（电力系统及其自动化专业论文）超高压输电线路保护原理研究.pdf

浙江大学硕士论文 a b s t r a c t t h eu h vt r a n s m i s s i o nl i n eu s u a l l yc a r r i e sh e a v e rp o w e r ，i ta c t sa ni m p o r t a n t r o l et ot h es e c u r i t ya n ds t a b i l i z a t i o no fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n t h er e q u i r e m e n t s o ft h ep r o t e c t i v er e l a y i n ga r es t r i c t e rt h a ne v e r t h i sp a p e rs u m a r i e sr o u n d l ya b o u t t h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no f u 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 i t s s p e c i a l t ya n dr e q u i r e m e n t sa r ea l s oi n t r o d u c e d w em a i n l yd r e s st h ef o l l o w i n g a s p e c t so fu h vt r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o nt h e o r y ( i ) b a s e do n s o m eo fp a p e r sa n db o o k s ，i n t r o d u c e dt h eb a s i ct h e o r yo fu h v t r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n e s p e c i a l l yo 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 na n di t s s t r o n g p o i n ta n dp r o b l e m s a tt h es a m et i m e d i s t a n c ep r o t e c t i o ni s i n t r o d u c e d b r i e f l y ( 2 ) c u r r e n tt r a n s f o r m e ri sav e r yi m p o r t a n tp a r to fc 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 i n t r o d u c e dd i f f e r e n tt y p e so ft a ，i n c l u d i n gt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s s t u d i e do nt h em o d e la n ds i m u l a t e dt h ee x c i t a t i o nc u r v eo ft a b a s e do ft h er e s e a r c h o ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft as a t u r a t i o n t h em e t h o d sf o rt as a t u r a t i o nd e t e c t i n ga n d r e s i s t i n ga r ep r o p o s e d ( 3 ) e x p a t i a t e dd i f f e r e n tk i n d so fr e s t r a i nm e a s u r e s 。a n da n a l y z e d c h a r a c t e r i s t i c 。s e n s i t i v i t ya n da b i l i t yo fr e s i s t i n gt as a t u r a t i o n c o n c l u s i o n sa r eg a i n e da f t e rs i m u l a t i o nb ya t p e m t ps o f t w a r e t h eo p e r a t i n g o ft h e m s o m e ( 4 ) a g a i n s to ft h ep r o b l e mo fd i s t a n c ep r o t e c t i o no c c u r r e di nt h er e a c t i v ef a u l t o ft r a n s m i s s i o nl i n e a n a l y z e dt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fr e l a ya n dp r o p o s e d am e t h o da n dp r a c t i c a ls o l u t i o n t h er e l a yi sp r o v e da n ds o m ec o n c l u s i o n sa r eg a i n e d a f t e rs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：唧t r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n ；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 ； d i s t a n c ep r o t e c t i o n ：c u r r e n tt r a n s f o r m e r ： o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c i l 浙江大学硕士论文 1 1 引言 第一章绪论 电力系统继电保护是电力系统的重要组成部分，它在保证电力系统安全稳定 和经济运行等方面起着非常重要的作用。继电保护的主要作用的是在电力系统中 电气元件发生故障时将故障元件从电力系统中尽快切除，使故障元件免于遭受更 大的破坏并保证电力系统尽快恢复正常运行。随着大规模联合电力系统的建立， 对系统运行安全性和可靠性的要求也在不断提高。由于现代大电网的结构和运行 方式复杂多交，系统的运行方式和故障类型越来越复杂，对继电保护的要求也越 来越高。 随着电力系统容量迅速增加，超高压输电线路日益增多。超高压输电线路往 往一端联系着一个大电厂，另一端联系着一个负荷中心：或者两端各联系着一个 大电力系统。由于线路长、输送功率大，所以维持超高压输电线路的安全稳定运 行是一个十分重要的问题。为确保超高压输电线路安全稳定运行，要求输电线路 主保护能够可靠快速的切除线路首次发生的故障，输电线路保护的动作时间不得 大于1 - - 2 个周波。因此，研究超高压输电线路保护原理和方法以提高输电线路 保护的性能是继电保护研究领域中的一个重要课题。 1 2 超高压线路保护的发展及现状 随着电力系统的出现，继电保护技术就相伴而生。在十九世纪末已开始利用 熔断器防止在发生短路时损坏设备，建立了过电流保护原理，1 9 0 1 年第一台感 应式过电流继电器问世，1 9 0 8 年研制出电流差动保护，自1 9 1 0 年起开始采用 方向性电流保护，1 9 2 0 年初制成了距离保护，1 9 2 7 年开始了快速动作的高频保 护的研究。由此可见，从继电保护的基本原理看，到本世纪2 0 年代末现在普遍 应用的继电保护原理基本上都已建立，但它总是根据电力系统发展的需要，不断 从相关学科取得最新成果中吸收营养，发展和完善自身。继电保护最早使用的是 机电型继电器；随着半导体器件的产生，人们将其用于保护装置，构成了整流型 浙江大学硕士论文 保护继电器，使维修工作大为减轻：晶体管的出现，带动了静态型继电器的研制， 微电子学的飞速发展，大规模集成电路的产生，使分立单元的晶体管逐渐为集成 电路保护所取代，成为第二代静态型继电器；数字计算机和微处理器的出现则为 继电保护数字化开辟了美好的前景，微机型继电保护产品逐渐成为无可置疑的首 选产品。近百年来继电保护发展的飞跃亦是随着构成保护器件的升级而出现的， 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 二次飞跃是由半导体式到微机型，主要体现在数字化、智能化。显然，第一次飞 跃只是在提高保护装置的硬件可靠性和经济性、方便性等方面有质变，而第二次 飞跃则是具有更为重要的意义，因为它不仅是提高了保护装置的性能，更重要的 是为保护的原理和功能产生质的变化提供了可能性。 自1 9 8 2 年平武线在华中电网的投运，标志着我国采用5 0 0 k v 系统输电的开 始，从此5 0 0 k v 线路在全国迅速增长，到0 3 年底，全国有5 0 0 k v 线路9 3 条， 全长1 2 8 4 4 公里，各大网局基本形成以5 0 0 k v 为骨干网系。此外，国内正在建 设7 5 0 k v 乃至1 0 0 0 k v 的特高压输电系统，各项研究与设计工作己基本就绪。由 于计算机继电保护及通讯技术的发展与应用，超高压继电保护系统的运行水平逐 年提高，但其中部分保护设备依然靠进口，对进口数字式保护的消化、吸收、改 进工作面临较大困难，因此研究出高性能自主知识产权的特( 超) 压线路继电保护 装置是摆在我们面前的严峻任务，超高压输电线路继电保护的进一步发展有特别 重要的意义1 11 1 3 】【4 i i ”。 1 3 超高压线路保护的特点及要求 超高压线路的保护和中低压线路保护相比存在一些特殊性，主要是受一次系 统的参数和运行方式要求的影响。其特点主要表现在： 1 ) 由于超高压电网线路往往很长，要采用分布参数进行描述，为了保证系统 稳定提高输送容量，还装有串补电容和并联电抗，因此故障暂态过程中谐波含量 很高，成分也很复杂。同时线路的衰减时间常数大，非周期分量和自由分量的衰 减缓慢，这就对保护电量的精确获取和保护原理提出了更高的要求。 2 ) 超高压线路由于架设过程需要通过山区或植物茂盛的野外，单相接地故障 时，接地电阻可能很高，要求保护能够可靠的识别和切除这类故障。 2 浙江大学硕士论文 3 ) 超高压长线的分布电容电流不可忽略，它可能影响差动保护的正确动作、 距离保护的动作范围、故障测距的精度。必须进行合理考虑。 4 ) 超高压线路的重合闸方式复杂，线路可能会出现非全相运行的状态，必须 考虑在非全相状态下的保护动作特性。同样的，由于区内单相故障只能跳单相， 因此对于复故障的考虑和选相的要求要复杂些。 5 ) 固定串补和可控串补的使用，使得保护必须在原理上进行更新，充分考虑 其影响。 6 ) 长线末端故障的短路电流可能很小，必须考虑保护具有足够的灵敏度。 7 ) 超高压线路往往负荷很重，因此需要考虑系统振荡的影响，考虑系统振荡 中故障保护的正确动作。 s ) t t l 高压线路要求全线故障的瞬时切除，医此必须装设能够保护线路全长的 纵联保护，这就需要考虑通道对保护动作的影响。 鉴于上述特点，对超高压线路保护具有一些基本的要求，具体有： 1 ) 快速切除全线故障，除高阻故障外，一般要求保护出口实现不超过2 5 3 0 m s o 2 ) 高度的可靠性，包括系统振荡和振荡中区外故障保护可靠不动作、非全相 运行时保护不误动、任何情况下选相正确、区外转换性故障的可靠识别、装置硬 件故障时保护不误动、通行系统故障保护不误动、p t 断线不误动。 3 ) 高度的灵敏性，包括振荡中内部故障的可靠识别、轻微故障的可靠识别、 区外转区内故障能够正确动作、非全相在故障保护正确判断、手合或重合于故障 快速切除、单相转多相故障的快速切除。 1 4 本论文的主要工作 本论文的主要工作是研究超高压线路采保护原理所面临的一些特殊问题。总 体来讲，包括以下几个方面：第二章概要介绍几种超高压输电线路保护的原理 及特点，重点介绍电流差动保护原理：第三章研究t a ( 电流互感器) 对超高压电流 差动保护的影响，包括基本原理、饱和影响、饱和检测以及抗饱和措施；第四章 研究电流差动保护各种制动量及制动特性的性质及比较；第五章研究分支线路反 向故障时距离保护存在误动的问题及解决方案。 浙江大学硕士论文 第二章超高压线路保护基本原理 2 1 输电线路纵联保护 由于输电线路的特性，只能采用纵联保护原理来保护输电线路，以实现全长 范围内故障的无时限切除。输电线路纵联保护，就是用某种通信通道将输电线路 两端或者对应于多端系统的各端的保护装置纵向连接起来，将各端的电气量传送 到对端，将各端的电气量进行比较，以判断故障在本线路范围内还是在在线路范 围之外，从而决定是否切断被保护线路。理论上，这种纵联保护具有绝对的选择 性。 根据纵联保护所利用通道的不同类型可以为4 种】，通常纵联保护也按此命 名，它们是： 1 ) 导引线纵联保护； 2 ) 电力线载波保护； 3 ) 微波纵联保护； 4 ) 光纤纵联保护； 导引线保护现在已经被光纤保护取代。随着光纤通信技术的发展，光纤保护 最有发展前途。 从原理上看，国际大电网会议继电保护工作组根据输电线路纵联保护构成的 基本原理在广泛的意义上将纵联保护分为单元式保护和非单元式保护两大类。所 谓单元式保护是将输电线路看作一个被保护单元如同变压器和发电机一样。这种 保护方式是从输电线路的每一端采集电气量的测量值，通过通信通道传送到其他 各端。在各端将这些测量值进行比较，以决定保护装置是否应该动作。比较电流 相位的相位差动保护、比较电流的电流差动保护都属于这类，本文着重研究后者 的一些特殊问题，将在后面章节深入探讨。而非单元式保护在输电线路各端对某 种或者几种电气量进行测量，但并不将测量值直接传送到其他各端直接进行比 较，而是传送根据这些测量值得到的对故障性质的判断结果，方向纵联保护与距 离纵联保护都属于这类。 4 浙江大学硕士论文 2 2 电流差动纵联保护 电流差动保护的原理是上个世纪初提出，迄今为止，已约有将近百年的历史。 由于其原理简单可靠而被广泛地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。电流差 动保护判据是一种简单、可靠和广泛适用的继电保护原理，它是电力系统的主要 保护之一。长期的运行考验也证明了它的优越性。随着电力系统的发展，超高压、 远距离的输电线路和复杂网络( 如同杆双回线路、t 型分支路、环网等) 的增多， 以及电力系统通信技术的进一步迅速发展，毫无疑义，电流差动保护将会在高压、 超高压输电线路上，得到更为广泛的应用。 2 2 1 电流差动纵联保护基本原理 差动保护基于基尔霍夫电流定律，比较被保护设备各引出线上的电流。规定 电流的正方向为流入被保护设备。当各引出线之间在电路上相联时，被保护设备 可以看作是电路中的一个节点。在正常运行或者外部故障时有 ， i j ( t ) = 0 ( 2 1 ) j ；i 式中t ( ，) 为引出线j 上流入被保护设备的相电流，该式对各相都成立。在内 部故障的时候，当总短路电流可以在故障点流入地或者其他支路时 m f o ) = i i ( 2 2 ) j i l 村 式中f ，为故障点的总短路电流。l o p ( t ) = i j ( t ) ，称0 0 ) 为差动电流，简 称差流。也可以用i ，的形式，例如图2 1 的两端系统，差流o = 峨+ i n i 图2 0 1 简单两端系统 5 浙江大学硕士论文 则差动保护的基本判据就是 l i o n ( t ) l - 0 ( 2 - 3 ) 在不考虑t a ( 电流互感器) 误差时，在正常及外部故障时，差流为零，差 动保护不动作；在内部故障时，差流大于零，可靠地动作。纵联差动保护有绝对 的选择性，保护动作不需要延时。 2 2 2 电流差动纵联保护的优点及问题 输电线路采用电流差动纵联保护有以下优点： 1 ) 有绝对选择性、灵敏度高。 2 ) 不反应负荷电流。 3 ) 振荡时不会误动，振荡中发生故障时仍能灵敏地有选择地动作。 4 ) 有天然的选相能力。 5 ) 不受串补电容器的影响，在串联补偿线路上仍能正确发挥保护作用。 6 ) 不论在强电源侧还是弱电源侧都能灵敏地动作。 然而采用电流差动纵联保护原理时面临着一些特殊的问题： 1 ) 采样值的同步问题。信号传输需要对间，如果计算差动电流所用两侧采样 值不同步就会产生差动不平衡电流。 2 ) 线路分布电容产生较大的电容电流。输电线路的相与相合相与地之间都存 在分布电容，对于超高压系统的输电线路，由于采用了分裂导线，线路感抗减小， 分布电容增大。同时超高压输电线路往往要承担远距离大容量的电力输送，较长 的线路更使分布电容的等值容抗大大减小，导致电容电流进一步增大。电容电流 将使输电线路中的电流和电压的大小和相位都产生严重的畸变，这就使得电流差 动保护判据在区外故障时仍有较大差流，可能导致差动保护误动作。 3 ) 为了补偿长距离线路的分布电容，超高压线路两端一般装设有并联电抗 器。并联电抗器能限传过电压，减小单相重合闸过程中的潜供电流，同时也有助 于平衡轻负荷时的线路无功功率。但是并联电抗器并不是一直接入超高压输电线 路中，而是根据系统的实际情况投入或切出，这就使得输电线路的结构随着并联 电抗器的投入或切出而发生变化，从而对电流差动保护判据产生影响，保护有可 能误动或拒动。 6 浙江大学硕士论文 4 ) 考虑了超高压输电线路的分布电容、串补电容和并联电抗器后，在输电线 路上发生短路时，它的暂态过程将与中低压网有很大不同。在暂态过程的电气量 中，除了有工频稳态的周期性分量外，还有非周期性的暂态分量( 直流分量) 以 及各种衰减的周期性的暂态分量( 各种谐波分量) 。因此对电流差动保护判据所 需的电压电流相量进行采样时必须选择合适的滤波算法。以保证电流差动保护动 作的可靠性。 5 ) 对超高压输电线路来说，电流互感器饱和问题仍然是一个值得深入研究的 方面。电流互感器是否饱和直接影响着电流差动保护的正确动作与否，本文第三 章、第四章所研究的问题都和此有关。 6 ) 电流断线闭锁。电流断线会影响保护误动，电流互感器二次开路会产生过 电压，对设备和人身都梅成威胁。另一方面，如果电流很小，也难检测到二次断 线。究竟要闭锁保护还是听任差动保护动作目前还没有统一认识。 2 3 距离纵联保护 2 3 1 距离保护基本原理 距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离( 阻抗) ，并根据距离的 远近( 阻抗的大小) 而确定动作时间的一种电力系统保护原理。距离保护的核心 元件是距离继电器，也叫阻抗继电器，它根据端上所加的电压和电流测量保护安 装处至短路点的阻抗值，而方向阻抗继电器不仅能测量阻抗而且还能测量出故障 点的方向。因输电线路阻抗大小即反映1 线路的长度，故继电器的测量阻抗也反 映了故障点与保护安装处之间的距离。 距离保护基本原理可用图2 - 2 来说明。设距离保护装置安装在线路州的 m 侧，阻抗继电器安装处母线上的测量电压为e ，由母线流向被保护线路的测 量电流为l ，当电压互感器的变比为1 肘，显然c 、l 即为接入继电器的电压、 电流。 7 浙江大学硕士论文 圈2 - 2 距禹保护垂本工作原理说明 当被保护线路上发生短路故障时，阻抗继电器的测量阻抗z m 为 z _ = 以l ( 2 4 ) 为使z 卅等于故障点到母线m 测的线路阻抗( 正序阻抗) ，显然对于三相短路 或者相间短路，乩= ( ，( 妒伊= a b ，b c 或c a ) ，即相间电压；l = ，一，即为同名两 相电流之差。对于接地短路故障，u = 【，( 矿- - h ，b 或者c ) ，即相电压a l = ，+ k 3 i o ，即为带有零序电流补偿的同名相电流，其中零序电流补偿系数 k ：( z o z , ) 3 z , ，而z 0 、z ，是被保护线路单位长度的零序阻抗、正序阻抗。 设阻抗继电器的工作电压( o ( 也称补偿电压) 为 = 瓯一l ( 2 5 式中z 。为阻抗继电器的整定阻抗，整定阻抗角等于被保护线路阻抗角。 由图2 2 可见，l 乙即为z 点电压，当z 点发生短路故障时，满足【，卅厶= 乙， 故z 。即为m z 短线路的正序阻抗，这样【0 是整定阻抗末端的电压，当整定阻抗 确定之后，【乙就可以在保护安装处测量到。 注意到正、反向短路故障时母线电压相位不变化，所以反向短路故障与正向 保护区外短路故障，工作电压具有相同的相位。因此，只要检测工作电压的相位 变化，不仅能测量出阻抗大小，而且还能检测出短路故障的方向。显然，以0 o 作为阻抗继电器的动作判据，构成方向阻抗继电器。同时，阻抗继电器是否其端 浙江大学硕士论文 上测量阻抗下降到一定值而动作的一种继电器，z 。一旦确定，保护区也随之确 定，如图2 - 2 中的配线路长度，保护区原则上不受系统运行方式变化的影响。 2 3 2 距离纵联保护 距离纵联保护原理上同距离保护一致，主要是通信及接线方式上要符合线路 保护的要求。距离纵联保护利用通道传输闭锁或者允许信号，实现有选择性快速 切除全线故障。距离纵联保护并非采用距离继电器作为方向判别元件，而是当通 道或运行中通道发生故障时便是完整的阶段式保护，换而言之，距离纵联保护是 在阶段式距离保护的基础上增加通信接口和必要的动作逻辑实现纵联保护，达到 快速切除故障的目的。 距离纵联保护的距离元件不仅可带有方向性，而且动作范围基本上是固定 的，很少受系统运行方式、网络结构和符合变化的影响。故用距离元件可以实现 多种不同的保护逻辑，用户可以根据通道的情况进行选择，因此具有很大的优越 性，在欧美各国受到了广泛的应用，还有一个优点是可以兼作本线路和相邻线路 的后备保护，因此是超高压输电线路的基本保护方式之一。距离纵联保护的缺点 主要是受系统震荡的影响、电压回路的影响、用于有串补电容线路上整定困难以 及接地距离元件受零序电感的影响等。 9 浙江大学硕士论文 第三章电流互感器对差动电流保护的影响 及对策 3 1 电流互感器概述 为保证电力系统的安全和经济运行，需要对电力系统及其中各电力设备的相 关参数进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护。通常的测量和保护装 置不能直接接到高电压，大电流的电力回路上，而需要将高电平的电力参数按比 例变换成低电平的参数或信号。电流互感器( t a ) 是电力系统中重要的测量元 件，在继电保护中更有着举足轻重的作用。其功能主要是在稳态和暂态过程中准 确传变一次电流，但随着超高压系统、大容量机组的投入使用，一方面使得暂态 时间常数增大：另一方面，为了保证系统可靠性，又必须提高保护装置的速动性， 这对t a 性能有了更高要求，尤其是t a 的饱和问题。由于电流互感器铁芯的非线 性以及磁滞特性，故障情况时，较大的故障电流尤其是含有很大非周期分量，很 容易使t a 工作在励磁特性的非线性区而进入严重饱和状态，此时大部分一次电 流流入励磁支路，二次电流几乎为零，造成很大的传变误差，极有可能引起保护 误动或拒动，因此迅速、准确地检测出t a 饱和显得极为重要。 电流互感器( 1 a ) 是将一次回路的大电流成正比地变换为二次小电流。其 基本电流图如图3 1 。 n ln l 图3 - 0 1 电流互感器基本电路 电流互感器的一次绕组和二次绕组绕在同一个磁路闭合的铁芯上，如果一次 绕组带电丽二次绕组开路，互感器成为一个带铁心的电抗器。一次绕组中的电压 降等于铁心磁通在该绕组中引起的电动势，铁心磁通也在二次绕组中感应出相应 1 0 浙江大学硕士论文 的电动势。如果二次回路通过一个阻抗形成闭路，n - - 次回路将产生一个电流， 此电流在铁心中产生的磁通趋向于抵消一次绕组电流产生的磁通。忽略误差时， 二次回路电流与一次回路电流之比等于一次绕组匝数与二次绕组匝数之比。 电流互感器的一次绕组通常串联于被测量的一次电路中，二次绕组通过导线 或电缆串接仪表及继电保护等二次设备。电流互感器二次电流在正常运行及规定 的故障条件下，应与一次电流成正比，其比值和误差不超过规定值。 电流互感器按其性能和用途可分为两大类： a 测量用互感器：电力系统正常运行时，将相应电路的电流变换供给给测 量仪表、积分仪表和其他类似电器，用于运行状态监视、记录和电能计量等用途。 b 保护用互感器：电力系统非正常运行和故障状态下，将相应电路的电流 变换供给给继电保护装置和其他类似电器。 测量用和保护用两类电流互感器的工作范围和性能差别很大，一般不能共 用。本论文主要对最保护型电流互感器展开研究讨论。 保护用电流互感器又可以分为以下几种： 1 ) p 类电流互感器。p 意为保护，主要包括p 、p x 和p r 等类型。该 类电流互感器的准确限值是由一次电流为稳态对称电流时的复合误 差或励磁特性拐点来确定的。是当前最广泛采用的电流互感器，一 般按通过互感器的最大稳态短路电流选用电流互感器，不特殊考虑 暂态饱和问题，而由继电保护装置采取必要的措施防止互感器暂态 饱和引起保护装置的误动或拒动。p 类互感器的铁心是闭合的，在 严重短路后可能残留有剩磁。 2 ) t p 类电流互感器。t p 意为暂态保护，此类电流互感器要求在最严重 的暂态条件下不饱和，二次电流的误差在规定范围内。t p 类互感器 包括t p s 、t p x 、t p y 和t p z 等型式，准确限值是考虑一次电流中同 时具有周期分量和非周期分量，并按某一种规定的暂态工作循环时 的峰值误差来确定。因此，该类电流互感器适用于考虑短路电流中 非周期分量暂态影响的情况。为此，需要显著增大电流互感器的尺 寸，保持准确性。这类互感器广泛用在超高压系统和大容量发电机 组。 浙江大学硕士论文 3 ) 4 ) 零序电流互感器。零序电流互感器是一种专门用来变换剩余电流( 零 序电流) 的电流互感器。它可以是三台电流互感器组成的电流互感 器组，也可以是单台剩余电流互感器。零序电流互感器用于中性点 绝缘系统单相接地保护，三相导体同时穿过互感器的铁心窗口，就 是一次绕组。系统正常运行时。三相电流互感器的相量和等于零， 剩余电流互感器的二次没有输出。当某一线路发生单相接地故障时， 故障相上的剩余电流互感器的一次电流增大，达到继电器的最小动 作电流时，保护动作。非故障相上的零序电流互感器虽然也有一次 电流，但是小于继电器的最小动作电流，保护装置不会动作。零序 电流互感器用于发电机或同步电动机定子绕组接地保护，当定子绕 组发生一点接地时，只要故障电流达到继电器的最小动作电流，保 护装置即动作。如果接地点离中性点越近，对地电压越低，接地电 流就越小，小到一定程度。互感器输出的电流不足以使继电器动作， 出现“死区”。因为零序电流互感器一次绕组只有一匝，在上述两种 保护方式中接地电流很小，所以要尽可能使互感器在这样的工作状 态下有足够的二次电流流出，保证继电保护装置的正确动作。所以 通常用保护灵敏度来衡量零序电流互感器的性能。零序电流互感器 的结构相当于母线型电流互感器，其一次绕组就是电力系统的三相 导线。 电子式电流互感器。电子式电流互感器( e c t ) 主要有两类，一类 是基于光效应的互感器，如采用法拉第效应( f a r a d a ye f f e c t ) 等磁 光变换原理的电流互感器。这类互感器直接用光进行信息交换和传 递，与高电压电路完全隔离，具有不受电磁干扰、不饱和、测量范 围大，效应频带宽，体积小，重量轻等特点，适合于各种电压特别 死超高压开关设备中的应用。由于互感器处于高电位的部分不需要 电源，故称为无源电子式互感器。另一类有无铁心的空心线圈( 罗 戈夫斯基线圈) 电流互感器，带铁心的低功率电流互感器。与常规 互感器较近似，他们体积小、重量轻、暂态响应和运行性能良好， 可靠性高，可以直接以模拟量形式输出至就近的开关装置。由于处 1 2 浙江大学硕士论文 于高电位的传感器需要电源，故也称为有源电子式互感器。对基于 光效应的电子式互感器，由于技术较复杂，成本较高，性能易受某 些因素影响，不易做到稳定。目前尚处于研究试用阶段。对基于半 常规互感器的电子式互感器，由于技术比较成熟，运行经验较多， 国内外均以开始在新型中压开关柜和高压g i s 装置中推广使用。 浙江大学硕士论文 3 2 电流互感器模型及典型波形 3 2 1 电流互感器等效模型 设电流互感器一次侧故障电流已知。且和f 均已归算到二次侧。 图3 - 2 t a 等效电路图 ( 1 ) 求时的励磁电流f ( ) ：设时间间隔内的励磁电流变化量为a i ( n ) ，则在 时间0 + 。= f 。+ 时的励磁电流可近似记作： f ( 行+ 1 ) = f ( 一) + a i ( n ) ( 3 - 1 ) ( 2 ) 求f 时间内励磁电流的增量a i ( n 1 ，有图2 - 1 所示电流互感器等值电路可 知，电压与电流的方程式为： 三等= k 鲁啦( 3 - 2 ) 如= - i( 3 - 3 ) 解上两方程可得： 堕+ l i _ j l 拿+ j l ( 3 - 4 ) 西三+ 厶上+ 厶衍三+ k 1 设正= 酉l ，毛= 每，在微机保护中，由于二次负载极小，且多为纯电阻， 而由前一章分析可知，支路主抗角一般为口2 。3 矿，乇2 惫= 茜 = t g _ 口= o o 0 0 1 8 ，所以毛很小，可以认为毛z o 。 又l 厶，于是( 3 - 4 ) 式可以变为： 1 4 浙江大学硕士论文 竺+ 三。卫 d t t 2 即 t 2 罢“= ( 3 - 5 ) 假如时问间隔血取得很小，则婴。一a i ，于是( 3 5 ) 式又可改写为 d t f t 2 等伽( 3 - 6 ) 在时间+ 时，上式可写为： 胁丽a ( n ) + f ( 疗+ 1 ) 州川) 叭( 一) 器州( 加枷+ 1 ) - f ( 以) ( 3 。7 ) 所以； 甜= 等紫s ，1 + l 旦 于是，由上式及式( 3 - 1 ) 、( 3 - 3 ) 可以求得励磁电流和二次电流，其中 t d n ) = 等 ，三( n ) 有电流互感器磁化曲线的仿真模型动态求得。 3 2 2 磁化曲线模拟 电流互感器的仿真模型分为基本磁化曲线和磁滞回环两部分，如图3 3 所示。 1 ) 基本磁化曲线 “( a l 固3 3 基本磁化曲线和磁滞回环 浙江大学硕士论文 设励磁电流为i ，铁芯磁链为甲。我们知道，电感为磁链甲对励磁电流的导 数| 先考察函数反正切函数) 2 a r c t a n ( x ) 。其导数为y 2 石。显然_ ) ，为经过 坐标原点的奇对称函数，并且在工斗佃和x 一a o 时的渐近线分别为吾和一号。 j 1 后y 随x 的增加而迅速增加。由此可以看见， 反正切函数的变化形状与磁化曲线的变化曲线接近，故我们在反正切函数基础上 来模拟磁化曲线。由于反正切函数是奇对称函数，故只可讨论i 0 的情况。 令x = 口a r c t 觚( 三生f ) + 厶i 一。= + l o o ) ( 3 - 9 ) 基本磁化曲线为 甲= 髓豢。龆协柳 由于x ，。两条曲线在( 丫。，i 。) 点相交，故式( 3 1 0 ) 又可表示为 甲：一 【一。 当i f 。时 当i o 时 显然。为i = 0 点的电感，k 为t a 完全饱和( f o 。) 时的线性电感，此时 t a 相当于没有铁芯。( ，o ) 为和。两条曲线的交点。a 、厶为调整系数， 使得t a 饱和点附近的磁化曲线与实际吻合。要注意毛 王1 尉。( 4 3 ) 其中，k 称之为制动系数，。为制动电流。 浙江大学硕士论文 4 2 典型制动量和制动特性 4 2 1 典型制动量选取 差动继电器的制动量选取有多种，主要满足在一次电流只有基波分量，t a 无测量误差时，区外故障时制动量等于穿越电流，理解穿越电流的概念，对于制动 电流的选择是很重要的。双端组件的穿越电流定义： o ：掣( 4 嘞 下面便介绍几种常见的制动量选取方法： 1 ) 在不考虑相位影响的情况下： ，。：竺! ：竺竺! g ! | = ! 生e ；! ! ：竺! 型! 一：! 生l ，m l , m 2 - o , m 1 + m 2 = 1 ( a 一4 ) 也可以变形得： 耻! 竺蚶2 型乓2 竺型阻- 2 业- 2 ( 4 - 5 ) ( 4 - 3 ) 取特殊情况m l = m 2 ，那么便有平均电流制动，也有文献称之为模值和： k ：掣m 6 ) 同样可以变形得： ，2 ：三丝( 4 7 ) “ 2 当m l = l 时，则( 4 - 4 ) 可以变化为最大电流制动： l = m a x 犯i ，l i i ) ( 4 8 ) 当m 2 = l 时，则( 4 - 4 ) 可以变化为最小电流制动： 厶= i i l i n ( i 厶l ，b ( 4 9 ) 2 ) 考虑相位影响的情况下： 制动量可以如此取值，复式制动： 浙江大学硕士论文 性。 标积制动： i 。向= ，矿幽2 ( 4 - 1 0 ) x - i i 。c o s 8 ，蝌要 ( 4 - i i ) o ，1 6 1 ，出一o ( 4 1 2 ) 比率制动判据j ( 4 - 1 3 ) 其中，气一。为最小动作电流，k ，为比率制动系数，两个都可整定得。判据 的动作特性如图4 - 1 所示 i 叩 一苏c a p n m d 。 0 r l r e 图4 m 1 比倒制动判据 比率制动判据为经过坐标原点斜率等于足。的直线，如图中直线0 c 所示。继 电器的动作特性就是为两条直线组成的折线a b c 。如果制动电流在外部短路时等 浙江大学i 葶i 士论文 于穿越性故障电流，则( 4 - 1 3 ) 中的制动系数就反应t a 的误差。t a 的误差不仅 产生了差动不平衡电流，也降低了制动电流，为了产生必要的制动作用选择足。要 考虑此因素。 为了提高差动保护对轻微故障的灵敏性，降低差动电流判据的启动电流， 同时比率制动判据的特性不再经过坐标原点。新的比率差动继电器的动作特性由 以下两个判据组成： l o z o ( 乇 l 。) ，4 1 4 ) 由( 4 1 4 ) 所决定的动作特性如图4 1 的折线d e f 所示。当i ns j m 时制动 电流不起作用。从图上看d e f 在a b c 的下面，灵敏性提高很多。但遇到t a 饱和 情况，则可能效果反而不好，具体比较待后面深入。 4 2 3 故障分量比率制动 全电流差动保护由于负荷电流引入制动量，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电流，则可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： l j 。+ j 。l j t ( 4 1 5 ) l ，一+ 4 1 n f k i ，w 一，一i ( 4 1 6 ) 式中：，。和，。分别为线路m 侧和n 侧的相电流突变量：a i d 为定值：k 为制动系数( 0 k - i ) ，式( 4 - 1 5 ) 和式( 4 - 1 6 ) 共同构成的突变量差动制动的判据， 两式同时满足时发跳闸命令。 如前所述，突变量电流差动保护可有效地反映重负荷下的高阻接地故障，但 由于突变量电流存在时间短，在整个故障处理过程中只能短时开放，其余时间还 得使用全电流差动保护，所以，利用两端零序电流构成的零序电流差动保护，可 用为保护高阻接地故障的一种后备保护，当区内发生特大电阻接地时，在分相差 动保护拒动的情况下，可由零序差动经一个短延时切除三相。 浙江大学硕士论文 4 2 4 采样值比率制动 与常规差动保护原理相比，采样值差动保护有一个显著的特点，在稳态过程 中，常规的差动保护用的是有效值，差动电流和不平衡电流以及施加的制动电流， 都是一个不随时间变化的确定值。但对采样值差动保护来说，采样值是随时间而 周期变化的，因此各个量都随时间变化。如果连续r 次采样判决中有s 次以上符 合动作条件则判决为输出动作信号。 4 3 差动继电器动作特性的要求 差动继电器一般有以下三项要求1 1 l ： 1 ) 在小电流下无需制动，可以提高在内部轻微故障时保护的灵敏性。 2 ) 在内部轻微故障有符合电流流出时应能灵敏动作。 3 ) 大电流下应尽量提高制动系数，以保证选择性。 其中，值得关注的是灵敏度要求。灵敏度从定义上看k = ，士1 1 。，即动作电 流与制动量整定值比值。输电线路的相与相和相与地之间都存在分布电容，对超 高压长线路由于采用了分裂导线，线路的感抗减少，分布电容增大，线路较长则 更使分布电容的等值容抗大大减小。分布电容在暂态过程中将引起各种高频自由 振荡分量，在稳态过程中将使输电线路中的电流、电压的大小和相位都产生严重 的畸变，尤其是当线路的负荷电流和短路电流较小时，这种影响更为严重。这些 都对继电器的灵敏度产生影响。 在超高压输电线路电流差动保护的方案中，电容电流的补偿、选相跳闸的可 靠性、高阻接地故障时的灵敏度、出口跳闸速度、抗t a 饱和性能是必须要考虑 的技术问题。对于超高压线路电容电流的补偿，基于普通相量电流差动保护的各 种判据可以根据保护线路端测至电压的大小进行有效地补偿，但需要电压量，当 p t 断线时则无能为力：基于相关分析的新型暂态电流差动保护则可很好地抵抗 电容电流的影响。对于高阻接地故障的灵敏度，采用故障分量原理的电流差动保 护可以显著提高保护的灵敏度，其中采用自适应原理的浮动门槛技术己在国产超 高压线路保护装置中得到应用。对出口跳闸速度，在研的基于相关分析的新型暂 浙江大学硕士论文 态电流差动保护在大部分故障情况可以在半个周波内动作出口，速度很快：采样 值差动保护的动作速度可在半个周波左右，速度比较快：基于工频原理的电流差 动保护一般应在一个周波后动作出口，速度稍慢，在应用中根据要求选用。抗电 流互感器饱和影响能力。采样值电流差动保护和基于工频原理的电流差动必须采 取一定的辅助措施克服其影响。对于故障分量原理的电流差动保护，必须注意单 侧供电时，在被保护线路无源侧外部故障切除时线路电容充电电流对电流差动保 护的影响，在电源侧外部故障时由于线路分布电容放电电流对电流差动保护的影 响。对于传统的普通相量差动保护，由于其制动量中包含负荷电流，使保护灵敏 度降低，抑制了这些因素的影响。综上所述，快速性是采样值电流差动保护的主 要优点，但用它构成高性能差动保护时还有许多方面需要完善：基于工频相置的 电流差动保护的优势是动作可靠、有丰富的运行经验，但还需要进一步改善其主 要性能：基于相关分析的新型暂态电流差动保护有较好的速动性和灵敏性，但仍 存在经验不足的问题，其灵敏度亦受负荷电流的影响，加入辅助判据后灵敏度会 大为改善。 4 4 制动量比较 虽然外部故障时各种制动量都等于穿越电流，但是内部故障时，它们是不一 样的。关于制动量的选择问题，直观的，内部故障时复式制动和最小值制动比较 小。但是实际情况还有待研究，需要注意的问题是，忽略负荷电流时，各种制动 方法都能够动作( 且灵敏度都足够) ，不能简单的采用灵敏度高低来进行判别， 因此需要对轻微故障进行评价。 单电源区内故障时继电器必须能够动作。而区外故障，t a 完全饱和时，差 流与制动电流与单电源区内故障时一样的。因而，t a 饱和判据是必须的。所以 在评价各种方法时，必须在具有相同的抗饱和能力情况下比较轻微故障时的 灵敏度。不过这里所指的抗t a 饱和主要还是针对饱和不大严重的情况，单单的 制动判据是很难在t a 完全饱和时正确动作，在前面的章节已经给出t a 饱和检测 方法。在这里，所考虑的是各制动量相对的抗t a 饱和能力。 i ji i 下面将对平均值制动量k ：竺三i 鲨，最大值制动量，。= m a x 4 l 。1 ) ， 浙江大学硕士论文 复式制动量，扣一_ l i f - i i ，标积制动量j 。* ： = 巧忑丽，蚓要 进行理 o ，蚓 k 8 l 之+ k 自l 气q ( 4 - 如) 珐。 ( 4 + & ) j 乙 或 老 k i 己b 浙江大学硕士论文 或老 去 平均值制动( 变形) 判据： 掣1 2 2 _ 毫日2 一k 日 由此可见若要