電力系統(tǒng)繼電保護(hù)（第2版）課件：輸電線路的縱聯(lián)保護(hù)

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)（第2版）

輸電線路的縱聯(lián)保護(hù)第一節(jié)

概

述?

對(duì)于超高壓電網(wǎng)，為了保證系統(tǒng)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性，減小電氣設(shè)備受損害的程度，對(duì)被保護(hù)線路內(nèi)部任何位置的故障，都要求線路保護(hù)無(wú)延時(shí)切除(全線速動(dòng))。?

基于雙端測(cè)量的縱聯(lián)保護(hù)被引入到輸電線路保護(hù)中，縱聯(lián)保護(hù)在理論上具有絕對(duì)的選擇性。?

電流保護(hù)、距離保護(hù)等階段式保護(hù)原理由于只是單端測(cè)量，無(wú)法從根本上克服測(cè)量誤差等因素的影響，其無(wú)延時(shí)切除故障的I段保護(hù)范圍無(wú)法覆蓋線路全長(zhǎng)，對(duì)于線路末端故障，只有犧牲動(dòng)作速度來(lái)?yè)Q取選擇性。?高頻載波相對(duì)裝設(shè)成本較低而可靠性較高，曾經(jīng)在我國(guó)的超高壓電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。?光纖通信抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，成本逐漸降低，已成為新建、改建輸電線路的首選。?縱聯(lián)保護(hù)需要交換輸電線路兩側(cè)所測(cè)量到的信息。由于通常輸電線路兩端相距遙遠(yuǎn)，要交換信息必須通過(guò)某種可靠的通信通道來(lái)完成。常見的通信方式主要有高頻載波、導(dǎo)引線、微波以及光纖通信等。本書按照通道內(nèi)所交換的信息來(lái)分，可以分為：★交換邏輯信號(hào)的縱聯(lián)方向/距離保護(hù)通過(guò)通道傳遞以邏輯量(“0”或者“1”)表

示的判斷結(jié)果★交換工頻電氣量的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)通過(guò)通道交換線路各側(cè)電流的幅值、相位或者瞬時(shí)值類似于國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)的“非單元式”和“單元式”分類。輸電線路縱聯(lián)保護(hù)根據(jù)其所采用的通信傳輸方式、傳輸內(nèi)容、保護(hù)原理以及適用范圍等方面的不同而存在很多不同類型，如：?(光纖)分相電流差動(dòng)保護(hù)?相差高頻保護(hù)(基本不用了)?高頻閉鎖方向保護(hù)(閉鎖式方向高頻保護(hù))、

高頻閉鎖負(fù)序方向保護(hù)?高頻閉鎖距離保護(hù)(超范圍閉鎖式、超范圍解除閉鎖式、欠范圍允許跳閘式、超范圍允許跳閘式)?高頻閉鎖零序方向保護(hù)第二節(jié)交換邏輯信號(hào)的縱聯(lián)保護(hù)所謂交換邏輯信號(hào)的縱聯(lián)保護(hù)，主要指那些裝設(shè)于線路兩側(cè)，通過(guò)通信通道將各自對(duì)故障位置的判別結(jié)果以邏輯信號(hào)的形式相互交換，結(jié)合各自保護(hù)元件的動(dòng)作情況綜合判決動(dòng)作與否的保護(hù)裝置。一、

邏輯信號(hào)的基本類型?根據(jù)其在縱聯(lián)保護(hù)中所起的作用，可分為閉鎖信號(hào)、允許信號(hào)和跳閘信號(hào)，其邏輯框圖分別如圖5-1所示。

1≥≥

1號(hào)作信動(dòng)閘護(hù)跳保側(cè)側(cè)對(duì)本

本側(cè)保護(hù)動(dòng)作&跳閘閉鎖信號(hào)(c)跳閘信號(hào)圖5-1縱聯(lián)保護(hù)信號(hào)邏輯框圖(b)允許信號(hào)(a)

閉鎖信號(hào)

二、方向縱聯(lián)保護(hù)1．?向縱聯(lián)保護(hù)的基本原理圖5-2縱聯(lián)閉鎖式方向保護(hù)原理圖?通道工作方式：通道經(jīng)常無(wú)高頻電流，在外部故障時(shí)發(fā)出閉鎖信號(hào)?保護(hù)動(dòng)作條件1)短路功率為正，即由母線流向線路2)收信機(jī)收不到閉鎖信號(hào)?閉鎖信號(hào)：由短路功率為負(fù)的一端發(fā)出?優(yōu)點(diǎn)：在內(nèi)部故障并伴有通道破壞時(shí)，能夠正確動(dòng)作?起動(dòng)發(fā)信：外部故障時(shí)近故障點(diǎn)側(cè)必須能夠起動(dòng)發(fā)出閉鎖信號(hào)，常見的起動(dòng)方式有三種形式：-(1)電流起動(dòng)-(2)遠(yuǎn)方起動(dòng)-(3)方向元件起動(dòng)圖5-3電流起動(dòng)縱聯(lián)閉鎖式方向保護(hù)邏輯框圖?(1)電流起動(dòng)圖5-4遠(yuǎn)方起動(dòng)縱聯(lián)閉鎖式方向保護(hù)邏輯框圖?(2)遠(yuǎn)方起動(dòng)?(3)方向元件起動(dòng)圖5-5方向元件起動(dòng)縱聯(lián)閉鎖式方向保護(hù)邏輯框圖2．基于故障分量的?向判別元件的基本原理?所謂故障分量泛指所有電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后所產(chǎn)生的，有別于正常穩(wěn)定運(yùn)行的對(duì)稱系統(tǒng)的所有各種附加分量。?目前基于故障分量的方向判別元件在縱聯(lián)保護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用，常見的幾種故障分量如：負(fù)序分量、零序分量以及突變量。(c)正方向故障相量圖(f)反方向故障相量圖(b)保護(hù)1正方向故障時(shí)的故障分量附加網(wǎng)絡(luò)(e)保護(hù)1反方向故障時(shí)的故障分量附加網(wǎng)絡(luò)圖5-6突變量故障分量網(wǎng)絡(luò)示意圖(a)簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)示意圖k1

點(diǎn)故障：ΔU!m

=?Zm

×ΔI!m

(5-

1)k2

點(diǎn)故障：ΔU!m

=

Z

'n

×

ΔI!m

=(ZL

+Zn

)ΔI

(5-2)正方向判據(jù)：

180°<

arg(

)

<

360°

(5-3)反方向判據(jù)：

0°<

arg(

)

<

180°

(5-4)實(shí)用正方向判據(jù)：

90°<

arg(

)

<

270°

(5-5)實(shí)用反方向判據(jù)：

?90°<

arg(

)

<

90°

(5-6)m.負(fù)序正方向判據(jù)：90°<arg()<270°負(fù)序反方向判據(jù)：?90°<arg()

<90°零序方向判據(jù)：90°<arg()<270°零序反方向判據(jù)：?90°<arg()<90°(5-10)(5-7)(5-8)(5-9)?在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須加以注意：(1)零、負(fù)序分量可以在故障后長(zhǎng)期獲取，而突變量由故障后的量減故障前的量計(jì)算出來(lái)，

無(wú)法長(zhǎng)期獲取。所以零、負(fù)序分量方向判別元件即可以應(yīng)用于切除瞬時(shí)性突發(fā)故障，又可以在故障發(fā)展、故障轉(zhuǎn)換時(shí)能正確反應(yīng)故障方向。(2)基于零、負(fù)序分量的方向元件只能反應(yīng)不對(duì)稱故障。突變量方向元件可以反應(yīng)不對(duì)稱故障和對(duì)稱故障。(3)當(dāng)非全相運(yùn)行時(shí)，必須退出零、負(fù)序方向元件避免誤判。突變量方向元件與系統(tǒng)是否全相運(yùn)行無(wú)關(guān)。(4)在系統(tǒng)振蕩時(shí)，受系統(tǒng)頻率發(fā)生改變的影響，故障分量的獲取存在一定的誤差。但通常方向判據(jù)裕度比較大，故其影響可以忽略。在極端情況下，當(dāng)線路兩側(cè)電勢(shì)角擺開到180°左右，在振蕩中心發(fā)生故障時(shí)，所有故障分量方向判據(jù)均無(wú)法動(dòng)作。3．?向縱聯(lián)保護(hù)應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題(1)大電源側(cè)靈敏度不足的問(wèn)題在大電源長(zhǎng)線路末端故障時(shí)保護(hù)可能出現(xiàn)的拒動(dòng)(2)功率倒向問(wèn)題外部故障切除后保護(hù)可能出現(xiàn)的誤動(dòng)(3)功率分點(diǎn)問(wèn)題外部系統(tǒng)功率分點(diǎn)故障保護(hù)可能出現(xiàn)的誤動(dòng)(1)大電源側(cè)靈敏度不足的問(wèn)題(b)N側(cè)母線附近故障時(shí)的故障分量附加網(wǎng)絡(luò)圖5-7突變量故障分量網(wǎng)絡(luò)示意圖(a)雙側(cè)電力系統(tǒng)示意圖如圖5-7(b)所示，M側(cè)保護(hù)所測(cè)量到的電壓突變量Δ

U&m為ΔU!m

=ΔU!k1

(5-

11)當(dāng)M側(cè)為大電源時(shí)，

Zm

≈

0

ZL

>>

Zm

，可得

ΔU!m

≈

0

此時(shí)無(wú)法利用式(5-5)所示的正方向判據(jù)正確判別

故障方向，即大電源側(cè)方向判據(jù)的靈敏度不足問(wèn)題。?引入補(bǔ)償電壓來(lái)間接參與比相適當(dāng)選取補(bǔ)償阻抗ZY

使其阻抗角與系統(tǒng)阻抗相同，利用電流故障分量在補(bǔ)償阻抗上產(chǎn)生的虛擬壓降

ΔU!

'm

即補(bǔ)償電壓ΔU!

'

=

ΔU!

?

Z

ΔI!(5-

12)m

m

Y

m方向判據(jù)可以改寫為：.ΔIm

(?Zm

?

ZY

)ΔI!

Z90°<arg()<270°顯然，只要合理選擇補(bǔ)償阻抗ZY

，將不受的Zm

≈0影響，ΔU!

'm

遠(yuǎn)大于零。將式(5-1)代入式(5-12)可得ΔU!

'm

=?(Zm

+ZY

)ΔI!marg

≈180°(5-13)(5-14)m

d(2)功率倒向問(wèn)題(a)功率倒向前圖5-8外部故障切除引起功率倒向示意(b)功率倒向后解決功率倒向問(wèn)題:?保證反方向元件的靈敏度高于正方向元件。即一旦發(fā)生功率倒向，保護(hù)3的反方向元件要立刻閉鎖正方向元件并發(fā)出閉鎖信號(hào)閉鎖線路兩側(cè)保護(hù)。?考慮到中間不可避免存在通道狀態(tài)切換的過(guò)程，

為了保證該過(guò)程中保護(hù)裝置能準(zhǔn)確判斷，通常在保護(hù)啟動(dòng)并判斷出反方向故障后，若系統(tǒng)再發(fā)生擾動(dòng)(如外部故障切除、故障轉(zhuǎn)換等)，保護(hù)將延時(shí)動(dòng)作，以避開兩側(cè)保護(hù)正方向元件都動(dòng)作的情況。(b)故障分量附加網(wǎng)絡(luò)圖5-9環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)故障分量附加網(wǎng)絡(luò)功率分點(diǎn)問(wèn)題示意圖(3)功率分點(diǎn)問(wèn)題(a)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)?由于分布電容電流一般較小，可以提高方向判別元件電流門坎，犧牲一部分靈敏度來(lái)?yè)Q取保護(hù)的選擇性。?當(dāng)分布電容電流較大時(shí)，使保護(hù)無(wú)法滿足靈敏度要求時(shí)，可以采取電容電流補(bǔ)償措施來(lái)避免保護(hù)誤動(dòng)。總存在功率分點(diǎn)k1

點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，母線M和N上的電

壓十分接近，流過(guò)線路LII

的穿越電流很小，主要為容性電流，由線路的分布電容決定，保護(hù)1、2將判出正方向故障而誤動(dòng)。ΔI!m

=j

ωCIIΔU!mΔI!n

=j

ωCIIΔU!n解決功率分點(diǎn)問(wèn)題:(5-15)(5-16)三、距離縱聯(lián)保護(hù)的基本原理?距離保護(hù)中的阻抗元件除可以判別故障方向外，根據(jù)不同整定值判別故障點(diǎn)所在范圍，同時(shí)還可以作為相鄰線路的后備保護(hù)。而且當(dāng)通信通道因故無(wú)法正常通信時(shí)，距離縱聯(lián)保護(hù)可以方便地直接構(gòu)成完整的階段式距離保護(hù)。?距離縱聯(lián)保護(hù)可以構(gòu)成超范圍閉鎖式、超范圍

解除閉鎖式、欠范圍允許跳閘式、超范圍允許跳

閘式等。圖5-10閉鎖式距離縱聯(lián)保護(hù)示意圖四、高頻信號(hào)的交換1．?頻通道的基本構(gòu)成?在輸電線上用載波的方法傳送50~400kHz的高頻信號(hào)，有“相——地制”和“相——相制”兩種形式?“相——地制”高頻通道的主要組成部分及作用包括：1)高頻阻波器2)耦合電容和結(jié)合濾波器3)高頻電纜4)縱聯(lián)高頻保護(hù)的收、發(fā)信機(jī)圖5-11閉鎖式距離縱聯(lián)保護(hù)示意圖2．高頻信號(hào)的交換高頻通道的工作方式有：(1)短時(shí)發(fā)信方式(正常無(wú)高頻電流方式

)(2)長(zhǎng)期發(fā)信方式(正常有高頻電流方式

)(3)移頻方式正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)信機(jī)持續(xù)以某一頻率f1發(fā)送高頻信號(hào)，起監(jiān)控高頻通道完好和閉鎖線路兩側(cè)保護(hù)的作用。在保護(hù)正方向或整定范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，停止發(fā)送頻率為f1的信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)頻率為f2的信號(hào)。第三節(jié)基于電流差動(dòng)原理的縱聯(lián)保護(hù)一、電流差動(dòng)保護(hù)基本原理及特性分析?輸電線路如果忽略分布電容等因素的影響，理論上可以等值為一個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)，依照基爾霍夫電流定律，即流向一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流之和等于零這一基本原則，來(lái)判斷被保護(hù)設(shè)備內(nèi)部是否發(fā)生了故障。從原理上保證選擇性，是一種非常理想的快速主保護(hù)。?線路兩側(cè)需要高速交換電流相量或瞬時(shí)值，這對(duì)通信提出了很高要求。光纖通信才符合要求。輸電線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)已日益成為高壓、超高壓輸電線路的一種主要保護(hù)形式。?以電流從母線流向線路為參考正方向，則在正常運(yùn)行或被保護(hù)線路外部故障時(shí)，所有流入該線路的電流之和為零：I!j

=0(5-

17)?當(dāng)發(fā)生被保護(hù)線路內(nèi)部故障時(shí)，從故障支路流(5-17)中，故根據(jù)基爾霍夫電流定律有：即故障電流由于沒(méi)有記入式過(guò)的電流

I!Fnj=1∑I!j

=I!F(5-18)圖5-14電流差動(dòng)保護(hù)示意圖流入差動(dòng)回路的電流為

I!d

=

+

=

I!

'm

+

I!

'n

(5-

19)二、帶制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)在實(shí)際應(yīng)用中，如圖5-14所示線路MN兩側(cè)電流互感器往往勵(lì)磁特性不盡相同?？紤]電流互感器勵(lì)磁電流的影響，式(5-19)可改寫為：I!

=

+

=

(I!m

Em

)+(I!n

En

)

(5-20)=

(I!m

+

I!n

)

?

(I!Em

+

I!En

)dd的差流I!d

應(yīng)躲過(guò)正常運(yùn)行及外部故障時(shí)的不平衡電流，即：(5-22)d

m

n

ub為了鑒別是否發(fā)生了內(nèi)部故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)?式(5-20)中第二項(xiàng)稱為不平衡電流，即：I!ub

=

?

(I!Em

+

I!En

)?式(5-22)即為差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)I

=

I!

'

+

I!

'

>

I(5-21)Krel

為可靠系數(shù)，通常可取1.3~1.5。K

為電流互感器的10%誤差系數(shù)。K

為電流互感器的同型系數(shù)，型號(hào)相同時(shí)取0.5，型號(hào)不同時(shí)取1。ererKaper

為非周期分量系數(shù)，I

為外部故障時(shí)流過(guò)電流互感器的最大故障I!d

的整定應(yīng)綜合考慮下列因素：I

=Kre1Iub

=Kre1Ker

KaperKst

Ik?max

/

nTA電流。(5-23)maxst?dk制動(dòng)特性2在內(nèi)部故障時(shí)，提高差動(dòng)保護(hù)的靈敏度2在正常運(yùn)行和外部故障時(shí)，抑制不平衡電流的

影響提高保護(hù)可靠性2差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流不再是固定的整定值而是跟

隨制動(dòng)電流變化而變化。?正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，流過(guò)被保護(hù)線路的穿越電流產(chǎn)生制動(dòng)作用，從而阻止差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。而內(nèi)部故障時(shí)，穿越性電流的制動(dòng)幾乎為零，流向短路點(diǎn)的故障電流，即差動(dòng)電流遠(yuǎn)大于起制動(dòng)作用的穿越電流，從而保證縱差保護(hù)靈敏動(dòng)作。穿越電流制動(dòng)的

比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)I!

'm

+

I!

'n

>

Id

.min

+

kres

I!

'm

n

(5-24)為了提高對(duì)內(nèi)部輕微故障時(shí)縱差

保護(hù)的靈敏度，比率制動(dòng)差動(dòng)保

護(hù)還可采用如圖5-15(b)所示的

折線特性。(b)圖5-15比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性三、縱差保護(hù)的動(dòng)作特性比率制動(dòng)判據(jù)I!

'm

+I!

'n

>Id

.

min

+K(Ires

?Ires

.

min

)

I!

'

+

I!

'

?

I

res

res.min制動(dòng)特性斜率KK

=

m

n

d

.min差動(dòng)電流判據(jù)取制動(dòng)電流為為拐點(diǎn)電流I!

'

I!

'

+

I!

'I

<I>

Id

.

minI

≥II

?

I(5-27)(5-28)(5-29)I

=Ires.minres

res.min2res

res

.minm

nm

n，res四、輸電線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的特殊問(wèn)題1．采樣同步問(wèn)題采樣時(shí)刻調(diào)整法是目前運(yùn)用較多的一種同步方法所謂采樣時(shí)刻調(diào)整，即將線路兩端的保護(hù)裝置分為主、從站，以主站的采樣時(shí)刻為基準(zhǔn)，從站不斷根據(jù)主站的采樣時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整，從而最終保證所有保護(hù)判據(jù)采用同一時(shí)刻電流量的一種同步方法。通道延時(shí)：t

=

tr2?

Tm1?

Tmdd?T

mj

=Tsi

?(tr3

?td

)mj

s圖5-16采樣時(shí)刻調(diào)整示意圖T

+T

+ΔtΔt

=TTm

(

j+1)

=2si?采樣時(shí)刻調(diào)整有如下優(yōu)點(diǎn)：調(diào)整算法比較簡(jiǎn)單，受通道延時(shí)變化影響小，可以適應(yīng)傳送電流采樣值或相量的不同方案。?這種同步方法的不足是：必須滿足收、發(fā)時(shí)延相等的前提條件，不適應(yīng)于收發(fā)路由不同的通訊系統(tǒng)。2．電容電流的影響?由于輸電線路沿線分布電容的存在，使保護(hù)正常運(yùn)行、外部短路時(shí)，線路兩端電流之和為線路電容電流。?為了克服電容電流的影響，通常采用電容電流補(bǔ)償?shù)拇胧?，?lái)提高縱差保護(hù)的靈敏度。圖5-17輸電線路Π型等值電路補(bǔ)償后，M、N側(cè)用于差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的電流分別為：I!

'm

=

I!m

.

m

?

j(

+

)

(5-34)I!

'

=

I!

?

j(

+

)

(5-35)用經(jīng)過(guò)電容電流補(bǔ)償后的M

、N側(cè)電流，構(gòu)成比率

制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)判據(jù)(5-24)。nnnnnnnnnnnnnnnm.nnI!mc

=

jω

(U!m1

+

U!m2

)+

jω

U!m0

=

j(

+

)I!nc

=

jω

(U!n1

+

U!n2

)+

jω