（电力系统及其自动化专业论文）关于t接线路继电保护若干问题的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文关于t 接线路继电保护若干 问题的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他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 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毖磁e t期：兰! 丝兰 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：壶盈雍 日期：垄! 芝：0 导师签名：礁 日 期：趁鳝：z ：2 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的背景和意义 在高压电网中，随着电力系统的发展和负荷密度的增长，从设备投资的经济效 益与征地的困难出发，常常出现高压重负荷三端( t 型) 或三端以上的多端输电线 路。这些线路又常常联系着大电厂和大系统，要求快速切除线路上的故障。与两端 线路相比，三端或者多端输电线路有其自身特殊性： ( 1 ) 区外短路时，某侧c t 将流过其他两侧短路电流之和，这个c t 有严重饱和的 可能。 ( 2 ) 三端系统有可能发生内部故障，而某侧有故障电流流出的现象。 基于以上t 接线路特点，在两端线路中具有良好性能的距离高频保护和方向高 频保护应用于t 接线路时存在一些问题“。，单纯比较各端电流的相位或各端电压与 电流之间的相角差等方法都不十分理想。而电流差动保护既比较相位又比较幅值， 可以较好解决这一问题。 故障测距的目的在于输电线路发生故障后，迅速找到故障点进行处理( 永久性 故障) 和维护( 瞬时性故障) 。精确的故障测距，可以大大节省人力物力，减轻工 作人员的劳动强度，亦可使故障线路迅速恢复供电，减少因停电造成的巨大经济损 失。传统的两端线路故障测距方法直接应用于t 接线路并不可行。因此，对在t 接 线路上实现高精度故障定位的算法进行研究是必要的。 在我国高压及超高压输电系统中，为了提高系统稳定性，广泛采用单相重合闸。 由于选相跳闸的需要，选相元件非常重要。目前的选相元件主要应用突变量( 相电 流差突变量或相电压差突变量) 或序分量( 电压序分量或电流序分量) 选相。作为 电流型选相元件。“”“j ，在弱电源侧灵敏度可能不足，在单电源受电侧由于只有 零序电流流过而无法选相( 不计负荷电流) ：对于转换性故障和平行双回线路的跨 线接地故障不能正确选出故障相”3 。电压型选相元件”“”可解决这些问题，但在长线 路术端故障时，其灵敏度可能不足“! 。因此研究性能更为优越的选相元件很有必要。 由于电流差动保护具有天然选相能力，所以该选相元件主要用于t 接线路后备保护。 1 2 传统保护在t 接线路中存在的问题 1 2 1 t 接线路对距离高频保护的影响 传送闭锁信号的距离高频保护，其起动发讯元件在我国一般使用的是电流元件， 例如距离保护装置中的负序与零序电流( 或增量) 元件。而停讯元件大都采用对本 线路全长范围内的故障有足够灵敏度的第1 i 段或第1 i i 段方向阻抗元件。为了保 证区外故障时，当远离故障端的停讯元件动作时，近故障端的起动发讯元件能可靠 起动发讯将保护闭锁，要求起动发讯元件的灵敏度( 保护范围) 大于停讯元件的灵 1 华北电力人学硕十学能论文 敏度( 保护范围) 1 5 2 倍以上。但是这样的保护装置在三端线路上会遇到下列一 些问题。 一内部短路时停讯的阻抗元件灵敏度下降的问题 圈( 卜1 ) 三端输电线路内部故障 在图( 1 一1 ) 所示的系统内部d 点发生短路时，m 端与p 端的阻抗继电器由于助增 电流的影响使测量阻抗大大增加，它们的值是： ， z 肼= z ，。+ ( 1 + 三) z 9 d 1 ， i z p = z p 。+ ( 1 + ：笋) z 口d p 测量阻抗的增大使作为停讯元件使用的阻抗继电器的灵敏度下降，如果内部短路时 它们拒动而不能停讯，则将造成三端高频保护的拒动。因而作为停讯用的阻抗元件 其动作值应确保在所有的内部短路时都有足够的灵敏度。但是这样可能导致其动作 值的整定与躲最小负荷阻抗相矛盾。 二起动发讯元件和停讯元件的灵敏度配合问题 幽( 1 2 ) 三端线路外部短路时的电流分布 在图( 卜2 ) 所示的系统中，三端线路外部的d 点发生短路时，m 端阻抗停讯元件 由于外汲作用将使测量阻抗下降。 和燕= 必半型+ 了z ( 2 n + z n o i q 假如，：，。，贝4 z 。：z 删+ 毕 2 华北电力大学硕士学位论文 阻抗停讯元件原先的灵敏度就较高，现在测量阻抗的下降使它的保护范围进一步 伸长。在这种情况下，为了使距离高频保护不致误动作，要求另外两端即p 或n 端 的起动发讯元件至少有一端一定要可靠起动发讯元件来闭锁m 端的保护。但是，由 于p 、n 两端都有电流流出，故使每一端流出的电流减少，最严重的情况是，当，。= j 时，p 与n 端流出的电流只有m 端流入电流的一半，因而该两端的起动发讯元件的 灵敏度下降。m 端停讯元件灵敏度的提高与p 、n 端发讯元件灵敏度的下降，可能达 不到它们的灵敏度要有1 5 2 倍的配合要求。 三内部短路时短路电流的流出问题 幽( 卜3 ) 内部短路时短路电流的流出情况 在图( 1 3 ) 所示的三端线路上发生内部短路时，在n 、p 端都有可能有电流流 出，尤其是短路点d 靠近x 母线，p q 线路很长而p 端容量又很小时。最大的流出电 流，可达流入电流，。的将近一半。p 端由于有电流流出而起动发讯，但因测量阻抗 是反方向的，阻抗停讯元件不动作，发讯机一直发出高频闭锁信号，从而造成三端 距离高频保护都拒动。上述情况只能等n 端的距离保护第1 段动作于跳闸后，使电 流重新分布，m 、p 端都是流入电流，距离高频保护相继动作切除故障。 12 2t 接线路对方向高频保护的影响 传送闭锁信号的负序或零序方向高频保护的发讯元件一般是使用电流( 负序或 零序) 元件或者反方向的方向( 负序或零序功率方向) 元件。并使用j 下方向的方向 元件与电流元件组成与门作为停讯元件。为保证区外故障时方向高频保护不误动， 起讯元件的灵敏度要比停讯元件的灵敏度高1 5 2 倍以上。这样的保护装置在三 端线路上会遇到下列一些问题： 一起动发讯元件与停讯元件的灵敏度配合问题 在图( 1 2 ) 所示的外部故障情况下，m 端的停讯方向元件判断为f 方向而动作。 为了保证方向高频保护不会误动，一定要求另外两端中至少有一端的发讯元件能动 作发讯。在p 、n 端都是流出电流的情况下，最严重的情况是l = ，。此时 ，。，= 0 + ? 。= 2 ，也就是p 、n 端流出的电流仅为m 端流入电流的一半。所以，为 了保证保护能被可靠闭锁，要求作为停讯用的电流元件的动作电流，。m 与作为起动 发讯用的电流元件或反方向的方向元件的动作电流，”出满足，m 2 ，”* 的关系。这样 3 华北电力人学硕十学俺论文 i 能确保灵敏度的配合，否则在上述情况下将引起保护误动。 二内部短路时短路电流的流出问题 在图( 卜3 ) 所示的内部故障情况下，由于故障线路的p 端有电流流出而起动发 讯，但该端正方向方向元件不动作，不能停讯。所以p 端一直发出高频闭锁信号， 造成三端方向高频保护都拒动。如将p 端起动发讯元件的动作电流按大于该时的流 出电流，。来整定，虽可避免上述的拒动，但是起动发讯元件的整定值抬高以后，为 满足停讯元件与起动发讯元件的灵敏度配合关系，其停讯元件的灵敏度将抬的更 高，从而严重影响内部短路时的灵敏度。这时只能靠n 端的零序电流保护i 段动作 将断路器断开后，线路成为两端输电线路，随后m 、p 端的方向高频保护再相继动 作切除故障。 由以上分析可知，对于t 接线路或者多端线路来说，距离高频保护、方向高频 保护均存在这样或那样的问题，t 接线路继电保护有它的独特之处，普通线路中性 能良好的保护不一定适合t 接线路“。单纯比较各端电流的相位或各端电压与电 流之间的相角差等方法都不十分理想。而电流差动保护既比较相位又比较幅值，可 以较好解决这一问题。 1 3 电流差动保护综述 1 3 1 电流差动保护的发展历史 电流差动保护原理是在本世纪初提出的，由于其原理简单可靠而被广泛用作电 力系统的发电机、变压器、母线和大型电动机等元件的主保护。电流差动保护原理 在电力线路上的应用，最早就是传统的导引线保护。它可作为高中压电网中的短距 离线路的全线速动主保护。对于中长距离的输电线路，由于难以测量线路对端的电 流，而在相当长时问内，难以应用电流差动保护原理。 随着微波通信技术、光纤通信技术的发展和其在电力系统通信中的逐渐应用， 又先后出现了输电线路的微波电流差动保护和光纤电流差动保护。在国外，日本7 0 年代就有分相电流差动微波保护”。在我国，也较早开展了输电线路的分相电流差 动微波保护的研究，1 9 7 9 年就有相应的科研报告发表“”“。进入8 0 年代，只本又 最先研究数字式电流差动微波保护”3 。8 0 年代末以来，英国g e c 公司和a b b 公司也 相应研制出各自的数字式电流差动保护装置。我国于8 0 年代末，开始研制数字式 电流差动微波保护。第一套可用于长距离输电线路的数字式微波电流差动保护 w x h 一1 4 型高压线路微机微波电流差动保护装置，于1 9 9 4 年完成并通过鉴定。由于 光纤通信在电力通信系统中的使用较少，需为光纤电流差动保护配设专用光缆，所 以，光纤电流羞动保护通常被设计用于短距离输电线路“。由于电力通信及其它诸 多原因，微波、光纤电流差动保护在我国电力系统继电保护中的实际应用一直非常 少。 4 华北电力人! 学硕士学位论文 在国外，数字式电流差动保护的应用较多，尤其是在日本和英国，数字式电流 差动保护是输电线路主保护中应用最多的保护，在其他国家也有应用。随着通信技 术的向前发展和光纤等通信设备的成本下降，近几年，我国的通信发展很快，电力 通信系统中也在逐步应用光纤通信。不少地方已经引进了日本东芝公司、英国g e c 公司和a b b 公司的数字电流差动保护装置。这些装置可用于数字微波或光纤通信系 统、以及短距离的专用光纤通道上。 1 3 2 电流差动保护特点 用于高压线路的电流差动保护基本动作判据可表示为“： m 如 ( 1 ) 圳，k i f ( i , ) l ( 2 ) 式中：，一线路各端电流相量和( 规定各端电流的正方向为母线流向被保护线路) ； f ( ，) 一各端电流的函数；k 一制动系数；，。一差动保护的整定值。 ( 2 ) 式不等号的左边与右边分别为动作量和制动量。从实现继电保护所要求的故 障信息的观点来分析，该判据的动作量是非常理想的。它的结果完全消除了被保护 线路非故障状态下的电流。不管被保护线路非故障状态下的电流怎么复杂变化，它 都具有精确提取内部故障分量的能力。因此，它能适应电力系统的振荡、非全相等 各种复杂的运行状态。这是电流差动保护的优点之一。 从( 1 ) 、( 2 ) 式中不难看出，电流差动保护判据仅需测量被保护线路的各端电 流，测量简单方便，同其他需要电压量的线路保护判据相比，具有不受p t 断线影 口蚓的特点。可以说，它更为简单可靠。由于简单，从原理上来看，电流差动保护的 动作速度可以做到很快。这是电流差动保护的优点之二。 由于高压线路中单相重合闸的需要，保护要具有选相跳闸能力。电流差动保护 可以设计成分相保护，因此具有良好的天然选相能力。这是优点之三。 电流差动保护判据是建立在基尔霍夫电流定理基础之上的，因此，当不计分布 电容电流时，它可以适应任何拓扑结构的复杂电力网络。同目f i 所使用的高压线路 保护相比，它更为适应t 接线路及多端线路对保护的要求。这是优点之四。 对于高压及超高压长距离输电线路，由于线路分布电容电流较大，将会影响电 流差动保护判据的测量准确性，这是其不足。目前只能通过降低保护灵敏度或者通 过适当补偿做一定弥补“”“。但总的来说，这也仅仅只是影响到它的应用范围。而 事实上，对于目前大多数高压及超高压长距离输电线路来说，电流差动保护的灵敏 度还是完全足够的。 1 3 3 本文主要工作 本文提出了适用于t 接线路的故障分量电流差动保护判据，同时对故障测距和故障 5 华北电力大学硕士学位论文 选相进行了，研究。具体工作如下： ( 1 ) 分析了高频距离保护和高频方向保护应用于t 接线路时存在的问题。 ( 2 ) 概述了电流差动保护特点，对全电流差动保护判据进行了简略分析，负荷电流对 全电流差动保护具有不利影响。 ( 3 ) 提出基于故障分量电流相量的差动判据，对判据在各种故障情况下的性能进行了 理论分析，讨论了判据计算量的简化、数据传输及处理、各判据的逻辑配合关系。 最后利用a t p 仿真工具进行了数字仿真。 ( 4 ) 提出了基于分布参数特性，适用于超高压长线路的故障测距方法。 ( j ) 提出了适用于输电线路两点异相故障的时域测距方法。 ( 6 ) 利用相电压差突变量和相电流差突变量构造标量，基于标量间的关系实现选相。 6 华北电力人学硕士学位论文 第二章利用故障分量的电流相量差动保护判据分析与仿真 2 1 t 接线路全电流差动保护判据概述 出绪论可知，对于t 接线路来说，距离高频保护、方向高频保护存在这样或那 样的问题。单纯比较各端电流的相位或各端电压与电流之间的相角差等方法都不十 分理想。只有既比较相位又比较幅值的电流差动保护原理可以较好解决这一问题。 目前，基于工频正弦量的全电流相量差动判据在实际中应用较多，根据所采用制动 量的不同，主要有下述方案( 设t 接线路三端分别为m 、n 、p ) ： ( 1 ) 单一的标量和制动方式 卜聃卟 ，。 ( 2 _ - ) j ”+ ，w + ，i 足c f ? “f + ”1 + i ， c z z ， 其中，属为制动系数( 0 ( k 。( 1 ) ，l 为整定值( 标量) 。 ( 2 ) 标量和制动方式+ 大电流域制动方式 + + ，p l ，蚵 i i m + ，w + j l k c i ，”l + l j w + l ， + k ：e l ” + l ，v i + l ，l 一，。r ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 其中氲、盥一制动系数( 0 ( 丘 ，耐 ( 2 5 ) 删据在电删、时1 1 玎+ 1 。，t q + 7 蜒：燃j 比魄靳砑部故( 障2 - 线o ) 7 华北电力大学硕士学位论文 的一条直线，电流较大时，加入了制动特性，使斜率发生变化。 式( 2 4 ) ( 2 - 6 ) 是对式( 2 一1 ) 和式( 2 2 ) 的改进，防止了大电流时因电流互感 器饱和而引起的误动。但其为保证区外短路时有足够的防卫度，在区内短路时的灵 敏度会受到影响。同时，判据中所用各端电流量在系统正常时为负荷电流，在故障 情况下为包括负荷电流在内的故障后稳态工频量。在系统正常运行或发生外部故障 时，由于负荷电流为穿越性电流，其存在不会对差动判据造成不利影响( 不考虑分 布电容) 。但是当发生内部故障时，负荷电流对各端故障分量电流大小和相位的影 响总是使其朝着不利于保护动作的方向发展：允许过渡电阻的能力不尽如人意，在 某些情况下灵敏度不能满足要求”。 全电流差动判据由于引入了负荷电流，降低了区内故障的灵敏度，在高阻故障 并伴随有大负荷送出的情况下保护甚至可能拒动。因此，为消除负荷电流影响，本 文采用基于故障分量的电流相量差动保护，在判据设计上兼顾了区外故障时的安全 性和区内故障时的灵敏性。 2 2 t 接线路故障分量电流特点 电力系统在故障时可近似分为故障分量系统与正常运行系统的叠加。为消除负 荷电流影响，采用故障分量系统分析。图( 2 一1 ) 为一t 接线路故障分量系统。为分 析方便，假设故障发生在m t 分支线路，f 、r 分别为线路外部故障点和内部故障 点，电流方向为母线指向线路。当发生内部故障时( 即e 点故障) ，若忽略故障电 流在各端传播时间的差别、各端阻抗角的差异以及信号的同步误差时，三端电流同 相，相互间的相对相差为零。当f 点故障时，端和p 端故障分量电流同相，且与 m 端反相。上述为最理想情况，即对保护最有利的情况。但实际上，由于各端阻抗 角的不同和线路分布电容影响，各端电流并不具有上述理想关系。卜面以前十系统 为驯分析，暂不考虑分布电容影响。 图( 2 i ) t 接线路故障分量网络 | 生i ( 2 2 a ) t 接线路内部故障网络图幽( 2 2 - b ) t 接线路外部故障网络幽 8 华北电力火学硕七学位论文 22 1 发生内部故障时故障分量电流特点，如图( 2 - 2 - a ) 。 图中，峨，、o 护“，分别为三端的故障分量电流，易知 , m m = ( z p + z f , r ) ( z m p + ； 胛+ z 村) ， l n = h z + z p ) 曝p r + z p + z ，+ z ) 冷r ，= 【( 乙7 + z 、) l ( z p 7 + 乙+ z 。r + z v ) 】蝎 ，r = ( z 斛只+ z ，) ( z 肿十z 盯+ z “) 1 ， 其中： z m p = ( z r + z n ) ( z p r + z p ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 由上述故障分量电流表达式可知，三端电流的相位关系仅取决于各阻抗的阻抗 角。当忽略各阻抗的电阻分量，只计及电抗分量时，由式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 可得出。、o 和越相位相同，同时由式( 2 - 7 ) 、( 2 - 1 0 ) 可得。，和鸥相位相同，从而三端故障 分量电流相位相同，此即为最理想情况。对于实际输电线路，各分支线路的阻抗角 差异是很小的，考虑最不利情况，在母线m 出口处发生故障：z 。，；0 ，且各端系 统阻抗存在较大角差，此时缸，和o ，之间的相角差也不会超过4 0 0 ，又因。、“， 与出，近似同相，因此三端故障分量电流相位关系具有良好的同相性。 从理论上讲，只要故障点的过渡电阻不是无穷大，内部故障时三端故障分量电 流的相位关系就不会改变，这为提高保护判据允许过渡电阻能力提供了理论依据。 2 22 发生外部故障对故障分量电流特点，如图( 2 - 2 一b ) 。 类于上述分析易知，远故障点的两端故障分量电流止。和o ，相位近似相等，与 近故障点的0 。相位近似相反，且有关系战= 一( o ，+ “。) 。 2 2 3 考虑分布电容影响时放障分量电流特点 上述分析中，未考虑线路分布电容的影响。在电压等级低，输电线路较短的情 况下，分布电容很小，可忽略其影响。在超高压长输电线路上，由于采用了分裂导 线，线路的感抗减少，分前i 电容增大，线路越长则分布电容的等值容抗越小，其对 故障分量电流的影响不容忽视。 对于区内故障，分布电容引起了故障分量电流的分流，但由于每百公里线路容 抗在2 0 0 0 n 以上，远远大于线路阻抗和系统阻抗之和，因此故障点两侧的综合阻抗 仍为感性，分稚电容对三端电流故障分量相量的相位关系影响不大，但对其幅值有 一定影响。考虑最不利情况：没在n 端出口处发生内部故障，且m 端和p 端为负荷。 由于系统负荷主要是异步电动机，一般其功率因数在0 6 8 o 9 之间，也就是说其 9 华北电力火学硕士学位论文 阻抗角在4 7 0 2 5 8o 之间，此时，故障点两侧的综合阻抗仍为感性，且两健康分支 线路的综合阻抗也为感性，因此该种情况下三端电流故障分量相量处在同一四分之 一极坐标范围内，即三者之间的最大角差不超过9 0 0 。 同理，区外故障时，分布电容对三端故障分量电流相位关系影响也不大，即远 故障两侧的电流故障分量相量相角差不超过9 0 0 ，且均与近故障侧电流相位差超过 9 0 0 ，即三者不在同一四分之一极坐标范围内o “。 纵上所述，分布电容对三端故障分量电流相量的相位关系影响不是很大，三端 电流仍近似具有不考虑分布电容时发生内外部故障的相位特点。对于电流幅值，特 别是故障分量电流较小时，分布电容对其影响更大一些。因此在进行电流差动判据 设计时，应充分对上述特点进行考虑。 2 3 基于故障分量的电流差动保护判据 根据t 接线路内外部故障时各端故障分量电流特点，提出以下分相差动动作判 据： i 心，+ “。+ m p l l o ( 2 1 2 ) 阮+ 峨| 阻一矾 1 0 + ，+ o ，l 1 心，一o ，i l 峨+ 嘶i l - ，一心| ( 2 - 1 3 - i ) ( 2 13 2 ) ( 2 13 3 ) i “。+ o 。+ o ，1 k t m m 。一址i ( 2 14 ) 式中：o 。为三侧电流最大者，止：为另两侧电流之和；k 为比例制动系数。 式( 2 一1 2 ) 为辅助判据：式( 2 一1 3 ) 为主判据1 ，当三式同时满足时发跳闸令：式 ( 2 一l 4 ) 为主判据2 。上述判据的跳阐逻辑关系为： 主判据1 是比相动作判据，与电流幅值大小无关，动作条件是三端电流两两之 间的相位差不超过9 0 0 ，即三端故障分量电流相量同时落在四分之一极坐标范围内 时动作。这种判据在区外短路时的防卫度非常高，不会因c t 严重饱和而误动。同 时对绝大部分区内故障能满足动作条件，但不反应有电流流出的内部故障。 主判据2 中，当k = 0 6 时，称为高灵敏判据，k = l 时为低灵敏判据。制动量取 b ，一一，：i 可在外部故障时取得最大制动量，对保护安全性有利；在内部故障时取 1 0 华北电力人学硕十学何论文 得最小值，从而提高保护的灵敏度。 辅助判据式( 2 1 2 ) 主要用以防止线路空投或空载情况下装置误动作。因为在该 种情况下，主判据满足动作条件，需由式( 2 1 2 ) 把关。厶的整定考虑下叙情况： ( 1 ) 线路外部故障特别是电源出口处故障时，应躲过外部故障分布电容的暂态放 电电流。 ( 2 ) 线路空载时，流过三端的电流均为电容电流，主判据成立，定值。的整定须 躲过线路的稳态电容电流，并留有一定裕度。若整定较大，将影响到区内故障时保 护过渡电阻的能力。 ( 3 ) 为保证区内故障时非故障相可靠不误动，。的接定应躲过线路分布电容电流 的故障分量，并留有一定裕度。 为了保护所有相别，每相均按式( 2 1 2 ) ( 2 - 1 4 ) 构成差动保护，从而可实现分 相跳闸。 2 3 1 判据的幅值特性 设流入电流为o 。，流出电流为缸4 - - - 者之间的相角差为z ( 即反相) ，则 差动判据可表示为： 陋+ o 。，i 足陋一心。i - 1 1 “1 一i 也。i 足( 陋l + i 缸。i ) j l 。f 2 + l “。1 2 2 丁i j + k f 2 i 叫。| | 。i o ( 2 1 5 ) 下面讨论k 不同时判据不误动所允许的幅值误差： 当k = 1 时，由式( 2 1 5 ) 可知两电流幅值相对允许误差可达1 0 0 ，即当f “。l = 0 或l “。f - o 时，保护仍能可靠不动。 当k = 0 6 时，由式( 2 一1 5 ) 可解得 ( 4 陋h 心取陋1 - 4 1 “。1 ) o 由上式知当l “。i k 2 ( “。1 2 + i 屯，1 2 2 i 出。l j l ，l c 。s 1 9 ) 1 1 华北电力火学硕士学位论文 j 焉+ c o s d 0 ( 2 _ 1 6 ) 1 + 足2 由式( 2 一1 6 ) 可知，当k = l 时，允许电流相位偏移9 0 0 ；当k = 0 6 时，允许相位偏移6 2 0 ( 均相对于相位差为z 的理想情况而言) 。 2 4 不同情况下保护判据性能分析 2 4 1 外部故障时性能分析 由t 接线路内外部故障时三端故障分量电流的相位关系易知，对主判据1 ，对应 于远故障两端故障分量电流的判据式将动作，另外两个判据式不会动作，因此，主 判据1 可靠不动：对主判据2 ，动作量很小或接近于零，制动量为2 l “f ，可靠不 动。 2 4 2 内部故障无故障电流流出时性能分析 此时三端故障分量电流的相位接近同相，对于主判据l 和2 ，动作量远大于制动 量，能够可靠动作。 需说明的是，过渡电阻的存在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，因此理论上说，主判据1 和高灵敏判据保护过渡电阻的能力为 无穷大。但由于辅助判据式的存在，当其门槛值固定后，对于给定的系统和给定的 短路地点，可通过辅助判据和主判据求出差动保护所能反映的过渡电阻极限值，因 此整个差动判据保护过渡电阻的能力并非无穷大。 24 3 内部故障有故障电流流出时性能分析 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 - 3 ) 所示 图( 2 3 1 内部故障有故障电流流出 当m 端系统阻抗较小，p t 线路很长而p 端系统阻抗较大且短路点靠近n 母线 时，在s 端可能有电流流出，最大流出电流“，可达流入电流o ，将近一半。此时， 三端故障分量电流的特点为： 相位关系：两流入电流l 和“。的相位接近同相，与流出电流l 接近反相。 大小关系：i “。i i 鸱，i ，l o 。| i i ；i 比i 和i 厶f 的大小关系不定。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 所以。当内部故障有故障电流流出时- 此时主判据1 将拒动。 假定两流入电流相位完全相同，且与流出电流相位相反，并有j l 卜j 。j ，则 主判据2 为： i k f + i o 。h 止，f 足( f 屯h 业小一l o 。) j 等+ 川 由上式可见，无论k = 1 抑或k = 0 6 ，该式永远成立，保护动作与流出电流的大 小无关。 2 44 外部故障c t 饱和时判据性能分析 由于超高压输电线路分布电容、分布电感的存在，使得发生故障时的电流中， 包含有各种谐波分量和衰减的非周期分量。其衰减时闯常数的大小，根据不同系统 短路的位罱和特性，可在百分之几秒和十分之几秒内变化。当一次电流很大，尤其 是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 接线路外部故障时，近故障侧c t 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，而成为一个较大的量值。下面 分析差动判据在c t 饱和时的性能。 对于主判据1 和低灵敏翔据，以输入电流哦和输出电流心。来表示： m 十她。j l 业。一也 ( 2 1 7 ) 设“。和o 。之间的相角差为占，将式( 2 一1 7 ) 利用三角函数展开： 怫h “。f 一2 k f i 心。陋( 厅一口) m 叫吒1 2 一z m | i 心。陋护 j f o 。 出。l c o s 6 0 ( 2 一1 8 由式( 2 - 1 8 ) 可知，当o 0 i z 。一( z 。+ z 。) i 。同时设o = l ，所以对主判据2 不 管k 取何值，其总成立。 对于主判据l ，运用上述分析方法对该种故障情况进行分析后可知成立。 因此，非全相运行再故障时保护能可靠动作。 24 7 一端或两端为弱馈或负荷侧时保护的分相跳闸能力 分析时假设线路以及系统的正负序参数相等，这与实际工程中的情况相一致。 下面以a 相单相接地为例，来分析各相差动保护的动作行为。 t 接线路a 相内部故障时的等效附加j 下序网和零序网分别如图( 2 - 5 一a ) 和 卷 刍飘嘞缝 华北电力人学硕十学能论文 ( 2 - 5 一b ) ： 等”尊干b f 督，。矿计1 f ? a 誉 2 - 5 一a 内部故障时的等效附加正序网2 - 5 - b 内部故障时零序网 令z 吧? = z y n + z m ；z 嗡= z 盯l + z h ；zx 口= z h + z 。；z n p j = z 妇| z t n 上式中i = o ，l ，分别代表正序参数和零序参数。 则 c 矿瓦z i ”+ 二z 瓦s p , c m = 瓦了z 磊“l 百瓦z 了p e t 瓦 c n = z m z m ， z 仍+ z 丌1 + z z 腮f + z p 口 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) c m , 、c 。、c 。分别为三端的正序故障分量电流分配系数( i = 1 ) 和零序电流分配系 数( i = o ) 。 易知：c n + c m + c h = l ( 2 - 2 3 ) 考虑极端情况为不计负荷电流，此时负荷侧的等效系统正负序阻抗为无穷大， 以m ，n 侧为负荷侧为例分析，则z 。= z 。，= m ，z m = z n l ，代入式( 2 2 0 ) 一( 2 2 2 ) 可得： c m l = c l = 0 ；c p l = l 。 ( 2 2 4 ) a 相单相接地的边界条件为： 1 i f = l f 2 = l f q = 三l f 三端各相故障分量电流为： 止轴= c 副? ，l + c s 2 7 ，2 + c 印j ，。= 2 c s t j ，1 + c s o ? ，o ( 2 2 5 ) 出= 毋c l i n + g c cs 2 i f l + c i | q 瞧一2 6 ) o m = a c s i ，i + 口2 c 5 2 j 2 + c n o ，o 上式中s = m ，n ，p ，分别代表t 接线路的三端。 1 6 ( 2 - 2 7 ) 华北电力人学硕十学位论文 对于故障相a 相： 主判据1 ： 对于式( 2 1 3 1 ) l o 。+ 岔。l = 1 3 1 2 ( c m ，+ c 、，) + ( 。+ c ，。) t l = 1 3 c 。+ c 。j ， l 止。一出。i - l 3 1 2 ( c 。，一c x l ) + ( c ，。一c 。) 4 j ，l = 1 3 l c 。一c , i o l l i ， 由于c 。与c 。2 f i j 的最大相角差不超过9 0 度，有： l c 。+ c 。i i c 。一c 。i 等l 叱+ a j 。i l o 。一止。l 对于式( 2 - 13 - 2 ) ： o 。+ o 。 = 1 2 c 。，。+ c ，。，。+ 2 c ，+ c e o j ，0 1 = 1 1 3 2 + c “。+ c ，。怫 l o 。一心。l = 2 c u ，t 。+ o 。一2 0 。t ；一c ，。l i = 1 1 3 1 2 + c ，。一c m 。1 1 6 i o 。、c ，。或者为实数，或者偏离复平面上实轴一个很小的角度，因此2 + c ，。与q ，。 之恻的角度差不超过9 0 ”，所以： j 2 + 。+ c ，o | k 。一c ，。一2 i ；i “。+ “。| i 氏一一i 对式( 2 - 1 3 - 3 ) 同样可知成立。 主判掘2 ： 设m 侧故障分量最大，即i m a x = u m ，蝇= + n 。 由式( 2 2 5 ) 、( 2 - 2 3 ) 、( 2 - 2 4 ) 可得： i “。+ “。+ o 。| - ( c 。+ c 。+ c ，。) ，。+ 2 j 川 足p - a j ：l = 足l 缸。一心。一止。i - k i c 。f ，o c 。? ，o c ，。j ，。一2 j 川= k 1 3 1 3 2 c ”。帆 为简化分析，忽略各阻抗的电阻部分，此时c u 。为一实数， 则： 徽 3 p ：) z s ) i h + ，m + m l 当k = 1h , - j - ，由于0 c ，o 1 j 0 ( 3 2 c o o ) 1 ，可靠动作。 当k = o 6 时，0 l 止，。一“、。l i 比+ o 。i = 。+ c ，。- l l j ，。i = c 。托“ l “。一出。l = i o 。一c e 。+ l l l # o = 1 2 c 。+ c 。忆。l 【c 。4 ，。l j i 必。+ 心。i ，。 ( 2 3 2 一1 ) f n + m + ，f 厶 ( 2 3 2 2 ) 二者之间是或的关系，任一式满足便转入主判据进行判断。 以上两式与式( 2 一1 2 ) 是有出入的，在一定范围内相当于提高了式( 2 一1 2 ) 的门槛 值，变动的最大范围是相当于门槛值提高2 2 倍。下面进行证明： 1 9 华北电力火学硕士学位论文 设l ，。i = i 峨+ 止。+ 缸，i = i ( t a - 。, s + n 。+ 峨) + ( 。+ 甜。+ 屿。) l 同时令占为l 与复平面坐标横轴之间夹角。 则 l j 小。s 占= l 鸲n + ，w + 峨l 0 。巧4 5 。 l i a i s i n 8 = i a u c + 缸w + u 。l 4 5 。占9 0 。 由于( 2 3 2 ) 式是或门关系，因此当占= 0 0 或占= 9 0 0 时，其与式( 2 一1 2 ) 是完全一 致的；当万= 4 5 。时，i ，。l c o s 占= k i s i n 占= 互2 i ，。l ，动作量降到原值的i 2 倍，即相 当于门槛值提高了2 2 倍，该种情况是式( 2 - 1 2 ) 的最不灵敏点。 根据上述分析可知，当由式( 2 3 2 ) 代替式( 2 一1 2 ) 时，对保护的安全性更加有利， 但同时降低了灵敏度。因此，在实际整定时应对其进行充分考虑。 对于主判据1 ： 出。s + j 出c + 出q s + j 猷d 出。s + j 出。c 一出一j 出。a ( ，圳+ u w ) 2 + ( “ 牝+ m ) 2 ( u 圳一叫州) 2 + ( u 川一m ) 2 j 触u s 越n s + m 址n c 0 t 2 - 3 3 一n 同理可得：峨s 目+ ，c 盯 0 ( 2 - 3 3 2 ) u + ma h 0 ( 2 - 3 3 3 ) 对于主判据2 ( 为分析方便，设i 哦l 最大) 。 低灵敏判据( 即k = 1 ) ，同上述分析可得以实虚部表示为： w ( 出m + b ) + 世( u w + ，k ) 0 ( 2 - 3 4 ) 高灵敏判据( 即k = 0 6 ) 可得： 2 暑掣m + 越n s + 槛p s 七2 5 心w + 出w + 拭n j 9 心h s 一l s 一挝p 了+ 9 l l 一俎w 一越0 j 瞄m s + 4 出q s + 4 3 e s ) ( 4 k m s + l + 垃0 + 雌+ 4 2 5 n c + 4 2 5 e c ) ( 4 k u c + 醚n c + 出o o t 2 - 3 5 、 式( 2 3 5 ) 中，对于各量的4 倍，在微机中实现只是进行两次右移计算而已。 经过对差动判据进行上述处理后，其计算量可得到明显减少。 25 2 数据采集及处理 对分相电流纵差保护而言，在有限的通信速率下，通道传送的数据只能是一种 形式的电流数据，即瞬时值或相量。本文判据既使用工频故障分量电流( 在故障初 期3 0 m s 内) 又使用工频全电流( 在故障发生3 0 m s 后) ，为满足判据对不同工频量 2 0 华北电力人学硕士学位论文 的需求，各端保护间传送的数据应是同时刻采集的全电流瞬时值，基于g p s 的同步 采样方法可满足差动保护对采样同步的要求t 3 2 】f 3 3 1 。 各端保护在收到其他端送来的电流采样值后，根据故障分量提取算法不断进行 故障分量瞬时值( 采样值) 的计算，并将计算结果存入采样值放置区。在故障起动 后，为加快内部故障的动作速度，可采用动态跳闸方式。”：在故障后第一个整周数 据窗完成之前，首先利用半周富氏算法”“进行基波故障分量电流的计算，然后在第 一个数据窗完成后，改用全周富氏算法进行基波故障分量电流的计算。超过3 0 m s 后，用全周富氏算法计算全电流基波分量，并适时将判据中故障分量电流改为全电 流分量。 2 5 3 各判据配合关系 本文所提方案包括三种判据，可根据系统运行情况，自适应的改变跳闸判据。 辅助判据式( 2 一1 2 ) 是基本动作判据，只有其成立，软件才进入两个主判据进行跳闸 判断。 故障起动后，在动态过程中，首先投入主判据1 ，其相位误差裕度为9 0 。，对绝 大多数内部故障可以快速跳闸，但不反应有故障电流流出的内部故障。由于其具有 完全的抗c t 饱和能力，因此外部故障时，即使c t 严重饱和，保护也不会误动。 当数据窗动态过程结束，投入主判据2 ，用于处理有故障电流流出的内部故障以 及各种不利的区内故障。同时检测c t 是否饱和：若c t 饱和，投入低灵敏判据：若 c t 未饱和，投入高灵敏判据，以提高整机的动作灵敏性。 各判据的配合逻辑框图如图( 2 - 6 ) 。 2 6a t p 仿真 2 6 1 a t p 简介及a t p 与m a t i a b 的相互协作 以前人们做电力系统的仿真多用e m t p 来实现，e m t p 和a t p 电磁暂态仿真程序 是用于电力系统电磁暂态过程计算的软件包。他们的共同特点是可将电力系统中的 全部设备、元器件，用数学模拟的方法建立起线性及非线性的数学模型，再将这些 模型化了的元件“安装”起来组成模拟系统进行系统的暂态及稳态的仿真计算。不 同的是e m t p 是在d o s 操作系统下以填写卡片的形式来构成仿真系统。a t p 与 e m t p 相比有了更友好的人机界面，不需要硬件上的看门电路的支持，应用更简单 方便f 3 ”。a t p 配备有图形输入程序a t p d r a w ，目前最新版是3 4 版。a t p d r a w 3 4 是一个3 2 位程序，可以在w i n d o w s 9 5 n t 及以上版本操作系统下运行。a t p d r a w 作为a t p 的一个前处理程序，最终生成一个格式正确的a t p 的数据输入文件。目前 a t p d r a w 支持7 0 个标准元件和2 8 个t a c s 模块，同时也支持m o d e l s ，用户可 以根据自己的需要创建所需要的电路模块。 2 l 华北电力大学硕士学位论文 鐾 图( 2 - 6 ) 各判据配合逻辑框图 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司开发的一种用于工程计算的高性能语言，包括核心函 数和工具箱两大内容。m a t l a b 具有很强的交互性，可以调用f o r t r a n 、c 语言子 程序进行混合编程。特别的，它提供了许多与其他工具直接的或者间接的接口。而 对于a t p ，m a t l a b 可以通过“p l 4 2 m a t ”将a t p 的输出文件转化为m a t l a b 可以用 的文件格式，从而，由a t p 仿真得来的数据可以在m a t l a b 中进行画图处理和信号 分析等处理”。 2 6 2t 接线路的建模与仿真 在一个5 0 0 k v 三端电源线路上，对本文基于电流故障分量的差动判据进行了a t p 仿真验证。仿真模型如图( 2 7 ) 所示，系统以集中参数建模。 图( 2 - 7 ) 三端线路仿真系统图 2 2 华北电力人学硕士学位论文 有关参数如下： a 系统参数( q ) z = 1 0 5 1 5 + j 4 3 1 9 6 乙，0 2 j 2 9 ，0 9 2 5 ；z n l 5 1 0 5 7 7 + j 4 4 9 2 0z o2 j 3 7 4 7 z h = 1 0 5 1 5 + j 4 3 1 9 6z p o = j 2 9 0 9 2 5 b 线路参数( 阻抗：q k m ：电容：砌) m t 线路：z i = 0 0 2 9 + j 0 2 7 8c l = 0 0 1 2 ：z 0 = 0 1 8 8 + j 0 6 5 2c o 2 0 0 1 3 n t 线路：z 1 2 0 0 2 7 + j 0 2 7 8c l = 0 0 1 1 ；z 0 2 0 1 9 1 + j 0 6 4 2c o 2 0 0 0 9 p t 线路；z l 2 0 0 2 0 + j 0 3 3 7 c 1 2 0 0 1 l ：z 0 = 0 1 3 2 + j 0 7 7 4c o = 0 0 0 8 各段线路长度为：胛= 2 2 0 k i n ，j v 7 1 = 1 8 0 拥，尸t = 1 4 0 o n ： 女、k ：、k 3 为外部故障点，k 。k l o 为内部故障点，其中k