现代高压线路保护原理与技术.ppt

现代高压线路继电保护原理与技术 距离保护 湖南省电力公司试验研究院保护所刘伟良2008年9月 距离保护 慨述测量阻抗距离保护的实现 直接法 距离保护的实现 间接法 工频故障分量距离保护距离保护的振荡闭锁TV断线检测方法 1慨述 1 1对距离保护提出的要求测量阻抗要正比于母线至短路点的距离 正方向区外短路不应该超越 包括稳态超越和暂态超越 方向明确 正向出口短路无死区 反向不动作 区内经过渡电阻短路应动作 重负荷下不误动作 不受系统振荡的影响 1 2距离保护的超越1 区外故障超越 KZ ZZD G G QF QF M N 由于对侧电源的助增 如果IF落后与Im ZR呈容性导致ZL ZZDL 产生超越 2 反向近区故障超越 KZ G G QF QF M N 由于本侧电源的助增 如果IF落后与Im ZR呈容性导致ZL为正略大于零 产生超越 1 3过渡电阻对保护选择性的影响 G G B 测量阻抗值落入图中的阴影曲 ZAI不动作 ZAII动作 解决的办法 采用圆2的动作区域 或采用四边形动作区域 A ZBII ZAI 2 定义 测量阻抗定义为保护安装处测量电压与测量电流之比 2测量阻抗 2 1测量阻抗与故障距离之间的关系 在电力系统正常运行时 近似为额定电压 为负荷电流 为负荷阻抗 负荷阻抗的量值较大 其阻抗角为数值较小的功率因数角 一般功率因数为不低于0 9 对应的阻抗角不大于25 80 阻抗性质以阻性为主 如下图中的所示 电力系统发生金属性短路时 降低 增大 变为短路点与保护安装处之间短路阻抗 对于具有均匀分布参数的输电线路来说 与短路距离成线性正比关系 即 短路阻抗的阻抗角就等于输电线路的阻抗角 数值较大 对于220kV及以上电压等级的线路 阻抗角一般不低于750 阻抗性质以感性为主 当短路点分别位于图1中的k1 k2和k3点时 对应的短路阻抗分别如图2中的 和所示 上面的讨论是以单相系统为基础的 在这种单相系统中 测量电压就是保护安装处的电压 测量电流就是线路中的电流 系统金属性短路时两者之间的关系为 5 2 2三相系统中测量阻抗的计算 在实际三相系统的情况下 由于存在多种不同的短路类型 而在各种不对称短路时 各相的电压电流都不再简单地满足式 5 所以无法直接用各相的电压 电流构成距离保护的测量电压和电流 现以下图所示网络中k点发生短路故障时的情况为例 对此问题进行分析讨论 按照对称分量法 可以求出M母线上各相的电压 Lk Z1 Z2 Z0 Lk G M KZ G N k 6a 6b 6c 6 式的成立与故障类型无关 即对任何类型的故障都成立 对于不同类型和相别的故障 故障点的边界条件是不同的 即 6 式中 和的取值是不同的 1 单相接地故障 7 8 得到 以A相单相接地短路故障为例进行分析 在A相金属性接地短路的情况下 式a变为 式 8 与式 5 具有相同的形式 因而由 算出的测量阻抗能够正确反应故障的距离 从而可以实现对故障区段的比较和判断 由于A相接地时 均不等于零 式 6b 和 6c 无法变成式 5 的形式 即若 或 则 或 之间都不满足式 5 所以两非故障相的测量电压 电流不能准确地反应故障的距离 在另一方面 由于 均接近正常电压 而 均接近正常负荷电流 B C两相的工作状态与正常负荷状态相差不大 所以在A相故障时 由B C两相电压电流算出的测量阻抗都会比较大 算出的距离一般都大于整定距离 由它们构成的距离保护一般都不会动作 但在某些特殊的情况下 比如保护安装处零序电流很大时 也有可能动作 同理可以分析B相和C相单相接地故障时的情况 分析表明 只有故障相电压与带零序电流补偿的故障相电流之间满足 5 式 能够正确测量故障距离 非故障相测出的阻抗接近负荷阻抗 一般不会动作 2 相间故障 以B C相间经电弧电阻Rarc和接地电阻Rg短路接地为例 忽略Rarc上的压降 则UBCm IBC Z1LZ U I AB BC CA 3距离保护的实现 直接法 距离保护的核心 就是对故障距离进行测量 并与整定的距离相比较 以判断是否有故障 在有故障的情况下 判断出故障的范围 在应用测量阻抗法判断故障距离时 又有两种有两种不同的方式 即直接计算方式和间接判断方式 直接计算方式是利用采集到的故障环上的电压和电流 代入测量阻抗的计算式 直接计算出测量阻抗 然后将其与整定阻抗相比较 判断是否有区内故障 间接判断方式不需要确切地算出测量阻抗 只是通过对测量电压和测量电流的计算分析 间接地判断测量阻抗是否在保护的范围之内 在理想情况下 在金属性短路的时候 测量阻抗是与整定阻抗同方向的 在这种情况下 算出测量阻抗后直接与整定阻抗比较大小 就能够判断出故障的范围 实际情况下 由于各种误差因素的存在 以及过渡电阻的影响 测量阻抗可能与整定阻抗之间有一定的角度 这时用直接比较大小的方法就不行了 为了保证区内故障的情况下保护可靠动作 区外故障时可靠不动作 一般将阻抗继电器的动作范围设定为一个包括整定阻抗对应的线段在内 但在整定阻抗方向上不超出整定阻抗的一个区域 最常用的区域有圆形区域和四边形区域 3 1测量阻抗与整定阻抗的比较 3 2圆特性距离继电器包括 方向特性圆 全阻抗圆 偏移特性圆和上抛特性圆等几种 如下图 每一种特性都有两种不同的实现办法 即绝对值比较法和相位比较法 以方向圆特性为例 绝对值比较方程和相位比较方程分别为 Zset 2 Zset R jX o Zm 测量阻抗已经用前述的算法算出 整定阻抗为事先设定好的常量 将两者直接代入到绝对值比较或相位比较的方程中 判断方程是否满足 就可以知道测量阻抗是否落入到动作区域之内 在园特性的数字式保护中 一般采用相位比较的方法进行判断 令 则上述的相位比较方程变为 上述的方程又可以表示为即 应用两角差的余弦公式 将其展开 上式两端同乘以 可以得到即满足该式 就说明测量阻抗落在动作区内 否则落在动作区外 该式是由余弦形式导出的 称为余弦比相 下面以四方保护采用的四边形特性为例讨论在四边形特性的情况下如何实现测量阻抗与整定阻抗的比较 3 3四边形距离继电器 设测量阻抗的实部为 虚部为 则上图在第IV象限部分的特性可以表示为 第IV象限部分的特性可以表示为 而在第I象限部分的特性可以表示为 上述三式综合 得到 式中 若取 则 则上述比较式变为 该式可以方便地在微处理机中实现 4距离保护的实现 间接法 以南瑞公司正序极化原理 说明间接判断法 定义工作电压 补偿电压 如下 不同地点短路时 工作电压的相位关系如下图所示 k1zk2 KZ N G G k3M a b c d a 网络接线 b 区外 k2点 短路时电压分布 c 反向 k3点 短路时电压分布 d 正向 k1点 短路时电压分布 结论 区内故障时 与相位相反 而在正向区外及反向故障时 与相位相同 通过比较两者之间的相位 无须算出具体的测量阻抗 就可以判断故障的区域 以作为参考相量 根据不同故障情况下相对相位的 差异 就可以 区分 出故障的区段 即与反相位时判断为区内故障 与同相位时 判断为区外故障 考虑到实际测量与理论分析存在误差 实际构成保护时 一般并不是直接判断同相位还是反相位 而是取一定的范围 即动作的条件可以表示为 若取 则动作的条件变为 分子分母同除以 得到 该式与方向阻抗继电器的相位比较方程完全一致 表明在取的情况下 用工作电压与测量电压进行相位比较 就可以实现与方向阻抗继电器完全一样的特性 方向阻抗特性的优点是阻抗元件本身具有方向性 只在正向区内故障时动作 反方向短路时不会动作 即无须与方向元件配合 阻抗元件本身就能区分故障的方向 其主要缺点是动作特性经过座标原点 在正向出口或反向出口短路时 测量阻抗的阻抗值都很小 都会落在座标原点附近 正好处于阻抗元件临界动作的的边沿上 有可能出现正向出口短路时拒动或反向出口短路时误动的严重情况 对上述电压比较式分析 也可以得出类似的结论 出口短路时 测量电压的幅值接近于0 其相位可能因误差等因素而为随机相位 所以测量元件可能处于随机动作状态 由上述的分析可知 在上述比较式中 电压的作用就是作为判断相位的参考 所以又称为参考电压或极化电压 上述分析表明 直接用作为比相的参考电压时 无法保证出口短路时的选择性 因而也就不能应用于实际的继电保护装置中 为克服这一缺点 保证出口短路时正确动作 应选择相位不随故障位置变化 在出口短路时不为0的电压量作为比相的参考电压 考虑到除了出口三相对称性短路外 母线正序电压的量值都不会为0 且其相位不会随着短路位置的变化而变化 所以可以选择正序电压作为比相的参考 即以正序电压作为参考电压或极化电压 分析表明 当取正序电压为故障环上的正序电压时 它的相位与故障环上的测量电压完全一致 所以在上述比较方程中用正序电压代替测量电压时 动作条件不变 以正序电压为参考的情况下 动作的方程变为 或 进一步分析表明 采用正序电压作为参考电压后 在正向故障的情况下 以阻抗形式表示的动作方程为 对应的动作特性如图所示 它是一个包括坐标原点的偏移圆 正向出口短路时 能够可靠动作 在反向故障的情况下 以阻抗形式表示的动作方程为 对应的动作特性如图所示 它是一个不包括坐标原点的上抛圆 反向出口短路时 测量阻抗在原点附近 可靠不动作 反向远处短路时 测量阻抗在动作区相反的方向 也可靠不动作 可见 应用正序电压作为极化电压 继电器具有明确的方向性 能保证正向出口短路可靠动作 反向出口短路可靠不动 此外 用正序电压作为极化电压后 继电器在正向故障时的特性变成一个直径较大的偏移圆 耐受过渡电阻的能力明前增强 正序电压极化的缺点是不能保证出口三相短路时的方向性 必须采取专门的措施 在南瑞保护中 措施为 当正序电压幅值小于额定电压的10 时 投入低压距离元件 低压距离元件是以记忆电压为极化电压来实现故障判断的 分析表明 它与正序极化的继电器具有类似的特性 也有明确的方向性 应用记忆电压的缺点是它仅在短路初瞬有效 因而不能用在II段或III段中 5工频故障分量距离保护 5 1故障分量的基本概念 故障分量又称为故障附加分量或故障叠加分量 是指仅在系统发生故障时出现 而在系统正常运行及不正常运行时不存在的电气分量 即它随着故障的出现而出现 随着故障的消失而消失 所以 故障分量的存在 是电力系统处于故障状态的表征 应用故障分量构成继电保护动作判据时 只需要寻找区内故障与区外故障的 差异 而不必考虑正常及不正常情况 因而 保护具有较高的灵敏度 一般也具有较快的动作时间和较好的选择性 不必采用振荡闭锁等防止振荡时保护误动的措施 5 2故障分量的特点 非故障状态下不存在故障分量 故障分量仅在故障状态下出现 故障分量独立于非故障状态 受电网运行方式的影响不大 有一定的影响 但比传统保护小 故障点的电压故障分量最大 系统中性点处故障分量电压为零 保护安装处故障分量电压电流之间的关系 取决于背后系统的阻抗 与故障点的远近及过渡电阻的大小没有关系 但故障分量值的大小受过渡电阻及故障点远近的影响 5 3故障分量的分析方法 叠加原理 短路状态 故障前负荷状态 故障叠加状态 1 故障分量的组成 2 故障分量的利用 上述这些分量都可以用来构成继电保护 即故障分量中的工频分量 可以用来构成 工频变化量方向保护 工频变化量距离保护 工频变化量差动保护 零序保护 负序保护等 即全部的故障分量 可以用来构成电流突变量起动元件 电流突变量选相元件 方向行波元件 行波距离 测距 保护等 暂态分量中的高频部分 用来构成反映单端电气量的暂态保护 3 故障分量的提取与识别方法 来自电压互感器TV和电流互感器TA的电压电流都是故障后的全电压和全电流 构成反映故障分量的继电保护时 应设法将故障分量从全电压和全电流中提取出来 在微机保护中 故障分量的提取方法为 电流 通常情况下 取n 1 2或4 n 1 n 2 n 4 这样可以计算出故障分量的采样序列 利用微机保护中的各种算法可以求出其幅值 相位等特征量 以n 2为例 波形如下 5 4工频变化量距离保护 工频故障分量距离保护又称为工频变化量距离保护 是一种通过反应工频故障分量电压电流而工作的距离保护 在上图 c 中 保护安装处的工频故障分量电流 电压可以分别表示为 取工频故障分量距离元件的工作电压为 保护区内 外不同地点发生金属性短路时电压故障分量的分布情况如下图所示 k1 z ZZD k2 k3 a b c d Zs 在保护区内k1点短路时 在保护区外k2点短路时 在保护区反向k3点短路时 因为 所以动作的判据为 满足该条件 说明为区内故障 否则为区外故障 正方向动作特性 反方向动作特性 5 5工频变化量距离继电器的特点 继电器理论分析和构成原理简单 动作速度快 不需要振荡闭锁 振荡时又发生区内故障一般仍能正确动作 电力系统振荡时 整定点电压不会小于工作电压 且故障总是在电压达到一定幅值时才有可能 可以用做方向比较保护的方向元件 故障时 非故障相的电压UOP不会高压UZ 具有较好的选相能力 6距离保护的振荡闭锁 6 1系统振荡的特点 系统振荡 暂态稳定破坏导致距离保护误动最快发生的时间是故障发生后0 2S 也就是说在系统某处发生故障 导致发生系统振荡及暂态稳定