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毕毕 业业 设设 计计 论文论文 系别电力工程系 专业班级电气 07K7 学生姓名杜旭 指导教师李婷 二二 一一年六月一一年六月 题目超高压线路保护按相补偿 方法的研究 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 I 超高压线路保护按相补偿方法的研究 摘要 随着电力系统西电东送 全国联网 特高压输电等工程的建设 大量的超高压线路在 电网中运行 为了保证互联电网的安全稳定运行 对适应系统要求的超高压线路保护的性 能提出了更高要求 本论文从设计和实现一套高性能的超高压线路保护装置这一角度出 发 围绕线路保护的几个关键技术问题展开详细研究 论文的主要内容有 1 首次提出按相补偿的接线方式 对于距离保护而言 接线方式对保护性能有着重要影 响 现有的引入零序电流补偿的单相阻抗继电器接线方式在出口单相故障以及区内外转换 性故障时 非故障相阻抗继电器可能会误动 新的按相补偿接线方式既保证了故障相阻抗 测量的准确性 又最大程度地避免了非故障相阻抗继电器误动 同时 阻抗继电器自身也 具备了良好的选相能力 2 提出分别适用于单回线以及同杆并架双回线的阻抗选相方案 选相元件存在的主要问 题是稳态量选相的准确性不够理想 早期的阻抗选相因为实现手段的限制存在一些不足 微机保护中可以不局限于原有的阻抗选相思路 在深入分析故障情况下单相以及相间阻抗 之间的幅值 相位关系基础上 提出了新的阻抗选相方案 为实现稳态量选相提供了一种 新的解决思路 关键词 超高压线路 继电保护 按相补偿 阻抗选相 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 II STUDY ON ULTRAHIGH VOLAGE TRANSMISSION LINE PROTECTION UNDER PHASE COMPENSATION METHOD Abstract Along with the power system development such as power transmitted form west china to east China power grid interlink project ultra high voltage transmission large numbers of EHV transmission line has been commissioned in China In order to keep the stability of the power system the higher demand of the characteristics of high voltage transmission line protection has been put forward TKs dissertation mainly concerns about the study of how to research and development all EHV transmission line protection with high performance The significant achievements are as follows 1 How to measure the impedance with voltage and current at relay location is the fundamental question to distance relay In order to accurately measure the impedance the residual current for impedance measurement in ground distance relay is compensated in a fixed way It has been shown that the above compensation manner may have negative impact on the phase selection in Mho elements in a single pole trip scheme Anew residual current compensation method based on the current magnitude of each phase for Mho elements is presented in this paper 2 How to get the correct phase selection result is still a difficult question for the backup protection of the transmission line protection The main problem for phase selector is that the performance of the phase selector based on steady component is not satisfying Anew method for phase selection based on impedance in microprocessor based protective relay is presented in this paper New scheme has been put forward for me single line and double circuit line Key Words EHV transmission line Protective relay Adaptive residual current compensation Phase selection 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 目录 摘要 I Abstract II 1 绪论 1 1 1 超高压线路保护的现状及发展 1 1 1 1 线路保护的发展历程 1 1 1 2 超高压线路保护新原理的发展 2 1 1 3 超高压线路保护的发展趋势 2 1 2 本论文的主要工作 3 2 超高压输电线路在各种故障下电气量的特点 4 2 1 引言 4 2 2 短路故障时各电气量的特点 4 2 3 断线故障时各电气量的特点 5 2 4 结论 6 3 适用于超高压输电线路距离继电器按相补偿的接线方式 7 3 1 引言 7 3 2对接线方式进行分析 7 3 2 1 单相接地故障 7 3 2 2 两相接地故障 8 3 2 3 相间故障 10 3 3 结论 10 4 分别适用于单回线以及同杆并架双回线的阻抗选相方案 11 4 1 引言 11 4 2 单回线阻抗选相方法 11 4 2 1 传统阻抗选相方法 11 4 2 2 新型阻抗选相方法 12 4 2 3 新型选相方案说明 18 4 2 4 仿真验证 18 4 3 同杆并架双回线阻抗选相方法 19 4 3 1 跨线故障下对选相及阻抗测量元件的性能要求 19 4 3 2 新型阻抗选相方法 20 4 3 3 新型选相方案说明 22 4 3 4 仿真验证 23 4 4 结论 23 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 5 结论 25 参考文献 26 致谢 27 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 1 1 绪论 随着电网规模越来越庞大 电压等级越来越高 如何有效 安全 可靠地提高输送能力 是我国电网日益面临的问题 近年来美国 欧洲等相继发生的大停电事故 波及范围之大前 所未有 这充分说明了寻求安全 可靠的电网保护控制措施是当前电力系统安全稳定运行的 一个重要课题 继电保护作为电网安全稳定运行的第一屏障 始终承担着无可替代的作用 继电保护科学和技术是随电力系统的发展而发展起来的 电力系统发生短路是不可避 免的 伴随着短路电流增大 为避免发电机被烧坏 最早采用熔断器串联于供电线路来保 护发电机 这种保护方式 由于简单 时至今日扔广泛应用于低压线路和用电设备 由于 电力系统的发展 用电设备的功率 发电机的容量增大 电力网的接线日益复杂 熔断器 已不能满足选择性和快速性的要求 于 1980 年后出现了直接装于断路器上反应一次电流 的电磁型过电继电器 19 世纪初 继电器才广泛用于电力系统的保护 被认为是继电保护 技术的开端 1 1 超高压线路保护的现状及发展 1 1 1 线路保护的发展历程 随着电力系统的出现 继电保护技术就相伴而生 在十九世纪末已开始利用熔断器防 止在发生短路时损坏设备 建立了过电流保护原理 1901年第一台感应式过电流继电器问 世 1908年研制出电流差动保护 自1910年起开始采用方向性电流保护 1920年初制成了 距离保护 1927年开始了快速动作的高频保护的研究 由此可见 从继电保护的基本原理 看 到本世纪20年代末现在普遍应用的继电保护原理基本上都已建立 但它总是根据电力 系统发展的需要 不断从相关学科取得最新成果中吸收营养 发展和完善自身 继电保护 最早使用的是机电型继电器 随着半导体器件的产生 人们将其用于保护装置 构成了整 流型保护继电器 使维修工作大为减轻 晶体管的出现 带动了静态型继电器的研制 微 电子学的飞速发展 大规模集成电路的产生 使分立单元的晶体管逐渐为集成电路保护所 取代 成为第二代静态型继电器 数字计算机和微处理器的出现则为继电保护数字化开辟 了美好的前景 微机型继电保护产品逐渐成为无可置疑的首选产品 近百年来继电保护发 展的飞跃亦是随着构成保护器件的升级而出现的 第一次飞跃是由机电式到半导体式 主 要体现在无触点化 小型化 低功耗 第二次飞跃是由半导体式到微机型 主要体现在数 字化 智能化 显然 第一次飞跃只是在提高保护装置的硬件可靠性和经济性 方便性等 方面有质变 而第二次飞跃则是具有更为重要的意义 因为它不仅是提高了保护装置的性 能 更重要的是为保护的原理和功能产生质的变化提供了可能性 计算机在继电保护领域的发展是继电保护发展历史上的一个里程碑 在微机保护的发 展过程中 相关的继电保护研究人员为微机保护的实用化做出了巨大的贡献 1965年英国 剑桥大学的P G Mclaren等人率先提出利用采样技术实现输电线路的距离保护 随后 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 2 1966年澳大利亚南威尔士大学的I F Morrison预测了输电线和变电站采用计算机控制的 前景 接着他们继续进一步研究了微机保护的理论基础 主要研究集中在微机保护的各种 算法 1969年 美国西屋公司的G D Rockefeller在文章中论述了用一个计算机保护EHV变电 站及其出线的可行性 并于1972年发表了装置的试运行样机的原理 结构和现场运行结果 这是一套比较完整的用于现场的计算机继电保护样机 它具备了微机保护的基本组成部 分 国内的微机保护研究工作起步较晚 但进展却比较迅速 1984年华北电力学院杨奇逊 教授研制的国内第一套微机距离保护样机在河北马头电厂试运行后 1986年杨奇逊教授研 制成功国内第一套微机高压线路保护装置 并在系统中获得实际应用 为微机保护的推广 开辟了道路 揭开了我国继电保护发展史上新的一页 进入90年代 硬件水平的迅猛提高 使得实时 复杂的信号处理成为可能 随着信号处理手段 智能技术的发展 利用DSP提 取信号特征以及保护功能的综合优化与智能化成为保护发展的中心 保护的构成方式与原 理在一定程度上得到了长足发展 继电保护发展到今天 从国内外继电保护技术发展来看 计算机化 网络化 保护 控制 测量 数据通信一体化和人工智能化已经成为继电保护 的发展趋势 这对继电保护研究人员提出了艰巨的任务 同时也开辟了广阔的活动天地 1 1 2 超高压线路保护新原理的发展 保护新原理的研究对提高继电保护水平具有根本性的意义 在微机保护形成与发展的 历史中 保护的各种新原理不断涌现 其中具有代表性的是故障分量原理保护得到广泛认 同 并取得良好的运行效果 故障信息及故障特征的提取 处理和利用一直是继电保护技 术发展的基础和关键 三十年代以来 在继电保护技术中广泛而成功地应用了故障时出现 的负序和零序分量来构成保护装置 五十年代以来 开展了暂态分量用于保护的研究 开 辟了继电保护技术中利用故障信息的新途径 微机保护的出现为识别和获取故障信息创造 了前所未有的有利条件 充分利用微机的运算能力 记忆能力 分析能力不断发掘和利用 新的故障信息对继电保护技术的进一步发展具有十分重要的意义 1 1 3 超高压线路保护的发展趋势 基于基尔霍夫定律的电流差动保护原理 对于电力系统继电保护来说 是最为理想的 一种判据 但实际上由于电力系统通信条件的限制 限制了电流差动保护原理在高压线路 保护中的应用 从70年代开始 人们试图寻找具有真正通信能力的通信方式来传输远方的 电气量信息 以构成电流差动线路保护 随着微机保护和数字通信技术的迅速发展及应用 日本于70年代中期研制了采用脉冲调制 PCM 方式的数字式微波电流纵差保护装置 我国 也较早开始了输电线路的微波电流纵差保护的研究 随着光纤技术的出现 继电保护又迅 速前进了一步 80年代初 日本Kansai电力公司和Mitsubishi电气公司合作研制了采用光纤 传输数据的PCM数字式电流纵差保护 此后 东芝 日立公司 GEC公司 ABB公司以及 国内的二次设备厂家相继推出了光纤电流纵差保护 目前 在通信条件允许的条件下 光 纤纵差保护正在成为我国超高压线路的首选主保护 纵联保护是线路保护的主保护 它借 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 3 助于通道交换线路两侧的故障信息 以判断故障是否位于保护范围内 对于利用通道传送 逻辑信息的命令式纵联保护 现在应用较广的通道类型是电力线载波 载波通道抗干扰能 力差 易受线路故障影响 是保护不正确动作的原因之一 近几年 光纤通信在电力系统 得以广泛应用 在数字通信发达的今天 可以直接利用数字通道 采用异步通信的方式直 接传送和接收保护逻辑命令 这种通信方式与传统的载波通信相比 具有可靠性高 数据 量大 通信时间短等优点 由此可见 通信技术的发展为线路保护性能的不断改善提供了 条件 1 2 本论文的主要工作 本文以超高压线路保护相关问题为研究内容 在总结前人研究成果的基础上 主要做 了以下工作 首先 回顾了线路保护方法的发展历程 论述了超高压线路保护的发展现状和发展趋 势 并提出了本文的主要工作 目前对于超高压线路保护的研究有两个主要方向 其一是从理论研究角度出发 从过 去的行波保护 到目前的无通道保护 对利用故障的暂态高频分量的时 频域特征来区分 区内外故障进行理论和实践上的探索 对保护进行革命性的改变 其二是从实用角度出发 对传统的基于工频分量的保护进行进一步的探索 结合具体保护装置的研制 针对保护在 试验 运行中出现的问题 解决现有的工频量保护存在的问题 进一步完善现有保护的性 能 前者在理论上目前已经有所突破 但真正构成能够实用化的保护装置 实现工程应用 还有一段路要走 后者的动力来源于对超高压 特高压线路保护性能的实际要求 本文所 做的工作属于后者 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 4 2 超高压输电线路在各种故障下电气量的特点 2 1 引言 超高压输电线路的任务是将远距离符合中心的大容量水电站或煤炭产地的坑口火电 站的巨大电功率送至负荷中心 或作为大电力系统间的联络线 担负功率交换的任务 因 此 对于超高压输电线路的各种故障分析以便提高长距离输电线的传输能力 以提高并联 运行的电力系统的稳定性 是一个极为重要的问题 长距离输电线的短路过程和中短距离线路比较 有显著的特点 1 长距离输电线电感对电阻的比值大 时间常数大 短路时产生的电流电压自由分 量衰减较慢 2 串联电容和线路的及系统的电感或并联电抗等谐振将产生数值较大的 频率低于 工频的低频分量 由于其数值大 频率和工频接近 故对电流的波形和相位都将造成严重 的畸变 3 由于分布电容大 因而分布电容和系统以及线路电感谐振产生的高频分量很多 数值很大 对电流的相位和波形也将产生影响 高频分量和低频分量扰乱了严格按工频设 计的对称分量过滤器的正常工作 因而对利用对称分量的几点保护装置的正确工作有严重 的影响 因此 我们必须了解超高压输电线路各种故障的分析 高压输电线路的运行过程中 时常会发生故障 有短路故障 断线故障 复杂故障等 在正常运行时 除中性点外 相与相或相与地之间是绝缘的 超高压输电线路的运行 经验表明 单相接地短路占大多数 三相短路时三相回路依旧是对称的 故称为对称短路 其他几种短路均使三相回路不对称 故称为不对称短路 电力系统纵向不对称故障一般是 指一相或两相断开的非全相运行状态 超高压输电线路在两处或两处以上地点同时发生短 路和短线故障 称为电力系统复故障或多重故障 对于本论文工作 我们只介绍短路故障 和断线故障下各电气量的特点 2 2 短路故障时各电气量的特点 根据参考文献 在文献中已经给出了结论 因此分析过程省略 直接给出结论 1 如果 0 Z 1 Z 当电力系统发生短路 非故障相电压不会发生变化 如果 0 Z 1 Z 非故障相电压将发生变化 变化大小与 0 Z 1 Z有关 2 如果0mC 1mC 当电力系统发生短路时 非故障相电流不会发生变化 如果 0mC 1mC 非故障相电流将发生变化 变化大小与0mC 1mC有关 3 两相短路电流 2 I小于三相短路电流 3 I 并且有 3 2 3 2 II 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 5 4 单相短路电流 1 I与三相短路电流 3 I之间的关系 假设 01mm CC 令 10 ZZK 分析表明 当 K 0 时 3 1 5 1II 当 K 1 时 3 1 II 当 K 时 0 1 I 当 K1 时 单相短路电流小于三相短路 电流 5 两相接地短路时的故障电流 1 1 I与三相短路电流 3 I之间的关系 当 K 0 时 1 1 I 3 3I 当 K 1 时 3 1 1 II 当 K 时 3 1 1 2 3 II 当 K1 时 两相接地短 路时的故障相电流小于三相短路电流 6 两相接地短路零序电流 1 1 0 I与单相接地短路零序电流 1 0 I之间的关系 当 K 当 K 1 时 1 0 1 1 0 II 当 K 1 时 1 0 1 1 0 II 特别是当 K 0 时 3 1 1 0 3 1 0 33 5 13IIII 2 3 断线故障时各电气量的特点 1 单相断线 以 A 相断线说明 当 10 ZZ时 非故障相电流不会变化 否则 非故障相电流将变大或者变小 由于线 路的零序阻抗是正序阻抗的 3 5 倍 线路的阻抗一般都大于系统阻抗 所以高压电力系统 发生单相断线故障时 非故障相电流一般是减小 但是 在单电源供电馈线或者一侧为小 电源电力系统 有可能 K1 的情况下工作 所以电力系统发生两相断 线时 非故障相电流一般是变小 故障前负荷电流愈小 发生两相断线对电力系统的影响愈小 反之 愈大 2 4 结论 对于这章节的内容 大多数都是直接引用文献上的资料 本论文的工作对于这章节的 内容只是一个开篇和了解 对于下面的工作展开做一个铺垫 我们了解了超高压线路发生 故障时的电气量的特点 对于下面分析按相补偿方法的研究给了一个前提 让我们更直观 的去了解超高压线路保护的措施 以利于减少事故几率 大大提高了安全性能 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 7 3 适用于超高压输电线路距离继电器按相补偿的接线方式 3 1 引言 距离保护在高压及超高压输电线上获得最广泛的应用 距离继电器是距离保护的主要 测量元件 应满足以下基本要求 1 在被保护线路上发生直接短路时继电器的测量阻抗应正比于母线与短路点间的距 离 2 在正方向区外短路时不应超越动作 超越有暂态超越和稳态超越两种 暂态超越 是由短路的暂态分量引起的 继电器仅短时动作 一旦暂态分量衰减继电器就返回 稳态 超越是由短路处得过渡电阻引起的 3 应有明确的方向性 正方向出口短路时无死区 反方向短路时不应误动作 4 在区内经大过渡电阻短路时应仍能灵敏地动作 又称动作特性能覆盖大过渡电 阻 但这主要是接地距离继电器要考虑的问题 5 在最小负荷阻抗下不动作 6 不受系统振荡的影响 为了保护 Y d 界限变压器后面的相间短路 距离继电器应按 I U 接线 1 3 2对接线方式进行分析 3 2 1 单相接地故障 以 1 A K为例 在保护安装处 有 002211021KKKA ICICICIIII 002211 2 021 2 KKKB ICIaCICaIaIIaI 3 1 0022 2 1102 2 1KKKC ICICaIaCIIaIaI 其中 CBA III 为保护安装地点的三相测量电流 021 III 为保护安装地点的测量电流序分量 021KKKIII 为故障支路的电流序分量 021 CCC 为保护安装地点的序分量分配系数 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 8 A相接地时 A相为特殊相 故障支路存在021KKKIII 于是 010 010 001 2 KC KB KA ICCI ICCI ICCI 3 2 由于A相的故障电流分量最大 所以 cB A AA A mm I I I I m 1 max 3 3 其中 max I 是相电流幅值最大值 对于单相经过渡电阻接地的情况 由于过渡电阻的存在 不影响021KKKIII 序分量 的相对关系 也不影响电流分配系数 因此 过渡电阻影响的只是序分量的大小 而对补 偿系数没有影响 01 CC与大小差别不是很大按相补偿的效果较明显 当 01 CC 时 0 cB mm按相补 偿接线方式效果最好 在弱馈情况下 有0 1 C 此时1 cB mm 按相补偿接线方式与 原补偿接线方式一样 按 I U 接线 3 2 2 两相接地故障 以 1 1 BC K为例 BC两相接地时 A相为特殊相 故障支路存在0021 KKKIII 并且 有 1 20 2 0 1 20 0 2 KK KK I ZZ Z I I ZZ Z I 3 4 其中 02 ZZ 为负序 零序综合阻抗 于是 010002211KKKKA ICCICICICI 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 9 002211 2 KKKB ICIaCICaI 0 0 2 0 2 1 0 0 2 0 1 2 20 1 2 0 0 2 0 2 2 20 1 2 3K K K IC Z Z jaC IC Z Z aC Z ZZ Ca IC Z Z aC Z ZZ Ca 0022 2 11KKKB ICICaIaCI 3 5 0 0 2 0 2 1 0 0 2 0 1 2 2 20 1 0 0 2 0 2 2 2 20 1 3K K K IC Z Z jaC IC Z Z Ca Z ZZ aC IC Z Z Ca Z ZZ aC 金属性短路时 无论 2 0 Z Z 为任何值 均有 133 2 0 2 2 0 2 Z Z ja Z Z ja 3 6 所以 1 3 3 1 0 2 2 1 0 2 0 2 1 0 C Z Z jaC C Z Z jaC I I m I I m I I m B C C B B B B A A 3 7 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 10 因此 对于大部分情况 01 CC与差别不是很大 因此 按相补偿的效果较明显 当 01 CC 时 0 A m 按相补偿接线效果最好 在弱馈情况下 有0 1 C 此时 1 A m接线方式 与原接线方式一样 3 2 3 相间故障 以 2 BC K为例 对于相间故障 不存在零序电流 所以上述按相补偿接线方式不影响其 动作特性 具体分析不在此作出 3 3 结论 针对原有的阻抗测量方法中 零序电流补偿接线方式对于非故障相距离继电器带来的 不利影响 本文提出一种新的按相补偿方法 新方法中实现了零序电流的自适应补偿 分 析了以上补偿接线方式在各种故障情况下对阻抗测量结果的影响 以距离继电器为例 分 析了按相补偿方法的应用 理论分析表明 采用以上按相补偿方法 明显改善了距离继电 器性能 解决了其在大电源出口单相故障以及正反向复故障可能会误跳三相的缺点 以上 基于按相补偿方法的阻抗测量 同样可以应用于线路保护阻抗选相等其它方面 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 11 4 分别适用于单回线以及同杆并架双回线的阻抗选相方案 4 1 引言 220kV及以上电压等级中 为了提高系统的暂态稳定性 单相重合闸得到广泛应用 因此要求保护能够正确选相 现有的保护中 故障选相通常由突变量选相和稳态量选相等 方法组成 故障初期 突变量选相结果灵敏度高且简单可靠 后期 因为可能存在开关动 作导致系统网络结构变化以及突变量的提取存在问题等原因 导致突变量选相结果不可 靠 此时的选相结果以稳态量选相为准 现在广为应用的稳态量选相是反应正序故障分量 电流 电压 和负序电流 电压 相位差 负序和零序电流 电压 相位差的序分量选相元件 序分量选相元件的关键在于区位的划分 提出利用零 负序电流分区结果与正序电流突变 量和负序电流分区结果相结合 同时利用序分量电流的大小关系进行选相 3 同样利用零 负序分区结果与正序电流突变量和负序电流分区结果 对于区位的划分进行了模糊化处 理 电流序分量选相的优点在于受过渡电阻影响小 且不受负荷分量的影响 缺点在于对 于正序故障分量电流和负序电流相位差选相 在正 反向故障中可能会误选相 另外 对 于弱馈侧 因为正序 负序电流分量很小 此时基于其相位进行选相已经不可靠 对于长 线路末端经高阻接地情况 利用电流进行选相也可能存在问题 为了反应以上故障情况 现有的稳态量选相实际上是多种选相判据的综合 利用不同的选相判据反应不同的故障 以上方法带来的问题在于 整个稳态量选相比较复杂 且如何进行判据之间的切换也比较 困难 因此对稳态量选相方法有必要进行进一步研究 4 2 单回线阻抗选相方法 4 2 1 传统阻抗选相方法 故障情况下 故障相通常电压降低 电流增大 测量阻抗减小 与此电气量的变化规 律相对应 提出了利用电压 电流 阻抗进行选相的方法 就灵敏度而言 因为测量阻抗 的变化既反应电压降低又反应电流增大 所以其灵敏度较高 传统的利用三个单相阻抗继 电器进行选相的方法存在以下问题 发生高阻接地尤其是长线路末端经高阻接地故障时 故障相测量阻抗可能在其动作特性圆以外 单相经过渡电阻短路接地时 由于对侧电源的 助增作用 线路两侧的阻抗选相元件可能出现相继动作现象 在两相接地时 同一侧两个 选相元件也可能发生相继动作 同时为了保证阻抗选相的灵敏度 其阻抗整定值较大 当 整定阻抗比较大 如果电流采用零序电流补偿 且继电器的动作特性采用偏移特性时 那 么非故障相阻抗继电器可能会误动 上述问题的存在影响了传统阻抗选相方法的应用 现 有的稳态量选相方法更侧重于利用序分量进行分区选相 而仅将阻抗作为序分量选相方法 的补充判据 阻抗选相存在上述问题的原因在于 以往的阻抗选相因为实现手段的限制没有充分利 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 12 用测量阻抗中所包含的故障信息 例如模拟式保护无法测量短路点到保护安装处的阻抗 值 只能利用保护安装处的电压电流来判断阻抗继电器的动作方程满足与否来间接实现阻 抗测量 同样原因 传统保护中也无法进行三个单相测量阻抗幅值大小的比较 只能利用 故障相的阻抗继电器动作 非故障相阻抗继电器不动作来选出故障相 微机保护的应用为 保护设计思想带来了革命性的创新 某些在模拟式保护中不够完善的原理 一旦能够通过 计算机强大的记忆和计算功能辅以合适的改进手段 其性能可望达到甚至超过目前最好的 保护运行水平 在这些方面进行一些探讨 应该也是提高继电保护理论和运行水平的一条 行之有效的途径 阻抗选相方法性能不完善 并非因为其原理上的缺陷 而更主要的原因 在于实现手段上的限制 实际上 故障后三个相间测量阻抗 三个单相测量阻抗中蕴含着 丰富的故障信息 微机保护因为强大的计算能力以及逻辑判断能力 可以不局限于传统的 阻抗选相实现方法 为利用阻抗进行选相提供了新的可能 新型阻抗选相方法主要考虑利用以下信息 故障前负荷状态下继电器测量阻抗 故障 后测量阻抗以及测量阻抗相对于负荷状态继电器测量阻抗的幅值变化量 三个单相测量阻 抗之间的相位关系等 4 2 2 新型阻抗选相方法 为了利用阻抗进行选相 有必要分析各种故障情况下 阻抗幅值和相位之间的特点 为了简化分析 以下分析当中认为故障前的负荷电流均为零 即故障前系统空载 三相故 障如图4 l所示 fc I fb I fa I A C B 图4 1 三相故障 fLf M f L R C pZR I I pZZ 1 4 1 其中 Z为阻抗继电器测量阻抗 P为短路点到保护安装处占线路全长的百分比 L Z为线路阻抗 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 13 f R为过渡电阻 MfIIC 为流过保护的电流与流过过渡电阻上的电流之比 三相故障 测量阻抗的特点是 相间以及单相阻抗都相等 两相经过渡电阻短路 如图4 2所示 fc I fb I A C B 0 fa I f R f R f R 图4 2 两相故障 JA Z 4 2 o f o LJB RZ C pZZ30290 3 1 2 1 4 3 o f o LJC RZ C pZZ30290 3 1 2 1 4 4 o f o LJAB RZ C pZZ602903 1 2 1 4 5 fLJBC R C pZZ 1 1 4 6 o f o LJCA RZ C pZZ602903 1 2 1 4 7 相间故障测量阻抗的特点 对于单相阻抗 非故障相 单相阻抗同故障前负荷阻抗变 化很小 两个故障相 故障相阻抗幅值相差不大 且幅值都要大于实际的故障点到保护安 装处线路阻抗 对于相间阻抗 故障相间阻抗最小 为实际故障点到保护安装处的线路阻 抗 另外两个相问阻抗 幅值上二者相差不大 单相经过渡电阻短路对于单相接地 如图4 3所示 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 14 A C B f R f R f R fa I 0 fb I0 fc I 图4 3 单相故障 fLJA R C pZZ 3 4 8 o f oo LJB RZZ C pZZ120315090 3 02 4 9 o f oo LJC RZZ C pZZ120315090 3 02 4 10 o f oo LJAB RZZ C pZZ3033090 3 1 02 1 4 11 LJBC pZZ 4 12 o f oo LJCA RZZ C pZZ3033090 3 1 02 1 4 13 其中 0 Z为系统对故障点综合零序阻抗 0 C为零序电流分配系数 k为零序电流补偿系数 10 10 2231ccKcckC 10 10 31ccKcckC 1 0 31 Z Z KK 单相故障测量阻抗的特点 单相阻抗 故障相测量阻抗为实际的故障点到保护安装处 线路阻抗 非故障相阻抗 不考虑过渡电阻时 非故障相阻抗幅值相等 考虑过渡电阻 超前相阻抗幅值可能会大于滞后相 相间阻抗 不含故障相的相间阻抗 同故障前负荷阻 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 15 抗变化很小 不考虑过渡电阻 含故障相的两个相间阻抗幅值相等 考虑过渡电阻 则包 含非故障相相位滞后相相间阻抗幅值要稍大一些 两相经过渡电阻接地短路 如图4 4所示 A C B f R f R fb I fc I 0 R 图4 4 两相接地故障 0 23CRRZpZZ gfLJA 4 14 fgff ffffg LJB RZcKRRZaaRZaC RaZRaZRaaZRaR pZZ 2 0 0 2 2 1 22 2 2 0 2 2 2 3 313 4 15 fgff ffffg LJC RZcKRRZaaRZaC RaZRaZRaaZRaR pZZ 2 0 0 2 2 1 2 20 2 2 3 313 4 16 2 2 0 2 1 2 2 0 2 2 13 13213 ZRaRRZaaC RZRaZRRRaZ pZZ fgf fffgf LJAB 4 17 1 C R pZZ f LJBC 4 18 20 2 1 202 13 13213 ZRaRRZaaC RZRaZRRRaZ pZZ fgf fffgf LJCA 4 19 相间接地故障测量阻抗的特点 为了简化分析先考虑一种极端的情况 相间过渡电阻 接地电阻均为零的情况 单相阻抗 两个故障相测量阻抗均为实际的故障点到保护安装处 线路阻抗 非故障相阻抗幅值大于故障相阻抗 相问阻抗 故障相间阻抗最小 为实际的 故障点到保护安装处线路阻抗 另外两个相间阻抗 幅值上二者相差不大 对于经过渡电 阻接地 对于单相故障一般有超前相阻抗小于滞后相单相阻抗 当接地电阻增大时 阻抗 变化规律同相间故障比较接近 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 16 根据各种不同故障类型下 测量阻抗之间的关系 提出了新的选相方案 选相方案中 以单相阻抗大小幅值比较为主 同时利用了测量阻抗的其它特征 新型选相方案流程图如 图4 5所示 其中 CBAZ 为相测量阻抗幅值 CABCABZ 为相间测量阻抗幅值 line Z为保护线路阻抗幅值 load load load I U Z 为故障前负荷状态下继电器测量阻抗 load U为负荷状态下的保护安装处电压 load I为负荷电流 整个选相流程是 首先比较三个单相阻抗大小 然后进行近区三相以及两相故障的判 别 同时区分是否为同反向故障 接下来 利用单相阻抗幅值相对大小判别是否为三相故 障 然后判别是否为相间及相间不接地故障 接着判别是否为高阻接地故障 非高阻接地 故障 再判断是相间故障还是单相故障 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 17 图4 5 选相流程图 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 18 4 2 3 新型选相方案说明 新的阻抗选相方法中引入了故障前负荷状态下继电器测量阻抗 为了保证可靠性 此 测量阻抗幅值只在系统正常运行时计算 启动元件动作后停止计算 对于出口附近的三相故障 两相故障以及复故障的处理 因为同反向故障必然是近区 故障 当三个相阻抗幅值最大者小于一定值时 认为系统发生三相故障 具体是三相同反 向复故障还是三相简单故障 可以根据方向元件判别结果确定 当单相阻抗幅值中间者小 于此定值时 认为发生两相故障 是否为两相复故障同样根据方向元件判别结果确定 对于三相故障 理论上三相测量阻抗相等 为了可靠性考虑 取1 2倍的系数关系 对于相间不接地故障 因为相间阻抗中 必然有故障相相间阻抗最小 利用相间阻抗 最小值和单相阻抗最小值可以进行区分 同样为了增加可靠性 附加了一个条件 利用线 路全长的阻抗幅值与相间阻抗幅值大小进行比较 以往的阻抗选相中 高阻接地故障始终是难以解决的问题 究其原因在于 发生高阻 抗接地时 故障相测量阻抗幅值变大 测量阻抗可能会位于阻抗动作特性圆以外 新型阻 抗选相方法中 当单相测量阻抗最小相的幅值大于一定值时 认为系统可能发生高阻接地 故障 计算相间测量阻抗同故障前测量阻抗变化量 确定变化最小的相间测量阻抗 同时 计算相测量阻抗同负荷阻抗幅值变化量 确定变化最小的单相测量阻抗 高阻单相接地时 非故障相电压电流变化不大 单相测量阻抗变化也不大 且对应两非故障相的相间测量阻 抗变化很小 根据以上特点 可以实现故障选相 需要说明一点 流程图中的判据是一个组合判据 单纯利用其中的一个判据 都不可 能取得可靠的选相 因此必须联系所有判据才能得出可靠选相 4 2 4 仿真验证 M MN N SE RE 图4 6 仿真系统模型 仿真系统模型如图4 6所示 保护位于M侧 对于稳态量选相 因为是稳态量选相 不 考 虑 短 路 过 程 中 的 暂 态 过 程 输 电 线 路 模 型 采 用 集 总 参 数 线 路 参 数 如 下 kmjZkmjZ 276 0 025 0 92 0 353 0 10 仿真中考虑了不同的系统阻抗 过渡 电阻 故障点位置 两端系统相位差 线路长度 部分系统参数如表4 1所示 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 19 表4 1系统等值阻抗 序号 1s Z 0 s Z 1R Z 0R Z kmLength 11 8 j23 611 68 j40 271 8 j23 611 68 j40 27400 21 8 j23 611 68 j40 270 18 j2 361 168 j4 027400 318 j236116 8 j402 70 18 j2 361 168 j4 027400 说明 0101RRss ZZZZ分别为s侧和R侧正序 零序系统等值阻抗 仿真模型1两端系统容量相当 仿真模型2对侧系统相当于大系统 仿真模型3本侧为 小系统 对侧为大系统 相当于比较极端的情况 作为参考 选用了广为应用的零负序分 区选相方法与新方法进行对比 应该指出 对于绝大多数系统故障 两种选相方法都有很 好的选相能力 4 3 同杆并架双回线阻抗选相方法 同杆双回线路故障与单回线路故障的区别在于 同杆线路可能发生跨线故障 跨线故 障下 电流 电压同单回线故障有很大不同 以上新的选相方法同原有的相电流差突变量 选相 零负序分区选相一起 构成了新的综合选相元件 新的故障相电流相位判别在有些 故障情况下 可能存在问题 因此也还需要增加辅助判据 由此可见 为了实现跨线故障 情况下的准确选相 同杆线路保护往往综合了多种故障判据 整个选相元件也比较复杂 因此 找出新的选相方法 以简化同杆线路保护的故障选相仍有待进一步研究 4 3 1 跨线故障下对选相及阻抗测量元件的性能要求 同杆双回线共有120种故障 根据各种故障时六序分量的相位特征 可将120种故障归 纳为13个具有独立相位特征的故障类型 8 它们是 1 单回线故障 1 lAG 2 IBC 3 IABC 2 同名相跨线故障 1 IAIIA 2 IBCIIBC 3 IABCIIABC 3 非同名相跨线故障 1 IBIIC 2 IBCIIB 3 IBCIIC 4 IABCIIA 5 IABCIIBC 6 IAIIBC 7 IABIIBC 以上故障类型中 I II分别表示第I回和第II回线 I或II之后的英文字母表示对应的故 障相别 例如IBIIC表示I回线B相和II回线C相发生故障 以上故障类型中 除单回线单相 接地故障外 均包括接地与不接地两种故障类型 在单回线的保护中 单相故障跳单相 两相以上的故障选跳三相 因此 选相元件只 要区分是单相故障还是多相故障就行了 但是在同杆双回线中 由于要用到分相重合闸 保护必须分相跳闸 也就是说 保护的选相元件必须能把故障相与非故障相完全区分开 尤其是在跨线故障时 仍然能够准确地选出故障相 而不误选相 希望再跨线故障时 可 以构成 准三相运行 的方式 因此同杆线路保护对选相元件的选相能力提出了更高的要 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 20 求 对于同杆线路中的单回线故障 对选相元件要求同普通单回线一样 对于同名相跨线 这时其故障特征同单回线发生故障很相似 选相不存在问题 因此这里重点讨论对于非同 名相跨线故障情况下 选相元件的功能要求 现有的同杆线路保护配置同单回线一样仍然 是保护按线路配置 因此 保护只能得到本线的电气量 在这种情况下 对于线路末端的 非同名相跨线故障 利用单回单端线电气量无法准确选出本回线故障相 要想实现选相跳 闸必须利用通道获取对侧的选相结果 通过综合比较一回线两端的故障选相结果来实现故 障选相 因此对于非同名相跨线故障 要求近故障侧保护必须正确选出本回线故障相 对 于远端保护 选相要求可以适当降低 即此时本线路选相结果可以多选相 但不能遗漏故 障相 以IBIIC故障为例 对于I回线 近故障侧要选为B相故障 远端保护可以选为相间 BC相故障 但不能误选为其它故障相 这样 保护综合两端选相结果 就可以选跳B相 4 3 2 新型阻抗选相方法 针对同杆线路的选相要求以及同杆线路阻抗测量的特点 11 以单回线阻抗选相方法为 参考 提出新的阻抗选相方案 新型选相方案如图4 7所示 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 21 图4 7 同杆线路新型阻抗选相方案 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 22 4 3 3 新型选相方案说明 对于同杆线路 虽然存在种类众多的故障类型 但对于单回线而言 依然是10种故障 类型 下面 重点介绍一下选相流程中对各种故障类型的处理方法 对于出口附近的三相故障 两相故障处理 当三个相阻抗幅值最大者小于一定值 此定 值的确定根据TA变比确定 确保近区故障在此范围之内 时 认为系统发生三相故障 具 体故障类型可以根据方向元件判别结果确定 同理 当相阻抗幅值中间者小于定值时 认 为发生两相故障 具体故障类型根据方向元件判别结果确定 为了节省篇幅 在流程图中 这部分没有画出 对于本线路三相故障 此时 三个相间阻抗测量值均为准确值 因此流程图中先对本 线路三相故障进行区分 如果三个相间阻抗均小于线路全长的1 5倍 且测量阻抗的相位均 在 oo 12060 之间 则直接确认三相故障 高压线路阻抗角接近 o 85 保留一定裕度 选为 oo 12060 对于跨线不接地故障 其典型的特征为有零序电流 无零序电压 在满足此条件 的前提之下还要将跨线不接地故障分为两类 一类是IBIIC IBCIIB IBC IIC 另外一类 是IABClIA IABCIIBC IAIIBC IABIIBC 从双回线整体看 第一类跨线故障只有B C 两个故障相 而第二类故障 A B C三相均为故障 对于第一类故障 故障点电压不为 零 而对于第二类故障 故障点电压比较低 同单回线相间不接地故障相类比可知 对于 相间不接地故障 幅值上 故障点电压为非故障相电压的一半 因此通过单相电压幅值和 相间电压幅值之间的关系 将这两类故障加以区分 对于第一类故障 判断 2 arg b bc b I U bc bc bc c bc c I U I U arg 2 arg 的相位关系 对于I BIIC故障 由4 3 1节可知 对于I回线 九即 为线路阻抗角 利用相位关系就可以将故障相区分出来 为了避免单相故障 误选为相间 确认相间故障附加了两个条件 1 ZZmin5 2min 2 ZmidZmin5 2 对于相间不接地故障 其特征为无零序电压 也无零序电流 在此条件下 对于本线 路相间故障 对应的相间测量阻抗是准确的 当幅值最小的相间阻抗满足幅值和相位关系 时 确认相间故障 判断完相间不接地故障 此时根据单相阻抗的大小和相间阻抗的最小值判断本线路具 体是相间还是单相故障 单相阻抗最小所对应单相基本可以确认为故障相 关键在于对于 单相阻抗幅值中间对应相是否为故障相 首先 判其相位 如果其相位在 oo 15030 且相 间阻抗相位也在 oo 15030 之间 则直接确认相间故障 否则 选单相阻抗最小对应相 华北电力大学科技学院本科毕业设计 论文 23 4 3 4 仿真验证 图4 8 仿真系统模型 表4 2仿真系统参数 NO参数 1s Z 0s Z 1R Z 0R Z kmLength 114 06j10 63j17 7j12 4j200 40 212 1j13 3j61j