（电力系统及其自动化专业论文）大接地电流系统新型接地保护的分析与研究.pdf

山东大学硕士论文 a b s t r a c t i nt h em o d e mp o w e rg r i d ，w i t hu l t r a - h i g hv o l t a g e ，h i g h - c a p a c i t y , l o n g 。d i s t a n c e t r a n s m i s s i o nl i n e sg r o w i n go nt h ep o w e rs y s t e mr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e so fah i g h e r , m o r es t r i n g e n tr e q u i r e m e n t s s of a r1lo k va n da b o v ep o w e rg r i d su s en e u t r a lg r o u n d i n gs y s t e m a c c o r d i n gt o s t a t i s t i c s ，g r o u n df a u l t sc o m p r i s em o r et h a n9 0 o f t h et o t a lf a u l t s e x c l u d i n gf e e d e r p r o t e c t i o n ，t h ee x i s t i n gg r o u n dp r o t e c t i o nm a i n l y i n v o l v e sz e r os e q u e n c ec u r r e n t p r o t e c t i o na n de a r t h - f a u l td i s t a n c ep r o t e c t i o n z e r os e q u e n c ec u r r e n tp r o t e c t i o nh a s s i m p l ec o n s t r u c t i o na n dh i g hs e n s i t i v i t y , b u ti t sh i g h l ya f f e c t e db yt h eo p e r a t i o nm o d e a l t h o u g ht h ep r o t e c t e dr e g i o ni s n ta f f e c t e db yo p e r a t i o nm o d e ，d i s t a n c ep r o t e c t i o n h a sc o m p l i c a t e dc o n s t r u c t i o na n de x p e n s i v ed e v i c e s i ti sv e r yw o r t h w h i l et or e s e a r c h ap r o t e c t i o ns y s t e mw h i c hn o to n l yh a ss i m p l es t r u c t u r eb u ta l s on o tt ob ee f f e c t e db y m o d eo fo p e r a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no fs o l i dg r o u n ds y s t e m ，a n d a n a l y z e st h ea f f e c t i o no ft r a n s i t i o nr e s i s t a n c et ot h ed i s t a n c ep r o t e c t i o n a c c o r d i n gt o a n a l y s i s o fz e r o s e q u e n c e c u r r e n t p r o t e c t i o n a n dd i s t a n c e p r o t e c t i o n ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et w om e t h o d sa r eo b t a i n e d t h i sp a p e ra n a l y z e dt h en e w c r i t e r i o n w h i c hh a sb e e np r o p o s e di nt h ea r t i c l e 【21 t h en e wc r i t e r i o ni sm a i n l ya b o u tt h e n e g a t i v es e q u e n c ea n dz e r os e q u e n c ec o m p o n e n t s w ed r a wac o n c l u s i o nt h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e dt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h es t a n d i n gr e s i s t a n c ea b i l i t yo ft h en e wc r i t e r i o nw h e na s y m m e t r i cf a u l th a p p e n s b o t hi ns i n g l ep o w e rs u p p l ys y s t e ma n dd u a lp o w e rs u p p l ys y s t e m t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o np r o v e st h a tt h i sn e wc r i t e r i o nh a sp r e p o t e n c y a tt h es a m et i m ei nt h et w o - p h a s eg r o u n ds h o r to ft h ec i r c u m s t a n c e st h a tm a ya r i s e b e y o n dt h es e t t i n gd i s t r i c t t h ep a p e rp u tf o r w a r ds o m em e t h o d st oi m p r o v et h e e x i s t e n tp r o b l e m s k e yw o r d s ：m a t l a b ；d i s t a n c ep r o t e c t i o n ；c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ；s h o r tc i r c u i t i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 乱刨 日 期：二竺掣 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：型q 基趁土导师签名： 日期：弘弓少 山东大学硕士论文 第一章绪论 1 1 概述 电力工业是国民经济的基础，是重要的支柱产业。电力系统规模大，结构复 杂，由于人为因素或自然因素，会发生各种故障和出现不正常的运行状态。继电 保护装置作为电力系统最重要的二次设备之一，是电力系统安全运行的保障。 目前我国11 0 k v 以上的电力系统都采用中性点直接接地。大接地电流系统在 运行中可能发生各种故障或处于不正常运行状态，尤其是发生接地短路时会有很 大的短路电流，对电力系统造成以下危害： ( 1 ) 通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏； ( 2 ) 短路电流通过非故障元件时，由于发热和电动力的作用，引起其损坏或缩 短其使用寿命； ( 3 ) 在发生短路时，电力系统中部分地区的电压大大降低破坏用户工作的稳定 性或影响工厂产品质量： ( 4 ) 破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡甚至使系统瓦解。 基于以上情况，大接地电流系统的接地保护显得尤为重要。目前，大接地 电流系统的接地保护一般采用零序电流保护和接地距离保护。零序电流保护有结 构简单灵敏度高的优点，但是其保护区域受运行方式的影响较大；距离保护虽然 其保护区域不受运行方式的影响但是其保护结构复杂设备昂贵。在现代电网中， 随着超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多对电力系统的安全稳定运行提 出了更高更严格要求，目前还没有一种保护既结构简单又不受运行方式影响，因 此对大接地电流系统接地保护的研究仍有十分重要的意义。 1 2 大接地电流系统线路保护研究现状 在中性点直接接地的系统中，统计数字表明，接地故障占总故障的9 0 以上【， 其中1 l o k v 及以上电网单相接地故障占7 0 9 0 t 2 1 1 3 1 ，三相短路很少见，多数都 是由接地短路故障或相间短路而致。因此接地短路的保护是高压电网的重要保护 之一。 目前，线路的接地保护如果不计高频保护在内，主要有零序电流保护和接地 距离保护。 山东大学硕士论文 零序电流保护的原理简单，动作速度快，所以被广泛应用于高压电网各种电 压等级的接地系统中。但是，零序电流保护仍有电流保护的某些弱点，它受电力 系统运行方式变化的影响较大，灵敏度将因此降低：特别是在短距离的线路上以 及复杂的环网中，由于速动段的保护范围太小，甚至没有保护范围，致使零序电 流保护各段的性能严重恶化，使保护动作时间很长，灵敏度降低。当零序电流保 护的保护效果不能满足电力系统要求时，则应装设接地距离保护。 对于接地短路故障除小部分金属性接地短路外，绝大部分都存在着过渡电 阻。过渡电阻是一种瞬间状态的电阻。当线路发生相间短路或相对地短路时，短 路电流从一相流到另一相或从一相流入接地部位的途径中所通过的电阻被我们 称之为过渡电阻。相间短路时，过渡电阻主要是电弧电阻。接地短路时，过渡电 阻主要是杆塔及其接地电阻。一旦故障消失，过渡电阻也随之消失。过渡电阻的 存在，会导致距离保护的阻抗继电器无法正确测量保护安装处到故障点的短路阻 抗，引起保护超范围动作或使保护范围缩短，从而导致保护误动或拒动卜1 1 】。为了 克服接地电阻的影响并提高接地距离保护的可靠性，继电保护工作者做了大量的 研究，文酬1 2 1 4 1 提出了基于单端电压和电流计算故障阻抗的方法，文献【1 5 】取零序 电流、电压补偿系数近似值测量故障阻抗，文献【1 6 , 1 7 1 采用自适应的方法来消除接 地电阻对距离保护的影响，文献【1 8 , 1 9 1 改变距离保护多边形形状来解决高过渡电阻 接地拒动问题。文献【2 0 】采用基于保护处监测到的有功功率计算过渡电阻的方法， 改进了距离保护的判据，能根据计算出过渡电阻的大小自动补偿附加测量阻抗， 因而具有极强的抗过渡电阻能力，但是其保护装置结构比较复杂。 1 3 新型距离保护 传统的距离保护抵抗过渡电阻影响的能力较弱，导致在过渡电阻较大的情况 下距离保护的阻抗继电器无法正确测量保护安装处到故障点的短路阻抗，并且常 规的距离保护中的距离继电器不仅分为反应接地短路的接地距离继电器和反应 相间短路的相间距离继电器而且是按相别分相设置的。因此，距离保护装置结构 比较复杂。在微机构成的数字式距离保护装置中，一般需要先判别短路类型和短 路相别然后选用相应的电流电压量进行短路距离计算。在计算过程中，如果短路 类型发生变化，微机需要转入新的程序对数据进行新的处理，这就增加了计算时 间，降低了计算效率。 本文受文献【2 l 】的启发，采用一种基于负序分量与零序分量的保护新判据。 2 山东大学硕士论文 这种新的保护判据具有内部故障动作灵敏、承受过渡电阻能力强的优越性能，并 且工作原理简单直观。只要采取适当的措施根据不同的故障类型实时改变保护的 整定值，满足保护的选择性，在各种不对称故障情况下均具有比较稳定的保护范 围。该新方式不受故障前负荷影响，不反应系统振荡，通过与零序电流保护比较 可知，相比于零序电流保护，具有保护区相对稳定，受系统运行方式及线路长度 影响小，并能反应两相短路故障等优点：相比于传统距离保护，具有构成相对简 单，可靠性高，抗过渡电阻能力强，无电压死区等优点。 本文分析了该保护判据的动作特性、制动特性以及承受过渡电阻的能力，并 在m a t l a b 6 5 的环境下开发了仿真程序，分别对单端电源系统以及双端电源系 统在单相接地短路、两相短路及两相接地短路等共六种故障情况下进行仿真计 算，并图示化输出以过渡电阻和保护范围为坐标轴的继电器动作区间图。同时与 零序电流一段保护进行了比较充分证明了本判据具有受输电线路长度影响小，适 用于中长线路，并且保护的性能不受采样频率的影响，具有较强的抗过渡电阻能 力。 1 4 本文所用的计算机语言n a t i 佃概述 m a t l a b 是“矩阵实验室”( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 的缩写，由美国 m a t h w o r k s 公司推出的一种以矩阵运算为基础的交互式程序设计语言和科学 计算软件，适用于工程应用和教学研究等领域的分析设计与复杂计算。与其它计 算机语言相比，它具有语句简洁，编程效率高，强大而简易的绘图功能，有效方 便的矩阵和数组运算，直观便捷的动态仿真，尤其是扩充能力强。正因为这些特 点，m a t l a b 已成为教学研究与工程应用的不可缺少的助手【2 2 】。概括而言， m a t l a b 的基本特点如下： ( 1 ) 极强的数值计算功能和作图功能( 可以做动画和用户界面) ，也有很强的符号计 算功能。 ( 2 ) 图形窗口式的操作界面，易于学习和掌握。使用常用的数学符号和表达式， 贴近人们的思维习惯。它默认使用复数与矩阵计算速度快。 ( 3 ) 用简单的指令就可以完成大量的计算与作图功能，编程语法简单，程序设计 方便。绝大部分指令的程序是开放的，用户可以模仿和修改。 ( 4 ) 配备有大量不同领域的专用工具箱，用户还可以开发自己的专用工具箱1 2 2 1 。 3 山东大学硕士论文 1 5 本文的主要工作 ( 1 ) 总结了电力系统继电保护技术的发展历史和研究现状，对线路保护进行了概 述，对基于负序分量与零序分量新判据进行了分析。 ( 2 ) 建立了一个双侧电源的电力系统模型，针对这个模型根据故障分析的基本知 识，在各种短路故障情况下对该系统进行分析。 ( 3 ) 用m a t l a b 编写一个短路计算分析软件，该软件具有强大的计算功能和绘图 功能，此外在该软件中还设计了用户界面，对于这个双侧电源模型的基本参数和 系统发生故障的类型，可以通过用户界面输入设定，还可以设定系统两侧的电势 夹角d 变化范围在0 0 3 6 0 0 之间，过渡电阻r 。的大小在0 3 0 0 q 之间。利用这个 软件，我们可以比较出当系统发生不同类型短路故障时应用新型判据的距离继电 器和传统的电流继电器保护范围以及抗过渡电阻能力方面的差异。 ( 4 ) 本文就利用编写的m a t l a b 软件结合理论论证，对一种新型的接地距离继电 器的动作特性进行了分析。该接地距离继电器的动作判据是通过比较负序与零序 补偿电压的和与线路额定电压的关系以确定继电器的动作行为情况。同时分析表 明，该接地距离继电器具有很好的保护范围，且具有抗过渡电阻能力强的特点。 ( 5 ) 针对该新型的距离继电器在发生两相接地短路故障时可能存在的稳态超越问 题，利用给定线路参数，实时计算出距离保护整定值的修正系数k ，修改两相接 地短路时的整定阻抗，从而躲避稳态超越现象。 4 山东大学硕士论文 第二章大接地电流系统常用接地保护 目前，线路的接地保护如果不计高频保护在内，主要有零序电流保护和接地 距离保护。本章从线路保护的发展入手，由浅至深的介绍了线路保护的发展过程、 大接地电流系统接地故障所采用的保护方法及其优缺点，并且分析了继电器的功 能特性。 2 1 线路保护的发展 线路是电力系统中最重要的元件之一，电力线路由输电线路和配电线路组 成，是电能输送的主要承担者，也是构成电力网络的主要桥梁，电网中的故障大 多数是发生在线路上或者是由于线路故障引起的，因此对线路的继电保护尤为重 要。 随着电子技术、计算机技术、通信技术的发展，线路继电保护技术的发展大 致经历了四个阶段：电磁型、晶体管型、集成电路型和微机型。从1 9 6 5 年英国剑 桥大学的p gm c l a r e n 发表了第一篇利用采样技术实现输电线路距离保护的论文 开始继电保护领域出现了日新月异的变化。我国自5 0 年代木，晶体管继电保护已 开始研究，6 0 年代n 8 0 年代中是晶体管蓬勃发展和广泛采用的时代。自1 9 8 4 年华 北电力学院杨奇逊主研的第一套以m c 6 8 0 9 c p u 为核心的微机距离保护装置在电 力系统投入运行以来已有微机型线路保护、变压器保护、发电机变压器保护、 母线保护等各种型号6 0 0 0 余套投入运行【2 3 】。从9 0 年代开始我国继电保护技术已进 入了微机保护的时代。随着微型计算机技术的发展除将微机用于故障分析和保护 功能外，还出现了反映数字量的微机继电保护装置。随着电力系统的高速发展和 计算机技术、通信技术的进步，继电保护技术面临着进一步发展的趋势。从计算 机化，网络化逐步向保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化发展【2 4 2 5 】 o 一般来说，电网发生短路故障所呈现的基本稳态特征是在保护安装处所检测 到的电流会升高，电压要降低，阻抗、相位等都会发生变化。我们可以根据这一 普遍规律，分别用电流继电器、电压继电器、阻抗继电器和方向继电器等基本保 护元件组成电网的继电保护系统。 由于线路元件大多分布范围较广且多数暴露在自然环境中，受到环境和人为 因素影响较大，容易发生各种故障。线路保护的任务就是在故障时响应线路上电 山东大学硕士论文 气量的变化而迅速动作切除故障线路。不同电力线路，保护的配置要求不同，根 据继电保护和自动装置设计技术规程的规定对保护配置的要求如下： ( 1 ) 对于馈线保护主要采用三段式相间电流、电压保护，配合零序电流保护以 及三相一次重合闸； ( 2 ) 对于1 l o k v 及以上的高压输电线路的保护主要采用三段相间距离、接地距 离保护，配合三段或四段方向零序电流保护、三相一次重合闸功能； ( 3 ) 对于2 2 0 k v 及以上的高压、超高压输电线路，还应根据情况增设高频保护。 2 2 零序电流保护 我国1 l o k v 及以上( 除1 5 4 k v 夕b ) 的电力系统均为大电流接地系统，国内该等级 的电网都采用中性点直接接地方式，当在这类电网中发生接地短路( 单相接地短 路或两相接地短路故障) 时，将产生很大的故障相电流和零序电流，必须装设接 地短路的相应保护装置。根据我国电力系统几十年的故障情况统计，在接地电流 系统中，接地故障的次数为所有故障的9 0 左右，因此，采用专门的零序电流保 护以保护接地故障，具有显著的优越性。故目前零序电流保护在我国的大接地系 统中得到十分广泛的应用。 正常运行的电力系统是三相对称的，其零序、负序电流和电压理论上为零； 多数的短路故障是不对称的，其零序、负序电压会很大；利用零序电流分量构成 保护，可作为一种主要的接地短路保护。因为它不反映三相和两相短路，在正常 运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以它有较好的灵敏度。 2 2 1 零序电流速断保护的整定原则 零序电流保护就是利用接地故障时出现的零序电流来构成保护的。零序电 流速断保护的整定原则如下【2 7 】： ( 1 ) 躲开下级线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3 1 0 一， 引入可靠系数掣陀，( 一般取为1 2 1 3 ) ，即 匕= k 乙, , 3 i o 一 ( 2 一1 ) ( 2 ) 躲开断路器三相触头不同期合闸时出现的最大零序电流3 厶，引入可靠系数 。，即 ，埘i = k l e l x 3 1 n “柏 ( 2 2 ) 整定值应取以上两者中较大者。 6 山东大学硕士论文 ( 3 ) 当线路上采用单相自动重合闸时，按能躲开在非全相运行状态下又发生系统 振荡时，所出现的最大零序电流整定。 通常按条件( 1 ) 或( 2 ) 整定( 由于其定值较小，保护范围较大) ，称为零序灵敏 i 段，它的主要任务是对全相运行状态下的接地故障起保护作用，具有较大的保 护范围。按条件( 3 ) 整定，即按躲过非全相运行状态下又发生系统振荡时所出现 的最大零序电流( 由于它的定值较大，因此称为不灵敏i 段) ，用于在单相重合 闸过程中，其他两相又发生接地故障时，用于弥补失去灵敏i 段的缺陷，尽快地 将故障切除。不灵敏i 段也能反映全相运行状态下的接地故障，只是其保护范围 较灵敏i 段小。 2 2 2 影响零序电流保护性能的因素 ( 1 ) 运行方式的影响 零序电流保护整定原则( 1 ) 中的最大零序电流3 1 0 一，一般是在系统最大运行 方式下，即最小的系统阻抗五小加条件下计算得到的，当系统运行方式变化很大 时，零序电流保护的保护范围会缩小，甚至会没有保护区。 u ， i l 图2 - 5 运行方式变化对零序电流保护范围的影响 如图2 5 所示，当保护2 零序电流保护在最大运行方式下整定后，在最小运 行方式下可能就没有保护范围。图中“1 ”为最大运行方式下流经保护安装处的 短路电流随短路点距离变化曲线，“2 ”为最小运行方式下流经保护安装处的短路 电流随短路点距离变化曲线。 ( 2 ) 被保护线路长度的影响 当线路较长时，其始端和术端零序电流的差别较大，零序电流变化曲线较陡， 保护范围比较大；当线路短时，零序电流保护的整定值在考虑了可靠系数以后， 其保护范围将很小甚至等于零，如图2 6 ( b ) 所示，a 、b 间线路较短，此时零 序电流保护的保护范围很小。 7 山东大学硕士论文 ( a ) 长线路 ( b ) 短线路 图2 - 6 被保护线路艮短不同时对电流保护的影响 2 2 3 零序电流保护的优缺点 相间短路电流保护的三相星形接地方式，可以保护单相接地短路。由于零序 电流保护有许多独特的优点，所以常常采用专门的零序保护。零序电流保护主要 优点如下： ( 1 ) 零序电流保护比相间短路的电流保护有更高的灵敏度。对零序i 段，由于 线路的零序阻抗大于正序阻抗。使线路始末两端电流变化较大，因此使零序i 段 的保护范围增大，即提高了灵敏度； ( 2 ) 零序过电流保护的动作时限较相间保护短； ( 3 ) 零序电流保护不反映系统振荡和过负荷； ( 4 ) 接线可靠。 零序保护的缺点是：不能反映相间短路。 2 3 距离保护 零序电流保护虽然有上述优点但仍有电流保护的某些弱点，即它受电力系统 运行方式变化的影响较大，灵敏度将因此降低特别是在短距离的线路上以及复杂 的环网中，由于速动段的保护范围太小，甚至没有保护范围，致使零序电流保护 各段的性能严重恶化，使保护动作时间很长，灵敏度很低。当零序电流保护的保 护效果不能满足电力系统要求时，则应装设接地距离保护。 2 3 1 距离保护基本原理 接地距离保护因其保护距离比较固定，对本线路和相邻线路的保护效果都会 有所改善。距离保护是反映故障点至保护安装地点之间的距离( 或阻抗) ，并根 据距离的远近而确定动作时间的一种保护装割2 引。该装置主要元件为距离( 阻抗) 8 山东大学硕士论文 继电器，它可根据其端子所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗 值，此阻抗称为阻抗继电器的测量阻抗。其主要特点是：短路点距离保护安装点 越近，其测量阻抗越小；相反地，短路点距离保护安装点越远，其测量阻抗越大， 动作时间就越长。这样就可保证有选择地切除故障线路。如图2 7 ( a ) 所示，k 点短路时，保护l 的测量阻抗是z k ，保护2 的测量阻抗是( z a b + z k ) 。由于保护 1 距离短路点较近，而保护2 距离短路点较远，所以，保护1 的动作时间就比保 护2 的短。这样故障就由保护1 动作切除，不会引起保护2 的误动作。这种选择 性的配合是靠适当地选择各保护的整定阻抗值和动作时限来完成的。 e c p 4 石 c 团 田乡 n 。 _ 一z k 一 j1 么k + l a b 一 ( b ) 图2 7 距离保护的作用原理 ( a ) 网络接线；( b ) 时限特性 2 3 2 距离保护的时限特性 距离保护的动作时间与保护安装地点至短路点之间的距离的关系t = f ( 1 ) ， 称为距离保护的时限特性。为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛 应用具有三段动作范围的阶梯型时限特性，如图2 7 ( b ) 所示，并分别称为距离 9 山东大学硕士论文 保护的i 、i i 、i i i 段，与前面所介绍的电流速断、零序电流保护相对应。 距离保护的第1 段是瞬时动作的，t l 是保护本身的固有动作时间。以保护2 为例，其第1 段本应保护线路a b 的全长，即保护范围为全长的1 0 0 ，然而， 实际上却是不可能的，因为b c 出口处短路时，保护2 第1 段不应动作，为此， 其启动阻抗的整定值必须躲开这一点短路时所测量到的阻抗z a a ，即7 ，7 。 - n n 、一4 r 考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，需引入可靠系数k 一般取o 8 o 8 5 。 z 们= ( o 8 - - 。0 8 5 ) 乙占 ( 2 3 ) 同理，对保护l 的第1 段整定值应为 z 刚= ( o 8 4 - 0 8 5 ) ( 2 - 4 ) 如此整定后，距离i 段就只能保护本线路全长的8 0 - - 一8 5 ，为了切除本线路末 端1 5 - - 2 0 范围以内的故障，就需设置距离保护第1 i 段。 距离工i 段整定值的选择是相似于限时电流速断的，即应使其不超出下一条线路 距离i 段的保护范围，同时带有高出t 的时限，以保证选择性。在图( 2 8 a ) 单侧电源网络中，当保护1 第1 段末端短路时，保护2 的测量阻抗z 为： z 2 2 + z 。训 ( 2 - 5 ) 引入可靠系数k r p ，则保护2 的启动阻抗为： z 。印2 = k r e l( z 厶+ z 。叩1 ) = 0 8 z k a + ( o 8 - - 0 8 5 ) z _ 时】 ( 2 6 ) 距离i 段与i i 段的联合构成线路主保护。 2 4 继电器的基本概念 继电器是一种能自动执行断续控制的部件，当其输入量达到一定值时，能使 其输出的被控制量发生预计的状态变化，如触点打开、闭合或电平由高变低、由 低变高等，具有对被控制电路实现“通”、“断”控制的作用。 对继电器的基本要求是工作可靠，动作过程具有“继电特性 。继电器的可 靠工作是最重要的，主要通过各部分结构设计合理、制造工艺先进经过高质量检 测来保证。其次要求继电器动作值误差小、功率损耗小、动作迅速、动稳定和热 稳定性好以及抗干扰能力强。 1 0 山东大学硕士论文 2 4 1 继电器的继电特性 为了保证继电保护可靠工作，对其动作特性有明确的“继电特性”要求。对 于过量继电器如过电流继电器，流过正常状态下的电流i 时是不动作的，输出高 电平( 或其触点是打开的) ，只有其流过的电流大于整定的动作电流i o p 时，继电 器能够突然迅速的动作、稳定可靠的输出低电平( 或闭合其触点) ：在继电器动 作以后，只当电流减d , n d , 于返回电流i 佗以后，继电器又能立即突然地返回到 输出高电平( 或触点重新打开) 。图2 - 8 给出用输出高低电平表示过电流继电器动 作与返回的继电特性曲线。无论启动和返回，继电器的动作都是明确干脆的，不 可能停留在某一个中间位置，这种特性称之为“继电特性 。返回电流与启动电 ， 流的比值称为继电器的返回系数，可表示为k 。= 。为了保证动作后输出状态 掣 的稳定性和可靠性，过电流继电器( 以及一切过量动作的继电器) 的返回系数恒 小于1 。在实际应用中，常常要求过流继电器有较高的返回系数，如o 8 5 0 9 。 过电流继电器动作电流的调整，一般利用调整整定环节的设定值来实现。 图2 - 8 继电特性曲线 2 4 2 距离继电器 距离继电器能够测量短路点至保护安装处的电气距离，较少或基本不受系统 运行方式的影响，在线路保护中得到广泛应用。输电线路是a 、b 、c 三相系统， 目前的常规距离保护中的距离继电器不仅分为反应接地短路的接地距离继电器 和反应相间短路的相间距离继电器，而且是按相别分相设置的。从保护安装处的 三个电压u 删、u 。b 、u 小c 和三个电流，4 、，b 、，c 可以构成6 个补偿电压 u 。4 = u 蒯一( 1 4 + 3 k i o ) 乙 ( 2 - 7 ) 山东大学硕士论文 u 8 。u m b 一、i b + 3 k i o 、) z 哪 u c 。u m c 一( i c - - 3 k i o ) 乙 i u 柚。um a 8 一i a sz t u b c2 u m 8 c i b cz s e t ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) u 。翻= u 蒯b 一，翻乙 ( 2 - 1 2 ) 其中k ：警；乙为整定阻抗，整定阻抗的阻抗角与线路阻抗角相同。任何 ，l l l 一相的母线电压和补偿电压的端点都落在同一条直线上。当电力系统发生金属性 短路时，短路点电压u k = 0 。当短路点在保护区内时，乞 乙，则故障相的母 线电压与补偿电压总是同相位。当短路点从区外向区内移动时，补偿电压的相位 在保护区末端发生1 8 0 0 的突然变化。可见，通过判断故障相的补偿电压的相位， 可以知道短路点是否落在保护区内。这就是距离继电器的基本原理。 电力系统中的短路是不可避免的。短路必然伴随着电流的增大，因而为了保 护发电机免受短路电流的破坏，首先出现了反应电流超过某一预定值的过电流保 护2 引。熔断器就是最早的、最简单的过电流保护。这种保护方式时至今日仍广泛 应用于低压线路和用电设备。随着电力系统的发展，熔断器已不能满足选择性和 快速性的要求，于是出现了过电流继电器。过电流继电器的发展经历了感应型过 电流继电器、晶体管式过电流继电器、集成电路型过电流保护等几个阶段，直至 今日的微机保护装置【3 0 】。 2 5 本章小结 本章主要介绍了两种针对接地短路的线路保护形式，分析了其优缺点，并且 介绍了线路保护最重要的器件继电器的功能特性，为后续的研究工作建立了 理论基础。 1 2 山东大学硕士论文 第三章短路分析及软件开发介绍 本课题完成的一个重要任务是使用m a t l a b 开发了一个较为实用的软件， 为了方便使用专门利用m a t l a b 中带有的用户图形界面g u i 和工具箱等建立了 一个用户图形界面，使分析计算更加直观。通过该软件，可以直观的显示出应用 基于零序和负序分量新型判据的距离继电器在单电源系统和双电源系统中对线 路保护的效果，并且可以同时输出零序电流保护的动作图形作以对比。 3 1 软件采用的短路电流计算方法 3 1 1 短路计算的基本假设 在短路的实际计算中，为了简化计算工作，常采取以下一些简化假设： ( 1 ) 短路过程中各发电机之间不发生摇摆，并认为所有发电机的电势都同相位。 对于短路点而言，计算所得的电流数值稍稍偏大。 ( 2 ) 负荷只作近似估计，或当作恒定电抗，或当作某种临时附加电源，视具体情 况而定。 ( 3 ) 不计磁路饱和。系统各元件的参数都是恒定的，可以应用叠加原理。 ( 4 ) 对称三相系统。除不对称故障处出现局部的不对称以外，实际的电力系统通 常都可当做是对称的。 ( 5 ) 忽略高压输电线的电阻和电容，忽略变压器的电阻和励磁电流( 三相三柱式变 压器的零序等值电路除外) ，即发电、输电、变电和用电的元件均用纯电抗表示。 加上所有发电机电势都同相位的条件，这就避免了复数运算。 ( 6 ) 金属性短路。短路处相与相( 或地) 的接触往往经过一定的电阻( 如外物电阻、 电弧电阻、接地电阻等) ，这种电阻通常称为“过渡电阻”。所谓金属性短路，就 是不计过渡电阻的影响，即认为过渡电阻等于零的短路情况【3 。 3 1 2 电力系统不对称故障的分析和计算 对称分量法是分析不对称故障的常用方法，根据对称分量法，一组不对称的 三个相量可以分为正序、负序和零序三组对称的三相量。在不同序别的对称分量 作用下，电力系统的各元件可能呈现不同的特性【3 2 】。在三相电路中，对于任意一 组不对称的三相相量( 电流或电压) ，可以分解为三组三相对称的相量，当选择a 相作为基准相时，三相相量与其对称分量之间的关系( 如电流) 为： 山东大学硕士论文 ，口i i 吒 ，嘞 r 1a ：! i1 a 2 3 f11 l id ib ic ( 3 - 1 ) 舯a 一一圭+ 孚= 孚1 + 小。一搠相电流的 正序、负序、零序分量。且：6 l = 口2l ，q = 口q ；凡= a i 啦，q = 口2 吒； i 嘞= i b o = i 向；由上式可以作出三相量的三组对称分量如图所示： ( a ) ( 6 ) ，c ： ( c ) 这种分解，如同派克变换一样，也是一种坐标变换。把( 1 ) 写成：i i ：。= s i a b 。矩阵s 厶。= s 。1 ：。式中s = 圣；1i 称为对称分量反变换矩阵。 1 1 , = i t , 。+ ，6 ：+ 6 。= 口2 ，。+ a i 。2 + ，。 ( 3 3 ) i 。= i q + ，。：+ ，。= a l 。+ 口2i a , + ，。 ( 3 - 4 ) 1 4 山东大学硕士论文 电压对称，这就是说只有正序分量存在。当电力系统的某一点发生不对称故障时， 三相电路的对称条件受到破坏，电路就变成不对称的了。但是，除了故障点出现 的某种不对称之外，电力系统的其余部分仍然是对称的。因此，在分析不对称故 障时必须抓住这个关键，设法在一定条件下，把故障点的不对称化为对称，是由 故障破坏了对称性的三相电路转化为三相对称电路，从而可以使用单相电路进行 计算。 综上所述，计算不对称故障的基本原则就是，把故障处的三相阻抗及不对称 电压和电流相量借助于对称分量法转化为三相对称相量，并利用三相阻抗对称电 路各序具有独立性的特点，使系统其余部分保持为三相阻抗对称的系统。这样， 分析计算就可得到简化。 3 1 3 本课题系统模型的短路计算 本课题的研究是在所建立的双端电源系统模型基础上进行分析和计算的，软 件的计算程序编写也是基于对各种短路故障的分析和计算得出的。下面我们就利 用对称分量法对所建的电力系统模型进行分析计算。 简单故障是指电力系统的某处发生一种故障的情况。简单不对称故障包括： 单相接地短路、两相短路、两相接地短路、单相开路和两相开路等。下面就几种 主要的故障类型借助于复合序网进行分析和计算。 具体步骤是： ( 1 ) 计算电力系统各元件的各序阻抗； ( 2 ) 画出电力系统各序序网； ( 3 ) 根据不同的故障类型确定边界条件，然后根据具体的边界条件将三序网络 进行适当的连接，组成一个复合序网； ( 4 ) 通过对复合序网的计算，求出电压、电流的各序对称分量。 根据以上故障分析的知识，我们可以计算双侧电源合并后的短路计算，先计 算出短路点的正、负、零序电流、电压，再计算出保护安装处的短路电流、电压 ( 即相电流、相电压) 。 网络中的正序阻抗为：z l = ! 刍! 堕! ! 【圣! ! ! 二尘垒! 】 ( 3 5 ) 乙i + z 卅i + 乙1 网络中的负序阻抗为：乙2 垡蔓二墨i 磬乏掣 。石， 么，+ 么一+ 么u 山东大学硕士论文 网络中的零序阻抗为： z 。= 堡盘氅z 粤芝孚掣 ( 3 - 7 ) l o + 么册o + 么月0 从正序网络端口看的戴维南等值电势为： 童矿型叠坠型挚尝坠坐型 ( 3 - 8 ) 乙l + 乙l + 乙l 正常运行时网络中的负荷电流： ，： 垒竺二垒! ( 3 9 ) 乙1 + z 。l + 乙l 3 2 软件所用i l a t l 旭模块介绍 本文使用m a t l a b 编写了一个短路分析计算软件，在该软件中为了方便分析 计算，使用m a t l a b 中带有的用户图形界面g u i 建立了一个用户图形界面。用到 了有关用户界面设计的许多知识，在此对m a t l a b 中的图形用户界面及g u i 程序 进行简要的介绍。 m a t l a b 的图形用户界面( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e s 简称g u i ) 是指由各种图 形对象，如菜单栏、列表框、控制按钮等组成的用户界面。在这种界面下，用户 的命令和用户对程序的控制是通过选择各种图形对象来实现的。m a t l a b 的g u i 的基本图形对象分为两类：用户界面控件对象和用户界面菜单对象，分别简称为 控件和菜单。将它们有机的组织起来，能使用户界面容易操作和使用。 3 2 1 控件对象及属性 控件对象是事件响应的图形界面对象：当某一事件发生( 如按鼠标) ，应用 程序会做出响应并执行某些预定的功能子程序，其操作结果是可见的。m a t l a b 的控件大致可分为两类：一种为动作控件，一种为静态控件。动作控件就是当用 鼠标控制这类控件时会产生相应的响应：静态控件指不产生响应的控件。每一种 控件都有一些可以设置的参数，用于表现控件的外形、功能及效果，称之为属性。 属性由两部分组成：属性名和属性值，属性名和属性值必须是成对出现的，不同 的属性值使对象具有不同的表现。一个控件的属性很多，通常不需都加以定义， 对于没有定义的属性，m a t l a b 将自动设置为系统缺省的属性值【3 4 。酗。 在m a t l a b 的图形句柄系统中，可使用属性对对象的外型和特性进行描述， 用户可以在创建控件对象时，设定这些属性的值，对于未指定的属性值，m a t l a b 1 6 山东大学硕士论文 将使用系统缺省值，可以采用设置图形对象缺省属性的方法设置控件对象的缺省 属性。m a t l a b 的控件对象使用相同的属性类型，但对于不同类型的控件对象， 这些属性的含义不尽相同。控件对象的属性分为两大类：第一类是所有控件对象 都具有的公共属性：第二类是控件对象作为图形对象所具有的属性。 3 2 2 用户界面设计工具 为了更方便简捷地进行用户界面设计，m a t l a b 提供了用户界面设计工具， 利用这些工具使得界面设计过程变得简单和直接。m a t l a b 的用户界面设计工具 共有五个，它们是：布局编辑器、属性编辑器、对象浏览器、菜单编辑器和几何 排列工具。下面简要介绍本软件所用工具的使用方法。 l 、布局编辑器 布局编辑器用于从控件选择板上选择控件对象并放置到复句区域内，布局区 域被激活后就成为图形窗口。启动布局编辑器，可以在命令窗口输入命令g u i d e ， 此时启动的布局编辑器窗口是空的。如果编辑一个已存在的g u i 文件，键入以下 命令g u i d ef i l e n a m e 。 2 、几何位置排列工具 几何位置排列工具用于调节各控件对象之间的相对位置，选择工具栏中排列 工具图标即可打开排列工具窗口。 3 、属性编辑器 属性编辑器用于设置控件属性，在属性编辑器中提供了所有可设置的属性列 表并显示出当前的属性值，列表中的每一个属性都有一个与设置属性值有关的工 具。在控件上双击鼠标可打开该控件的属性编辑器。 4 、菜单编辑器 用户界面开发环境的菜单编辑器包括菜单的设计和编辑。菜单编辑器的下方 有两个可选择的界面，分别用于设计主菜单和鼠标右键菜单。 5 、对象浏览器 对象浏览器用于浏览当前程序所使用的全部对象信息，在对象浏览器中用图 表表示控件的类型，同时显示控件的名称或标志。 在本软件的设计中，还用到了m a t l a b 的绘图功能，m a t l a b 语言丰富的 图形表现方法，使得数学计算结果可以方便地、多样性地实现了可视化。 1 7 山东大学硕士论文 3 3 保护仿真程序框架 一个系统的体系结构也称总体结构。它给出了系统的总体框架，定义了系统 的各个组成部分与各个组成部分的功能及其之间的相互关系。本软件主要由以下 几部分框架组成： ( 1 ) 操作运行总体框架 ( 2 ) 性能分析框图： 1 8 图3 2 总体框架图 山东大学硕士论文 图3 - 3 性能分析框架图 从框图中可以看出，程序包括两个循环，内部循环计算系统故障点相同条件下， 1 9 山东大学硕士论文 过渡电阻不同时两种保护的动作情况；外部循环分析了故障点不同时两种保护的 动作情况。其故障计算原理与短路电流分析中相似，零序电流保护和基于工频变 化量的保护采用前面介绍的原理。判断分析过程如下图所示： 图3 - 4 判断分析结构图 3 4 软件使用及功能介绍 本课题用m a t l a b 语言编写了仿真软件，软件在m a t l a b 6 5 环境下运行。 3 4 1 软件功能简介 第一，具有强大的计算功能。对于这个双侧电源模型的所有基本参数和系统 发生故障的类型，可以通过用户界面输入来设定，发生故障的位置k 可以在0 1 山东大学硕士论文 之间任意改变，系统两侧的