220kv输电线路保护方案的分析与设计 电力工程毕业论文

毕业设计论文系别电力工程系专业班级电气工程及其自动化专业电气05K5班学生姓名于腾指导教师李秀琴徐玉琴二九年六月题目220KV输电线路保护方案的分析与设计220KV输电线路保护方案的分析与设计摘要在电力系统中保护装置是系统中的一个关键环节，它直接影响着整个输配电网的运行稳定及安全，任何的电力设备没有保护是不能进网运行的。现在新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。对于220KV输电线路的微机保护方案，有多种配置选择，其中包括高频保护、电流差动保护、距离保护、零序电流保护等等，高频保护和电流差动保护常被用作输电线路的主保护，距离保护和零序电流保护则是后备保护。在220KV电压等级的输电线路上，一般要求装设全线速动的保护装置，对重要的220KV输电线路，一般应选择两套原理不同的保护作为主保护。本文对微机保护的起动元件、选相元件以及采用闭锁信号和允许信号的高频保护、电流差动保护等主要保护类型的原理和分类做了介绍，并根据220KV输电线路保护配置的原则，初步选择了一套220KV输电线路的微机保护配置方案。关键词微机保护；高频保护；电流差动保护；距离保护THEANALYSISANDDESIGNOF220KVTRANSMISSIONLINESRELAYPROTECTIONSCHEMEABSTRACTPROTECTIONDEVICESISAKEYPARTOFPOWERSYSTEM，WHICHDIRECTLYIMPACTONTHEOPERATIONSTABILITYANDSECURITYOFTHEENTIRETRANSMISSIONANDDISTRIBUTIONGRIDANYELECTRICALEQUIPMENTWITHOUTPROTECTIONCANNOTRUNINTHESYSTEMRELAYDEVICESOFHIGHANDMEDIUMVOLTAGEGRADEWHICHPUTINTOACTIONRECENTLYAREALMOSTMICROPROCESSORBASEDPROTECTIONPRODUCTSFORPROTECTIONSCHEMEOF220KVTRANSMISSIONLINES,THEREAREAVARIETYOFCONFIGURATIONOPTIONS,INCLUDINGPILOTPROTECTION,CURRENTDIFFERENTIALPROTECTION,DISTANCEPROTECTION,ANDZEROSEQUENCECURRENTPROTECTION,ETCPILOTPROTECTIONANDCURRENTDIFFERENTIALPROTECTIONISOFTENUSEDASTHEMAINPROTECTIONDISTANCEPROTECTIONANDZEROSEQUENCECURRENTPROTECTIONAREUSEDASTHEBACKUPPROTECTIONTOTHETRANSMISSIONLINEOF220KVVOLTAGELEVELS,NONTIMEOVERFASTPROTECTIONDEVICESNEEDINSTALLINGGENERALLY,TOIMPORTANT220KVTRANSMISSIONLINE,TWOSETSOFDIFFERENTPRINCIPLEPROTECTIONAREASMAINPROTECTIONATTHESAMETIMEINTHISPAPER,THEPICKUPELEMENTS,FAULTSELECTIONELEMENTS,PILOTPROTECTIONWITHBLOCKSIGNALANDALLOWSIGNAL,CURRENTDIFFERENTIALPROTECTIONPRINCIPLEANDCLASSIFICATIONAREINTRODUCEDACCORDINGTOTHEPROTECTIONCONFIGURATIONPRINCIPLEOF220KVTRANSMISSIONLINES,DESIGNADIGITALPROTECTIONCONFIGURATIONSCHEMEOF220KVTRANSMISSIONLINEKEYWORDMICROPROCESSORBASEDPROTECTION；PILOTPROTECTION；CURRENTDIFFERENTIALPROTECTION；DISTANCEPROTECTION目录220KV输电线路保护方案的分析与设计IABSTRACTII1绪论111课题背景112研究现状113论文的主要工作32常用微机保护主保护原理分析421常用选相元件原理4211相电流差突变量选相4212序分量选相5213其它选相元件822微机保护常用起动元件823高频保护原理分析9231高频保护通道及收发信机10232采用闭锁信号的高频保护10233采用允许信号的高频保护1424差动保护工作原理16241电流纵差保护基本原理16242差动保护制动特性及其元件17243电流差动保护分类183微机后备保护原理分析1931距离保护原理分析19311距离保护的构成及其原理19312距离保护的阻抗元件19313距离保护流程图及逻辑框图2132零序电流保护原理分析23321零序电流保护的配置及原理23322零序保护中的零序功率方向元件244220KV输电线路保护方案设计2641220KV输电线路保护选择原则2642主保护、后备保护的选择2643综合重合闸的选择原则2644保护方案275结论28参考文献29致谢311绪论11课题背景输电线路是电力系统中的重要组成部分，而输电线路的保护也成为了电力系统保护中的重中之重。随着微机保护的研究、应用、推广与实践，现在新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品1。在地区电网中，220KV系统是电力输送主网架，220KV线路多数都是环网运行，经过近几年大规模的电网改造，220KV变电站布点日趋紧密，造成220KV线路越来越短，220KV系统电网结构进一步加强，电能潮流分布更加合理，但这对电网继电保护性能带来新的问题，继电保护的不正确动作会严重破坏原本合理、坚强的电网结构，甚至使电网瓦解，因此对继电保护配置与运行方案进行深入分析，合理地安排继电保护设备的运行方式，对电网的安全稳定运行有重要意义2。12研究现状由于220KV及其以上的高压、超高压电网的系统稳定的要求，在220KV电压等级的输电线路上，一般要求装设全线速动的保护装置。对于中长距离的220KV线路，一般采用高频保护作为主保护。对重要的220KV输电线路，一般应选择两套原理不同的高频保护作为主保护。对220KV的短线路（例如5KM及以下的输电线路），可选择线路纵联差动保护作为全线速动的主保护。对于接地短路故障，零序电流保护的、段或接地距离保护的、段作为接地故障的主保护。距离保护、段、零序电流保护段以及对本线路末端有足够灵敏度的段为近后备保护。距离段及零序电流保护段为远后备保护。重合闸一般选用综合重合闸装置45。文献6指出按照获得对侧电量方法的不同，纵联保护可以分为四类导引线纵联差动保护、输电线路载波保护（高频保护）、微波保护和光纤纵差保护。按照实现纵联保护的原理划分，纵联保护可以分为纵联方向保护和差动纵联保护。在现代输电线路中（超）高压输电占据了绝大部分，而微机保护的研究也是从高压输电线路开始的，微机保护已在全国电力系统中得到了广泛的应用。在微机型输电线路的高频保护中，目前应用最广泛的是方向高频保护。方向高频保护的构成原理主要有闭锁信号和允许信号两种方式。在环网或双回线路上，当一回线发生故障时，由于故障线路两侧的断路器相继动作造成非故障线路的短路功率改变方向，从而有可能使得非故障线路的方向高频保护误动6。随着微机保护与网络通信等技术的结合，变电站自动化系统、配网自动化系统也已经在全国电力系统中得到了广泛的应用，进一步提高了电力系统的安全、稳定、可靠和经济运行，为电网高质量的电能传输和供电提供了更好的技术保障，也为变电站无人或少人值班创造了必要的条件。文献7根据目前电力通信系统状况和线路保护的设备水平，阐明了用于超高压线路纵联保护传输信号的通信方式，例如载波、光纤及微波通道等，针对这些不同的通信方式的保护形式进行选择分析后认为，在考虑220KV及以上电压等级的线路纵联保护方案时，保护信号传输通道应首选复用数字通信电路，逐渐淘汰载波通道，保护形式应首选分相电流差动保护；允许式方向或距离保护复用通信通道，经RS232串行口与通信终端连接，其起止式异步传输方式值得借鉴。距离保护是利用短路时电压，电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，反映故障点到保护安装处的距离而工作的保护。通过判断故障方向，测量并比较故障距离，判断出故障位于保护区内还是保护区外，从而决定是否需要跳闸，实现保护。通常情况下，距离保护可以通过测量短路阻抗的方法来间接的测量和判断故障距离8。在中性点直接接地系统中发生接地故障（包括单相接地和两相接地）时，出现零序的分量电压、零序电流及零序功率。而在系统正常运行和相间短路等情况下，理论上均不存在零序分量。因此，利用零序分量构成输电线路的接地故障保护具有明显的优点9。在采用单相重合闸的线路中（220KV及以上电压等级的输电线路中），零序保护应分为两部分，一部分是全相运行运行条件下的零序保护，通常由三段或四段组成，另一部分是非全相运行条件下的零序保护，通常由两段组成6。在我国超高压输电系统中，由于选相跳闸的需要，选相元件成为超高压输电线路保护装置中的重要元件。在常规的保护装置中，选相元件的作用是单相接地故障时准确的选出故障相实现单相重合闸功能，在两相和三相故障时实现三相跳闸。近年来。随着数字式微机保护装置在系统中的广泛应用，要求选相元件不仅要准确判别出单相故障的故障相，还要准确判别相间故障的相别。因为此时选相元件不仅为自动重合闸服务，同时也是保护装置的测量元件（如距离元件）的正确动作和提供打印出故障故障类型所必需的数据。此外，选相也是精确故障测距的重要一环9。文献9指出,早期的传统保护通常采用相电流选相元件、低电压选相元件和阻抗选相元件。相电流和低电压选相元件虽然实现简单，但前者仅适用于电源侧且灵敏度较低，容易受负荷电流和系统运行方式的影响，因此只作为辅助选相之用。后者仅适用于电源较小的受电侧或线路很短的送电侧,应用场合受到限制。阻抗选相元件受负荷电流和过渡电阻的影响较大，现在也不单独使用，往往作为辅助判据。在数字式微机保护中，选相元件通常由软件实现，这给选相元件的实现带来了很大的灵活性。目前主要采用工频相电流差突变量选相和序分量相结合的选相元件。并对突变量选相、序分量选相、基于故障暂态量选相、基于人工智能的选相元件、同杆并架双回线故障选相进行了很好的归纳总结。文献11对目前实用的突变量及稳态量选相元件进行了比较，指出了其特点和存在的不足。重点分析了目前选相方案的弱馈侧选相、灵敏度配合以及在系统振荡条件下存在的阻抗识别失配等问题，提出了改进的实用选相方案。13论文的主要工作超高压输电线路的保护是现代电力系统中的一个关键环节，它直接影响着整个输配电网的运行稳定及安全。对于220KV输电线路的微机保护方案，有多种配置选择，而每一种配置都有着各自的特点。本文着重介绍了其中的主要原理，首先分析微机保护的起动元件和选相元件的原理及各种形式分类；然后重点介绍了采用闭锁式信号和允许式信号的高频保护，并对其中出现的问题进行了分析；之后介绍了差动保护的工作原理；对于微机保护常用的后备保护，本文也作了详细的介绍，通过对距离保护和零序电流保护的原理分析，进一步了解了后备保护的配置；本文在最后根据220KV输电线路保护配置的原则，初步选择了一套保护方案。2常用微机保护主保护原理分析21常用选相元件原理在我国超高压输电系统中，选相元件已经成为超高压输电线路保护装置中的重要元件。在传统常规保护装置中，选相元件的作用是单相接地故障时准确判断出故障相实现单相重合闸功能，在两相和三相故障时实现三相跳闸。随着微机保护装置在现代电力系统中的广泛应用，要求选相元件不仅要准确判别出单相故障的故障相，还要准确判别相间故障的相别。因为此时选相元件不仅为自动重合闸服务，同时也是保护装置中的测量元件如距离元件的正确动作和提供打印出故障类型所必需的数据。此外，选相也是精确测量故障距离的重要一环。选相元件可由电流元件和电压元件来实现。电流元件可作为辅助元件，零序电压元件可作为接地故障与相间故障的识别元件。但应用最广泛的选相元件为阻抗选相元件。就是用接地阻抗元件担任选择故障相别的任务。随着微机保护装置的不断更新，为采用新型选相元件提供了条件。因为，在微机保护装置中选相元件只不过是一段程序。211相电流差突变量选相在数字式微机保护中，利用其记忆功能，可以很容易的获得电流或电压的突变量即故障分量。目前广泛采用的相电流差突变量选相是利用不同故障时两相工频电流差的变化量的幅值特征选相，附加鉴别有无零序分量区分两相短路和两相短路接地。该元件在故障初期灵敏度高，不受负荷电流和过渡电阻影响9。相电流差突变量选相有如下的结论当发生单相接地故障时，非故障的两相电流差为零，与故障相有关的两个差电流绝对值相等；当发生两相或两相接地故障时，故障两相的差电流最大，而包含非故障相的两个差电流相等；对于三相电路，三个相电流差相等6。根据以上我们分析得出的结果，在微机保护中实现选相元件的做法是故障后首计算出、，将、进行比较排队，可分为大、ABICAIABICAI中、小量。当满足条件1大量小量，且中量小量，则为单相故障，小量所对应的相别为非故障相。当不满足上述条件时，为相间故障。按以下条件判别故障相别。当满足条件2大量一中量中量一小量时，大量所对应的相别为故障相别。例如当发生A相单相接地故障时，必有又由于几接近于零，CAIBCIBCI故可满足条件1，判为A相故障。当发生BC两相故障或BC两相接地故障时，必有或。CABCABCBI理论分析表明，发生BC两相故障或BC两相接地故障时有，所以中量一小量AI的理论值为零，故可满足条件2。如要区分两相故障和两相接地故障，可加人零序电流的判断条件。对于三相故障，由于三相对称，故、三个量的大、中、小排队顺序可ABICAI能有三种情况，由于三个相电流差值相等，不可能满足条件1。因此，三相故障可判为AB或BC或CA故障。而对于距离保护来说，对称短路时，取任意相间的电压、电流的阻抗计算结果完全一样。图21是相电流差突变量选相元件部分流程图。入口A相接地AB两相接地或AB两相短路至其他选相程序段ABBCIICABCIIABCACABCIIII（）（）YYYN,ABBCCAIII比较，的大小,ABBCCAIII计算，ABCABCIIIN图21相电流差突变量选相元件流程图212序分量选相系统故障时，可分为正常网络和故障附加网络的叠加。对故障附加网络运用对称分量法进行分析，可得到各序电流或电压分量在不同故障下的相位和幅值特征。利用故障分量的正序和负序电流比较相位可构成选相元件。图22是发生各种不对称故障时正序电流与负序电流的相位关系图。1AI2AI由图22的电流向量图可以看出1A相接地时，与同相位。122B相接地时，超前。AI1I0O3C相接地时，滞后。24BC两相接地和BC两相短路时，与相位相反。2AI15CA两相接地和CA两相短路时，滞后。I60O6AB两相接地和AB两相短路时，超前60。21图22各种不对称短路与的相位关系1AI2根据以上分析，针对单相接地故障，我们可以将平面划分为三个动作区。如图23所示。每个动作区为120。针对两相接地和两相故障，我们也可以将平面划分为三个动作区。如图24所示。每个动作区为120。由图23和图24的选相元件动作区我们可以看出，单相故障与相间故障的动作区有重叠部分两相短路与两相接地短路的动作区相同。为此，我们需要另加判断条件。（1）为区别单相接地故障和两相接地故障，可比较正序电流与负序电流的绝对值的差，注意到图24，单相接地时，正序电流与负序电流的绝对值相等，因此，其差值为零；而两相接地短路时，正序电流的绝对值大于负序电流的绝对值，其差值为某一值。合理设值门槛值，当正序故障电流和负序故障电流的绝对值的差值大于门槛值时时，则为2MKI两相接地故障，否则，为单相故障。（2）判断零序电流是否大于某一门槛值来区别是否为接地故障，若大于门槛值，1MKI则为接地故障，否则就是相间故障。图23单相故障选相元件动作区图24相间故障选相元件动作区在考虑上述附加判别条件后，可以得到选相元件的判别方程，列写如下A相单相接地OAOI60ARG21B相单相接地OAOI60ARG18021C相单相接地OAOI180ARG602AB两相和AB两相接地故障OAOI0ARG1221BC两相和BC两相接地故障OAOI240ARG101CA两相和CA两相接地故障OAOI120ARG0213其它选相元件由故障分析的基本概念可知，当系统中发生任何类型的故障时，都可以看成是正常运行状态与故障状态的叠加。在微机保护中，获得故障分量是比较容易实现。采用克拉克变换法，可将故障分量分解为模1分量、模2分量和零模分量。模分量选相在微机保护中也是非常重要的，通过故障时获取的模分量的数据，经过数学处理，可以清晰地反映出相间故障，两相故障以及两相接地故障。提高电力系统暂态稳定性，对保护的动作速度提出了更高标准。传统的单纯依靠工频量的保护原理不易满足为快速切除故障而带来的对系统稳定性的要求。因此，新型的基于故障暂态量的超高速保护引起了人们的注意。由于暂态保护的动作速度大为提高，作为继电保护重要环节的选相元件的选相随着电力系统规模的日益扩大，大容量机组和超高压输电线路的增多，为了增大输电线路传输速度和容量也提出了更高的要求。为适应发展需要，展开了基于故障暂态量的选相元件研究。人工神经网络ANN是模拟人类神经系统传输、处理信息过程的一种人工智能技术。它包括分布式存储知识的结构，不仅可以存储大量信息，而且连接的权和连接结构都可通过学习和训练得到，具有自适应和自组织能力。不管输电线路发生何种故障，只要利用仿真结果对神经网络进行训练，使其产生所需要的响应，即可将其应用于故障选相。22微机保护常用起动元件所有微机继电保护装置中都设有起动元件。起动元件的动作表示故障的开始；只有起动元件动作以后，保护才能出口；保护逻辑回路中一些时序回路的时间是由起动元件起动后开始计时的；主要测量元件的延时是由测量元件本身起动后才开始计时的。有些测量元件也可以在起动元件起动后才开始测量，这样该测量元件可以完全不受故障影响，但这将给测量元件的动作增加了起动元件的起动时间。因此，起动元件对所有各种类型的故障都应能快速、灵敏地反映。加速起动元件的动作速度，将有利于提高整组保护装置的动作速度。对于微机型继电保护装置，一般是在起动元件起动后才转入故障处理程序的。文献13保护起动元件用于开放保护跳闸出口电源，并使程序转入故障处理程序。各保护采用的的起动元件原理相同，只是有的起动元件某些保护不采用。包括以下几种起动元件（1）相电流差突变量起动元件该元件在大部分故障情况下均能灵敏起动，是主起动元件。其判据为或IIQD30II其中，2KKNKNKNIIII指AB、BC、CA三种相别，为零序电流突变量，IQD为突变量起动定值。30I当任一相电流差突变量连续4次超过起动门槛时，保护起动。（2）两健全相电流差突变量起动元件发展性故障靠反映两个健全相相电流差突变量的元件起动。电流差突变量起动元件动作后，投入监视发展性故障的两健全相电流差突变量起动元件。该元件投入的条件除了电流差突变量起动元件动作，还有另一个条件为故障处理程序判为单相故障或其它保护动作跳开单相。该元件采用模糊控制方法实现，具有自适应功能，不需用户整定。振荡周期越短元件动作门槛值越大，可以防止振荡中元件误起动；门槛值还可以自适应地随第一次故障短路电流水平的提高而提高。（3）零序电流辅助起动元件作为在单相经大电阻接地220KV考虑100,500KV考虑300或零序四段范围内故障而按照木线路末端故障整定的电流差突变量起动元件灵敏度不够时的起动元件，它可以整定的比较灵敏，是辅助起动元件，带150MS延时动作。其判据为304I其中为3倍的零序电流，为零序电流辅助启动定值。0I23高频保护原理分析现代电力系统大多是多电源系统，这就为输电线路的保护提出了更高的要求。例如一个双侧电源系统，在输电线路两侧都装设了三段式距离保护。每侧距离保护的第一段的保护范围为线路全长的85。当线路发生故障时，当故障点位于靠近线路两侧的各15范围时，总有一侧要以距离保护二段的时间切除故障。这样长的故障切除时间对于220KV及其以上的高压、超高压电网不能满足系统稳定的要求。因此在220KV及以上电压等级的输电线路上，必须装设全线路故障都能快速动作的保护。所谓高频保护，即是应用载波技术，以输电线路本身作为通道，将线路两侧工频电气量或两侧阶段式保护中测量元件的判别结果调制在频率为40500KHZ的高频电波上，沿通道互相传送；两侧保护收到此高频电波后，再将其还原为工频电气量或判别结果并在各自的保护中比较这些数据量，以判断是区内故障还是区外故障，并达到保护线路的目的。而要构成能反应两端电气量的保护，必须具有能反应两端电气量的信号和传输这个信号的通道。实现全线速动的保护必须反映线路两侧的电量，由于线路两侧在地理上是两个不同位置的变电站，这就有一个如何获得对侧电量方法的问题。根据获得对侧电量方法上的不同，纵联保护可以分为导引线纵联差动保护，输电线路载波保护（高频保护），微波保护和光纤纵差保护。由于输电线路正常传送50HZ的工频信号，传送对侧电量的载波信号必须与工频信号在频率上有很大差别。通常工程上采用40500KHZ的信号作为载波信号，所以采用这种通道的保护又称为高频保护。由于利用输电线路作为信号传送的通道，它的可靠性较高。但在线路发生内部故障时有可能造成通道损坏，信号不能及时传送到对端，这对于采用允许信号的高频保护会造成拒动发生的情况。由于其它原因造成的通道破坏对采用闭锁信号的高频保护在区外故障时会产生误动情况的发生。231高频保护通道及收发信机在高频保护系统组成中，高频通道占有非常重要的地位，同时也发挥着至关重要作用。高频保护运行的好坏，不仅取决于高频保护装置本身很大程度上也取决于高频通道的工作状况。因此，高频保护通道的工作好坏是高频保护正确动作的重要前提。输电线路的高频保护是利用线路作为信号的传送通道，所以在保护装置的运行中要对输电线路进行高频加工。1相地制高频保护通道的组成1）阻波器。由电感线圈与电容器并联组成。其参数对该线路上的高频信号呈现很大的阻抗，阻止高频信号向母线分流。对工频信号阻波器的电感线圈仅呈现很低的阻抗（约为004），因此，对工频信号的传送没有影响。2）结合电容器。对高频信号呈现低阻抗对工频信号呈现高阻抗。保证高频信号顺利传送到输电线上，防止高电压侵入收发信机。3）接地刀闸。4）高频电缆。5）放电间隙。6）收发信机。7）保护设备。8）结合滤波器。2相相制高频保护通道主要应用到采用允许信号的高频保护中。详见本文对允许式高频保护的原理分析。3高频保护中的收发信机在高频保护中，都装设发出和接受高频信号的装置，即高频收发信机。目前在高频保护中应用的收发信机主要有两种形式，一种是专用发信机，另一种复用载波机。采用闭锁信号时为专用收发信机方式，而采用允许信号时为复用载波机方式。专用收发信机一般为单频率、调辐式。正常时发信机不向高频通道发出高频信号，故障时由保护的起动元件突变量电流元件或反方向元件起动发信，当正方向元件动作后控制发信机停信。微机保护中的收发信机有以下几大部分1）频率合成电路2）输入接口3）功率放大电路4）输出滤波电路5）收信滤波器6）解调电路7）收信输出8）前置放大电路232采用闭锁信号的高频保护在微机型输电线路的高频保护中，应用最为广泛的是方向高频保护。方向高频保护的构成原理主要有闭锁信号和允许信号两种方式。1闭锁式高频保护原理设如图25所示双侧电源系统。在MN线路上发生故障时，对于故障线路MN，流过M侧和N侧的电流均为母线向线路的方向；对于非故障的线路NP，流过N侧的电流为由线路向母线，而流过P侧的电流为由母线向线路。在微机保护装置中，设有突变电流起动元件，当故障时，该起动元件可靠动作，控制发信机发出高频信号，当故障电流为由母线流向线路时，正方向元件动作，控制发信机使其停止发信；当故障电流为由线路流向母线时，正方向元件不动作，发信机受起动元件控制，仍处于发信状态；保护的跳闸条件为正方向元件动作，且收不到高频闭锁信号。因此对于内部故障的MN线路来说，线路两侧的正方向元件都动作，两侧的发信机均停止发信，于是，两侧的方向高频保护都满足跳闸条件，使断路器跳闸。对于感受为区外故障的NP线路来说，线路N侧的正方向元件不动作，N侧发信机一直处在发信状态。所以，N侧保护不满足跳闸条件。线路P侧的正方向元件动作，但是，由于收到N侧发来的高频闭锁信号，所以，P侧保护也不满足跳闸条件，从而非故障线路上的高频保护不动作。图25双侧电源系统图可见，采用闭锁信号时，高频信号是在无故障的输电线路上传送，而在发生故障的线路上并不传送高频信号。这样，区内故障时，由于故障造成高频信号传送通道破坏，高频信号无法传送时，不会造成保护拒动，这是采用闭锁信号的优点。2闭锁式高频保护几个注意问题在实际的线路保护运行过程中，随时会有各种复杂的故障，其中包括发生的区外故障，这时应考虑如何保证保护不误动。由图25看出，在区外故障时，应由近故障点侧的保护3QF发出闭锁信号，将远故障点侧的保护4QF闭锁。一旦闭锁信号消失，而远故障点侧的正方向元件处于动作状态，必将造成远故障点侧保护误动。以下分析区外故障可能发生误动的几种情况。1采用启动元件带来的问题。当高频闭锁保护中启动元件启动发信时，在区外故障的某一点故障时，如故障电流刚好等于起动元件的定值，由于电流互感器的误差和起动元件动作值的离散性，可能造成近故障点侧的起动元件不动作不能发出闭锁信号，从而造成远故障点侧保护误动。解决方法是采用两个灵敏度不同的起动元件。其中低定值的起动元件灵敏度高，用于起动发信；高定值的起动元件灵敏度较低，用于开放跳闸回路；高定值起动元件的定值为低定值起动元件定值的1620倍。这样保证只要有一侧的高定值起动元件动作，两侧的低定值起动元件必然都动作。在微机保护中也可采用正、反两个方向元件，正方向元件用于停信，反方向元件用于发信。要求反方向元件的灵敏度高于正方向元件的灵敏度，或采取反方向元件优先的原则，即反方向元件动作后闭锁正方向元件。2）区外故障时，如果近故障点侧的起动发信元件拒动而不能起动发信时，则造成远故障点侧保护误动。如图25中D点故障时，3QF处的起动发信元件有问题而不能起动发信，就会造成远离故障点侧的方向高频保护误动。解决这一问题的方法是在发信机的起动发信回路中增设远方起动发信回路，即收到对侧的高频信号后也可以起动发信。区外故障为保证通过远方起信回路可靠发信应在停信回路中略带延时，即故障时，即使故障电流为正方向，也要短时发信。这样，如果区外故障时近故障点侧的起动元件拒动而不能发信，可由远故障点侧的起动元件起动后短时发信，该信号经高频通道传送到对侧，通过远方起动发信回路使发信机发信。此延时应大于高频信号在输电线路上传送一个来回所需的时间。采用远方起信回路的高频保护应设有解环时间，一般为10MS。当然，在发生了区内故障时，线路两侧均感受为正方向，也会短时发信。由于两侧均为正方向，经短延时后会停止发信。综合以上分析，采样闭锁信号的方向高频保护的跳闸条件可归纳为A相电流差突变量电流起动元件动作。B正方向元件动作。C先收到L0MS高频信号。D然后收不到闭锁信号。采用故障时起动发信、闭锁信号构成高频保护时，在正常运行条件下，高频通道上不传送高频信号，因此，对高频通道的完好性无法监视，一旦通道破坏而又发生区外故障，就会造成保护的误动。所以，应由值班员定时对高频通道进行检查，以监视高频通道的状态。3）区外故障切除由于近故障点侧的启动发信元件先返回，而远故障点侧的正方向元件后返回造成的误动。解决的方法是在发信回路增加延时措施，一般延时返回时间取025S即可。4）采用闭锁信号且设有远方起动发信回路后，在单侧电源发生内部故障时，电源侧保护会拒动。为解决这一问题，通常采取的措施是在发信控制回路加入断路器跳闸停信回路。由于增加了跳闸停信回路，使起动元件不动作的一侧的发信机就不发闭锁信号，从而使保护正确动作。3闭锁式高频保护逻辑框图图26闭锁式高频保护逻辑框图233采用允许信号的高频保护1允许式高频保护工作原理如图26，在MN和NP线路上都装设了允许信号的高频保护。在MN线路上发生故障时，故障线路MN，流过M侧和N侧的电流都是母线向线路的方向；对于非故障的线路NP，流过N侧的电流为由线路向母线，而流过P侧的电流为由母线向线路。文献6中采用允许信号时，当某一侧的正方向元件动作后，立即向对侧发出允许信号。保护跳闸的条件是1）相电流差突变量起动元件动作。2）本侧正方向元件动作。3）收到对侧发来的允许信号。这样，对于故障线路MN，每侧的正方向元件都可靠动作，因而可向对侧发送允许信号，两侧的高频保护均满足跳闸条件，可靠动作。而对于非故障的NP线路，N侧正方位元件不动作，因而，不能向对侧发送允许信号。P侧正方向元件动作，可向N侧发送允许信号，但由于N侧正方向元件不动作，故保护不能跳闸。P侧虽然正方向元件动作，但由于收不到N侧发来的允许信号，也不满足跳闸条件。图28为允许式高频保护逻辑框图。2允许式高频保护运行中出现的问题及解决方案采用允许信号时，区内故障时，高频通道上有高频信号传送。这样就会造成通道破坏会引起保护拒动。为此，采用允许信号的高频保护的收发信机一般为复用载波机。收发信机为长期发信方式，采用移频键控式工作方式。故障时，立即停发监频信号，改发跳频即允许信号信号。监频信号与跳频信号的频率不同。而每侧的收信机只能接收对侧的导频或跳频信号。不像闭锁信号的高频保护，收发信机采用单频率调幅工作方式，每侧的收信机既可接收本侧高频信号，也可接收对侧的高频信号。另外，采用允许信号时，高频通道多采用相一相制工作方式，即高频信号主要在两加工相传送。这样，在区内发生相间故障时，由于故障可能造成允许信号无法传送到对侧，从而使保护被闭锁，不能跳闸。为此，在微机型高频保护中，应设有解除闭锁式。解除闭锁式就是针对区内相间故障通道破坏保护拒动而采取的一种措施。解除闭锁式跳闸的条件是起动前收到的导频信号正常；起动后收不到导频信号，同时也收不到跳频信号；故障为相间故障；本侧正方向元件连续动作一段时间（20MS）。当满足以上条件时，保护可发出跳闸命令。图27允许式高频保护逻辑框图24差动保护工作原理差动保护是利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧，每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位比较的结果区分是区内还是区外故障。可见这类保护在每侧都直接比较两侧的电气量。高压输电线路电流差动保护由于其原理简单，性能可靠，是保护高压线路的可行方案。241电流纵差保护基本原理电流纵联差动保护就是将被保护线路各端电流的大小和相位送至对端并进行比较，从而判定本线路范围内是否发生短路故障的保护方法。由于这种保护无须与相邻线路的保护在动作参数上进行配合，因而可以实现全线速动。MNIMINIGID图28电流纵联差动保护原理图图中输电线两侧装设性能和变比完全相同的电流互感器。MN分别为线路两端母线。和分别为两端电流向量，正方向为由母线指向线路。忽略线路电容电流及其它不平MIN衡电流，当输电线外部短路如图中D点所示时，M侧电流为正，N侧电流为负，线路两侧电流大小相等，方向相反0BADII保护不动作。当输电线内部出现短路故障如图中G点所示时，流经输电线两侧断路器的故障电流均从母线流向线路，即线路两侧电流同相。G点流过的短路电流为IG，此时两端差动电流0BADII所以可以根据IG的值来判定MN段线路内是否发生了短路故障，保护速动。用于高压输电线路的电流差动保护原理的基本动作判据可表示为021IFKI式中I1为线路各端电流的相量和，FI2为各端电流的函数，K为制动系数，I0为差动保护的整定值。式中左边的第一、二项为动作量和制动量。可以看出，该判据的动作量完全消除了被保护线路非故障状态下的电流，无论线路非故障状态下的电流如何变化，它都具有分辨故障分量的能力，适应电力系统的振荡、非全相等各种复杂的运行状态23。242差动保护制动特性及其元件1CSL103B数字式输电线路纵联电流差动保护的比例制动电流差动保护动作判据DZIDZI30B60DZII2NMBII式中，线路两端的相电流相量MIN分相电流差动整定值对应于；DZCDI分相差动电流；I分相制动电流；B图29比例制动分相差动元件制动特性2零序电流差动元件比例制动零序电流差动元件动作方程为ID0IDZ0ID0K0IB0其中为零序差动电流0MND3I为零序制动电流B0IK0制动系数，可以整定，建议取值在0709左右；IDZ0零序电流差动整定值。IDZ0ID0K0IB0动作区图210比例制动零序电流差动元件制动特性243电流差动保护分类从构成保护基本结构来看，电流纵差保护可以分成以下两大类1模拟式电流纵差保护模拟式电流纵差保护又称集成电路式电流纵差保护，其原理是将两端装置采集到的电流值模拟量传送到对端进行差动比较的保护方法。在实际应用中，两端采集到的电流量通过相应的电路转换为反应各相电流或各序电流的差动比较量。然后通过信息通道将此电流量，传至对端由特定的差动比较电路进行判别。2数字式电流差动保护数字式电流差动保护是基于微处理器实现的保护装置，其保护功能是基于一定的软件算法来实现的。在数字式保护中，所处理的都是数字量，我们所得到的电流量是通过对CT二次侧的电流以一定的频率进行采样所得到的一系列离散的采样值，所以，数字式的电流差动保护装置和模拟式最大的不同就是传送的差动比较量不是具有连续波形的模拟量，而是由特定的离散采样值经过一定的算法处理得到的数字量离散值。显然，差动比较量应该是两端装置在同一个时刻或同几个时刻的采样值处理后得到的量。所以，数字式电流差动保护的基础就是要实现两端装置的同步采样。这是数字式保护和模拟式保护区别所在20。3微机后备保护原理分析31距离保护原理分析在我国高压输电线路的保护中，距离保护是应用最广泛的保护。根据距离保护接线方式的不同，常规距离保护分为互相独立的相间距离保护屏和接地距离保护屏。在微机型距离保护中，由于阻抗继电器是由计算机控制实现的，所以微机型距离保护的软件包括相间距离保护与接地距离保护功能。311距离保护的构成及其原理文献10中指出，微机距离保护与常规距离保护类似，它的主要构成元件有1突变量起动元件。相当于常规距离保护中的元件。该元件的主要功能是023I判断系统是否发生故障。2阻抗测量元件。包括三段式相间距离和三段式接地距离保护中的阻抗元件。与常规距离保护完全一样，相间距离保护采用零度接线方式，而接地距离保护采用带零序电流补偿的接线方式。不同的是，微机保护中的接线方式是由软件实现的。3振荡闭锁模块。与常规距离保护一样，由于电力系统发生振荡时，距离保护各段的阻抗元件都有误动的可能，为防止距离保护误动，对距离保护中的I、II段采用短时开放的原则，而距离保护的III段可用延时躲过振荡的影响。只要故障时问从故障发生起不大于150MS距离保护就不必考虑系统振荡的问题。一个简单而可靠的办法是延时来躲振荡，并且阻抗动作特性越小，用来躲振荡的延时也越小。距离III段由于其延时一般较长可以躲过振荡周期，所以不必闭锁。对于距离、II段，按整定计算规程，只要I段带05S延时，II段带1S延时，通常均可可靠地躲过振荡13。4静稳定破坏检测模块。该模块可以判断系统无故障情况下是否引起振荡。与常规距离保护一样，可用阻抗三段和相电流元件实现。5选相模块。在微机距离保护中，对阻抗的测量分为两种类型一种是故障后只计算故障相或故障相间的测量阻抗，而不计算非故障相或相间阻抗，除特殊的判断外，例如在220KV及以上电压等级的电网中，判断转换性故障时；另一种是故障后计算所有相间及接地阻抗。在第一种情况下，软件中应设有故障相选择元件。6区段划分、跳闸及后加速模块。主要实现测量阻抗与各段定值的比较、发出跳闸命令、判断断路器是否跳开、收回跳闸命令、等待重合闸及重合到故障上的后加速功能。7电压互感器二次断线判别模块。实现判别电压互感器二次一相、两相、三相断线的判别功能。312距离保护的阻抗元件微机距离保护的阻抗元件动作特性主要有三种，圆特性阻抗元件的动作特性和多边形特性以及带偏移的四边形特性。在我们的实际微机保护设备中大部分还是选择后两种。多边形特性既可以有效地防止相邻线路出口经过渡电阻接地时的超越；也可以在区内经较大过渡电阻接地时保证可靠的动作；还可以在震荡闭锁期间，通过减小方向的ZDR数值，降低震荡的影响1。如图31A的动作特性是一个带偏移的四边形特性。反方向的偏移度为5。JXRZZDCDAB48O78O72O30O12O12OA带偏移的四边形特性B多边形特性图31四边形及多边形阻抗元件的动作特性针对图31B的动作特性，判断测量阻抗是否落在动作区内的方法。将图31B的动作特性划分为三个区域，分别为A、B、C区。其中动作特性在第二象限的部分为A区，动作特性在第一象限的部分为B区，动作特性在第四象限的部分为C区。仍假设测量阻抗的电阻和电抗分量分别为和。则可得以下判别式MRX测量阻抗在A区的判别式，31032DZM332TGXR测量阻抗在B区的判别式，340M351TZM36903OGXRD测量阻抗在C区的判别式，370M38Z392TGRX式中RDZ、XDZ用户的整定值。313距离保护流程图及逻辑框图测量阻抗在矩形区内置区内标志取RM和XMRM0XM0RM0XM0测量阻抗在第三象限置反向标志测量阻抗在C区内RM0XM0RM0XM0测量阻抗在A区内测量阻抗在B区内置区外标志置区内标志入口YESNOYESNONOYESNOYESNOYESNOYESYESNOYESNO图32偏移特性的多边形阻抗特性判别流程图图33距离保护逻辑框图32零序电流保护原理分析在中性点直接接地系统中发生接地故障包括单相接地和两相接地时，会出现零序分量的电压、电流及零序功率。而在系统正常运行、全相振荡、相间短路等情况下，理论上均不存在零序分量。因此，利用零序分量构成输电线路的接地故障保护具有明显的优点。在采用单相重合闸的线路中220KV及以上电压等级的输电线路，零序保护应分为两部分。一部分是全相运行条件下的零序保护，通常由三段或四段组成。另一部分是非全相运行条件下的零序保护，通常由两段组成。321零序电流保护的配置及原理突变量选相零序段全相运行零序段零序段零序段零序段零序不灵敏段零序不灵敏段整组复归返回主程序故障处理程序入口NOYESNOYES图34零序保护功能程序框图微机保护装置在个相运行时配置了四段零序方向保护，每段都可由控制字选择经方向或不经方向元件闭锁。零序段和零序、段分别由段投入压板和零序其它段投入压板控制投退。非全相时设置了瞬时段和延时段两段零序保护，通常称为小灵敏段和段。其方向也可由控制字投退。不灵敏段由零序上段投入压板控制投退，不灵敏且段由零序其它段投入压板控制投退。突变量启动元件或零序辅助起动元件动作后，转入故障处理程序，全相运行时投入零序、段。零序、段动作后选相跳闸。零序段动作后由控制字选择二跳或者永跳。非全相运行时，闭锁零序、段，投入零序不灵敏、段。零序不灵敏、段动作后三跳出口。在持续一个可整定的时间TRS内，若零序各段和起动元件均不动作，保护整组复归。关于CT断线的问题。保护在零序电流持续12S大于段整定值I04时报警，并闭锁零序各段。为防止CT断线引起灵敏的零序段或段的误动作，保护零序方向元件的有一电压门槛约15V，从而实现CT断线时不误动。装置还设置了3UO突变量元件，动作门槛固定为2V有效值。如果正常运行时3U0的工频不平衡分量较大，可以投入该元件。零序保护各段都经过此3U0突变虽元件的闭锁13。322零序保护中的零序功率方向元件在一个双侧电源的接地系统中，为防止在反方向发生接故障时，零序保护误动作，应加人零序功率方向元件。在常规保护中，零序功率方向元件由感应型、整流型、半导体晶体管型等构成。在微机保护中，由零序电流的采样值和零序电压的采样值按某种算法判别零序功率方向。在电压互感器二次正常时无断线，零序电压由得到，称为自产CKBAKU。因为，在电压互感器二次不断线的情况下，由三相电压相加得到的值就是三倍零序03U电压。而当电压互感器二次断线的情况下，则三相电压相加的值与真实的是不一样的。03此时，必须直接取用电压互感器开口三角的零序电压。在电力系统继电保护反事故的措施中，为防止由于开口三角的零序电压引人保护装置时的接线错误造成保护误动，要求开口三角的零序电压可不引人保护装置，零序保护中的零序功率方向元件一律采用自产，当电压互感器二次断线后，可取消零序功率方03U向元件。目前在有些微机保护中仍然引人开口三角的零序电压，此时，保护的软件做法是1设有电压互感器二次断线判别程序；TU二次正常时，用自产。03U2自动识别开口三角电压接人极性。3TV二次断线时，控制字中有一位，用户可选择取消零序功率方向元件或零序功率方向元件的零序电压切换为开口三角的零序电压。图35零序保护逻辑框图4220KV输电线路保护方案设计为保证电力系统安全可靠的运行，系统内的所有设备以及重要元件都要装设继电保护装置3。同时，为了使电力系统在事故发生后能够迅速的恢复正常的运行或尽快的消除系统中出现的各种异常情况，电力系统还要装设自动装置。例如自动重合闸、备用电流自动投入装置、远方切机装置、震荡解列装置等，我们把这些装置通常称为电网的安全自动装置。41220KV输电线路保护选择原则对220KV电网，为了保证所在系统的安全稳定运行，要求装设全线速动的保护装置。对中长距离的220KV输电线路，要选择高频保护作为全线的主保护。对于特别重要的输电线路，要装设两套或以上的原理不同的主保护装置。至于选择何种主保护方式，要根据输电线路的长度和每种保护的不同原理、特点，以及和厂家方面的联系、传统等各方面选择。对于220KV的短线路可以选择线路的纵联差动保护作为保护全线的主保护，对于220KV电网的单电源辐射线路，可简化保护的配置。220KV输电线路一般选择的是综合重合闸，因为综合重合闸可以实现综重、单重、三重、停用四种重合闸方式。42主保护、后备保护的选择文献4中提到，在220KV输电线路中，一般选择高频保护为主保护。而对于接地短路故障，零序电流保护的、段或接地距离保护的、段作为接地故障的主保护。对于220KV输电线路，距离保护的、段、零序电流保护段以及对本线末端短路有足够灵敏度的段为近后备保护。距离保护段及零序电流段或四段式零序电流保护的第四段为远后备保护。辅助保护是指为了补