（电力系统及其自动化专业论文）特高压母线差动保护研究.pdf

东南大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gp o w e rg r i d sc a p a c i t ya n dt h ee x t e n d i n gi n t e r - c o n n e c t i o ns c a l e ，t h er e q u i r e m e n to f l o n gd i s t a n c ea n dl a r g ec a p a c i t yt r a n s m i s s i o np r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fu l t r a - h i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y b n s b a ri st h ec e n t e ro fe l e c t r i c a lp o w e re x c h a n g ea n da ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fu h vp o w e r 鲥d i fs h o r t c i r c u i tf a u l to nb u s b a ri s n tc l e a r e di nt i m e ，t h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo fu h vp o w e rs y s t e mw i l l b ee n d a n g e r e d a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a - h i g hv o l t a g eb u s b a rf a u l ta n di t se f f e c to nb u s b a r d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，t h en e wi s s u e sa b o u tt h ep r i n c i p l eo fu l t r a - h i g hv o l t a g eb u s b a rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n a r er e s e a r c h e di nt h et h e s i s t h er e s e a r c hc o n t e n ti sg i v e na sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h eu l t r a - h i g hv o l t a g eb u s b a rf a u l te l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c si sr e s e a r c h e d a f r e q u e n c y d o m a i nm e t h o df o rc o m p l e xe l e c t r i c a ln e t w o r kc o m p u t i n gi sp r e s e n t e d u s i n gt h e m e t h o d ，t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ff a u l tc u r r e n tt r a n s i e n tc o m p o n e n ti sw o r k e do u ta n di t s r u l ei ss u m m a r i z e d t h et i m e d o m a i ns i m u l a t i n gm o d e la n da u t o - b a t c h s i m u l a t i n gt o o l k i to f 10 0 0 k vu l t r a - h i g hv o l t a g ee x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o np r o j e c ti se s t a b l i s h e d t h eu l t r a - h i g h v o l t a g eb u s b a rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e dw i t hd i f f e r e n tf a u l ta n d s y s t e mp a r a m e t e r s b yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff a u l tc u r r e n tt r a n s i e n tc o m p o n e n t s ，i t sm e c h a n i s ma n d e f f e c to nb u s b a rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no p e r a t i n gi sa n a l y z e d ( 2 ) t h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no p e r a t i n gd e l a yp r o b l e mc a u s e db yf a u l tc u r r e n th i g h - f r e q u e n c y t r a n s i e n tc o m p o n e n ta ti n t e r n a lb u s b a rf a u l ti sr e s e a r c h e d t os o l v et h ep r o b l e m ，h a r m o n i cp h a s o r d 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 ei sp r e s e n t e da sc o u n t e r m e a s u r e ( 3 )a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hd e c a yt i m ec o n s t a n to fn o n p e r i o d i cc o m p o n e n t si nu l t r a - h i 曲 v o l t a g eb u s b a rf a u l tc u l t e n t ，t h ec ta n t i - s a t u r a t i o nc r i t e r i o no fb u s b a rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na n d b u s b a rp r o t e c t i o no p e r a t i n gc r i t e r i o nu n d e rc ts a t u r a t i o ni sr e s e a r c h e d b a s e do nt h ep e r i o d i c i t yo f c tl i n e a rt r a n s f e rs e c t i o n a na n t i s a t u r a t i o nc r i t e r i o na n ds u p p o r t i n gb u s b a rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n i sp r e s e n t e d u t i l i z i n gt h ep e r i o d i c i t yo fc tt r a n s f e r , s a m p l e dv a l u ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nc a nb e s a f e l ya p p l i e di nl i n e a rt r a n s f e rs e c t i o nt oi m p r o v eb u s b a rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no p e r a t i n gr a t ea n d s e n s i t i v i t ya tt r a n s i t i o n a lf a u l tw i t ht h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e db l o c k i n gr e l i a b i l i t yu n d e rc t s a t u r a t i o na te x t e m a lf a u l t ( 4 ) t h ef l o wo u tc u r r e n tr a t i oo fu h vt w ob r e a k e r sw i r i n ga ti n t e r n a lb u s b a rf a u l ti nt h ec o n d i t i o no f m u l t ib r e a k e rs e r i e si ss t u d i e d t h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f f l o wo u tc u r r e n ta ti n t e r n a lf a u l ta n d i t se f f e c to nb u s b a rd 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 z e d t h ed i f f i c u l t yi ni m p r o v i n gt h ea b i l i t yo f a n t if l o wo u tc u r r e n ta ti n t e r n a lf a u l ta n dr e s t r a i n tc r e d i b i l i t ya te x t e r n a lf a u l tf o rr a t i or e s t r a i n t c h a r a c t e r i s t i c so fb u s b a rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni sr e s e a r c h e d t h e nat h r e es e g m e n t sp o l y g o n a ll i n e r a t i or e s t r a i n e dc h a r a c t e r i s t i c st h a tc a l c u l a t e sr e s t r a i n e dc u r r e n tb yb r a n c hi sp r e s e n t e d t h en e w r e s t r a i n tm e t h o dc a ni m p r o v ea n t if l o wo u tc u r r e n tc a p a b i l i t ya ti n t e r n a lf a u l ta n da v o i dr e s t r a i n t a b i l i t yd e g r a d i n ga te x t e r n a lf a u l t ( 5 )a i m e da th i g l lt r a n s f o r m a t i o nr a t i oa n dl i g h tl o a do fu l t r a - h i g h v o l t a g ec t , c tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c sa tl o wc u r r e n ti sr e s e a r c h e d ac ts e c o n d a r yc i r c u i tb r o k e nc r i t e r i o nb a s e do n u n b a l a n c e dc u r r e n tc h a n g ee s t i m a t i o ni sp r e s e n t e d t h ec r i t e r i o nc o n s i d e r sb o t ht h es e c o n d a r y i i 摘要 c i r c u i tb r o k e ns e n s i b i l i t ya n dm i s o p e r a t i n gr a t i o i t 啪i m p r o v et h es e c o n d a r yc i r c u i tb r o k e n s e n s i b i l i t ya tl o wb r a n c hl o a da n dc a l la l s oa v o i dm i s o p e r a t i n gw h e nb r a n c hl o a dc h a n g es u d d e n l y ( 6 ) s t u d yo ni m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fu l t r a - h i g hv o l t a g eb u s b 缸d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nb y a p p l y i n ge c t ( e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ) i sc a r r i e do u t e c tc o n f i g u r a t i o n , p r o c e s sl a y e r n e t w o r kt o p o l o g ya n ds y s t e mf r a m e w o r kc o n n e c t i n ge c ta n db u s b a rp r o t e c t i o nd e v i c e , a n dt i m e s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e ma r s u g g e s t e d r e s a m p l i n gp r o c e s s i n gr e q u i r e db yb u s b a rp r o t e c t i o n a p p l y i n gd i g i t a l i z e de c te l e c t r i c a ls i g n a lo u t p u ti ss t u d i e d i ti sc l a r i f i e dt h ep r o b l e mf a l l si n t ot h e r e s e a r c hf i e l da n dc a t e g o r yo fm u l t i r a t ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s t h e nt h ea n a l y t i cf r a m e w o r ko f 碱a rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nr c s a m p l i n gd a t ap r o c e s s i n gi se s t a b l i s h e d t w on e wv a r i a b l er a t e r e s a m p l i n ga r i t h m e t i c i st h e np r e s e n t e d , a r i t h m e t i cb a s e do nt i m e m o m a i nc o n t i n u o u sf i n i t e i m p u l s er e s p o n s ef i l t e ra n do p t i m i z e dd e s i g no v e rs a m p l i n ga r i t h m e t i c t h ee f f e c to fi n t r o d u c i n g e c to nt h e u l t r a - h i g hv o l t a g e b u s b a rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o n , p r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c ei ss t u d i e d t h e nt h es i m p l i f i e da n do p t i m i z e ds c h e m eo f p r o t e c t i o ni sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：u l t r a - h i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o n ，f a u l te l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t ，b u s b a r d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n , c ts a t u r a t i o n , r a t i or e s t r a i n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n , c ts e c o n d a r y c i r c u i tb r o k e n , e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ，r e s a m p l i n gd a t ap r o c e s s i n g i l l 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，也不包含为获得东南大学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。 签名：蔓塞整日期：兰蔓堕占 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、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) 授权东南大学研 究生院办理。 签名：墨塞叁导师签名：墨皇坠e l期：坦全墨! 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 中国经过近3 0 年的经济高速发展，发电装机容量已经居世界第二位，预期未来电力负荷仍将持 续高速增长。中国能源分布和经济发展不平衡，负荷集中在经济发达的东部沿海地带，水力资源和 煤炭资源主要分布在西部。因此电网同时具有容量巨大和覆盖地域广传输距离远的鲜明特点，在世 界范围内也是不多见的。 特高压电网输电距离长、传输容量大，可以为实现跨区域跨流域水火电互济、西电东送、南北 互供提供有效的支持。也有助于适应电力体制改革的需要，为电力市场的运行提供可靠的传输网。 以特高压电网作为骨干网架也有利于解决目前5 0 0 k v 骨干电网短路电流水平不断升高的问题。国家 电网公司为实现全国联网【1 ，2 】的电网建设目标，考虑以特高压输电线路作为全国联网的骨干网架，开 始部署建设晋东南南阳荆门的1 0 0 0 k v 特高压试验示范工程p j 。 由于特高压电网是全国联网的重要组成部分，对运行可靠性有很高的要求。继电保护是电网安 全稳定运行的第一道防线，承担着保障电网稳定的重任。母线是电网中线路交汇连接的枢纽。母线 短路故障如果不能迅速切除，将会引起事故扩大，破坏电力系统的稳定。根据不同的母线一次接线 形式装设适宜的母线保护是保证电力系统安全运行的重要措施。所以特高压母线保护是整个特高压 继电保护系统的重要环节。 特高压电网的参数与较低电压等级存在差别，故障电磁暂态过程有新的特点。有必要掌握特高 压母线故障电磁暂态的特点和规律。对母线保护在特高压母线故障下的动作特性进行系统研究，并 对母线保护的原理进行有针对性的改进。以保证母线保护能够适应特高压母线故障的新情况，满足 特高压电网运行对速动性、灵敏性、选择性和可靠性的更高要求。 本文将以中国国家电网公司1 0 0 0 k v 交流特高压试验示范工程为背景，研究特高压母线故障的特 点和规律、特高压母线差动保护的动作特性和特高压母线差动保护原理改进，并初步研究探讨应用 电子式电流互感器改进特高压母线差动保护的性能。 1 2 特高压输电技术的发展过程 1 2 1 西方主要发达国家的特高压输电技术发展历程 二战结束后，西方各主要发达国家经过战后重建和恢复，进入了经济快速发展时期。2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代，电力负荷的平均年增长达到6 以上。一方面电网规模迅速扩大有可能超过超高压电网的支 持能力。另一方面环境保护压力也逐渐显现，线路走廊的获取更加困难。因此6 0 年代末7 0 年代初， 各国逐步开展了特高压输电的研究、规划和建设。研究投入比较积极的国家有苏联、日本、美国、 意大利和加拿大。其中苏联和日本已实际建成了特高压输电工程。苏联建设特高压工程的目的主要 是解决远距离同步联网和电力传输问题。而日本国土面积狭小，负荷密集，建设目的主要是超大容 量电力传输。前苏联已建成埃基巴斯图兹到库斯坦奈共约9 0 0 k m 的l1 5 0 k v 输电线路，并从1 9 8 6 年至 东南大学博上学位论文 1 9 9 2 年运行了6 年。日本也已建成柏崎一东山梨、南磐城一西群马共约4 0 0 k m 的1 0 0 0 k v 特高压输电线 路，其中特高压架空线采用了同塔并架双回线的方式【4 ，5 1 。 但是7 0 年代以后，西方各主要发达国家的经济情况出现了未曾预料到的巨大变化，对电力负荷 增长的乐观预期估计落空。首先因为石油危机的冲击，经济发展的速度普遍放慢，甚至出现滞涨和 衰退；其次第三次产业革命深刻影响了西方各国的产业结构，新兴的高技术产业替代高能耗的工业 部门成为经济发展的主要推动力，电力能源消耗降低。在新的经济形势下，西方各主要发达国家普 遍延缓了特高压电网的建设。苏联的特高压输电工程1 9 9 2 年后降压运行，日本的特高压输电工程建 成后一直降压运行。 2 0 世纪9 0 年代以后，西方各主要发达国家又经历了一轮长时间的强劲经济增长。同时在区域经 济一体化潮流的影响下，大系统互联持续发展，北美和欧洲逐步形成了两个跨国的大电网。电网规 模的扩大客观上要求更远的传输距离和更强的电气联系。特高压输电技术未来仍存在应用和发展的 可能性。 1 2 2 中国的特高压输电技术研究和电网建设 中国的国民经济规模、发展水平和西方各主要发达国家有很大不同。中国目前仍然是发展中国 家，第一产业中积蓄了大量富余劳动力，未来的工业化历程还很长。这就决定了在短时期内中国不 可能将产业结构向西方发达国家的方向调整，单位g d p 平均能耗相对较高的产业结构仍将持续相当 长的时期。中国未来的电力负荷存在持续增长巨大的空间。而中国的入口和经济规模巨大，g d p 排 名全球第4 。根据中国电力监管委员会发表的电力监管年度报告( 2 0 0 6 ) ，截至2 0 0 6 年底，中国发 电装机容量达n 6 2 2 亿千瓦，已经居世界第二位。在如此巨大的基数上持续增长，中国未来的电网 规模将是前所未有和举世无双的。 另一方面，与巨大的电力能源需求相伴随的是中国能源分布与经济发展的不平衡、以及广阔的 国土面积。电力负荷集中在经济发达的东部沿海地带，水力资源和煤炭资源主要分布在西部，水力 资源又集中于西南地区。因此电网同时具有容量巨大和覆盖地域广传输距离远的两大特点，在世界 范围内也是不多见的。特高压电网输电距离长、传输容量大的优点，适合中国电网的特点，对于支 撑电网建设和发展、保障经济持续增长有积极意义，是可供选择的技术手段之一。 2 0 世纪8 0 年代，中国电力科学研究院、武汉高压研究所、电力建设研究所和相关高等院校开展 了特高压输电技术的研究，对架空线的绝缘、过电压、对环境的影响等进行了研究。进入2 1 世纪后， 国家电网公司提出了“建设电压等级更高、网架结构更强、资源配置规模更大的以特高压电网为核心 的国家电网”的战略目标1 6 】，开始部署建设1 0 0 0 k v 交流特高压试验示范工程。这一工程将建设晋东南 南阳荆门长约6 5 0 k m 的1 0 0 0 k v 交流特高压输电线路。为限制线路中部的过电压。在接近线路中点的 南阳设立了开关站，装设了两组并联补偿电抗器。线路两侧的晋东南和荆门各设有一座1 0 0 0 k v 变电 站，各通过一台主变压器连接5 0 0 k v 华北电网和华中电网。变电站为a i s 空气绝缘配电。为保证运行 可靠性，1 0 0 0 k v 采用双断路器主接线。 配合1 0 0 0 k v 交流特高压试验示范工程的建设，在国外对特高压输电技术的研究基本停止的背景 下，国内的学术和工程界独立进行研究。在上世纪8 0 - - 0 0 年代的工作基础上，对全国联网的规划、特 高压的绝缘过电压和对环境的影响、一次设备设计制造、短路电磁暂态过程和继电保护等领域进行 了一系列研究，取得了批有价值的研究成果【7 】。 2 第一章绪论 1 3 母线保护的发展过程和主要保护原理 母线保护的原理和技术有相当长的发展历史。制造技术的发展经历了电磁继电器型、晶体管型、 集成电路型和数字式保护i s , 9 1 阶段。保护原理从简单的电流差动原理发展到相位比较式、中阻抗，直 至目前广泛应用的采样值比例差动1 1 0 1 。广义的母线保护指一切可以切除母线短路故障的继电保护装 置。如低电压等级母线会以简单的过电流保护和功率方向保护承担母线保护的作用。以下讨论的 母线保护指一般意义上的高电压等级母线的专用母线保护。 1 3 1 电流相位比较式母线保护 电流相位比较式母线保护比较母线各连接支路的电流极性，各支路电流极性相同则判断为区内 故障，有任一支路电流极性相异则判断为区外故障1 1 2 1 。c t 饱和时，饱和支路的电流发生缺损，但极 性不变，不会影响故障的识别判断。电流相位判据对于单断路器类的主接线形式大致正确，区内外 故障特征明显，保护原理简单可靠。电流相位比较式母线保护原理的实现也比较简单，因此在模拟 式保护时代得到了一定的应用。 但是电流相位比较式母线保护在母线区内故障发生了电流流出的情况下存在重大缺陷。一个半 断路器和双断路器主接线拓扑存在闭合回路，当发生区内故障时，流向故障点的电流会流出故障母 线，经非故障母线迂回流向区内故障点，这就是母线区内故障电流流出现象。这可能使某一或某些 支路的电流极性倒向，破坏了判据成立条件，造成电流相位比较式母线保护的拒动。而且，无论流 出电流占故障电流的比例多么低，都会造成拒动。所以，在数字化继电保护时代，电流相位比较式 保护原理退出了主流母线保护原理的行列。 1 3 2 中阻抗母线保护 中阻抗母线保护原理上世纪7 0 年代提出，并由瑞典a s e a 公司首先研制出r a d s s 母线保护装 置。中阻抗母线保护的原理设计十分巧妙。保护装置的差动回路具有中等大小的等值电阻。c t 饱和 时，c t 的等值电阻降低。差电流的大部分分流到已经饱和的c t 等效电阻回路中，减少了流入差动 回路中的电流。从而保证了区外故障c t 饱和时保护不会误动。而区内故障时c t 一般不会饱和，至 少在故障初始半周波内不会饱和，所有c t 回路呈现高阻抗，差电流的大部分流入差动同路。而中 阻抗保护设计为快速动作，1 0 m s 左右即可出口，抢在区内故障c t 饱和发生之前完成了故障的判断 和出口。 中阻抗母线保护是模拟式母线保护技术的巅峰，其动作速度的性能指标在实际投入运行的母线 保护装置中是最快的，至今仍然没有完全被数字式母线保护超越。但是中阻抗母线保护原理的核心 是利用差动回路和c t 回路的阻抗相对大小变化控制差电流的分配，这样的回路只能用模拟方式实 现。从数字式母线差动保护的角度理解，中阻抗母线保护原理相当于配备了抗c t 饱和措施的采样 值差动保护，既有卓越的速动性，又有一定的安全性。中阻抗母线保护相对于数字式母线保护的最 大欠缺是逻辑相对简单，不能针对实际系统中的各种复杂情况进行针对性的处理，模拟式的动作和 c t 抗饱和措施在复杂暂态过程中的特性难以分析和掌握。而保护动作速度又过快，安全性不足，在 实际运行中也发生过原因不明的误动作。 3 东南大学博上学位论文 1 3 3 工频电流相量差动保护 工频电流相量差动保护指反应故障电流工频基波相量的母线差动保护。母线保护在早期模拟式 时期使用的电磁式和整流式差动继电器，可以看作工频电流相量差动保护的雏形。真正意义上的工 频电流相量差动保护，是指数字式保护兴起后，用离散傅立叶变换算法计算电流相量构成差动电流 和制动电流的比例差动保护原理【1 3 】。 电流相量算法是工频电流相量差动保护原理的核心之一，其重要特点是具备时间平均特性。因 此工频稳态电流的相量计算结果是平稳的，差动动作特性不会随工频交变电流瞬时值的改变而发生 变化。这是相量差动保护的最重要特点，使相量差动保护具有动作特性确定和灵敏度较高的优点。 但是这一特点也带来了相量差动保护原理的一系列弱点。首先相量算法需要一定的数据窗，所 以保护动作速度较慢。其次，相量算法的时间平均特性会在时间轴上把c t 饱和形成的误判区放大 到接近相量计算数据窗的长度，区外故障c t 饱和的情况下容易误判出口。 而母线保护的特点是强调速动性和抗c t 饱和能力，灵敏度要求相对线路和变压器保护而言较 低。相量差动保护的优缺点正与母线保护的要求错开。因此虽然数字化技术很好地解决了工频电流 相量的获取和计算处理，工频电流相量差动保护在数字化继电保护时代反而没有得到j “泛应用，仅 在少数母线保护装置中作为总后备保护使用。较晚提出的电流采样值差动保护原理成为母线保护的 主流原理。 1 3 4 电流采样值差动保护 采样值差动保护上世纪9 0 年代首先提出【1 4 ，i5 1 ，其基本原理源于基尔霍夫电流定律流入一个 节点的各支路电流之和为零。基尔霍夫定律对于各支路电流的瞬时值同样成立。母线区外故障时同 一时刻各支路的采样值之和为零；母线发生短路故障时各支路电流采样值之和等于故障电流的采样 值【l 列。采样值差动保护据此对每一个时刻各支路的电流采样值进行差动判别，在连续r 次判别中如 有s 次满足判据，则动作出口。 采样值差动保护判据s 取值通常在l j 恤1 2 周波间，因此动作速度明显快于工频相量差动保护。 采样值差动保护的抗扰动和容错能力很强，计算数据窗内有少数的坏数据，只要总动作点数不超过 s ，保护不会误出口。因而也具有一定抗c t 饱和能力。区外故障c t 饱和造成的动作点增加不超过 s 时，采样值差动保护不会误动作【1 6 j 。采样值差动保护的另一项突出优点是便于与c t 饱和判据配 合。采样值差动保护在逐点计算的基础上进行保护判据判断，因此如果c t 饱和判据能定位c t 饱和 区，采样值差动保护可以直接舍弃饱和采样点不做计算判断。 因为采样值差动保护具有以上一系列优点，逐步成为数字式母线差动保护的主流原理和标准配 置，得到了广泛而成功的应用，积累了丰富的运行实践经验【1 7 i 。 1 3 5 行波母线保护 行波母线保护原理主要受线路保护行波原理研究【13 1 9 嘲流的影响和带动而逐步发展的。 最简单的行波母线保护原理是行波电流极性比较式保护。其原理与电流相位比较式母线保护有 相似之处。各支路行波电流在区内故障时极性相同，在区外故障时极性不一致，比较各支路行波电 流极性即可识别区内外故障【2 0 ，2 1 1 。但是对于一个半断路器和双断路器主接线，如果母线连接的各支 路参数完全对称相等，区内故障时非故障母线的分布电容形成的各支路行波电流极性也是相同的。 4 第一章绪论 如果仅仅比较行波电流极性，将造成母线保护误动。 另一类较新的行波类母线保护原理是行波电流幅值比较式保护，也被称为基于暂态电流谱能量 的保护原理。母线连接的各线路的参数一般相近，因此波阻抗近似相等。区内故障时，各支路的行 波幅值相近。而区外故障时，故障支路的行波经过母线折射进入非故障线路，区外故障支路的行波 幅值大大高于其他各支路的行波幅值。比较各支路的行波幅值即可识别区内外故障1 2 2 】。该原理的不 足是母线只接有一条线路时失效。而且上文造成行波电流极性比较式保护误动的故障情况下，各支 路的行波幅值也相同，同样会使行波幅值比较式保护误判为区内故障而切除非故障母线。 行波功率方向保护引入利用行波电压信息，弥补了这一缺陷。行波功率方向母线保护比较各支 路的行波功率方向【1 9 ，2 3 1 。如果所有支路的行波功率方向都指向母线，表明发生了区内故障。如果任 一支路的行波功率方向指向线路，则判断为区外故障。造成行波电流极性比较式保护误动的故障情 况虽然各支路行波功率方向相同，但都指向线路，所以行波功率方向保护不会误动。行波功率方向 保护虽然原理上更完善，应用上却面临更大困难。常规电磁式电流互感器的暂态响应基本能够符合 传变行波电流的要求。但是超高压及以上电压等级普遍使用电容式电压互感器( c v t ) 的暂态性能 不佳，频率响应范围窄，达不到传变行波电压的要求。这是制约行波功率方向保护应用实现的重要 因素。 行波母线保护原理的共同优点是动作速度非常快，仅需要约l m s 的判断时间。而且行波母线保 护原理的核心都并不是基于基尔霍夫电流定律的电流差动原理，c t 饱和不会造成误动。虽然c t 饱 和后行波电流不能传变，但是行波保护原理动作速度快，可以在c t 饱和前完成故障判断识别，不 受c t 饱和的影响。 行波母线保护原理上的共同不足是电压过零点发生故障时没有暂态行波，行波保护失效。架空 线路电压过零时发生故障的可能性比较低，但是母线的故障规律和线路不同。导线断裂、操作失误、 外界异物短接母线等非常规故障占相当高的比例。电压过零点附近发生母线故障不能完全排除。 另外行波母线保护原理对母线发展性故障的判别存在较大缺陷。首先，近区区外故障转同相区 内故障时，如果区外故障点是过渡电阻很小的强故障点，母线残压将很低。故障发展剑区内后，母 线电压变化轻微，各支路的行波电压和电流微弱，测量困难。而且此时发生区外故障的线路被区外 故障点短接，相当于一条非常短的线路，行波快速反射，波头无法捕捉。其次，如果区外故障伴随 着c t 饱和，故障转换发生在c t 饱和区，行波电流无法传变，行波保护也将失效。 行波母线保护进一步发展的最大障碍是缺乏装置设计开发和运行实践，至今尚没有投入运行的 实例。行波保护原理的分析和计算基于的电力系统模型是相对简化的。变电站一次配电设备密集， 母线电气连接拓扑复杂，导体和电磁场的分布不能像线路一样视为均匀对称。母线保护还要经受断 路器分合闸操作、励磁涌流、c t 饱和等各种暂态过程的考验。在这样的复杂环境中，行波的特征是 否完全与原理的设想一致，行波母线保护的动作特性如何，都还有待于检验。 1 3 6 母线保护原理小结 比较以上各种母线保护原理，电流相位比较式母线保护、工频电流相量差动母线保护原理上存 在明显不足，已经被逐步淘汰。中阻抗母线保护原理无明显缺陷，但是不能适应继电保护数字化的 潮流。行波母线保护有一定的原理先进性，特点鲜明，但是也存在明显的不足，而且严重缺乏运行 实践。采样值差动保护原理已经大大缩短了母线保护所需的计算判断数据窗，再配合抗c t 饱和识 5 东南大学博士学位论文 别判据，可以获得类似子行波母线保护的c t 饱和前快速动作和不受c t 饱和影响的特性。而且采样 值差动保护原理没有明显缺陷，性能均衡全面，适合母线保护的需求，适合现有的数字式继电保护 设计制造技术水平，经过十余年原理研究发展和运行检验，有丰富的实践经验。采样值差动保护仍 将是特高压母线保护的第一选择。因此本文对特高压母线保护的研究也选择差动保护为主要研究对 象。 1 4 特高压母线差动保护的研究现状 由于西方主要发达国家已于上世纪9 0 年代基本停止了特高压输电技术的研究，因此相关信息比 较缺乏。从搜集的资料看，研究内容以绝缘和过电压为主1 2 4 羽】。国内从国家电网公司开始部署规划 特高压电网建设后，特高压相关的研究逐步增多。除绝缘、过电压和环境影响等长期持续研究的领 域，特高压继电保护原理方面的研究也占有一定比例【2 蹦o i 。特高压继电保护的原理研究主要集中于 特高压线路保护1 3 1 】，特别是特高压线路差动保护【3 2 j 。在这个领域，中国学术界有较大的贡献。其中 的部分研究成果，例如故障暂态现象的研究，对于特高压母线差动保护的研究具有启发价值。不过， 特高压母线差动保护朱见公开发表的专门研究。 1 4 1 特高压系统短路故障电磁暂态过程研究 故障电磁暂态过程的研究和规律的掌握是继电保护研究的基础，特高压母线差动保护也不例外。 特高压输电线路是决定特高压母线短路故障电磁暂态特点的主要因素。相对于超高压输电线路，特 高压输电线路单位长度电阻和电抗降低，单位长度电容增大，时间常数增大，而且输电距离一般较 远。根据特高压输电线路参数的变化可以推测，线路分布电容引起的故障高频暂态电流将更加显著， 故障电流非周期分量的衰减时间常数也将增加。 对特高压线路故障电磁暂态过程的研究表明，短路故障暂态过程相比超高压更加剧烈。故障暂 态高频电流的影响是特高压线路保护的研究重点。较早的研究提出由于高频电容电流在区外故障时 形成暂态差电流，可能造成线路数字纵差保护误动。所以在特高压线路上应用数字纵差保护有困难， 特高压线路主保护可以配置纵联保护1 3 3 , 3 4 1 。后续的研究重点探讨了分布电容电流的补偿方法1 3 5 1 ，多 数研究采用贝瑞隆法补偿分布电容【3 6 了7 1 。经补偿后，线路数字纵差保护抗区外故障不平衡电容电流 的能力大幅提高，可以配置为特高压线路主保护【3 s 】。距离保护等其他各种保护元件的性能也得到了 改善p 9 】。 特高压短路故障电磁暂态研究方法主要采用时域仿真的方法。时域建模和仿真工具多为 e m t p a t p l 4 0 ，4 1 】。e m t p a t p 所用的模型和解法上世纪9 0 年代已基本发展成熟，是学术和工程界普 遍认可的研究工具。由于根据时域仿真得到的故障电压电流波形难以直接分析故障暂态规律，故障 暂态特征研究一般使用f f t 将时域故障电压电流波形变换到频域分析的方法。 该分析方法存在一些重要的不足。根据数字信号处理的基本原理，f f t 计算的时频分辨率指标 相互制约。提高故障暂态分量计算的频域分辨率必须加大时间窗，而时间窗加大又将损失时域分辨 率。f f t 计算提取的故障暂态分量，只是计算数据窗内观察的平均结果，窗长越大，对以一定时间 常数动态衰减的高频电流分量的频率、幅值、相位的计算精度越差。高频电流分量的衰减时间常数 的计算精度需要通过幅值的衰减程度估算，误差更大。故障电流非周期分量的频谱分布在整个频域， 6 第一章绪论 f f t 更是无法计算出其初始幅值和衰减时间常数。另一方面，f f r 在时域截取数据会造成g i b b s 效 应，特别是截断位置在波形峰值时会计算得出虚假的高频分量。f f t 计算结果受此因素干扰很不稳 定，随着数据窗的截取位置变化很大。用f f t 计算还很难自动识别提取主要故障分量，需要人工辨 识处理。系统研究故障暂态规律至少需要分析上千组不同故障和系统参数组合的仿真结果，人工处 理是不可能的。 解决这一困难的一条可行途径是放弃时域仿真和f f t 的数值计算方法，以解析计算方法直接在 频域求解各故障暂态分量，即在复频域计算暂态过程的运算法【4 2 】。运算法依据的基本数学工具是拉 氏变换和反变换。运算法并不是一种新方法，一直只能计算类似单机无穷大系统的简单电网络的暂 态过程，而且一般只能用于计算对称故障。运算法运用范围的限制和瓶颈并不是因为方法在理论上 存在缺陷，而是复杂系统的等值网络太复杂，远远超出人工计算的能力范围。1 0 0 0 k v 特高压试验示 范工程的等值网络非常复杂，线路需要使用分布参数模型，而且分为两段，接有四组并联电抗器， 线路两侧还有变压器和5 0 0 k v 等值系统。已经超出了传统意义上运算法能够求解的电网络的复杂程 度。从数学的角度分析主要存在两大困难。首先，等值网络的拉氏变换表达式非常复杂。基本上每 一个独立的感性元件或容性元件将使表达式增加一阶。仍以1 0 0 0 k v 特高压试验示范工程为例，粗 略估算阶数至少达十余阶，不对称故障复合序网表达式的阶数还要翻倍。拉氏变换表达式的复杂性， 使表达式的生成和解析运算都非常困难，手工推导难以完成。比如求导函数运算，由于表达式的复 杂性求导运算难度很高，求导运算本身也会造成表达式阶数的进一步增加。其次是反变换需要解析 求解方程，由于拉氏变换表达式的阶数很高，手工求解不可行。分布参数线路模型还含有双曲函数， 最终形成的方程是超越方程，而超越方程是无法解析求解的。如果能够克服这两个数学上的困难， 频域直接计算故障暂态方法的优点还是很突出的。除了能直接得到各暂态分量的频率、相位、衰减 时间常数和初始幅值