（电力系统及其自动化专业论文）兖矿电网线路继电保护参数的校验与改进.pdf

山东大学硕士学位论文 【关键词】继电保护，短线路，光纤纵差 v i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l ll a r g eo rs u p e rh u g ee n t e r p r i s e si no u rc o u n t r ya r es t a t e o w n e d b u s i n e s s ，a n dt h e ya r em a i n s t a y so fn a t i o n a le c o n o m y t h e i rp r o d u c t i o n o p e r a t i o na n de c o n o m i cb e n e f i tp l a y sad e c i s i v er o l e ，s ot h es a f e t yo f d i s t r i b u t i o nn e t w o r ko ft h e s ee n t e r p r i s e sh a sad i r e c tr e l a t i o nt ot h e i r e c o n o m i cb e n e f i t f o r t h ep a s tf e wy e a r s ， m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n d e v e l o p sr a p i d l ya n da l lk i n d so fp r o t e c t i o ne m e r g ei na ne n d l e s ss t r e a m t om e e tm o r ea n dm o r er e q u i r e m e n t s ，b u tt h e r ea r em o r ea n dm o r ee m e r g e n c y i nl a r g ei n d u s t r i a la n dm i n i n ge s t a b li s h m e n t s d i s t r i b u t i o nn e t w o r k f o r o n er e a s o n ，i ti st h ee n l a r g e m e n to ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h e c o m p l e xo ft h ee l e c t r i cp o w e rn e t w o r kc o m p o s i t i o n ，f o rt h eo t h e r ，i ti s t h es p e c i f i c i t yo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ko ft h e s ee n t e r p r i s e s ，i th a s ad i f f e r e n c et oc o n v e n t i o n a le l e c t r i cp o w e rn e t w o r kc o m p o s i t i o n ，a n dt h e r e l a yp r o t e c t i o nd o e s n ts o l v et h e s ep r o b l e m sc o m m e n d a b l y t h i sp a p e rp o i n t so u tt h a tt h el o w v o l t a g ea n ds h o r tw i r i n g sa r es om a n y ， a n dt r a d i t i o n a ls t a g et y p ec u r r e n tr e l a yp r o t e c t i o nw h i c hi sw i d e l yu s e d i nl o w v o l t a g es h o r tt r a n s m i s s i o nl i n e ，i ss e t t i n gd i f f i c u l t ya n de a s y t oa c t i o nw i t h o u ts e q u e n c e i ti sv e r yd i f f i c u l tt os a t i s f yt h ed e m a n d s o ft h em o d e me l e c t r i cp o w e rs y s t e md e v e l o p m e n t t h i sp a p e ra n a l y z e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o w v o l t a g es h o r tt r a n s m i s s i o nl i n ef a u l ta n dt h e r e l a t i v em e r i t so fr e l a yp r o t e c t i o nu s e di nt h i sf i e l do nt h ef o u n d a t i o n o ft h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n t h i sp a p e rr e p r e s e n t sac o m p o u n dr a t i o p r o t e c t i o n s c h e m e u s e di nc o m p l e xc u r r e n t ，w h i c ha p p l i e dt os h o r t t r a n s m i s s i o nl i n ei nm i d d l eo rl o w v o l t a g ep o w e rs y s t e m t h r o u g ht h e i n t r o d u c eo ft h i sp r o t e c t i o n ，i te x p l a i n st h em i c r o c o m p u t e ra l g o r i t h ma n d a l lk i n d so fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，a n dh o wt oc h o o s et h es h o r t t r a n s m i s s i o nli n ec r i t e r i o no fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no nt h i sb a s e w ed r a wt h ep s a s po p e r a t i o n a ls o f t w a r ew h i c hi su s e di nh i g ha n ds u p p e r i 山东大学硕士学位论文 h i g hv o t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n t ol o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ， a n di m p r o v et h es e r v i c ec o n d it i o n so fp s a s po p e r a t i o n a ls o f t w a r e w e s i m p l i f ya n da p p r o x i m a t et h ee n t e r p r i s ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kp a r a m e t e r s ， t h r o u g hm o d e l i n ga n di n p u t t i n gp a r a m e t e r s ，a n dc o m p u t i n gt h es h o r t c i r c u i tc u r r e n t ，w eg e tt h ev a l u eo fs h o r tc i r c u i tc u r r e n to fe v e r yn o d e a n dw i r i n g t oa n a l y z et h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ko fy a n k u a n gw eu s ep s a s pt om o d e l i t ，a n dc o m p u t et h es h o r tc i r c u i tc u r r e n t ，t h e nw eg e tt h ev a l u eo fs h o r t c i r c u i tc u r r e n t t h r o u g ha n a l y z i n gi t sr e l a yp r o t e c t i o nd e p l o y m e n ta n d a c c i d e n ti nt h ep a s tf e wy e a r s ，w ef i n dt h a tt h r e es e r v i c ea r e a sr e l a y p r o t e c t i o n d e p l o y m e n ti su n r e a s o n a b l e w ec o m p a r e dt h ev a l u eo fs h o r t c i r c u itc u r r e n ta n df i x e d v a l u eo fi n t r i n s i cr e l a yp r o t e c t i o na n da n a l y z e t h i st h r e es e r v i c ea r e a sr e l a yp r o t e c t i o nd e p l o y m e n t ，w eg e ti t sl a c k i n g ， w ec h a n g ei ti n t of i b e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，a n di tc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fe n t e r p r i s ed is t r i b u t i o nn e t w o r k a tl a s t ，t h i sp a p e ro u t l o o k st h en e wt e c h n o l o g ya n dn e wp r i n c i p l er e l a y p r o t e c t i o na p p l i c a t i o ni ne n t e r p r i s ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a n d i t p r o p o s e st h es e l f a d a p t i n gt h e o r ya n di n t e lli g e n tc o n t r o lt h e o r yd i g i t a l i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt h e o r ya n ds oo n ，t os o l v et h er e l a yp r o t e c t i o n d e p l o y m e n ti ne n t e r p r i s ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k k e y w o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o n ， s h o r tc i r c u i t ，f i b e rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鲎凼叁 日期：巡复丝日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：套盥睦导师签名：溢芝鏖二期：趔幽阴 山东大学硕士学位论文 1 1 概述 1 绪论 一个耗能较大的企业会有一个或几个区域性电网经一至几条高压线路为它输送 电能，再输送到分布在十几平方公里的各种用电设备上，这样就形成了企业电网。此 外还有一些热电联产的自备电厂也接入了企业电网，形成了发、供、配一体的小型电 力系统。兖矿电网就是这样一种电网，它有如下特点： ( 1 ) 自备电厂为小型综合利用火力发电厂( 燃烧煤泥或煤矸石) ，装机容量从6 m w 至1 5 m w 不等，小电厂以系统电网为依托。 ( 2 ) 兖矿电网属于典型的配电网，由系统2 2 0 k v 变电所供电，经过1 l o k v 、3 5 k v 、 6 k v 供给本企业的生产及生活用电。为了保证用电的安全可靠性，尤其是煤矿井下供 电和其它一些一类负荷，均为双电源供电。 ( 3 ) 兖矿电网的大多数负荷均是一、二类负荷，因此对供电的可靠性和电能质量 ( 电压、频率、功率因数) 都有很高的要求。负荷特点明显，如电动机多，电动机冲击 电流大，负荷波动大，容易引起电压波动和谐波污染。 ( 4 ) 兖矿电网的电源距供电负荷的距离都较短( 供电半径较小) ，除个别输电线 路长度超过l o k m 以外，其余大都在l o k m 以下，一般为0 5 k m - 2 k m 。输电线路的损耗 较小，维护比较方便，但给继电保护上下级配合带来了一定的困难。 1 2 本课题的研究背景及研究意义 1 2 1 研究背景 兖矿集团是国有大中型企业，其生产经营、经济效益在地方经济中占有举足轻重 的地位，因此兖矿电网的安全连续送电，电网的稳定运行和供电可靠性都有着非常重 要的意义。随着国民经济的发展，兖矿的经济效益和规模也在不断发展，兖矿内部电 网的规模不断增大，对电能需求量不断增加。由于兖矿负荷波动大、输电线路的导线 断裂，同时由于操作人员维护不当或操作错误等原因，兖矿电网的事故也相应的变多。 兖矿内部电网在兖矿中居于从属地位，是为兖矿主业服务的，因此在兖矿内部， 对于电网的投资较电力企业少的太多。其电网的技术改造，以及电力行业的新技术在 1 山东大学硕士学位论文 兖矿电网中的应用均比较少，直接造成了兖矿电网的自动化水平太低，设备的应用跟 不上电力发展的形势。从常规上说一般低于电力企业3 - 5 年的时间，甚至有的电网中 的继电保护设备大部分都是七八十年代的产品，多为机电型的，而几乎没有更新过， 其自动化水平，远远低于地方电网。 从兖矿电网的自身特点来看，其电网中广泛存在的低压短线路是电网安全运行的 隐患。从继电保护的观点来看，这种短线路主要有两个特征：一是线路阻抗很小；二 是电源线路阻抗比很大。短线路给距离保护的运行带来许多特殊的问题：由于线路阻 抗很小，距离保护耐受过渡电阻的能力大大下降；由于电源线路阻抗比很大，线路末 端故障时保护安装处的残压很小，测量电压的相对误差变大，容易造成保护的超越口1 。 发生短路时首、末端故障电流无明显变化，若采用传统的电流或距离保护，它们在整 定值与动作时间上都难以配合，其保护范围很容易发生混乱，使得一些常规的电流保 护不能发挥最大的作用，起不到j 下常的保护作用，其输电线路往往造成越级跳闸，兖 矿电网大部分的事故往往由此而生。由此带来严重故障无法快速切除，易引发开关爆 炸、母线扭曲，变电站停电、起火等等，造成事故扩大。 对于兖矿电网来说，接入地方电网的罗厂变电所是一个枢纽变电所，它的存在对 全网影响很大。地方电网为了安全原因，往往把罗厂变电所出线继电保护定值整定的 相对较低，兖矿电网内部的输电线路又很短，仅有两条线路超过l o k m ，一般的继电 保护装置的整定困难，容易造成越级跳闸，从时限上更是难以区分。 从现场来看，兖矿电网一般设下列保护： ( 1 ) 电流速断保护； ( 2 ) 过电流保护； ( 3 ) 小电流接地系统的单相接地保护。 根据以上的分析，目前配置的这些常规保护己经很难保证兖矿电网的安全运行， 这些短线路的定值更是难以整定。 所以结合兖矿电网的特点和供电要求，有必要对兖矿电网进行分析，找出其中的 不足，增加新型继电保护装置，解决兖矿电网的短线路难以整定的问题，从而提高兖 矿电网的供电可靠性、稳定性。 1 2 2 研究意义 2 鉴于兖矿电网的特殊性，目前其继电保护的配置不尽合理，尤其是兖矿电网中存 山东大学硕士学位论文 在的大量低压短线路，更是存在着很多的保护误区和死区。目前在电力系统中解决这 种短线路保护的继电保护主要有导引线纵差保护、高频保护和光纤纵差保护等。 在兖矿电网中，电网接线方式比较简单，其中短线路的传输距离只有几公里，加 之现在的光纤保护发展迅速，光纤的成本也较之以往有了很大的降低，从工程和实用 上来说，完全可以引入到兖矿电网中来解决现存的低压短线路的保护误区问题口1 。 本文所提出的利用p s a s p 计算软件中的继电保护整定程序计算分析兖矿电网中 的低压短线路的保护配置，把在电力系统低压短线路中广泛应用的光纤纵差保护引入 到兖矿电网中，通过更改这些短线路的主保护来解决短线路越级跳闸的问题，可以提 高兖矿电网的供电可靠性和安全性，减少由于电力供应问题而造成的生产事故，使兖 矿以尽可能少的电力投资，获得尽可能大的生产收益，因此具有较高的理论价值和现 实意义 4 l 。 1 3 本文所做的主要工作 ( 1 ) 概括了兖矿电网的特点，介绍了目前兖矿电网的继电保护配置现状，分析了 电流速断保护在短线路中的保护误区问题； ( 2 ) 分析了短线路光纤纵差保护原理，介绍了一种适用于兖矿电网的中低压短线 路的电流差动保护原理； ( 3 ) 介绍了如何使用p s a s p 软件进行兖矿电网数据库的建立和继电保护的整定 计算； ( 4 ) 利用p s a s p 软件对兖矿电网进行继电保护整定计算，并结合计算结果对兖矿 电网存在的问题进行分析；并通过上文分析的光纤纵差保护装置对兖矿电网的继电保 护重新进行了配置，从而解决了兖矿电网中的低压短线路的保护整定问题。 3 山东大学硕士学位论文 2 兖矿电网保护存在的问题及解决方案 2 1 兖矿电网简述 2 1 1 兖矿基本情况 兖州矿务局属于大型工矿企业，为了节省投资提高企业经济效益，各大矿区都有 自备电厂。这些自备电厂一般都以燃烧值很低的煤泥、煤矸石为原料，一方面就地取 材，节省运费；另一方面也实现了废物再利用，保护了环境，使矿区用电充分自主， 提高了矿区的经济效益和社会效益。 兖矿电网归华聚能源公司管理，华聚能源公司辖下有三个发供电分区：罗厂区、 马青区和接庄区。本文以罗厂区为例进行分析计算。 罗厂区是华聚能源辖下规模最大的一个分区，需供电的煤矿最多，下属3 个自备 电厂一东滩煤泥热电厂、鲍店煤矿煤泥热电厂以及南屯煤矿煤矸石热电厂。东滩热电 厂主要向东滩煤矿、铁东变电所和西关变电所供电，同时作为碳素厂的备用电源，其 中西关变电所带矿务局医院和机关负荷，分属于一、二级负荷。鲍店热电厂主要向鲍 店煤矿供电。南屯热电厂主要向南屯煤矿及碳素厂供电，同时作为北宿矿的备用电源。 罗厂3 5 k v 变电站是罗厂区的枢纽变电站，对罗厂区供电网来说，罗厂变电站被看做 一个电压、频率恒定的无穷大电源。 兖矿罗厂区自备电厂总装机容量为7 8 万k w ，电厂通过厂站之间的电缆联络线 直接与降压变电所相连。在所有的降压变电所中，东滩变电所的情况最典型，它采用 分裂绕组变压器，变压器6 k v 低压侧电气主接线为双母线分段接线方式，共六段，每 一段带一矿井负荷，负荷侧任一出线故障都不会影响其它负荷，可以提高供电的可靠 性。 2 1 2 现有继电保护配置情况 4 兖矿电网的线路保护，现在配置情况如下： ( 1 ) 一般出线保护配置为： 电流i 、i i 、i i i 段保护； 山东大学硕士学位论文 小电流接地零序过电流保护； 小电流接地零序过电压保护； ( 2 ) 电厂联络线配置为： 线路纵差保护； 方向过流保护。 可以看出，在兖矿电网的6 k v - 3 5 k v 配电线路的相间保护中，首先考虑的是电流 保护，一般由无时限电流速断保护( 保护i 段) 、限时电流速断保护( 保护i i 段) 、过 电流保护( 保护i i i 段) 及三相一次重合闸构成或由阶段式电流保护的其中两段构成 主保护。 对于特殊线路结构或特殊负荷线路保护，当无时限电流速断保护的灵敏度不能满 足要求时，可考虑采用其他保护方式，如：电流电压联锁速断保护等。 2 2 电流速断保护在短线路中的问题 电流速断保护的整定计算原则拍。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 ，三相短路电流可表示为： 小等= 南 ( 2 - i ) 其中：e 为系统等效电源的相电势； z 。为短路点至保护安装处之间的阻抗； z 。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，乞和z 。等于常数，此时短路电流l 将随z 。的增大而 减小。因此可以经计算后绘出la 厂u ) 的变化曲线，如图2 1 所示。当系统运行方式 和故障类型改变时，l 都将随之变化。对每一套保护装置来说，通过该保护装置的短 路电流为最大的方式称为系统的最大运行方式，而短路电流为最小的方式称为系统最 小运行方式。对不同安装点的保护装置，应根据网络接线的实际情况选取其最大和最 小运行方式。 5 山东大学硕士学位论文 a b ， cd 旷p 缈砷仁十一 d ；d zd ， d a 0 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。这两种情况下短路电流的变化如图2 - 1 中的曲 线i 和i i 所示。 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，出，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c 母线上三相短 路时的电流l 。： k 。 l c ( 2 2 ) 引入可靠系数砭= 1 2 1 3 ，则上式可写成： i 妇1 = k k ld c ? ( 2 - 3 ) 可以看出起动电流与z 。无关，所以在图2 - 1 上是直线，它与曲线i 和i i 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，由此可见，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 - i 可见， 当系统为最大运行方式时，电流速断保护范围为最大，当出现其它运行方式时，速断 的保护范围都要减小，而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 6 山东大学硕士学位论文 范围为最小。一般情况下，应按这种运行方式和故障类型来校验其保护范围。 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 图2 - 2 短线路电流速断保护动作特性 这时线路大部分区段上的故障要靠延时0 5 秒的i i 段保护或延时更长的i i i 段 保护来切除( 有的输电线路不设i i 段保护) ，故障持续时间大大加长。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，但此时转速己经降低的电动 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3 。 这种传统的时限配合式继电保护在应用于兖矿低压电网的过程中，会遇到很多问 题。在兖矿低压电网系统中，大型电机的起动电流特别大，可达到额定电流的5 8 倍，但由于其供电系统的特殊性，正常起动电流与线路末端短路电流十分接近，使得 整定困难。若整定值偏小，易造成大型电机起动时误动；若整定值偏大，保护末端短 路时易拒动口1 。 由此可见： 7 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 由于系统运行方式变化大，利用简单的电流、电压型保护有时很难同时满足 快速性、选择性和灵敏性的要求，仅以电流值的大小来区分起动电流和短路电流是非 常困难的。 ( 2 ) 随着兖矿电网改造工程的实施，环形网、双回路网架结构不断增加，现有保 护配置难以适应运行方式的要求。 ( 3 ) 现在仍运行的电磁型、晶体管型、集成电路型继电保护比微机保护可靠性差。 ( 4 ) 随着线路长度的缩短，电流速断保护范围相应缩短，对短线路一般没有保护 范围，影响了快速性和灵敏性。由于相间i 段( 电流速断) 无保护范围，减少了相间i 段和相间i i 段保护范围的重叠区，使保护可靠性降低。 所以，对兖矿内部电网的短线路来说，除了重新整定速断保护的定值以外，还须 考虑增加继电保护的类型，从根本上解决保护越级跳闸的问题。 2 3 线路保护分析 电力线路作为整个电力系统的命脉，担负着输送电能的重要任务。电力系统的输、 配线路因各种原因可能会发生相间或相地短路故障，因此，必须有相应的保护装置来 反应这些故障，并使故障线路的断路器跳闸以切除故障。对动作于跳闸的电力系统线 路保护，应该满足选择性、速动性、灵敏性与可靠性四个基本要求。几十年来，国内 外广大继电保护工作者提出了许多各具特色的线路保护方法并付诸实践，主要包括以 下七种类型呤1 ： ( 1 ) 反应线路电流是否超过定值的电流保护； ( 2 ) 反应线路电压是否低于定值的电压保护； ( 3 ) 反应短路时的功率方向的方向性电流保护、方向性零序电流保护； ( 4 ) 反应零序电流是否超过定值的零序过电流保护； ( 5 ) 反应故障点至保护安装处之间电气距离( 阻抗) 的距离保护； ( 6 ) 反应故障线路两端电流相位差和功率方向比较的高频保护； ( 7 ) 反应故障时两端电流量差值的电流纵联差动保护。 前五种保护类型是只反应被保护线路一侧电气量的保护类型，所以只需要将线路 一端的电流、电压经过互感器( c t ，p t ) 引入保护装置中进行计算，相对来说比较容易 实现，但是由于线路过短导致的阻抗变化不大这个原因，仅靠测量元件无法区分被保 8 山东大学硕士学位论文 护线路末端与相邻线路首端的故障，因此这类保护有可能将被保护线路对端所连结的 母线上的故障或母线所连结的其他出线上的故障判断为本侧线路末端的故障从而将 原本无故障的本侧线路切除阳3 。为了保证动作的选择性，不得不把这类保护的无时限 保护范围缩短到线路全长的一部分，而对于其余部分线路段上的故障，只能通过第 1 i 段的延时保护切除，不能满足全线速动的要求，这对于出现故障即要求快速切除 的重要线路来说是不允许的口引。 距离保护在现代电网中一直作为电力线路的主保护，但是这种保护在短线路中还 是有它的局限性。距离保护是通过计算故障时故障点与保护安装地点之间的阻抗( 电 气距离) ，并根据此阻抗的大小确定是否动作以及动作时间作为其原理的。对于短线 路来说，由于线路的电气距离过小，使得在确定距离保护的动作定值时，由于为了躲 开线路电容电流、c t 饱和所引起的最大不平衡电流而确定的阻抗定值在数值上和线 路全长的电气距离可以相比拟，因而很难做出能够保护线路全长的整定方法n 。 高频保护用到了线路两端的电气量，将被比较的电气量( 电流相位或功率方向) 经过特定电路转换为5 0 4 0 0 k h z 的高频量，然后利用高频通道将高频信号传送到对 端进行比较，判断是内部故障还是外部故障，以决定保护是否动作。它可以克服只利 用单端电气量保护原理的一些不足，实现全线速动。但是在实际应用中也存在一些明 显不足：如高频通道会产生电磁干扰影响保护性能，另外在输电线故障的情况下也会 影响到高频保护的可靠性n 羽。 导引线纵联保护原理简单但安全性差，易受雷击及产生感应过电压。导引线保护 装置的性能受导引线参数和使用长度的影响，导引线愈长，分布电容愈大，保护的安 全可靠性愈差；另外，还有电磁感应电压以及零电位引入的过电压入侵问题，由导引 线引入的过电压不但会引起保护误动作，损坏设备，而且还可能危及人身安全，因此 需采取隔离措施；同时，为了监测引导线是否完好，还需装设专用的监视或监测装置 d 3 0 光纤电流差动保护是在电流差动保护的基础上演化而来的n 钔，基本保护原理也是 基于基本电流定律，它能够理想地使保护实现单元化，原理简单，不受运行方式变化 的影响，而且由于两侧的保护装置没有电联系，提高了运行的可靠性。其灵敏度高、 动作简单可靠快速、能适应电力系统震荡、非全相运行等优点是其他保护形式所无法 比拟的。光纤传输不受电磁干扰的影响，通信误码率低，工作稳定，在安全性和可靠 性方面有显著的优势。同时，光纤通道频带宽，容量大，可以缓解电力系统的通道拥 9 山东大学硕士学位论文 挤问题。因此，利用光纤传输的微机线路纵联差动保护得到了越来越广泛的研究和应 用。目前，光纤通道技术己逐渐成熟，现代电力系统的发展趋势决定了纵差保护的优 越性和重要性越来越多的体现出来n 5 1 。 因此，建议将光纤纵差保护引入到兖矿电网中，作为兖矿电网短线路的主保护来 解决短线路的保护难整定问题。 1 0 山东大学硕士学位论文 3 应用于低压短线路中的光纤纵联差动保护 3 1 纵联差动保护理论 3 1 1 纵联保护的概念 所谓输电线的纵联保护，就是利用某种通信通道( 简称通道) 将输电线路两端的保 护装置纵向连结起来，将输电线各端的电气量( 电流、功率的方向等) 传送到对端，将 两端的电气量进行比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围之外，从而决定 是否切断被保护线路。因此，理论上这种纵联保护具有绝对的选择性n6 l 。输电线的纵 联保护随着所采用的通道不同，在装置原理、结构、性能和适用范围等方面有很大的 差别。 按照保护动作原理，纵联保护可分为两类n7 1 ： ( 1 ) 方向纵联保护与距离纵联保护。两侧保护继电器仅反应本侧的电气量，利用 通道将继电器对故障方向判别的结果传送到对侧，每侧保护根据两侧保护继电器的动 作过程逻辑判断区分是区内还是区外故障。这类保护是间接比较线路两侧的电气量， 在通道中传送的是逻辑信号。按照保护判别方向所用的继电器又可分为方向纵联保护 与距离纵联保护。 ( 2 ) 差动纵联保护。这类保护利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号 传送到对侧，每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位比较的结果区分是区内还是区外 故障。这类保护在每侧都直接比较两侧的电气量，称为差动纵联保护。 3 1 2 电流纵联差动保护的基本原理 电流纵联差动保护就是将被保护线路两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口8 。 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n 引。两侧电流互感器 一次回路的正极性均置于靠近母线的一侧，二次回路的同极性端子相连接( 标“，号 者为正极性) ，差动继电器则并联连接在电流互感器的二次端子上。m 、n 分别为线路 山东大学硕士学位论文 两端母线。l 和分别为两端电流向量，正方向为从母线流向被保护线路。那么在 电流互感器采用上述连接方式后，流入继电器的电流即为各互感器二次电流的总和， 即： t = 乏。+ 乞；丢( 乇+ t 。) 1 ) 式中，l ，：电流互感器的变比。 图3 - i 线路纵差保护的单相原理接线图 当正常运行以及保护范围( 指两侧电流互感器之间) 外部故障时，忽略线路电容电 流及电流互感器励磁电流的影响，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，此时有： l = i 2 肘+ ，2 = 0 ( 3 2 ) 此时保护不动作。 当保护范围内部出现短路故障( 如图中g 点所示) 时，如果双侧电源供电，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t 为： t = l + 0 ( 3 3 ) 因此流入继电器回路，亦即差动回路中的电流c 为： t ：! t ( 3 4 ) 1 2 山东大学硕士学位论文 即等于短路点总电流归算到二次侧的数值。当，屯j 时，继电器即动作于跳闸。 由此可见，在保护范围内部故障时，纵差保护反应于故障点的总电流而动作。 3 1 3 电流纵差保护的整定计算 差动电流继电器整定电流按如下两式条件整定，其整定电流如下啪1 ： ( 1 ) 按躲过区外短路故障时的最大不平衡电流整定，其整定电流为： i 倒；玉乙j k ，厶，。懈 ( 3 5 ) 式中：可靠系数，取1 3 1 5 ； k ：非周期分量系数； k ：电流互感器同型系数，当两侧电流互感器同型时取0 5 ，不同型时取 l ： 厶：电流互感器误差，取0 1 ； 一：外部短路故障时流过本线路的最大短路电流。 ( 2 ) 按躲过电流互感器为二次回路断线条件整定，其整定电流为： 1 5 。t 一如l 螂 ( 3 6 ) 式中k ：可靠系数，取1 5 1 8 ； l 一：线路正常运行时的最大负荷电流。 整定值取式( 3 - 5 ) 和式( 3 - 6 ) 的较大值。 电流纵差保护原理是建立在基尔霍夫电流定律的基础上乜，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。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 性的要求啪1 。 山东大学硕士学位论文 3 2 电流纵差保护的分类和发展现状 3 2 1 按构成保护基本结构分类 ( 1 ) 模拟式电流纵差保护乜3 3 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1 数字式电流差动保护的动作原理与模拟式相同，其特点是将各端电流波形数字 化，用脉码( p c m ：p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 通信方式进行传送，然后利用微处理器进 行动作判定，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，所得到的电流量是通过对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，而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。 数字式线路电流差动保护由于线路各端的电流采样是分开独立进行的，采样后的 电流数据经过通信媒介互相传送到各端，因此为了保证电流差动保护的性能，各端的 电流采样必须同步进行或采样后的电流数据必须经同步化处理，这是实现数字式线路 电流差动保护的关键，只有实现了同步采样，保护差动算法才是有意义的。目前已经 有的同步化方法归纳起来有以下几种：基于数据通道的同步方法；基于参考相量的同 步方法；基于g p s 的同步方法瞳朝。 3 2 2 按传送差动量的通道分类 ( 1 ) 导引线纵联保护( 简称导引线保护) 1 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 1 4 山东大学硕士学位论文 缆一同架设或铺设。 这种通道需要铺设电缆，其投资随线路长度而增加，当线路较长( 超过l o k m 以上) 时就不经济了。导引线越长，安全性越低，导引线中传输的是电信号，在中性点接地 系统中，除了雷击外，在接地故障时短路电流可在导引线回路中感应产生过电压，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，所以导引线的电缆必须有足 够的绝缘水平( 例如1 5k v 的绝缘水平) ，从而使投资增大。 导引线直接传输交流电量，但导引线的参数( 电阻和分布电容) 直接影响保护性能， 从而在技术上也限制了导线保护用于较长的线路口7 1 。 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。 ( 2 ) 电力线载波纵联保护( 简称高频保护) 啪3 高频保护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。 载波通道由输电线及其加工和连接设备( 阻波器、结合电容器及高频收发信机) 等组成。输电线机械强度大，十分安全可靠。但是在线路发生故障时通道可能遭到破 坏( 高频信号衰减增大) ，为此需考虑在此情况下高频信号是否能有效传输的问题。当 载波通道采用“相一地”制，在线路的中点发生单相短路接地故障时衰减与正常时基本 相同，但在线路两端故障时衰减显著增大。当载波通道采用“相一相 制，在单相短路 接地故障时高频信号能够传输，但在三相短路时不能传输。为此载波保护在利用高频 信号时应使保护在本线路故障信号中断的情况下仍能正确动作。此外高频通道存在通 道拥挤问题，影响信息传送啪1 。 ( 3 ) 微波纵联保护( 简称微波保护) 啪1 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，因此利用微波保护的方式不受限制。微波通信是一种多路通信系统，可以 提供足够的通道，彻底解决了通道拥挤问题。微波通信具有很宽的频带，线路故障时 信号不会中断，可以传送交流电的波形。采用脉冲编码调制( p c m ) 方式可进一步扩大 信息传输量，提高抗干扰能力，更适用于数字保护。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。 微波通信是理想的通信系统，但是保护专用微波通信设备是不经济的，当线路距 1 5 山东大学硕士学位论文 离过长( 大于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 ) 光纤纵联保护( 简称光纤保护) 2 1 利用光纤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。 光纤是光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介 的一种通信方式。继电保护所用光纤为通信光纤，它由纤芯、包层、涂覆层和套塑4 部份组成。光纤在实际工程应用中，都是制作成光缆，一般的光缆由多根纤芯绞制而 成，光纤成缆时，要求有足够的机械强度，其纤芯数量可根据实际工程要求而绞制。 按光在光纤中的传输模式，光纤可分为单模光纤和多模光纤。 光纤通道与微波通道有相同的优点，光纤通信也广泛采用p c m 调制方式，当被保 护线路很短时，通过光缆直接将光信号传送到对侧，在每半套保护装置中都将电信号 变成光信号送出，又将所接受之光信号变为电信号供保护使用。由于光与电之间互不 干扰，所以光纤保护没有导引线保护的问题，在经济上也可与导引线保护竞争。近年 发展的在架空输电线的接地线中铺设光纤的方法既经济又安全，很有发展前途。当被 保护线路很长时，还可与通信、远动等复用，做到资源共享，节省投资并充分利用带 宽。 光纤通道带宽极大，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 加单模光纤的损耗仅为0 4 d b k 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。传输质量高，光纤重量轻，可以随意弯曲，容易架设 或铺设。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泓1 。 3 2 3 数字式电流纵差保护的发展现状 8 0 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l f c b 一1 0 1 1 0 2 型，a b b 公司的e e l 一5 6 1 型，东芝公司的d 2 l 7 e 型。国内的有许继公司的w x h 一3 5 型，南瑞继 电保护公司的l f p 9 3 1 型，北京四方哈得威公司的c s l 一1 0 3 型等口5 1 。 1 6 山东大学硕士学位论文 3 3 输电线路电流纵联差动