线路保护-(纵联保护).ppt

线路纵联保护 国网公司继电保护高技能人才培训班2008年11月苏州 电流 电压 零序电流和距离保护都是反应输电线路单端电气量变化的保护 这种反应单端电气量变化的保护从原理上讲都区分不开本线路末端和相邻线路始端的短路 一 反应输电线路单端电气量变化的保护的缺陷 凡是反应单端电气量变化的保护都做成多段式的保护 其中瞬时动作的第 段保护 其定值都要按躲本线路末端短路 其实质是躲相邻线路始端短路 来整定 这类反应输电线路单端电气量变化的保护 它的缺陷是不能瞬时切除本线路全长范围内的短路 它的优点是它的带延时的第 段 或第 段 可以作为相邻线路上短路的后备 这类保护有时称作具有相对选择性的保护 既然反应M端电气量变化的保护无法区别F1和F2点的短路 可是反应N端电气量变化的保护确是很容易区分这两点短路的 例如用一个方向继电器就可以区分 F1点是正方向短路 F2点是反方向短路 所以如果有一种保护它可以综合反应两端电气量的变化 这样的保护一定可以区分F1和F2点的短路 那么它的一个最大的优点就是可以瞬时切除本线路全长范围内的短路 这种综合反应两端电气量变化的保护就叫做纵联保护 纵联保护的优点是明显的 但它的缺点是不能保护在相邻线路上的短路 不能作相邻线路上的短路的后备 小结 纵联保护既然是反应两端电气量变化的保护 那就一定要把对端电气量变化的信息告诉本端 同样也应把本端电气量变化的信息告诉对端 以便每侧都能综合比较两端电气量变化的信息做出是否要发跳闸命令的决定 这必然涉及到通信的问题 而通信需要通道 纵联保护通道类型 1 电力线载波 高频 通道 2 微波通道3 光纤通道4 导引线通道上述四种通道应该说光纤通道是最有发展前途的 目前继电保护制造厂家生产光纤保护的产量已大于高频保护的产量 但由于历史的原因 高频通道还有一定的数量 二 220kV系统常见的几种纵联保护配置 1 高频闭锁纵联方向保护WXB 11C GSF6 LFP 901 LFX 912 PSL 602 YSF 10A RCS 901 LFX 912 CSC 101 BSF3 LFP 902 LFX 912 2 光纤纵联方向保护PSL 602 GXC 01 RCS 901 FOX40ECSC 102 CSY 102A WXH 801 ZSJ 9003 光纤分相电流差动保护PSL 603 RCS 931 CSC 103 WXH 803 PRS 753 1 闭锁式高频纵联保护 1 闭锁式高频纵联保护的通道介绍 2 闭锁式高频纵联方向保护简化原理框图 3 关于闭锁式的几个基本特点 1 收不到高频信号是保护动作于跳闸的必要条件 2 闭锁信号主要是在非故障线路上传输的 并不表示在故障线路上从来没有传送过闭锁信号 3 在非故障线路上一直存在闭锁信号 保护收到闭锁信号把保护闭锁 4 在故障线路上最后应该没有闭锁信号 保护才能跳闸 5 在使用闭锁信号时 一般都采用相 地耦合的高频通道 当然也可采用相 相耦合高频通道 允许式高频保护一般使用相相耦合通道 需要指出的是虽然收发信机接在一相输电线路与大地之间 但由于相与相之间和相与地之间是有分布电容的 所以实际上三相输电线路和部份大地都是参与高频电流的传输的 6 闭锁式纵联保护区内故障时不怕通道断 怕区外故障时通道断 7 闭锁式纵联保护使用单频制 正常运行时保护通道中无高频信号 4 关于闭锁式的两个关键元件的说明 1 启动元件 1 高定值启动元件起动后 终止主程序 执行故处理程序 开放保护 2 低定值启动元件动作 控制收发信机启动发信 3 启动元件无方向性 灵敏度高 2 方向元件 1 有明确的方向性 2 正方向元件要确保在本线路全长范围内的短路都能可靠动作 超范围闭锁式 3 反方向元件灵敏度高于正方向元件 反方向元件动作则闭锁正方向元件 4 正方向元件动作则停止收发信机发信 5 关于闭锁式纵联保护的几个问题的讨论 1 为什么要用灵敏度不同的两个起动元件 为防止区外故障时 近故障端保护不能可靠启动发信而远故障端的保护因收不到对侧闭锁信号而误动 2 为什么要先收到8ms高频信号后才允许停信 高频信号在通道上传输是有时滞的 如果M端保护判正方向后不经延时而匆忙停信后 由于M端收信机收不到对册信号将造成保护误动 M端保护只有确保近故障点的N端保护的闭锁信号到达M端以后才允许停信 这样M端保护才不会误动 显然这等待的延时应考虑N端闭锁信号来得最慢 最严重的情况 这种情况出现在N端是远方起信的情况 发生短路后N端起动元件因故没有起动 所以一开始不发信 要等M端高频信号先送过来后 N端由远方起信才起动发信 等N端的信号再送到M端后 M端再去停信保护就不会误动了 所以M端停信等待的延时应包括高频信号往返一次的延时 加上对端发信机起动发信的延时再加上足够的裕度时间 这时间一般为 5 8 ms就足够了 3 功率倒向时出现的问题及对策 如果纵联方向保护在35ms内一直不动作 收信时间满35ms 那么纵联方向保护再要动作的话要另加25ms的延时 4 远方启信的作用和通道交换的过程 远方启信作用 1 通道检查 2 防止因发信启动回路故障而造成的保护不正确动作通道交换的过程 5s 5s 5s 200ms dB t 蓝色本侧发绿色对侧发 5 收到三相断路器跳闸位置继电器 TWJ 动作信号以后高频保护做些什么 1 如果高定值起动元件未起动 又收到了三相跳闸位置继电器都动作的信号并确认三相均无电流时 把起动发信 含远方起信 往后推迟100ms 不同厂家该值略有差别 2 如果高定值起动元件起动后 又收到了任一相相跳闸位置继电器都动作的信号并确认该相无电流时立即停信 这停信通常称作 位置停信 在起动元件起动后本断路器又单相或三相跳闸了 这说明本线路上发生了短路 本端保护动作跳闸了 所以采取马上停信措施后有利于对端纵联方向保护跳闸 3 位置停信 的由来在 四统一 中采用这种 位置停信 还有一种目的 如果线路出口短路 零序 段等快速保护先发跳闸命令并将断路器跳开时若高频保护还未跳闸 当时系统用的相差高频保护由于两次比相 动作时间将到40 60ms 断路器跳闸后高频保护立即恢复发信 闭锁了对端的高频保护 采取了 位置停信 后使该端一直处于停信状态可确保对端高频保护可靠跳闸 目前微机型的纵联保护没有相差高频保护 纵联方向 纵联距离保护在20 30ms内已可发出跳闸命令 所以线路出口短路时 即使快速距离保护或零序 段先发跳闸命令 在断路器跳闸时间内 对端纵联保护已可发出跳闸命令 所以这个问题已不再存在 3 位置停信 的另一作用 在纵联距离保护中采用一相跳闸位置继电器动作的信号并确认该相无电流时立即停信还能解决在靠近线路一端发生单相高阻接地时由于另一端阻抗继电器不动使纵联距离拒动问题 此时近故障点一端的其它保护动作跳开故障相后停信 远离故障点一端的阻抗继电器随后纵续动作 纵联距离保护就能跳闸 4 位置停信 的使用注意事项单相TWJ动作停信只停80ms 避免本线路非全相运行期间两端一直停信在外部发生运行相上的故障时纵联方向 距离 保护误动而误切三相 三相TWJ动作停信一直停到装置整组复归 位置停信 在手动合闸和自动重合闸时自动退出 避免对端合闸后本端再合闸时由于三相触头不同期对端某些原理的正方向的方向继电器可能动作造成纵联方向保护误动 6 其他保护停信和本装置保护动作停信的问题 1 母差 失灵 保护动作停信 双母线接线的母差保护动作停信一般通过启动线路保护中操作箱内的TJR继电器实现 对于CT在开关断口两端布置时 如GIS设备 线路保护CT与母差保护CT可实现交叉 避免了死区的存在 此时可不用母差停信 3 2开关接线的母差保护动作不停信 开关失灵时需要强制停信母差停信一般展宽150mS 也是在母差出口元件返回后继续停信150mS 2 本装置其他保护动作停信现在输电线路保护都做成成套的保护装置 一条线路的主保护 后备保护都做在一套保护装置内 本装置内任意一种保护发跳闸命令同时立即停信有利于对端纵联保护跳闸 保护装置发三相跳闸命令停信直至跳闸命令返还后还继续展宽停信150ms 保护装置发单相跳闸命令时只停信150ms 这段时间保证让对端可靠跳闸 这些工作都由装置在软件中自动完成 7 闭锁式高频纵联保护的具体称谓 什么是距离高频 什么是零序高频 什么是方向高频 距离高频 或称 高频距离 是指其方向元件由距离元件充当 一般使用II段或III段的阻抗测量元件 前提是保证本线范围内各类故障有绝对灵敏度 如LFP902中的Z 零序高频 是指其方向元件由零序功率方向元件充当 同样其零序功率方向元件应保证对本线范围内的所有接地故障有绝对灵敏度 如LFP901中的O 方向高频 从字面上理解可以指所有的基于两侧方向判别的高频保护 但是有一种方向元件是由工频突变量方向元件充当的高频保护 我们习惯称其为 方向高频 如LFP901中的D 2 允许式光纤纵联方向保护 1 允许式纵联方向保护的简化框图 保护启动 正方向元件动作 反方向元件不动作 有对侧允许信号 出口 保护启动 正方向元件动作 反方向元件不动作 有对侧允许信号 向对侧发允许信号 保护启动 开关任一相分位且该相无流 开关任三相分位且三相无流 向对侧发允许信号 向对侧发允许信号 2 允许式光纤纵联保护的通道 1 直连光纤通道 2 复用光纤通道 3 允许式光纤纵联保护的其他一些问题 1 母差 失灵 保护动作向对侧发允许信号 并在母差 失灵 元件返回后展宽150mS发信 2 本保护装置其他保护动作发三相跳令后立即向对侧发信并展宽150mS 本保护装置任一保护发单跳令只发信150mS 不展宽 3 功率倒向时的防误动措施a 保护启动后如果纵联保护在连续35ms内一直未收到信号或不满足正方向方向元件动作 反方向方向元件不动作的条件 对纵联距离保护是不满足阻抗继电器动作的条件 那么纵联保护再要动作的话要另加25ms的延时 b 保护启动后先反方向元件动作然后再正方向元件动作且反方向动作期间收到对侧允许信号 那么该正方向元件动作后延时25 35mS向对侧发允许信号 3 纵联分相电流差动保护 1 稳态分相电流差动保护的基本原理 在系统图中 设流过两端保护的电流 以母线流向被保护线路的方向规定为其正方向 如图中箭头方向所示 以两端电流的相量和作为继电器的动作电流 该电流有时也称作差动电流 差电流 另以两端电流的相量差作为继电器的制动电流 差动电流 制动电流 动作判据 差动门槛值 制动系数 1 区内故障当线路内部短路时 如图 c 所示 两端电流的方向与规定的正方向相同 此时动作电流等于短路点的电流IK 动作电流很大 制动电流Ir较小 小于短路点的电流 如果两端电流幅值 相位相同的话 制动电流甚至就为零 因此工作点落在动作特性的动作区 差动继电器动作 2 区外故障当线路外部短路时 IM IN中有一个电流反相 例如在图 d 中 流过本线路的电流是穿越性的短路电流 如果忽略线路上的电容电流 则此时动作电流是零 制动电流是二倍的短路电流 制动电流很大 因此工作点落在动作特性的不动作区 差动继电器不动作 所以这样的差动继电器可以区分线路外部短路 含正常运行 和线路内部短路 继电器的保护范围是两端TA之间的范围 4 基本原理小结从上述原理的叙述中可以进一步得到两个重要的推论 只要在线路内部有流出的电流 例如线路内部短路的短路电流 本线路的电容电流 这些电流都将成为动作电流 只要是穿越性的电流 例如外部短路时流过线路的短路电流 负荷电流 都只形成制动电流而不会产生动作电流 穿越性电流的两倍是制动电流 2 纵联分相电流差动保护应解决的主要问题 1 输电线路电容电流的影响本线路的电容电流是从线路内部流出的电流 它将构成差动继电器的动作电流 如果纵联电流差动保护没有考虑到电容电流的影响的话在某些情况下会造成保护的误动 所以解决电容电流的影响是线路纵联电流差动保护要解决的最重要的课题 电压等级越高 输电线路越长 而且多采用分裂导线 因此线路的电容电流也就越大 它对纵联电流差动保护的影响也就越大 在发生线路外部短路 外部短路切除和线路空充的初瞬阶段上述高频分量的电容电流和工频分量的电容电流叠加 其最大的电容电流幅值可能能达到很大的值 为与稳态分量电容电流 只有50Hz的工频分量 区别 这个电流称作暂态分量电容电流 当短路发生在电势达最大值瞬间时 这暂态分量电容电流能达到正常运行下的电容电流的若干倍 这么大的本线路电容电流都成为动作电流 将可能造成保护误动 2 防止电容电流造成保护误动的措施 a 抬高定值抬高差动继电器比率制动特性曲线中的起动电流Iqd的定值来躲电容电流的影响 考虑到由于高频分量电容电流使暂态电容电流增大的影响 Iqd值可取为正常运行情况下本线路电容电流值的 4 6 倍 需要指出 正常运行情况下差动继电器的动作电流就是正常运行下本线路的电容电流 当然提高定值的方法是以牺牲内部短路的灵敏度作为代价的 b 加短延时如果保护动作能加一个例如40ms的短延时 经过这个延时高频分量的电容电流已经得到很大的衰减 这样比率制动特性曲线中的起动电流的定值就可以降低 例如降低到1 5倍的正常运行情况下的本线路电容电流 因为区外短路切除和线路空充时本线路稳态分量电容电流是额定电压下的电容电流 区外短路时本线路稳态分量电容电流由于电压降低 是小于额定电压下的电容电流的 用1 5倍的电容电流作为起动电流的定值再加延时来躲电容电流的影响 当然这种方法是以牺牲快速性作为代价的 c 进行电容电流补偿如果能用某种方法计算出本线路的电容电流IC 然后在求动作电流时将该电流减去 实现电容电流的补偿 也就是将动作电流计算改成 a 稳态电容电流补偿 考虑到某相上的电容电流是该相正 负 零序电容电流的之和 以及输电线路的正序容抗与负序容抗相等的关系 在上图中M端C 2中流过的某相上的电容电流IMC 是该相的正序 负序 零序电容电流之和 其值为 式中 可以是A B C 同理可求N端C 2中流过的电容电流INC 需要补偿的电容电流 b 暂态电容电流补偿 时域法 由于分布电容的存在 在短路初始阶段电容电流中除有工频分量的电容电流外还有大于工频频率的高频分量电容电流 所以暂态电容电流比稳态电容电流大得多 因此在超高压 特高压输电线路的电流差动保护中往往需要补偿暂态电容电流 在计算暂态分量电容电流时因为要涉及到若干个频率 不能用相序分量方法计算电容电流 由电路的基本知识可知 电容上流过的电流与加在电容上的电压关系为 上式对各种频率的信号都是适用的 因此用这公式计算出的电容电流包含了各种频率分量的电容电流 是暂态分量的电容电流 以求A相的电容电流为例 在上图中M端A相上的电容电流是AB相间电容上的电容电流与AC相间电容上的电容电流 A相对地电容上的电容电流之和 其值为 同理可得N端A相上电容电流 A相需要补偿的电容电流为 d 利用贝瑞隆模型构成的线路差动保护贝瑞隆模型本身是建立在分布参数理论上的 由此构成的差动保护从原理上不受电容电流的影响 目前一些制造厂家 高等院校和科研机构都对此原理进行了研究 是非常有前途的一种差动保护原理 2 外部短路或外部短路切除时 由于两端电流互感器的变比误差不一致 短路暂态过程中由于两端电流互感器的暂态特性不一致 二次回路的时间常数的不一致产生的不平衡电流 输电线路两端TA的变比应该尽可能相同 但由于变比误差的差异在短路稳态后也会造成不平衡电流 如果再考虑到短路暂态过程中由于短路电流中的非周期分量和谐波分量等暂态分量电流造成两端TA饱和程度的差异 以及这些暂态分量电流在各自的二次回路中的衰减时间常数的差异 在暂态过程中将产生新的不平衡电流 差动继电器应该从继电器的构成原理上 从整定值上从动作特性的制动系数取值上考虑这些影响 3 解决重负荷线路区内经高电阻接地时灵敏度不足的问题 图 a 中的短路后流过两端保护的电流为 此时动作电流和制动电流分别为 线路内部短路时纵联差动继电器的动作电流等于短路点的短路电流 因为该电流是在线路内部的流出电流 制动电流有两项 一项与短路电流有关 制动电流最小的情况发生在短路点两侧电流分配系数相等时 例如在系统对称情况下线路中点短路 此时 CM CN 0 制动电流与短路电流无关 另一项与负荷电流有关 因为负荷电流是穿越性的电流 总是产生制动电流的 所以从上式可看出 在重负荷线路内部发生经高阻接地时 差动继电器的灵敏度可能不足 由于是高阻接地 短路点的短路电流IK并不大 动作电流不大 又是重负荷的线路负荷电流比较大 所以制动电流较大 这样继电器的灵敏度可能不够 如果短路点两侧系统不对称更会加剧这种缺陷 解决办法 1 引入零序差动用输电线路两端的零序电流构成差动继电器 其动作电流和制动电流分别为 反应的是两端零序电流的关系 没有选相功能 所以应再用稳态量的分相差动继电器选相 零序差动继电器与稳态量的分相差动继电器构成 与 逻辑延时100ms选跳故障相 零序差动继电器也做成比率制动特性 它有如下特点 该继电器比率制动特性中的起动电流只需躲过外部接地短路时本线路的稳态零序电容电流以及外部相间短路 不接地 时的稳态零序不平衡电流 该值比较小 一般可取为与整套保护的零序起动元件的起动电流定值一致 由于负荷电流是正序分量的电流 因而负荷电流也不成为该继电器的制动电流 零序电流受过渡电阻的影响也较小 由于上述原因 零序差动继电器很灵敏 可用以解决重负荷线路内部经高阻短路时的灵敏度问题 作为选相用的稳态量分相差动继电器也要做成高灵敏度的 以不影响零序差动继电器的灵敏度 RCS931 2 引入工频突变量差动工频变化量的分相差动继电器的动作电流和制动电流分别为 工频变化量差动继电器也做成比率制动特性 由于工频变化量继电器是工作在暂态过程中的 所以其起动电流值与上述稳态 段取值相同 可取为正常运行情况下本线路电容电流的 4 6 倍 工频变化量差动继电器的特点是 不反应负荷电流 负荷电流已不再成为制动电流了 受过渡电阻的影响小 所以工频变化量差动继电器很灵敏 用它来解决重负荷输电线路内部发生经高阻接地时差动继电器的灵敏度问题是十分理想的 4 电流互感器断线时防止纵联电流差动保护误动的措施及 长期有差流 的告警信号 正常运行时当输电线路一端的TA断线时差动继电器的动作电流和制动电流都等于未断线一端的负荷电流 由于差动继电器的制动系数小于1 起动电流值又较小 因此工作点将落在比率制动特性的动作区内造成差动继电器动作 措施 每一端纵联电流差动保护跳闸出口必须满足下述几个条件 与 本端起动元件起动 本端差动继电器动作 同时满足上两个条件 向对端发 差动动作 的允许信号 收到对端 差动动作 的允许信号 PSL603 RCS931 长期有差流 信号介绍 在TA断线时除了差动保护不能误动外还应发出告警信号 为此可增加一个 高压差流元件 该差流元件应该很灵敏 以便有效地检测出TA断线时出现的差电流的情况 高压差流元件 满足下述条件发 长期有差流 信号 与 差流元件动作 差流元件的动作相 只有一个差流元件动作时 用它设及的那一相 或动作相间 有两个差流元件动作时 用它们设及的两相 的电压大于0 6倍的额定电压 满足上两条件10秒钟 第一个条件证明出现差动电流 动作电流 第二个条件证明系统没有短路 于是经延时发告警信号 需要指出 在TA断线或装置内部某相电流数据采样通道故障以及两侧装置采样不同步时都可满足上述条件 故发的是 长期有差流 信号 5 在有一端为弱电源的线路内部故障 防止纵联电流差动保护拒动的措施 在纵联电流差动保护中除了有两相电流差突变量 相电流突变量 起动元件 零序电流起动元件和不对应起动元件以外 再增加一个 低压差流起动元件 该起动元件的起动条件为 差流元件动作 差流元件的动作相或动作相间的电压小于0 6倍的额定电压 收到对端的 差动动作 的允许信号 6 收到三相跳闸位置继电器 TWJ 动作信号后该做些什么工作 1 如果起动元件未起动又收到三相的TWJ都动作的信号 并且任一相差流元件动作后立即发 差动动作 的允许信号 这可以解决在输电线路一端断路器处于三相都断开状态 系统由另一端对线路充电时在线路上发生短路 断路器合闸的这一端纵联差动保护拒动的问题 2 如果起动元件起动后又收到三相的TWJ都动作的信号 并且任一相差流元件动作后立即发 差动动作 的允许信号 这时说明线路上发生了故障而且本端的断路器已跳闸了 这时一直发允许信号有利于对端纵联差动保护跳闸 7 外部其他保护动作发 远跳 信号的作用 母线保护动作 失灵保护动作起动 远跳 这是为了解决在断路器与电流互感器之间发生故障时电流差动保护存在的问题 该处故障对电流差动保护来说是外部短路 差动保护是不动作的 该处故障M端母线保护可动作跳M端断路器 但M端断路器跳闸后 N端电流差动保护仍然不能动作 为了让N端保护能快速切除故障 可将M端母线保护动作的接点接在电流差动保护装置的 远跳 端子上 保护装置发现该端子的输入接点闭合后立即向N端发 远跳 信号 N端接收到该信号后再经 或不经 起动元件动作 作为就地判据发三相跳闸命令并闭锁重合闸 需要指出 在3 2接线方式中母线保护动作是不允许发 远跳 信号的 因为在母线上故障 母线保护动作跳开边断路器后中断路器还可以继续带线路运行 此时在断路器与电流互感器之间发生故障时由母线保护起动失灵保护 失灵保护动作后起动 远跳 跳对端断路器 8 本装置保护动作发分相 远跳 信号本装置任何保护在发跳闸命令的同时向对端发分相跳闸信号 对端接收到该信号后再经高灵