（电力系统及其自动化专业论文）输电线路无通道自适应保护的研究.pdf

声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文输电线路无通道自适应保护的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 挞委 日 期：q ：j ： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕十学位论文 1 1 课题的目的和意义 第一章绪论 电力系统的运行要求安全可靠，电能质量高，经济性好。但是电力系统的组成 元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件，设 备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态。所以，继电保护装置 是电力系统的重要组成部分，它在保证系统安全，稳定和经济运行等方面起着非常 重要的作用。 输电线路作为电力传输元件在电力系统中起到至关重要的作用，一旦发生短路 故障，将产生很大的短路电流，对输电线路以及连接的电力设备有很大的损害，同 时对系统造成的冲击也很大，严重影响电力系统的稳定性。输电线路保护的作用就 是快速、准确地切除故障线路，减少因短路故障造成的损害，电力系统继电保护必 须满足选择性、快速性、灵敏性和可靠性，这四要素同样也是输电线路保护必须满 足的基本条件 卜2 。在此基础上，尽可能满足经济性、简便性和通用性。 目前，输电线路的主要继电保护方式是电流保护、距离保护和纵联保护( 如： 高频保护、光纤纵差保护、微波保护) 3 12 。电压电流保护和距离保护的优点是 只需将线路一端的电压电流经过互感器引入保护装置，比较容易实现且构成简单。 但由于各种测量元件的误差，一般距离保护的i 段整定范围只有线路全长的8 0 8 5 ，对于其余的15 - 2 0 线路段上的故障，只能靠带延时的i i 段，不能无延时 的切除被保护线路任何一点的故障，即不能全线速动。这在对保护动作速度有较高 要求的输电线路来说是不能接受的。因而电流保护和距离保护一般只作为输电线路 的后备保护。纵联保护( 高频保护) 能实现线路全长范围内故障的无时限切除。纵 联保护虽然能够实现全线速动，但通讯设备和通讯通道成为保护的重要组成部分， 整套保护由于通讯设备的存在而变得复杂，调试和维修都很困难，而且通讯设备和 通道的可靠性直接影响保护运行的可靠性，整套保护的动作时间速度由于通讯设备 的存在而很难提高，动作速动也不够快 1 3 ，于是保护研究者们把研究的中心转移 到了无通道保护上来。无通道保护是一种兼具上述两种保护优点的新型输电线路继 电保护方式。 所谓无通道保护，就是无需通道而能实现全线相继速动或者全线速动的保护 1 4 - 1 6 ，无通道保护根据所利用的电气信号的频率不同，分为工频量无通道保护 和暂态量无通道保护。基于工频量的无通道保护是只需利用线路单端的电流或者电 压的工频分量来实现全线相继速动或者全线速动的新型保护。暂态无通道保护主要 l 华北电力大学硕十学位论文 是噪声保护、边界保护以及行波距离保护。对无通道保护的深步研究对继电保护 领域具有重大的意义。 1 2 无通道保护原理及其研究现状 1 2 1 相继速动原理 相继速动保护原理的思想是一端保护先动作跳闸后，另一端的保护才能检测故 障动作跳闸。如图1 1 所示的输电系统；两个距离保护i 段的保护范围都整定为 整条线路的8 0 。 mnr 8 0 一一一一一i l 8 0 一一一一 一一一一 图1 1 某输电系统示意图 f i gl 一1 t h ed i a g r a mo ft y p i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m 一卜i ” e r 当在线路上f 1 点发生故障时，故障位于两侧保护的保护范围以内，因此，两 端保护瞬时动作。当在f 2 点故障时，n 侧保护先动，跳开n 侧的开关，在m 侧通 过检测n 侧开关动作后的电气量的变化来跳开m 侧开关。当在f 3 点故障时，线路 n r 被瞬时切除，此时m 侧检测装置应能识别是区外故障而闭锁保护。这就是相继 速动的基本思路。 1 2 2 利用重合闸前加速的无通道保护原理 该原理的思想是将距离i i 段或电流i i 段等超范围保护加速动作，然后利用重 合闸重合，如为区外故障则故障被下级线路的保护切除则重合闸重合成功( 如为瞬 时性故障亦然) ，如为区内永久性故障，则被加速的保护按照原来的时间延时动作。 如图( 1 1 ) 所示系统，在线路m n 的m 侧母线装有加速动作的距离i i 段或过 电流保护，其保护范围超过整条线路m n ，同时在线路m n 的m 侧母线还装有重合 闸。当线路发生故障时，超范围的距离i i 段( 或过电流) 保护动作并使m 侧断路器 跳闸，如果为区外f 3 点故障，由于下级线路已经切除故障，因此重合闸成功；如 为区内f 2 点发生永久性故障，则加速的距离i i 段或过电流保护仍按照原来的整定 时间延时动作。 2 华北电力大学硕士学位论文 为了减少重合到故障线路对于系统的冲击，文献 1 7 1 8 提出，当加速的距离 i i 段动作后，检测线路上的故障是永久故障还是瞬时性故障，如果在线路m n 上发 生故障( 如f 1 或f 2 点) ，则判断为永久性故障，重合闸不重合；如果在线路n r 上f 3 点发生故障，由于线路n r 上的n 侧保护已经动作并切除了故障，因此对于 m 侧母线来说，故障是瞬时性故障，因此重合闸重合，非故障线路m n 继续运行。 文献 1 9 1 提出了一个更为完善的重合闸前加速的单端保护原理，如图( 1 1 ) 所 示系统，在线路m n 的m 侧母线装有加速动作的距离i i 段或过电流保护，其保护范 围超过整条线路m n 。同时在线路m n 的m 侧母线和线路n r 的n 侧母线还装有重 合闸。当线路m n 上发生故障( 如f 2 点) 时，m 侧的加速距离i i 段( 或过电流) 保护 动作并使m 侧断路器跳闸，然后重合闸启动，由于重合到故障线路，因此距离保护 i i 段加速跳闸；如果故障发生在线路n r 上( 如f 3 点) ，则线路n r 的n 侧保护也 同时动作，然后先重合线路n r 的n 的母线处重合闸，由于重合在故障线路，因此 保护加速动作跳闸，然后重合线路m n 的m 侧重合闸，由于故障已经切除，因此重 合闸重合成功，非故障线路m n 继续运行。 1 2 3 基于故障高频噪声的保护原理 英国b a t h 大学的a t j o h n s 、z q b o 等在9 0 年代陆续提出了基于故障高频噪 声的单端保护原理。故障噪声是利用工频量保护中的噪声概念，即故障暂态分量。 基于高频电压噪声的单端暂态量保护原理 2 卜2 3 ，基本原理是利用线路阻波 器的带阻特性将区内故障时弧光非线固过渡电阻产生的某个频带( 频率中心为阻波 器的中心频率) 高频电压噪声限制在保护区内，而将区外故障时的高频电压噪声阻 挡在保护区外的特点，形成保护原理。 基于故障电流噪声的保护原理 2 4 - 2 5 ，其基本原理是利用母线对地杂散电容 的作用，使得区外故障时暂态电流噪声高频分量穿过母线而大量衰减，而区内故障 时电流噪声高频分量未穿过母线而几乎没有衰减这一差异构成保护判据。该保护首 先经过设计多通道滤波器产生两个中心频率分别在1 k h z 和8 0 k h z 的一定带宽的输 出信号，。和，门，然后通过1 5 m s 的移动积分波形窗，从中抽出频谱能量以形成动 作信号l 。和限制信号。，二者的比例决定故障为区内或区外故障。 1 3 本文的工作 本文在全面系统的总结现有成果的基础上，选定当前新兴的数学工具一一小波 分析和模糊理论作为研究对象，探讨了将小波理论和模糊分析算法用于电力系统继 电保护的理论和方法。并在理论分析的基础上，进行了详细的仿真研究，取得了满 意的效果。概括地讲，本论文所做的工作具体内容如下： 3 华北电力大学硕士学位论文 1 在故障分析的基础上，提出了一种新的新的利用单端故障信息的输电线路相 继速动保护原理和动作判据。新的保护原理是设计一个阻抗加速圆，并利用一种基 于d b 小波变换的序电流二次突变量检测算法来实时检测对侧保护的跳闸情况。当 检测到对侧保护动作，并且测量的阻抗落在加速阻抗圆内，保护加速动作。对于三 相对称故障，提出了基于阻抗圆的瞬时动作模式。 2 提出了一种新的距离保护相继速动保护原理。利用故障相上的故障电流在非 故障相上感应的电流的变化来判断对侧保护的动作情况，并从理论上论证了所提理 论的正确性。 3 把模糊数学中的相关理论引入双回线的横差保护中，实现了在平行双回线上 利用单端电气量的全线速动保护，并从理论上证明基于相关算法的横差保护比传统 横差保护有很大的优点。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于阻抗加速圆的无通道保护方法 2 1 引言 全线相继速动距离保护的理论提出很早，并且已经应用于具体装置。它实际上 是自适应保护的一种，因为它能适应系统中的变化( 对侧跳闸) 而调整自身的动作 行为。在图( 2 一1 ) 所示的双电源系统中，在不考虑与高频通道配合的情况下，如 果线路内部f 2 点发生故障，此时n 侧保护将瞬时动作跳开开关，m 侧如按常规只能 经i i 段延时动作跳闸，这样便不能全线快速切除故障。为了使两侧均能速动跳闸切 除故障，可利用在n 侧跳闸时系统的某些变化，使m 侧能感受到n 侧跳闸，从而加 速跳闸( 不带i i 段延时速动跳闸) 。 m ff 21 n 图2 1 双电源k 点故障图 f i g 2 1 c h a r to f f a u l ta tko f ad u a l s o u r c et r a n s m i s s i o ns y s t e m 此方法的提出，是利用m 侧在这种情况下感受到的电量的二次突变，第一次突 变是由线路故障引起，第二次则由故障后n 侧开关跳闸引起，并以此加速m 侧开关 跳闸，这一动作过程称为相继速动。但是在采用何种量作为第二次突变量以加速保 护动作，以及如何区分对侧开关跳闸和区外转换性故障等方面的研究还值得作深入 的工作。文献 2 6 做了大量的分析计算，提出了同时利用零序、负序电流的二次突 变量作为相继速动的加速量，改善了原有判据的不足。但是还是有死区的存在。不 论是采用零序电流突变量还是负序电流突变量，都是利用系统运行情况有微弱变化 时电气量的变化来构成判据，而检测信号的微弱变化是小波变化最为突出的特长。 在这个意义上说，小波变化可望为解决这个问题提供完美的手段。 2 2 小波分析简介 小波分析方法 2 7 3 1 是一种窗口大小( 即窗口面积) 固定但其形状可变化， 5 华北电力大学硕士学位论文 时间窗和频率窗都可变化的时频局部分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨 率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率， 所以被誉为数学显微镜。这是这种特性，使小波变换具有对信号的自适应性。 小波分析是调和分析这一数学领域半个世纪以来的工作结晶，已经广泛应用于 信号处理、图像识别、量子场论、地震勘探、语音识别与合成、音乐、雷达、c t 成 像、彩色复印、流体湍流、天体识别、及其视觉、机械故障诊断与监控、分形以及 数字电视等科技领域。原则上讲，传统上使用傅立叶分析的地方，都可以用小波分 析代替。小波分析优于傅立叶变换的地方是，它在时域和频域同时具用良好的局部 化性质。 设( ，) r ( r ) ( r ( r ) 表示平方可积的实数空间，即能量有限的信号空间) ，其 傅立叶变换为i u ( c o ) 。当j ；u ( c o ) 满足允许条件： l 1 2 l ( 缈) i q = 上甘d 缈 学。 通过上面的讨论，很明显m 端的测量阻抗远大于保护区域m n ( z ，) 的正序阻 抗。 2 4 3 相问故障保护跳三相的情况 对于区内故障有： 毛= 赢= + + 一 l m + 恤 z ， 互- 7 - z , l 册 对于区外故障，保护跳三相后，故障切除，z ( z 为负荷阻抗。 2 5 加速圆的设定 通过上面的分析，对于区内故障， 外故障，区外故障段i 段保护动作后， 此，取加速阻抗圆的整定值为： ( 2 1 8 ) 本侧测量阻抗小于本段线路的阻抗。对于区 本侧测量阻抗远远大于本段线路的阻抗。因 乙= 2 ；l + o 砀l( 2 1 9 ) 其中，z 门是保护线路的正序阻抗，z i 是与线路相邻的正向最短线路的阻抗。 加速圆的加入可以正确区别区内故障和区外故障。 2 6 加速圆的动作分析 当线路发生故障时，故障点落在加速圆内，同时故障电流第二次突变后( 第一 次突变时刻是故障时产生) ，故障点还落在加速圆内，保护加速动作。故障电流的 第二次突变时刻通过序电流的小波分析得到。小波可以实时检测信号的突变点，通 过对信号的小波分析可以测出信号的突变点，通过对电流突变点的分析研究可以知 道对侧跳闸与否。 小波变换分析信号的奇异点是用来检测序电流的第二次突变时刻，而不是判断 是区内故障还是区外故障，所以具有比较高的灵敏度。 2 7 基于加速圆的瞬时动作模式 由于发生区内三相短路故障时，没有负序和零序电流的出现，上面所述的方法 不适合三相短路故障。为了在三相短路故障时，保护能迅速的动作，在此提出了基 于加速圆的瞬时动作模式。 华北电力火学硕士学位论文 传统的三段式距离保护之所以不能做到全线速动，是因为工频电气量无法区分 线路末端故障是区内故障还是区外故障。为了保护全线路和动作的选择性，距离保 护设定了三段式保护，i 段无延时动作，段、段需采用延时和下一条线路的保 护相配合。段范围内发生故障必须延时，如果抛弃这种传统整定模式，设定一个 阻抗加速圆，使阻抗加速圆的保护范围能保护线路的全长。如果故障后，测量的阻 抗落在了加速圆内，保护象i 段那样瞬时动作，然后再依据对端开关是否动作对故 障信息的影响来判断故障是在区内还是在区外，若为区外故障则将开关重合。 为了说明瞬时保护的原理，假定电压互感器装在线路侧，并且任何线路两侧都 有电源供电。本文以图( 2 - 4 ) 来说明保护原理。 如果在f 1 点发生故障，故障落在了阻抗加速圆的保护范围内，保护b k i 以i 段动作时限动作。由于f 1 点故障，也落在保护b k 2 的i 段范围内，b k 2 也瞬时动作。 线路s r 被切除，故障消除。这时保护b k l 的电压互感器测量到的电压是线路的互 感电压。 图2 - 4 简单电力系统及加速圆、段保护范闱 f 。1 9 2 4s 1 m p l ep o w e rs y s t e ma n d t h ep r o t e c t l o nr a n g eo fa c c e l e r a t e dz o n e a n dd i s t a n c ep r o t e c t i o n z o n e 如果在f 2 发生故障，故障落在了保护b k i 的整定阻抗加速圆中，b k i 瞬时 动作。由于故障f 2 落在保护b k 2 的反方向上，保护b k 2 不动作。保护b k 3 瞬时 动作，故障切除。故障切除后保护b k i 的电压互感器测量的电压是母线r 的电压。 假如以距离保护的段为瞬时保护的动作整定范围，在f 3 点发生故障，b k i 就会动作，再重合闸。假如以加速阻抗圆为瞬时保护的动作整定范围，在f 3 点发 生故障，b k i 就不会动作，减小了b k i 误动的几率。 在保护线路s r 末端发生故障，保护b k i 动作后，通过电压互感器测量到的电 压来判断线路末端故障是区内故障还是区外故障。 电压判据是： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 r ：酬 l k p 。l ( 2 2 0 ) 其中k ，。是个故障前的电压：k p 。，是故障后保护动作后的电压。 设定门槛值r = 0 7 ，如果故障相的r 0 7 ，说明k p 。w 比较大，对侧保护不动 作，故障为区外故障，重合闸动作。 2 8a t p 仿真及结果分析 2 8 1 仿真模型 本文仿真采用的是双电源系统模型，如图2 2 所示。参数如下：电压等级5 0 0 k v ， 电源m ，n 的初相角分别为0 0 ，一3 0 0 ；电源阻抗分别为：1 0 51 + i 2 1 8q ，1 0 5 7 + j 2 2 6 q ；线路长度分别是：m n 段是1 0 0 k i n ，n r 段是1 2 0 k m ；线路的正序和负序参数分别 为z i = 0 0 2 9 4 + j 0 2 7 8q k m ，c 1 = 0 0 1 2 f k m ：零序参数为z o = o 2 7 8 + j 0 6 5 2q k m ，c o = 0 0 1 2uf k m ：采样频率是1 2 0 0 h z 。 2 8 2 仿真结果分析 2 8 2 1 9 0 处单相接地故障 图( 2 5 ) 给出了区内单相金属接地时的保护b k 2 跳闸前后的，月= ，。+ ，2 ( 零序 和负序电流) 的波形图及其小波变换的系数分布。 图2 5 f 点发生a 相金属性接地时1 尺的波形及，r 的小波变换的系数分布 f i g 2 - 5 w a v e f o r mo f1 l ta n dw a v e l e tc o e f f i c i e n t so firw h e nas o l i ds i n g l e p h a s e - t o e a r t h f a u l to fp h a s eao c c u r sa tf 线路在o 0 5 6 s 发生故障，保护b k 2 在0 0 9 6 s 跳闸。由图( 2 - 5 ) 可以看出，在 1 3 华北电力大学硕士学位论文 保护m 端处得到的，厅的波形变化非常的微弱。经过d b 小波变换后，可以看出跳闸 前后，。的小波变化有明显的变化，并且可以实时的反映跳闸的时刻。 小波分析确定故障电流的突变时刻的方法。在故障发生以前， ，。很小，发生 故障后， ，。有一个突变，通过d b 小波算法可以求出，拧峰值的一个极大值，随后小 波变换，厅峰值逐步减小。在对侧保护动作以后，负序和零序电流之和，。又二次发生 突变，小波变换，。的峰值又一次增大，由此来判定对测跳闸时刻。 按加速圆的整定原则，加速阻抗圆的设定值是3 4 7 么8 4 。故障后测量的阻抗为 2 4 1 么8 4 8 ，在0 0 9 6 s 对测跳闸后测量的阻抗为2 4 7 么8 3 9 。落在加速圆中，由 此判定为区内故障，保护加速动作。 2 8 2 29 0 处经过渡电阻单相接地故障 图( 2 - 6 ) 给出了单相经过渡电阻接地时的跳闸前后零序和正序电流的波形图 及其经小波变换处理后的系数分布。 、 图2 - 6f 点发生a 相经5q 过渡电阻接地，凡的波形及，月的，j 波变换的系数分布 f i g 2 - 6w a v e f o r mo fira n dw a v e l e tc o e f f i c i e n t so fit w h e na s i n g l e - p h a s e - t o e a r t hf a u l tw i t h5qr e s i s t a n c eo fp h a s ea o c c u r sa tf 仿真的是经过5q 的电阻接地故障，在0 0 5 6 s 发生经过渡电阻单相接地故障， 故障后测量的阻抗为2 4 6 么8 4 5 ，在0 0 9 6 s 对测跳闸后测量的阻抗为2 5 9 么8 4 3 。 由此判定为区内故障，保护加速动作。 2 8 2 39 0 处相问短路 图( 2 - 7 ) 给出了相间短路对侧跳闸前后负序和零序电流，。的波形图。 1 4 泰爰 、聪 华北电力大学硕士学位论文 小波毋新结果 图2 - 7b c 相1 9 短路，r 的波形及1 凡的小波变换的系数分布 f i g 2 7 w a v e f o r mo f 1 r a n dw a v e l e tc o e f f i c i e n t so f 1 r w h e na p h a s e t o p h a s ef a u l to fp h a s eb c 在0 0 5 6 s 发生故障后测得阻抗为2 4 7 么8 4 8 ，对侧保护动作后测得阻抗为 2 3 8 - 8 3 8 。故障落在加速圆中，保护加速动作。 2 8 2 4 区外单相接地故障 图( 2 8 ) 给出了单相接地区外故障，r ( 负序和零序之和) 的波形及其经过小 波变换的图形。 秦螽 、辑 小波靳结果 一 ，f 卜 一1 ； ， 一八一、，if v 图2 8 t t 乌 区外单相接地故障，r 的波形及1 r 的小波变换的系数分布 f i g 2 - 8w a v e f o r mo f ira n dw a v e l e tc o e f f i c i e n t so firw h e nas i n g l e p h a s e t o - e a r t hf a u l t o u t s i d et h ep r o t e c t e dt r a n s m i s s i o nl i n e 在0 0 5 6 s 发生故障时测量的阻抗为3 2 0 么7 3 9 ，对侧保护动作后，测量阻抗 值为3 6 2 2 么一1 2 6 。阻抗远远大于阻 作。 抗圆的整定值，落在加速圆的外部，保护不动 华北电力大学硕士学位论文 2 8 2 5 区外相间故障 图( 2 9 ) 给出了区外相间短路故障的负序和零序j 凡的波形图及其小波变换的系 数分布。 图2 - 9 区外相问短路故障，凡的波形及j r 的小波变换的系数分布 f i g 2 - 9 w a v e f o r mo f i r a n dw a v e l e tc o e f f i c i e n t so flrw h e nap h a s e t o - p h a s ef a u l t o u t s i d et h ep r o t e c t e dt r a n s m i s s i o nl i n e 在0 0 5 6 s 发生故障的时测量的阻抗为3 4 1 么7 3 1 ，在0 0 9 6 s 对侧保护动作 以后测量阻抗值为l5 3 5 9 么1 3 4 6 。阻抗值很大，落在加速圆外部，保护不动作。 2 8 3 瞬时动作模型仿真 本文仿真采用的系统模型如图2 4 所示。参数如下：电压等级5 0 0 k v ，电源s ，r ，t 的初相角分别为0 0 ，1 0 0 , - 3 0 0 ；电源阻抗分别为：1 o s l + j 2 1 8q ，1 0 5 7 + j 2 2 6q ， 1 0 4 2 + j 3 0 5q ；线路长度分别是：s r 段是1 5 0 k m ，r t 段是1 0 0 k m ；线路的正序和 负序参数分别为z l = 0 0 2 9 4 + j 0 2 7 8q k m ，c 1 = 0 0 1 2 f k m ：零序参数为z o = 0 2 7 8 + j o 6 5 2q k m ，c o = o 0 1 2 , uf k m ：采样频率是1 2 0 0 h z 。 2 8 3 1 区内三相短路故障 图( 2 - 1 0 ) 是线路s r 段发生区内三相短路时，保护跳闸前后各相电压的变化 及r 的变化趋势。 t 0 时刻，线路s r 在f l 点发生三相短路故障，经过一周期，b k l 保护动作。从 图( 2 一1 0 ) 可以看出在b k i 保护动作一周波后，a 相、b 相、c 相的电压的r 比值几 乎等于零，这时可以判断为区内故障。 1 6 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 一1 0区内三相短路时各相电压及r 的变化 f i g 2 1 0t h r e ev o l t a g e sa n dri nat h r e e p h a s ei n t e r n a lf a u l t 2 8 3 2 区外三相短路故障 图2 1 l 是线路s r 段发生区外三相短路时，保护跳闸前后各相电压的变化及r 的变化趋势。 、1 o o o o 跳闸前后各柏r 值的变化 图2 1 1 区外三相短路时各相电压及r 的变化 f i g 2 一l lt h r e ev o l r a g e sa n dri nat h r e e p h a s ee x t e r n a lf a u l t t 0 时刻，线路s r 在f 2 点发生a b 两相短路故障，经过一周期，b k l 保护动作。 从图( 2 1 1 ) 可以看出在b k l 保护动作一周波后，a 相、b 相、c 相的电压的r 比值几 乎等于l ，同时满足( 2 - 2 0 ) 式，这时可以判断为区外故障。 2 9 小结 本章提出了一种基于阻抗加速圆和小波变换的全线相继速动保护方案和基于 阻抗加速圆的瞬时动作模式。通过详细的分析和仿真，对于基于零序和负序电流小 华北电力大学硕士学位论文 波变换的相继速动方案可以得到如下结论： 1 新方案只利用单端电流量，电压量，并利用小波变化算法来检测序电流的 突变时刻，此算法提高了检测序电流的灵敏度，无须通道，构造简单。 2 利用判断对侧跳闸后阻抗是否落在加速阻抗圆中来区分故障是发生在本线 路末端还是相邻线路出口，保证了保护动作的选择性； 3 对于不对称故障，能可靠的加速保护动作，有效地减少故障切除时间。 该方案的不足之处在于不能反映对称故障，但可以利用阻抗加速圆加速保护动 作。当发生对称故障时，经过一个设定的短延时后，测量阻抗落在加速阻抗圆内， 保护加速动作。设定的短延时可以相对比较小，主要原因是当发生区外故障时，并 且测量阻抗落在加速阻抗圆中，由加速阻抗圆的整定原则可知故障不会落在相邻线 路的2 0 外，相邻线路保护可以迅速动作，相邻线路保护动作后，本侧测量阻抗落 在加速阻抗圆外。如果是区内故障，经过短延时后，本侧测量阻抗还落在加速阻抗 圆中，保护加速动作。 为了弥补基于零序和负序电流小波变换的相继速动对三相对称故障需要延时 动作的缺点，提出了一种瞬时动作模式。瞬时动作模式能快速的切除区内故障，并 有误动的可能。但基于阻抗圆的瞬时动作模式比基于距离i i 段保护的前加速重合闸 保护误动的几率小的多。 在实际应用中，可以把基于阻抗加速圆的相继速动保护和瞬时保护两者相配 合来保护线路的全长。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章基于故障分量的相继速动新方法 反应故障分量的保护原理是2 0 世纪8 0 年代提出的个较新的研究课题 3 6 1 。由 于故障分量仅在系统故障状态下才出现，与传统反应全电量的保护相比，反应故障 分量的保护具有很多的优点f 3 7 ，3 8 ，因此一直是保护工作者的研究热点。 国内很早便提出了全线相继速动保护的应用，并已应用于具体装置。这种方式 的应用实际上是自适应保护的一种，因为它能适应系统结构的变化( 对侧跳闸) ， 而调整自身的动作行为。如图( 3 1 ) 所示的双电源系统中，在不考虑与高频通道配 合情况下，如线路内部k 点故障，即位于m 侧距离保护i i 段范围内，此时n 侧保 护将瞬时动作跳开n 侧开关，按常规m 侧保护只能经i i 段延时动作跳闸，这样便 不能全线迅速切除故障。为了能够在这种情况下两侧均能速动跳闸切除故障，可利 用在n 侧跳闸时系统中的某些变化，使m 侧能感受到n 侧跳闸，从而使m 侧保护 加速跳闸。最早提出的方法是利用n 侧跳闸时m 侧感受到电流的二次突变判断的。 第一次突变由线路故障引起，第二次则由n 侧开关跳闸引起并以此加速m 侧开关 跳闸，这一动作过程，即称之为相继速动。本文对现有全线相继速动的判据分析基 础上，提出了一种新的全线相继速动判据，综合了现有几种相继速动判掘的优点。 mn 图3 1 双电源k 点故障图 f i g 3 1 c h a r to f f a u l ta tko f ad u a l s o u r c et r a n s m i s s i o ns y s t e m 全线相继速动保护是一种不需要通道的全线速动保护。在允许各种故障情况下 均跳三相的线路上可采用故障后至少一相电流为零构成相继速动，原则上说，只要 至少一相电流为零就可判定对侧已经跳闸，从而无需考虑与相邻线路故障的情况， 并且无需考虑增加延时以求某些配合。但是这种方法不适合配置单相重合闸的线 1 9 华北电力火学硕= = ：学位论文 路，以及线路空载时发生故障等情况。文献 2 6 做了大量的分析计算，提出了同时 利用零序、负序电流的第二次突变量作为相继速动的加速量，但是对一些故障仍有 灵敏度不高的问题。例如对于线路比较长的情况，零序和负序电流的第二次突变量 小，可能灵敏度不高。文献 3 9 4 2 提出了利用零序和负序电流之和与正序电流的 比值大小来判断是否区内故障的延时动作模式，利用零序和负序电压之和与正序电 压的比值大小来判断是否区内故障的瞬时动作模式。但是这种原理的延时动作模式 不适合配置单相重合闸装置的系统且不能实时反映对侧的动作时间，而瞬时动作模 式有误动的可能性。 本文通过对输电线路互感的分析，提出了一种新的保护原理。该保护原理主要 利用非故障相上的故障电流分量的变化，来判断对侧保护的动作情况，同时和故障 线路的距离i i 段保护来判定是否区内故障。理论证明该保护原理的灵敏度高于文献 2 6 提出的保护原理。 3 2 保护的基本原理和方案 相继速动的基本原理是：1 ) 判断对侧断路器动作与否：2 ) 对侧断路器动作以 后，判断故障是否是区内故障。 本文利用故障电流在非故障相上感应的故障分量电流的变化来判断对侧断路器 的动作与否。发生故障后，在故障相上，故障点两侧都有故障电流，这时在非故障 相上的故障分量互感电流由两侧的故障电流通过互感产生。在单相接地故障单相跳 闸线路中，对端保护动作以后，对端的故障电流变为零，这时在非故障上的故障分 量互感电流主要由本侧的故障电流通过互感产生。根据非故障相故障分量互感电流 的变化可以判断对侧的保护动作与否。当发生不对称故障，三相跳闸时，非故障线 路上的故障分量电流除了互感电流的因素外，主要还有负荷电流的变化，负荷电流 变为零。同时和故障相的距离i i 段保护相配合，构成全线相继速动保护。当区内 故障时，对侧保护动作后，故障相的测量阻抗还落在距离i i 段保护内，可判定是区 内故障。当区外故障时，对侧保护动作后，故障切除，故障相的测量阻抗落在距离 i i 段保护外，可判定是区外故障。通过非故障相的故障电流的变化率和故障相的距 离i i 段保护的配合，构成全线相继速动保护。 对于相问故障，三相跳闸，非故障相的电流变化除了故障分量互感电流外，还 有负荷电流的切除，变化率大。可以直接通过非故障相电流的变化来加速动作。 3 3 互感电流的分析和判据 3 3 1互感电流的分析 2 0 华北电力大学硕士学位论文 以典型的两端电源系统为例，分析对侧断路器动作前后，非故障相的故障分量 电流和故障相的故障电流的变化大小。本文分析了单相金属接地故障，并认为各相 的平均自阻抗系数以及各相之间的平均互阻抗系数都相等。 n c n，i 眇5 一 ： e 哆3 一 f ”日 l 7 野，且片p h 。 图3 2 双端电源系统故障分析 f i g 3 - 2f a u l ta n a l y s i so fad u a l s o u r c et r a n s m i s s i o ns y s t e m 故障前，满足下式： i 召引群 = l 引召引 l 引引孕侄琳燧囊 叫乙乙乙8 h 乙乙乙8 k 乙乙_ j k - jk 乙乙_ | k ( 5 1 ) 、c 是电源的各相电势。 e m 、e 枷、? 是电源瓦的各相电势。z 。、乙。分别是m 侧系统的自感和互感，z 。、 乙。分别是n 侧系统的自感和互感。乏、乙分别是线路m n 段的单位自感和互感系 数。，是线路m n 的总长度。、乇。? 是负荷电流。 如图所示：在f 1 点发生单相金属接地故障，在f 1 处，则下列等式成立。 对于m 侧有： e 诳 乙 乙 互枷 对于n 侧有： e n a e n b e 屺 乙 z 嘲 z 删 z 删 乙 z 乙 z 惦 乙 乙 乙 乙 z 删 z 能 z 憾 i 惝 。 i 峨 i 峨 in c i + + z s l m z m l m z m l m z s l n z m l ， z m l ， z m l z s l m z m l n z m l n z s t n z m t n z m l m z m l m z 0 m z m t n z m n z s l n i 慨 im 孔 i 憾1 in 吼 in b i i n c l o + 1 。 1 。 + 0 ， 。 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 其中l m 是故障点曩到母线m 的距离，乙是故障点鼻到母线n 的距离。、 。、k ，分别是故障后，m 端各相的电流。九。、，朋。、，( 。分别是故障后，n 端 2 1 呜 墙 隐舯 华北电力火学硕士学位论文 各相的电流。由于假设是金属单相接地故障，所以f 点的电压为0 ， 是故障点鼻处的b 相、c 相电压。 由k c l 可得： i 峨：一i 帅i 帆= 一i 峨 其中电流的方向如图( 3 - 2 ) 所示。 ，、，分别 联立式( 3 一1 ) 、式( 3 - 2 ) 、式( 3 - 3 ) 得出故障后，各相电流的变化为： = 乙卸k l = ( 一b c l ) 2 b ( c + c o d p + 6 + c + 硼 苴中 、l a = z n s + zs ln b - - - z n 肌+ zmj c - - - zm m + z m lm d = z msj r z s lm 当保护b k 2 动作以后， 对于m 侧有： e 懈 乙 乙 乙 乙 乙 乙 乙， z n 嘲 z m s i 眦 i b 2 i c 2 引隆 乙乙i i ， z 册乙i lk + j 姒2 i 煅! i 怔2 、i 碱私弘0 0 + l 锨戤| l k 诳0 nz nz s l n 憾2 + 0 ： ： ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) m + 例 9 ) 其中：、：、i m c ：是对侧跳闸后m 端各相的电流，对侧跳闸后，m ：= 0 ，朋：、 k 2 是n 端b 、c 相的电流。 并且k = 如，= 如。 联立式( 3 8 ) 、式( 3 9 ) 得： 2 = 2 ( 3 10 ) ? 2 ，锄 7 7 p矾弘碥 以厶弘砜碥 以以孕乙乙 华北电力大学硕士学位论文 l 硬乙舵= c ( a + 6 + c + 力 由上面的推论得： 2 la c ( a + b + c + 力一2 b c ( b + c ) 2 l叩( 口+ 6 + c + d ) 一嬲( 臼+ 6 + c + d ) 在实际线路中，线路的自感大于线路间的互感，即 2 c ( b + c ) 1 3 3 ； 口c 3 当鱼：1 3 ，翌：2 时，k 1 2 ； 口c 2 3 tfrf以k k似生 华北电力大学硕士学位论文 由此可推导出： 足：l 垃堂叫 1 3 i ：。i ( 3 1 6 ) 由公式( 3 16 ) 可以判断对侧保护是否动作。 以上分析的是区内单相接地故障单相跳闸的线路，除了三相对称短路，对于其 他类型的负荷线路故障，如果发生区内故障，对侧三相跳闸，非故障相的负荷电流 变为零，本侧非故障相的故障分量电流变化包括了负荷电流的变化，因此 瓯8 ：伽。的比值更大，满足公式( 3 1 6 ) 的条件，可以判断对侧保护的动作与否。 比值k l 能判断对侧保护的动作情况，但是不能区分是否区内故障，在此需要和 距离i i 段保护相配合。当k l 1 3 时，如果测量的阻抗落在距离i i 段保护内，判断为 区内故障，保护动作：如果测量的阻抗落在距离i i 段保护外，判断为区外故障，保 护不动作。 3 4 故障分量的提取 故障分量电流等于故障后实测的电流减去负荷电流。目前，故障分量的提取 是通过将故障前n 个周期的电流采样值记忆下来，再与故障后的电流采样值相减而 得。提取故障分量得算法可表示为： 名0 ) = z ) 一( _ 1 ) 月i ( t n t l 2 ) ( 3 一1 7 ) 式中： i x ( t ) 一故障分量电流； f ( f ) 一实测电流； t 一工频周期； 船= 1 ，2 ，。 上述算法虽不精确，但是基本满足要求，且简单易行，比如在公式( 3 17 ) 中 取i g = 2 时，即用相邻两个周波的对应采样值相减得到故障分量。 3 5a l p 仿真及结果分析 3 5 1 a t p 模型 本文仿真采用的是双电源系统模型，如图( 3 3 ) 所示。参数如下：电压等级 5 0 0 k v ，电源m ，n 的初相角分别为0 0 , - 3 0 0 ；电源阻抗分别为：1 0 51 + j 21 8q ， 2 4 华北电力大学硕士学位论文 1 0 5 7 + j 2 2 6q ：线路长度分别是：m n 段是1 0 0 k m ，n r 段是1 2 0 k m ；线路的正序和负序 参数分别为z l = o 0 2 9 4 + j 0 2 7 8q k i n ，c l = 0 0 1 2uf k m ；零序参数为z o = 0 2 7 8 + j 0 6 5 2q k m ，c o = o 0 1 2uf k m ；采样频率是1 2 0 0 h z 。 m nr 图3 3双端电源系统故障仿真示意图 f i g 3 3c h a r to f f a u l ts i m u l a t i o no fad u a l - s o u r c et r a n s m i s s i o ns y s t e m 3 5 。2 仿真结果分析 3 5 2 1 区内8 0 处单相接地故障 图( 3 - 4 ) 给出了m n 段区内8 0 处的单相接地故障时的保护b k 2 跳闸前后非故 障相的互感电流和故障相的故障电流的波形图。 线路在t o 时刻发生故障，保护b k 2 在故障两周波后跳闸。由图四可以看出，对侧 跳闸后，m 侧处得到的故障相的故障电流的变化率非常的小，而非故障相的互感电流 的变化率比较大，弥补了利用故障后至少一相电流为零构成全线相继速动原理不适合 配置单相重合闸线路系统的缺陷。当对侧保护动作后，通过公式( 3 1 6 ) 得k l = 2 4 ， 并落在b k l 距离保护i i 段范围内。由此可以判定是区内故障。 非故障相的互感电流 图3 48 0 处单相接地故障时的互感和故障电流的波形图 f i g 3 - 4 w a v e f o r mo fm u t u a l i n d u c t a n c ea n df a u l t c u r r e n tw h e nas o l i d s i n g l e p h a s e t o e a r t hf a u l ta t8 0 2 5 华北电力大学硕士学位论文 3 5 2 2 线路末端单相接地故障 图( 3 5 ) 给出了区内10 0 处的单相接地故障时，保护b k 2 跳闸前后的非故障相 的互感电流和故障相的故障电流的波形图。 线路在t 。= 0 0 6 s 时刻发生故障，保护b k 2 在两周波后跳闸。由图( 3 - 5 ) 可以看出， 对侧跳闸后，m 侧处得到的故障相的故障电流的变化率非常的小，而非故障相的互感 电流的变化率比较大。当对侧保护动作后，k l ：3 6 ，并落在b k l 距离保护i i 段范围内。 由此可以判定是区内故障。 j 故障牛日b 。c - j 互感电流 图3 51 0 0 处单相接地故障时的互感和故障电流的波形图 f i g 3 - 5 w a v e f o r mo fm u t u a l i n d u c t a n c ea n df a u l tc u r r e n tw h e nas o l i d s i n g l e - - p h a s e - t o - e a r t hf a u l ta t10 0 3 5 2 3 区外单相接地故障 图( 3 - 6 ) 给出了1 1o 处的区外单相接地故障时，保护b k 3 跳闸前后的非故障相 的电流变化和故障相的故障电流的波形图。 嗣譬故障牛日自g 互感电主麓 图3 - 61 1 0 处单相接地故障时的互感和故障电流的波形图 f i g 3 - 6 w a v e f o r mo fm u t u a l i n d u c t a n c ea n df a u l tc u r r e n tw h e nas o l i