o n , d i s t a n c ep r o t e c t i o n , f a u l tl o e a t i o no f t r a n s m i s s i o nl i n e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：盘蔓堑e t 期：讨9 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：邋墨垂导师签名： 1 1 1 日 期： 抄 猡 第一章绪论 第一章绪论 1 1t 型线路在电网中的应用 城市电力网规划设计导则中国家电网公司对城市电网规划提出的总目标： 优化电网结构、提高电网科技含量，建设国际“一流”的城市电网，适应各地区经 济社会发展的需要和供电企业自身发展的需要。城市电网是电力系统的主要负荷中 心又是城市现代化建设的一项重要基础设施。电网通常由2 2 0 k v 其及以上超高压的 输电网、1 1 0 k v 的高压配电网和3 5 k v 及以下的中低压配电网三电网组成，其中1 1o k v 的高压配电网是承接高压输电网和中低压配电网衔接的重要环节，起着承上起下的 关键作用1 ，2 1 。 目前国内大中型城市的城网普遍采用双链接线，但t 型接线有着其鲜明的优点 现在正根据电网建设工程的技术、经济实际情况逐步推广应用。t 型线路在1 l o k v 变电站高压侧一般采用单元接线，在同等变电站容量下占地面积较小，站内1 1 0 k v 侧 无母线，采用了单元接线，开关设备较少，因此1 l o k v 变电站造价低、维护费小。对 用电可靠性只要求满足“n 1 ”的地区可以实行t 型线路，尤其在两侧有山或带状 城市地形。 t 型线路分支的长短、电源点的分配，以及出现检修某侧分支线路时，阻抗变化 较大，造成局部继电保护定值上配合的困难，因此需要选取合适的保护配置方案满 足运行方式的灵活变化。通过提高该电压等级电网保护的动作速度和精度，压缩上 一级电网系统的级差时间，坚强整个电网运行pj 。 1 2 研究课题的意义 1 l o k v 电网逐步趋于发展成联接城市输电网与配电网的联络网络，也成为一些 重要负荷直接配电的送电走廊。在前几年电力系统中的t 型线路相对较少，对相关 产品需求不大，性能指标要求不高。但近几年国民经济的快速发展和城市电网的不 断坚强，而新建变电站征地困难、负荷增长太快超过电网建设速度等问题的日益突 出，t 型线三端接线方式应用开始增多，尤其是在经济较发达且人口密集地区，超 过三端的多端接线方式也会出现，如n 型接线方式。该接线方式可以使网络和变电 站接线简单，减少环节，减少占地，从而大大节省投资。不论是架空线还是电缆线， 不论是单电源还是双电源都可采用，可靠性较高，尤其在变压器取低负荷率时更适 合用t 型接线。 当线路发生故障时，仅靠保护单侧的电气量变化，作为保护装置的动作判据， 难以满足全线瞬时切除故障的要求。而电流差动保护可以借助光纤通道，将电流量 分别传送到各侧，然后根据差动电流和制动电流的关系，判别区内和区外故障，以 实现全线速动的目的。电力网的线路采用全线速动保护后，不仅改善本线路保护性 能，而且能够改善整个电网保护的性能。 由于l lo k v 电网目前正朝着双环网并列运行的方式发展，在双回线输电中，某 一回线发生故障，断路器跳闸切除故障后，必然会将故障线路的负荷转移到相邻的 另一回线上。多边形特性距离继电器中电阻元件的整定需要兼顾避开负荷状态和提 东南大学工程硕士学位论文 高对过渡电阻的反应能力。如果不能避开最小负荷阻抗，就需要增设负荷限制继电 器。这就要求能够根据负荷变化的不同情况去调整距离保护阻抗元件的动作特性， 如此就可以既能保证在发生高阻接地故障时保护的灵敏度，又能保证在重负荷运行 方式下保护的可靠性。 根据故障特征迅速准确地测定故障点，大大地减轻了人工巡线的艰辛劳动，而 且有利于及时修复线路，提高电力系统的安全稳定和经济运行。但是由于故障的过 渡电阻、线路不完全对称、电源带来的助增电流、负荷造成的汲取电流等不利因素 的影响，简单的阻抗法测距误差往往较大。如果能交互各端的电气量数据，采用线 路各端的电气量可以不受过渡电阻影响，再利用正序量测距还有利于消除并行线路 互感的影响。 1 3 论文的主要工作内容 根据1 10 k v 高压t 型输电线路中的特点，区别于通常两端线路保护的设计，分 析目前的t 型线路保护运行情况，结合工程运用的实际，提出新的原理和方案，并 在公司最新开发的线路保护产品中应用，主要有以下三个方面： 1 t 型线路电流差动保护原理的研究与应用 差动保护是比较线路两侧电流相量( 大小和相位) 构成的全线速动保护，对全线的 各种短路故障均能快速切除。现在使用的t 型线路保护差动一般采用单一相量 和制动、最大模值制动方式与等效两端的相量和制动方式三种原理。前两种方 式存在区内故障灵敏度不足的问题，后一种当多端线路区内故障有电流流出情 况时存在选取最大电流的困难，不利于差动特性的实现和分析。提出了一种新 判据，既保证输电线路区外故障有较好的制动特性且区内故障又有较高的动作 灵敏度，对于多端线路区内故障有电流流出情况不易选取最大电流的问题也做 了很好的处理。并探讨比较三端数据的同步实现方案和运行中方式切换的对策。 2 距离保护过负荷自适应的方案 多边形动作特性的阻抗继电器允许较大的过渡电阻，而且不会引起较明显的超 范围动作。但是为了保证距离继电器电阻元件躲开负荷测量阻抗，需要设置负 荷限制继电器。如果简单设置一个固定的负荷限制继电器，那么在单相经高阻 接地故障的灵敏度就可能不足，也不能满足运行方式变化的需要。若能够在线 监测线路的负荷电流，实时计算负荷阻抗的变化，并结合距离保护的各段阻抗 定值范围、选相元件判断不同的故障类型、振荡检测元件识别系统振荡与否、 合闸充电期间等多种实际情况，自动调整阻抗测量的电阻元件：既可以避开过 负荷状态，又可以保证对过渡电阻的反应能力。 3 t 型线路的故障测距 由于t 型线路是存在分支的线路，因此在故障测距时首先需要判断故障分支线 路。通过正序等值电路模型，线路正常运行时通过各端计算得到分支t 点电压 是相等的，根据故障时刻故障支路计算的电压与另两个健康支路计算的电压不 等，识别故障支路。再利用同步后的各端电流电压，采用故障分析法达到准确 的测距结果，并消除线路中不利测距精度的多种影响。 本论文主要有以下六章构成： 第一章一绪论：回顾继电保护发展的历史，介绍课题的背景、意义和研究的主要内容。 第二章一三端差动保护原理的研究与应用：阐述t 型线路保护配置方案的选择，分析目前 采用的差动保护原理，引出新的差动保护原理，论证其优点和可行性。并提出适 2 第一章绪论 用于三端保护的数据同步方案和切换运行方式的保护对策。 第三章一自适应负荷变化的距离保护：改进原来简单固定不变的负荷限制继电器，根据运 行方式的不同，动态灵活调整阻抗继电器电阻元件的动作特性。 第四章三端线路的故障测距方法：首先通过各端计算分支点的电压不同，识别故障的支 路：借用光纤通道传输数据，采用故障分析法利用各端的电流电压信息实现精确 测距。 第五章一r t d s 数字模拟试验：将上述理论研究应用于t 型线路保护装置中，简介装置开 发的情况，并通过动态模拟试验验证研究方案应用的可行性。 第六章一结论与展望：对论文研究的三个内容进行了总结，并展望继电保护的发展和前景。 3 东南大学工程硕士学位论文 第二章三端差动保护原理的研究与应用 2 1 光纤电流差动保护的基本原理 以光纤作为信号传递媒介的通信称为光纤通信。随着光纤技术的发展和光纤制作成本的降低， 光纤通信网正在成为电力通信网的主干网，光纤通信在电力系统通信中得剑越来越多的应用，例如 连接各高压变电站的电力调度自动化信息系统、利用光纤通信的纵联保护、配电自动化通信网等都 应用光纤通信。 光纤通信通常由光发射机、光纤、中继器和光接收机组成。光发射机的作用是把电信号转变为 光信号，一般由电调制器和光调制器组成。光接收机的作用是把光信号转变为电信号，一般由光探 测器和电解调器组成。 继器或光放大嚣 秽堑 光接收机 图2 1 1 单向点对点光纤通信通信系统的构成 差动保护比较被保护设备各引出线上的电流，规定电流的正方向为流入被保护设备，即从母线 指向线路。当各引出线之间在电路上相连时，被保护设备可看作是电路中的一个节点。在正常运行 及外部故障时按照基尔霍夫( 鼬r c h h 0 回电流定律有l = o ( 不考虑c t 误差) ，式中l 为引出线_ ，上 = i 流入被保护设备的电流，其既可以是相电流，亦可以是反映接地故障的零序电流。在内部故障时， 当总短路电流可以在故障点流入地或其它支路时l = l ，式中为故障点的总短路电流。由此 j = l 可见，差动继电器中的电流在线路内、外部短路故障时有很大的差别，因此差动继电器可区别线路 内、外部短路故障。 输电线路采用电流差动保护有绝对选择性，灵敏度高：不反应负荷电流；振荡时不会误动，即 使振荡中心发生故障时，仍能灵敏地选择性动作：在系统侧和弱馈侧都能灵敏地动作；尤其是在短 线路中的应用。 厂 m m i n n 图2 1 2 三端差动保护接线单相示意图 4 第二章三端差动保护原理的研究与应用 1 不带制动特性的电流差动继电器 差动继电器的动作表达式为1 + 如+ i s i l “，式中i 肘、，n 、j s 为保护三端电流相量， ，。保护的动作定值。不带制动特性的电流差动继电器在外部故障穿越性短路电流很大时， c t 的误差随之也增大。在外部短路时，其动作特性有可能越出制动区而出现不正确动作。 为了克服上述缺点，实际一般都采用带制动特性的电流差动继电器。 2 带制动特性的电流差动继电器 线路外部短路故障时，在穿越性短路电流作用下，差动继电器中电流不为零，而是较大的不平 衡电流，采用比率制动可以较好解决内部短路故障时的灵敏度与外部短路故障时不平衡电流的矛 盾。= i l + l + l i ，式中为差动电流即动作电流；乞= j l + l tj ，式中k 为制 动电流。在正常运行和区外故障时制动作用增强，在内部短路时制动作用减弱，相当于无制动作用， 而动作的作用极强。继电器的动作方程为 k k ，式中k 为制动系数，在o 1 之间选择。 动作电流l 不是一个固定的定值，而是随着制动电流，。变化，其不仅提高了内部短路时的灵敏度， 而且保证了在外部短路时不动作的可靠性。目前在电流差动保护中得到广泛的应用一。 2 2 三端线路继电保护方案的选择 对三端线路继电保护方案的选择，主要有下文中的四点影响因素。 1 分支线路上有无变压器及变压器的接线方式。 如果分支线路上只有一台小容量的变压器，那么变压器所供的负荷也不太重要，则一般相 间和零序方向过流保护即可满足要求。但是若分支线路上的变压器容量较大，或不止一台变压 器，则过流保护不能满足灵敏度和动作时限的要求，需采用如距离保护或纵联保护等，并考虑 变压器励磁涌流对三端线路保护的影响。如果变压器处无断路器，还要兼顾变压器内部故障时， 其它两侧保护灵敏度不足，不能切除故障的情况。在此情况下可由变压器保护动作后发出跳闸 信号，远方跳开电源侧断路器或其它方式。 2 分支线路上有无电源及电源的阻抗大小。 分支线路有电源，则在三端线路区内故障时会产生助增电流。助增电流会对过流保护、距 离保护和纵联距离保护都有影响，在整定、校验时需要考虑是否能满足灵敏度和动作时限的要 求。 3 分支线路上负荷性质和容量，是否有重要负荷。 分支线路上所带负荷很大而且很重要，例如不能短时停电的负荷，但当地发电容量能满足 这些重要的负荷，如上所述可采用解列装置。如果当地发电容量不能满足向重要负荷连续供电 时，则应采用纵联保护，以保证从三端快速切除故障，然后从一端和分支线路快速重合闸的方 案。如果分支线路负荷重要而又没有发电容量时，亦应如此考虑。如果分支线路上无电源，但 又有大容量异步或同步电动机时，其它两端保护整定必须考虑三端线路上故障时电动机反馈产 生的助增作用。重合闸的时间应该根据电动机所能承受的冲击来确定。电源侧保护装置的整定 应该考虑数台大容量电动机同时启动时的电流。 4 是否存在电流汲出的可能。 在有电流汲出时，有些保护原理会受到局限，有些保护只能依靠相继动作切除故障，很大 地影响保护的性能。选择保护方案时，需要考虑电流汲出的情况，然后选择能满足要求的保护 5 东南大学工程硕士学位论文 原理。 光纤分相电流差动保护可以用于任何运行方式下的线路，是应用三端线路最好的保护方案。t 接点的位置、分支线路上有无电源、助增电流、电动机反馈及自启动、变压器励磁涌流、中性点接 地方式、过渡电阻、系统振荡等冈素都不会引起这种保护原理的不正确动作。在考虑最大可能的汲 出电流，选取合适的制动系数，带制动的分相电流差动保护亦能可靠应用在此情况下。还可以利用 光纤通道，将跳闸信号发送至对侧，使远方跳开电源侧断路剐7 引。 2 3 差动保护新原理的提出 由于1 1 0 k v 电压等级的输电线路，电容电流很小，架空线路l c = u t 3 5 0 ，电缆线路 i c = u 1 0 ，式中t 为电容电流( a ) ，u 为电网的线电压( 1 ，为线路长度( 1 【m ) ，因此可以不对 差动电流进行电容电流的补偿。 根据t 型线路内、外部故障时各端故障分量电流的特点，提出三个差动动作判据：相量、变化 量和零序电流差动保护相互结合，扬长避短，保证差动保护可靠，选择、速动和灵敏。 但在线路一端或多端出现电流外汲时，就需要采用合适的比例制动特性的差动保护，根据最大可 能的汲出电流选择制动系数，尤其在制动电流的选取上，不能简单地参考两端常规电流差动保护的 方法。 以往制动电流的选取一般如下三种方式， 3 1 三端故障电流的标量和的制动方式k = k i ( 式2 3 - 1 ) 式中k 为制动电流，t 为一端的线 i = l 路电流。 2 三端故障电流中最大模值的制动方式k = m ( 1 l l ，i ，l ，l j p i ) ( 式2 3 2 ) 。 3 等效为两端线路相量和的制动方式，。= l 厶础一厶舾i ( 式2 3 3 ) ，式中t 为幅值最大的 一端线路电流，l 蛔为另两端线路的和电流。 式2 3 1 虽然提高了外部故障时的制动作用，但在内部故障时却降低了动作的灵敏度；而式2 3 2 在区外故障和区内故障时的制动量相当，同样存在区内故障灵敏度不足的问题；而式2 3 3 虽然保证 了内部故障时足够的灵敏度并且外部故障时又有强的制动特性，但是在线路区内故障有电流流出情 况时，眦的选取比较困难，不利于差动特性的实现和分析。 而选取，船= 脚( 1 ，m + ，一，p l ，i l + ，- j m ，i + l 一，i ) ( 式2 3 _ 4 ) 作为制动电流，保 证了输电线路区外故障有较好的制动特性并且区内故障有较高的动作灵敏度外，对于多端线路区内 故障有电流流出情况下j 。姒不易选取的不足也做了很好的处理9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 。 6 第二章三端差动保护原理的研究与应用 2 3 1 相量差动保护判据 相量差动保护是利用傅立叶( f o u r i e r ) 算法( 简称傅氏算法) 分别得到三端各相电流的相量，再通过 光纤通道进行数据传递，基于数据通道对采样数据进行同步，利用同步后的数据计算动作电流和制 动电流，较2 3 2 中的变化量差动保护是一种稳态量差动保护。其动作特性曲线如图2 3 1 所示，折线 上方为差动保护的动作区域。 图2 3 1 相量差动的动作特性曲线 动作判据为：伍三乏一，其中。= + k + 岛l 为三端各相的相量差流，k 、九、岛c 缈 表示a 、b 、c 三相) 分别为三端同名相的c t 电流；k = 删( k 一2 l i 乞一2 k i ， j 四, - 2 i s 尹| ) 为差动保护的制动电流，l 甜为差动继电器的最小动作门槛电流，k 为制动系数。 2 3 2 变化量差动保护判据 上述采用稳态量的相量差动动作电流不能消除稳态电容电流，只能消除负荷电流；制动电流中 又包含负荷电流，降低了灵敏度；而变化量差动可以消除了负荷电流和稳态电容电流。只要不是弱 馈侧，内部故障变化量电流相位差小于9 0 。；外部故障大于9 0 。电力系统的系统阻抗呈电感性， 对非弱馈侧其电抗值小于线路分布电容的容抗值，因此故障点两侧所见阻抗( 系统阻抗与部分分布电 容的容抗并联) 仍呈电感性。电力系统的参数特点决定了突变量电流：只要不是弱电，内部故障突变 量电流相位差小于9 0 。：外部故障大于9 0 。 因为变化量差动需要用到故障前的电流，在系统振荡，或发生发展性、转换性故障时无法有效 利用故障前的电流，所以只在保护启动后短时间内投入变化量差动，之后闭锁变化量差动，投入相 量差动。 变化量差动保护相对相量差动保护，消除了负荷电流的影响，完全为故障量的真实反映。不受 算法数据窗的限制，因此保护动作速度非常快。 动作判据为： 麓三，其中皈= 咄+ 缸矿皈； 7 东南大学工程硕士学位论文 吨= 删( 1 峨一2 咄i ，k 一2 毗i ，峨一2 皈 ， 鸱9 = l 矿o ) 一2 t 伊( t - t ) + l j 妒( t - 2 t ) ，l 为侧电流相量，乞矿。一乃、j j 伊( t 一2 丁) 分别为一 周波和二周波前的电流，其动作特性同相量电流差动保护。 2 3 3 零序电流差动保护判据 当保护区内故障经高阻接地时，故障电流很小，如果此时的穿越性负荷电流又较大，就有可能 影响保护的可靠性。通过零序电流，采用灵敏度更高制动系数，即较小的k 值，提高了保护耐受过 渡电阻的能力。 动作判据如下： ，i o 。叩v k 。出厶彤，其中厶印= k 肼+ 厶+ 厶。i 为零序差动电流，厶m 、厶、 1 0 5 分别为三端同名相的零序电流；o 馏= m a x ( 1 i o 印一2 厶 f i ，l 厶叩一2 厶l ，k 叩一2 厶。1 ) 为零序制动 电流。 零序电流差动保护比分相电流差动保护有更高的灵敏度，作为无法使用故障分量差动时的 补充。通常在故障发生后以躲过三相合闸不同时等因素的影响，延时0 0 0m s 左右) 动作，其动 作电流门槛一般考虑大于区外单相接地故障和三相故障引起的最大不平衡电流。 2 3 4 差动保护判据的综合应用 在c t 发生断线时，退出断线相的电流差动保护和零序电流差动保护，非断线相的电流差 动保护正常投入。 在c t 发生饱和时，适当地提高制动系数，保证差动保护的可靠性和灵敏性：在区外故障 时，保护可靠不动作；区内故障时，保护灵敏动作。此时退出变化量差动和零序电流差动元件， 只保留相量差动。 保护因突变量启动元件动作而启动后一周波内投入变化量差动保护，当启动时间大于一周波退 出变化量差动保护。其它辅助启动元件动作，如零序电流启动元件、相过流启动元件、静稳破坏启 动元件等，都不投入变化量差动保护。 8 第二章三端差动保护原理的研究与应用 2 4 不同故障情况下差动保护判据的性能 在线路发生故障点位置的不同和故障的性质不同，差动保护判据的动作状态也不尽相同。下面 就各种情况，逐一说明。 mn 图2 4t 型线路故障位置示意图 2 4 1 区内故障：无故障电流流出 图2 4 线路发生外部故障f 1 时，三端故障分量电流的相位接近同相，差动电流远大于制动 电流k ，判据可靠动作。 若故障为经过渡电阻接地，其只对故障分量电流的幅值大小有影响，不影响它们之间的相位关 系，从理论上说，其屯( 包括也) 门槛值固定后，差动判据保护过渡电阻的能力并非无穷大。需要 通过零序电流差动保证动作的灵敏度，由于采用的零序动作电流厶印和零序制动电流厶憎，可以选 取较小的制动系数k 和门槛定值厶出。 2 4 2 区内故障：有故障电流流出 与两端系统相比，三端系统有可能在发生内部故障时，某侧有故障分量电流流出，如图2 4 3 所示。当m 侧系统阻抗较小，s t 线路很长且s 端系统阻抗较大且短路点靠近n 侧母线时，在s 端 可能有电流流出，最大流出电流厶可达流入电流k 近一半。此时三端故障分量电流的特点，相位 关系：两流入电流l 和，的相位接近同相，与流出电流厶接近反相。大小关系： l ，“ 厶， 9 东南大学工程硕士学位论文 厶和i n 的大小关系不定。 分支线路n 、s 处于环网之中，n 、s 侧相近且无电源，分支线s t 较短，故障点靠近n 侧，故 障线s 侧有电流流出。 图2 4 3 区内故障有故障电流流出 因线路和负荷阻抗一般都是感性的，故以为参考矢量，考虑厶的假定正方向，如果计算处 的厶落后九的角度在0 。 9 0 。之间，即可以认为是电流流出。如果厶落后乩的角度在1 8 0 。 2 7 0 。之间，则为电流流入。 2 4 3 区外故障 图2 4 线路发生外部故障f 2 时，根据三端故障分量电流的相位关系，差动电流为零，制动 电流乇很大，判据为最可靠不动的状态a 2 4 4 区外故障：引起一侧c t 发生饱和 区外近端，如母线处发生故障，会产生很大的一次电流，尤其是在一次电流波形偏向时间轴一 侧时，铁芯严重饱和的电流互感器传变特性变坏，将导致二次电流波形严重失真。t 型线路外部故 障时，近故障侧c t ( 电流互感器) 将流过另外两侧故障分量电流之和，其存在饱和的可能。此时， 差动电流不再为零或近似为零，而成为一个较大的差动动作值。对于灵敏较高判据，在c t 发生严 重饱和的情况下有可能误动作。因此，在c t 饱和时，要求不降低区内故障时的保护灵敏度，又能 躲过区外故障c t 饱时不利影响，利用输电线路故障时刻电流流向以及c t 饱和时波形畸变的特点， 可靠检测出区外故障时c t 饱和的程度，从而差动保护根据上述判断结果进行相对应的处理。 1 分相差动电流比相法 分相差动电流比相判据离散化为丙1n 缶- iz 。( f ) 。( f ) 聊l ，式中( f ) 为m 侧相电流瞬时值， l 为采用傅氏算法计算( f ) 的有效值，i o p ( t ) 为分相差动电流瞬时值，为采用傅氏算法计算 l o 第二章三端差动保护原理的研究与应用 i o p ( t ) 的有效值，n 为一个周波保护的采样点数，m 为比例系数。当满足上述判据时表示区外故障 时c t 饱和，此时可以正常开放差动保护；否则认为，区外故障时c t 饱和，需要采取相应的闭锁 措施。该判据在保护启动后一直投入。 2 变化量差动电流比相法 变化量差动电流比相判据离散化为丙1 缶n - i 蝇( f ) ( f ) 肌虬嵋，式中瓴( f ) 为m 侧相电 流瞬时值的变化量，以为采用傅氏算法计算有效值的变化量，a i o p ( t ) 为分相差动电流瞬时值的变 化量，为采用傅氏算法计算有效值的变化量。当满足上述判据时表示区外故障时c t 饱和，此 时可以正常开放差动保护；否则认为，区外故障时c t 饱和，需要采取相应的闭锁措施。该判据仅 在保护启动后两周波内投入。 3 相关系数法 利用最小二乘法实时估计电流中的噪声水平，从而进行c t 饱和识别。 y r a r a y 学( 危+ 磕+ 2 艺) 纠。2 2 学一中 彳r 彳： 笪2o 2 o 型o 2 0o l h l h i 叩 ，k 为傅氏算法计算电流的实部分量，k 为傅氏算法计算电流的虚部分量， 为电流的非周期分量，即= 丙1 缶n - 1 f f 。在保护启动后分相或变化量差动电流比相法判为区外 故障c t 饱和，p s 时，为此相c t 饱和，式中s 为相关系数门槛。 保护启动后投入比相判别元件，若比相判别元件判为区外故障，则投入相关系数判据，其中包 括分相电流相关系数、差动电流相关系数和零序差流相关系数，判别出本侧c t 是否饱和，保证了 差动保护的动作灵敏度。使得差动保护在区外故障不误动的前提下给区内故障留有足够的动作范围 o s a 6 , 1 7 。 2 5 三端光纤的同步方法 对于电流差动保护，重要的是比较两侧“同时刻”的电流，在光纤通信传递保护数据信息时， 首先要将各端的采样时刻必须严格同时刻和使片j 两侧相同时刻的采样点进行计算。 多端光纤同步宜采用主从方式，通过定值设定主从，通信报文包含主从标志。如果两侧主从方 式相同时则提示告警信息。从端根据与主端的采样时间关系调整采样间隔，每个采样点调整时间应 限定每周波调整时间小于1 5 # s ，此时一周波突变量算法误差为o 8 ，两周波突变量算法误差为1 6 ， = y # 州脚 = x r x 东南大学工程硕士学位论文 工频分量傅氏积分幅值误差为o 0 4 ( 相位误差o 1 7 。) ，频率误差为0 0 8 ( 0 0 4 h z ) ，均满足保护算 法的精度要求，但对测量和低周减载有一定影响。如果用每周波n 点采样算法，最长同步时间为 ( 2 0 x 1 0 3 p s 2 + 1 5 p s ) x 2 0 m s ，即2 4 点采样的最长同步时间为5 5 6 m s ，1 2 点采样时为 l l l 2 r n s 。如果采用同步时钟晶振的频率精度为2 0 p p m ，通信中断后每秒同步误差最多增加 4 0 u s ( o 7 2 。) ，因此采用高精度晶振可以缩短通信恢复后同步采样所需的时间。考虑插值同步算法， 4 8 点采样时1 5 次频率分量的最大插值误差为0 2 1 、o 8 6 、2 1 、3 4 、5 3 ，可满足保护算 法的精度要求。插值同步法的优点是不用分主从端、可即时同步、不影响采样频率，但c p u 数据处 理负担大，最主要的时不能支持t 型线路的多端数据同步。几种同步方案的比较见表2 5 。 表2 5 两种同步方案比较表 同步采样时刻数据插值 同步方式 主从方式 对称方式 通道带宽 2 m 6 4 k2 m 6 4 k t 型线路支持不支持 c p u 处理负荷轻重 同步恢复时间有无 插值误差无 有( 可接受) 同步调整对采样影响 有( 可接受) 无 同步调整对通道延时影响有( 可接受) 无 通信延时应进行平滑滤波，当延时发生突变后，在新的通信延时稳定前不调整采样时刻，用采 样序号同步。如果通信延时不稳定时间超过晶振精度所能保证的同步采样时间，则闭锁保护直到通 信延时稳定为止。 数据传输如图2 5 所示，其中圆圈为采样点，圆圈中序号为采样序号。采样序号为单字节，每 采样点递增l 。 1 2 第二章三端差动保护原理的研究与应用 m 侧采样点n 侧采样点 图2 5 光纤数据传输不恿图 传输延时和同步误差计算公式抓丁：坠半，如：e 一笔墨， k = 丁一。一( k k ) 正。式中传输延时丁为采样到对侧接受完数据的时间，互为采样周期， k 。为本侧最近采样点序号，j 乙，为接收报文中最近接收对侧采样点序号，孵为接收报文中最近接 收报文到本侧采样时间间隔，为本侧最近采样点到接收报文的时间间隔，k 为与接收的采样 点同步的本侧采样点序号，0 。为两侧采样同步误差，对侧超前为正。 保护采样后- c r o p 发送报文，报文内容包括本次采样点序号、最近接收报文中对侧采样点序号和 最近接收报文到本次采样时间间隔。如果r 保持稳定一定时间，则根据r 将对侧数据和f 船。存入相 应缓冲，根据t 。设置采样时刻调整方向和次数。因最长5 i l l s 便能计算一次f 。，调整次数可以限制 在一周波的采样次数内，在通信不稳时停止调整，两侧依靠晶振的精度维持时间同步。 1 3 东南大学工程硕士学位论文 2 6 三端和两端运行方式的转换 鉴于t 接线正常时处在三端运行方式，但在一侧检修时又处于两端运行方式。保护通过各侧屏 上的“三两端运行切换压板”的状态，可以灵活地适应于各种运行方式。其判别逻辑为： 1 当三侧的“三两端运行切换压板”均退出时或只有任意一侧的“三两端运行切换压板”投 入时，本侧为三端运行方式，界面中的遥信量显示“三端运行方式”合。 2 当本侧的“三两端运行切换压板”投入时，如果对侧l 的“三俩端运行切换压板”也投入后， 则本侧为两端运行方式，如果本侧与对侧1 通过通道1 连接，则界面中的遥信量显示“通道l 两端运行方式”合。 3 当本侧的“三俩端运行切换压板”投入时，如果对侧2 的“三俩端运行切换压板”也投入后， 则本侧为两端运行方式，如果本侧与对侧2 通过通道2 连接，则界面中的遥信量显示“通道2 两端运行方式”合。 4 当三侧的“三厂两端运行切换压板”先后均投入后，则本侧按照先满足“2 ”或“3 ”的状态保持。 在三侧保护均运行时，使用三端运行方式，三侧的差动保护功能压板都投入，“三两端运行 切换压板”均退出。当一侧开关跳开，处于热备用状态时，这侧保护不需要退出，三侧保护可以正 常运行。只有当一侧线路的开关、保护需要检修时才需要通过投入对应的“三两端运行切换压 板”，使保护运行于两端运行方式，此时保护装置用两侧的电流进行差动计算，对另外一侧保护进 行调试不会影响另两侧正在运行的保护装置。 例如当开关检修需要退出对侧2 ，使本侧与对侧l 变为两端运行时，可以按照如下操作进行运 行方式转换，如图2 6 所示。 本侧_ - 甚抒誓i 对侧2 对侧i ( - ) 三墙运行( h ) m n 侧两墙运行 图2 6 三端和两端运行示意图 1 当对侧2 的断路器断开后，先分别投入本侧和对侧l 的“三两端运行切换压板”，然后在对侧 2 进行相关检修和保护试验以及差动保护功能压板投退时，不会对正常运行的本侧和对侧1 保 护装置造成任何影响。 2 当对侧2 检修完毕需要投入运行时，应先投入对侧2 的差动保护控制压板，再退出本侧和对侧 l 的“三两端运行切换压板”，最后合断路器则系统恢复成三端运行方式。 2 7 本章小结 纵联保护通过保护各端的电气量实现全线速动，而电流差动保护因其基本原理的独特优势，随 着光纤通信技术的发展得到推，“使用，尤其在较为特殊的三端运行方式下。 本章介绍传统两端线路的差动保护原理，再引入适用于三端线路改进后的差动保护判据，选取 合适的制动电流，分析该改进后的判据与以往判据的优点，及其在线路发生不同故障类型下的可靠 性和灵敏度。 1 4 第二章三端差动保护原理的研究与应用 考虑t 型线路的特殊性，文中还介绍了差动保护在应用中遇到的几个问题：c t 饱和的识别、电 流汲出时差动保护的措施、三端数据同步的实现方法和运行方式变化后保护应对的措施。 东南大学工程硕士学位论文 第三章自适应负荷变化的距离保护 3 1 距离继电器的主要元件 距离保护的定值整定、保护范围以及灵敏度等不易系统运行方式变化的影响， 一般应用于更高电压等级的复杂网络中。其根据故障时刻电压、电流同时变化的特 征，计算电压与电流的比值得到故障点至保护安装处的故障阻抗，亦反应故障点和 保护安装处的距离。 图3 1 距离保护示意图 为了确保在下级线路的出口处发生故障时，保护不动作，在保护区的正方向( 对 m 侧的保护，正方向是由m 侧指向n 侧的方向) 设定一个小于m n 线路全长的保护 范围定值乙甜。当k 3 点发生故障时，通过判断故障的方向为反方向，保护不应动作。 对于k 1 点和k 2 点故障都发生在线路的正方向上，通过计算出的故障阻抗和z j 甜比 较，显然k i 点故障阻抗小于z 埘，说明故障发生在整定的保护区内，保护应该动作； k 2 点故障阻抗大于z 。，说明故障发生在保护区外，保护不应动作。 随着计算机技术的普遍应用，由圆特性阻抗继电器逐步向多边形特性的距离继 电器发展，其中电抗元件实现测量距离功能，方向元件完成方向判别，电阻元件用 来耐过渡电阻和躲负荷，方向元件和电阻元件为各段继电器所共用。多边形特性距离 继电器最明显的优点是解决了整定阻抗在满足灵敏度的要求和躲开最小负荷阻抗之间的 矛盾。电阻元件单独整定，使在长线上躲开负荷，在短线上覆盖很大的过渡电阻成 为可能。多边形的上边适当的向下倾斜，有效地避免稳态超越的问题【i e 0u 引j 。 3 1 1 偏移阻抗元件 保护测量阻抗在r x 平面上进入闭合的黑实线内时，偏移阻抗元件动作。偏移 阻抗元件是一种多边形特性的阻抗继电器，由距离保护阻抗定值互甜、距离电阻定值 r “、线路正序阻抗角，甜三个定值即可确定其动作范围。电阻偏移门槛和电抗偏移 门槛由保护自动生成： 1 6 第三章自适应负荷变化的距离保护 r 分量的偏移门槛取r 。m i n ( 0 5 r , 盯，0 5 z , 甜) ，即取o 5 r , “和0 5 z , 。，的较小值。 x 分量的偏移门槛取x = m i n ( 0 5 f 2 ，0 5 z , “) ，即取0 5 f 2 和0 5 z , “的较小值。 偏移阻抗元件按z 二、琵、艺段分别动作，是距离继电器的主要动作元件。偏 移阻抗i 、i i 段元件在动作特性平面第一象限右上角有下倾，是为了避免区外故障 时可能超越，接地距离的下倾角为1 2 。，相间距离的下倾角为2 4 。为了使各段的电 阻分量便于配合，本特性电阻侧的边界线的倾角与线路阻抗角巾相同，这样在保护 各段范围内，具有相同的耐故障电阻能力。 3 1 2 全阻抗辅助元件 x ；窀 ；l ! 芭| ? ， | 宅| | 吃z 吃 r i 屯 r _ x 图3 1 1 偏移阻抗元件特性 全阻抗性质的辅助阻抗元件，由距离i i i 段阻抗定值z 等、距离电阻定值r 甜、线 路正序阻抗角埘三个定值确定其动作范围。全阻抗辅助元件不作为故障范围判别 动作的主要元件，是距离保护的辅助元件，应用于静稳破坏检测、故障选相、保护 整组复归判断等。 xi ：zm l | l | | 、巾。人中， 一 8 图3 1 2 全阻抗辅助元件特性 1 7 东南人学工程硕士学位论文 3 1 3 正序方向