（电力系统及其自动化专业论文）配电网线路速切保护的研究.pdf

摘要 众所周知，继电保护装置的快速动作，电力设备故障的快速清除，是提高电力 系统暂态稳定性，减轻设备损坏程度和降低故障损失的最有效的措施之一，因而 在我国的2 2 0 k v 以及以上电压等级的电网中，一般均采用具有全线速切功能的高 频保护、微波保护或纵差保护作为输电线路的主保护。在l l o k v 及以下的电网中， 特别是3 5 k v 及以下的中低压配电系统中，由于技术、投资和人们传统习惯等方面 的原因，一般均采用已沿用几十年的三段式或两段式时限配合的电流保护、电流 电压联锁保护和距离保护等。这样，每条线路中仅有部分区段中的故障能够被快 速切除，其余部分的故障则要经o 5 秒或更长的延时后才能切除。随着电力工业的 发展，中低压配电网络的结构、用电负荷性质和用户对供电的要求都发生了很大 的变化，传统的三段式过流继电保护在实用中遇到了一些问题，本文将对这些问 题进行分析，在此基础上提出采用全线速切保护的必要性，并对可行的技术方案 进行探讨。 本课题首先对目前配电电路保护的种类进行了研究对比，目前比较流行的新 型保护有无通道保护、电流自适应保护、纵联羞动保护等，通过比较其优缺点， 发现无通道保护和电流自适应保护等新型算法还难以在实践中被应用，应此本文 采用的保护方法为纵联差动保护。 通过研究纵联差动保护的具体算法，将其移植到低压配电网中，得到适合本 文应用的微机保护算法和纵差保护判据。在此基础上提出了配电线路纵联差动保 护装置的软硬件结构和配置，并结合具体的工程项目要求，在满足工程要求的前 提下，对方案进行了简化，提出了一种经济性更好且安全可靠的方案。并针对此 方案设计了实验方案进行了可靠性功能试验。 最后，在实验满足要求的前提下。为满足工程现场施工的具体要求，提出了 通过无线传输作为信息通道的实施方案。本文应用了单片机控制技术，设计出了 无线电台通信接口电路，并在硬件配置和软件编程方面都作了具体的工作，使装 置满足现场的具体要求，并在实践中取得良好的效果。 关键词z 配电线路，纵联比较式保护，全线速切。 b 3 t r a c t a 8w ea 1 1k n d w ， t h er a p i dm o v e m e n to fr e l a yp r o t e c t i o n d e v i c ea n dt h er a p i dr e m o v a lo fe l e c t r i c a le q u i p m e n tf a i l u r e 8 c a ni m p r o v ep o w e rs y s t e mt r a n 8 i e n ts t a b i l i t ya n dr e d u c et h e d 硼a g et oe q u i p m e n ta n dt h e1 0 8 $ e f f e c t i v e l y s o 。i nt h ep o w e r s y 8 t e mo f2 2 0 】c vv o 工t a g e1 e v e la n da b o v e 8 u c hr e 】a yp r o t e c t i o n d e v i c ew i t ht h ef u n c t i o ff u l ll i n eh i g hs p e e da 8t h e h i g h f r e q u e n c yp r o t e c t i o n ， m i c r o w a v et r a n 8 m i 8 8 i o n1 i n e p r o t e c t i o no rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na r eg e n e r a l 】_ yu s e da s t h em a i np r o t e c t i o n 工nt h ep o w e rn e t w o r ko f1 l o ，c vv 0 1 t a g e 1 e v e la n db e l o w ，e s p e c i a l l yi nt h e1 0 wv 0 1 t a g ed i 8 t r i b u t i o n 8 y 8 t 铀o f3 5 ，v 0 1 t a g e 王e v e la n db e l o w t r a d i t i o n a lt h r e e 一8 t e p o rt w o 一8 t e pc u r r e n tr e l a yp r o t e c t i o n 、t h ec u r r e n ta n d 、r 0 1 t a g e i n t e r l o c kp r o t e c t i o na n d d i s t a n c e p r o t e c t i o n h a v eb e e n 1 1 s u a l 】| yu s e ad u r i n gt h ep a s ty e a r 8b e c a l 】亭eo ft h et e c 嗜m 0 1 0 9 y - i n v e s t m e n ta n dt h et r a d i t i o n a lf a c t o r s 工nt h i sw a y ，o n l yp a r t o ff a i l u r es e g m e n tc o u l db er e m o v e dq u i c j c l y ，o t h e r 8p a r tw o u l d b er e m o v e da f t e r0 58 e c o n d so r1 0 n g e r d e l a y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y t h ec o n f i g u r a t i o no f 1 a w 、九) 1 t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h en a t u r eo f1 0 a da n dt h e d e 眦n dt ot h ep o w e rq u a l i t yo fu 8 e r 8 h a 、阳c h a n g e dm u c h s o t r a d i t i o n a lt h r e e g t e pc u r r e n tp r o t e c t i o ne n c o u n t e r ss o m e p r a c t i c a lp r o b l m 宣t h i sp a p e rw i l la n a l y z et h e 宣ep r o b l e m 8 b r i n gf o r w a r dt h en e c e s s a r yo fq u i c k - t r i p p r o t e c t i o na n d d i 8 c u s 8t ：h ef e a s i b l et e c h n 0 1 0 9 譬s c h e n 惜。 t h i 8a r t i c l ew i l lc o n t r a 8 td i f f e r e n tk i n d 8o fp r o t e c t i o n g s u c ha st h en o n c o m m u n i c a t i o np r o t e c t i o n ，a d a p t i v ec u r r e n t p r o t e c t i o na n dp i l o td i f e r e n t i a lr e l i yp r o t e c t i o n f i n d 4 t h e i rv i r t u ea n dd i s a d v a n t a g e ，t h r o u g hw h i o hw ew i l lf i n dt h a t t h en o n - c o 叫n l n i c a t i o np r o t e c t i o na n d t h ea d a p t i v ec u r r e n t p r o t e c t i o nh a 、r en og o o de f f e c ti np r a c t i c e ，8 0i nt h i 8a r t i c l e t h ep i l o td i f f e r e n t i a lr e l a yp r o t e c t i o nw i l lb ep u ti n t ou s e w ew i 工1 宜t u d yt h ea r 土t h m e t i co fp i 】o td i f f e r e n t i a lr e l a y p r o t e c t i o na n du 8 ei ti n1 a wv 0 1 t a g ed i 8 t r i b u t i o n1 i n e 8 ，t h e n t h ep r o t e c t i o nc r i t e r i o nw i l lb ep r e s e n t e d ，b a 8 e do nw h i a h t h e p a p e r w i l lb r i n gf o r w a r dt h es t r u c t u r e矾dt h e c o n f i g u r a t i o no fb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a tt h es 硼et i m e - w e 唧g tm e e tt h er e q u i r 鲫e n t 8o ft h ep r o j e c t -b ot h ep a p e r p r e s e n t 8a8 i m p l i f 土e d ，e c o n c 咖i c a la n d r e l i a b l ep r o g r 硼s c h 鲫e t h e n ，em a k et h er e l i a b i l i t ye x p e r i m e n ta n dg e tt h ed e 耳i r e d r e s u l t 8 a t1 a b t ，n d e rt h ep r e m i 8 eo fm e e t i n gt h ee x p e r 玉皿e n tr e q u e 8 t ， t os a t i 8 f yt h er e q u e 8 to ft h ep r a o t i c a lp r o 】e c t ， t h ep a p e r p u t 8f o r w f u c dan e wc o i l 硼u n i c a t i o ns c h 鲫ev i a w i r e l e 8 8c h a n n e l t h i 8 p a p e ri d e 8 i g n s ab r o a d c a 8 t i n g8 t a t i o nc o 耶n 啪i c a t i o n i n t e r f a c ec i r c u i tu 8 i n gt h es c mt e c h n 0 1 0 9 y ，d o e 8m u c hw o r k i nt h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i d na n ds o t w a r ed e s i g n ，w h i c hm a k e 8 t h ed e v i c es a t i 8 f yt h ep r a c t i c a ld e m a n da n da c h i e v e 宰g o o d r e s u l t 窖i np r i c t i c e 【k e y o r d s 】： d i s t r i b u t i o n1 i n e s t h ep i l o td i f f e 】? e n t i a l r e l a yp r o t e c t i o n ，q u i c k t r l p 5 1 、绪论 1 1 电力系统微机保护的发展现状及趋势田 随着当代屯网规模的不断扩大，对电力系统可靠性和安全性的要求越来越 高，性能优良、功能齐全的继电保护装置是电力系统安全，经济、可靠供电的必 要保证。近年来，电子计算机特别是微型计算机技术发展得很快，其应用己广泛 而深入地影响着科学技术、生产和生活等各个领域，使得各部门的面貌发生了巨 大的，往往是质的变化。继电保护技术也不例外。早在6 0 年代末期就己经有人提 出用计算机构成保护装置的倡议。在7 0 年代，掀起了研究热潮，仅公开发表的有 关论文就有2 0 0 余篇，在此期间提出了各种不同的算法原理和分析方法。但是限 于计算机硬件的制造水平和昂贵的价格，无法将这类保护装置作商业性的生产。 到了7 0 年代末期，随着一批功能强大、价格较低的微型计算机的出现，无论在技 术上还是经济上，己具备用一台微型计算机来完成一个电气设备保护功能的条 件。美国电气和电子工程师学会( i e e e ) 的教育委员会在1 9 7 9 年曾组织过一次世界 性的计算机保护研究班。这个研究班之后，世界各大继电器制造商都先后推出了 各种定型的商业性微机保护装置产品。由于微机保护装置具有系列独特的优 点，这些产品问世后很快受到用户的欢迎。目前，微机保护在世界范围内已经被 广泛应用。我国在微机保护方面的研究工作起步较晚，但进展却很快。随着微处 理器单片机的高速发展，微机继电保护得到了不断的改进，各种微机继电保护装 置相继问世。到了9 0 年代，我国继电保护技术进入了微机保护时代。同传统的继 电保护相比，微机保护具有其不可比拟的优点： l 、维护调试方便 整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂的保 护，例如超高压线路的保护设备，调试一套保护常常需要一周，甚至更长的时问。 究其原因，这类保护装置都是布线逻辑的，保护的每一种功能都由相应的硬件器 件和连线来实现。为确认保护装置是否完好，就需要把所具备的各种功能都通过 模拟实验来校核一遍微机保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功 能是由相应的软件( 程序) 来实现的。换言之，它是用一个只会做几种单调的、简 7 单操作( 如读数、写数以及简单的运算) 的硬件，配以软件，把许多简单操作组合 而完成各种复杂的功能。因而只要用几个简单的操作就可以检验微机的硬件是否 完好。所以对微机保护装置可以说几乎不用调试，扶而可大大减轻运行维护的工 作量。 2 、可靠性高 计算机在程序指挥下，有极强的综合分析和判断能力，因而它可以实现常规 保护很难办到的自动纠错，即自动的识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动 作。另外它有自诊断能力，能够自动检测出本身硬件的异常部分，可以有效的防 止拒动，因此可靠性很高。 3 、易于获得附加功能 微机保护除了具有保护功能外，还兼有记忆功能，可记录保护各部分的动作 顺序和动作时间，故障类型和相别，以及故障前后电流和电压的波形等。对于线 路保护，还可以提供故障点的位置( 测距) 。这将有助于运行部门对事故的分析和 处理， 4 、灵活性大 由于微机保护装置的特性主要由软件决定，不同原理的保护可以采用通用的 硬件，因此只要改变软件就可以改变保护的特性和功能。另外，微机保护具有巨 大的计算、分析和逻辑判断能力，有存储记忆功能，可用来实现任何性能完善且 复杂的保护原理。从而，微机保护可以灵活的适应电力系统运行方式的变化。 5 、保护性能得1 4 很好改善 由于计算机的应用，使得很多原有型式的继电保护中存在的技术问题，可以 找到新的解决办法。由于微机保护装置具有巨大的优越性和潜力，有着广阔的发 展前景，现在已成为电力系统保护、控制、运行、调度及事故处理的计算机系统 的重要组成部分。 l 。2 新型配电线路保护研究背景 目前，配电线路的主要保护方式是电流保护，其选择性是靠时间延迟的配合 来实现的。由于时间延迟，电流保护不能实现全线速动。 这种方式已经越来越难以适应市场化的需要，暴露出来的弊端也越来越多 主要有： 1 ) 配电网线路的短路容量越来越大，保护带延时对故障设备的损害加大。 造成供电变压器绕组变形，烧毁等问题。 2 ) 保护带延时，同一母线出现大量的甩负荷问题。 3 ) 同一母线持续电压跌落，造成电压敏感用电设备的毁坏和产品的报废。 4 ) 故障点游离时间长，使本属于瞬时性故障情况发展成永久性故障造成 重合闸成功率低的问题。 5 ) 故障点不能准确隔离，造成停电面积大，查找故障困难，恢复送电慢等 问题。 6 ) 配电线路的供电方式千变万化，相应的继电保护整定工作非常繁杂。 对于一些地区配电系统工业负荷、敏感性负荷的比例较大，对供电可靠性要 求较高，传统的三段式保护难以满足要求，需要继电保护系统对配电线路故障实 现全线速切，减小电压跌落持续时间，防止发生由于母线电压降低导致的甩负荷 现象 实现配电线路全线速动保护，对有效解决以上问题、提高供电可靠性和供电 质量、较小经济损失有重要意义。 为此，国内外继电保护工作者提出了一些新方法：如自适应保护p 。”1 ”、 配电线路无通道保护和配电线路光纤纵联比较保护。 1 3 新型配电线路保护研究现状 1 j 1 白适应继电保护 自适应继电保护是上世纪8 0 年代提出的一个较新的研究课题，它可以根据系 统运行方式和故障状态改变保护的性能、特性或定值的保护。自适应继电保的基 本思想是使其尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护性能。使用自 适应原理可以使保护性能优化，并且可在线自动改变定值和参数以适应系统的变 化。 1 3 2 无通道继电保护 无通道保护的概念并有实际装置问世【”l 。这种镶嵌在先前电流保护中的新 型保护使故障线路切除时间大大缩短。无通道保护利用单端工频电气量的变化， 来获取线路对端断路器的动作情况，从而在区内故障时实现相继速动。所以无通 道保护实际上也是一种相继速动保护。以往的相继速动保护主要研究的是距离保 护i i 段的加速性，其原理是利用故障线路一端断路器动作后引起的零序电流i 。 和负序电流i ：的突变量，来实现相继速动；而无通道保护主要利用故障线路一 端断路器动作后引起的非故障相电气量的突变，来实现相继速动。相比之下，后者 具有更广的应用范围。 1 3 - 3 纵联比较保护 另外一种模式就是借助通信的配电线路纵联比较保护“3 ”，通过获得 相邻或对侧保护装置的动作信息判断故障是否位于区内，如果故障位于区内，则 加速本侧保护动作，这与输电系统中的纵联比较保护原理是一样的。从理论上讲， 应用于高压及超高压系统的纵联比较原理和技术都可以应用于中低压的配电系 统但受成本、投资和维护工作量等方面的限制，且考虑到配网保护在速动性和 可靠性的要求不如高压及超高压系统严格，所以应根据配网系统的特点，在满足 基本要求的基础上对保护系统的构成适当简化。 1 4 本文主要工作 目前一些文章【驯中提到了速切保护的研究方案，但都不成熟，需要进一步的 研究，因此本文通过总结近几年来的研究成果，并根据具体的项目要求进行了初 步的实用化改造，主要工作包括以下几个方面； 1 研究纵联差动保护的具体算法，将其移植到低压配电网中。 2 确定改造试验方案，并对动作逻辑可靠性进行试验。 3 根据项目现场具体情况确立项目实施方案，对通讯接口电路进行硬件设计 和软件编程调试工作，并完成现场应用。 2 、速切保护理论的研究 2 1 电流速断保护在配电线路中存在的问题 先分析电流速断保护的整定计算原则。根据电力系统短路的分析，当电源电 势一定时，短路电流的大小决定于短路点和电源之间的总阻抗z z ，三相短路电 流可表示为： l 一笔南 c ：叫 其中；k 为系统等效电源的相电势： 乙为短路点至保护安装处之间的阻抗； 乙为保护安装处到系统等效电源之间的阻抗。 在一定的系统运行方式下，e 和z s 等于常数，此时短路电漉毛将随乙的增 大而减小。当系统运行方式和故障类型改变时，l 都将随之变化。同时可得到短 路电流与线路长度的关系曲线图2 1 。 i d 0 l 图2 1 电流速断保护动作特性的分析 在最大运行方式下三相短路时，通过保护装置的短路电流为最大，而在最小 运行方式下两相短路时，则短路电流最小。 现举例说明电流速断保护是如何具体整定的 1 1 为了保证电流速断保护动作的选择性，对保护1 来讲，其起动电流如。必须 整定得大于d ，点短路时，可能出现的最大短路电流，即在最大运行方式下b 母 线上三相短路时的电流l 。， 亦即：k 。 l 。 ( 2 2 ) 引入可靠系数k k ，则上式可写成：j 。= l ，一 ( 2 3 ) 可以看出起动电流与乙无关，所以在图2 1 上是直线，它与曲线i 和各有 一个交点。在交点以前短路时，由于短路电流大于起动电流，保护装置都能动作。 而在交点以后短路时，由于短路电流小于起动电流，保护将不能起动，所以有选 择性的电流速断保护不可能保护线路的全长。 因此，电流速断保护对被保护线路内部故障的反应能力，即灵敏性，只能 用保护范围的大小来衡量，此保护范围通常用线路全长的百分数来表示。并由图 2 1 可见，当系统为最大运行方式时电流速断保护范围为最大，当出现系统最 小运行方式下的两相短路时，电流速断的保护范围为最小。 所以当被保护线路长短不同时会发生截然不同的情况。 当线路较长时，其始端和末端短路电流的差别很大，因而短路电流变化曲线 比较陡，保护范围比较大，如图2 1 中所示： 当线路较短时，由于短路电流曲线变化平缓，速断保护的整定值在考虑了可 靠系数以后，其保护范围很小甚至于为零，如图2 2 中所示。所以这种情况下， 电流速断保护失去作用。 0 l 斗 山东大堂亟士堂僮论窒 图2 2 短线路电流速断保护动作特性 这样线路大部分区段上的故障要靠延时0 5 秒的段保护或延时更长的 段保护来切除( 有的输电线路不设i l 段保护) ，故障持续时问大大加长。 由此可见： 故障切除时间的延长，一方面会导致故障设备及相连设备的进一步损坏，对 设备造成较大损害；更为严重的是，会使相关母线上的电压在较长时间内严重降 低，使接于这些母线上的电动机转速大大降低，在故障切除后，电压趋于恢复正 常，但此时转速已经降低的电动机要自起动，在线路上产生较大的压降，使电压 难以恢复，有时甚至反而会进一步降低，最终导致大量电机低压保护动作跳闸， 使大量无故障线路上的负荷被甩掉。 2 2 电流自适应保护 随着微机保护在电力系统中的广泛应用和通信技术的不断进步，将自适应技 术引入继电保护装置己成为可能。所谓自适应继电保护装置是指能根据电力系统 运行方式变化信息在线修改保护整定值，以获得最佳保护性能的保护装置。自适 应继电保护装置在选择性、快速性和灵敏性方面明显优于常规继电保护装置。 自从自适应保护的保护理论提出之后国内外学者在电流保护方面做了很多 研究提出了很多可行的方案最主要的一个方法是提出通过保护装设处的电压、 电流故障分量可以实时在线计算线路背侧系统综合阻抗z s ，利用负序电流和相电 流故障分量区分两相和三相短路以决定故障类型系数，根据系统阻抗和线路阻抗 的计算结果实时改变保护动作定值实现自适应保护功能其具体原理和方法如 下： 自适应电流速断保护的定值应随系统运行方式、负荷的短路故障类型的改变 而改变，即定值整定公式为： 1 0 。k x k d e l z s + z 0 ( 2 4 ) 式中：厶保护动作电流 鼬故障类型系数 磊啄统故障时的综合阻抗 所以必须实时监测短路故障类型系数如系统综合阻抗磊由此可见自适应电流 1 3 保护的保护范围随着系统运行方式的变化而变化但总是根据电流保护的要求使 保护处于最好状态。自适应电流保护的保护范围比传统的电流速断保护的保护范 围大得多，但上述方法由于所有的计算都是在实时进行对微机保护的计算速度和 采样通道的数量有较高的要求无形中增加了设各的成本。 2 3 配电线路无通道保护 甘前无通道保护研究分为配电线路的无通道保护【7 “”1 6 l 和高压输电线路 无通道保护1 8 + 9 栖部分。 在配电网的无通道保护研究中还可细分为两种情况，一种是无分支线路配电 网，另一种是带分支线路的配电网( 即t 接线) 。 对于无t 接形结构配电网( 即无分支线路配电网) 的无通道保护研究在文 献 7 中详细介绍，它的核心思想是利用一端断路器动作后故障线路非故障相 电流为o 的特点加速被保护线路另一端保护的动作并保证选择性。 本保护利用单端工频电气量，用一个实时处理算法抽出正、负、零序分量。 算出序分量的有效值，比较它们的大小，确定系统状态。用序分量的变化确定远 端断路器的动作行为，防止故障区外的断路器误动，加速故障区内的断路器跳 闸。判断系统运行状态的方程如下： r1 = s0 + s2 sl ( 2 5 ) 式中so ，sl ，s2 分别代表零序、正序、负序分量的有效值。 上式可理解为：若负序分量和零序分量的和与正序分量相比超过定值，则 判断故障发生。 在实际配电系统中，存在大量t 接线路( 即带青分支线) ，这时故障线路一 端断路器动作后，故障线路的非故障相电流不为o 。因此，前述保护不再适用， 必须研究新的解决办法。 带分支线路的配电网无通道保护动作原理的核心思想是：当有分支线路发生 不对称故障时，故障线路一端断路器动作，引起系统结构变化，将造成系统非故 障相电流突变。据此，故障线路另一端保护加速动作【1 3 j 。 动作判据可以表述如下： ( a ) 比值判据：用来判断故障是否存在 1 4 且如 。吲 式中：i 。，i ：和i 。分别为正序、负序和零序电流分量。 考虑到可靠性，比值判据r l 的定值选择在o 2 o 4 之闯。 ( b ) 差值判据：用于检测故障时非故障相电流的突变。 t ( k ) ，( 足) 一j ( 置一n ) ( 2 7 ) 式中；i ( k ) 、i ( k n ) 分别表示非故障相电流一个周期前后的采样值；k 为采样时间；n 为周期数。 ( c ) 时间判据：设置该判据的目的是保证所提出的保护的选择性。 非故障相电流的突变可能是由保护区内故障线路一端断路器动作引起，也可 能是保护区外其他线路的断路器动作( 故障或操作) 引起。仅依靠非故障相电流的 突变不能保证保护动作的选择性。实际保护有动作顺序，对应的断路器动作存 在时间差别。因此，可以通过设置合适的加速时段s 来解决选择性问题，这就是 时间判据。所谓加速时段是指在特定时间段内，无通道保护可以被加速，否则不 能加速。 2 4 配电线路纵联比较保护 在纵联比较式保护中，纵联信息的利用有三种方式，即闭锁式、允许式和直 接跳闸式。 从信息交换和利用的角度来说，闭锁式保护交换的是外部故障信息，只要任 何一侧感受为外部故障，就说明是外部故障，感受外部故障的一侧向对侧发出闭 锁信号，使两侧都不动作；而在两侧都感受不到外部故障时，说明为内部故障， 互不发闭锁信号( 即不必交换信息) ，两侧保护都能快速跳闸。 允许式保护包括超范围允许和欠范围允许两种。超范围允许式保护传送的是 “非本侧区外故障”的信息，若两侧都感受到“非本侧区外故障”，则一定是区 内故障，互发允许信号，各侧都能快速跳闸；而任何一侧感受到“本侧区外”故 障时，就一定是区外故障，它不向另一侧保护发允许信号，使各侧保护都不会误 动。欠范围允许传输的是i 段保护元件动作的信息，当本侧i 段保护已经动作时， 说明故障一定是在区内，此时发出信息，允许对侧跳闸。 1 5 山盘盍堂亟堂焦迨塞 直接跳闸方式传输的也是i 段保护元件的动作信息，当本侧i 段保护动作时， 直接向对侧发出跳闸命令。这种方式仅用于一些特殊情况，对通道的要求非常高。 理论分析和运行经验都表明，荫j 锁式和允许式各有优缺点。闭锁式需要传输 外部故障的信息，若外部故障时闭锁信息不能及时传到对侧，则有可能导致对侧 保护误动作；允许式保护需要传输“非外部故障”的信息，在非外部故障的情况 下，若不能将允许信息传送到对侧，则可能导致对侧保护拒动。考虑到固信号不 能正常传输而导致的纵联保护拒动问题可以由传统的阶段式保护来补救，且允许 式保护灵敏度配合方便，动作速度快，所以应优先考虑。 2 5 纵联比较保护故障分析 2 5 1 单电源放射性网络故障动作分析； c 厂_ i - x 厂_ 图2 3 单电源放射性网络示意图 在上图所示的单侧电源配电网络中，通信状况如下：保护a 与b ，b 与c 能够 正常通信。 可以利用“某线路电压降低( 或有较大变化量) ，但负荷测过流元件都不动作” 作为故障不在此段线路的判据。满足该判据时立即向上级保护发允许信号，如果 上级保护过流元件动作，说明故障一定在此段线路。 例如： 线路i 出现故障：保护a 检测到电压降低，但保护a 的过流元件不动作，此 时保护无法向上级保护c b l 发允许信号，c b l 将按设定的保护原则动作。( 保护b 、 保护c 也检测的电压降低，同时向保护a 、保护b 发允许信号，因保护a 、保护 b 的过流元件不动作而取消操作) 线路2 出现故障：保护b 检测到电压降低，但保护b 的过流元件不动作，此 时保护将向上级保护a 发允许信号，保护a 的过流元件动作，说明故障出现在线 路2 ，保护a 在接收到保护b 发来的允许信号后可立刻跳闸。 一 特殊情况；对于保护8 过流元件动作，但没有收到保护b 的允许信号时，可 以对应两种情况，一种是保护b 不满足允许信号的条件；另一种是信号已经发出， 因通道故障保护a 没有收到。在此种情况下，保护a 仍按设定的保护原则动作。 线路3 出现故障： 保护c 检测到电压降低，但保护c 的过流元件不动作，此时保护将向上级保 护b 发允许信号。保护b 的过流元件动作，说明故障出现在线路3 ，保护b 在接 收到保护c 发来的允许信号后可以立刻跳闸。( 保护a 的过流元件不应该动作) 特殊情况：对于保护b 过流元件动作，但没有收到保护c 的允许信号时，可 以对应两种情况，一种是保护c 不满足允许信号的条件；另一种是信号已经发出， 因通道故障保护b 没有收到。在此种情况下保护b 仍按设定的保护原目动作。 线路4 出现故障： 保护c 过流元件动作，说明故障出现在线路4 ，保护c 设定的保护原则动作 立刻跳闸。( 保护b 、保护c 的过流元件不应该动作) 单电源供电线路、带环网柜的配电线路都可以应用这种“允许式加速保护” 实现快速故障切除。如果通信故障，各个分界点的保护将按照其设定的保护原则 动作 2 5 2 双电源。手拉手”供电网络故障动作分析： 斗“剖i 讪叫t 如_ 呻神 c b li 。 j 口2 图2 4 双电源“手拉手”供电网络示意图 在上图所示的双电源“手拉手”配电网络中，断路器d 为联络，其他为分段， 通信状况如下：保护a 与b 、b 与c 、c 与d 、d 与e 、e 与f 能够正常通信a 对于双电源的联络线路，线路上的分界点都应该装设断路器、互感器和保护 装置，线路内部故障时，应立即跳开线路两端的断路器。 在构成纵联保护时，通常用方向元件或距离元件作为测量元件。但是配电系 统的联络线路，一般都是典型的弱馈线路，即一端接至容量较大的电力系统，另 一端接至容量较小的地方电厂，这种线路发生短路时，小电源端提供的短路电流 较小，可能会出现弱馈侧测量元件动作灵敏度不足，因而无法向系统侧保护发允 出峦盍堂亟堂僮迨塞 许信号的问题，导致两侧保护拒动。由于在这种系统中，小电源端反向短路时流 过两侧保护的短路电流均由系统侧提供，所以反向故障时一般不存在灵敏度不足 的问题，这时可以采用“小电源侧线路电压降低，但反向方向元件不动时就准备 动作，并向对侧( 大电源侧) 发允许信号”的措施。这样，被保护线路内部故障 时，无论小电源侧的正向方向元件能否动作( 假定大电源侧可靠动) ，两侧都能 快速跳闸；而当小电源侧系统发生故障时( 对被保护线路来说为区外故障) ，小 电源侧的反向方向元件动作，不会向大电源侧发送允许信号，两侧都不会误动。 例如： 线路1 出现故障：保护a 检测到电压降低，保护a 的过流元件动作，此时保 护无法向上级保护c b l 发允许信号，由于保护a 无法与上级保护通信，保护a 将延时3 s 分闸( 小于出线开关一次重合闸时间) ，c b l 将按设定的保护原则动作， 经保护d 检测到一测失电开始计时( 7 s ) ，计时成功后将合闸。 线路2 出现故障：保护b 检测到电压降低，但保护b 的过流元件不动作，此 时保护将向上级保护a 发允许信号，保护a 的过流元件动作，说明故障出现在线 路2 ，保护8 在接收到保护b 发来的允许信号后立刻跳闸，同时保护a 向下级保 护b 发允许信号，保护b 跳闸，经保护d 检测到一测失电开始计时( 7 s ) ，计时 成功后将合闸。 特殊情况： 1 ) 对于保护a 过流元件动作，但没有收到保护b 的允许信号时，可以对应两 种情况，一种是保护b 不满足允许信号的条件：另一种是信号已经发出，因通道 问题保护a 没有收到。在此种情况下，保护a 仍按设定的保护原则动作。 2 ) 对于保护b 过流元件未动作，保护b 在3 s 内( 小于联络开关重合时间7 s ) 没有收到保护a 的允许信号时，将分闸。 线路3 出现故障：保护c 检测到电压降低，但保护c 的过流元件不动作，此 时保护将向上级保护b 发允许信号，保护b 的过流元件动作，说明故障出现在线 路3 ，保护b 在接收到保护c 发来的允许信号后立刻跳闸，同时保护b 向下级保 护c 发允许信号，保护c 跳闸，经保护d 检测到一测失电开始计时( 7 s ) 计时 成功后将合闸。 特殊情况： 出盔盍堂亟堂僮诠室 1 ) 对于保护b 过流元件动作，但没有收到保护c 的允许信号时，可以对应两 种情况，一种是保护c 不满足允许信号的条件；另一种是信号已经发出，因通道 问题保护c 没有收到。在此种情况下，保护b 仍按设定的保护原则动作。 2 ) 对于保护c 过流元件未动作，保护c 在3 s 内( 小于联络开关重合时间7 s ) 没有收到保护b 的允许信号时，将分闸。 线路4 出现故障：保护d 检测到电压降低，但保护d 的过流元件不动作，此 时保护将向上级保护c 发允许信号，保护c 的过流元件动作，说明故障出现在线 路4 ，保护c 在接收到保护d 发来的允许信号后立刻跳闸，同时保护c 向下级保 护d 发禁止信号，保护d 闭锁( 状态不变) ，取消计时。 特殊情况： 1 ) 对于保护c 过流元件动作，但没有收到保护d 的允许信号时，可以对应两 种情况，一种是保护d 不满足允许信号的条件；另一种是信号已经发出，因通道 问题保护c 没有收到。在此种情况下，保护c 仍按设定的保护原则动作。 2 ) 对于保护d 过流元件未动作。保护d 在3 s 内( 小于联络开关重合时间7 s ) 没有收到保护c 的禁止信号时，将分闸闭锁 对于瞬时性故障的处理，线路上相应保护应在出线保护未动作之前快速重合 闸一次。 3 1 纵差保护基本理论 3 1 1 纵差保护的概念 3 、纵差保护原理 所谓纵联差动保护，就是利用某种通信通道将输电线路各端的保护装置纵向 连结起来，将输电线各端的电气量传送到对端进行比较，以判断是本输电线的内 部故障还是外部故障，从而决定是否动作切除本线路的保护原理。 3 1 - 2 电流纵差保护的基本原理嗍 电流纵联差动保护就是将被保护线路各端电流的大小和相位送至对端并进 行比较，从而判定本线路范围内是否发生短路故障的保护方法。由于这种保护无 须与相邻线路的保护在动作参数上进行配合，因而可以实现全线速动。 图3 1 示出电流纵联差动保护的基本原理 i -+ + i n 图3 1 电流纵联差动保护的基本原理 图3 ，1 中输电线两侧装设性能和变比完全相同的电流互感器。m 、n 分别为 线路两端母线。，* 和，一分别为两端电流向量，正方向为由母线指向线路。忽略 线路电容电流及其它不平衡电流，当输电线外部短路( 如图中d 点所示) 时， m 侧电流为正，n 侧电流为负，线路两侧电流大小相等，方向相反： l = i + 0 i o ( 3 1 ) 此时保护不动作。 当输电线内部出现短路故障( 如图中g 点所示) 时，流经输电线两侧断路 器的故障电流均从母线流向线路，即线路两侧电流同相。g 点流过的短路电流为 k ，此时两端差动电流： l k + l l ；一o ( 3 2 ) 两侧保护无延时动作跳两侧断路器，所以可以根据l 的值来判定m n 段线 路内是否发生了短路故障。 3 1 3 电流纵差保护的主要优点l * 】 由上述可以看出，电流纵差保护原理是建立在基尔霍夫电流定律的基础上， 由于在判断故障时只用到线路两端的电流量，所以不存在与引入电压有关的一切 问题，不受系统振荡、线路串补电容、平行线互感、系统非全相运行和单侧电源 运行方式的影响。 另外，由于纵差保护的原理简单，算法及判据的计算量非常小，所以能够很 好地满足对线路保护快速性的要求。还由于保护算法取自两端的电流量，因而能 够通过很方便的判据判断区内与区外故障，从而保证能在满足快速性的基础上实 现灵敏性与可靠性的要求。 3 2 电流纵差保护装置的分类和发展现状 3 2 1 按构成保护基本结构分类 ( 1 ) 模拟式电流纵差保护 模拟式电流纵差保护又称集成电路式电流纵差保护，其原理是将两端装置采 集到的电流值模拟量传送到对端进行差动比较的保护方法在实际应用中，两端 采集到的电流量通过相应的电路转换为反映各相电流或各序电流的差动比较量。 然后通过某种通道将此电流量( 一般为一正弦量的有效值) 传至对端再由特定的 差动比较电路进行比较。 ( 2 ) 数字式电流差动保护 数字式电流差动保护是基于微处理器实现的保护装置，其保护功能是基于 一定的软件算法来实现的。在数字式保护中，所处理的都是数字量，我们所得到 出生盍堂亟堂焦迨塞 的电流量是通过对c t 二次侧的电流以一定的频率进行采样所得到的一系列离散 的采样值，所以，数字式的电流差动保护装置和模拟式最大的不同就是传送的差 动比较量不是具有连续波形的模拟量，向是由特定的离散采样值经过一定的算法 处理得到的数字量( 离散值) 。显然，差动比较量应该是两端装置在同一个时刻 或同几个时刻的采样值处理后得到的量。 所以，数字式电流差动保护的一个基础就是要实现两端装置的同步采样只 有实现了同步采样，保护差动算法才是有意义的。这是数字式保护和模拟式保护 最大的区别。 3 2 2 从传送差动量的通道分类嗍 ( 1 ) 通道导引线 在模拟式电流纵差保护中，由于传送的是模拟量，所以很多情况下，采用与 输电线同等长度的附加金属导线作为传送差动比较量的通道，导引线随被保护的 线路或电缆一同架设或铺设。这种差动保护装置能够满足需要，但是，附加导引 线的方法也有很多不足，主要表现在： 若输电线较长，导引线的阻抗增大，使隔离变压器g b 的二次负载增大， 为减小其二次负载，可以提高g b 的变比，即将导引线回路的电压升高，但这将 使导引线上的分布电容和漏电流增大，同样增大g b 的传变误差。 导引线有发生短路或故障的可能，一旦导引线发生损坏或故障，则保护 功能就会瘫痪。 导引线一般与高压输电线平行铺设，输电线短路时，短路电流可在导引 线回路中感应产生过电压，另外，雷电也可在导引线中感应而发生过电压。对保 护装置和人身安全构成威胁，也会造成保护不正确动作。 ( 2 ) 电力线载波通道 传送的是有关两侧电流相位或功率方向的高频讯号。采用经加工后的输电线 作为高频讯号的传输途径，不需再附加金属导线，可以有效的克服采用导引线时 的种种缺点。这种通道在保护中应用最广。它的不足之处主要表现在； 线路发生故障时，通道可能遭到破坏，导致高频讯号不能有效传输。 高频通道存在通道拥挤问题，影响信息传送。 ( 3 ) 微波通道 微波通道与输电线没有直接的联系，输电线发生故障时不会对微波通信系统 产生任何影响。微波通道作为多路通道，彻底解决了通道拥挤问题。利用微波通 道构成的微波保护具有装置设备简单、检修方便、频带宽、传送信息量大、干扰 小等优点，但也存在一些不同之处，主要表现在： 当线路距离过长( 太于5 0 k m 时) 需要架设中继站，从而使设备的投资 和复杂性增加，而可靠性降低。 由于微波在大气中传播时存在折射和反射，容易引起信号的衰减。 ( 4 ) 光纤通道 利用光导纤维传输光信号的通道称为光纤通道。近年来，光纤通信技术在通 讯领域飞速发展，其原理和技术不断成熟，为光纤通信在电力系统中的应用奠定 了基础。对电流纵差保护而言，光纤通道有以下其他通道无法比拟的优越性： 带宽极大。光纤可利用的带宽为5 0 0 0 0 g h z ，理论上一对单模光纤可以 传递2 5 亿个信号。 中继距离长。一般可以达到5 0 8 0 k m ，甚至上百公里。 传输损耗低。1 3 pm 单模光纤的损耗仅为o 4 d 队m 。 电磁干扰小。由于传输的是光信号，可以不受任何类型的电磁干扰，传 输质量商。 光纤重量轻，可以随意弯曲，容易架设或铺设。 可以采用多种复用技术。如波分复用、频分复用、时分复用等。能够傲 到资源共享，节省投资并充分的利用带宽。 光信号完全在光导纤维中传输，不受天气和气候等外部环境的影响。 3 数字式电流纵差保护的发展现状咖 舳年代以来，世界上各大继电保护生产厂家研制生产出了实用的电流纵差 保护装置，比较成熟的产品国外有三菱公司的m c d 型、g e c 公司的u c b 一 1 0 1 1 0 2 型、a b b 公司的髓l 一5 6 1 型，东芝公司的d 2 l 砸型。国内的有许继 公司的w 一3 5 型、南瑞继电保护公司的【用p 9 3 1 型，以及北京四方哈得威公 司开发得c s l 1 0 3 型等。 3 3 光纤纵差保护算法分析【”。l (