第10讲-方向比较式纵联保护

回顾：纵联保护的定义：,输电线的纵联保护是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率方向等）传送到对端并将两端的电气量比较以判断故障发生在本线路范围内还是在本线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。在理论上，纵联保护具有绝对的选择性。,回顾：纵联保护分类,方向纵联和距离纵联保护(比较两端逻辑量),差动纵联保护（比较两端全量）,按保护动作原理划分,导引线纵联保护,电力线载波纵联保护,微波纵联保护,光纤纵联保护,按通信通道划分,单元保护,非单元保护,方向比较纵联保护,距离纵联保护,按保护形式划分,相位比较纵联保护,纵联电流差动保护,输电线路纵联保护,回顾：1.两端电流相量和的故障特征,内部故障,根据基尔霍夫电流定律(KCL)可知：,在集总参数电路中，任何时刻，对任意一节点，所有支路电流相量和等于零。用数学表达式表示如下：,对于输电线路MN可以认为是一个节点。,回顾：两端功率方向的故障特征,M,N,内部故障,当发生内部故障时，两侧功率均由母线流向线路，两侧功率方向均为正。,当发生外部故障时，M侧功率由母线流向线路，其功率方向为正。N侧功率由线路流向母线，其功率方向为负。两侧功率方向相反。,WM(+),WN(+),WM(+),WN(-),回顾：电流相位特征,外部故障,内部故障,区内故障时，两侧电流同相位；正常运行及区外故障时，两侧电流相位相反。,回顾：两端测量阻抗的特征,当线路内部短路时，线路两侧的测量阻抗都是短路阻抗，且一定位于距离保护段的动作区内。两侧的段同时启动；当正常运行时，两侧的测量阻抗都是负荷阻抗，两侧的距离保护段均不启动；当线路外部短路时，线路两侧的测量阻抗也是短路阻抗，但其中一侧是反方向，至少有一侧的距离保护段不启动；,区内故障时，两侧的距离保护段均启动；正常运行及区外故障时，至少有一侧的距离保护段不启动。,回顾：电力载波信号的种类,跳闸信号：线路内部故障时，直接引起保护跳闸的信号,允许信号：线路内部故障时，将保护开放，允许保护跳闸的信号,闭锁信号：线路外部故障时，将保护闭锁的信号,按照高频通道传送信号在纵联保护中的作用可将其分为闭锁信号、允许信号和跳闸信号。,回顾：（1）传递闭锁信号方式：收不到这种高频信号是高频保护跳闸的必要条件。,特点：a.不受通道破坏的影响b.不用鉴别信号源（是对侧还是本侧）,只有同时满足两个条件本侧保护才动作跳闸：,本侧保护元件已启动。没有收到高频信号。,回顾：（2）传递允许信号方式：收到这种高频信号是高频保护动作跳闸的必要条件。,特点：a.受通道破坏影响b.信号源必须要鉴别是对侧还是本侧发出的高频信号,本侧保护元件已启动。收到对侧的高频信号则跳闸。,只有同时满足两个条件本侧保护才动作跳闸：,回顾：（3）传递跳闸信号方式：收到这种信号是保护动作于跳闸的充要条件。当保护范围内部故障而继电器动作时，发信、收信后则跳闸。,特点：a.受通道破坏影响b.信号源不要鉴别,例如线路两侧均装设距离保护，I段采用方向阻抗继电器，I段动作既跳开本侧断路器，同时发信让对侧跳开断路器。,第三节方向比较式纵联保护,4.3.1方向元件,在纵联方向保护中，方向元件或功率方向测量元件是保护中的关键元件。方向元件的作用是判断故障的方向，纵联方向保护中的方向元件应满足以下要求：,(1)反应所有类型的故障且无死区；(2)不受负荷的影响，在正常负荷状态下不启动；(3)不受系统振荡影响，在振荡无故障时不误动，振荡中再故障时仍能正确判定故障点方向；(4)在两相运行时仍能起保护作用,纵联保护中使用的方向元件主要有：故障分量方向元件等,3.8.1工频故障分量的概念,(a)故障系统,当系统在k点发生金属性短路时，故障点的电压降为0，这时故障系统可以用一等值电路来代替。,等值电路中两附加电压源的电压大小相等、符号相反。假定电力系统为线性系统，则根据叠加原理，可以将其分解成故障前负荷状态和短路附加状态两个子系统。,故障前负荷状态对应于故障前的正常系统，各点处的电压电流均与故障前的稳态负荷情况一致。,短路附加状态中各点的电压电流是由故障引起的电压电流的变化量，其中的工频成分，就是工频变化量。,系统故障时，保护安装处电流、电压的变化量可以分别表示为：,3.8.1工频故障分量的概念,1.故障分量的方向元件,假设电流的正方向由母线指向线路，在正方向短路时，保护安装处工频故障分量的电流、电压关系为：,在反方向短路时，工频故障分量的电流、电压关系为：,可见，利用故障分量的方向元件有明确的方向性。,1.故障分量的方向元件,为了便于实现电压、电流相位关系的判定，实际的方向元件是比较故障分量电压和电流在模拟阻抗Zr上产生的电压之间的相位，设Zr、Zs及Zs的阻抗角相等，所以正方向故障时,其功率方向为正。,即：,考虑各种因素的影响，工频突变量方向元件在正方向故障时功率方向为正的判据为：,以1800为中心，900范围,反方向故障时，其功率方向为负。,即：,考虑各种因素的影响，在反方向故障时，功率方向为负的判据为：,以00为中心，900范围,1.故障分量的方向元件,对于负序、零序分量类似,式中Zs、Z0s分别为母线背后等效电源的负序及零序阻抗,反方向故障时:,正方向故障时：,式中Zs、Z0s分别为线路和对侧等效电源的负序及零序阻抗之和。,1.故障分量的方向元件,负序、零序方向元件在正方向故障时功率方向为正的判据为：,式中Zr、Z0r为元件中的模拟阻抗，其相角分别与电源的负序及零序阻抗角相等。,1.故障分量的方向元件,由以上分析可知，反应故障分量方向元件具有以下几个特点：,（1）不受负荷状态的影响；（2）不受故障点过渡电阻的影响；（3）故障分量的电压、电流间的相角由线路背后的系统阻抗决定，方向性明确；（4）可消除电压死区；（5）不受系统振荡影响。,1.故障分量的方向元件,4.3.2闭锁式方向纵联保护,定义：以通道正常无高频电流而外部故障时发出闭锁信号的方式构成的保护。此闭锁信号由短路功率方向为负的一端发出，这个信号被两端的收信机所接收而把保护闭锁，称为闭锁式方向纵联保护。,1、高频闭锁方向保护,设故障发生于线路BC的范围内。分析1、2、3、4、5、6保护的功率反向。,基本原理：,对非故障线路AB和CD，其靠近故障点一端的保护2和保护5的功率方向为负，则该端的保护发出高频闭锁信号，此信号一方面被自己的接收机接收，同时经高频通道把信号送到对端的保护，保护装置1、2和5、6都被高频信号闭锁。保护不会将线路AB和CD错误的切除。,保护装置组成：起动元件I1和I2，其灵敏度选择的不同，灵敏度较高的起动元件I1只用来起动高频发信机以发出闭锁信号，而灵敏度较低的起动元件I2则准备好跳闸回路。功率方向元件3用以判别短路的方向，4ZJ用在内部故障时，停止发出高频信号，5ZJ用以控制保护的跳闸回路。（5ZJ有动作线圈和制动线圈）,1.外部短路（假设故障发生在线路右侧保护之外）线路左侧保护功率方向为正，右侧保护功率方向为负，此时，两侧的启动元件I1均动作，经过4ZJ的常闭触点启动发信机，发信机发出的闭锁信号一方面为自己的收信机所接收，一方面经高频通道，被对端的收信机接收。当收到信号后，5ZJ的制动线圈中有电流，即把保护闭锁，起动元件I2也同时动作闭合其触点，准备了跳闸回路，在Sk为正的一端，方向元件3动作使4ZJ起动，触点断开停止发信，同时给5ZJ的工作线圈加入电流，在Sk为负的一端，方向元件不启动，4ZJ不动作，故发信机继续发送闭锁信号，,线路左侧保护的5ZJ中两个线圈均有电流，线路右侧保护的5ZJ中只有制动线圈有电流，两个继电器均不能动作，保护被闭锁。,2.两端供电线路区内短路两端保护的I1和I2均动作，其后两端方向元件3和4ZJ也动作，两端发信机均停信，这时5ZJ中就只有工作线圈中有电流，故能立即动作使两端的断路器跳闸。,3.单端供电线路区内短路当只从一端供电的线路内部故障时，在受电端的半套保护不启动，也不发高频信号，而在电源端的保护则能够立即动作使电源端的断路器跳闸。,4.对于用故障分量构成的功率方向元件，在振荡中不会误动对接于相电流和相电压（或线电压）上的功率方向元件，当系统发生振荡且振荡中心位于保护范围以内时，由于两端的功率方向均为正，保护将要误动，而对于反应负序或零序的功率方向元件，则不受振荡的影响。（振荡时三相对称）,对于用故障分量构成的功率方向元件不受振荡的影响。,4.3.3闭锁式距离纵联保护,闭锁式方向纵联保护缺点。,由于在距离保护中所用的主要继电器（如起动元件、方向阻抗元件等）均可用于高频保护中，故可把两者结合起来，做成高频闭锁距离保护，使得内部故障时能够瞬时动作而在外部故障时具有不同的时限特性，起到后备保护的作用。,距离保护：以一端带有II段的时限来切除。,距离保护各段动作区域示意图,G,2,1,3,4,C,A,B,D,1.距离段2.距离段,距离段,60%70%,ZIII,+,1ZJ,收发信信机机,跳闸,tII,ZII,tIII,ZI,2ZJ,工作原理：,灵敏元件ZIII首先起动通过1ZJ常闭触点启动发信。,若故障在A侧I段范围内，则ZI，ZII，ZIII均动作，ZI动作，不管有无闭锁信号，A侧保护均立即跳闸，同时ZII动作使1ZJ动作，触点断开，停止发信。对于B侧，故障在I段范围时，保护动作同A侧，故障在II段范围时，ZII。ZIII均动作，其ZII动作使1ZJ动作，停止发信。两侧均停信，收信机无输出，2ZJ不动作，保护通过2ZJ常闭触点瞬时跳闸。,ZIII,+,1ZJ,收发信信机机,跳闸,tII,ZII,tIII,ZI,2ZJ,ZIII,+,1ZJ,收发信信机机,跳闸,tII,ZII,tIII,ZI,2ZJ,在高频闭锁距离保护中，距离、段阻抗元件需采用何种阻抗继电器？距离段的阻抗元件可采用何种阻抗继电器？距离段可否采用偏移阻抗继电器？若可以的话，需满足什么条件？,在高频闭锁距离保护中，距离、段的阻抗元件需采用方向阻抗继电器，距离段的测量元件可采用全阻抗继电器和偏移阻抗继电器。为实现在外部故障时，高频保护能可靠闭锁，偏移阻抗继电器反方向的偏移度应大于线路对侧距离保护段的保护范围。,4.4纵联电流差动保护,电流差动保护原理建立在基尔霍夫电流定律的基础之上，它具有良好的选择性，能灵敏地，快速地切除保护区内的故障。,4.4.1纵联电流差动保护原理,在线路M和N两端装设特性和变比完全相同的电流互感器，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，差动继电器则并联联接在电流互感器的二次端子上。规定一次侧电流（）的正方向为从母线流向被保护线路，则按照上述联接后，流入继电器的电流即为各互感器的二次电流的总和。,纵差动保护的单相原理接线,（1）正常运行及外部故障时一次侧同一电流从一端流入，又从另一端流出，二次侧也感应相同的电流，此电流在导引线中形成环流，继电器不动作。,图中箭头为电流的实际流向一次电流大小相同相位相反二次电流在绕组中相位相反,4.4.1纵联电流差动保护原理,（2）保护范围内部故障时对于双侧电源供电，两侧均有电流流向短路点，一次侧短路点的总电流为，二次侧差动回路的电流，当时，继电器动作，将故障线路两侧断路器同时跳闸。,I-I,保护范围内部故障情况,一次电流大小可能不同但相位相同，二次电流在绕组中相位相同,（3）纵联差动保护二次侧的电流在导引线中形成环流的连接方式称为环流法纵差动保护。适用于变压器、发电机等电力设备及母线保护。不能应用于输电线路保护。（要求沿线路敷设多根导引线，技术上不可能，经济上不合理）,纵联差动保护主要用于比较重要的短线路以及电力系统元件保护。,由于电流互感器的误差和励磁电流的影响，在正常运行和外部短路情况下，总有某些电流流入差动回路，此电流称为不平衡电流。,考虑励磁电流的影响，二次侧电流的数值为：,在正常运行及外部故障时有：因此流过差动继电器的电流即不平衡电流为：,为保证保护在外部短路及正常运行时不会误动作，继电器正确动作时的差动电流Ir应躲过最大不平衡电流。,即：,计算最大不平衡电流只需考虑外部故障时出现不平衡电流的问题。因此在考虑一次电流最大倍数时，应采用外部故障时流过电流互感器的最大短路电流Ik.max，并保证在这种最大的一次电流电流情况下，二次电流的误差不大于10。通常采用电流互感器的10%误差曲线，这样不平衡电流的稳态值可按下式计算:,Kst为电流互感器的同型系数，当两侧电流互感器的型号、容量均相同时取0.5，不同时取1。,Knp为非周期分量系数，一般取1。,考虑一定的裕度，可得电流纵联差动保护的判据:,为可靠系数，取1.3-1.5。,在保证外部短路或正常运行时保护不动作的前提下，为了提高内部故障时保护动作的灵敏度，通常将外部短路时的最大短路电流Ik.max用实际短路电流Ik来代替，在外部短路时穿过两侧电流互感器的实际短路电流Ik产生的不平衡电流Ires按下式计算,外部故障时的不平衡电流与Ik有关，可表示为：,标量制动,mn为两侧电流的相角差,在差动继电器的设计中让Ires起制动作用，称为制动电流；让差动电流Ir起动作作用，称为动作电流；,则差动保护的动作方程为：,称为制动系数,制动电流采用以上三种形式时，在区外故障时保护都能可靠不动作，但在区内故障时保护动作的灵敏度不同。,标积制动,2.输电线路纵联电流差动保护特性分析,（1）不带制动特性的差动继电器特性,其动作方程为：,Ir为流入差动继电器的电流；Iset为差动继电器的动作电流整定值。,Iset按以下条件整定,1）按躲过外部短路时的最大不平衡电流整定,可靠系数，取1.2-1.3,非周期分量系数，当差动回路采用速饱和变流器时，取1.,电流互感器的10%误差系数。,同型系数。,外部短路时流过TA的最大短路电流值（二次侧）,1.2-1.3110%0.5,2）按躲过最大负荷电流整定,为防止正常运行时TA二次回路断线引起差动保护误动，应躲开正常运行时的最大负荷电流。,可靠系数，取1.2-1.3,线路正常运行时的最大负荷电流二次值,取两个整定值中较大的一个作为差动保护的整定值,灵敏性校验：,内部短路时流过TA的最小短路电流值（二次侧）,（2）带有制动特性的差动继电器特性,差动继电器有两个绕组：动作绕组和制动绕组。,动作绕组：,制动绕组：,这时继电器的动作方程为：,K为制动系数，可在0-1之