（电力系统及其自动化专业论文）超高压线路保护能量平衡原理及有关问题的研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 几种常见的接地距离保护进行了充分的数字仿真。在此基础上，提出了接地距离 保护在地线分段带间隙的线路上宜按所有间隙都击穿情况下的阻抗参数进行整定 的建议。 。 ， 关键词：超高压线路继电保护相量差动保护能量平衡保护接地距离保护 分支线路分段绝缘地线 i l 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c m cp o w e r s y s t e m ，l a r g en 啪b e r so fh v e h v 订a n s m i s s i o nl i n e s 谢uc o m ef b n l l t h es t u d yo f e h vt r a n s m i s s i o n1 i i l ep r o t e c t i o n i sa ni n s i s t e n td e m a n d t h j sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e di nm e s t u d yo fc o m p o s i n g as u i to f h v e h vt r a i l s m i s s i o n1 i n e p r o t e c t i o nw i 也e x c e l l e mp e r f o 玎n a i l c e t h ed i s s e n a t i o n m a i m y c o n c e m sm ef 0 儿o w i n ga s p e c t s ：d i s 砸b u 把dc a p a c i t a 【t l c ec u r r e n to n1 0 i 玛u h v t r 锄s m i s s i o nl i n e s ，d o u b l e 1 i n e s ，b r a n c h 谢r e ，s e c t i o n a l i z e di n s u l a t e dg r 0 1 m d w i r e n i si s i m p o r t a n tf o rc o m p o s i n gas u i to fh v e h vt r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n 谢t 1 1 e x c e l l e mp e d b m l a l l c e a p p l i c a t i o no fn o r n l a lc u r r e md m r e n t i a lr e l a yo nl o n gu t m s m i s s i o nl i n e s a r e1 i m i t e db e c a u s eo fd i s m b u t e dc a p a c i t a n c ec l 】i t e m c u r r e n t p h a s o r d i 仔b r e n t i a l p r o t e c t i o n 诵t l lc 印a c i t i v ec u r r e mc o m p e n s a t i o ni sau i l i v e r s a ls c h e m e u s i n ge m t p ， p e r f o n n a i l c e so f c u r r e mp h 髂o rd i f r e r e n t i a lp m t e c t i o nh a sb e e ne x t e n s i v e l yt e s t e d t h e r e s l l l to fs i m u l a t i o nm d i c a t e st h a tf 撕l tc o m p o n e n td i 脏r e n t i a lr e l a yw 汕c 印a c i t i v e c u r r e n tc o m p e n s a t i o nh a se n o u g hs e n s i t i v i t ya i l ds e l e c t i v i t yo na 1 0 n gt r a n s m i s s i o nl i n e 谢t l lp o w e rs o u r c e 8a tb o 廿le n d s h o w e v e ro na1 0 n g 订a i l s m i s s i o n1 i n ep o w e rs 0 1 1 r c ea t o n ee n d ，a ut l l es c h e m e so f p h a s o rd i f f 旨e n t i a lp m t c c t i o nc o u l dn o tm e e tt h er e g u l a t i o n o f p o w e rs y s t e mp r o t e c t i o n i no r d e rt om e e td e m a n d so ns h o r to p e r a t i o nt i m eo fh v e h v 仃a n s m i s s i o nl i n e p r o t e c t i o n ，i t i s n e c e s s a r yt od e v e l o p at e c l l i l i q u ew h i c hh a s 也es 锄ee x c e l l e n t p e r f o 珊a i l c ea sc u r r e n td i f 艳r e n t i a lr e l a yd u r i n gt 1 1 e 仃| m s i e n tp m c e s s a f t e raf h u l ta n di s u n a f 绝c t e d b yc a p a c i t a n c e c u r r e n t an e wt e c h n i q u ef o r 1 0 n g t r a n s m i s s i o nl i n e p r o t e c t i o nb a s e do nt h eb a l a n c eo fe n e r g yp r i n c i p l ei s d e s c r i b e di nt h i sp a p e r i tc a n d i s t i n g u i s hb e t w e e ni n t e m a la 1 1 de x t e m a lf a u l t sb yc o m p a r i n gm e n e te n e r g yf e di n t o t h ep r o t e c t e d1 i n e i nas h o r tt i m ei n t e r v a l e n e r g y i sc a l c u l a t e d b y t w od i f f e r e n t m e t h o d s t h er e s u l t sc a l c l l l a t e db ye m t ps h o wm a tu n d e ra n yc o n d i t i o no fp o w e r s y s t e mt h ep r o p o s e dt e c h n i q u eh a se x c e l l e n tp e r f b m a j l c ef o rt h ee a n h f a u l td i s t a l l c e p r o t e c t i o nu n d e rh i g h r e s i s t a n c e e a n h f h u l tc o n d i t i o n sa n das h o r t o p e r a t i o n t i m e h o w e v e r ，t h e r ea r es t i l l l o t so fp r o b l e m st oo v e r c o m eo nt h es t u d yo fd i s t r i b u t e d c a p a c i t a n c e c u r r e n t t h ei m p r o v e m e n to fe a r t h f a u l tr e l a yo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sb e n e f i t s i i i 华中理工大学博士学位论文 t h e p e r f o r m a n c e o fb a c k u p p r o t e c t i o n s 0 n t h eb a s et h e t r c p ( d ) - lt h e a u t h o rd c s i g l l st h c1 1 1 l l l t if l l l l c t i o l l a l i m p c d a n c cr c l a ya n a l y s i sp r o g r a m t h e p e r f o r m a n c eo fs o m er e l a y s i s a n a l y z e d o nt h ec o n d i t i o no fd o u b l el i n e s i n c l u d i n g j op 0 1 a r i z e dr e l a yw i t hd o u b l ed e c l i n a t i o n a ia n g i e s i na d d i t i o n ， i m p r o v e m e n ti sd i s c u s s e da n dan e ws c h e m ef o rt h ec o m p a r i s o no ft h ez e r o s e q u e n c ec u r r e n tb e t w e e n t h et w o1 i n e so n p a r a l l e l - w i r el i n ei sp u tf o r w a r d d i r c c t i o n a l c o m p a r i s o np i l o tp m t e c i i o n c a nb eo n es c h e m eo fh v 腰h v t r a n s m i s s i o nl i n em a i n p r o t e c t i o n f e a s i b i l i t yo f d i r e c t i o n a lc o m p a r i s o n p i l o tp r o t e c t i o n o nm u l t i t e n n i n a l l i n e si sd i s c u s s e di nt h ed e s i g no fp r o t e c t i o ns c h e m ef o rt e e ds h o r t1 i n e d i r e c t i o n a lc o m p a r i s o np i l o tp r o t e c t i o nw i t hd i s t a n c ep r o t e c t i o n s t h i si sas i g n i f i c a t i v e a t 【e m p tf o rd i r e c t i o n a lc o m p a r i s o np i l o tp r o t e c t i o no n m u l t i t e r m i n a l l i n e s t h e a p p l i c a t i o n o fs e c t i o n a l i z e di n s u l a t e dg r o u n d w i r eb r i n g sn e wp r o b l e m s f b n v a r da b o u th v e h vt r a j l s m i s s i o n1 i n e sd i s t a t l c ep r o t e c t i o n t h i sp 印e ra n a l y s i s m e o r e t i c a l l yt h ei n n u e n c eo f t h eg a pd i s m p t i v en a s h o v e ro fi n s u l a t e dg r o u n d w i r eo n d i s t a l l c er e l a y ，a i l dp e r f o r m a n c eo fs e v e r a lu s u a le a r t h f a u l td i s t a l l c ep r o t e c t i o n sh a v e b e e ne x t e n s i v e l yt e s t e db yu s i n ga t p t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns t u d i e si n d i c a t em a t s e m n go f e a n h f a u l td i s t a i l c ep r o t e c t i o no ns e c t i o n a l i z e dg r o l l l l d w i r e 、v i t hg 印s h o u l d b ec a l c u l a t e do na 1 1t h eg a p sd i s m p t i v en a s h o v e r k e y w o r d s ：u h v t r a n s m i s s i o nl i n e p r o t e c t i o nr e l a y i n g b a i a n c eo f e n e r g y p r o t e c t i o n c u r r e n tp 1 1 a s o rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n e a r m - f a u l td i s t a i l c ep r o t e c t i o n b r a n c hw i r es e c t i o n a l i z e di n s u l a t e dg r o u n d w i r e l v 华中理工大学博士学位论文 第一章绪论 本章在简述微机线路保护发展史的基础上，介绍了超高压线路保护的发展现 状，并且就超高压线路保护的一些特殊问题的重要性阐述其研究的必要性。最后 陈述了本论文的主要研究工作。 1 1 引言 近年来微机型保护发展很快，我国生产的微机线路保护装置在原理、性能、 主要技术指标等方面均达到了国际先进水平，代表则当今继电保护发展的前沿。 目前全国己投入运行的微机保护达7 0 0 0 多台，并且以每年8 0 0 1 0 0 0 台的速率增 加。微机保护运行情况较好，正确动作率逐年提高，已从1 9 9 1 年的9 0 6 提高到 1 9 9 9 年的9 9 7 8 i l 、2j 。随着我国电力工业的发展，大约会在2 0 1 0 2 0 2 0 年左右实 现全国主要电力系统之间的互联，形成全国联合电力系统口j 。超高压交流、直流 架空等都是互联可能采用的形式，大量的超高压甚至特高压线路将会在电网中运 行。继电保护是电网安全运行的关键，适应新形势的超高压线路保护的研究迫在 眉睫。以光纤通信、数字信号处理器( d s p ) 、全球定位系统( g p s ) 等为代表的 通信技术和微机技术的不断发展与广泛应用，客观上为超高压线路保护新技术研 究与应用提供了物质条件。 1 2 继电保护发展历史与现状 自本世纪初第一代机电型感应式过电流继电器( 1 9 0 1 年) 在电力系统应用以 来，已经经历过近一个世纪的发展。在最初的二十多年里，各种新的继电保护原 理相继出现，如差动保护( 1 9 0 8 年) 、电流方向保护( 1 9 1 0 年) 、距离保护( 1 9 2 3 年) 、高频保护( 1 9 2 7 年) ，这些保护的原理都是通过测量故障后的稳态工频量 来检测故障的。随着现代科学技术和工业的不断发展，基于上述原理的保护装置 也经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式、微处理机式等不同的发展阶 段。尽管后数十年间大量研究的工作不断发展和完善电力系统的保护，但是这些 保护的基本原理没有变，他们至今依然在电力系统继电保护领域里起主导作用。 计算机在继电保护领域里的应用是一个重要的里程碑。1 9 6 5 年初，英国剑桥 大学的p g m c l a r e n 等提出利用采样技术实现输电线路的距离保护n 接着，1 9 6 6 年下半年，澳大利亚新南威尔士大学的i f m o r r i s o n 预测了输电线路和变电所采 华中理工大学博士学位论文 用计算机控制的前景，包括计算机用作继电保护的前景，接着他们进一步进行了 计算机式保护的理论研究，主要研究适用于继电保护的各种算法 5 】o1 9 6 9 年前后， 美国西屋公司的g d r o c k e f e l l e r 等开始进行具体装置的研制【6 】，并于】9 7 2 年发 表该装置的试运行样机的原理结构与现场实验结果。从六十年代末计算机保护概 念提出开始，继电保护技术得到了迅速发展。输电线路9 川、电力设备队”。，一。】 等的数字保护技术被很快的开发出来。特别是微处理机技术的飞速发展使得设计 新的和复杂的保护方法有了可能。它不仅使传统的保护原理得以数字化实现，并 且为实现新的保护原理捉供了手段。 始于七十年代水的基于行波理论的输电线路的超高速保护是利用故障暂态分 量来实现保护工作的开端。随着超高压电网的日益增长，传统的保护方式已不能 满足系统稳定性对线路故障的快速切除的要求。研究工作者在寻求提高保护响应 速度的研究中发现，故障暂态产生的行波和增量能够被用来快速检测故障。国外 一些著名继电器生产厂家先后推出产品，例如a s e a 的r a l da 【”】，g e c 的 l f d c ，a b b 的l r 9 1 1 1 7 j ，这些保护方案都具有响应速度快，方向性好，不受系 统振荡及电流互感器饱和的影响等优点。其主要缺点是缺乏故障选相分类功能， 对系统参数敏感，不能检测电压过零点故障，故障位置测定不准确等。然而，这 些继电器都没有能够达到理想的准确度和可靠性，其主要原因是受传感器的频宽 的限制。 从1 9 8 3 年起，行波保护研究出现了新动向。主要有：p a c m s s l y 等人提 出了行波距离保护【1 8 】；a t j o l l l l s 等人提出了利用噪声的保护，利用8 0 k h z 左右行波分量；国内学者提出了基于工频变化量的方向保护和快速距离保护 【2 0 2 “。其中前2 种只使用单端电气量，保护速度更快；国内学者为提高保护的可 靠性，更倾向于工频保护【2 2 】。与此同时，一系列基于数字技术的行波保护算法问 世，如相关法】、最大相似法口4 1 、波形识别法【2 5 】等。实际装置有b b c 公司研制 的l r 一9 1 方向保护【2 6 1 和a t j o h n s 等人研制的幅值比较式方向保护【2 7 】等。然而它 们已不是严格意义上的行波保护。 自适应保护的概念始于八h 叫，研究工作【2 8 、2 “”j 表明，这个概念在传输线 的距离保护、变压器保护、自动重合闸等领域内有着广泛的应用前景。它具有能 够改善系统响应，增强可靠性，提高经济效益等优点。文献 3 1 】、文献 3 2 对自 适应距离保护的原理，即系统结构、数学模型、构成原则及自适应方法作了系统 和全面的探讨，试图为自适应式微机距离保护建立必要的理论基础。文献【3 3 从理 论和实践两个方面探讨了微机距离保护的自适应对策，涉及的问题有电力系统的 频率变化、单相接地短路时过渡电阻的影响、电力系统纯振荡的影响和故障发展 华中理工大学博士学位论文 等问题。文献 3 4 】介绍了九十年代后期研制成功的自适应式电流保护，它能自动适 应系统运行方式的变化及故障状态，使保护在线自动整定计算和性能最佳化。自 适应保护是数字技术的应用带来的继电保护领域里的一个进步。然而自适应技术 没有改变现有各种保护的基本原理。 进入九十年代以来，电力系统保护领域内的一些研究工作转向人工智能的应 用，相继出现了用人工神经网络与模糊控制理论来实现故障类型的判别、故障距 离的断定、方向保护、主设备保护等。通过新的数学手段，故障产生的信号的整 个频带的信息可以同时被用来检测故障，这一点不仅为提高故障判别的精确度提 供了手段，而且能够使些基于单一工频信号的传统算法难以识别的问题得到解 决。文献f 3 5 介绍了一种基于多层前馈神经网络( m 卧n ) 实现的输电线路保护方 向元件。文献【3 6 卜【3 9 】介绍了人工神经元网络在距离保护中的一些应用。文献【4 0 】 介绍了一种根据多种判据的隶属度进行综合模糊决策的变压器保护新方案。文献 f 4 1 在分析已有的变压器保护判据的基础上，应用模糊集理论对原有标积制动原理 差动保护的判据进行了改进。 小波理论在继电保护的应用始于近几年h 2 4 “，文献 4 4 提出了基于小波分析 法求解阻抗的一种新算法，文献【4 5 提出了一种基于小波理论的区分励磁涌流和短 路电流的新原理，文献 4 6 构造了基于小波理论的高通和带通滤波器并应用于发电 机定子不对称故障保护和单相接地保护。小波理论的出现也给行波保护带来了生 机。文献【4 7 】提出了只使用单端电流的边界保护，文献 4 8 4 9 提出了基于小波变 换的行波保护( 包括基于小波变换的方向行波保护和距离保护) 。 1 3 超高压线路保护的一些特殊问题 在我国，随着经济的发展和人民生活水平的提高，电力系统迅速发展，5 0 0 k v 及以上线路超高压电网迅速出现。超高压长距离输电线的任务是将远距离负荷中 心的大容量水电站或煤炭产地的坑口火电厂的巨大电功率送至负荷中心，或作为 大电力系统间的联络线，担负功率交换的任务。因此，提高长距离输电线路的传 输能力和并联运行的电力系统的稳定性，是一个极为重要的问题。为此，长距离 输电线常常装设串联电容补偿装置以缩短其电气距离。此外，为了补偿线路分布 电容的影响，以防止过电压和发电机的自励磁，长距离输电线还常常装设并联电 抗补偿装置。 超高压长距离输电线的特殊性及其对继电保护的影响如下： 华中理工大学博士学位论文 ( 1 ) 高压输电线电感对电阻的比值大，时问常数大，短路时产生的电流和 电压自由分量衰减较慢。为了保持系统稳定，长距离输电线的故障应尽快切 除。其继电保护的动作时间一般要求在2 0 4 0 m s 。因此，必须考虑这些自由 分量对继电保护测量值( 测量阻抗、电流相位、电流波形、功率方向等) 的 影响。 ( 2 ) 由于并联电抗中所储存的磁能在短路时释放，在无串联补偿电容的线 路上可产生非周期分量电流，在一定条件下此电流可能同时流向线路两端， 因此在外部短路时，流入电路两端继电保护装置的非周期分量电流可能数值 不等，方向相同( 例如都从母线流向线路) ( 3 ) 串联电容和线路及系统电感及并联电抗等在故障时将产生幅值较大 的、频率低于工频的低频分量。由于这种分量幅值大，频率和工频接近，故 使电流的波形和相位将发生严重的畸变。 ( 4 ) 由于分布电容大，因而分布电容和系统以及线路的电感谐振产生的高 次谐波很多，i 塥值也很大，对电流的相位和波形也将产生影响，并且分布电 容j ，i “：卜n 0j u 脊i u _ ；：j e u 4 i l j 忽 。 ( 5 ) 单相接地短路时，一u + 能有较大的过渡电阻。高压线路上配置的单相自 动重合闸或综合自动重合闸在当单相跳闸后可能出现非全相运行或复故障状 态。 ( 6 ) 某些电网中可能出现平行双回线、同杆并架线路。 ( 7 ) 高压线路常为重负荷线路，在长距离输电线路末端的短路电流可能低 于负荷电流，且使线路两端功角摆开较大，并容易诱发系统振荡。 ( 8 ) 电容式电压互感器和电流互感器的暂态过程对继电保护的影响。 由于超高压输电线路的重要性，尽管有以上诸多方而影响，电力系统对超高 压线路继电保护提出了更高的要求：h “克服以上影响，快速、灵敏、可靠、有选 择的切除故障，确保超高压电网安全运行。本论文围绕设计和构成一套高性能的 超高压线路保护主、后备保护装置所面临的几个主要研究问题展开。本节将着重 介绍这些问题的发展与现状。 1 3 1 高压线路电流差动保护的发展与长线电容电流的对策 电流差动保护的原理是在本世纪初提出的【5 0 】，迄今为止，已约有9 0 年的历史。 由于其原理简单可靠而被广泛的用作r 乜力系统的发电机、变压器、母线和大型电 动机等元件的主保护。电流差动保护的原理在电力线路上的应用，最早就是传统 4 华中理工大学博士学位论文 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， 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【5 ”。在我国，也较早的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【5 2 5 3 1 。这一阶段，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。进入8 0 年代，日本有最 先研究采用p c m 调制方式的数字式电流差动微波保护卧5 “。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微波保护。我国于 8 0 年代末。开始研制数字式的电流差动微波电流差动保护，w ) m 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、通过鉴定。由于光纤通信在电力通 信系统的使用较少，需为光纤电流差动保护配设专用光缆，所以，光纤电流差动 保护通常被设计用于短距离输电线路【5 5 ，5 司。由于我国电力通信设备的相对落后， 我国高压输电线路的主保护仍然是传统的高频保护占主导地位，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却一直非常之少。投入运行的电 流纵差保护装置基本上是国外公司如日本东芝公司、英国g e c 公司和a b b 公司 的数字电流差动保护装置。在国外，数字式电流差动保护的应用较多，尤其在日 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，我国的通 信发展很快，电力通信系统中也在加速发展，其中光纤通信系统的建设势头是前 所未有的。广东省电力系统已有近千公里的光缆建设已完工；华东电网的数字微 波网已覆盖了三省一市全境，光纤通信网正在加紧建设，全网的数字光纤通信线 路已超过4 0 0 公里；华北电网在完成我国第一条9 0 公里无中继3 4 m b s 光纤电路 后，也在加紧建设以微波、光纤为主干网的电力信息传输网；黑龙江省电力系统 的光纤通信发展也很快，现已有几百公里的光纤通信线路投入运行。我国电力系 统的光纤通信已日益引起继电保护工作者的关注。目前以三峡工程为契机的我国 超高压电力输电网的出现，也在加速我国的超高压输电系统的进一步扩大和完善。 据称未来三峡的2 2 0 k v 、5 0 0 k v 及以上电压等级的输电线路的保护通信通道将几 乎全部是光纤通信。 光纤通信等通信技术和微机技术的不断发展与广泛应用，客观上为基于双端 电气量的超高速纵联线路保护新技术研究与应用提供了物质条件。众所周知，分 布电容电流是影响超高压远距离输电线路纵联保护动作特性的重要因素。基于基 华中理工大学博士学位论文 尔霍夫电流定律的电流差动保护原理，由于线路纵差保护的判据中不包括线路分 布电容电流，则在理论上是线路纵差保护原理的一个缺陷。而长距离输电线路的 分布电容电流，对于纵差保护的影响已经是不能忽略的了。当电容电流大到必须 补偿时，目前比较有效的方法是采用相量补偿口”。并且现有数字电流纵差保护中 普遍采用基于工频相量的动作判据【5 8 ，5 9 ，6 0 ，一用到相量差动就必须考虑高次谐波和 非周期分量的影响，就要采用模拟滤波和数字滤波种种手段，就不得不在故障后 数据窗达到一定宽度才能丌放保护。因此，为了正确的求取电压、电流相量，保 护的快速性受到了很大的限制。并且，如果补偿分斫j 电容电流，对于外部故障， 这种补偿是合理的，而列于内部故障，这种山线蹄母线电压计算分布电容电流的 补偿方法必然会有较大的误差，不可避免的有一部分内部故障情况下这种误差是 起反作用的，势必影响到保护的灵敏度。 由于以上原因，目前出现的数字电流差动保护装置基本上不考虑分布电容的 影响。文献 6 1 】介绍了w x h 3 5 型微机短线路光纤纵差保护装置，此装置由上海 交通大学与许昌继电器研究所联合研制，适用于5 0 0 k v 及以下的短距离输电线路。 文献 6 2 在分相式全电流差动保护的基础上，提出了一种利用相电流突变量构成分 相式突变量差动保护、利月j 零序i 乜流构成零序差动保护的新方案。此方案已应用 于w x h 3 5 型微机线路光纤纵差保护装置。文献 6 3 于1 9 9 4 年，文献 6 4 于1 9 9 7 年分别介绍了g p s 同步采样技术在数字电流差动保护中的具体应用。1 9 9 9 年文献 6 5 提出了一种新型数字式分相电流纵差保护，它的两个主要特点：利用g p s 的 时间传递以全新方式实现线路两端的同步采样；采用最新提出的故障分量瞬时值 电流差动算法。文献【6 6 在介绍一种数字式电流纵差保护系统，其使用的差动保护 判据仍是传统的判据，即用各端电流的向量和作动作量，用相应的标量和作制动 量，采用比率制动特性。文献 6 7 在介绍了一种可应用于三端线路的数字式电流纵 差保护的主要功能和结构，此保护的基本判据使用各端电流中的正序电流和负序 电流来构成动作量和制动挝。综二所述，分州1 u 流纵差、g p s 同步采样技术受到 了普遍的青睐，然而由于对长线分布电容电流缺乏有效的解决办法，这些电流纵 差保护的应用的范围也将受到限制。 随着电网的建设，线路的电压等级，总会进一步向更高的电压等级方向发展， 长距离输电线路也会进一步增多。对分布电容电流不加以重视，仅仅靠抬高整定 值、或用相量补偿的办法，势必影响保护的灵敏度和快速性，难以适应超高压线 路对继电保护的要求和未来发展的需要。通过对超高压长距离输电线路本身特点 的分析和研究，以寻求新的保护原理，充分利用以光纤通信、数字信号处理器 ( d s p ) 、全球定位系统( g p s ) 等为代袭的通信披术和微机技术的强大功能，可 华中理工大学博士学位论文 望从根本上解决超高压长距离输电线路分布电容电流的问题，实现保护快速性、 灵敏性、选择性和可靠性较好的统一。 1 3 2 高阻接地距离保护的研究现状 提高接地距离保护的耐受过渡电阻能力曾经是继电保护的一个研究热点。传 统的方向阻抗继电器，在正向两相和单相经过渡电阻外部接地短路时，都可能出 现超范围动作现象，且允许的过渡电阻也较小，因而方向阻抗继电器作为接地故 障的测量元件是不够理想的【6 ”。为此，必须研究开发具有新原理的接地距离继电 器。文献【6 9 】分析了按比较三相补偿电压和零序电流相位原理构成的多向补偿接地 距离继电器的静态运行特性，指出该继电器具有容许较大过渡电阻的优点，在 j j 一5 0 0 型距离保护装置中采用了这一继电器作为接地故障的测量元件【7 0 】，但区外 不对称故障伴随振荡时或当本侧电源超前对侧电源的相角增大时，该继电器都可 能拒动。文献【7 1 提出了综合比相式新型接地距离继电器，该继电器综合了电抗元 件，姆欧元件，选相元件和方向元件的性能，具有优良的选相功能，同时，在防 止继电器区外稳态超越和提高保护耐受过渡电阻能力方面其性能都有所提高。文 献 7 2 】中对几种类型的突变量距离继电器的性能进行了分析和比较。其中，反应于 补偿电压相位突变量的距离继电器的动作特性与传统的多相补偿距离继电器相 同，且能保护三相短路。反应子补偿电压突变量的幅值的距离继电器在正方向的 动作特性圆比反应于补偿电压相位突变的距离继电器大，能允许更大的过渡电阻 【7 3 】。文献【7 4 】介绍了故障分量电抗继电器，并探讨了提高突变量距离继电器对过 渡电阻反应能力的途径。文献 7 5 】中提出用自适应对策来克服输电线路单相接地短 路时过渡电阻对接地距离继电器的影响，但由于短路时流过故障点的故障电流无 法测量，使自适应方法的实现遇到了困难。 文献7 6 】提出了基于微分方程算法接地电抗继电器方案，在该方案中，建 议用正序和负序电流的故障分量的和近似代替流过故障点的故障电流，通过解微 分方程求解故障距离，来判定故障是否在保护区内，实验结果表明，这种接地电 抗继电器反应高阻接地故障的能力明显提高，但继电器耐受过渡电阻的能力受正 序和负序运行参数变化的影响较大。实际电力系统中，系统的零序网络相对比较 稳定，因此文献 7 7 推荐用流过继电器的零序电流代替流过故障点的故障电流。由 于解微分方程算法是以瞬时值计算为基础的，数学模型简单，计算速度快，保护 耐受过渡电阻能力强，因而成为微机接地距离保护的优选算法【7 。但基于微分方 程算法接地电抗继电器在电力系统某些运行方式下存在区外稳态超越问题。针对 华中理工大学博士学位论文 这一问题，文献 7 9 提出了相位补偿原理视在距离新算法，用该算法实现的接地距 离继电器能根据系统运行工况的变化选择刁；同的零序fl i 流的相位补偿值，保证区 外故障时，保护不超范围误动。但相位补偿原理视在距离新算法接地距离继电器 的性能受角度整定值的影响较大。 厶极化接地距离继电器在反映高阻接地故障各方面显示出优良的性能，是目 前为线路保护装置中广泛采用的接地距离保护的测量元件 8 0 ，8 1 ，8 2 1 。常规厶极化接地 距离继电器，在正方向单相经过过渡电阻外部接地短路时，可能会超越误动，同 时，当继电器安装在受电端时，保护耐受过渡电阻能力很差 6 8 】。文献 8 3 中作者 采用计算机辅助分析方法对厶极化接地距离继电器的静态运行特性进行了研究， 着重讨论了继电器安装侧处于受电端时存在的“受端超越”问题，从理论上阐明 了产生这一现象的主要原因。文献 8 4 在文献 8 3 的基础上，提出了改进的厶极 化接地距离保护方案，该方案u j 以橄据系统实际运行工况进行动作特性方程的切 换，从而提高了厶极化接地距离继电器受端耐受过渡电阻的能力，但对该继电器 的分析研究表明：在某些系统运行方式情况下，该继电器可能超越误动。文献f 8 5 1 提出了一种比较测量电压，补偿电压和零序电流的相位关系的接地距离继电器， 这种接地距离继电器，实质上是一种能进行动作特性方程切换的厶极化接地距离 继电器。 通过对厶极化接地距离继电器稳态超越机理分析和研究，文献【8 6 提出了一 种能克服厶极化距离继电器区外稳态超越问题的新方案，即双下偏厶极化接地距 离保护方案，单相接地故障n q ，该方案能在保证整定点以外的故障保护不 误动的前提下，对于区内故障有尽可能高的耐受过渡电阻能力。然而不难 看出，在接地距离继电器的发展过程中各种继电器都是以简单双侧电源单 回线路系统为研究模型，从传统的方向阻抗继电器发展到了双下偏厶极化接地 距离保护方案。双下偏厶极化接地距离保护方案的优点是对这种研究的模型来说， 在接地距离保护方案中，它具有最高的耐过渡电阻能力。然而其研究的模型也决 定了它的先天不足，对于较复杂的系统模型，特别是有环网、平行双回线或下一 段线路为分支线路时，流过故障点的故障电流与补偿电压的相位关系已经不能 象单回线中那样反映区内故障和区外故障。因此改进和提高计算机辅助分 析方法的功能，用它进一步分析和研究各种接地距离继电器的动作特性十 分有必要。 1 3 3 地线分段绝缘问题与距离保护 我图2 2 0 k v 及以上的高压、超高压交直流输电线路均采用两根避雷线，其常 规的作法是选用钢绞线并逐塔接地，这无疑会显著增加输电线路的电能损耗。计 算表明：2 2 0 k v 单回线路的地线损耗约为( 5 l o ) 1 0 4 舢 百公里年，3 3 0 k v 8 华中理工大学博士学位论文 约为6 0 1 0 4 加 百公里年，5 0 0 k v 约为5 0 0 1 0 4 枷 百公里年。从节能的 角度出发，我国绝大部分2 2 0 、3 3 0 、5 0 0 k v 输电线路的架空地线( 避雷 线) ，均设计成分段绝缘的方式。即将架空地线经专用绝缘予对杆塔绝缘， 并适当分段( 每段长1 0 3 0 k m ) ，然后居中一点接地。文献【8 7 指出采用对 地绝缘的架空避雷线时有很多好处的，国内外通过实验研究和实际安装运行，已 积累了不少经验，公认是有积极意义的。同时也指出应进一步加强研究避雷线对 地绝缘后给继电保护工作带来的影响，在保护元件性能和技术方面采取有效措施， 以保证继电器安全运行。文献 8 8 】对超高压线路绝缘地线的特性进行了分析研究。 在此基础上文献【8 9 提出了按地故障期间的间隙放电会引起线路零序电抗的突 变，并进一步简要的定性分析了零序电抗的变化对5 0 0 k v 接地距离保护动作特性 的可能影响。 零序参数的变化，是属于纵向性变化。电流差动保护对纵向性变化不敏感， 不受绝缘地线间隙放电的影响。相间短路保护不反映零序网络参数，因此受影响 主要是接地距离和零序方向。由于零序方向的相位测量裕度很大，而间隙放电引 起的零序电流、电压相位变化相对较小。绝缘地线间隙放电对继电保护的影响主 要归结为对接地距离保护的影响情况。借助计算机仿真等手段，从定性和定量两 个角度分析研究绝缘地线间隙放电对按地距离保护的影响，将有可能找到问题的 解决方案以确保继电保护设备的安全运行。 1 4 论文的主要工作和章节安排 本论文围绕设计和构成一套高性能的超高压线路保护主、后备保护装置这一 课题，研究了超高压输电线路保护存在几个主要的问题。根据系统稳定的要求， 超高压线路保护的配置一般为两套主保护和一套完整的后备保护。在通讯、c p u 等硬件允许的条件下，电流差动保护显然是目前超高压线路主保护的首选，然而 分布电容电流制约了其在超高压长线中的应用。针对超高压长线电容电流对差动 保护的影响，本论文分析比较了普通相量差动，故障分量差动的动作特性，然后 从超高压长线线路本身的特性出发，提出了远距离输电线路能量平衡保护，并分 析其特点以及其在超高压远距离输电线路诸多不利影响因素下的可行性。目前国 内广泛采用的利用载波通道实现的纵联保护，可分为方向比较式和相位比较式纵 联保护，其中以方向比较式纵联保护的应用比较普及。可选方向比较式纵联保护 作为超高压输电线路的另一套主保护方案。本论文以保护“太一”工程t 接短线 路纵联方向及距离保护装置的方案的设计与实现为例，探讨了方向比较式纵联保 护在复杂电网中应用的可行性。超高压线路保护配置中一套完整的后备保护是必 不可少的，其中以阶段式距离保护和零序电流保护配合方案应用比较普遍。研究 华中理工大学博士学位论文 和改善反映接地故障继电器的动作特性对提高后备保护的性能具有积极意义。本 论文在改进和提高计算机辅助分析方法的功能的基础上，分析和研究平行 双回线中反映接地故障的几种常见继电器的动作特性并提出了相关的建议；分段 绝缘地线的广泛应用给超高压线路接地距离保护的研究提出了新的课题，本论文 从理论分析和数字仿真两方面研究了绝缘地线间隙放电对接地距离保护的影响， 最后提出了接地距离保护在地线分段带川辣的线路上安全运行的解决方案。具体 的章节安排如f ： 第一章在简述微机线路保护发展史的基础上，介绍了超高压线路保护的发展现 状，并且就超高压线路保护的一些特殊问题的重要性阐述其研究的必要性。最后 陈述了本论文的主要研究工作。 第二章针对超高压长线电容电流对差动保护的影响，使用e m t p 分析比较了普 通相量差动，故障分量差动的动作特性。提出了远距离输电线路能量平衡保护， 分析了保护的基本原理，并且做了必要的理论证明，最后详细介绍了用e m t p 程 序对此保护所作的数字仿真结果。 第三章介绍由t r c p ( d ) 。1 【9 4 j 程序发展而来得阻抗继电器综合分析程序的结构和 功能。然后利用此程序分析了在平行双回线中反映接地故障几种常见继电器的动 作特性。 第四章以保护“太一”工程t 接短线路纵联方向及距离保护装置的方案的设计 与实现为例，探讨了方向比较式纵联保护在复杂电网中应用的可行性。其中简要 介绍“太一”工程t 接线路的结构与参数，并讨论了保护“太一”工程t 接短线 路纵联方向及距离保护装置设计的几个主要考虑方面，以及动模实验的结果。 第五章从理论上分析绝缘地线间隙放电对距离保护的影响，并且用a t p 对几种 常见的接地距离保护进行了充分的数字仿真，以期通过理论和仿真分析研究获得 在分段绝缘地线线路上距离保护安全运行的可靠方案。 第六章全文小结 华中理工大学博士学位论文 第二章远距离输电线路差动保护分析与能量平衡保护 在通讯、c p u 等硬件允许的条件下，电流差动保护显然是目前超高压线路主 保护的首选，然而分布电容电流制约了其在超高压长线中的应用。本章针对超高 压长线电容电流对差动保护的影响，首先使用e m t p 分析比较了普通相量差动， 故障分量差动的动作特性。然后提出了不受超高压长线电容电流影响的远距离输 电线路