（电力系统及其自动化专业论文）线路保护中若干问题研究.pdf

电抗器以限制正方向动作范围的可行性，同时研究了在同相问题情况下纵联 保护纵续动作的能力。 关键词：线路保护过负荷不对称度闭锁式方向纵联保护 故障分量零序电抗继电器纵续动作 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m y ，p o w e ri n d u s t r yh a se n t e r e di n t oa n e ws t a g eo fu l t r a - h i g hv o l t a g e ，l a r g eg e n e r a t i n gs t a t i o n ，i n t e r c o n n e c t e dn e t w o r ka n d a c d ch y b r i dt r a n s m i s s i o n i ti sp o s s i b l et oc a u s ec r o s s - r e g i o na c c i d e n tb e c a u s eo fm o r e c o m p l e xg r i da n di n c r e a s i n gl i n ec a p a c i t y t h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fr e l a yp r o t e c t i o n d e v i c e sc a na c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e ma n dm a r k e ta n dr e d u c et h ef a u l t i n f l u e n c eo nt h ep o w e rs u p p l y s o m eo ft h ee x i s t i n gt r e a t m e n t so fl i n ep r o t e c t i o nd e v i c e sa r eh a r dt om e e tt h e c u s t o m e r s r e q u i r e m e n t su n d e rn e wp o w e rs y s t e ms t r u c t u r e t h eb e t t e ro p e r a t i n gc r i t e r i o ni s a nu r g e n tn e e do fi m p r o v i n gp r o t e c t i o nd e v i c ep e r f o r m a n c e h i g h e rc o r r e c to p e r a t i o nr a t eo f d e v i c e sc a ne n s u r eg r i ds e c u r i t ya n dn o r m a ls u p p l yo fe l e c t r i cp o w e r t h i sp a p e rs t u d i e so nt h el i n er e l a yp r o t e c t i o ni n c l u d i n gl i n eo v e r l o a d ，f a u l tp h a s e s e l e c t i o na n dd i r e c t i o n a lb l o c k i n gp i l o tp r o t e c t i o n b a s e do nt h ee x i s t i n gm e a s u r e st h i s p a p e rp r e s e n t si m p r o v e ds c h e m e sa n d v e r i f i e sb ys i m u l a t i o ns o f t w a r e t h i sp a p e ra n a l y s e sl i n ep r o t e c t i o np r o b l e m sf r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h i sp a p e rm a k e sac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa b o u tt h eo v e r l o a ds i t u a t i o no f t r a n s m i s s i o nl i n ea n dt h e np o i n t so u ti t s i m p a c t i o no nl i n ep r o t e c t i o n t h i sp a p e r a l s oa n a l y s e st h er e l a t i v em e r i t so fs o l v i n gm e a s u r e sa th o m ea n da b r o a d 2 an e ws c h e m ea d d i n go p e r a t i n gc r i t e r i o na tg r o u n da n dp h a s e - p h a s ed i s t a n c e r e l a y si sp r o p o s e d t h i sp a p e ra n a l y s e st h es o l u t i o ns c h e m eb yv o l t a g ep h a s e d i a g r a ma n dv e r i f i e st h r o u g hs i m u l a t i o n f i n a l l yi t i sp r o v e dt h a tt h es c h e m eh a s g o o da c t i o na tv a r i o u ss t a t u s e s b ym e a n so fa b o l i s h i n gs e t t i n gv a l u e st h i ss c h e m e c a l lr e d u c et h ew o r k l o a do fe n g i n e e ra n da v o i da d v e r s ee f f e c t so nt h ep r o t e c t i o n d e v i c e so w i n gt ot h ew r o n gs e t t i n g 3 t h ec o r r e c t n e s so fp h a s es e l e c t i o ne f f e c t st h el i n e sr u n n i n gs t a t u sb e c a u s es i n g l e p o l er e c l o s u r ea n dc o m p r o m i s ep o l e sr e c l o s u r ea r ec o m m o n l yu s e da te x i s t i n g e h v ( e x t r a - h i g hv o l t a g e ) t r a n s m i s s i o nl i n e t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c s o fp h a s es e l e c t i o na n dp r e s e n t sa ni m p r o v e m e n tb a s e do nt h ec o m m o nm e t h o d 1 1 1 c o m b i n i n gc u r r e n ts e q u e n c ec o m p o n e n tw i t ht h eo p e r a t i o no fd i s t a n c er e l a y b y i n t r o d u c i n gn e wv a r i a b l et h i ss c h e m ec a ne n s u r et h ep e r f o r m a n c ei nu n b a l a n c e d s h o r tc i r c u i t i ti sp r o v e de f f e c t i v e l yb ys i m u l a t i o n 4 u n d e rb a ds i g n a lt r a n s f e rt h en o - c h o i c et r i pw i l lo c c u ra td i r e c t i o n a lb l o c k i n gp i l o t p r o t e c t i o n t h i sp a p e ra n a l y s e st h es c h e m ea d d i n gz e r o - s e q u e n c er e a c t o ri n d i r e c t i o n a le l e m e n t t h i ss c h e m ec a l ll i m i tt h er a n g eo fp o s i t i v ed i r e c t i o n a l p r o t e c t i o n t h e n t h es u c c e s s i v et r i pi sa l s oa n a l y s e du n d e r i d e n t i c a l p h a s e p r o b l e m k e y w o r d s ： t r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o nl i n eo v e d o a d u n s y m m e t r i c a ll e v e l d i r e c t i o n a lb l o c k i n gp i l o tp r o t e c t i o n f a u l tc o m p o n e n tz e r os e q u e n c er e a c t a n c er e l a ys u c c e s s i v et r i p i v 国网电力科学研究院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得国网电力科学研究院或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 国网电力科学研究院学位论文使用授权声明 国网电力科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所 送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许 论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权国网电力科学研究院科教中心办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 目前我国的电力能源主要是煤炭和水力，核能和天然气所占的比重仍然较小。由 于我国能源分布不均的局面：煤炭资源主要分布在华北、西北( 山西、陕西、蒙西和 宁夏地区) ，水利资源则主要分布在我国的西南地区，而电力消费相对较大的华东、华 南等地区则是能源相对缺乏区域，由此则面临向华东、华南等区域进行大规模能源转 移的局面。由于8 0 0 k m 以内采用超高压交流输电比输煤更为经济有效，所以现阶段 大区间、长距离的输电情况比较普遍。 近一段时期，我国电网发展主要有两种趋势：一是通过提升线路电压等级提高输 电能力，主要是电压等级为1 0 0 0 k v 的交流和8 0 0 k v 的直流特高压输电线路的发展。 2 0 0 9 年1 月1 6 日，我国第一条特高压交流试验示范工程，晋东南到湖北荆门的1 0 0 0 k v 交流特高压电网建成投入运行，同时四川向家坝一上海奉贤8 0 0 k v 直流示范工程全 线开工。另一个发展趋势则是通过采用新技术提高线路输送能力和使用效率，同塔并 架的输电方式就是其中的一种。双回或者是多回线共用一个塔杆，具有占用出线走廊 窄、输送容量大、节省投资的优点，有着巨大的经济技术效益，得到了较为广泛的使 用，近十多年来，大容量输电基本都用同塔双回5 0 0 k v 紧凑型输电线路实现。 随着新的大规模电网互联情况出现以及新型输电技术的使用，改变了现有的继电 保护运行环境，导致现有的继电保护装置可能出现不正确动作的现象，不能满足对继 电保护所提出的4 项要求可靠性、选择性、快速性和灵敏性。在系统故障时保护 的拒动或非故障设备的误跳闸将切除2 条甚至2 条以上的线路，造成大面积的停电， 甚至导致系统瓦解，后果极其严蕈1 2 1 。 所以有必要针对继电保护中新出现的问题，以及在原先系统结构下不明显或是不 重要，但在新系统中的某些线路上可能造成很大影响的问题做出深入细致的研究，以 全面改善现有保护装置的性能，提高电力系统运行的稳定性。 1 2 输电线路继电保护问题综述 1 2 1 过负荷研究背景 随着国民经济的迅速发展，我国对电力的需求越来越多。由于现有的电源受到地 域的限制，这样就必须通过对电网的新建、现有电网的改造来实现更大范围的资源优 化配置，满足用电需求。为了充分挖掘现有输电线路的送电能力，以及合理分配电能 的输送，优化现有网架的结构，跨地区的电网互联以及电力市场的发展速度正在逐渐 加快。由此出现了很多大区域的电网互联，从2 0 0 1 年开始实施的大区电网间互联工程， 先后有东北一华北，川渝华中，福建一华东，东北一华北一华中一川渝一山东联网 工程。然而，区域电网互联在带来明显经济效益的同时，也对电力系统的物理及经济 安全稳定性提出了更为严峻的挑战b 1 。 由于我国电网的发展滞后于电源的建设，部分地区网架结构薄弱，于是部分的输 电断面限制了功率的输送，出现了“卡脖子 的现象。由于大电网的交流互联和提高 超高压线路的输送容量，在电网互联的断面上，正常运行时联络线上的输电功率就已 经很高，甚至是满负荷运行，此时若线路上发生故障现象，保护正确动作跳开故障线 路，会造成线路上的功率的重新分配，这样就会造成其他线路上的功率输送进一步增 加，在这些线路上出现事故性过负荷现象。 在这种情况下，就对保护提出了更为严格的要求，如果保护不能顶住短时的事故 性的过负荷，而出现了误动作的现象，盲目的将系统之间的联系切除，就可能对系统 的稳定带来严重影响，会造成继发性的事故。这些教i ) i i 已经很多：譬如2 0 0 3 年“8 1 4 美加大停电n 1 ，直接原因之一就是线路跳闸使运行的线路过载引起其中一回线路对树 放电短路跳闸，同时其它线路保护的距离i i i 段在严重过载时动作切除过载线路，引发 潮流大转移等连锁反应，直至系统崩溃；9 2 8 的意大利大停电事故1 ，由于线路严重 过载情况下的相继跳闸，使意大利电嗍同欧洲主网脱离，此孤立系统不能维持频率和 电压稳定，造成意大利全国停电1 。而2 0 0 6 年的华中( 河南) 电网“7 1 ”事故，由 于继电保护误动作，导致华中( 河南) 电网多条5 0 0k v 线路和2 2 0k v 线路跳闸、多台 发电机组退出运行，电网损失部分负荷，系统发生较大范围、较大幅度的功率振荡。 直接原因也是河南电网一5 0 0k v 变电站，因与其相连的某双回线之第二回线路运行中 发生差动保护装置误动作，而导致2 台开关跳闸。随后，此双回线第一回线路差动保 2 第一章绪论 护装置“过负荷保护”动作，又导致该变电站另外2 台开关跳闸。由此引发了后续的 一系列的稳定问题。上述继电保护装置在过负荷情况下的不正确动作成为了事故导火 索之一，也引发了大家对于过负荷时保护动作性能的关注。 提高线路的输送能力和保证电力系统的稳定性，是一个问题紧密联系、相互制约 的两个方面，不提高电网的输送能力，就无法发挥电网潜力，满足不了用电需求；但 提高线路输送能力涉及了从一次到二次，从调度运行到继电保护等多方面内容，影响 甚广。受限于我国现有的输电网架结构，重潮流的输电线路、输电断面现象将在一段 时间内长期存在。因此在事故性的过负荷情况下保证继电保护装置的正确动作就显得 尤为重要，否则在大区域联网情况下就会造成大面积停电事故发生。 1 2 2 选相问题研究背景口1 使用重合闸技术有两个重要的目的：一是为了保证电力系统稳定；二是为了自动 恢复瞬时故障线路的运行，从而自动恢复整个系统的正常运行状态【8 1 。同采用三相重 合闸相比，单相重合闸在一相跳开后仍能维持系统之间的联系，有利于重合闸的实施 以及系统的稳定；线路发生单相接地，采用单相重合闸所产生的操作过电压将远低于 三相重合闸。基于以上的原因，目前单相重合闸技术在高压线路上得到了较为广泛的 应用。 要保证单相重合闸有良好的运行效果，正确的选相元件十分重要。无论保护装置 的选相环节具体如何实现，跳闸命令输出必然是在保护元件和选相元件的共同作用下 实现，当然某些保护元件可能本身兼具选相的作用。采用单相重合闸的线路，选相的 正确与否直接决定了线路上的故障能否切除，同时能否正确的实现重合闸，这两点对 于线路安全运行至关重要。 对于选相元件的基本要求要能够正确区分故障类型同时选出故障相别。目前的选 相基本采用变化量选相和稳态量选相相结合的方式：变化量选相广泛应用相电流差变 化量元件和电压电流复合变化量元件：稳态量选相普遍采用序分量分区加阻抗识别的 方法【9 1 。对于变化量选相，主要问题是弱电源侧灵敏度的不足。而稳态量选相要得到 正确结果，需要综合考虑阻抗继电器的动作情况，问题主要集中在不对称接地故障情 况下的正确选相。 考虑到重合闸对于线路运行的晕要性，有必要对于选相元件展开进一步的研究， 以提高选相元件的正确性。 3 1 2 3 纵联保护正方向灵敏度限制研究背景 纵联保护作为线路上的主保护，其重要性不言而喻。由于仅反应线路一侧的电气 量不可能区分本线末端和对侧母线( 或相邻线始端) 故障，只有反应线路两侧的电气 量才可能区分上述两点故障，达到有选择性的快速切除全线故障的目的。因此对于纵 联保护而言其关键是能够将对侧的信息准确的传递到本侧来，以利于判断做出正确的 动作。 对于方向比较式的纵联保护，按照其信号传递方式，可以分为允许式和闭锁式的 纵联保护： 1 允许式纵联保护：利用对侧送来的表示正方向的整定范围内故障的信息。当 收到对侧信息而且本侧的判别元件动作时，就判为区内故障，发出跳闸命令。 在内部故障时，如果收不到对侧的信息，保护将拒动。 2 闭锁式纵联保护：利用对侧送来的表示正方向整定范围以外的故障( 包括正 常运行以及反方向故障) 的信息。当收到信息时，就判为无故障或者是区外 故障，而闭锁本侧保护的出口回路，当收不到对侧信息且本侧的判别元件动 作时，就判为区内故障，发出跳闸命令。 以电力线作为载波通道的超范围闭锁式保护是我国最常用的一种方向比较保护方 式，一般简称高频闭锁保护。该保护方式所用的方向元件主要包括零负序电流方向元 件，方向距离元件，工频变化量方向元件等。 在方向纵联保护中，由于方向元件的灵敏度( 主要是零序方向元件和变化量方向 元件) 比较高，在大部分的区外故障的情况下都能够启动保护。现有高频闭锁保护的 动作出口条件如下： 1 收不到对侧送来的闭锁信号； 2 本侧反方向元件不动作，正方向元件动作。 正常情况下，如果是反方向故障，近故障侧保护反方向元件动作，判为区外故障， 发送高频信号闭锁远故障侧保护，防止远故障侧保护误动作，纵联保护的优势也在于 此，能交换两侧信息以实现全线速动。闭锁式纵联保护在外部故障时远故障侧保护的 测量元件完成了一切跳闸准备工作，只是由于收到对侧发来的闭锁信号才未跳闸担1 。 此时闭锁信号只要短时中断，远故障侧保护就要失去选择性。这种误动作已多次发生。 所以适当限制闭锁式纵联保护中方i 句元件的范围，对提高外部故障时的安全性很有意 4 第一章绪论 义，尤其是当被保护线路较短时，出现外部故障的几率远大于本线路。 1 3 本课题研究思路和工作内容 随着电网结构的不断复杂化以及对于供电安全可靠性要求日益提高，现有输电线 路保护装置中的某些处理措施已经不能满足要求，寻找新的合理的动作判据，改善现 有继电保护装置动作性能，进一步提高保护正确动作率，成为当务之急。 本文着重针对线路保护中过负荷、选相以及方向闭锁式纵联保护中的部分问题研 究有效的解决方案。本文研究工作拟定的思路如下：首先全面细致的分析上述问题造 成保护不正确动作的根本原因；然后在综合分析现有措施的基础之上，借鉴其优点形 成新的保护判据；最后通过e m t d c p s c a d 们n 软件和m a t l a b 搭建仿真模型，验证新判 据的可行性。 研究工作主要致力于研制新的保护原理来解决线路保护中的上述问题，通过理论 分析和仿真验证相互校验，验证新原理的可靠性。本文的研究工作在第二章至第六章 讨论，主要内容如下： 1 全面分析过负荷对于线路保护的影响，针对现有的过负荷解决措施分析其优 缺点，拟定解决过负荷问题的基本方案； 2 形成了针对相间和接地距离元件的过负荷解决方案，通过仿真分析了其在过 负荷以及过负荷再故障情况下的动作性能； 3 分析了现有稳态量选相方法在不对称接地故障时可能出现选相错误的原因， 提出引入新的参考量加以区分故障类型以实现正确选相，仿真验证了该参考 量判据的有效性； 4 研究了增加电抗型继电器以适当限制闭锁式纵联保护中方向元件的超范围的 可行性，分析了增加零序电抗器以后的纵联保护动作性能，同时研究了同相 问题情况下受端保护纵续动作的能力。 5 国网电力科学研究院硕士学位论文 第二章过负荷对线路保护影响分析 2 1 过负荷问题综述 大电网的交流互联和提高超高压线路的输送容量使得线路过负荷情况尤为突出， 在过负荷情况下系统中保护装置的动作性能受到一定制约，此时若后备保护先于安全 自动装置动作【1 2 】，可能会导致事故范围扩大，对电网稳定运行带来很大影响1 3 1 。本章 主要研究过负荷情况对于线路保护装置带来的影响以及相应的解决措施。 2 1 1 过负荷分类 输电线路或变压器等设备允许长时间流过的电流值称为安全电流，如果设备实际 流过的电流超过其安全电流则出现过负荷现象。长时间的过负荷运行会对设备带来不 可恢复的损害。但是过负荷仅属于异常运行状态，而非故障状态，所以保护装置不应 盲日动作。 输电线路过负荷是一种比较常见的异常运行状态，主要分为正常过负荷与事故性 过负荷： 1 正常过负荷：线路超过规定的正常运行的最大负荷，可能是超稳定极限运行、 可能是大机组失磁等，正常过负荷一般远小于严重的事故过负荷。 2 事故过负荷：当一个输电截面一回或多回线路，事故或无事故跳闸，负荷转 移造成剩余运行线路严重事故过负荷。 一般来说，正常过负荷发展缓慢，且可以预期，通过运行调度的及时调整可加以 解决，基本不会造成保护装置刁i 正确动作；而事故性过负荷，短时间内出现负荷的大 量转移，给保护装置带来很大压力，若保护误动作切除过负荷线路又会造成负荷进一 步转移，扩大了影响范罔，甚至可能造成整个区域内的电网崩溃。 2 1 2 过负荷造成保护误动原因分析 在过负荷情况下误动作的一般是稳态量距离保护元件。下面分析稳态量距离保护 动作特性在过负荷情况下的表现。 6 第二章过负荷对线路保护影响分析 2 1 2 1 负荷阻抗在阻抗平面上的特性 宅m 、 宦n 仄、石_ 、 弋夕， 乡 lz 跗z 工 一 图2 1 单回线系统示意图 如图2 1 所不为一简单单叫线系统不蒽图。 负荷通常使用有功功率p 来描述，对于一条给定有功功率p 的线路，其表达式为： p = c 唧= 两u 2c o s 缈= 丽u 2 丽r = 器 ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中，p 为线路输送的有功功率，u 、，分别为母线处电压和电流，z 为负 荷阻抗，r 和x 分别为负荷阻抗中电阻和电抗分量，伊为功率因数角。 化简得： n ( r 一2 = ( 参2 ( 2 _ 2 ) 由式( 2 2 ) 可得，负荷阻抗在只一x 平面上是以( 等，。) 为圆心，以万u 2 为半径的圆。 送端功率p 为币量端功率p 为负。阳抗平面e 的负荷阳抗圆如图2 2 所示。 x o ，_ _ 一- - - 、 p 3 一 嘉锄刚。 誓 、0 一7 7 产 _ 、， 、，一一一7 ， 图2 - 2 负荷阻抗在r x 平面上表现 为保证系统稳定运行，并留有一定的裕度，功率因数角够限制在一定范围之内【h 】， 7 国网电力科学研究院硕士学位论文 稳定极限为4 5 。，一般情况下小于3 0 。当送端输送功率范围在p i p 2 时，负荷阻抗分 布如图2 2 中的右侧阴影部分所示。受端有类似情况。 2 1 2 2 多回线路跳开后测量阻抗变化 造成事故性过负荷一般是由于并列运行的线路中由于某种原因同时失去几条线 路，造成原来由其他线路输送的功率同时转移到本回线上，本回线负荷短时间内大幅 度增加。分析多回线中部分线路故障跳开后负荷阻抗变化情况，有助于理解负荷转移 是如何造成负荷阻抗进入到保护动作区之内的。 ni i e e n 石、 l i 会 l 夕了 m l z 跗一 z f。z s nj i 一 一 一i 图2 - 3 多回线系统示意图 如图2 3 所示，三回线并列运行，假设系统两侧电势分别为厶= ，或= l ， 一回线线路阻抗为z l ，为简化分析，假设m 侧系统阻抗为零，侧系统阻抗为 z 0 = 乙，推导i i 、i i i 回线跳开后i 回线m 侧保护测量阻抗变化情况。 正常情况下i 回线m 侧保护安装处流过的电流为 ； 1p 弦一l 厶矿2 j 百两乏 因此正常运行m 侧保护测量阻抗为 z 呵= e j 6 ，i 时 i i 、i i i 回线跳开后i 回线m 侧保护安装处电流为 ! 一1 i o ) 2 2 z l + z s 跳开后m 侧保护测量阻抗为 z 唾= e j 6fi 巾 8 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 第二章过负荷对线路保护影响分析 假设七= 争，则有 七老2 等2 丽z l + z s 。五三1 协7 ， z 0 z l + 3 乙3 2 1 + z s z 工 当z s z l = o ，= 1 5 当z s z l 哼时，k m b ，j1 3 ； 故障后测量阻抗变化范围为( 1 3 1 ) z b 矿。 如果三回线正常运行时线路负荷比较大，即负荷阻抗较小，当i i 、i i i 回线跳开后， i 回线的测量阻抗会进一步缩小。考虑到机电暂态过程造成系统两侧电势角摆开，保 护安装处测量阻抗还会减小，也就是说，事故性过负荷造成线路测量阻抗出现跃变， 类似于故障状态，造成距离元件动作可能性增大。 2 1 2 3 距离元件误动作情况 以上分析了重负荷时测量阻抗的情况。有必要将测量阻抗和距离元件动作区间相 结合，分析可能的误动作情况。下面分别从阻抗动作圆，以及电压相量图上分析动作 情况。 阻抗平面上分析比较直观，同时无故障情况下，测量阻抗的范围以及距离继电器 的动作范围相对容易分析，所以先在阻抗平面上对动作情况进行分析。 以圆形和四边形动作特性的距离继电器为例，过负荷情况下测量阻抗均有可能进 入到保护动作区之内，如图2 4 所示。 x 。 量s 咀 厂 酞。 p 7p 4 ，、 o ，。一。| 。1 夕、一 甚 ， 天o x 瞄 r 、 、，| | ， ，3 、矗、，税一：7 ，。 ，y 7 l 7飞裂如天、 一， 图2 - 4 负荷阻抗进入距离保护范围示意图 9 国网电力科学研究院硕士学位论文 图2 4 中，当输送功率为罡时，负荷阻抗已进入到保护的动作区之内。从图上可以看 出，由于动作区向第一象限偏转的缘故，位于受端保护一般不容易由于过负荷造成误 动作。 在电压平面上分析动作情况时，距离继电器的动作方程不需要再转换到阻抗平面， 这对于某些动作方程较为复杂的距离继电器具有很大优势，只要寻求动作电压是否在 动作范围之内，就可以判断是否会发生动作，因此简化了分析的步骤。 以通用的正序量极化的距离继电器为例，从电压平面上分析其在过负荷期间误动 作原因。 以正序电压作为极化量的距离继电器动作方程如下： 鲥刊馏茛翊o o 8 ， 上式中，吒为整定点计算电压，以为母线处正序电压。 对于接地距离继电器 = 吼一( 乞+ 七3 厶) 乙 ( 2 9 ) 对于相间距离继电器 吒= 一乞乙 ( 2 一i o ) 其忙等，为线路零序补偿条数。 在负荷状态下有玩置吃。 该动作方程在电压平面上的动作情况如图2 5 所示。 图2 - 5 正序阻抗继电器动作区间示意图 1 0 第二章过负荷对线路保护影响分析 由图2 5 可知，当超范围距离继电器整定范围较远，且在系统负荷比较大的情况 下，可能造成正序电压极化的距离继电器的动作电压进入到动作区之内。特别是 某些仅考虑躲过正常情况下最大负荷来整定的距离i i i 段定值，事故性过负荷情况下其 更容易进入动作区。 从相量图上得出的结论同阻抗平面上分析相同。另外受系统两侧电势差的限制， 整定阻抗必须达到一定的范围才有可能由于过负荷造成动作，在下面章节中将做进一 步分析。 2 1 3 负荷严重程度对距离元件影响分析 由于过负荷仅造成稳态量有一定变化，一般仅对线路保护中的距离元件带来影响。 下面分别分析过负荷对于欠范围的距离i 段，超范围的距离i i 、i i i 段元件的影响。另 外，过负荷仅仅是一个模糊的概念，有必要通过某一参数来反映负荷情况，分析在不 同过负荷程度下对于不同距离元件的影响。 以图2 1 所示双端电源系统为例，电流正方向规定为母线流向线路，假设两侧系 统等效电势应w 、窟幅值相等，相角差为万，则m 侧线路电流 l = 学= 避等 式中磊= z 跗+ 乙+ z 聊为两侧电源间综合阻抗。 ( 2 - 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 反映出两侧系统夹角万越大，线路流过电流越大，线路输送功率越多，所 以万大小可以反映线路上负荷大小。 下面分析系统测量阻抗随万角变化的规律，借以推断不同负荷情况对距离元件可 能带来的影响。 m 侧母线电压为 u m = e m i m z s m 协、 安装在m 侧保护的测量阻抗为 乙= 等= 半= 每一= 南乙一 c 2 郴， 国网电力科学研究院硕士学位论文 叭_ p _ 虬1 。c o s 讣俩踮霹2 闱得 乙= 专磊一= 哇磊- z m ) 一畦忍c 留詈= 专枷磊一三弛害( 2 - 1 4 ) 式中，吒= 等为m 侧系统阻抗占综合阻抗的比例。 m 侧保护安装处测量阻抗由两部分组成i5 】：第一部分为( 二1 一k m ) z z ，对应于从保 护安装处到线路振荡中心处的线路阻抗，与振荡中心位置相关，而与功角万无关；另 一部分为一_ ，丢乏c 辔害，该阻抗垂直于第一部分，随万角不同而变化。当线路空载时， 6 = 0 。，测量阻抗z m 幅值无穷大；当线路过负荷时，万角增大，由于过负荷造成的万角 增大有一定的限制，一般小于6 0 。，否则容易演变成振荡情况，所以测量阻抗有一最 小值。 为了更为直观的表示测量阻抗变化轨迹，将阻抗绘制在复平面上，为表示过负荷 对千距离元件带来的影响同时绘制网特件的距离琳电器形成下图所示动作情渝。 图2 - 6 过负荷情况下三段距离继电器动作情况 上图中，圆i 一3 分别代表欠范围的距离i 段，超范围的距离i i 、i i i 段保护范围； 4 一五分别为对应距离元件开始动作时的两侧系统电势角差。由图可见，随着功角占由 1 2 第二章过负荷对线路保护影响分析 0 开始增大，送电端测量阻抗从右半平面开始逐渐进入到距离元件动作区；受电端测 量阻抗从左半平面开始逐渐进入距离元件动作区。 系统振荡时，电动势夹角万在0 。一3 6 0 。之间作周期性变化，因此测量阻抗也会呈 现周期性变化，在一个周期之内，阻抗继电器会动作和返回各一次。而过负荷情况则 不同，万始终保持在较大值运行，造成距离继电器一直动作，同区内短路时动作情况 相同，所以过负荷最终会造成跳闸切断线路。 从图上可以看出，对于不同保护范围的距离继电器，受负荷情况，即艿大小的影 响也不一样。以圆动作特性的阻抗继电器为例，按线路阻抗8 0 整定的距离i 段，以 最极端的情况考虑两侧系统的等值阻抗按零计算，则距离继电器开始动作的万为1 0 5 。； 距离i i 段开始动作的万角一般为9 0 。，个别情况下为8 0 。【8 】；而对于距离i i i 段而言，继 电器开始动作的艿角度更小，依据距离i i i 段不同的整定方法，如仅考虑躲过正常情况 下的最小负荷阻抗整定【1 6 j ，有可能万= 6 0 。左右就开始动作。 因此，考虑到能保证系统稳定运行的最大万角小于9 0 。，因此对于圆特性的距离继 电器，其距离i i i 段误动作可能性较高，距离i i 段一般情况下不会动作，距离i 段则肯 定不会误动作。 需要说明的是，为了扩大允许故障过渡电阻的能力，接地和相间距离i 、l i 段的 特性圆会向第一象限做顺时针旋转，在旋转角度较大情况下增大了过负荷误动作可能 性。另外，四边形特性的距离继电器如果负荷限制线整定不合理，也会由于过负荷造 成误动作。 2 2 过负荷再故障时距离继电器动作性能分析 上节在阻抗平面和电压平面分别分析了过负荷对于距离继电器带来的影响，如果 是单纯的过负荷现象，相对来说较为容易处理，因为过负荷三相完全对称，没有负序 分量和零序分量出现，同故障时的电气量特征有较为明显的差异。但负荷过大，可能 造成线路垂度增加，发生故障的可能性增大，所以有必要分析过负荷再故障时距离元 件的动作性能。 以式( 2 8 ) 所示正序电压极化的距离继电器为例分析过负荷再故障时各距离元件动 作情况。 国网电力科学研究院硕士学位论文 相间距离继电器测量阻抗为 乙= ( 2 一1 5 ) 接地距离继电器测量阻抗为 z 。= ( l + 七3 厶) ( 2 1 6 ) 线路发生金属性故障时，无论负荷有多大，故障相能够准确测量故障阻抗，即能 够得到正确反映故障距离的母线至故障点阻抗值；非故障相测量阻抗受到负荷和故障 的共同作用，没有实际物理意义，同样的，非故障相距离继电器的动作区间没有确定 的物理意义。一般情况下，非故障相不会进入到距离元件的动作区之内，但是在过负 荷再故障时，非故障相的动作情况值得关注，由于无故障情况下负荷就有可能造成距 离元件动作，那么故障时非故障相仍有可能不正确动作。 以简单的单相接地短路情况为例，对于图2 1 所示系统，接地短路时，各相的测 量阻抗均可以表示为式( 2 1 7 ) 的形式17 1 。 z m = p z l + 乙 ( 9 - 1 7 ) 其中p z l 代表了母线到故障点的阻抗，互为附加阻抗，对于故障相而言，附加阻 抗造成了阻抗继电器测量阻抗的误差。 对于故障相的乙求取相对较为简单；而非故障相的乙，受系统参数、负荷大小、 故障点位置及接地电阻值的影响，定量的分析较为困难。在各种参数确定时可以写出 互的表达式，但该表达式极为复杂，不利于在阻抗平面上进行动作情况分析，同时不 具有通用性。为简化分析，并得出具有代表性的结论，仅在电压平面上作定性分析。 距离继电器的动作区域可以相对简单的在电压平面图上表示，不必将其转换到阻抗平 面再绘制动作区，大大简化了分析的难度。 以下分析针对正序电压极化的接地距离继电器在单相接地短路情况下的表现。按 照故障点的不同位置，分别研究故障相和非故障相动作情况。所采用系统及故障点位 置设置按图2 7 所示。 1 4 第二章过负荷对线路保护影响分析 e m k 。、 i k ， e n 仄、7，c 、 u ，7 ，u i z 跏一 乙 一 二圈v 图2 - 7 过负荷再故障分析系统不惹图 故障点毛为m 侧母线背后故障，故障点乞为n 侧母线背后故障。 m 侧系统电势超前于n 侧，由m 侧向n 侧系统供电。 2 2 1 电压相量图上的求取 为了判断距离继电器动作与否，需要知道动作量吒在电压相量图上的具体位置。 本小节对于电压相量图上故障后线路各点的电压分布情况做必要说明。 将系统的零序分配系数定义为 k = 警 ( 2 _ 1 8 ) 线路的零序分配系数定义为 七：鱼二鱼 ( 2 1 9 ) 3 么i 首先分析位于送端的保护装置。 无论是对于故障相还是非故障相，故障点位于保护正方向时，均有 厶一吒= ( 乞+ 屯3 厶) z l s ( 2 2 0 ) 吼一吒= ( 乞+ 七3 厶) 乙 ( 2 2 1 ) 单相接地短路时，故障相故障点各序电流 if o = i f i = i f 2协2 2 ) 假定正序和负序分配系数相同，m 侧母线处电流为 厶= 厶0 l + ( 2 0 ，0 。+ 哆。丘。) ( 2 2 3 ) 其中0 。、0 。分别为故障点两侧的正序和零序电流分配系数。 由式( 2 2 3 ) 可以看出，母线处电流相量由故障前负荷电流和故障点的零序、负序电 国网电力科学研究院硕士学位论文 流共同决定。 对于故障相而言，一般情况下，单相故障时，送端负荷电流相位厶0 1 超前于故障 点零序电流相位j l d ，如图2 8 所示，两个圆弧分别为不同故障点短路时故障点电压轨 迹，相应的故障点电压以啡和以表示。 图2 8 负荷电流与故障点电流相位不惹图 单相故障，故障点电压以同故障点各序电流同相。出口故障时，当啡接近于故 障前电压时，以与钿基本同相，如上图中q ：随着故障点变远，厶0 i 超前于以越多， 如上图中吒。一般情况下，超前于啡，即钿超前于故障点零序电流厶。 由式( 2 - 2 3 ) ，o 、0 。同相，假定分配系数为实数，则可得母线处电流乞超前于零 序电流厶。 在明确了故障相乞与厶相位关系以后，可分析由于k 和七不同，造成式( 2 2 0 ) 和 式( 2 2 1 ) 中系统阻抗上压降和整定阻抗上压降的相位差异。 i 。l p + k , 3 o ( a ) i e + k 3 4 七 图2 - 9 电流相量合成图 1 6 ( b ) 第二章过负荷对线路保护影响分析 扯鹕( 镟，则有 当o 七埘 七时，由图2 9 ( a ) 所示，厶+ k 3 厶超前于l + 后3 厶，口为正。 当k o 后时，由图2 9 ( b ) 所示，乞+ 3 厶同样超前于厶+ 后3 厶，9 为正。 以出口故障为例，根据故障点电压情况，就可以求出整定点的大致位置。 宅mu 嗽 意n 图2 - 1 0 送端保护整定点电压位置 而位于受端保护，故障前负荷电流厶0 | 同送端相反，因此故障后电流方向取决于 负荷和故障分量的大小关系，因此伊正负情况不唯一。 另外，对于非故障相而言，由于零序分配系数同正序分配系数不相同，所以不能 确定故障后母线电流乞同零序电流厶之间相位关系，因此也就不能确定口的正负。 一般情况下，由于吒和后值不同造成口的角度偏移较小，通常可不考虑。 2 2 2 单相短路非故障相电压情况 不对称接地故障时，非故障相电压由于互感效应可能会升高，即出现故障过电压 的现象1 引。 相关文献9 】推导有如下结论。 假设w - - z o z i ，其中z o ：和z 。z 分别为故障点两侧零序和负序综合阻抗。 在故障点位置，可将故障后非故障相电压幅值表示为 1 7 国网电力科学研究院硕士学位论文 u 2 嘲 ( 2 2 4 ) 其中q o i 为故障前故障点电压。 可得，单相接地短路有 形( 1 ) - , 6 4 1 + w + w 2 ( 2 - 2 5 ) w + 2 两相接地短路有 形【2 ) ：! !( 2 2 6 ) l + 2 w 运行经验表吲2 0 】【2 1 1 ，3 3 0 k v 以上的系统，由于变压器中性点直接接地，系统中的 w 一般在1 5 2 5 之间。所以，非故障相电压一般会升高，以a 相接地短路为例，有下 图所示变化。 i 叫 u c u b 图2 1 1 单相接地电压相量图 顺便说明，根据对称的原则，故障点b 、c 相的电压变化量矽完全相同。 2 2 3 各种故障位置距离继电器动作情况 下面分析过负荷再故障情况下以正序电压极化的各相距离元件动作情况。 1 ) 送端正方向故障 假设图2 - 7 中故障点乞发生a 相接地短路，接地电阻为毽，对于m 侧保护而言为 送端正方向短路情况。 为能将故障相与非故障相动作情况做比较，将超前相c 相所有电压量顺时针旋转 1 2 0 。，形成如下图所示的送端正方向故障时电压相量图。假设故障前后两侧系统电势 l r 第二章过负荷对线路保护影响分析 未发生变化。 图中吒、为故障点处a 、c 两相电压相量，、c 为整定点处a 、c 两 相电压相量。下同。 图2 - 1 2 送端正方向故障时电压相量图 上图中，阴影部分为正序电压极化量距离继电器动作区间。假定母线正序电压相 位同故障前母线电压相比变化较小。经旋转后a 、c 两相正序电压相量重合。 单相接地情况下，故障相故障点电压随着接地电阻增加而升高；非故障相故障点 电压受到故障分量影响，其值同故障前比较略有变化，对于超前相有可能出现故障点 电势幅值小于故障前。 从经过旋转后的相量图上可以看出，送端正方向故障时，滞后于， 同时，故障点吒滞后于，又有彘鼍2 瓦e m u r a = ，所以滞后于，从动 作平面上看，a 相动作灵敏性应高于c 相。滞后相b 相有类似的结论。 2 ) 送端反方向故障