《电力系统继电保护》课件-5-输电线路的纵联保护

电力系统继电保护第五章 输电线路的纵联保护第一节 概 述电流保护、距离保护等阶段式保护原理由于只是单端测量，无法从根本上克服测量误差等因素的影响，其无延时切除故障的I段保护范围无法覆盖线路全长，对于线路末端故障，只有牺牲动作速度来换取选择性。对于超高压电网，为了保证系统并列运行的稳定性，减小电气设备受损害的程度，对被保护线路内部任何位置的故障，都要求线路保护无延时切除（全线速动）。基于双端测量的纵联保护被引入到输电线路保护中，纵联保护在理论上具有绝对的选择性。纵联保护需要交换输电线路两侧所测量到的信息。由于通常输电线路两端相距遥远，要交换信息必须通过某种可靠的通信通道来完成。常见的通信方式主要有高频载波、导引线、微波以及光纤通信等。高频载波相对装设成本较低而可靠性较高，曾经在我国的超高压电网中得到了广泛的应用。光纤通信抗干扰能力强，可靠性高，成本逐渐降低，已成为新建、改建输电线路的首选。本书按照通道内所交换的信息来分，可以分为：★ 交换逻辑信号的纵联方向/距离保护通过通道传递以逻辑量（“0”或者“1”）表示的判断结果★交换工频电气量的纵联电流差动保护通过通道交换线路各侧电流的幅值、相位或者瞬时值类似于国际大电网会议（CIGRE）的“非单元式”和“单元式”分类。输电线路纵联保护根据其所采用的通信传输方式、传输内容、保护原理以及适用范围等方面的不同而存在很多不同类型，如：

（光纤）分相电流差动保护

相差高频保护（基本不用了）

高频闭锁方向保护（闭锁式方向高频保护）、高频闭锁负序方向保护

高频闭锁距离保护（超范围闭锁式、超范围解除闭锁式、欠范围允许跳闸式、超范围允许跳闸式）

高频闭锁零序方向保护第二节交换逻辑信号的纵联保护所谓交换逻辑信号的纵联保护，主要指那些装设于线路两侧，通过通信通道将各自对故障位置的判别结果以逻辑信号的形式相互交换，结合各自保护元件的动作情况综合判决动作与否的保护装置。一、

逻辑信号的基本类型根据其在纵联保护中所起的作用，可分为闭锁信号、允许信号和跳闸信号，其逻辑框图分别如图5-1所示。

&本侧保护动作闭锁信号跳闸&本侧保护动作对侧允许信号跳闸≥1本侧保护动作对侧跳闸信号跳闸(a)

闭锁信号(b)

允许信号(c)跳闸信号图5-1

纵联保护信号逻辑框图二、方向纵联保护1．⽅方向纵联保护的基本原理图5-2

纵联闭锁式方向保护原理图通道工作方式：通道经常无高频电流，在外部故障时发出闭锁信号保护动作条件短路功率为正，即由母线流向线路收信机收不到闭锁信号闭锁信号：由短路功率为负的一端发出优点：在内部故障并伴有通道破坏时，能够正确动作起动发信：外部故障时近故障点侧必须能够起动发出闭锁信号，常见的起动方式有三种形式：-

（1）电流起动-

（2）远方起动-

（3）方向元件起动（1）电流起动图5-3

电流起动纵联闭锁式方向保护逻辑框图（2）远方起动图5-4

远方起动纵联闭锁式方向保护逻辑框图（3）方向元件起动图5-5

方向元件起动纵联闭锁式方向保护逻辑框图2．基于故障分量的⽅方向判别元件的基本原理所谓故障分量泛指所有电力系统发生扰动后所产生的，有别于正常稳定运行的对称系统的所有各种附加分量。目前基于故障分量的方向判别元件在纵联保护中得到了广泛应用，常见的几种故障分量如：负序分量、零序分量以及突变量。(e)

保护1反方向故障时的故障分量附加网络(f)反方向故障相量图(b)

保护1正方向故障时的故障分量附加网络(c)正方向故障相量图(a)

简单电力系统示意图图5-6

突变量故障分量网络示意图ΔU!

Zm mΔI!m(5-1)!ΔUmn!

Z'

ΔIm(5-2)ΔI!m180

arg(

ΔU!

m

)

360

正方向判据：ΔI!m0

arg(

ΔU!

m

)

180

(5-3)反方向判据：(5-4)ΔI!

Zm d

90

arg(ΔU!m!ΔI

Zm d)

90

实用正方向判据：

90

arg(

ΔU!

m )

270

实用反方向判据：(5-5)(5-6)k1点故障：k2点故障：.

(ZL

Zn

)Δ

ImΔI! Zm

2 d

2)

270

ΔU!m

2!ΔI

Zm

2 d

2)

90

ΔI! Zm

0 d

0)

270

ΔU!m

0!ΔI

Zm

0 d

0)

90

负序正方向判据：90

arg( ΔU!

m2(5-7)零序方向判据：

90

arg( ΔU!

m0零序反方向判据：

90

arg((5-10)负序反方向判据：

90

arg((5-8)(5-9)

在实际应用时必须加以注意：零、负序分量可以在故障后长期获取，而突变量由故障后的量减故障前的量计算出来，无法长期获取。所以零、负序分量方向判别元件即可以应用于切除瞬时性突发故障，又可以在故障发展、故障转换时能正确反应故障方向。基于零、负序分量的方向元件只能反应不对称故障。突变量方向元件可以反应不对称故障和对称故障。（3）当非全相运行时，必须退出零、负序方向元件避免误判。突变量方向元件与系统是否全相运行无关。（4）在系统振荡时，受系统频率发生改变的影响，故障分量的获取存在一定的误差。但通常方向判据裕度比较大，故其影响可以忽略。在极端情况下，当线路两侧电势角摆开到180°左右，在振荡中心发生故障时，所有故障分量方向判据均无法动作。3．⽅方向纵联保护应用中需要注意的问题大电源侧灵敏度不足的问题在大电源长线路末端故障时保护可能出现的拒动功率倒向问题外部故障切除后保护可能出现的误动功率分点问题外部系统功率分点故障保护可能出现的误动（1）大电源侧灵敏度不足的问题(a)

双侧电力系统示意图(b)

N侧母线附近故障时的故障分量附加网络图5-7

突变量故障分量网络示意图mΔU!

ΔU!Z

m k1

ZmZL(5-11)mmYΔU!

'

ΔU!

Z

ΔI!m(5-12)m如图5-7(b)所示，M侧保护所测量到的电压突变量

ΔU&

为当M侧为大电源时，Zm

，可得

0Z

ZL mΔU!

0m压降此时无法利用式（5-5）所示的正方向判据正确判别故障方向，即大电源侧方向判据的灵敏度不足问题。引入补偿电压来间接参与比相适当选取补偿阻抗

ZY

使其阻抗角与系统阻抗相同，利用电流故障分量在补偿阻抗上产生的虚拟ΔU!

'm即补偿电压ΔI!

Zm d90

arg(

ΔU!

'm

)

270

arg

Δ

I

m

(

ZmΔI!

Zm dZ )Y

180

(5-14)Zmm显然，只要合理选择补偿阻抗Y

，将不受的

Z

0影响，

ΔU!

'远大于零。方向判据可以改写为：

将式(5-1)代入式(5-12)可得!ΔU!

'

(Z

Z

)ΔIm m Ym(5-13)（2）功率倒向问题图5-8

外部故障切除引起功率倒向示意(a)

功率倒向前(b)

功率倒向后解决功率倒向问题:保证反方向元件的灵敏度高于正方向元件。即一旦发生功率倒向，保护3的反方向元件要立刻闭锁正方向元件并发出闭锁信号闭锁线路两侧保护。考虑到中间不可避免存在通道状态切换的过程，为了保证该过程中保护装置能准确判断，通常在保护启动并判断出反方向故障后，若系统再发生扰动（如外部故障切除、故障转换等），保护将延时动作，以避开两侧保护正方向元件都动作的情况。（3）功率分点问题图5-9环网系统故障分量附加网络功率分点问题示意图(a)

环网系统(b)

故障分量附加网络m2IIΔI!

j1

C

ΔU!mn2IIΔI!

j1

C

ΔU!n(5-15)(5-16)总存在功率分点k1点发生故障时，母线M和N上的电压十分接近，流过线路LII 的穿越电流很小，主要为容性电流，由线路的分布电容决定，保护1、2将判出正方向故障而误动。解决功率分点问题:由于分布电容电流一般较小，可以提高方向判别元件电流门坎，牺牲一部分灵敏度来换取保护的选择性。当分布电容电流较大时，使保护无法满足灵敏度要求时，可以采取电容电流补偿措施来避免保护误动。三、距离纵联保护的基本原理距离保护中的阻抗元件除可以判别故障方向外，根据不同整定值判别故障点所在范围，同时还可以作为相邻线路的后备保护。而且当通信通道因故无法正常通信时，距离纵联保护可以方便地直接构成完整的阶段式距离保护。距离纵联保护可以构成超范围闭锁式、超范围解除闭锁式、欠范围允许跳闸式、超范围允许跳闸式等。图5-10

闭锁式距离纵联保护示意图四、高频信号的交换1．⾼高频通道的基本构成在输电线上用载波的方法传送50～400

kHz的高频信号，有 “相——地制”和“相——相制”两种形式“相——地制”高频通道的主要组成部分及作用包括：高频阻波器耦合电容和结合滤波器高频电缆纵联高频保护的收、发信机图5-11

闭锁式距离纵联保护示意图2．⾼高频信号的交换高频通道的工作方式有：（1）短时发信方式（正常无高频电流方式 ）长期发信方式（正常有高频电流方式 ）移频方式正常运行时，发信机持续以某一频率f1发送高频信号，起监控高频通道完好和闭锁线路两侧保护的作用。在保护正方向或整定范围内发生故障时，停止发送频率为f1的信号，转发频率为f2的信号。第三节基于电流差动原理的纵联保护一、电流差动保护基本原理及特性分析

输电线路如果忽略分布电容等因素的影响，理论上可以等值为一个电气节点，依照基尔霍夫电流定律，即流向一个节点的电流之和等于零这一基本原则，来判断被保护设备内部是否发生了故障。从原理上保证选择性，是一种非常理想的快速主保护。线路两侧需要高速交换电流相量或瞬时值，这对通信提出了很高要求。光纤通信才符合要求。输电线路纵联差动保护已日益成为高压、超高压输电线路的一种主要保护形式。以电流从母线流向线路为参考正方向，则在正常运行或被保护线路外部故障时，所有流入该线路的电流之和为零：当发生被保护线路内部故障时，从故障支路流(5-17)中，故根据基尔霍夫电流定律有：j

1n

I!j

0(5-17)过的电流

I! 即故障电流由于没有记入式F(5-18)n

I!jj

1

I!F!dI

TA1I! I!

m

n n nTA

2m! !

I

'

I

'n(5-19)图5-14电流差动保护示意图流入差动回路的电流为二、带制动特性的差动保护在实际应用中，如图5-14所示线路MN两侧电流互感器往往励磁特性不尽相同。考虑电流互感器励磁电流的影响，式(5-19)可改写为：!dI

I!n

I! I!

I!

m Em

n En

nTA1 TA

2nTA1

(I!

I! )

(I!

I! )

m Em

n En

TAn nTAm n Em En1 1

(I!

I!

)

(I!

I! )(5-20)I!ubnTAEm

En1

(I!

I! )(5-21)I

I!'

I!'

Id m n ub(5-22)式(5-20)中第二项称为不平衡电流 ，即：为了鉴别是否发生了内部故障，差动保护动作时的差流应躲过正常运行及外部故障时的不平衡电流，即：I!d式(5-22)即为差动保护的判据I! 的整定应综合考虑下列因素：drelK 为可靠系数，通常可取1.3～1.5。为电流互感器的10%误差系数。为电流互感器的同型系数，型号相同时取0.5，型号不同时取1。为非周期分量系数，erKKstKaperIk

max 为外部故障时流过电流互感器的最大故障电流。I

K I

Kd re1 ubK K K I /

nre1

er

aper

st

k

max

TA(5-23)制动特性

在内部故障时，提高差动保护的灵敏度

在正常运行和外部故障时，抑制不平衡电流的影响提高保护可靠性

差动保护动作电流不再是固定的整定值而是跟随制动电流变化而变化。mI!'

I!'nd

.

min2resm

I

1

k I!'

I!'n(5-24)正常运行或外部故障时，流过被保护线路的穿越电流产生制动作用，从而阻止差动保护动作。而内部故障时，穿越性电流的制动几乎为零，流向短路点的故障电流，即差动电流远大于起制动作用的穿越电流，从而保证纵差保护灵敏动作。穿越电流制动的比率制动差动保护三、纵差保护的动作特性(b)图5-15

比率制动差动保护的动作特性为了提高对内部轻微故障时纵差保护的灵敏度，比率制动差动保护还可采用如图5-15(b)所示的折线特性。I

Ires res

.

min差动电流判据(5-27)I!'

I!'m n

I

K

(I

I

)d

.

min res res

.

minI

Ires res

.

min比率制动判据(5-28)制动特性斜率KK

mnI!'

I!'

Id

.

minresI

Ires

.

min(5-29)I!'

I!'

Im n d

.min

I!'

I!' 2m n取制动电流为

Ires为拐点电流，

Ires

.

min四、输电线路纵联差动保护的特殊问题1．采样同步问题采样时刻调整法是目前运用较多的一种同步方法所谓采样时刻调整，即将线路两端的保护装置分为主、从站，以主站的采样时刻为基准，从站不断根据主站的采样时刻进行调整，从而最终保证所有保护判据采用同一时刻电流量的一种同步方法。图5-16

采样时刻调整示意图通道延时：2dt

t

2r

T

1m

TmΔt

T

Tsimj

Tsi

(t

t

)r

3 dm

(

j

1)T

Tmj

Ts

Δt采样时刻调整有如下优点：调整算法比较简单，受通道延时变化影响小，可以适应传送电流采样值或相量的不同方案。这种同步方法的不足是：必须满足收、发时延相等的前提条件，不适应于收发路由不同的通讯系统。2．电容电流的影响由于输电线路沿线分布电容的存在，使保护正常运行、外部短路时，线路两端电流之和为线路电容电流。为了克服电容电流的影响，通常采用电容电流补偿的措施，来提高纵差保护的灵敏度。图5-17

输电线路

型等值电路I!mc2m1m

2 1

0

2m

0

j

C

(U!

U! )

j

C

U!

j(U!m

U!m

02

XC

1

U!m

02

XC

0)(5-32)nc

1

I!

j

C

(U!n1 n

2 n

0!U

U!

n

n

0

!U

0

n

0

2 2 2

X 2

XC

1 C

0

U! )

j

C

U!

j(

)(5-33)m m

.

mI!'

I!

j(U!

m

U!m

02

XC

1U!m

02

XC

0)(5-34)n n

.

mI!'

I!

j(U!

n

U!n

0U!n

02

X 2

XC

1 C

0)(5-35)由图5-17可得到线路两端电容电流mcI! 、I!nc补偿后， M、N侧用