（电力系统及其自动化专业论文）特高压输电线电流差动保护算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t u l t r a h i g h v o l t a g eh a sae c o n o m i ct r a n s m i s s i o nc o s t ，as i m p l eg r i ds t r u c t u r e ，l e s s p o w e rt r a n s m i s s i o nc o r r i d o r s ，e t c a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h i n a se n e r g y s t r u c t u r ea n dt h ee x p a n d e ds c a l eo ft h ep o w e rs y s t e m ，c h i n ah a sd e c i d e dt ob u i l du h v t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h ej i n d o n g n a n n a n y a n g j i n g m e n10 0 0 k vu h va ct r a n s m i s s i o n p r o j e c tw a sp u ti n t oo p e r a t i o ni nj a n u a r y2 0 0 9 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 d o nk c lc u r r e n tt h e o r yi so n eo ft h em a i np r o t e c t i o no fu h vt r a n s m i s s i o nl i n e s u h v t r a n s m i s s i o nl i n e sh a sh i g h e rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fr e l a yp r o t e c t i o n ，a n di t s s p e c i a ls t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c sh a v eag r e a ti m p a c tt o t h ec 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 t h el a r g e rd i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c ec u r r e n t ，t h es e r i o u s l yt r a n s i e n tp r o c e s s ， t h el a r g e rf a u l tr e s i s t a n c ea n dt h ep r o b a b l ea c c e s s i o no fs e r i e sc a p a c i t o ro rp a r a l l e r r e a c t o rw i l la l lh a v ea ni m p a c to nl i n 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 i sd e v e l o p m e n to fu h vt r a n s m i s s i o na b o u td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a li s s u m m a r i z e d ，t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fe h v u h vl i n e 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 ni sa n a l y s e da n dt h ek e yi s s u e so fu h v l i n 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 ni s p o i n t e do u t s e v e r a lt y p i c a ll i n 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 np r i n c i p l e s a n da c t i o n c r i t e r i ai s a n a l y s e d b a s e do nt h ep o w e rs y s t e me l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ts i m u l a t i o n s o f t w a r ep s c a d e m t d c ，t y p i c a l10 0 0 k v , 7 5 0 k va n d5 0 0 k vt r a n s i m i s s i o nl i n em o d e l i ss i m u l a t e d t h ed i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c ec u r r e n to ft h em o d e l si sc o m p a r e da n di t s i m p a c to nt 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 ni sa n a l y s e d w i t ha n a l y s i so ft h es h o r t a g e o fs t e a d y - s t a t ec a p a c i t a n c ec u r r e n tc o m p e n s a t i o n ，a ni m p r o v e ds e l f - a d a p t i v ec a p a c i t a n c e c u r r e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o da n di t ss i m u l a t i o ni n10 0 0 k vl i n em o d e li sc a r r i e do u t b a s e do nt h ed i f f e r e n t i a l e g u a t i o n o ft r a n s m i s s i o n l i n e ，t h e t r a n s i e n tc u r r e n t e x p r e s s i o no fn o - l o a dc l o s i n ga n dl i n ef a u l t i sd e d u c e da n dv a l i d a t e d t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i e n tc u r r e n ta n di t se f f e c to nc 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 ni sa n a l y s e d t h ep e r f o r m a n c eo fs e v e r a lt y p i c a lc 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 ni nn o l o a dc l o s i n g ，e x t e r n a lf a u l t ，i n t e r n a ld i f f e r e n tf a u l tp o i n ta n d r e s i s t a n c ei ss t u d i e d b a s e do nt h er e s u l t ，as u i t a b l eu h vt r a n s m i s s i o nl i n e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 i m p r o v e dc 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 nc r i t e r i o ni sb r o u g h tf o r w a r d b a s e do nt h e 10 0 0 k vl i n em o d e l ，t h ea c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m p r o v e dp r o t e c t i o n c r i t e r i o ni nn o l o a dc l o s i n g ，e x t e r n a lf a u l t ，i n t e r n a ld i f f e r e n tf a u l tc o n d i t i o n si s s i m u l a t e da n d a n a l y s e d ，t h er e s u l t sp r o v e dt h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s s o ft h ei m p r o v e dc r i t e r i o n k e yw o r d s ：u h v ；c u r r e n td i f f e r e n t i a l ；c a p a c i t a n c ec u r r e n t ；a d a p t i v ec o m p e n s a t i o n ； c r i t e r i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文售雩签名：系雨五 日期：加d 1 6 - , g - 指导老师签名：参眈嚣 日期： 2 眇d 宁6 r 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学位论文作者签名哆黍两五 醐：叶、3 - 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 特高压输电 1 1 1 特高压输电的发展及现状 随着电力系统的不断发展，为了适应大容量远距离输电的需要，世界 上一些国家如俄罗斯、美国、日本、意大利、中国等都在致力于特高压( u h v ) 输变电系统的研究。所谓特高压是指交流1 0 0 0 千伏、直流8 0 0 千伏及以 上的电压等级1 1 】( 如无特别说明，本文研究均指交流特高压) 。特高压输 电具有输电成本经济、电网结构简化、输电走廊占用少等优点【2 】，种种因 素的综合作用刺激了实际范围内交流特高压输电技术的研究及其应用。 1 1 1 1 国外特高压输电发展概况 1 9 6 7 年，美国通用电气公司( g e ) 与电力研究协会( e p r i ) 开始执 行特高压研究计划，并在匹兹费尔德市建立了特高压试验中心，试验线段 全长5 2 5 m 。1 9 7 4 年将单相试验设备扩建为1 0 0 0 - 1 5 0 0 k v 三相系统。1 9 7 5 年开始利用三相系统验证以前单相试验的各项结果，并进一步研究三相线 路的有关问题。1 9 6 9 年美国电力公司( a e p ) 与瑞典通用电气公司( a s e a ) 拟订了为期1 0 年的特高压研究计划，后延长到1 9 8 3 年。美国邦纳维尔电 力局( b p a ) 有2 处特高压试验站。 前苏联从1 9 8 5 年8 月至今共建成2 3 5 0 k m 的11 5 0 k v 输电线路和4 座 1 1 5 0 k v 变电站，有9 0 7 k m 线路和3 座1 1 5 0 k v 变电站从1 9 8 5 - - - 1 9 9 0 年按系 统额定电压1 1 5 0 k v 运行了5 年。之后由于前苏联经济上的解体和政治原 因，中央调度局将全线降压为5 0 0 k v 电压等级运行至今。 日本关于特高压的研究始于1 9 7 4 年。1 9 9 9 年建成两条总长为4 3 0 k m 的输电线路和1 座10 0 0 k v 变电站。此外还建成1 座11 0 0 k v 新楱名变电站， 由于负荷增长停滞不前，所有的1 0 0 0 k v 线路和变电站从建成后都一直降 压为5 0 0 k v 电压等级运行，预计在2 0 1 0 年左右才能升压至1 0 0 0 k v 运行。 2 0 世纪7 0 年代，意大利和法国受西欧国际发电联合会的委托进行欧 洲大陆选用交流8 0 0 k v 和1 0 5 0 k v 输电方案的论证工作。然后，意大利于 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 9 9 5 年1 0 月在s u v e r e t o 建设1 0 5 0 k v 试验工程。19 9 7 年1 2 月起，试验工 程在10 5 0 k v 电压下进行了两年时间的试验运行，取得了一定的运行经验。 瑞典的查麦斯大学高电压试验场可进行交流1 0 0 0 k v 电气试验，试验场内 建有2 4 0 m 特高压试验线段，另有1 8 0 m 的绝缘子试验线段。 2 0 世纪8 0 年代以后，上述各国的交流特高压输电并未像预期的那样 发展，除日本外，其他各国己不再提起，原因之一是各国的用电增长速度 都比当时预期的低很多。此外，欧洲各国电网之间的联络线增加很多。许 多地区宁可从邻国进口电力，也不从本国远处建输电线取得电力。但是欧 洲主要经济大国在用电负荷密度、输电线路密度及进口能源依赖度方面与 日本有许多相似之处。随着欧洲经济的发展，特高压输电有可能再次提到 规划中。苏联解体，俄罗斯经济长期衰退，特高压输电的必要性目前已消 退。但是俄罗斯的发电能源及负荷中心的基本格局未变，特高压输电的需 求仍潜在。如前所述，日本设想在2 0 1 0 年之后将目前降压运行的特高压 线路升压到原设计电压运行l l ，3 j 。 1 1 1 2 中国特高压输电的发展和现状 中国对特高压输电技术的研究始于上个世纪8 0 年代，经过2 0 多年的 努力，已取得了一批重要科研成果。从中国能源发展看，发电能源在未来 一个很长时期将以煤炭和水力为主，全国可开发水电资源近三分之二在西 部的四川、云南、西藏；煤炭保有量的三分之二分布在山西、陕西、内蒙 三省区；而全国三分之二的用电负荷却分布在东部沿海和京广铁路沿线以 东等经济发达地区。如在经济发达地区建设火电厂，巨量的煤炭运输将是 个棘手问题。因此，必须在发电资源丰富的地区建设大煤电基地、大水电 基地，实现煤电就地转换和水电大规模开发，再通过建设坚强的国家电网 特高压骨干网架，将清洁的电能从西部和北部大规模输送到中东部地区， 实现跨地区、跨流域水火互济，既解决东部能源短缺问题，减轻运输和环 保压力，又促进西部资源优势转化为经济优势，实现经济社会协调发展， 从而在全国范围内实现资源的优化配置1 1 , 3 , 4 j 。 2 0 0 3 年9 月1 9 日，西北电网7 5 0 千伏输变电示范工程正式开工，此 工程是黄河上游公伯峡水电站送出及青海官亭至甘肃兰州东的配套工程， 也是西北电网“西电东送”和7 5 0 k v 网架建设的起步工程。该工程于2 0 0 5 年9 月底正式投产运行，提高了西北电网的输电能力，为西电东送北部通 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 道的建设奠定了基础，并将为实现西北电网水火互补运行和更大范围的电 力资源优化配置发挥重要作用。2 0 0 6 年8 月1 9 日，我国首个特高压交流 试验示范工程一国家电网公司1 0 0 0 千伏晋东南一南阳一荆门工程正式奠 基，并于2 0 0 9 年1 月份结束试验示范程序，成为世界上第一条商业化运 营的特高压输电线路。该工程的启用可将山西丰富的煤炭资源转化为电能 输送到华中缺能地区，在丰水期还能够将华中富余的水电输送到以火电为 主的华北电网，充分发挥水火互济、调峰、错峰功能，使联网系统的水火 电调配更加合理，标志着中国电网发展进入了一个新阶段。 1 1 2 特高压输电线路的继电保护问题 特高压输电线的继电保护也是建立在继电保护基本原理之上，是由高 压和超高压输电线继电保护技术发展起来的。但是，由于特高压输电线是 联合系统或全国统一电网的骨架，其安全可靠运行对于全系统的安全可靠 运行起着决定性的作用，故对其继电保护的性能要求极高【5 母j 。 ， ( 1 ) 快速性。特高压输电线路继电保护的首要任务是保证不产生危 及设备和绝缘子的过电压，为了保证过电压不超过允许值，特高压输电线 允许一端投入、另一端断开的时间远小于两端保护相继动作切除故障的时 间。因此，特高压输电线上发生任何故障时必须以最短时间从两端同时切 除故障，不能允许两端保护相继动作切除故障，对继电保护的快速性要求 更高。 ( 2 ) 灵敏性。特高压输电线路输送容量更大，线路距离更长，所连 接的系统短路容量大，发生故障时对系统的稳定影响大，保护配置应能保 证在任何运行状态下被保护线路的任何地点发生任何故障时，都能敏锐地 反应故障而动作。而且特高压输电线路发生接地故障时可能出现的过渡电 阻会更大，要求保护有更强的带过渡电阻能力。 ( 3 ) 可靠性。特高压输电线路作为区域电网的联络枢纽以及全国电 网互联的骨架，承担着输送大功率电能的任务，继电保护装置误动作会给 电力系统及全社会造成很大的损失，影响国民经济的发展和稳定。因此， 必须充分保证特高压输电线路正常运行和外部故障时的可靠性，保护装置 一般绝不能误动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 1 3 课题研究的意义 基于基尔赫夫电流定律的电流差动保护是特高压输电线路的主保护 之一：具有绝对的选择性，不受系统振荡的影响，不受运行方式的影响， 受过渡电阻的影响小，本身具有选相功能【1 0 04 1 。 但是，特高压输电线路的特殊结构和特点对线路的电流差动保护有很 大的影响，主要表现在以下几方面： ( 1 ) 电容电流的影响。特高压输电线路相与相、相与地之间存在较大的 分布电容，电容电流将达到很高的水平，分布电容支路的存在使电 流差动保护算法不再严格满足基尔赫夫电流定律的条件，直接影响 差动保护的可靠性【1 5 , 1 6 。表卜1 所示为3 3 0 k v 及以上不同电压等级 的典型线路参数及电容电流的参考值 1 6 , 1 7 l 。 表1 - 1 不同电压等级下的输电线路典型参数和电容电流参考值( 1 0 0 k m ) 电压等级k v 3 3 0 5 0 0 7 5 01 0 0 0 正序电阻q 4 6 41 9 61 2 20 7 5 8 零序电阻q 2 6 21 8 2 82 7 2 91 5 4 2 l 正序电感m h 1 0 5 18 9 178 5 3 58 3 9 2 2 零序电感m h 3 1 5 32 7 3 92 6 7 52 6 4 3 9 正序电容u f 1 11 3 1 3 5 1 3 6 7 1 3 9 7 零序电容胪 0 7 6 30 9 2o 9 3 0 9 3 正序阻抗角。 8 28 68 7 48 8 3 5 零序阻抗角。 7 57 87 27 9 5 电容电流a 6 611 0 1 9 03 6 0 ( 2 ) 暂态过程的影响。特高压输电线路为提高传送自然功率，常采用多 分裂导线等方式减小波阻抗，也就是减小线路电感，增加电容。线 路的阻抗角增大，衰减时间常数大，导致线路发生故障时，电流在 短路瞬间不能突变而产生很大且衰减非常缓慢的直流分量，易引起 c t 暂态饱和，使c t 二次侧电流产生较大误差，影响电流差动保护的 正确动作；故障的暂态过程会引起电感、电容的谐振和各种高频分 量，高频分量引起的暂态电容电流对基于稳态量的电流差动保护影 响非常严重【1 8 , 1 9 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 3 ) 过渡电阻的影响。1 0 0 0 k v 特高压输电线路允许过渡电阻更高，高达 6 0 0q ，高阻故障时短路电流变小，电流差动保护的灵敏度有时不能 满足要求d 9 , 2 0 】。 ( 4 ) 串补和并补的影响。特高压输电线路中，为提高线路输送容量和改 善系统的稳定度，在某些情况下会采用串联电容补偿，为进行无功 补偿和限制过电压，会装设并联电抗器【2 卜2 3 1 。串补和并补使线路结 构和参数都发生改变，对传统电流差动保护有影响；且在短路暂态 过程中，由于电容器的影响会出现低频分量电流，这种低频分量电 流会影响继电器的正确工作 2 4 , 2 5 】。 1 2 输电线路电流差动保护的研究现状 电流差动保护原理是在1 9 世纪初提出，已有九十多年的历史，但至 今仍在不断地改进和发展，主要致力于在线路内部故障时保证保护灵敏可 靠的动作，同时在外部故障时又保证可靠地不动作。 文献 1 2 ，2 6 - 2 8 对早期国内外所提出的分相电流差动保护判据的动 作特性和实际装置进行了分析研究。文献 2 9 分析了基于相量差动的动作 判据在内部故障时受负荷电流影响，灵敏度降低甚至拒动，指出基于故障 分量的电流差动保护动作判据是一个值得考虑的方案。故障分量电流差动 保护动作判据不受负荷电流的影响、灵敏度高【3 仉3 2 1 ，但故障分量存在时间 较短，只能在故障初期短时开放，不能反映高阻缓慢爬升故障【33 。文献 3 4 - 4 0 对采样值电流差动保护及故障分量采样值电流差动保护原理、判 据和应用进行了研究，采样值电流差动速度快，可不受某些扰动点的影响， 但需要重复判别，存在动作模糊区，可靠性较差 4 1 - 4 3 。 针对电容电流对差动保护的影响【1 5 - 1 9 , 4 4 - 4 8 ，许多文献提出了电容电流 的补偿方法：基于稳态电容电流补偿的差动判据以及带并联电抗器的修正 式可以很好地补偿稳态电容电流 4 7 , 4 8 l ，但不能补偿暂态电容电流，而是通 过提高定值门槛躲过暂态差流，降低了灵敏度和保护速度；基于时域暂态 的电容电流补偿【4 虬5 1 】对稳态和暂态电容电流都有较好的补偿效果，但仍基 于集中参数n 模型，不能精确地补偿暂态电容电流。文献 5 2 考虑了输电 线的分布电容受系统运行方式和外界条件如沿线地质、气候等因素的影 响，把这种不确定因素对电容电流的影响归结为线路分布电容参数的变 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 化，利用二端口网络实时计算电容参数值进行补偿，这种算法能够适应线 路中并联电抗器和串补电容的投切，但计算量大，而且也基于集中参数模 型，对特高压长线路不精确。 基于贝瑞隆模型的差动保护新原理【5 3 1 ，采用贝瑞隆公式利用当前时刻 本侧电压和前( t f ) 时刻本侧和对侧的电压、电流量计算出本侧电流计 算值，再和本侧电流测量值比较来判断故障，既采用分布参数模型又是同 侧量比较，从原理上不受电容电流影响，但利用相邻两个采样点进行计算， 且每一步计算都要引入两侧电压量，对通信和采样频率要求都很高。文献 e 5 4 ，5 5 3 对上述判据在带串补、并补线路上的应用进行了改进，在线路上 选一个参考点( 没有串并补时参考点选在线路中点，有串补或并补时，参 考点就选在串补或并补安装处) ，计算出参考点两侧的电流值做差动，在 正常运行和区外故障时能消除电容电流的影响，但参考点一旦选定就不再 改变，对于长线路端口故障不准确，且串并补通常是安装在线路首末端变 电所内或中间开关站中，有的时候还不止装一套，参考点不好选。基于贝 瑞隆模型的差动保护实用判据【5 6 】对上述判据进行了稍微的改动，计算量和 通信量也很大。 随着数字信号处理技术的发展，基于行波理论的传输线超高速暂态保 护【5 7 巧9 】得到迅速发展，行波差动保护具有快速性和准确性的优点，但由于 行波本身的高频暂态性质、数学工具、技术条件及系统结构影响的限制， 行波差动保护的可靠性一直是个问题1 6 0 。6 6 j 。 电流差动保护在重负荷区内高阻接地故障时灵敏度低【6 7 】，利用故障差 流中的电阻分量构成保护的动作量【6 8 】以及利用有功功率损耗的变化判断 故障【6 9 】的方法灵敏度高，不受电容电流影响，但只对高阻接地故障明显， 可作为一种辅助或后备保护。基于内部电荷量比较的差动保护原理【7 0 】对通 信要求降低，能忍耐较大的通道延时测量误差，但在某些暂态情况下需要 延时才能动作。基于对称分量的负序及零序电流差动保护 7 1 , 7 2 灵敏度较 高，但对某些故障类型不适用。 有的文献从保护方案配置入手，将不同原理的保护判据相组合成自适 应线路差动保护【7 3 7 6 1 ，从原理上这些不同量的保护全用在一起能够解决所 有问题，但时限、定值整定配合及计算非常复杂。 由国内外研究现状可见，特高压输电线路电流差动保护的研究工作仍 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在进行中，能完全消除电容电流影响的补偿方法及新原理的研究和实践应 用仍非常必要。对1 0 0 0 k v 特高压输电线路暂态过程差动保护性能的研究 也不够。 1 3 本文的主要工作 本文的研究主要针对1 0 0 0 k v 特高压交流输电线路，在分析特高压输 电线路特点，指出进行特高压输电线电流差动保护研究的必要性基础上， 主要作了以下工作： 1 介绍了目前国内外特高压输电的发展及超特高压输电线路电流差 动保护的研究现状，分析讨论了几种典型的输电线路电流差动保 护原理和动作判据； 2 基于电力系统电磁暂态仿真软件p s c a d e m t d c ，建立了典型的 超高压和特高压输电线路的分布参数模型，对超高压和特高压线 路的分布电容电流进行了仿真比较，并分析了其对电流差动保护 的影响。在此基础上分析了稳态电容电流补偿方法应用于特高压 输电线路中存在的不足，提出了一种改进的自适应电容电流补偿 方法； 3 基于输电线的微分方程，推导了空载合闸和线路故障的暂态电流 表达式并进行了仿真验证，在此基础上推导了带串并联补偿的输 电线路微分方程，给出了带串并联补偿的线路空载合闸和线路故 障的暂态电流推导方法； 4 研究了几种典型的电流差动保护在空载合闸、区外故障及区内不 同故障条件下的性能，根据各判据的性能优缺点，提出了一种适 合于特高压输电线路的电流差动保护改进判据，并对此判据在空 载合闸、区外故障及区内不同故障条件下的动作特性进行了仿真 验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章输电线路电流差动保护原理和判据 电流差动保护原理是在1 9 世纪初提出，已有九十多年的历史，但至今 仍在不断地改进和发展，主要致力于在线路内部故障时保证保护灵敏可靠 的动作，同时在外部故障时又保证可靠地不动作，在此前提下提出了差动 保护不同的原理和动作判据。本章介绍几种典型的差动保护原理和动作判 据。对每种判据的动作特性和优缺点进行了理论分析。 2 1 基于稳态电容电流补偿的相量差动 2 1 1 相量差动判据 传统的相电流差动原理基于基尔赫夫电流定律，适用于被保护元件具 有任何数量支路的条件，不论是哪一种判据，它的基本部分( 动作量) 总 是以罗t 为基础的，其中t 为任一支路的电流，刀为支路数。各种判据的 百 区别在于附加的制动项构成的方法不同，但它们都是各支路电流的函数 f ( t ) 1 1 2 】。下面介绍国内外常用的几种典型的基于全电流相量的差动保护 动作判据。 1 ) 动作判据之一( 定值制动电流) 1 1 2 】 l ，小+ 歹疗i ，。 ( 2 - 1 ) 式中：厶、厶分别为线路两端m 侧、n 侧的分相电流相量( 以母线流向 线路为正) ， 厶为动作门槛定值，按躲过外部故障时可能产生的最大不平衡 电流整定。 为了分析在两端电流大小和相位为任何值的情况，在式( 2 1 ) 中， 以厶为基准，令厶= ，取厶= 业却，可得： l i ( 1 + 9 e j + ) l 歹。或1 1 + g e j + l 争 乏 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 式中，q = i ，n 为两端电流比值，缈为两端电流相角差。 加 式( 2 - 2 ) 在复平面上表示为两组圆族，其相应交点即为动作的边界 条件。文献【12 】分析表明，式( 2 1 ) 在外部故障大电流条件下容易误动。 2 ) 动作判据之二( 模值和制动电流，国外常用判据) 1 4 】 i j 。+ j 。l i 。 ( 2 - 3 ) l ，。+ j 。l 七( 1 j 。l + l j 。1 ) ( 2 4 ) 式中：k 是制动系数，在故障初始阶段，为躲区外故障暂态过程k l ， 在故障达到稳态后，取0 j i i ，册一j 一 ( 2 - 6 ) 式中各变量定义同上，其中( 2 5 ) 式为辅助判据，( 2 - 6 ) 式为主判 据，两式同时成立时保护动作于跳闸。本判据与动作判据之二( 国外保护 常用判据) 的不同之处在于制动量的选取不一样，这是国内保护开发商为 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。 4 ) 动作判据之四( 最大值制动电流) 【3 7 】 i j 。+ j 。l i 。 ( 2 - 7 ) l j 删+ j 。l km a x 舨m1 ) ( 2 8 ) 式中各量定义同上。此判据和动作判据之二相似，区外故障时的制动 效果要低于动作判据之二；区内故障时，灵敏度受负荷电流和故障点的影 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 响，当一端短路电流较大时，灵敏度降低。 2 1 2 稳态电容电流补偿算法 由式( 2 - 6 ) 可知：当区内故障时，假设两端电流向量的角度差不超 过9 0 。，则不论k 取何值( 0 i o ( 2 - 1 2 ) i ( f ) + 屯( f ) i kl 乙( r ) 一屯( f ) i ( 2 1 3 ) 式中：乙( f ) 、( ，) 为两端电流采样的瞬时值，f 为采样时刻。采样值 差动保护中s 、r 的取值，对其动作特性影响很大。为使区外故障时保护 不误动，s 、r 的选取应保证区外故障时采样值差动保护制动性能等于或 优于相量差动保护。下面讨论s 、r 的取值应满足的基本条件。 设差动保护中为两侧电流乙、的相位差为矽，区外故障时乙、乇的幅 值近似相等，综合各种稳态和暂态因素，两侧相位最大变化范围为 1 2 0 0 缈 7 2 的角度范围满足其判别方程，制动效果就与其所对应 的常规相量差动判据的制动效果相当【3 引。对于每周期采样6 4 个点的数字 式继电保护装置来说，相当于在半个周期内有17 点以上满足保护动作判 据。由于采样初始时刻的随机性，使得采样值差动保护的动作边界并不固 定，动作边界与采样频率有关，提高保护装置的采样率可以减少保护动作 区边界的不定区域范围，其极限是n 一时，这种不确定区域消失1 3 6 1 。文 献 3 6 4 1 对r 和s 的取值，动作边界及采样初始时刻进行了详细的分析。 采样值电流差动保护可以保证电流差动保护的可靠性和提高保护的动作 速度，但是并没有改善保护的灵敏度。 2 2 2 时域电容电流补偿算法 由电路理论可知，电容电流和电压之间存在以下关系： 一 0 = c 。t u c - ( 2 2 5 ) 。 出 由式( 2 2 5 ) 可知，通过电容的电流与电压频率成正比。在暂态下线 路电压有很多高频分量，它将会产生更大的高频电容电流，严重影响差动 保护的正确工作。既然不同频率的电容电压、电流之间都存在式( 2 2 5 ) 表示的关系，考虑利用它来计算暂态电容电流，这就是基于时域电容电流 补偿的思想。电容电流时域补偿的原理是在时域下根据输电线等值电路列 出满足基尔赫夫电流定律的微分方程，然后对每个采样数据进行逐点微分 计算，实现对暂态和稳态电容电流的有效补偿【4 9 。5 1 】。仍然以基于n 型网络 的半补偿法为例，时域法型网络等效电路如图2 3 所示。 a b c 翌j - i j - 。 2t 0 jt l 上一 j 【， 。 一t 舛一ti i j = i - 宁争 二jj ： 图2 3 时域法n 型等效电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 根据式( 2 - 2 5 ) ，可求的线路两侧a 相需补偿的电容电流瞬时值为： l 式中：c 船为线路总的对地电容；c p p 为总的相间电容，对于三相对称线 路，它们与线路全长的正序、零序电容有如下关系： c p p = 学2 7 ， 【c p g = c o 工程求解时，利用数值微分近似求解导数，即： d u c ( t ) u c ( t ) - u c ( t - a t ) ( 2 - 2 8 ) m厶t 则式( 2 2 6 ) 可化为： f 兰m ( f ) = 瑶一( f ) = c p g 甜三( f ) 一材三( f a t ) c p p2 【“三( f ) 一扰三( f a t ) 】 2 f2a t c p p 扰胛b ( f ) 一列三( f a t ) + “二( t ) 一竹二( t a t ) c p 孑甜；( f ) 一甜。a ( f a t ) c 乏p2 甜；( f ) 一托：( f 一f ) ( 2 2 9 ) p g 甜；( f ) 一甜。( 卜 ) p p2 甜；( f ) 一托：( f 一f ) 一7 r 石一t 丁一一五厂一 c p p 甜：( f ) 一就：( f a t ) + “：( f ) 一“：( f a t ) 2a t 将( 2 - 2 7 ) 式代入( 2 - 2 9 ) 式可化为： 芝m ( f ) = 芒刀( t ) = ( 2 c l + c o ) 甜m a ( f ) 一甜：( f a t ) 6a t ( c l c o ) “m b ( f ) 一甜。b ( f a t ) + “三( f ) 一“三( f 一f ) 6f ( 2 c l + c o ) “。a ( f ) 一“：( f 一f ) 6 a t ( c 1 一c o ) u 2 ( t ) 一“：( f a t ) + “：( f ) 一甜。c ( t a t ) 6f ( 2 - 3 0 ) 等等篓等簪篓等挚笠2垒2 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 类似地，可求得b 、c 相需补偿的电容电流瞬时值。 求出需补偿的电容电流瞬时值后，线路两侧经时域补偿后的采样值电 流差动的动作判据变为： i 屯( f ) l = j i r a ( t ) 一i c 肌( f ) 】+ 【( f ) 一七。( f ) 】i i o ( 2 3 1 ) i ( f ) l = i f 。( f ) 一i c 。( r ) 】+ 【f 行o ) 一i c 。( f ) 】i ，oqr ) 、 ki ( f ) i = ki 【f 所( f ) 一i c 脚( f ) 】一 i 。( f ) 一i c 刀( f ) 】i 式中：0 ( f ) ，( f ) 为经时域补偿后的差动电流和制动电流的瞬时值。 因为采样值差动存在r 、s 的选取及动作模糊区等问题，必须满足一 定的采样条件，整定比较复杂 4 1 , 4 2 】，而且灵敏度也没有提高。因此，通常 将时域电容电流补偿算法和相量差动相结合，求出经时域补偿后的差动电 流和制动电流的瞬时值易( f ) ，( f ) 后，通过滤波等算法求取乙( f ) 和( f ) 的有 效值，利用有效值做差动 4 9 , 5 0 1 。 时域电容电流补偿算法能对暂态电容电流进行有效补偿，使动作门槛 大大降低，但仍基于集中参数n 模型，不能对暂态电容电流完全补偿。 2 3 基于贝瑞隆模型的差动保护 2 3 1 贝瑞隆模型简介 贝瑞隆模型【7 7 1 是一种基于分布式电感和电容参数的行波线路模型，它 对线路电感和电容的模拟可以粗略地等效于无穷个尢模型，线路电阻仍用 集中参数表示。它反映了输电线路内部无故障时( 包括稳态运行和区外故 障) 两端电压电流之间的关系，而线路内部故障时，相当于在故障点增加 了一个节点，这种关系被破坏。 输电线路各相之间都是有耦合的，这表现在线路电阻、电感、电容( 超 高压和特高压输电线路可忽略电导) 参数矩阵中有非零非对角元素。无论 是完全换位的平衡线路还是不平衡线路，都可以通过一定的转换矩阵使其 参数矩阵完全对角化或近似对角化即转化为模分量，从而形成相互之间没 有耦合的模分量。对于均匀换位线路，可使用固定的模变换矩阵，而对于 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 非均匀换位线路，不能使用固定的模变换矩阵，可以根据线路参数在实域 或复数域中求解模变换矩阵。相模变换后线路的每一模分量都满足贝瑞隆 模型，如图2 4 所示。 e - d i n ( t - z c - 最一z c + 每 办= 万z c - 而r 4 ，f = 吉= l 瓜 ，z = 一， f = 一= ，厶【一。l z 七r 4u 、l l 啪卅一掣掣捌拈寸兰 掣捌叫3 3 ， 州一半l 半州川l - 半i 半捌扣t ) 渺半“) ( 2 - 3 4 ) i n ( t ) = 半“) 式中：厶和g 分别为模量上线路每千米的电感、电容；r 为模量上线 路全长的电阻；乙为无损线波阻抗；z 为近似考虑线路损耗以后的等值波 阻抗；z 为线路长度( 单位k m ) ；u 为模量上的波速；e 。( t ) 、e 。( t ) 分别为 模量上线路两侧电压瞬时值；i ( t ) 、i 。( t ) 分别为模量上线路两侧电流瞬时m 值，其正方向如图2 - 4 所示；i 。( t 百) 、i 。( t t ) 是等值电流源，代表从对端 来的反射波；f 为模量上波在线路上的传播时间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 3 2 贝瑞隆差动判据 基于贝瑞隆