（电力系统及其自动化专业论文）电流纵差保护原理分析与仿真评估.pdf

山东大学硕士学位论文 方案，同时对由于c t 饱和引起的差动保护误动作这一情况进行了仿真。 在己建保护模块的基础上，为分析和学习差动保护的性能与特性提供依据， 也为开发更好的保护原理提供指导，开发了基于g u i d e 的动态仿真系统界面。 关键词：电流纵差保护；故障分量；分布电容；c t 饱和 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，t h el e v e lo fv o l t a g eg e t s h i g h e ra n dt h es y s t e me x p a n d sg r a d u a l l y t h ee h vt r a n s m i s s i o nl i n e si n c r e a s ed a y t o d a ya n dt h e yu s u a l l yc a r r yh e a v e rp o w e r , s oi ti sa ni m p o r t a n ti s s u et h a th o wt o m a i n t a i nt h ee h vt r a n s i t i o nl i n e sw o r ks a f e l ya n ds t e a d y i nm a n yk i n d so fp r o t e c t i o n r e l a y i n g ，t h ec 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 nb a s e do nk i r c h h o l t sc u r r e n tl a wc a n c o r r e c t l yd i s t i n g u i s ht h ei n t e r n a la n de x t e r n a lf a u l t su s i n gr e l a t i o n s h i po ft h ep r o t e c t e d e l e m e n tc u r r e n t ，a n da l s oi th a sb e e no n eo ft h eb e s to p t i o n sf o rp r o t e c t i n ge h v t r a n s m i s s i o nl i n ew i t ht h ea d v a n t a g e so fh i 曲s e n s i t i v i t y , s i m p l i c i t y , r e l i a b i l i t y , s p e e d i n e s sa n dt h ea b i l i t yo fp h a s e s e l e c t i o n t w op a r t sa r ei n c l u d e di n t h i sp a p e r o n ei sp r i n c i p l ea n a l y s i s ，t h eo t h e ro n ei s s i m u l a t i o na s s e s s m e n t m a n yd i f f e r e n tc u r r e n td i f f e r e n t i a lc r i t e r i o n se x i s ta tp r e s e n t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec r i t e r i ab a s e do nt h ep o w e r - f r e q u e n c ys i n ev e c t o r , t h ec r i t e r i a b a s e do nf a u l tc o m p o n e n tv e c t o r , t h ec r i t e r i ab a s e do nf a u l tc o m p o n e n ti n s t a n t a n e o u s v a l u ea n dt h ec r i t e r i ab a s e do nz e r o s e q u e n c ec 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 ne t c i n a d d i t i o n ， t h i sp a p e rd i s c u s s e st h et w oi m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ec 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 ns u c ha sc a p a c i t a n c ec u r r e n ta n dc ts a t u r a t i o n u n d e rl o n g d i s t a n c ee h vl i n e s ，i n c r e a s eo fd i s t r i b u t i v ee q u i v a l e n tc a p a c i t a n c em a k e sb o t hs i d e s c u r r e n t sc h a n g e d ，w h i c hd i r e c t l yg i v e sa ni m p a c to nt h es e n s i t i v i t yr e l i a b i l i t yo f d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ei n f l u e n c eo fd i s t r i b u t i v e c a p a c i t a n c ec u r r e n ta n dt h e np r e s e n t sc o m p e n s a t i o nm e t h o d so ng e n e r a lv e c t o ra n d z e r o 。s e q u e n c ec 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 ep r o b l e mo fc ts a t u r a t i o ni sv e r y d i f f i c u l ta l lt h et i m e t h i sp a p e re x h i b i t st h ec h a r a c t e ro fp r i m a r ya n ds e c o n d a r y c u r r e n tw h e nc ti ss a t u r a t i o n t h em e t h o dh o wt od e t e c tc ts a t u r a t i o na n d a n t i s a t u r a t i o na r ea l s om e n t i o n e d i ns i m u l a t i o na s s e s s m e n tp a r t ，am a t l a bb a s e ds i m u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e da n d t h e nt h ef o u rp r o t e c t i o nm o d u l e sa l ee x p l o r e do ns i m u l i n ki nt h i sp a p e r u s i n gt h e s e i i i 山东大学硕士学位论文 p a c k e dm o d u l e s ，b e h a v i o r so ff o u rp r o t e c t i o np r i n c i p l e sh a v eb e e ns i m u l a t e du n d e r t h es i t u a t i o ns u c ha sn o r m a lo p e r m i o n ，i n s i d ea n do u t s i d ef a u l t sa n dp o w e r s w i n ge t c a tt h es a m et i m e ，c h a r a c t e r i s t i c so ff o u rc r i t e r i aa r ea s s e s s e d c o m p e n s a t i o nm e t h o d s o ng e n e r a lv e c t o ra n dz e r o s e q u e n c ec 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 nt o g e t h e rw i t h m a l o p e r a t i o nc a u s e db yc t s a t u r a t i o na r es i m u l a t e di nt h eb a s i so ft h ep r i o ra n a l y s i s t op r o v i d et h eb a s i sf o ra n a l y s i sa n ds t u d yo nc u r r e n td i f f e r e n t i a l ，a n da l s o p r o v i d eg u i d a n c et o w a r d sd e v e l o p m e n to nab e r e rp r i n c i p l e ，d y n a m i cs i m u l a t i o n s y s t e mi n t e r f a c ea r ed e s i g n e db a s e do ng u i d e i v k e yw o r d s ：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 ，f a u l tc o m p o n e n t ，d i s t r i b u t e d c a p a c i t a n c e ，c ts a t u r a t i o n 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己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：因堡 e t 期：兰堂：幺堑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：因遣 导师签名：壶醒舀 日 期：2 蟑丘丝 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 在电力系统中，全线同时快速切除故障有许多优点，如：可使输电线路在故 障中所受的各种损害减至最小程度；改善了电力系统暂态的稳定性；使快速重合 闸的重合容易获得成功，这不仅改善了暂念的稳定性，而且减少了断电的时间。 随着电力系统的发展，电网的规模不断扩大，如不能快速准确地切除故障元件而 引起故障扩大甚至系统失稳所带来的经济损失和社会影响是难以估量的，因此现 代电网对继电保护装置的性能要求越来越高。 仅反应线路一侧的电气量不可能快速区分本线路末端和对侧母线( 或相邻始 端) 故障，为了有选择性地切除线路上任意点的故障，采用电流、距离保护等阶 段式保护的配合，对于线路末端故障需要这些保护的i i 段延时切除，这在2 2 0 k v 及以上电压等级的电力系统中难于满足系统稳定性对快速切除故障的要求1 1j 。因 此，超高压线路主保护一般采用利用双端量的纵联保护，即方向纵联保护、相位 差动保护和电流纵差保护。方向纵联保护的基本思想是采用功率方向或距离方向 元件来判别故障方向，然后通过通道来获取对端的信息，按一定的逻辑处理后发 跳闸脉冲，这种原理的保护在p t 断线时将失去保护功能；相位差动保护是通过比 较两端故障电流相位的方法进行故障判别，线路正常运行及外部故障时两端电流 相位相反，而内部故障时，两端电流相位相同，而实际上由于线路分布电容电流、 故障点过渡电阻、c t 饱和等的影响，以上关系不再成立，并且这种原理的保护不 满足高压线路速动性的要求；电流差动保护可以完全消除被保护线路的非故障状 态下的电流，不管被保护线路的非故障状态下的电流怎样复杂变化，它都具有精 确提取内部故障分量的能力。 电流差动保护理论上基于基尔霍夫电流定律，所需电气量少，原理简单，灵 敏度高，是一种可靠和广泛使用的继电保护原理。由于它能根据被保护元件各端 的电流相量关系正确地判别区内、外部故障，因此是构成快速动作保护的主要原 理之一。电流差动保护，作为主要保护，已被广泛地应用于发电机、变压器、母 线、大型电动机以及超高压长距离输电线路上，长期的运行考验证明了它的优越 山东大学硕士学位论文 性【2 】o 为了提高保护的可靠性，对继电保护在线路故障时的动作特性进行预先仿 真、研究，以及事故后进行准确的校验、分析都是十分必要的。而对保护动作特 性的校验目f j 常用的有两种方法【4 】，一是利用电力系统动态模拟装置模拟故障对 保护进行校验；还有一种是用故障再现设备把故障期间纪录的真实数据转化为模 拟量，并输入到真实的保护装置中观察其动作行为。这两种方法的缺点都是费用 高，费时费力，灵活性差。尤其是后一种方法只适用于已有的保护装置。 随着计算机技术和信号处理技术的发展，数字仿真得到了前所未有的应用， 利用继电保护仿真软件，模拟任何继电保护装置的各种功能元件及其组成的系 统，进行单步的或连续的动念性能校验，这种方法灵活、方便，可以任意改变保 护装置的结构、电力系统结构、故障类型和故障地点等，可用于任何现有的或研 制中的保护装置，具有效率高、费用低等优点。因此数字仿真技术应用于继电保 护装置，已经成为继电保护技术必然的发展趋势和重要的研究领圳4 1 。 仿真技术是一门多学科综合的应用技术科学，也是一门近年来发展迅速的新 兴学科。所谓仿真就是建立系统的模型( 数学模型、物理效应模型或数学一物理 效应模型) 并在模型上进行实验。目前，大部分继电保护的仿真系统都是针对测 试和分析的目的来研制和开发的【刀。比如天津大学的“开放式的继电保护动态特 性仿真系统 。在这些已有的继电保护仿真系统中，有的是针对某种具体的保护 进行仿真，有的是一种综合性的仿真系统，还有的是对某种元件保护进行仿真。 它们所采用的原始数据也不尽相同，有的以录波器的录波数据作为仿真系统的输 入数据，有的以e m t p 的仿真数据作为输入数据，还有作为培训和教学目的开 发的继电保护仿真系统。这些仿真系统所基于的编程环境也是不一样的，既有在 v i s u a lc + + 中编制的仿真系统，也有在m a t l a b 中编制的仿真系统【8 】。 为了测试、分析或者培训目的，继电保护仿真系统能准确的实现继电保护装 置的大部分特性或者某些特性，从而为分析和学习继电保护的性能与特性提供了 依据。 1 2 电流纵差保护的历史及研究现状 2 在人们使用单端量无法快速切除线路上任一点的故障时，自然地考虑从双端 山东大学硕士学位论文 量寻找途径解决这个问题。电流纵差保护的原理是二十世纪初由c h m e r z 和 b p r i c e 在英国提出的，至今已逾i 0 0 多年的历史。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。由于存在以下两个原因，使其只能应用在 短距离的线路上( 二十公里以内) ：1 随着线路长度的增加，一方面投资剧增； 另一方面导引线分布参数将会造成保护的不正确动作；( 2 ) 输电线中负荷、故 障电流和雷电等通过电磁感应引起的过电压，以及接地故障电流流过本侧大地时 引起的地电位升高问题将严重影响保护的安全性和可靠性。 随着电力系统的不断发展，超高压输电线路的不断增加，系统网络越来越复 杂，同时通信事业不断发展，这些均使得电流纵差保护的应用越来越广泛。尤其 是微波通信技术和光纤通信技术的发展及其在电力系统通信中的广泛应用，又先 后出现了输电线路的微波电流纵差保护和光纤电流纵差保护。在五十年代，为了 克服导引线电流纵差保护应用的局限性，美国开始研究频率调制方式( f m ) 微波 电流差动保护，它是将线路各端电流信号经音频调制后由微波通道进行传递的， 因而可保护的线路不再局限于短线路，而且还适用于多端线路，可构成分相电流 差动保护。但它仍存在一系列问题，如增加了保护的复杂程度和投资，需要过多 的通道等。在我国从7 0 年代起就有人研究采用频率调制方式的模拟式电流差动微 波保护了。进入八十年代，日本最先采用脉冲编码方式( p c m ) 方式的数字式电 流纵差微波保护。八十年代末，英国的公司也相继研制出这类保护。我国也于同 一时期开始研制数字式电流纵差微波保护。由于光纤通信在电力通信系统的应用 较少，需为电流纵差保护配设专用光缆，所以，光纤电流纵差保护原先多用于短 距离输电线路。但近几年来我国的通信发展很快，采用光纤传送数据的电流纵差 保护装置的使用条件正在逐步成熟，新建的超高压长距离输电线路大多采用光纤 作为保护通信通道。 电流差动保护中的差动电流在不计及线路分布电容电流时完全消除了非故 障状念下的电流分量，因此，以差动电流作为动作量的电流差动保护能适应电力 系统的振荡、非全相等各种复杂的故障运行状态，可反映各种类型的故障。同时， 对于电力系统的高压、超高压线路保护来说，电流差动保护具有良好的“天然” 选相功能和良好的拓扑适应能力，能很好的解决目前高压、超高压线路在保护选 相时所遇到的同杆并架双回线、串补电容线路以及t 型分支线路等的保护配置的 山东大学硕士学位论文 困难和城域网中的短线路保护难以整定的问题，以及还能较好的适应架空线路与 地下电缆混合输电系统等等【9 l 。但同时，超高压输电线路中的电流差动保护也有 些特殊问题需要考虑，比如电容电流的影响、c t 饱和的影响等等。近年来，从国 内外文献所述来看，对电流纵差保护原理的研究内容主要集中在两个方面，研究 电流纵差保护的影响因素及其对策和研究新的保护原理或方案。 为进一步加深对纵差保护各种判据的理解，仿真电容电流和c t 饱和对差动保 护的影响及其补偿对策，为分析和学习差动保护的性能与特性提供依据，也为开 发更好的保护原理提供指导，有必要用仿真软件开发一个纵差保护动态仿真系 统，以用于纵差保护课程的教学和对继电保护工作人员进行培训。 1 3 本文的主要工作 论文在上述背景下对超高压输电线路电流纵差保护进行了深入研究，主要研 究内容如下： ( 1 )深入研究了全电流差动保护、故障分量相量差动保护、故障分量 瞬时值差动保护和零序差动保护等四种保护判据的基本原理； ( 2 )从理论上分析了电容电流和电流互感器饱和对差动保护的影响， 提出了相应的电容电流补偿方案及c t 饱和的检测方法； ( 3 )建立了基于m a t l a b 的一次系统模型并利用s i m u l i n k 模块化设计的 思想，组建了四种保护判据模块，建立了电流纵差保护的动态仿真系统， 从可靠性、灵敏性和速动性等方面分析评估了各种电流差动保护判据的优 缺点； ( 4 )在所建系统上对影响电流差动保护的因素进行了仿真验证，对电 容电流进行了补偿；仿真了c t 饱和时电流互感器二次侧电流波形，分析了 c t 饱和对四种保护判据的影响； ( 5 ) 利用m a t l a b 图形用户界面开发了电流纵差保护动态仿真系统界 面。 4 山东大学硕士学位论文 第二章电流纵差保护判据的基本理论 线路纵差历经几十年的发展，纵差保护原理判据的研究，应该说已是非常成 熟和丰富。工程实际应用的差动保护判据相对于学术研究略有保守，而国内外不 同厂家所选用的判据也稍有不同。按利用电流分量的不同，电流纵差保护可分为 全电流差动保护、变化量电流差动保护、零序分量电流差动保护；按利用电流形 式的不同，可分为相量差动保护和采样值差动保护。工程实际证明单一的某种差 动判据不可能解决超高压输电线路继电保护中的所有问题，寻求几种不同的电流 差动保护判据综合使用，是一个比较好的选择。 2 1 电流纵差保护的基本原理 电流纵联差动保护原理是建立在基尔霍夫电流定律的基础之上，以图2 1 为 例简要说明纵联差动保护的基本原理【1 】。 图2 1 输电线路电流纵联差动保护原理图 图中k d 为差动电流测量元件( 差动继电器) 。当线路m n 正常运行以及被保 护线路外部( 如七2 点) 短路时，按规定的电流正方向看，m 侧电流为正，n 侧电 流为负，两侧电流大小相等、方向相反，即丘，+ ，= 0 。当线路内部短路( 如尼1 点) 时，流经输电线两侧的故障电流均为正方向，且l + 凡= 厶( 厶为尼1 点短 路电流) 。利用被保护元件两侧电流和在区内短路与区外短路时一个是短路点电 流很大、一个几乎为零的差异，便构成了电流差动保护；利用被保护元件两侧在 区内短路时几乎同相、区外短路几乎反相的特点，比较两侧电流的相位，可以构 成电流相位差动保护。本文着重研究前一种也就是电流差动保护问题，根据所采 用的差动电流和制动电流的不同，电流差动保护又分为很多种。 山东大学硕士学位论文 2 2 全电流差动保护判据 目前常用的数字式分相电流差动保护相量动作判据为： 肌+ l l 厶 忆+ 凡i k 。 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 其中：l 和l 分别表示图2 1 中线路m 侧和n 侧的全电流相量；z o 为制动电 流门槛，按躲过线路充电电流以及外部故障由于线路电容引起两端电流差的增加 来整定；k 为制动电流；k 为制动系数( 0 k ( i 乇l + l l i ) 国外常用判据，小电流条件下，该判据的动作特性有辅助跳闸判据决定；大 电流条件下，该判据的动作特性由主判据决定。本判据沿用了模拟微波电流差动 保护的动作判断方式，作为数字式电流纵差保护判据有两点不尽理想之处：第一， 计算量大，用数字方法求解需进行若干次平方及开放运算，完成三相电流的跳闸 判据需要耗费大量机时：第二，这种判据的制动部分在区内、区外故障时的表现 是一致的，为使区外故障时有足够的防卫度，区内短路时保护动作的灵敏度就会 受到影响。 b ) 以两侧电流差为制动电流( 判据一) 肌+ l l 厶 ( 2 - 3 ) u l + l i k i l l i ( 2 4 ) 长距离输电线传输很大的功率，两侧等效电源的电势相位差大，区内故障时 山东大学硕士学位论文 两侧电流的相位差也大，这种重要线路一般无分支，制动电流宜采用两侧电流相 量差。这也是国内保护为克服国外判据在内、外部故障时具有相同制动作用的不 足而进行的改进，本文中的全电流差动保护均采用此判据。 c ) 主判据中考虑非零输出 忱+ 厶l 厶 【l l + 元i k ( 1 毛l + i l l ) + 乞 上式中的k 是为躲过稳态情况下差动电流中的非零输出而设置的门槛电 流。引起差动电流非零输出的主要因素有：c t 和电流变换电路产生的谐波信号、 同步采样误差、量化误差以及系统频率波动等。 d ) 以两侧电流最大值为制动电流 忆+ l f 孔 忆+ l i k m a x ( m ，m 该判据保持了被保护线路内部故障灵敏度高、外部故障可靠不误动的性能， 还具有发生跨线故障时快速、有选择性地切除故障和反应过渡电阻能力强的优 点。 研究发现虽然全电流差动保护判据的种类多种多样，但有一个共同点就是所 有全电流差动保护判据在内部故障时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。因此若用故障分量电流取代稳念工频电流相量并 构成动作判据，将能克服由负荷电流带来的问题。这是研究基于故障分量的电流 差动判据的基本出发点。 2 3 基于故障分量的差动保护判据 2 3 1 故障分量的基本原理 故障分量是故障信息在电气量上的具体表现，因此，故障分量可以定义为在 系统发生故障时所出现的电气量【3 1 。图2 2 给出了一个简化的电力系统图。其中包 括系统两侧综合电势厶、瓦及系统两侧等值阻抗、k 。假定在线路上 7 山东大学硕士学位论文 ( c ) ( a ) 故障状态；( b ) 非故障状态；( c ) 故障附加状态 图2 2 系统故障分解图 f 点发生短路故障后，线路m 端和n 端的电压、电流分别为瓯、l 和沙v 、l ， 如图2 2 ( a ) 所示，这种状态称为故障状态。对于线性系统可以根据叠加原理对 上述故障状态进行分解。在图2 2 ( a ) 的f 点加上两个串接的大小相等方向相反 的电压d f ，d f 是故障发生f i i f f 点的电压。加上这两个电压后完全可以与f 点发生 短路等效。根据叠加原理，故障状态( 图2 2 ( a ) ) 可以等效为非故障状态( 图 2 - 2 ( b ) ) 与故障附加状态( 图2 2 ( c ) ) 的叠加。故障附加状态是在短路点上加 上与该点非故障情况下大小相等、方向相反的电压，并令网络内所有电势为零而 8 山东大学硕士学位论文 得到的状态。由于它是故障发生后才引出的状态，在故障发生前是不存在的，因 此故障附加状态中包含的只是故障信息。故障附加状态网络中所出现的电气量， 例如、k ，、k 是代表故障信息的电气量，它们都称为故障分量。由 此可见，故障附加状态可以可作为分析、研究故障信息的依据。 故障分量的基本特征： 1 ) 非故障状态下不存在故障分量的电压、电流，故障分量只有在故障状态 下才出现； 2 ) 故障分量独立于非故障状态，但仍受系统运行方式的影响； 3 ) 故障点故障分量电压最大，系统中性点处为零； 4 ) 保护安装处故障分量电压和电流的相位关系由保护安装处到系统中性点 之间的阻抗决定，且不受系统电动势和短路点过渡电阻的影响； 5 ) 线路两端故障分量电流与负荷电流无关，其相位关系分别由故障点到两 侧系统中性点的阻抗决定，与两侧电势和故障点过渡电阻无关； 6 ) 故障点短路支路中只有故障分量存在； 7 ) 故障分量中包含有稳念成分和暂态成分，他们都包含有故障的性质、类 型、位置和时间等所有可以利用的信息，两者均可以用来构成差动保护 的判据。 2 3 2 故障分量相量差动保护 故障分量电流差动保护的基本动作判据( 判据二) 为： f 鸲 厶 ( 2 _ 5 ) 【鸥 k 她 ( 2 6 ) 式中，鸲= i 瓯+ “i 为故障分量差动电流； 她= i 瓯一鸸l 为故障分量制动电流； 哦、鸸为线路两端同名相故障分量电流相量； 厶为差动保护整定值，其整定除要保证在非故障相故障分量电流很小时差动 继电器不误动外，还应躲过线路电容电流的故障分量，并留有一定的裕度； 9 山东大学硕士学位论文 k 为比率制动系数；k 值的选取既要保证外部故障引起c t 饱和时有足够的 防卫度，又要保证内部故障时保护有足够的灵敏度。 全电流差动保护由于将负荷电流引入制动量，从而降低了区内故障的灵敏 度，但参与差动保护计算的是故障分量电流时，则可消除负荷电流的影响，提高 了保护的灵敏度。 2 3 3 瞬时值电流差动保护原理 瞬时采样值电流差动保护的制动方程和相量电流差动保护的制动方程类似， 例如两端线路的制动方程如下： f i v i o ( 2 7 ) 【i v k x f ， ( 2 8 ) 式中：i v - - i f o + i 为动作电流，i r = i 乙- i o l 为制动电流； k 为制动系数，厶为整定值( 是一常数) 。 线路两侧电流的瞬时采样值是随时间的变化而呈现周期性变化的，因此差动 电流、不平衡电流、偏置电流也都是随时间的变化而周期性变化的，这样故障分 量瞬时值差动判据对不同的采样点制动效果是不一样的，有一些采样点的制动效 果比较好，而有一些采样点的制动效果比较差。 采样角度( c o t )电流电流之动作电流屯 制动电流t 制动效果量 z 7 o 。0 a0 0 17 5 a0 0 0 l7 5 a0 0 0 1 7 5 a l 3 0 。o 5 a0 4 8 4 8 a0 9 8 4 8 ao 0 1 5 2 a 6 4 8 4 5 o 0 7 0 7 1 a0 6 9 4 7 a1 4 0 1 8 a0 0 1 2 4 a11 3 6 0 o 0 8 8 6 a0 8 5 7 2 a1 7 2 3 2 a0 0 0 8 8 a1 9 5 8 9 0 o l a0 9 9 9 8 5 a1 9 9 9 8 5 a0 0 0 0 1 5 a1 3 3 3 2 1 2 0 。 0 8 6 6 a 0 8 7 4 6 a1 7 4 0 6 a0 0 0 8 6 a2 0 2 4 1 3 5 。0 7 0 7 l a0 7 1 9 3 a1 4 2 6 4 a0 0 1 2 2 a 1 17 1 5 0 。o 5 a0 5 1 5 a1 0 1 5 ao 0 1 5 a6 7 7 1 0 表2 1 不同时刻瞬时值差动保护的制动效果 山东大学硕士学位论文 假设有一两端输电线路的电流分别为f l j 阳之，它们的相位差为a 0 ( a s = 意) ， l o u 其中：= a xs i n ( c o t ) ，之= a x s i n ( c o t - a o ) ，则由式( 2 - 8 ) 可以得到： 屯= 1 2 a xc o s c 蠡舯i n ( c o t 一蠡，i ，= 1 2 axs i n c 蠡m 。s ( c o t 一蠡) l 表2 1 是从零时刻开始的半个周期内在不同的角度时瞬时采样值差动保护的 制动效果。 如果采用全电流差动保护，那么制动效果为： 生：2 a x c o s ( 3 翥0 ) ：1 1 4 6 2 a x s i n ( 蠡) 从表2 1 可以看出瞬时采样值电流差动保护的制动效果在4 5 。附近与相量电 流差动保护的制动效果基本相同。 假设一个周期内的采样点数为n 个点，为了能够达到相量电流差动保护同样 的制动效果，也就是瞬时采样值电流差动保护能够采样至1 j 4 5 。的电流值，那么采 样判断的数据窗至少应该不少于9 0 。，瞬时采样值电流差动保护的数据采样点数 s 必须满足以下关系式： s i4 5 + 4 5 ) n + l ：n + 1 ( 2 9 ) 当采样点数满足上式时，就可以保证其中至少有一个瞬时采样值的制动效果 可以与全电流相量差动保护的制动效果相当，为了防止个别的采样点，尤其是接 近过零点时的瞬时采样值影响保护的正确动作，一般应采用在连续r 个采样值中 有s 个采样值满足保护判据时保护出1 ：3 动作。s 的值根据式( 2 9 ) 来取，r 值比s 值大，考虑极端情况，当过零点位于两个相邻采样点的中点时，有可能使两个采 样点都不能满足判据，因此一般r l l s 大2 ，但r 值也不能取过大，取值过大会影 响保护的动作速度。 2 3 4 故障分量瞬时值差动保护 基于故障分量的保护在原理上与正常运行时的负荷无关，与接地故障时的过 渡电阻大小无直接关系，具有相当的优越性。而瞬时值差动保护可以提高电流差 山东大学硕士学位论文 动保护的动作速度。因此，采用故障分量原理保护与瞬时值电流差动保护相结合， 形成基于故障分量的瞬时值差动保护，以提高电流差动保护的性能，是十分自然 的设想。故障分量瞬时值差动保护的动作判据( 判据三) 为： l 乙+ l ka i m - a i + i o ( 2 1 0 ) 式中，为线路两端同名相故障分量瞬时值；k 为制动系数，k 乞( 2 - 1 2 ) u 瓦。+ 厶。i k j l 。一厶。j ( 2 - 1 3 ) 式中：l 。m 侧的零序电流；l 。- n 侧的零序电流； 丘零序启动电流定值，其整定不仅应躲过线路的稳态零序电容电流，还 应躲过在母线上发生三相短路时，流过线路两端c t 的最大不平衡电流。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 5 小结 本章首先阐述了电流差动保护的基本原理。然后对全电流差动保护的几种常 见判据进行了介绍并分析了各自的优缺点和使用范围，结果表明以两端电流差为 制动电流的保护判据克服了国参 l - n 据在内、外部故障时具有相同制动作用的缺 点，是国内常用的判据形式，本文也以该判据代表全电流差动保护来进行下文的 仿真分析。 本章还研究了故障分量的基本原理及基本特征，讨论了瞬时值电流差动保护 的采样点应满足的条件，在此基础上给出了基于故障分量的相量差动和瞬时值差 动保护的实用判据。最后，本章介绍了零序电流差动保护。 山东大学硕士学位论文 第三章影响电流纵差保护的因素 为了提高超高压输电线路的传输能力，减小其电压损耗和能量损耗，使其达 到最佳运行状态和最大经济效益，必须尽可能地减小输电线路单位长度的电阻和 电感，减小漏电导，增大电容。因此，超高压输电线路采用电流差动保护原理时 面临着一些特殊的问题，这些问题成为影响电流纵差保护灵敏度的重要因素。 3 1 电容电流对差动保护的影响 输电线路的相与相之间和相与地之间都存在着分布电容，在电压等级不高， 线路不长的情况下，其分布电容很小，对输电线路的电流影响不大，可忽略其对 差动保护的影响【1 2 】。但在超( 特) 高压长线或电缆线路上，分布电容的等值容抗大 大减小，电容电流将使线路两端电流的大小和相位都发生改变，不再满足区外故 障和切除、空载合闸、重合闸及正常运行时两端电流大小相等方向相反的条件， 从而直接影响了电流差动保护的灵敏度和可靠性。 电容电流对第二章所提到的四种保护判据均有影响，但经研究发现电容电流 对故障分量相量判据和零序判据的影响结果大体相同，仅存在两点区别：一是分 析电容电流对零序差动的影响时用到的是故障情况下的零序等效网络，而分析其 对故障分量相量差动的影响时用到的是故障附加状态：二是零序电流只存在于不 对称接地故障中，故障分量存在于所有故障类型中。限于篇幅所限，本文仅以分 布电容对全电流差动和零序差动的影响为例来进行分析，电容电流对其它判据的 影响可以进行类似的分析。 3 1 i 电容电流对全电流差动保护的影响 ( 1 ) 线路空载合闸时 当线路一端断开、另一端进行空载合闸时，此时差动保护相当于电流速断保 护，只要满足分相差动的从判据，主判据就总是成立的。而当输电线路很长时， 电容电流很大，按躲过分布电容电流来整定的从判据中的i o 就变得很大，这样就 降低了保护的灵敏度，特别当线路末端发生短路时，有可能因灵敏度不够而拒动。 1 4 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 线路内部发生故障时 以三相短路稳态为例，分析长线路发生内部故障时，由于分布电容电流的影 响，导致保护拒动的原因。 线路空载情况下内部故障时的相量图如图3 2 所示。可见，由于电容电流的 存在，两侧电流幅值减小，降低了保护的灵敏度。在线路出口短路时，远故障侧 电流不仅幅值减小，相位偏移也很大，因此，线路两侧故障比中点故障受电容电 流的影响更严重。 l ? n 图3 1 考虑分布电容情况下内部故障时的系统接线图 im l c 、i c n i c m ( a ) 五点短路，吒= 0( b ) e 点短路( c ) f 4 点短路，吼= 0 图3 2 线路空载时内部故障相量图 线路在负载状态下( 相量图如图3 3 ，设m 侧为送电端，n 侧为受电端) ： i c n l c m i c m ( a ) 送电端短路( b ) 中点短路( c ) 受电端短路 图3 3 线路带负载时内部故障相量图 在送电端短路时，受电端电流因电容电流的影响，其相位朝超前方向偏移， 在负荷较大时，这种影响反而有利于保护的跳闸；在线路中点故障时影响不大： 在受电端短路时，若负荷电流较大，电容电流使两端相量的相位增大，可能造成 保护拒动。因此短路点越靠近受电端，保护受电容电流的影响越严重。 山东大学硕士学位论文 对于不对称短路，可应用对称分量法进行类似的分析。 ( 3 ) 线路空载状态 线路空载时，流过两侧的电流皆为电容电流，式( 2 2 ) 成立，此时需依靠 式( 2 1 ) 来把关，式中定值j 1 1 须躲过线路的稳态电容电流，并留有一定裕度。 若厶较大，将影响区内故障时保护过渡电阻的能力，降低保护的灵敏度。 ( 4 ) 线路外部故障时 线路外部故障时，相量图如图3 4 所示，在短路电流较大时，两侧电流的相 位变化不大，保护一般不会误动；当短路电流较小时，由于线路两侧电流相位变 化较大，可能满足条件而误动，如果不采取措施，则此时定值厶应躲过外部故障 时分布电容的暂态放电电流，其值较大，这势必将恶化区内故障时的灵敏度。 e “e ( a ) 故障电流较大时( b ) 故障电流较小时 图3 4 外部故障时两侧电流电压相量图 总之，随着电压等级的增高，线路长度的增加，电容电流可能很大，其对全 电流差动保护的影响不容忽视，必要时应采用相应的补偿措施。下面给出电容电 流稳态补偿方案的理论推导过程： i i 形等效电路是一个典型的二端v 1 网络，其网络方程为【1 7 】： 阡 纠豳 ， 1 6 图3 5 集中参数的i i 形等效电路 上式即为描述线路两端电压电流关系的数学模型，不难推得各参数为： 山东大学硕士学位论文 彳= 譬扎b = z c = y ( 等+ ，) ；。= 孚+ ， 超高压长距离输电线路的等值i i 形网络为： ( 3 2 ) 圳攀铆黜黝3 ) 根据4 ：娶+ 1 及b ：孑可得： z x = z 。s h ( 肪匕= 等 ( 3 - 4 ) 其中，乙= ；为线路的波阻抗；7 = 万为线路的传播系数； 时各序分量仍然满足长线路基本方程。图3 7 给出了长线路各序网的i i 形等效电 f 乙，= 乙：= z o ，s h ( t 1 1 ) 卜k 篙 。5 z ；o = z c o s h ( r o t ) y 一2 c h ( y 0 1 ) 一2 ( 3 - 6 ) 卜一z 。o s h ( y 0 1 ) 1 7 山东大学硕士学位论文 ( a ) 正序网 ( b ) 负序网 ( c ) 零序网 图3 7 高压长线路各序分量的等值电路图 以图3 - 6 所示的i i 形网络为例，在正常运行或外部故障时有屯+ 厶= + 0 。为消除电容电流的影响，可在线路两端引入一个补偿电流厶，使补偿 后的两端电流大小相等，方向相反，即： i t m + l l n = ( 、l m ib m 、) + 0 in ib n 、) = 0( 3 - 7 、 目前电容电流的补偿方案有半补偿和全补偿两种。由于j 下常情况下和外部故 障时，全补偿的误差较大，因而半补偿就成为了一种较为常用的补偿方式。所谓 半补偿是指在线路两端各补偿电容电流的一半。即： ib m + i b n = im + l n = i c m + i c n = 勺m 告+ on 每 ( 、3 焉、) yy 将补偿后的电流带入差动保护动作判据，从而可消除或部分消除电容电流的 影响，改善保护的灵敏度和可靠性。 当发生不对称故障时，在实际计算中，需要按照图3 7 i ：1 - 算出各序补偿电流， 再合成各相补偿电流。以m 端为例，其j 下序补偿电流：。= 比。圪。；负序补偿 1 8 山东大学硕士学位论文 电流：k ：= ：圪：；零序补偿电流：k 。= 。圪。以a 相为基准相，则有 剐1 褂 3 1 2 电容电流对零序差动保护的影响 分析电容电流对零序差动保护的影响时采用故障情况下的零序等效网络来 进行分析，因为在零序网络中只有一个等效电压源，分析起来显得相对简单。在 此采用a 相接地时的零序网络为例来进行分析。 ( 1 ) 线路内部发生故障时 z 蝴b z s n o 图3 8 考虑分布电容时线路内部故障下的零序网络图 上图中。、。分别代表m 母线和n 母线到故障点之间的线路零序阻抗， 如若在内部不同点发生短路也就是两个阻抗值发生变化，例如在线路始端发生故 1 障时。= 0 ，乙v 。= z l 。，线路中点发生故障时。= 乙。= 去乙。，术端故障 二 时z 删o = z 。，乙。= 0 。这样图3 - 8 就完全可以代表线路内部不同点发生故障时 的故障附加状态。接下来分析在线路始端、中点和末端发生故障时各电流间的相 量关系。 由于两端分布电容上的电位超前或滞后故障点电位都有可能，因此图3 9 给 出了两种情况下线路中点发生故障时的相量图( 假设两端系统完全对称即线路阻 抗的大小相等、相位相同，线路分布电容完全相等，电源内阻抗也相同) 。 由相量图可见，线路中点故障时，电容电流的影响使得两端的零序电流向同 一个方向旋转相同的角度，幅值略有变化，对零序差动影响不大。通过分析发现 1 9 山东大学硕士学位论文 线路始端和木端发生短路时的零序网络只是d f 。的大小和相位有差异外，其它情 况基本类似，因而分布电容电流对零序差动保护的影响也是类似的。接下来以线 路末端发生故障为例( 图3 1 0 ) ，当。滞后于吼。时在电容电流的影响下，两端 零序电流向相同方向旋转。但由于n 侧的电容电流较大，该侧的零序电流旋转的 角度也会较大一些，因而分布电容电流的存在使得两端电流间的相位差减小，这 有利于保护的动作。同样当。超前于酢。