现代电力系统继电保护原理与技术

电力系统

继电保护

原理与技术主要内容线路的继电保护原理与技术变压器的继电保护原理与技术母线的继电保护原理与技术继电保护的发展与展望主要内容线路的继电保护原理与技术变压器的继电保护原理与技术母线的继电保护原理与技术继电保护的发展与展望线路的继电保护

原理与技术线路的分类在电力系统中，线路包括高压、超高压及特高压的输电线路和中低压的配电线路，从继电保护的角度出发，主要分为以下三类：1.6～66kV的中低压配电线路；2.110kV的输配电线路；3.220kV及以上电压等级的高压输电线路。配电线路的继电保护这三种类型线路的继电保护在原理上和构成上有很大的差异：1.6～66kV的中低压配电线路一般为单电源、辐射状的小电流接地系统线路，故障形式只有三相故障和两相故障两种形式（ABC三相故障或AB、BC、CA两相故障）。保护一般为电流电压保护，特殊情况下为方向性电流电压保护、距离保护或纵联保护。主要问题是速断保护区短，线路大部分的故障需要经过延时切除。

配电线路的继电保护带来的危害：（1）设备烧毁的程度严重；（2）引发电压稳定性问题；（3）电压跌落持续时间长；（4）重合闸成功率低等。配电线路的继电保护解决问题的思路：（1）微机保护采用后，简单、经济、可靠不再是电流电压保护的独特优点；（2）配电系统全面推广应用距离保护；（技术上没有困难，不增加复杂程度，除应该考虑TV断线闭锁外，基本没有负面影响）（2）纵联保护原理应用于配电线路保护。（主要考虑用低成本的通信手段传输继电保护的信息，可用的手段包括：导引线、复用光纤、无线电台、移动通信、无线宽带技术等）110kV输配电线路的继电保护110kV的输配电线路一般为大电流接地系统的单电源辐射状网络，部分线路末端可能接有小的分散电源；故障的形式包括：三相故障、两相故障、两相接地故障、单相接地故障共有不同相别的十种故障类型；采用的保护一般为三段式相间距离保护、三段式接地距离保护、多段式（方向）零序电流保护；110kV输配电线路的继电保护末端带有分散电源时，或线路接于较为重要的母线时，可采用纵联保护。该电压等级线路的继电保护原理和技术都比较成熟，性能基本满足要求。主要问题成套保护后，只有原理上的后备保护，没有设备上的近后备保护。集成式后备保护的概念：全站共用一套后备保护220kV及以上输电电线路的继继电保护220kV及以上电压压等级的输输电线路一一般按双侧侧具有电源源考虑，所所接电网为为大电流接接地系统，，断路器一一般采用分分相操作，，通常采用用综合重合合闸方式；；故障的形式式包括：三三相故障、、两相故障障、两相接接地故障、、单相接地地故障共有有不同相别别的十种故故障类型，，同时要考考虑非全相相运行的问问题、同杆杆并架双回回线的跨线线故障问题题等；220kV及以上输电电线路的继继电保护220kV及以上电压压等级输电电线路在电电力系统中中占据着十十分重要的的地位，对对其继电保保护有较高高的要求，，微机保护护后，线路路保护一般般均设计为为成套保护护，即一套套保护完成成所有的主主保护和原原理上的后后备保护功功能，为了了实现设备备上的后备备，通常采采用双重化化配置或多多重化配置置。220kV及以上输电电线路的继继电保护每套保护的的配置方式式一般为：：（1）主保护：：能够全线线速切的纵纵联差动或或纵联比较较式保护、、快速跳闸闸的独立段段保护（如如工频变化化量距离保保护等）（2）后备保护护：三段式式相间距离离保护、三三段式接地地距离保护护、多段式式（方向））零序电流流保护；（3）综合重合合闸。本次讲课主主要讨论220kV及以上电压压等级的线线路保护。。220kV及以上输电电线路的继继电保护主要包括以以下的几项项内容：（1）输电线路路的距离保保护；（2）输电线路路的纵联电电流差动保保护；（3）输电线路路的纵联比比较式保护护；（4）输电线路路的综合重重合闸。?220kV及以上输电电线路的继继电保护（1）输电线路路的距离保保护；（2）输电线路路的纵联电电流差动保保护；（3）输电线路路的纵联比比较式保护护；（4）输电线路路的综合重重合闸。输电线路的的距离保护护距离保护是是通过反映映故障点到到保护安装装处的距离离而动作的的继电保护护装置，通通常应用于于110kV及以上电压压等级的输输电线路，，其原理也也可以应用用于35kV及以下电压压等级的配配电线路；；构成距离保保护的核心心就是测量量故障点到到保护安装装处的距离离，并与一一个事先整整定的距离离相比较，，测量距离离小于整定定距离时保保护动作；；测量故障距距离的方法法包括阻抗抗法、行波波法和雷达达法，其中中应用最多多的是阻抗抗法，此处处重点介绍绍阻抗法。。测量阻抗及及其与故障障距离之间间的关系测量阻抗定定义为保护护安装处测测量电压与与测量电流流之比：测量阻抗及及其与故障障距离之间间的关系在电力系统统正常运行行时，近近似似为额定电电压，为为负负荷电流，，为为负荷阻阻抗。负荷荷阻抗的量量值较大，，其阻抗角角为数值较较小的功率率因数角（（一般功率率因数为不不低于0.9，对应的阻阻抗角不大大于25.80），阻抗性性质以阻性性为主，如如下图中的的所所示。测量阻抗及及其与故障障距离之间间的关系电力系统发发生金属性性短路时，，降降低，，增增大，变变为为短路点与与保护安装装处之间短短路阻抗，，对于于具有均匀匀分布参数数的输电线线路来说，，与与短路距离离成成线性性正比关系系，即：测量阻抗及及其与故障障距离之间间的关系短路阻抗的的阻抗角就就等于输电电线路的阻阻抗角，数数值较大(对于220kV及以上电压压等级的线线路，阻抗抗角一般不不低于750)，阻抗性质质以感性为为主。当短短路点分别别位于图1中的k1、k2和k3点时，对应应的短路阻阻抗分别如如图2中的、、和和所所示。。图2负荷阻抗与短路阻抗RjXZLZk2Zk1ZsetZk3KZk1Lsetk2Lk1Lk2G~k3Lk3G~QFQFMN测量阻抗及及其与故障障距离之间间的关系依据测量阻阻抗在在上述不同同情况下的的“差异””，保护就就能够“区区分”出系系统是否出出现故障，，在发现有有故障的情情况下，可可以进一步步地“区分分”出是区区内故障还还是区外故故障。继电保护：：依据“差差异”，实实现“区分分”三相系统中中测量电压压和测量电电流的选取取上面的讨论论是以单相相系统为基基础的。在在这种单相相系统中，，测量电压压就就是是保护安装装处的电压压，测量电电流就就是线路中中的电流，，系统金属属性短路时时两者之间间的关系为为：（5）三相系统中中测量电压压和测量电电流的选取取该式是距离离保护能够够用测量阻阻抗来正确确表示故障障距离的前前提和基础础，即只有有测量电压压、测量电电流之间满满足该式时时，测量阻阻抗才能正正确地反应应故障的距距离。在实实际际三三相相系系统统的的情情况况下下，，由由于于存存在在多多种种不不同同的的短短路路类类型型，，而而在在各各种种不不对对称称短短路路时时，，各各相相的的电电压压电电流流都都不不再再简简单单地地满满足足式式（（5），，所所以以无无法法直直接接用用各各相相的的电电压压、、电电流流构构成成距距离离保保护护的的测测量量电电压压和和电电流流。。三相相系系统统中中测测量量电电压压和和测测量量电电流流的的选选取取现以以图图3所示示网网络络中中k点发发生生短短路路故故障障时时的的情情况况为为例例，，对对此此问问题题进进行行分分析析讨讨论论。。按按照照对对称称分分量量法法，，可可以以求求出出M母线线上上各各相相的的电电压压：：Lk(Z1,Z2,Z0)LkG~MKZG~Nk三相相系系统统中中测测量量电电压压和和测测量量电电流流的的选选取取（6a）（6b）（6c）三相相系系统统中中测测量量电电压压和和测测量量电电流流的的选选取取（6）式式的的成成立立与与故故障障类类型型无无关关，，即即对对任任何何类类型型的的故故障障都都成成立立；；对于于不不同同类类型型和和相相别别的的故故障障，，故故障障点点的的边边界界条条件件是是不不同同的的，，即即（（6）式式中中、、和和的的取取值值是是不不同同的的，，下下面面以以单单相相接接地地故故障障情情况况为为例例进进行行讨讨论论。。三相相系系统统中中测测量量电电压压和和测测量量电电流流的的选选取取以A相单单相相接接地地短短路路故故障障为为例例进进行行分分析析。。在在A相金金属属性性接接地地短短路路的的情情况况下下，，，，式式3-6a变为为：：（7）（8）得到到：：三相相系系统统中中测测量量电电压压和和测测量量电电流流的的选选取取式(8)与式式(5)具有有相相同同的的形形式式，，因因而而由由、、算出出的的测测量量阻阻抗抗能能够够正正确确反反应应故故障障的的距距离离，，从从而而可可以以实实现现对对故故障障区区段段的的比比较较和和判判断断。。三相相系系统统中中测测量量电电压压和和测测量量电电流流的的选选取取由于于A相接接地地时时、、均均不不等等于于零零，，式式(6b)和(6c)无法法变变成成式式(5)的形形式式，，即即若若、、或、、，，则则、、或、、之之间间都都不不满满足足式式(5)，所所以以两两非非故故障障相相的的测测量量电电压压、、电电流流不不能能准准确确地地反反应应故故障障的的距距离离。。三相相系系统统中中测测量量电电压压和和测测量量电电流流的的选选取取在另另一一方方面面，，由由于于、、均均接接近近正正常常电电压压，，而而、、均均接接近近正正常常负负荷荷电电流流，，B、C两相相的的工工作作状状态态与与正正常常负负荷荷状状态态相相差差不不大大，，所所以以在在A相故故障障时时，，由由B、C两相相电电压压电电流流算算出出的的测测量量阻阻抗抗都都会会比比较较大大，，算算出出的的距距离离一一般般都都大大于于整整定定距距离离，，由由它它们们构构成成的的距距离离保保护护一一般般都都不不会会动动作作，，但但在在某某些些特特殊殊的的情情况况下下（（比比如如保保护护安安装装处处零零序序电电流流很很大大时时）），，也也有有可可能能动动作作。。三相相系系统统中中测测量量电电压压和和测测量量电电流流的的选选取取同理理可可以以分分析析B相和和C相单单相相接接地地故故障障时时的的情情况况，，分分析析表表明明，，只只有有故故障障相相电电压压与与带带零零序序电电流流补补偿偿的的故故障障相相电电流流之之间间满满足足（（5）式式，，能能够够正正确确测测量量故故障障距距离离，，非非故故障障相相测测出出的的阻阻抗抗接接近近负负荷荷阻阻抗抗，，一一般般不不会会动动作作。。三相相系系统统中中测测量量电电压压和和测测量量电电流流的的选选取取其他他类类型型（（两两相相接接地地、、两两相相短短路路、、三三相相故故障障））的的故故障障的的情情况况也也类类似似，，只只有有用用故故障障相相的的电电压压和和电电流流（（带带零零序序补补偿偿））进进行行运运算算时时，，才才能能准准确确地地算算出出故故障障距距离离，，计计算算量量中中含含有有非非故故障障相相电电压压、、电电流流时时，，算算出出的的测测量量阻阻抗抗不不能能准准确确地地反反映映故故障障距距离离，，并并且且一一般般情情况况下下都都大大于于实实际际的的故故障障距距离离，，所所以以不不会会动动作作。。故障环的概念念故障电流可能能流通的通路路称为故障环环。在单相接地故故障的情况下下，存在一个个故障相与大大地之间的故故障环（相—地故障环）；；两相接地故障障的情况下，，存在两个故故障相与大地地之间的相—地故障环和一一个两故障相相之间的故障障环（相—相故障环）；；两相不接地故故障的情况下下，存在一个个两故障相之之间的相—相故障环；三相故障的情情况下，存在在三个相—地故障环和三三个相—相故障环。故障环的概念念分析表明，距距离保护的测测量电压、电电流取为故障障环上的电压压、电流时，，计算出的测测量阻抗能够够正确的反映映故障距离，，非故障环上上的电压、电电流之间算出出的测量阻抗抗不能准确地地反映故障距距离，一般情情况下大于故故障距离，不不会动作。所所以距离保护护的动作行为为应以故障环环上电压、电电流计算的结结果为准，非非故障环上电电压、电流计计算的结果不不予考虑。故障环的概念念在传统的距离离保护中，故故障环的选取取是靠冗余接接线来实现的的，即距离保保护的每一段段都有三个相相间阻抗继电电器和三个接接地阻抗继电电器组成，三三段式保护中中需要18个独立的阻抗抗继电器。对对于任何一种种类型和相别别的故障，每每一段的6个继电器中，，至少有一个个是在故障环环上，它能够够正确测量故故障距离，其其他不在故障障环上的继电电器不能正确确测量，但一一般不动作。。不能正确测量量有两个方面面的含义，一一方面是把测测量阻抗测大大，反映出故故障距离变远远，即不动作作；另一方面面是把测量阻阻抗测小，反反映出故障距距离变近，可可能导致在区区外故障情况况下误动作。。此处，非故故障环上的电电压、电流算算出的阻抗一一般是第一种种情况，通常常不会动作故障环的概念念微机保护中，，距离保护的的硬件接线只只有一套，故故障环的选取取是由软件实实现的，分两两种情况：第一种情况是是发生故障后后先进行选相相，找出故障障类型和故障障相别后，仅仅用故障相（（即故障环上上）的电压、、电流进行计计算，非故障障相环上的电电压、电流根根本不参与运运算；（先选选相，再计算算）第二种情况是是针对每一个个故障，用故故障环和非故故障环上的电电压、电流都都进行计算，，但仅以故障障环上电压、、电流计算的的结果作为判判断故障距离离的依据。（（先计算，后后用选相的结结果进行复核核）早期的微机保保护普遍采用用第一种方式式，新型微机机保护倾向于于采用第二种种。直接计算与间间接判断距离保护的核核心，就是对对故障距离进进行测量，并并与整定的距距离相比较，，以判断是否否有故障，在在有故障的情情况下，判断断出故障的范范围。在应用测量阻阻抗法判断故故障距离时，，又有两种有有两种不同的的方式，即直直接计算方式式和间接判断断方式。直接计算方式式是利用采集集到的故障环环上的电压和和电流，代入入测量阻抗的的计算式，直直接计算出测测量阻抗，然然后将其与整整定阻抗相比比较，判断是是否有区内故故障；间接判断方式式不需要确切切地算出测量量阻抗，只是是通过对测量量电压和测量量电流的计算算分析，间接接地判断测量量阻抗是否在在保护的范围围之内。在理想情况下下，在金属性性短路的时候候，测量阻抗抗是与整定阻阻抗同方向的的，在这种情情况下，算出出测量阻抗后后直接与整定定阻抗比较大大小，就能够够判断出故障障的范围。实际情情况下下，由由于各各种误误差因因素的的存在在，以以及过过渡电电阻的的影响响，测测量阻阻抗可可能与与整定定阻抗抗之间间有一一定的的角度度，这这时用用直接接比较较大小小的方方法就就不行行了。。为了保保证区区内故故障的的情况况下保保护可可靠动动作，，区外外故障障时可可靠不不动作作，一一般将将阻抗抗继电电器的的动作作范围围设定定为一一个包包括整整定阻阻抗对对应的的线段段在内内，但但在整整定阻阻抗方方向上上不超超出整整定阻阻抗的的一个个区域域，最最常用用的区区域有有圆形形区域域和四四边形形区域域。测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较圆形区区域又又包括括方向向特性性圆、、全阻阻抗圆圆、偏偏移特特性圆圆和上上抛特特性圆圆等几几种，，如下下图。。测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较|Zset/2|Zset/2ZsetRjXo图3-7方向阻抗特性圆Zm图3-5偏移阻抗特性圆Zset2Zset1RjXoZmZsetRjXo图3-8全阻抗特性圆图3-9上抛阻抗特性圆（Zset1＋Zset2）/2Zset2Zset1RjXoZm|Zset1－Zset2|/2每一种种特性性都有有两种种不同同的实实现办办法，，即绝绝对值值比较较法和和相位位比较较法，，以方方向圆圆特性性为例例，绝绝对值值比较较方程程和相相位比比较方方程分分别为为：测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较|Zset/2|Zset/2ZsetRjXoZmZset/2ZsetRjXoZm测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较测量阻阻抗已已经用用前述述的算算法算算出，，整定定阻抗抗为事事先设设定好好的常常量，，将两两者直直接代代入到到绝对对值比比较或或相位位比较较的方方程中中，判判断方方程是是否满满足，，就可可以知知道测测量阻阻抗是是否落落入到到动作作区域域之内内。在园特特性的的数字字式保保护中中，一一般采采用相相位比比较的的方法法进行行判断断。令：则上述述的相相位比比较方方程变变为测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较上述的的方程程又可可以表表示为为即：应用两两角差差的余余弦公公式，，将其其展开开测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较上式两两端同同乘以以，，可可以得得到即满足该该式，，就说说明测测量阻阻抗落落在动动作区区内，，否则则落在在动作作区外外。该式是是由余余弦形形式导导出的的，称称为余余弦比比相。。测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较下面以以四方方保护护采用用的四四边形形特性性为例例讨论论在四四边形形特性性的情情况下下如何何实现现测量量阻抗抗与整整定阻阻抗的的比较较。XsetoRsetRjXα1Zmα2α3α4测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较设测量量阻抗抗的的实实部为为，，虚部部为，则上图图在第第IV象限部部分的的特性性可以以表示示为：：第IV象限部部分的的特性性可以以表示示为：：测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较而在第第I象限部部分的的特性性可以以表示示为：：上述三三式综综合，，得到到：测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较式中：：测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较若取：：则测量阻阻抗与与整定定阻抗抗的比比较则上述述比较较式变变为：：该式可可以方方便地地在微微处理理机中中实现现。间接判判断法法实现现距离离保护护比较工工作电电压（（补偿偿电压压）相相位法法原理理以南瑞瑞公司司正序序极化化原理理，说说明间间接判判断法法：定义工工作电电压（（补偿偿电压压）如如下：：不同地地点短短路时时，工工作电电压的的相位位关系系如下下图所所示。。k1zk2KZNG~G~k3M（a）（b）（c）（d）a）网络络接线线；(b)区外（（k2点）短短路时时电压压分布布；(c)反向（（k3点）短短路时时电压压分布布；(d)正向（（k1点）短短路时时电压压分布布比较工工作电电压（（补偿偿电压压）相相位法法原理理结论：：区内故故障时时，与与相相位位相反反；而在正正向区区外及及反向向故障障时，，与与相相位相相同。。通过比比较两两者之之间的的相位位，无无须算算出具具体的的测量量阻抗抗，就就可以以判断断故障障的区区域。。比较工工作电电压（（补偿偿电压压）相相位法法原理理比较工工作电电压（（补偿偿电压压）相相位法法原理理以作作为为参考考相量量，根根据不不同故故障情情况下下相相对相相位的的“差差异””，就就可以以“区区分””出故故障的的区段段，即即与与反反相位位时判判断为为区内内故障障，与与同同相相位时时，判判断为为区外外故障障。考虑到到实际际测量量与理理论分分析存存在误误差，，实际际构成成保护护时，，一般般并不不是直直接判判断同同相位位还是是反相相位，，而是是取一一定的的范围围。即即动作作的条条件可可以表表示为为：比较工工作电电压（（补偿偿电压压）相相位法法原理理若取，，则则动作作的条条件变变为：：分子分分母同同除以以，，得得到比较工作电电压（补偿偿电压）相相位法原理理该式与方向向阻抗继电电器的相位位比较方程程完全一致致，表明在在取的的情情况下，用用工作电压压与测量电电压进行相相位比较，，就可以实实现与方向向阻抗继电电器完全一一样的特性性。比较工作电电压（补偿偿电压）相相位法原理理方向阻抗特特性的优点点是阻抗元元件本身具具有方向性性，只在正正向区内故故障时动作作，反方向向短路时不不会动作，，即无须与与方向元件件配合，阻阻抗元件本本身就能区区分故障的的方向。其其主要缺点点是动作特特性经过座座标原点，，在正向出出口或反向向出口短路路时，测量量阻抗的的阻抗值都都很小，都都会落在座座标原点附附近，正好好处于阻抗抗元件临界界动作的的的边沿上，，有可能出出现正向出出口短路时时拒动或反反向出口短短路时误动动的严重情情况。对上述电压压比较式分分析，也可可以得出类类似的结论论，出口短短路时，测测量电压的的幅值接近近于0，其相位可可能因误差差等因素而而为随机相相位，所以以测量元件件可能处于于随机动作作状态。比较工作电电压（补偿偿电压）相相位法原理理由上述的分分析可知，，在上述比比较式中，，电压的的作用用就是作为为判断相相位的的参考，所所以又称为为参考电压压或极化电电压。上述分析表表明，直接接用作为比比相的参考考电压时，，无法保证证出口短路路时的选择择性，因而而也就不能能应用于实实际的继电电保护装置置中。为克服这一一缺点，保保证出口短短路时正确确动作，应应选择相位位不随故障障位置变化化、在出口口短路时不不为0的电压量作作为比相的的参考电压压。比较工作电电压（补偿偿电压）相相位法原理理考虑到除了了出口三相相对称性短短路外，母母线正序电电压的量值值都不会为为0，且其相位位不会随着着短路位置置的变化而而变化，所所以可以选选择正序电电压作为比比相的参考考，即以正正序电压作作为参考电电压或极化化电压。分析表明，，当取正序序电压为故故障环上的的正序电压压时，它的的相位与故故障环上的的测量电压压完全一致致，所以在在上述比较较方程中用用正序电压压代替测量量电压时，，动作条件件不变。比较工作电电压（补偿偿电压）相相位法原理理以正序电压压为参考的的情况下，，动作的方方程变为：或比较工作电电压（补偿偿电压）相相位法原理理进一步分析析表明，采采用正序电电压作为参参考电压后后，在正向向故障的情情况下，以以阻抗形式式表示的动动作方程为为对应的动作作特性如图图所示，它它是一个包包括坐标原原点的偏移移圆，正向向出口短路路时，能够够可靠动作作。Zset-Zm－ZM1ZsetRjXo图3-21正序电压极化的测量元件在正向故障时的动作特性ZmZm＋ZM1比较工作电电压（补偿偿电压）相相位法原理理在反向故障障的情况下下，以阻抗抗形式表示示的动作方方程为对应的动作作特性如图图所示，它它是一个不不包括坐标标原点的上上抛圆，反反向出口短短路时，测测量阻抗在在原点附近近，可靠不不动作，反反向远处短短路时，测测量阻抗在在动作区相相反的方向向，也可靠靠不动作。。ZsetRjXo图3-22正序电压极化的测量元件在反向故障时的动作特性－Zm比较工作电电压（补偿偿电压）相相位法原理理可见，应用用正序电压压作为极化化电压，继继电器具有有明确的方方向性，能能保证正向向出口短路路可靠动作作，反向出出口短路可可靠不动。。此外，用正正序电压作作为极化电电压后，继继电器在正正向故障时时的特性变变成一个直直径较大的的偏移圆，，耐受过渡渡电阻的能能力明前增增强。正序电压压极化的的缺点是是不能保保证出口口三相短短路时的的方向性性，必须须采取专专门的措措施。在南瑞保保护中，，措施为为，当正正序电压压幅值小小于额定定电压的的15％时，投投入低压压距离元元件。比较工作作电压（（补偿电电压）相相位法原原理低压距离离元件是是以记忆忆电压为为极化电电压来实实现故障障判断的的，分析析表明，，它与正正序极化化的继电电器具有有类似的的特性，，也有明明确的方方向性。。应用记忆忆电压的的缺点是是它仅在在短路初初瞬有效效，因而而不能用用在II段或III段中。基于工频频故障分分量的的距离保保护故障分量量的基本本概念故障分量量又称为为故障附附加分量量或故障障叠加分分量，是是指仅在在系统发发生故障障时出现现，而在在系统正正常运行行及不正正常运行行时不存存在的电电气分量量，即它它随着故故障的出出现而出出现，随随着故障障的消失失而消失失。所以以，故障障分量的的存在，，是电力力系统处处于故障障状态的的表征。。应用故障障分量构构成继电电保护动动作判据据时，只只需要寻寻找区内内故障与与区外故故障的““差异””，而不不必考虑虑正常及及不正常常情况，，因而，，保护具具有较高高的灵敏敏度，一一般也具具有较快快的动作作时间和和较好的的选择性性，不必必采用振振荡闭锁锁等防止止振荡时时保护误误动的措措施。故障分量量的特点点非故障状状态下不不存在故故障分量量，故障障分量仅仅在故障障状态下下出现；；故障分量量独立于于非故障障状态，，受电网网运行方方式的影影响不大大（有一一定的影影响，但但比传统统保护小小）；故障点的的电压故故障分量量最大，，系统中中性点处处故障分分量电压压为零；；保护安装装处故障障分量电电压电流流之间的的关系，，取决于于背后系系统的阻阻抗，与与故障点点的远近近及过渡渡电阻的的大小没没有关系系（但故故障分量量值的大大小受过过渡电阻阻及故障障点远近近的影响响）。。故障分量量的分析析方法－－－叠加加原理短路状态态故障前负负荷状态态故障叠加加状态故障分量量的组成成故障分量量的利用用上述这些些分量都都可以用用来构成成继电保保护：：即故障障分量中中的工频频分量，，可以用用来构成成，工频频变化量量方向保保护、工工频变化化量距离离保护、、工频变变化量差差动保护护、零序序保护、、负序保保护等；；：即全部部的故障障分量，，可以用用来构成成电流突突变量起起动元件件、电流流突变量量选相元元件、方方向行波波元件、、行波距距离（测测距）保保护等；；：暂态分分量中的的高频部部分，用用来构成成反映单单端电气气量的暂暂态保护护。故障分量量的提取取与识别别方法来自电压压互感器器TV和电流互互感器TA的电压电电流都是是故障后后的全电电压和全全电流，，构成反反映故障障分量的的继电保保护时，，应设法法将故障障分量从全电压压和全电电流中提提取出来来。在微微机保护护中，故故障分量量的提取取方法为为（电流流）：故障分量量的提取取与识别别方法通常情况下，，取n＝1、2或4：n＝1：n＝2：n＝4：这样可以计算算出故障分量量的采样序列列，利用微机机保护中的各各种算法可以以求出其幅值值、相位等特特征量。故障分量的提提取与识别方方法以n＝2为例，波形如如下：工频变化量距距离保护工频故障分量量距离保护又又称为工频变变化量距离保保护，是一种种通过反应工工频故障分量量电压电流而而工作的距离离保护。在上述的图(c)中，保护安装装处的工频故故障分量电流流、电压可以以分别表示为为：工频变化量距距离保护取工频故障分分量距离元件件的工作电压压为保护区内、外外不同地点发发生金属性短短路时电压故故障分量的分分布情况如下下图所示。工频变化量距距离保护k1zZsetk2k3(a)(b)(c)(d)工频变化量距距离保护在保护区内k1点短路时，在保护区外k2点短路时，在保护区反向向k3点短路时，工频变化量距距离保护因为所以动作的判判据为满足该条件，，说明为区内内故障，否则则为区外故障障工频变化量距距离保护RjX-ZsZkZsetZs+ZmZmCRgoRjX220kV及以上输电线线路的继电保保护（1）输电线路的的距离保护；；（2）输电线路的的纵联电流差差动保护；（3）输电线路的的纵联比较式式保护；（4）输电线路的的综合重合闸闸。纵联电流差动动保护基于基尔霍夫夫电流定律的的纵联电流差差动保护，是是到目前为止止最为完善的的继电保护原原理，在发电电机、变压器器、母线、电电抗器、大容容量电动机和和输配电线路路等电气设备备中都得到了了应用。其基基本工作原理理如下：纵联电流差动动保护的基本本原理被保护设备****I-I纵联电流差动动保护示意图图TA1TA2KD被保护设备：：发电机变压器电动机母线线路电抗器等纵联电流差动动保护－－分分析即流入到差动动继电器KD中的电流为0，继电器不会会动作。正常及外部故故障时，纵联电流差动动保护－－分分析被保护设备发发生故障时（（区内故障时时），流入KD的电流为故障障电流的二次次值，KD动作。即区内故障时时，流入KD的就等于故障障点的故障电电流，所以从从这一点上说说，差动保护护是一种反映映故障分量的的保护；纵联电流差动动保护－－问问题可见，在理想想情况下，根根据KD中是否有电流流，就能够区区分出是否有有内部故障，，是否应将被被保护设备从从系统中切除除。在实际情况下下，由于电流流互感器误差差等因素的存存在，在正常常运行及外部部故障时也会会有一定量的的不平衡电流流流入差动继继电器KD，特别是在外外部故障电流流互感器饱和和的情况下，，误差将会大大大增加，会会有比较大的的不平衡电流流流入KD。为防止差动动保护误动，，KD的动作电流必必须按躲过外外部故障的最最大不平衡电电流来整定。。纵联电流差动动保护－－问问题带来的问题是是动作值过大大，内部故障障的灵敏度降降低。采用带制动特特性的差动保保护，是解决决可靠性与灵灵敏性之间矛矛盾的有效措措施。即：电流差动保护护－－比率制制动特性单斜率差动保保护动作特性性IrestraintIzIoperate动作区制动区IsdSlope1Slope2Ir1Ir2双斜率差动保保护动作特性性123、Iunbmax电流差动保护护－－判据在图示参考方方向下动作量量：通常情况下，，制动量选为为：动作表达式：：K－制动系数，0＜Ｋ＜１～～MNiminD电流差动保护护－－故障分分量的判据动作量：制动量：动作方程：故障分量电流流差动保护的的分析动作量：制动量：即动作量与全全电流差动保保护完全一样样。故障分量电流流差动保护－－－内部故障障内部故障时：所以只要满足动作条件件，且有较高高的灵敏度。。kZNZM故障分量电流流差动保护－－－外部故障障外部故障时：：所以只要不满足动作作条件，且且有较大的的裕度。故障分量电电流差动保保护－－动动作特性0.1～0.152Kres=0.8~1.0内部故障区区外部故障区区域纵联电流差差动保护－－－分析被保护设备备为发电机机、变压器器和母线时时，其各侧侧的电流互互感器均在在同一个厂厂站内，这这时可由两两种方式实实现上述的的电流差动动:一种方式是是直接将设设备各侧的的电流接入入到同一个个装置中，，由该装置置按照差动动保护的公公式进行分分析比较，，判断故障障的区间；；另一种方式式是每个电电流互感器器的输出都都接到一个个采集装置置中，然后后通过通信信网络将各各个采集装装置联系在在一起，实实现差动算算法。纵联电流差差动保护－－－分析发电机、变变压器一般般采用第一一种方式，，母线既可可以采用第第一种方式式，也可以以采用第二二种方式，，第二种方方式实现的的差动保护护成为分布布式母线保保护。而当被保护护设备为输输电线路时时，由于两两端相距甚甚远，需要要在每一侧侧都装设采采集装置，，然后利用用通信线路路来交换两两端的电流流信息。纵联电流差差动保护－－－通信可用的通信信手段：（1）导引线（2）载波（3）微波（4）光纤光纤通道具具有传输速速率高、抗抗干扰性能能好、安全全可靠性高高、能保持持长期不间间断地传输输信号的特特点,已成为纵联联保护信号号传输通道道的首选方方式。光纤纵联保保护的信号号传输方式式和技术特特点光纤纵联保保护的同步步数据通信信信号传输输方式有两两大类:专用光纤方方式(图1)PCM复用方式(图2)。光纤纵联保保护的信号号传输方式式和技术特特点专用光纤方方式利用专用光光纤传送保保护信息时时,将64kbitPs或更高速率率(n×64kbitPs)的保护信号号直接调制制在发光二二极管(LED)或半导体激激光器(LD)的输出回路路中,并发送至对对端。数据据接收端直直接将光信信号解调成成64kbitPs保护信号,如图1(a)所示。光纤纵联保保护的信号号传输方式式和技术特特点由于采用专专用光纤通通道,64kbits数据接口装装置的时钟钟同步方式式为:两侧的继电电保护通信信接口装置置均发送工工作时钟,数据发送采采用本机内内时钟,接收时钟从从接收数据据码流中提提取,称为内时钟钟(主-主)方式,如图1(b)所示。光纤纵联保保护的信号号传输方式式和技术特特点PCM复用方式利用光纤通通信PCM复用方式传传送保护信信息时,数据信号在在PCM的64kbitPs同步数据接接口实现复复接,占用2MbitPs接口传送,如图2(a)所示。光纤纵联保保护的信号号传输方式式和技术特特点两类光纤保保护远传信信号传输方方式的技术术特点采用专用光光纤方式时时,保护远传信信号的传输输通道直接接由2芯光纤和保保护装置光光接口组成成,通道时延小小于1ms。其可靠性性依赖于站站点间直通通光缆,当光缆断缆缆时保护远远传信号全全部中断,无替代传输输路由。光纤纵联保保护的信号号传输方式式和技术特特点PCM复用方式下下,保护远传信信号通过SDH光纤通信网网络传送,不占用光纤纤芯数,故不依赖两两站点间的的直通光缆缆路由,而且工程设设计时一般般单独配置置一套保护护专用PCM装置,可以复接多多路保护远远传信号,容量大。在在点对点传传输时,通道时延小小于1ms;当AB两站间经过的的光纤站点较较多时,按1个接点延时1ms考虑,只要站点控制制在8个以内,通道总时延仍仍能控制在15ms以内。SDH光纤通信网络络具有传输容容量大、抗干干扰、传输可可靠性高等特特点,并且具有自愈愈切换保护功功能。光纤纵联保护护的信号传输输方式和技术术特点保护远传信号号复用在PCM设备2MbitPs接口经SDH环网传输输时,当某一一方向光纤通通信电路故障障时,可以经经由SDH自自愈环保证信信息连续传送送至对侧。但当相应站点SDH光端端机或保护专专用PCM装装置故障时,保护远传信信号随之中断断。此外,当当保护远传信信号经光纤支支线电路传输输时,则不具具备SDH光光纤电路自愈愈切换保护功功能。纵联电流差动动保护－－同同步问题电流差动保护护有两种主要要的实现形式式，一种是工工频量（包括括工频全电流流和工频故障障分量）构成成差动电流和和制动电流，，称为相量差差动；另一种种是直接利用用瞬时采样值值构成差动电电流和制动电电流，称为瞬瞬时值差动。。相量差动通常常利用傅氏算算法等计算出出差动和制动动电流相量，，然后代入公公式比较，该该方法性能稳稳定，但因需需要较长的时时间窗，动作作速度较慢；；瞬时值差动动时间窗很短短，动作速度度快，但受个个别不良数据据的影响较大大，需要连续续几个点（或或多数点）动动作一致时，，才能作为最最后的判断结结果。无论相量差动动还是瞬时值值差动，都要要求对各侧的的电流同时采采样，否则将将无法得到正正确的结果。。纵联电流差动动保护－－同同步问题在各侧的电流流都接入到同同一个装置的的情况下（上上述的第一种种方式），同同步采样可以以利用采样/保持器来实现现；在分布式式母线保护和和输电线路保保护的情况下下，各电流的的采集是在不不同的装置中中完成的，特特别是线路保保护的情况，，电流的采集集是由安装在在相距甚远的的两地的装置置分别采集的的，必须采取取特殊的同步步措施。分析析表明，如果果要求同步角角误差不大于于0.1°，要求时间误误差不大于5µs。纵联电流差动动保护－－同同步问题目前采用的同同步方式主要要有两种，一一种是利用GPS同步，另一种种是精确计及及通信通道延延时，由一侧侧向另一侧发发送同步时钟钟信号。GPS精度较高（时间误差不大大于1µs），且接受也也比较简单，，但因受制于于国外，安全全性差，不能能作为独立的的同步时钟源源；第二种同步方方法实现比较较复杂，且精精度较差，但但因安全性好好，仍可以应应用。一般考考虑采用两种种方式配合完完成时间同步步，一般情况况下用GPS，GPS失效时改用其其他同步方法法。应用GPS实现同步问题题GPSdeterminesauser’spositionin3-DspaceGPSalsodeterminesauser’spositionintimeGPS接收器in-viewof4satellitesprinciple=timedifferenceofarrivalofsignalsfromsatellitesunknowns-receivers3Dlocationanduniversaltimesince4satellites,4equationsavailablehence:-solvefor4unknownsreceiversclocklockedtoGPSuniversaltimeGPSSyncDifferentialrelayCommsGPSSyncDifferentialrelayCommsBreakersBreakersGPSreceiverGPSreceiverI1I2I1'I2'I1'I2'InternalfaultExternalfaultI2I1If=-GPSCTsCTsLossofGPSSignalunsynchronisedphasors40phaseshift25phaseshift10phaseshift采样时刻调整整法TStdtdts1tr1tmtm1ts2tr2tm2Δttr3tttm3ts3ts4tm4td采样时刻调整整法从站主站纵联电流差动动保护－－同同步问题ΔtTs：采样间隔；；tmj：主站采样点点tsi：从站采样点点td：通道延时td=0.5×(tr2-tm1-tm)△t：主、从站采采样时刻间的的误差△t＝ts3-tm3=ts3-(tr3-td)为使两站同步步采样，从站站下次采样时时刻应调整为为：ts4=(ts3+Ts)-△t纵联电流差动动保护－－同同步问题采样数据修正正法tttmtd1td2A端B端tA1tA2tA3tA4tA5tAtA6tB1tB2tBtB3tB4tB5tB3’纵联电流差动动保护－－同同步问题A端计算的通道道延时：td=td1=td2=0.5(tA-tA1-tm)tB3’=(tA-td)与tA4时刻对应的B端电流向量：：同理可计算出出tA3时刻对应的B端电流向量纵联电流差动动保护－－同同步问题220kV及以上输电线线路的继电保保护（1）输电线路的的距离保护；；（2）输电线路的的纵联电流差差动保护；（3）输电线路的的纵联比较式式保护；（4）输电线路的的综合重合闸闸。构成纵联（方向））比较式保护护在被保护设设备的每一端端都装设一个个反映故障方方向的测量元元件。被保护设备纵联比较式保护示意图被保护设备：：发电机变压器电动机母线线路电抗器等纵联（方向））比较式保护护方向性测量元元件是构成纵纵联分析比较较式保护的核核心，常用的的方向元件包包括：（1）故障分量方方向元件；（2）负序功率方方向元件；（3）零序功率方方向元件；（4）方向阻抗元元件；（5）相电压补偿偿式的功率方方向元件等；；（6）在单单侧电电源的的情况况下，，按躲躲最大大负荷荷电流流整定定的过过电流流元件件，也也能反反映故故障方方向。。工频变变化量量方正方向向元件件的测测量相相角表表达式式：反方向向元件件的测测量相相角表表达式式：其中：：下表12表示该该电气气量为为正、、负序序综合合分量量，无无零序序分量量Zd为模拟拟阻抗抗Zcom为补偿偿阻抗抗。如如果系系统线线路阻阻抗比比Zs/ZL>0.5时，Zcom＝0，否则取取Zcom为ΔZ整定阻阻抗的的一半半工频变变化量量方向向保护护－－－分析析～XLΔE＝0RgFΔIΔUΔEF正向短短路工频变变化量量方向向保护护－－－分析析假设Zs为电源源正序序阻抗抗，系系统的的正序序阻抗抗等于于负序序阻抗抗。将将工频频变化化量电电压电电流分分解为为对称称分量量，有有：设系统统阻抗抗角与与Zd阻抗角角一致致时，，有：：工频变变化量量方向向保护护－－－分析析反向短短路RgFΔEF～ΔIΔUΔE＝0ZLZSZS’工频Zs’’为线路路至对对侧系系统的的正序序阻抗抗，将将电流流电压压分解解为对对成分分量：：纵联（（方向向）比比较式式保护护当每一一端的的测量量元件件都指指示为为正向向故障障时，，表明明故障障为““区内内故障障”；；任何一一端的的测量量元件件指示示为反反向故故障时时，表表明故故障为为“区区外故故障””。实现方方法：：闭锁式式和允允许式式两种种比较较方法法。纵联方方向比比较保保护－－－闭闭锁式式闭锁式式纵联联方向向保护护的工工作方方式是是当任任一侧侧方向向元件件判断断为反反方向向时，，不仅仅本侧侧保护护不跳跳闸，，而且且由发发信机机向对对侧发发出闭闭锁信信号，，对侧侧保护护接收收到闭闭锁信信号后后，闭闭锁该该侧保保护。。在外外部故故障时时是近近故障障侧的的方向向元件件判断断为反反方向向故障障，所所以是是近故故障侧侧闭锁锁远故故障侧侧；在在内部部故障障时两两侧方方向元元件都都判为为正方方向，，都不不发送送闭锁锁信号号，两两侧收收信机机接收收不到到闭锁锁信号号，也也就不不会去去闭锁锁保护护，于于是两两侧方方向元元件均均作用用于跳跳闸。。纵联方方向比比较保保护－－－闭闭锁式式ABCD12F3456I1W－&收信跳闸I2W+&&发信(闭锁)纵联方方向比比较保保护－－－闭闭锁式式工作过过程:当外部部故障障时，，如图图所示示保护护1和2的情况况，在在A端的保保护1功率方方向为为正，，在B端的保保护2功率方方向为为负。。此时时，两两侧的的起动动元件件1均动作作起动动发信信机发发信。。发信信机发发出的的闭锁锁信号号一方方面为为自己己的收收信机机所接接收，，一方方面经经过高高频通通道，，被对对端的的收信信机接接收。。当收收到信信号后后，保保护被被闭锁锁。此此外，，起动动元件件2也同时时动作作闭合合其触触点，，准备备了跳跳闸回回路。。在短短路功功率方方向为为正的的一端端(保护1)，其方方向元元件动动作，，停止止发信信。在在方向向为负负的一一端(保护2)，方向向元件件不起起动。。因此此，发发信机机继续续发送送闭锁锁信号号。纵联联方方向向比比较较保保护护－－－－闭闭锁锁式式在这这种种情情况况下下，，保保护护1和保保护护2均不不能能动动作作，，保保护护就就一一直直被被闭闭锁锁。。待待外外部部故故障障切切除除，，起起动动元元件件返返回回以以后后，，保保护护即即复复归归原原状状。。当两两端端供供电电的的线线路路内内部部故故障障时时，，两两端端的的起起动动元元件件1和2均动动作作，，其其作作用用同同上上。。之之后后两两端端的的方方向向元元件件动动作作，，即即停停止止了了发发信信机机的的工工作作，，保保护护能能立立即即动动作作分分别别使使两两端端的的断断路路器器跳跳闸闸。。纵联联方方向向比比较较保保护护－－－－闭闭锁锁式式需要要两两套套起起动动元元件件。。由由以以上上分分析析可可以以看看出出，，在在外外部部故故障障时时，，距距故故障障点点较较远远一一端端的的保保护护所所感感觉觉到到的的情情况况，，和和内内部部故故障障时时完完全全一一样样，，此此时时主主要要是是利利用用靠靠近近故故障障点点一一端端的的保保护护发发出出高高频频闭闭锁锁信信号号，，来来防防止止远远端端保保护护的的误误动动作作。。因因此此，，在在外外部部故故障障时时保保护护正正确确动动作作的的必必要要条条件件是是靠靠近近故故障障点点一一端端的的高高频频发发信信机机必必须须起起动动，，而而如如果果两两端端起起动动元元件件的的灵灵敏敏度度不不相相配配合合时时，，就就可可能能发发生生误误动动作作。。因因而而保保护护需需要要两两个个起起动动元元件件1和2，其其灵灵敏敏度度选选择择的的不不同同，，灵灵敏敏度度较较高高的的起起动动元元件件1只用用来来起起动动高高频频发发信信机机以以发发出出闭闭锁锁信信号号，，而而灵灵敏敏度度较较低低的的起起动动元元件件2则准准备备好好跳跳闸闸的的回回路路。。任任何何一一端端发发出出闭闭锁锁信信号号的的元元件件的的灵灵敏敏度度都都应应保保证证高高于于对对端端保保护护动动作作跳跳闸闸元元件件的的灵灵敏敏度度，，也也就就是是说说必必须须保保证证两两端端保保护护灵灵敏敏度度的的配配合合，，否否则则可可能能误误动动。。纵联联方方向向比比较较保保护护－－－－闭闭锁锁式式单电源线线路内部部故障。。当只从从一端