（电力系统及其自动化专业论文）光纤允许式纵联保护的应用研究.pdf

华北电力大学一t ：程硕士学位论文摘要 摘要 光纤作为继电保护的通道介质具有不怕超高压与雷电电磁干扰、对电场绝 缘、频带宽和衰耗低等优点，随着电力光纤网络的逐步完善，光纤保护将在继 电保护领域中得到广泛的应用。光纤闭锁式、允许式纵联保护是在目前高频闭 锁式、允许式纵联保护的基础上演化而来，以稳定可靠的光纤通道代替高频通 道，从而提高保护动作的可靠性。由于光纤闭锁式、允许式纵联保护在原理上 与目前大量运行的高频保护类似，在完成光纤通道的敷设后，只需更换光收发 信机即可接入目前使用的高频保护上，因此具有改造方便的特点。 关键词：高频保护，载波通道，光纤通道 a b s t r a c t t h ef - b e ra st h ec o m m u n i c a t i o nm e d i ao fr e l a yp r o t e c t i o nh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fa n t i s u p e rh i g hv o l t a g e ，a n t it h ei n t e r f e r e n c e so fi i g h t n i n g ， i n s u l a t i o nt ot h ee l e c t r i c 行e l da n dl o w - l o s s w i t ht h eg r a d u a lp e r f e c t i o no ft h e p o w e rf i b e rn e t w o r k ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ef i b e rp r o t e c t i o ni sw i d e l yi m p r o v e d f i b e rp i l o tp r o t e c t i o 璐o fa r r t e s i a na n da l l o w a b l e2 u r ed e v e l o p e df r o mt h ep r e s e n t h i g hf r e q u e n c yp i l o tp r o t e c t i o n so fa i r t e s i a na n da l l o w a b l e ，t os u b s t i t u t et h eh i g h f r e q u e n c yc h a n n e lb ys t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y 助e rc h a n n e l ，f o ri m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t yo ft h ep r o t e c t i o na c t i o n b e c a u s eo ft h es i m i l a r i t yo ft h ep r i n c i p l e b e t w e e nt h ef i b e rp i l o tp r o t e c t i o n so fa i r t e s i a na n da l l o w a b l ea n dt h eh i 曲 f r e q u e n c yp r o t e c t i o n ，a r e rt h el a y i n go ff i b e rc h a n n e l ，t h ed e v i c ec a nb ea c c e s s e db y c h a n g i n gt h el i g h tt r a n s c e i v e r ，w h i c hh a st h ef i e a t u r eo fe a s i l yt r a n s f o m a t i o n xia o g a n glia n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f y a n j u nj i a o k e y w o r d s ：h i 曲f r e q u e n c yp r o t e c t i o n ，c a 盯i e rc h a n n e l ，肋e rc h a n n e l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文光纤允许式纵联保护的应用研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 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。 学位论文作者签名：星! ：! 型日期：秒5 j j 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：刿 日期：幔s f 导师签名： 日期：捌j 华北电力大学t 程硕七学位论文 1 1 本课题研究的意义 第一章引言 晋中市地处山西省的中部，所辖九县、一市、一区，晋中电网结构以2 2 0 k v 输 电网络为主，除提供晋中市十一个县市区工农业生产和居民生活用电外，还是山西 电网南北联系的枢纽。 晋中电网包括5 0 0 k v 变电站2 座，2 2 0 k v 变电站9 座，1 1 0 k v 变电站2 7 座，其 中以2 2 0 k v 线路的输电网络为主，分别与榆社电厂、阳光电厂、霍州电厂、漳泽电 厂、太原供电局、阳泉供电局、临汾供电局、长治供电局、吕梁供电局等2 2 0 k v 系 统连接，对山西电网的安全稳定运行起着至关重要的作用。晋中电网所辖2 2 0 k v 线 路保护2 9 套，主保护为高频纵联保护双重配置，由南瑞继保l f p 一9 0 1 、9 0 2 保护 与扬州电讯y b x 一1 k 收发信机组成，采用电力线载波通道传输纵联保护信号。 近年来，随着微机高频保护投入线路的逐渐增多和事故数量的上升，在运行管 理当中，高频保护逐渐暴露出一些缺陷和隐患，导致线路拒动或误动，严重影响了 晋中乃至山西电网的安全稳定运行。引起高频保护不正确动作的主要原因是高频通 道，高频通道涉及两个厂站的设备，经受着自然界气候的变化和风、霜、雪、雷电 的考验，通道上任一环节出了问题，都会影响高频保护的正常运行。从近几年来晋 中电网高频保护不正确动作情况来看，通道的堵塞、通道质量的低劣是影响高频保 护不正确动作的主要因素，故障录波器的波形图分析常常会看到高频信号有间断、 畸变的现象。 光纤作为继电保护的通道介质具有不怕超高压与雷电电磁干扰、对电场绝缘、 频带宽和衰耗低等优点，随着电力光纤网络的逐步完善，光纤保护将在继电保护领 域中得到广泛的应用。光纤闭锁式、允许式纵联保护是在目前高频闭锁式、允许式 纵联保护的基础上演化而来，以稳定可靠的光纤通道代替高频通道，从而提高保护 动作的可靠性。光纤闭锁保护的鉴频信号能很好地对光纤保护通道起到监视作用， 这比目前高频闭锁保护需要值班人员定时交换信号，以鉴定通道正常可靠与否灵敏 了许多，提高了闭锁式保护的动作可靠性。此外，由于光纤闭锁式、允许式纵联保 护在原理上与目前大量运行的高频保护类似，在完成光纤通道的敷设后，只需更换 光收发信机即可接入目前使用的高频保护上，因此具有改造方便的特点。 目前电力通信技术发展迅速，基于光纤环网的高速通道已逐步成为传输语音、 图象及数据等电力生产和管理信息的主要方式。2 0 0 4 年，山西电网2 2 0 k v 及以上电 压等级变电站之间进行了电力光纤网络的敷设，具备了采用光纤通道传输保护信号 的硬件条件。进行晋中电网2 2 0 k v 线路保护光纤通道改造，用光纤保护代替高频保 华北电力大学工程硕士学位论文 护，对提高晋中电网2 2 0 k v 线路保护正确动作率、保证晋中乃至整个山西电网的安 全稳定运行具有重要意义。 1 2 线路纵联保护的应用现状 纵联保护是利用某种通信通道( 简称通道) ，将被保护线路各端的保护装置纵 向联结起来，在系统故障时，各端的保护装置将其测量的电气量( 电流，功率的方 向等) 传送到各端，然后，每端保护装置对各端送来的电气量进行比较，判断故障 发生在本线路范围内，还是在线路范围外，以决定是否动作。纵联保护根据通道的 不同，可以分为以下类型： ( 1 ) 电力线载波纵联保护( 简称高频保护) 。 ( 2 ) 微波纵联保护( 简称微波保护) 。 ( 3 ) 光纤纵联保护( 简称光纤保护) 。 ( 4 ) 引导线纵联保护( 简称引导线保护) 。 通道虽然只是传送信息的手段，但纵联保护采用的原理往往受到通道的制约。纵 联保护在应用不同通道时具有不同的特点： ( 1 ) 导引线通道。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( 超过十余公里) 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，在接地故障时地中电流会引起地 电位升高，也会产生感应电压，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 5 k v 的绝缘水平，从 而使投资增大。导引线直接传输交流电量，故导引线保护广泛采用差动保护原理， 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。 ( 2 ) 电力线载波通道。这种通道在保护中应用最广。载波保护是纵联保护中 应用最广的一种。载波通道由高压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。高压输电线机械强度大，十分安全可靠。但正是在线 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“相相制，在单相短路接地时高频信号能够传输，但在三相短路 时仍然不能。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。 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 微波通道。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，因而保护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的问题。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 ) 方式可以进一步扩大信息传输量，提高抗干扰能力，也更适合于 数字保护。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， 应当与通信、远动通道等公用，这就要求在设计时把两方面兼顾起来。同时还要考 虑信号衰减的问题。 ( 4 ) 光纤通道。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，可以通过光缆直接将光信号送到对侧，在每半套 保护装置中都将电信号变成光信号送出，又将所接收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那些问题，在经济 上也是可以与导引线保护竞争的。最近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，应与通信、远动等复用。 目前晋中电网纵联保护均采用电力线载波通道传输闭锁式、允许式信号，即通 常所说的高频闭锁式纵联保护、高频允许式纵联保护。 截止2 0 0 4 年1 2 月最新统计，晋中电网高频保护配置情况为：2 9 条2 2 0 k v 线路 保护全部实现微机化、双重化，其中2 2 条线路保护配置双套高频闭锁式纵联保护， 7 条线路保护配置高频闭锁式纵联保护和高频允许式纵联保护各一套。 其中，高频闭锁式纵联保护屏由以下装置组成：南瑞产l f p 一9 0 1 ( 9 0 2 ) 微机线 路保护装置l 台，扬州电讯产y b x 一1 ( k ) 收发信机1 台，l q 一3 0 0 k 打印机1 台，高频 通道为a 相专用。高频允许式纵联保护屏由以下装置组成：南瑞产l f p 一9 0 2 微机线 路保护装置l 台，分相操作箱1 台，扬州电讯产s w t 6 0 0 一f 6 载波接口装置1 台， l q 一3 0 0 k 打印机1 台，高频通道为b 、c 相复用。 从晋中电网历年来高频保护动作正确率统计来看，正确动作率呈现逐年提高的 趋势。研究近年来纵联保护发展，从原理上或软件程序上其实没有非常明显的质的 飞跃，更多的发展体现在硬件集成化、微机化和元器件质量的提高方面。南瑞继保 公司刚刚推出的r c s 一9 0 0 系列微机线路保护装置就是很好的实例，相比l f p 一9 0 0 系 列装置，它的硬件结构、外观、屏显、元件质量有显著提高，但是保护原理、软件 程序、操作菜单的变化却微乎其微，调试过程中很难感受到换代产品带来的视觉冲 击。但纵联保护装置硬件方面的进步，使得过去由于元件损坏造成的保护装置误动、 拒动情况逐年减少。而且近年来继电保护调试人员学历逐年提高，对保护装置原理、 3 华北电力大学工程硕士学位论文 调试随着工作经验的累积也逐渐熟练掌握，继电保护“三误事故逐年减少。 随着纵联保护装置本身原因、人员技术原因等造成的保护装置误动、拒动事故 逐年减少，目前影响纵联保护正确动作率主要因素聚焦在通道的使用上。晋中电网 高频保护使用电力线路载波通道，如果线路故障造成通道故障，对于高频允许式纵 联保护，由于不能收到对侧发送的允许信号，本侧保护则可能拒动；而对于高频闭 锁式保护，对侧区外故障时，如果通道故障，收不到对侧反方向故障闭锁信号，本 侧保护存在误动的可能。 高频通道构成元件较多，阻波器、耦合电容器、结合滤波器等一次设备由于安 装位置特殊，继电保护人员维护、调试存在较多困难，检修人员由于专业分工不同， 技术水平达不到对此类设备的维护，通道上任一元件损坏，都会影响到高频通道的 畅通，影响高频信号传输，容易造成高频保护不正确动作。而气候变化和风、霜、 雪、雷电也会造成高频载波通道传输高频信号衰耗增大，如果衰耗达到一定数值， 造成收发信机灵敏启动电平不能正常启动，也会影响高频保护正确动作。 1 3 光纤纵联保护发展前景 光纤保护目前己在国内部分地区得到较为广泛的使用，对已投入运行的光纤保 护，按原理划分，主要有光纤电流差动保护和光纤闭锁式、允许式纵联保护两种。 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，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。光纤电流 差动保护在继承了电流差动保护优点的同时，以其可靠稳定的光纤传输通道，保证 了传送电流的幅值和相位正确可靠地传送到对侧。时间同步和误码校验问题，是光 纤电流差动保护面临的主要技术问题。在复用通道的光纤保护上，保护与复用装置 时间同步的问题，对于光纤电流差动保护的正确运行起到关键的作用，因此目前光 纤差动电流保护都采用主从方式，以保证时钟的同步；由于目前光纤均采用 6 4 k b i t s 数字通道，电流差动保护通道中既要传送电流的幅值，又要传送时间同步 信号，通道资源紧张，要求数据的误码校验位不能过长，这样就影响了误码校验的 精度。目前部分厂家推出的2 m b i t s 数字接口的光纤电流差动保护，能很好地解决 误码校验精度的问题。 光纤闭锁式、允许式纵联保护是在目前高频闭锁式、允许式纵联保护的基础上 演化而来，以稳定可靠的光纤通道代替高频通道，从而提高保护动作的可靠性。与 光纤电流纵差保护比较，光纤闭锁式、允许式纵联保护不受负荷电流的影响，不受 线路分布电容电流的影响，不受两端t a 特性是否一致的影响。如光纤网络能有效 4 华北电力大学工程硕士学位论文 解决双重化的问题，光纤闭锁式、允许式纵联保护就将逐步代替高频保护，在超高 压电网中得到广泛应用。 从2 0 0 4 年开始，晋中电网开始了电力光纤网络的建设工作。光纤网络架构以 2 2 0 k v 变电站为节点，建设双路径光纤环网。任何两个变电站之间均能实现双光纤 通道自动切换，且具备环网不同路径连接，当传输路径异常或中断后，可采用环网 中另一路径实现光纤信号的正常传输，基本实现了光纤通道双重化。而且站端之间 光缆敷设采用与架空地线复用，可以有效防止受到外力破坏造成的机械损伤，线路 故障时对其传输性能没有影响。光纤通道相对于载波通道具有如下特点：传输质量 高，误码率低：光的频率高，所以频带宽，传输的信息量大；抗干扰能力强，因此， 光纤通道最适合应用于继电保护通道。 随着晋中电网电力光纤网络建设的完成，站端之间具备了使用光纤通道传输允 许式信号条件，为光纤允许式纵联保护在晋中电网的应用创造了条件。 1 4 本文所做的工作 1 ) 分析晋中电网纵联保护和保护通道现状。重点研究高频保护载波通道，发现 其中不足。提出提高晋中电网保护可靠性的措施一用光纤通道代替载波通道。 2 ) 研究设计光纤通道网络的构成及其工作原理，在此基础上提出设备选型的依 据，设计完整的光纤纵联保护的构成方案。 3 ) 对光纤允许式、闭锁式纵联保护的构成原理进行分析，对应用中存在的问题 提出解决方案，提出提高晋中电网保护可靠性的措施。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章晋中电网高频保护的现状分析 2 1 高频保护的工作原理 高频保护是以输电线载波通道作为通信通道的纵联保护。高频保护广泛应用于 高压和超高压输电线路，是比较成熟和完善的一种无时限快速原理保护。其基本原 理是利用输电线路本身构成一高频( 载波) 电流的通道，将线路两端的电流相位( 或 功率方向) 转化为高频信号，将此信号送至对端，进行比较，以区分保护范围内部 和外部的故障。由于它不反应于被保护输电线范围以外的故障，在定值选择上也无 需与下一条线路相配合，故可不带动作延时。 为了实现高频保护，必须解决利用输电线路作为高频通道的问题。利用输电线 路作为传输媒质，具有一定程度的安全性和可靠性，过去是我国电力调度和继电保 护最普遍使用的通道。对继电保护来说分专用和复用通道两种：专用通道一般为闭 锁式，用相一地耦合；复用通道一般为允许式，采用相一相耦合。 利用“导线一一大地”作为高频通道是最经济的方案，因为它只需要在一相线 路上装设构成通道的设备，目前在我国得到了广泛的应用。它的缺点是高频信号的 衰耗和受到的干扰都比较大。 输电线路高频保护所用的载波通道，其简单构成如图2 一l 所示，其构成包括阻 波器、结合电容器、连接滤波器、高频电缆和高频收发信机。 r 茬! ! 翌波器高频阻波器 m 鬲。_ 一r 、卜j 三结合电容；吕 婶懒 连接过： 器 i 拗闸长霁f 气7j zz ：f ：一一一 厂 图2 一l a “相地式高频通道的构成原理 6 闸 华北电力人学工程硕士学位论文 i i 复用载波谚 备复用载波设备 图2 1 b “相一相 式载波通道的构成原理 1 阻波器 阻波器是由一电感线圈与可变电容器并联组成的回路。由其并联后的阻抗z 与 频率的关系可以看出，当并联谐振时，它所呈现的阻抗最大。利用这一特性做成的 阻波器，需使其谐振频率为所用的载波频率。这样，高频信号就被限制在被保护输 电线路的范围以内，而不能穿越到相邻线路上去。但对5 0 周的工频电流而言，阻 波器仅呈现电感线圈的阻抗，数值很小( 约为0 0 4q 左右) ，并不影响它的传输。 2 结合电容器 结合电容器与连接滤过器共同配合，将载波信号传递至输电线路，同时使高频 收发信机与工频高压线路绝缘。由于结合电容器对于工频电流呈现极大的阻抗，故 由它所导致的工频泄漏电流极小。 3 连接滤波器 连接滤波器由一个可调节的空心变压器及连接至高频电缆一侧的电容器组成。 结合电容器与连接滤波器共同组成一个四端网络的“带通滤波器 ，使所需频 带的高频电流能够通过。 带通滤波器从线路一侧看入的阻抗与输电线路的波阻抗( 约为4 0 0q ) 匹配， 而从电缆一侧看入的阻抗，则应与高频电缆的波阻抗( 约为1 0 0q ) 相匹配。这样， 就可以避免高频信号的电磁波在传送过程中发生反射，因而减少高频能量的附加衰 耗。 并联在连接滤波器两侧的接地刀闸6 ，是当检修连接滤波器时，作为结合电容 器的下面一极接地之用。 4 高频电缆 高频电缆采用同轴电缆，早期阻抗为1 0 0q ，近年按通信标准采用7 5q ，一是 7 华北电力人学，r ：程硕十学位论文 减少衰耗，二是减少干扰。 5 高频收、发信机 发信机部分系由继电保护来控制，通常都是在电力系统发生故障时，保护部分 起动之后它才发出信号，但有时也可以采用长期发信故障时停信或改变信号频率的 方式。由发信机发出的信号，通过高频通道送到对端的收信机中，也可为自己的收 信机所接收，高频收信机接收由本端和对端所发送的高频信号，经过比较判断之后， 再动作于继电保护，使之跳闸或将它闭锁。 高频通道的工作方式可以分为经常无高频电流( 即所谓故障时发信) 和经常有 高频电流( 即所谓长期发信) 两种方式。 在这两种工作方式中，以其传送的信号性质为准，又可以分为传送闭锁信号、 允许信号和跳闸信号三种类型。 所谓闭锁信号就是指：“收不到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件”。结 合高频保护的原理来看，就是当外部故障时，由一端的保护发出高频闭锁信号，将 两端的保护闭锁，而当内部故障时，两端均不发因而也收不到闭锁信号，保护即可 动作于跳闸。 所谓允许信号则是指：“收到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件”。因此， 当内部故障时，两端保护应同时向对端发出允许信号，使保护装置能够动作于跳闸。 而当外部故障时，则因近故障点端不发允许信号，故对端保护不能跳闸。近故障点 的一端则因判别故障方向的元件不动作，也不能跳闸。 至于传送跳闸信号的方式，就是指：“收到这种信号是保护动作于跳闸的充分 而必要的条件 。实现这种保护时，实际上是利用装设在每一端的电流速断、距离i 段或零序电流速断等保护，当其保护范围内部故障而动作于跳闸的同时，还向对端 发出跳闸信号，可以不经过其它控制元件而直接使对端的断路器跳闸。采用这种工 作方式时，两端保护的构成比较简单，无需互相配合，但是必须要求每端发送跳闸 信号保护的动作范围小于线路的全长，而两端保护动作范围之和应大于线路的全 长。前者是为了保证动作的选择性，而后者则是为了保证全线上任一点故障的快速 切除。 根据传送的高频信号的性质和保护的原理，在电网中常采用高频闭锁式( 允许 式) 方向( 距离) 保护，而比较两侧电流相位的相差保护很少采用。 高频闭锁式保护这种保护的工作原理是利用非故障线路的一端发出闭锁该线 路两端保护的高频信号，而对于故障线路两端则不需要发出高频信号使保护动作于 跳闸，这样就可以保证在内部故障并伴随有通道的破坏时( 例如通道所在的一相接 地或是断线) ，保护装置仍然能够f 确地动作，这是它的主要优点，也是这种高频 信号工作方式得到广泛应用的主要原因之一。该原理需要灵敏度不同的起信元件和 华北电力大学：程硕士学位论文 停信元件，灵敏度较高得起动元件只用来起动高频收发信机以发出闭锁信号，而灵 敏度较低的起动元件动作后，准备好跳闸的回路。除了高频通道外，影响保护性能 的主要因素是方向元件的选取。 此外，对于这种工作方式，当外部故障时在远离 故障点一端的保护，为了等待对端发来的高频闭锁信号，还必须要求低灵敏度起动 元件带一定的延时，这就降低了整套保护的动作速度。 高频允许式保护在功率方向为正的一端向对端发送允许信号，此时每端的收信 机只能接收对端的信号而不能接收自身的信号。每端的保护必须在方向元件动作， 同时又收到对端的允许信号之后，才能动作于跳闸，显然只有故障线路的保护符合 这个条件。对非故障线路而言，一端是方向元件动作，收不到允许信号，而另一端 是收到了允许信号但方向元件不动作，因此都不能跳闸。当方向元件由距离元件承 担时，其构成方式有2 种：由距离保护i 段动作键控发讯的叫欠范围允许式( p u t t ) ， 由距离保护i i 或i i i 段键控发讯的叫超范围允许式( p o t t ) 。应当指出，以往的成套 距离保护，附加适当的逻辑就构成纵联保护，在微机保护中，由单独的c p u 构成独 立完整的纵联保护。通常采用复用载波机构成允许式保护，一般采用键控移频的方 式。正常运行时，收信机经常收到对端发送的频率为f g 的监频信号，其功率较小， 用以监视高频通道的完好性。当正向区内发生故障时，对端方向元件动作，键控发 信机停发f g 的信号而改发频率为f t 的跳频( 或称移频) 信号，其功率提升，收信 机收到此信号后即允许本端保护跳闸。允许式保护在区内故障时，必须要求收到对 端的信号才能动作，因此就会遇到高频信号通过故障点时衰耗增大的问题，这是它 的一个主要缺点。最严重的情况是区内故障伴随有通道破坏，例如发生三相接地短 路等，造成允许信号衰减过大甚至完全送不过去，并将引起保护的拒动。通常通道 按相一相耦合方式，对于不对称短路，一般信号可能过，只有三相接地短路，难以 通过。 2 2 晋中电网高频保护运行现状分析 截至到2 0 0 4 年，晋中2 9 条2 2 0 k v 线路保护全部实现微机化、双重化，其中2 2 条 线路保护配置双套高频闭锁式纵联保护，7 条线路保护配置高频闭锁式纵联保护和 高频允许式纵联保护各一套。此外，2 2 0 k v 东观变电站采用3 2 接线形式，其7 套高 频允许式保护通道还具备远方跳闸功能，即通过载波通道发送远方跳闸信号，实现 本侧失灵保护动作同时远跳对侧开关的功能。 从应用的继电保护装置来看，各变电站继电保护装置微机化率均超过7 0 ，运 行历史超过十年。其中2 2 0k v 及以上保护微机化率超过9 8 ，且采用双重化配置( 高 频闭锁距离保护、高频闭锁方向保护) 。目前仍在运行的保护型号主要有：南自所 c k f 一1 、c k j l 系列集成线路保护装置，该装置主要和扬州电讯y b x 一1 收发信机配合， o 华北电力大学工程硕士学位论文 构成高频闭锁式方向保护、高频闭锁式距离保护；南自厂w x b 一1 l 微机线路保护装置， 该装置主要和扬州电讯y b x 一1 收发信机配合，构成高频闭锁式距离保护；国电南瑞 l f p 一9 0 l 、l f p 一9 0 2 系列微机线路保护装置，该装置主要和扬州电讯y b x 一1 k 收发信机、 s w t 6 0 0 f 6 载波机配合，构成高频闭锁式方向保护、高频允许式距离保护；南瑞继保 r c s 一9 0 1 、r c s 一9 0 2 系列微机线路保护装置，该装置主要和南瑞自主研发的l f x 一9 1 2 收发信机配合，构成高频闭锁式方向保护、高频闭锁式距离保护。 在高频通道的使用上，晋中电网基本遵循以下原则：高频闭锁式保护采用a 相 专用载波通道；高频闭锁式距离保护和高频允许式距离保护采用b 、c 相耦合的复 用载波通道，复用载波通道除了传输高频保护所需的闭锁信号、允许信号及跳闸信 号，还要传输其它电力信息和数据。根据晋中电网高频通道运行维护管理办法，因 为阻波器、耦合电容器属于传统意义的一次设备，分公司检修工区承担该一次设备 维护工作，但是阻波器导通频率调整测试却没有明确的负责部门。只有出现高频通 道衰耗突然增大，对高频收发信机通道裕度、通道对试造成严重影响时，如果通过 检查试验，排除了收发信机、结合滤波器、高频电缆等二次设备损坏的可能性，才 有可能开展对该相阻波器导通频率测试工作。结合滤波器、高频电缆、差分网络的 维护也有明确分工，a 相专用高频通道设备由保护工区负责维护，b 、c 相复用高频 通道由调度所通信专业负责维护。设备维护单位多、部分设备调试项目不明确等造 成高频通道异常或中断后，对准确确定故障点、及时完成调试维护造成一定的困难。 从晋中电网第一套高频保护投产至今，高频保护整体运行状况基本稳定。山西 电网2 2 0k v 及以上系统高频保护正确动作率见表2 1 。从统计情况可以看出，自 2 0 0 2 年开始，全省高频保护正确动作率开始稳定在9 8 以上，说明山西及晋中电 网2 2 0k v 系统的运行水平有了很大的提高。 表2 1 ：山西电网2 2 0 k v 及以上系统高频保护正确动作率 年份 高频保护套数 动作次数正确次数正确动作率 1 9 9 22 1 23 0 72 9 09 4 9 6 1 9 9 72 7 83 8 83 7 19 5 6 2 19 9 92 9 24 123 9 69 6 1 1 2 0 0 13 124 5 04 3 79 7 0 5 2 0 0 23 2 64 8 84 7 99 8 1 6 2 0 0 33 4 95 0 14 9 4 9 8 6 0 2 0 0 43 8 65 9 95 9 19 8 6 6 l o 华北电力大学工程硕十学位论文 随着微机高频保护投入线路的逐渐增多和事故数量的上升，在运行管理当中， 高频保护暴露出许多缺陷和隐患，导致线路拒动或误动，严重影响了晋中电网的安 全稳定运行。 2 。2 1高频通道问题 高频通道由多个环节组成，任一环节的异常或故障，都会严重影响高频保护的正常 运行。特别是高频阻波器的不正常运行。 高频阻波器串联在电力线路始末两端和分支线的分支点上，用以减少变电站或分支 线对高频信号的分流( 介入衰耗) ，并使通道衰耗均匀，在不影响工频电流通过，保证工 频能量传输的前提下，防止高频信号的外溢。此外，线路阻波器作为高频通道加工设备， 不仅限制变电站一次系统对高频通道的分流影响，减少信号衰耗，同时还隔离变电站开 关操作引起的高频暂态分量，防止他们对高频保护系统形成干扰。 高频阻波器的最主要元件是一个电感线圈和一个可变电容器。其基本原理是： 将电感线圈可变电容器并联后组成一个回路，当并联谐振时，它所呈现的阻抗最大。 为此，当输电线路上的载波频率与其谐振频率相同时，它就对载波信号产生较强的 阻挡作用。在实际应用中，一般是由电感器、电容器及电阻器等依据一定的电路原 理组成的一个带阻滤波器，在某一频率或频段形成高阻抗区( 高频区段) ，以阻止 高频信号通过，而对于5 0 h z 工频电流则呈现极低阻抗。各类阻波器的电路形式的 不同决定了它们具有不同的阻抗频率特性。但归纳起来，高频阻波器均是由强流线 圈l n 、调谐元件t d 和保护元件l a 等并联组成。如图2 2 所示。 图2 2 高频阻波器示意图 强流线圈( 又称主线圈) l n ：强流线圈是线路阻波器的最主要元件，它决定了阻 波器的基本性能。主要作用是通过强大的工频电流，并作为主电感使用。它直接影 响线路阻波器的特性，决定它的阻塞能力。其额定电感量一般为0 1 2 0 m h ，额定 持续电流应大于所串联电路最大工作电流。 调谐元件t d ：调谐元件是构成线路阻波器的辅助元件，主要作用是用来进行回 路调谐，和主电感强流线圈配合，得到所需要的阻抗曲线。线路阻波器调谐方式主 要有单频、双频、宽带和无调谐几种。 华北电力大学工程硕士学位论文 保护元件( 即避雷器) l a ：电力线路上的开关操作，短路、断线等故障及雷击 均会引起前沿陡峭的过电压波，并作用到阻波器上，可能会引起强流线圈的匝间电 弧闪络、调谐电容器的击穿等故障。保护元件主要用于保护线路阻波器在经受瞬时 过电压时不被损坏。 阻波器按其谐调方式可分为单频阻波器、双频阻波器以及随着高频保护和载波 通信的发展得而到较广泛应用的宽带阻波器，此外还有无调谐阻波器。单频阻波器 适用在只有一个工作频率的通道上，因其阻塞频带较窄，在实际运行中容易发生失 调，导致通道的运行性能变坏，甚至因失调而使信号外溢过多，造成通道中断；双 频阻波器可以阻塞两个频率( 或频带) 的信号；宽带阻波器使用于阻塞二个以上的 频率( 或频带) 的信号，按宽带滤波器原理构成的阻波器，由于阻塞频带宽，阻抗 平稳，所以在高频通道频率比较拥挤的电网，得到了广泛的应用，目前国内广泛使 用的也是宽频阻波器，图2 3 为双回路接线的宽频阻波器结构( 其他还有单回路、 三回路、四回路接线方式，本文不再分析) 。 厶 图2 3 双回路接线的宽频阻波器结构图 图中，为强流线圈，。、历、已为调谐元件，尼为负载电阻，p ，和函是避雷器， 丘是保护用辅助线圈。 滤波电路的并联臂和串联臂都调谐到同一谐振频率而，其并联臂的阻抗与串联 臂的阻抗( 不包括电阻尺6 ) 乘积是一常数k ，所以这种滤波电路称为k 式滤波电路， 也称定k 型滤波电路。由于它的参数选择使得其能阻塞某一频带的信号的作用，故 又称带阻滤波电路。如把附加电阻看成一负载，则图2 3 的接线可等效成图2 4 那 样，按其形状称为丁型网络。它是对称的丁型网络的一半，为此这种滤波电路又 称为“半节电路”。 图2 4 宽频阻波器t 型网络等效图 华北电力大学工程硕士学位论文 经对电路的理论分析，得出宽带阻波器的阻抗频率特性如图2 5 多余 、 r 兰! 图2 5宽带阻波器的阻抗频率特性 电阻分量的频率特性由足船= 砌r 6 曲线来表示 电抗分量的频率特性由炀= 砌如曲线来表示 阻抗由l 饧i = ，汐x 尺6 曲线来表示 对于多回路的宽带阻波器来说，它们所有谐振回路的谐振频率都调谐于而， 回路数越多，其频带就越宽。但是调谐回路越多，阻波器的故障形式越是复杂，故 障的可能性也就越多。 阻波器出现故障后，在可能的情况下母线的对地阻抗足够大，母线的介入衰耗 可能不足以影响收发信机的收发信，收发信机收信电平足够高，线路两端的高频保 护装置可以依据此电平做出正确的判断，但是这是缺乏坚实的支撑基础的。这不仅 仅因为母线高频阻抗受运行条件或接线方式的影响，分流损耗随母线工况而改变， 而且，阻波器后边( 保护区外) 相邻线路或母线上发生短路故障的瞬间，母线分流损 耗会剧烈上升。以图2 6 中d 点短路为例，接地故障发生在其他线路出口的近端， 几乎相当于将母线的高频等效阻抗短路。于是母线对高频通道产生的分流损耗将完 全由阻波器损坏后的残余阻抗确定，因而母线的介入衰耗必将随着阻抗的突然降低 而上升。这就是说，在阻波器的反方向出现区外短路故障的关键时刻，也正是对端 需要收到本端发送的闭锁信号之时，本端发出的闭锁信号主要的流通路径却是经由 损坏的阻波器流向母线，流入短路点，这便形成了一种区外短路情况下高频保护装 置误动的可能性。也就是说在阻波器故障后，安装在故障阻波器一侧的高频保护装 置就失去了在反方向故障时闭锁线路对侧高频保护装置的功能。 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 6阻波器故障时系统短路时高频电流的流通路径 从以上分析可知，阻波器的不正常运行，会造成通道高频信号间断、畸变，从而造 成高频保护的拒动或误动。 高频阻波器易受雷电流的侵入，使调谐元件损坏，分流衰耗增大，造成故障时保护 异常动作。这样的事故在电网中时有发生，高频通道衰耗增大原因查找也比较复杂，必 须对通道中各个环节进行检测，在确认高频收发信机、高频电缆和连接滤波器的特性良 好前提下，再对高频阻波器进行检测，因高频阻波器与输电线路相连，且线路两侧都挂 有阻波器，检查起来难度更大、时间更长。 此外，通道上其它设备的异常或故障，也同样会造成高频保护的拒动或误动。 例如，1 9 9 9 年通过对1 9 9 7 年前生产的结合滤波器检查发现，在高频电缆侧的电 容不知什么原因己被取消。该电容器除用于和结合滤波器、高压侧耦合电容器组成 匹配的四端网络，另外还用来阻隔变电站发生故障时地电位升高，避免5 0 h z 工频电 流进入结合滤波器二次线圈，引起磁芯饱和，影响高频信号传送。由于缺少电缆侧 电容器的原因，国内某些电网曾多次发生高频保护区外故障时误动跳闸的事故。为 此，山西电网已于2 0 0 0 年4 月曾召开专题会议，会上做出反措：即将结合滤波器加 装电缆侧电容器或将结合滤波器更换为新型的儿一4 0 0 一b 8 z ，并要求全省各局严格 执行反措。到目前晋中电网已全部按反措改造，并且效果明显。 从晋中电网高频保护维护情况来看，从事继电保护的人员普遍存在一种“重保 护、轻通道”的观念，许多继保人员在通道测试时经常缺、漏项，个别人员在定检 测试时对高频通道仅做远方启信检查，高频加工设备的各项测试根本未做，使得一 些通道上的缺陷长期不能被发现。可事实上，高频通道运行状态的好坏直接关系到 高频保护动作的正确性。高频通道由于气候原因或外力破坏，造成传输衰耗增大或 通道中断，当发生区外故障时如果闭锁信号不能正确传输，将引起高频闭锁式保护 误动；同样道理，当发生区内故障时，如果允许信号不能正确传输，将引起高频允 许式保护拒动。 2 2 2p t 多点接地引起拒动 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 p t 多点接地对高频保护造成影响是由于间隙击穿电压未按照部颁反措所规定 的3 0 i 。进行设计而引起的。由于故障时间隙击穿造成p t 多点接地，使电压回路电压 发生畸变，3 工。和3u 。方向判断出错致使高频保护区外故障时发生反向误动，保护区 内发生故障时保护拒动。 如p t 二次回路中性点在主控室一点接地，由于不同的原因造成开关场也接地， 由于主控室与开关场地电位不等，使得开关场至主控室的中性线将通过电流，形成 两点地电位差的分压线。当发生故障时，保护测量到的零序电压附加了中性线的压 差，造成3u 0 相位发生偏移，严重时影响零序功率方向判别，造成保护拒动或误 动。 2 2 3收信裕量整定过大造成误动 按照继电保护规程规定，在正常运行状态下，高频保护收信裕量不应低于l n p ( 8 6 8 6 d b ) 。收信裕量主要影响接收灵敏度，收信裕量过低，则信号因通道的衰 耗而减弱，造成接收信号出现间断；收信裕量过高，使收发信机接收端放大器处于 饱和，造成信号畸变。收信裕量不低于1 n p ( 8 6 8 6 d b ) 为现场多年运行的经验值。 广大继保人员对此规定都非常重视，收信裕量一般都设定得比8 6 8 6 d b 高很多。 但对于线路长度较短的线路来说，过高的收信裕量更容易造成功率倒灌或自激问 题，使反方向的收发信机不能发连续信号或发信有缺口，从而造成保护误动。因此 继电保护人员在做高频保护通道对调时，应按规程严格执行。一般先整定发信功率， 对于线路长度较短或收发信机发信频率f 。较小的线路，由于其线路衰耗较小，发信 功率一般可整定为1 0 w ( 相当于绝对功率电平4 0 d b m ) ；而对于线路长度较长或收发 信机发信频率f 。较高或易遭遇大雾、结冰的线路，发信功率一般可整定为2 0 w ( 相当 于绝对功率电平4 3 d b m ) 或稍大。然后检查收信电平，当大于l o d b 时，就需投入衰 耗，以降低收信裕量，并将收信裕量控制在1 2 1 5 d b 之间。 2 2 4元件质量问题 近几年来，造成微机高频保护不正确动作的原因以高频保护装置及收发信机元 件的质量问题较为突出。如s f 一5 0 0 型收发信机使用的早期逆变电源，在直流电压 降低到1 4 0 v 以下或消失后无输出，但直流电压恢复到2 2 0 v 以上时，仍不能自动恢复 供电。在各型高频保护及收发信机中还存在一些虚焊、二次回路接线错误和插件接 触不良的问题，也曾出现过保护装置开关量输入光电耦合损坏、y b x 型收发信机功 放元件损坏和线路滤波器插件中电容c 们被击穿，引起高频保护拒动的情况。另外每 年还有多次原因不明的线路保护不正确动作情况出现，这中间也不排除产品质量不 佳的原因。 2 0 0 1 年6 月2 2 日，2 2 0 k v 榆次变电站2 2 0 k v 小榆线小店侧开关高频保护动作跳闸， ls 华北电力入学1 ：程硕士学位论文 榆次侧2 2 3 开关保护无任何保护动作信号，故障录波器也未启动。经检查2 2 3 开关与 c k f l 保护配合的y b x 一1 收发信机电源插件中b g l 2 管特性不良，b 2 变压器输入端电压 时高时低，造成小榆线区外故障时虽然c k f l 集成保护判断为反方向故障，并启动 本侧y b x 一1 收发信机发闭锁信号，但由于电源故障，y b x 一1 收发信机没有发出闭锁对 侧保护的信号，造成对侧高频保护误动。 2 2 5 外界干扰问题 高频保护是易受外界干扰并造成误动的一种保护。对高频保护装置产生危害较 为严重的主要是外部干扰：变电站开关动作、刀闸拉弧、高压线路放电、其它设备 继电器动作、输电线路或主设备故障、交流及直流回路内设备的操作、现场操作人 员的移动通信及大气雷电等。当未采取抗干扰措施或采用的抗干扰措施有问题时 ( 如高频电缆未两端接地或单端接地、未铺放微机保护专用接地铜排等) ，这些干 扰信号将会作用在通道或保护装置上，使得高频收发信机在区外故障时，正方向所 收闭锁信号间断，引起高频保护误动。 按照静态和集成电路保护运行规程及部颁反措规定，对微机保护和高 频通道必须采取必要的抗干扰措施。但有些单位由于种种原因未能完全贯彻落实 “反措”，使本不应该发生的事故继续重演。 2 0 0 0 年4 月，2 2 0 k vw 2 线发生b 相接地故障，w 1 线路f 侧w x h 一1 1 b 型微机高 频闭锁保护误动调闸。使用y b x l ( k ) 型收发信机，观察t 变电站侧录波图，故障 开始有4 m s 干扰信号，经1 0 m s 后有1 0 m s 宽的高频信号，直到2 0 0 m s 后t 变电站侧 收发信机才发信，其一次系统如图2 7 所示。 fts 图2 72 2 0 k vw 2 线路b 相故障一次系统接线图 经现场调查，w 1 线路t 变电站侧高频电缆没有接地，在w 2 线路发生故障时， 产生干扰信号，使w 1 线路t 变电站侧收发信机的“其它保护和位置停信 开关量 动作，收发信机不能立即发信，造成对侧高频保护误动跳闸。此事故通过拉合旁母 隔离开关模拟干扰得到证实。 2 2 6调试不良