（电力系统及其自动化专业论文）基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文2 0 0 1 年元月基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究 本课题还对上海交通大学与上海南瑞公司合作开发的d f p - - 4 0 1 型微机分相电流 差动保护装置进行了改进，减小了装置的体积，降低了该装置的生产成本，以便于在 中低压线路保护中推广使用。本文介绍了改进后装置的整体构成和特点，保护板的设 计原理，v f c 数据采集系统的特点，以及6 4 k 通信接口部分的组成。在软件方面， 本文介绍了改进后保护装置的软件系统框架，通信中断服务程序和综合重合闸中断服 务程序的编制，并对差动保护中用到的通信c r c 校验、采样同步调整以及提高差动 保护可靠性的措施进行了详细说明。 关键词：电流差动保护：全电流差动保护，基于故障分量的电流差动保护，分布电 容电流，电容电流补偿，微机线路保护一 海交通大学硕士学位论文2 0 0 1 年兀月基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究 s t u d yo fm l c r o p r o c e s s o rs p l l t p h a s ec u r r e n t d i f f e r e n t l a lp r o t e c t l o nf o rt r a n s m l s s l o nl l n e b a s e do nf - a u l _ tc o m p o n e n t a b s t r a c t c u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni st h ep r i m a r yc h o i c ef o rm a i np r o t e c t i o n o ft r a n s m i s s i o nl i n e s ，s u r p a s s i n go t h e rc h o i c e so fr e l a y i n gw i t hi t so b v i o u s n a t u r a lc h a r a c t e r s t h ep r i o r i t yo fc u r r e n td i f f e r e n t i a lr e l a y i n gw i l ld i s p l a yt o i t sf u l ll e n g t hu n d e rs i t u a t i o n ss u c ha sh v p o w e rl i n e s ，w i t hf e w e ro b s t a c l e s d u et ot h er a p i dd e v e l o p m e n ti nc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，a s w e l la st h ef a s td r o po fi n v e s t m e n tr e q u i r e df o rt e l e c o md e v i c e s r e s e a r c hw o r ki ns e a r c ho fm o r ee f f e c t i v ec r i t e r i o n sf o rc u r r e n t d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nw i l lb eo fn e wp r a c t i c a ls e n s ei nt h ea g eo fd i g i t a l r e l a y i n g v i r t u a l l y , i t i s b e c o m i n go n eo ft h eh o ts p o t sa g a i n f o rr e l a y i n g e n g i n e e r s ，a n dc o n s e q u e n t l y , d e s i g n i n gab e t t e rd i g i t a ls p l i t p h a s ea p p a r a t u s b e c o m e st h em o r ei m p o r t a n tt a s kf o ri n s t i t u t e sa n dc o m p a n i e sd o m e s t i c a l l y a n da b r o a da sw e l l a i m i n ga tt h i sd i r e c t i o n ，t h er e s e a r c h i n go ft h i sp a p e ri st o a n a l y z e t h e p e r f o r m a n c e o ft w od i f f e r e n tc u r r e n td i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n c r i t e r i o n sw i t hm a n y e x p e r i m e n t sa n dp r o v i d e s o m e i m p r o v e m e n t s o f r e l a y i n g d e v i c eb a s e do nc u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n t h i sp a s s a g ef i r s t a n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fr e s t r a i n t ，o p e r a t i o n ，a n d t h e s e n s i t i v i t y o ft w od i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o nc r i t e r i o n s ，o n e b a s e do nf u l l c u r r e n t ，t h eo t h e rb a s e do nf a u l tc o m p o n e n ti nw h i c hm u c he m p h a s i si sp u t e x a m p l e s a r e g i v e n i n s e n s i t i v i t ya n a l y s i s b o t hu n d e rt h ec o n d i t i o no f s i n g l e c i r c u i t a n dd o u b l e c i r c u i t l i n e ，w h i l e s i x s e q u e n c e m e t h o di s 兰塑至兰皇茎兰塑兰兰：堡墼一! ! ! ! ! 娈旦苎三垫堕坌里竺燮塑堡堕坌塑皇堕薹塑堡芝竺竺窒 i n t r o d u c e df o rt h e1 a t t e rc a s e t h e r ei s s e v e r ei m p a c tf r o md i s t r i b u t i v ec a p a c i t i v ec u l t e n tt o w a r dt h e p e r f o r m a n c eo f c u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，e s p e c i a l l yu n d e r l o n gd i s t a n c e e x c e e dh vl i n e so rp o w e rc a b l e s t h i s d i s s e r t a t i o nc l a s s i f i e st h ed i f 诧r e n t i m p a c t f r o mb o t he x t e r n a la n d i n t e r n a lf a u l ta n d p r o p o s e s an e w c o m p e n s a t i o ns c h e m e f o rb o t he n dc u r r e n t s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sv i ae l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ( e m t p ) s o f t w a r e a r e p r o v i d e d ，w i t hac a s eo fd o u b l e c i r c u i tl i n eo nb o t he n d s o fw h i c ht h e r ea r et w op o w e r s s u p p l y t h en u m e r i c a lr e s u l t sv e r i f yt h e c o n c l u s i o n sb a s e df r o m p r e v i o u st h e o l o g i c a la n a l y s i s t h i s p r o j e c t a l s o i m p r o v e s d f p - 4 0 1 ，a d i g i t a l s p l i t p h a s e c u r r e n t d i f f e r e n t i a lr e l a y , d e v e l o p e du n d e rt h e j o i n tc o o p e r a t i o no fs j t ua n dn a r i c o r p t h ei m p r o v e do n eh a ss m a l l e rs i z ea n dl o w e rm a n u f a c t u r i n gc o s ts o t h a ti tc a ne x t e n di n t op r a c t i c ei nb o t hm i d d l ea n dl o w v o l t a g el i n ep r o t e c t i o n s t h i sp a s s a g ea l s oi n t r o d u c e dt h ea t t r i b u t e so f t h em o d i f i e dd e v i c e ，i n c l u d i n 2 t h ed e s i g n i n go f p r o t e c t i o nc a r d ，v f cd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a n dt h e6 4 k b c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e a s r e f e r r i n gt ot h es o f t w a r es e c t i o n ，t h i sp a s s a g e e x p l a i n st h es o f t w a r es y s t e mf r a m e ，t h ep r o g r a mf l o w c h a r to ft h ei n t e r r u p t s e r v i c ep r o g r a m sf o rc o m m u n i c a t i o na n dg e n e r a l i z e dr e c l o s u r e t h i sp a s s a g e a l s og i v e sd e t a i ld e s c r i p t i o no f m a n ym e a s u r e st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h i sd e v i c e k e yw o r d ：c u r r e n td i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n ，f u l lc u r r e n td i f f e r e n t i a l ，f a u l t c o m p o n e n td i f f e r e n t i a l ，d i s t r i b u t ec a p a c i t i v ec u r r e n t ，c a p a c i t i v ec u r r e n t c o m p e n s a t i o n ，m i c r o p r o c e s s o r l i n ep r o t e c t i o n 卜海交通大学硕士学位论文2 0 0 1 年j t ：f l 基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究 一、本课题的研究意义 第一章绪论 与当代新兴科学技术相比，电力系统继电保护是相当古老了，然而电力系统继电保护作为一 门综合性科学又总是充满青春活力，处于蓬勃发展中。综观继电保护技术的发展，可以分为三个 阶段、两次飞跃”“。三个阶段是机电式、半导体式、微机式。第一次飞跃是由机电式到半导体式， 主要体现在无触点化、小型化、低功耗。第一二次b 跃是由半导体式到微机式，主要体现在数字化 和智能化。显而易见，第二次飞跃有着尤为重要的意义，它为继电保护技术的发展开辟了前所未 有的广阔前景。当前正面临第二次飞跃的大好机遇，因此应该立足于充分发挥微机保护的智能作 用，根据电力系统发展的需要，利用相关技术的新成就，把继电保护技术提高到一个更高的水平。 故障信息的识别、处理和利用是继电保护技术发展的基础。计算机在继电保护中的应用为识 别和获取故障信息创造了前所未有的有利条件，反映故障信息的故障分量的成功应用，必将促进 继电保护技术的进一步发展。这是因为故障分量具有两大特点：一是故障分量仪在故障时出现， 正常时为零，反映故障分量的保护在正常时不会启动，因而灵敏度高，但作为启动元件要避开不 平衡电流：二是故障分量仅由施加于故障点的1 个电动势产生，如果保护原理是比较两个故障分 量的相位或者幅值，则其动作行为不受过渡电阻的影响。 电流差动保护是高压线路主保护的一个重要发展方向，主要有如下一些优点1 1 4 1 ：1 、能适应 电力系统的振荡、非全相等各种复杂的运行状态；2 、只需测量各端的电流值，不受p t 断线影响， 因而更为简单可靠，有加速保护动作的可能；3 、具有天然的选相能力；4 、它可以适应各种拓扑 结构复杂的电力网络，如具有t 型分支的输电线路；5 、电流差动保护的灵敏度高，几乎可以实 行全线路保护。最早的应用就是传统的导引线保护，可作为中、低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，而在相当长的时间内， 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，电流差动保护的各种天然优势得以充分展现，电流差动保护必然成为高压、超高压等 重要长短线路的主保护。传统的电流差动保护主要有两点不足。一是在内部故障时其动作性能将 受到负荷电流的影响，表现为一般情况下会降低保护的灵敏度，高阻故障或高阻故障伴有负荷送 出时将导致保护拒动。二是线路的分布电容，特别是高压、超高压的长距离线路的分布电容将会 影响电流差动判据的测量准确性，表现为在空载合闸和外部故障时分布电容电流将导致保护误 动。为了克服第一个不足，我们可以用故障分量电流来代替全电流，这样可以很大程度上减小负 荷电流的影响。后一个不足通常通过提高i o 的整定值或者通过一定的补偿来实行一定的弥补，但 往往会降低保护的灵敏度。微机有很强的逻辑判断和计算能力，微机保护的引入是电流差动保护 实行扬长避短的一个极好途径。因此，深入研究基于故障分量的数字式电流差动保护并研制相应 的微机保护装置具有重要的现实意义。 二、本课题研究的现状及发展趋势 按电流差动保护采用的通信技术分，电流差动保护有传统的导引线电流差动保护、微波电流 e 海交通大学硕士学位论文2 0 0 1 年九月 基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究 差动保护和光纤电流差动保护。在七十年代，主要是研究采用频率调制方式的模拟式电流差动微 波保护。进k j k 十年代，日本最先开始研究用p c m 调制方式的数字式电流差动微波保护。八十 年代末，g e c 公司和a b b 公司也研制出了各自的数字式电流差动保护装箕。我国开始研制数字 式电流差动保护装置是在八十年代末。由丁电力通信及其它诸多原因，微波、光纤电流差动在我 国电力系统继电保护中的实际应用却一直非常少。在国外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。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 丁数字微波或光纤通信系统、以及短距离的专用光纤通道上。 目前，国内外的高压线路电流差动保护装置中主要采用的判据有以下几种： l 、abb 公司的rel5 6 1 型装置和英国gec 公司的lfcb 1 0 2 1 0 3 型装置采j l j 的判 据为： k = i 引厶一= 三z l l , j ( 1 - - 1 ) 其制动特性为制动系数分为两挡的比例制动特性f 参见图1 一1 ) 。即： a 、当jh 。；s j s 2 时j l 蝴 k l l b 。+ l s t 。“ b ) 当， ，s 2 时 厶 l d 。f f k 2 jb t 。一( k 2 一k is l + l n 2 、日本东芝公司的数字微波电流差动保护装图1 1 式( 1 1 ) 的制动特性置使 用的判据为： a ) 分相电流差动判据： i 屯，+ i n ，j 置( 1 l ，l + i l ，i ) + k o ( 1 2 ) 式中： 。，1 n 。分别为线路两端的相电流，k i 为制动系数，ko 为差动保护的整定值，( 1 2 ) 式的制动 特性与( 1 - i ) 式相同。 b ) 零序电流差动判据： 1 3 l 。+ 3 1 n 。i 岛( 1 3 l ，l + 1 3 厶，i ) + 缸 ( ，73 ) 式中：3 o ，3 凡。分别为线路两端的零序电流，k3 为制动系数，k4 为差动保护的艇定值。 3 、文献 1 2 1 3 】中提出的分相电流差动保护判据为： a ) 对于两端系统： i 乇+ 厶i k l i 一厶l f l - 4 1 2 t 海交通大学硕士学位论文2 0 0 1 年元月 基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究 k+7”fio(1-5) 对于三端系统： l im + in + it io ij 。+ i 。+ i ，l kj i 。一i | i 。+ i 。i ii 。i 。f li 。+ i ，i ii 。一i 。i ii 。+ i ， li 。一i ，l 1 6 、 1 7 、 l 一8 、 1 9 、 l 1 0 其中：l u ，i n ，i r 分别为线路三端的相电流，k 制动系数，i o 差动保护的整定值。( 1 - 5 ) 、 ( 1 - - 6 ) 式分别是两端和三端系统的保护基本判据，( 1 - - 4 ) 式是两端系统的差动保护的主判据。( 1 - - 7 ) 式是三端系统的差动保护的灵敏土判据。( 1 - - 8 ) 、( 1 - - 9 ) 和( 1 一l o ) 式是三端系统的差动保护的 保守主判据。 4 、零序电流差动保护判据： l l 。+ ，。l 厶 i j m 。+ ，。l 足。l j 吖。一，。 式中：l u 。，i n o 分别为线路两端的零序电流，k 。为制动系数，。为差动保护的整定值。 5 、l f p 9 3 1a 型光纤电流差动保护装置使用的判据为： 如2 l i m + i o p r - 0 7 w 一o p r ( 1 1 3 ) 其中： l o p = i p + a i p 4i o p r = k + a i 础4 。p ，础为线路两端的相电流，一p ，一卵为线路两端相电流的变化量。 众所周知，各种不同的电流差动保护判据的差别是其制动量的不同。从上面所列的几种判 据可以看出，国外保护装置的判据中的制动量基本上是各端电流相量的标量和，而国内保护装置 的判据中的制动量的研究已经再往前进了一步。从以上判据的有关文献中可以看出，国内保护装 置的判据的灵敏度和防卫度均要优于用各端电流相量的标量和作制动量的判据。 按利用的差动电流形式的不同，电流差动保护还可分为传统的全电流差动保护( 有效值或 平均值) ，基于故障分量的电流差动保护( 有效值或平均值) ，采样值电流差动保护，基于故障分 量的采样值电流差动保护等。基于故障分量的电流差动保护可以消除负荷电流的影响，提高动作 的灵敏度和动作速度。采样值电流差动保护在动作速度方面可能有一定的提高，但是它要求有很 高的采样同步精度，势必会提高装置的研制和制造成本。 1 2 一 一 n n 卜海交通大学硕士学位论文2 0 0 1 年儿月基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究 三、 本课题拟研究解决的问题和主要工作 正如前述，本课题的工作就是拟结合晟新的微机继电保护技术，分析电流筹动保护的各种特 性，研究分相电流差动保护在应用于中高压、超高压线路中可能遇到的一些问题，并提出一些可 行的解决方案。因此，本论文课题的主要t 作有如下方面： l 、 分析保护判据的动作特性 在分析全电流差动保护判据的制动特性、动作特性、灵敏度的基础上，进一步分析基于 故障分量的电流差动保护判据的制动特性、动作特性以及其灵敏度，并特别关注了电流差动 保护判据在同杆并架双回线上的特性。 2 、分析分布电容电流对电流差动保护的影响 这里主要研究线路分布电容电流对全电流差动保护和基于故障分量的电流差动保护的影 响，并提出几种补偿措施。 3 、进行e m t p 仿真计算比较 e m t p 的仿真计算包括同杆并架双回路的不同地点不同类型的短路故障计算，并利用仿真 数据对全电流差动保护判据、基于故障分量的电流差动保护判据以及基于补偿的电流差动保 护判据进行考核。 4 、 微机保护装置的硬件方案设计 硬件方案设计包括硬件系统设置、保护板的设计和通信接口方案设计，主要是在上海交 通大学与上海南瑞公司合作开发的d f p 一4 0 1 型微机分相电流差动保护的基础上进行改进。原 装置使用了5 个8 0 c 1 9 6 型c p u ，本装置拟采用3 个8 0 c 1 9 6 型c p u ，以便降低硬件成本，减小 装置的体积，使其可以应用于中低压的线路。 5 、微机保护装置的软件设计 编制故障分量分相电流差动保护和零序电流差动保护的故障处理程序，并在其中插入与 通信板的串行通信程序；在原距离保护软件的基础上增加综合重合闸功能。 4 兰塑茎堕二苎! 型型兰型塑垒茎塑! 竺垂星 苎主塑堕坌量塑垡塑垡堕坌塑皇堕茎塾堡芏塑! 壅 第二章全电流差动保护 一、 全电流差动保护判据 目前常见的数字差动保护的动作判据主要为： il + 厶一k 。ll ，。l k 式中，i m 和i n ：线路m 和n 段的电流相量 k l ：制动系数，取0 ，。 ij 。+ ，。l k fl 一，。l ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中1 0 定值，k 为制动系数。( 2 2 ) 式为辅助跳闸判据，主要用于防止线路空投或空载情况下 因某种原因装置误起动，此时( 2 3 ) 式必满足跳闸条件而造成误跳闸。( 2 - - 3 ) 式为主判据， 两式同时满足时发出跳令。实际上，( 2 1 ) 式和( 2 2 ) ，( 2 3 ) 式所构成的判据并无本质区 别。 为了保护所有相别的故障，每相均按( 2 2 ) 式和( 2 3 ) 式构成差动保护，从而可实现分 相跳闸。 二、运行特性分析 l 、区外故障 啻j c 首先分析制动特性，令m 、n 侧电流反相1 8 0 。 写成以i o 为基准值的标么值表达式。 ，。+ 一一2 ，。，矿( 1 + k 2 ) ( 1 一k2 ) 0 。2 + 2 2 l 。l 。 l 用余弦定理将( 2 2 ) 、( 2 3 ) 式展开 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，i r a , = i m i o ， ，”2 l 1 0 ，从以上两式不难解出，当k ：0 8 8 2 时，两侧电流幅 值相对允许误差可达9 3 7 ；k = 0 6 时，误筹裕度达7 5 。图2 - - 1 示出这两种k 值的制动特性。 令，= ，m ，。= n ，。来分析该判据的相位特性，经化简整理后，( 2 - - 2 ) 、( 2 3 ) 式可写 为如f 形式： ( 1 - k 2 ) ( 1 + k 2 ) + c o s 抄0 ( 2 6 ) 卜海交通大学硕十学位论文2 0 0 1 年儿月 基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究 2 + ( 1 + c o s # ) 1 1 2 式中，由为，m ，一之间的相位角 ( 2 7 ) 凄 | i i _ l l lu、一 中 、 ： ： 、 j l 一- 工3 9 7 。1 1 8 。1 8 0 。3 6 0 。 图2 1全电流差动判据制动特性图2 2 全电流差动判据相位特性 从以上两式解出，k = 0 6 时，允许两侧电流相位偏差6 2 。；k = 0 8 8 2 时，允许相位误差在 8 3 。以内，图2 2 是该判据的相位特性。 2 、区内故障 i li l | i 令，。，1 。同相位，动作量l d = 1 l m + ，。f ，制动量1 。= 1 。f + 1 7 。l ，k = t a n 0 ，则判据 在区内短路故障时的动作特性可表示战如图一3 所示的两折线。 式( 2 3 ) 在同相位的情况下可表示成如下形式； j 。+ 1 。 k ( 1 。+ ，。) 一2 k 1 。( 2 - - 8 ) 当i 。= 0 时( 单电源内部故障) ，斜率为k ； 当l m = i 。时，制动量i 。= 0 ； 当l m i 。时，动作斜率在0 到t a n0 之间变化。 可见，判据动作斜率不但受k 影响，而且与- - 2 k i 。有关，此判据有很高的灵敏度。 图2 3 全电流判据动作特性图2 4 重负荷大电阻故障时的系统等值接线图 6 ! 塑奎望查兰堡主堂堡堡壅 ! ! ! ! 兰垂旦 兰塑堕坌墨堕塑! ! 垡墅坌塑皇塑茎垫堡芝竺堕! ! 一 三、负荷电流的影响 上述判据具有计算量小等优点，但是区内故障的灵敏度除了与制动系数，故障点位置等 因素有关外，还直接受负荷电流的影响，分析如下： 设l ：o 。+ ，。，厶= ，一，。，其中l 和，。分别为m 、n 两侧的故障电流，w 为负荷电流，如图2 - - 4 所示。 则( 2 - - 3 ) 式左端动作量为： il + 气l = l l + “。l = ，d ( 2 9 ) ( 2 - - 3 ) 式右端制动量为： k ll 一厶l = k l0 0 一j 。+ 2 ，。l ( 2 1 0 ) 可见在重负荷情况下发生大电阻故障时，由于i d 很小，而i f h 很大，则( 2 3 ) 式中动作量小丁 制动量而拒动。 为了提高重负荷情况下保护过渡电阻的能力，不得不降低制动系数k ，同时也就降低了区外 故障时的防卫能力。这是全电流差动保护的主要缺点。 四、全电流差动保护判据的实用形式 为减少计算量，将( 2 2 ) 式的判据分解为( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 两式，其中下标s 、c 表示 电流向量值的实部和虚部。两式成“或”的关系，其中之一成立，便进行( 2 3 ) 式的判断，否 则不投入( 2 - - 3 ) 式。 im s + i n 沁i o ( 2 1 1 ) l ，。+ ，。一 ，o ( 2 1 2 ) 以上两式与( 2 2 ) 式稍有出入，在一定范围内相当于提高了定值。变动的最大范围相当 于将( 2 2 ) 式的i o y - x t1 4 倍，这样更有利于保护的安全性，因为实际中i o 以躲过线路电容 电流整定，其值不大，扩大1 4 倍也不会对灵敏度有太大影响。 主判据( 2 - - 3 ) 写成虚实部的形式如下： 、厄了了可而 k 扼了石可而 整理后可得： ( 。，+ ，m ) ( 。+ 眦) + ( p ，。+ ，。) ( ，。+ p i 。) 0 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式中，p = ( 1 + k ) ( 1 一k ) 。这时式( 2 1 4 ) 中已没有平方和开方运算，k 值的选取也以 计算简单为宜，如k = 0 6 ，则p = 4 ，如k = 0 8 8 2 ，则p = 8 ，对c p u 来讲，只需做几次移位计 算而已。 7 上海交通大学硕士学位论文2 0 0 1 年元月 基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究 第三章基于故障分量的电流差动保护 一、基于故障分量的电流差动保护判据 全电流差动保护由于将负荷电流引入了制动量，从而降低了区内故障的灵敏度，如果参与差 动保护计算的是故障分量，则可以消除负荷电流的影响，使灵敏度得以提高。 系统故障后，利用每相电流的突变量分相构成差动保护 i k + ，l ，z d i 峨+ 峨i k l 哦一o 。l ( 3 1 ) ( 3 2 ) 式中：i m 和i n 分别线路m 和n 侧的相电流突变量；i z d 为定值；k 为制动系数( 0 k = 1 ) 式( 3 1 ) 为辅助判据，式( 3 - - 2 ) 为主判据，两式同时满足时发跳令。 图3 一l 表示双端电源供电的单回线路在f 点发生经过过渡电阻短路的情况。根据叠加原理， 可将图3 一l ( a ) 所示的短路状态分解为正常运行状态( 短路前状态，见图3 一l ( b ) ) 和短路附 加状态的叠加( 见图3 1 ( c ) ) ，图中u f o 为短路前f 点的电压。 ( a ) ( b ) ( a ) f 点短路运行状态，( b ) 正常运行状态，( c ) 短路附加状态 图3 1f 点短路时系统接线图 o 嵴： 旦! ! ! 塑查兰塑主兰垡堡壅! 塑! 笙垄旦 兰三垫堕坌里塑丝塑垡堕坌塑皇鎏茎垫堡丝塑塑塞 二、 保护判据在不计线路分布电容电流时的灵敏度 1 、 单回路输电线发生短路故障时 1 ) f 点发生三相短路 由于这时三相对称，故仅以a 相为例进行分析： 出m a = c m in 、，出n a = c n l 1 ( 3 3 ) 其中：，为故障支路a 相正序电流；c m i , c n l 分别为m 和n 侧的正序电流分配系数且 c m i + c m = 1 ，将，m 带入式( 3 2 ) ，左边动作量和右边制动量分别为 o 。+ o 。i = f 。+ c 。f f ，。f = ，。 乙一li = k l ，- c 。，| i ，。 ( 3 4 ) 2 k l ( 乙1 一毛1 ) ( 乙1 + z 。) l 乇1 ( 3 5 ) 由于z m iz 与z n i = 的阻抗角近似相等( 短路点两侧系统阻抗角之差最大不超过9 0 0 ) 所以 f ( 乙，。一z 。t ) ( 乞，。+ 乙。) 1 ，从而世fo 。“。f 脚。，也就是说不论k 取何 值( o 2 k = 1 ) ，当f 点发生三相短路时，三相电流差动保护均能可靠动作，且与过渡电阻无关。当区 外发生三相短路时，流过各相的突变量电流为穿越性电流，三相差动保护均不动作。 2 ) f 点发生单相接地短路 以a 相为例，这时故障相电流为 划2 c i + c m l if 4 2 + c m o i f a b ，a n 4 = c m i m + c n 2 i 2 + c n q if a o t 3 6 ) 式中：j ，2 ，j 。分别为故障支路的a 相正、负、零序电流，且j = j 月2 = j 。 ( 0 l ，( 2 ，( o ，c 1 ，c 2 ，c 0 分别为线路m 和n 侧的正、负、零序电流分配系数，并且 l + c 1 = 1 ，2 + c 2 = l ，c 0 + ( o = 1 ，把，m 带入式3 2 ， 左边动作量和右边制动量分别为 l j + j ml = 3 i “。 ( 3 7 ) 9 上海交通大学硕士学位论文2 0 0 1 年兀月基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究 吲，m 一，m z m o 一z o z 吖o + z o = d 肛 z m l 一z l z m l + z 1 h鱼! ；二圣! ；i z m 2 f + z 2 r 。 一 。 ( 3 8 ) 由于z ，l 与z l ，z m 2 与z 2 ，z m 。与z o 的阻抗角之差最大不会超过9 0 0 ， 习i t l ( z m l - z 眦) ( z m l + z 岖) i 1 ( z 2 一z 2 ) ( z m 2 + z 2 ) l 1 ( z m o - z 。) ( z m o + z 。) l 1 ( 3 9 ) 从而有k io 。一止ml 3 k 月o ，也就是说不论k 取何值( o = k 出。 ( ，一：a ) c 哦+ 吉l ，+ ( “。+ c a _ i ，) k c l + 吉l ，一c 缸。+ 吉l ，l ( 3 - 2 5 ) 上两式中c 为常数，一般取4 - 8 ，应以计算简单为宜。 仍以图2 - - 4 所示的系统为例，把l = o + ，= “一，4 q c a ( 3 2 5 ) 式化简得： m + “。i k k 一。+ 击z j ( 3 - - 2 6 ) 引入部分全电流后，同全电流差动判据相比，负荷电流的影响已降低到原来的1 ( c + i ) ；相对与 纯突变量差动判据来说，灵敏度下降的不多，但却带来了两点好处： 第一，重负荷区外故障时，由于引入了负荷电流而增加了安全性，这一特性与全电流差动判据相 似，但由于( 3 - - 2 5 ) 式中制动系数k 可以取得较高( 一般不低于0 6 ) ，而全电流差动判据 为了提高灵敏度不得不降低k 值( 国外许多保护k 取0 3 ) ，因此引入了部分全电流后具 有更高的安全性。 第二，系统振荡时，随着振荡电流的增大，制动量也跟着增大，与纯突变量差动判据相比，更有 利于防止振荡时误动。 因此，适当降低一些灵敏度，以换取区外故障和振荡时的安全性是值得的。 1 7 上海交通大学硕士学位论文2 0 0 1 年元月基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究 第四章分布电容电流对差动保护的影响及其补偿 输电线路的相与相之间和相与地之间都存在着分布电容。在电压等级低、线路短的情况f ， 分布电容很小，对线路两端的电流影响不大，可忽略其对差动保护的影响；但在超高压长线路或 电缆线路上，分布电容的等值容抗大大减少，电容电流将使输电线路两端电流的人小和相位都发 生严重畸变，因而其对差动保护的影响就不能再被忽略。 一、输电线路分布电容电流对全电流差动保护的影响及其补偿 1 、对差动保护的影响 数字式全电流差动保护判据为： l ，m + ，i ，o ( 4 1 ) il + 厶l k ll 厶l ( 4 2 ) 式中分别为m 侧和n 侧电流向量( 设母线流向线路为正) ；k 为制动系数，一般取为0 k i ：1 0 为定值。 式( 4 1 ) 为辅助判据，式( 4 2 ) 为主判据，两式同时成立时保护动作于跳闸。由主判 据可知：当区内故障时，假设两端电流相量的角度差不超过9 0 。，则不论k 取何值( o k 1 ) ，2 式恒成立：当区外故障时，假设两端电流电流大小相等、相位相反，则动作量为零，主判据( 4 - - 2 ) 式不成立，差动保护不会误动。当考虑电容电流时上述假设不再成立，在某些情况下差动 保护可能发生不正确动作。下面讨论在各种运行和故障状态下，分布电容对差动保护的影响。 1 ) 线路空载合闸状态 当线路一端断开、另一端进行空载合闸时，实际上此时差动保护相当于电流速断保护，因 为只要( 4 1 ) 式满足，( 4 2 ) 总是成立的( k i ) 。为防止充电电流引起保护误动，( 4 - - 1 ) 式 中的i 。应按躲过分布电容的暂态充电电流来整定，如果线路很长，电容电流很大。i o 必将整定 得很大，从而降低了保护的灵敏度，当线路末端短路时，可能因灵敏度不足而拒动。 2 ) 线路内部发生短路故障 以三相短路稳态情况为例，系统接线如图4 1 所示，输电线路以n 型等效网表示。当线路 空载情况下分别在d l 、d 2 、和d 3 点发生短路时，两侧电流和电压向量图如图4 - - 2 所示。 上海交通大学硕士学位论文2 0 0 1 年元月基于故障分量的微机线路分相电流差动保护的研究 屯 d 3 图4 1 内部故障时的系统接线图 由向量图可见，由于电容电流的存在，两侧电流幅值减少，从而降低了保护的灵敏度。在 线路出口短路时，远故障测电流不仅幅值减小，相位偏移也较大，因此线路两侧故障比中点故