电力系统继电保护原理与技术.ppt

电力系统继电保护原理与技术 山东大学电气工程学院潘贞存2006 10 19 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及以上输电线路的继电保护 220kV及以上电压等级的输电线路一般按双侧具有电源考虑 所接电网为大电流接地系统 断路器一般采用分相操作 通常采用综合重合闸方式 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 同时要考虑非全相运行的问题 同杆并架双回线的跨线故障问题等 220kV及以上输电线路的继电保护 220kV及以上电压等级输电线路在电力系统中占据着十分重要的地位 对其继电保护有较高的要求 微机保护后 线路保护一般均设计为成套保护 即一套保护完成所有的主保护和原理上的后备保护功能 为了实现设备上的后备 通常采用双重化配置或多重化配置 220kV及以上输电线路的继电保护 每套保护的配置方式一般为 1 主保护 能够全线速切的纵联差动或纵联比较式保护 快速跳闸的独立段保护 如工频变化量距离保护等 2 后备保护 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 3 综合重合闸 本次讲课主要讨论220kV及以上电压等级的线路保护 220kV及以上输电线路的继电保护 主要包括以下的几项内容 1 输电线路的距离保护 2 输电线路的纵联电流差动保护 3 输电线路的纵联比较式保护 4 输电线路的综合重合闸 220kV及以上输电线路的继电保护 1 输电线路的距离保护 2 输电线路的纵联电流差动保护 3 输电线路的纵联比较式保护 4 输电线路的综合重合闸 输电线路的距离保护 距离保护是通过反映故障点到保护安装处的距离而动作的继电保护装置 通常应用于110kV及以上电压等级的输电线路 其原理也可以应用于35kV及以下电压等级的配电线路 构成距离保护的核心就是测量故障点到保护安装处的距离 并与一个事先整定的距离相比较 测量距离小于整定距离时保护动作 测量故障距离的方法包括阻抗法 行波法和雷达法 其中应用最多的是阻抗法 此处重点介绍阻抗法 测量阻抗及其与故障距离之间的关系 测量阻抗定义为保护安装处测量电压与测量电流之比 测量阻抗及其与故障距离之间的关系 在电力系统正常运行时 近似为额定电压 为负荷电流 为负荷阻抗 负荷阻抗的量值较大 其阻抗角为数值较小的功率因数角 一般功率因数为不低于0 9 对应的阻抗角不大于25 80 阻抗性质以阻性为主 如下图中的所示 测量阻抗及其与故障距离之间的关系 电力系统发生金属性短路时 降低 增大 变为短路点与保护安装处之间短路阻抗 对于具有均匀分布参数的输电线路来说 与短路距离成线性正比关系 即 测量阻抗及其与故障距离之间的关系 短路阻抗的阻抗角就等于输电线路的阻抗角 数值较大 对于220kV及以上电压等级的线路 阻抗角一般不低于750 阻抗性质以感性为主 当短路点分别位于图1中的k1 k2和k3点时 对应的短路阻抗分别如图2中的 和所示 测量阻抗及其与故障距离之间的关系 依据测量阻抗在上述不同情况下的 差异 保护就能够 区分 出系统是否出现故障 在发现有故障的情况下 可以进一步地 区分 出是区内故障还是区外故障 继电保护 依据 差异 实现 区分 三相系统中测量电压和测量电流的选取 上面的讨论是以单相系统为基础的 在这种单相系统中 测量电压就是保护安装处的电压 测量电流就是线路中的电流 系统金属性短路时两者之间的关系为 5 三相系统中测量电压和测量电流的选取 该式是距离保护能够用测量阻抗来正确表示故障距离的前提和基础 即只有测量电压 测量电流之间满足该式时 测量阻抗才能正确地反应故障的距离 在实际三相系统的情况下 由于存在多种不同的短路类型 而在各种不对称短路时 各相的电压电流都不再简单地满足式 5 所以无法直接用各相的电压 电流构成距离保护的测量电压和电流 三相系统中测量电压和测量电流的选取 现以图3所示网络中k点发生短路故障时的情况为例 对此问题进行分析讨论 按照对称分量法 可以求出M母线上各相的电压 Lk Z1 Z2 Z0 Lk G M KZ G N k 三相系统中测量电压和测量电流的选取 6a 6b 6c 三相系统中测量电压和测量电流的选取 6 式的成立与故障类型无关 即对任何类型的故障都成立 对于不同类型和相别的故障 故障点的边界条件是不同的 即 6 式中 和的取值是不同的 下面以单相接地故障情况为例进行讨论 三相系统中测量电压和测量电流的选取 以A相单相接地短路故障为例进行分析 在A相金属性接地短路的情况下 式3 6a变为 7 8 得到 三相系统中测量电压和测量电流的选取 式 8 与式 5 具有相同的形式 因而由 算出的测量阻抗能够正确反应故障的距离 从而可以实现对故障区段的比较和判断 三相系统中测量电压和测量电流的选取 由于A相接地时 均不等于零 式 6b 和 6c 无法变成式 5 的形式 即若 或 则 或 之间都不满足式 5 所以两非故障相的测量电压 电流不能准确地反应故障的距离 三相系统中测量电压和测量电流的选取 在另一方面 由于 均接近正常电压 而 均接近正常负荷电流 B C两相的工作状态与正常负荷状态相差不大 所以在A相故障时 由B C两相电压电流算出的测量阻抗都会比较大 算出的距离一般都大于整定距离 由它们构成的距离保护一般都不会动作 但在某些特殊的情况下 比如保护安装处零序电流很大时 也有可能动作 三相系统中测量电压和测量电流的选取 同理可以分析B相和C相单相接地故障时的情况 分析表明 只有故障相电压与带零序电流补偿的故障相电流之间满足 5 式 能够正确测量故障距离 非故障相测出的阻抗接近负荷阻抗 一般不会动作 三相系统中测量电压和测量电流的选取 其他类型 两相接地 两相短路 三相故障 的故障的情况也类似 只有用故障相的电压和电流 带零序补偿 进行运算时 才能准确地算出故障距离 计算量中含有非故障相电压 电流时 算出的测量阻抗不能准确地反映故障距离 并且一般情况下都大于实际的故障距离 所以不会动作 故障环的概念 故障电流可能流通的通路称为故障环 在单相接地故障的情况下 存在一个故障相与大地之间的故障环 相 地故障环 两相接地故障的情况下 存在两个故障相与大地之间的相 地故障环和一个两故障相之间的故障环 相 相故障环 两相不接地故障的情况下 存在一个两故障相之间的相 相故障环 三相故障的情况下 存在三个相 地故障环和三个相 相故障环 故障环的概念 分析表明 距离保护的测量电压 电流取为故障环上的电压 电流时 计算出的测量阻抗能够正确的反映故障距离 非故障环上的电压 电流之间算出的测量阻抗不能准确地反映故障距离 一般情况下大于故障距离 不会动作 所以距离保护的动作行为应以故障环上电压 电流计算的结果为准 非故障环上电压 电流计算的结果不予考虑 故障环的概念 在传统的距离保护中 故障环的选取是靠冗余接线来实现的 即距离保护的每一段都有三个相间阻抗继电器和三个接地阻抗继电器组成 三段式保护中需要18个独立的阻抗继电器 对于任何一种类型和相别的故障 每一段的6个继电器中 至少有一个是在故障环上 它能够正确测量故障距离 其他不在故障环上的继电器不能正确测量 但一般不动作 不能正确测量有两个方面的含义 一方面是把测量阻抗测大 反映出故障距离变远 即不动作 另一方面是把测量阻抗测小 反映出故障距离变近 可能导致在区外故障情况下误动作 此处 非故障环上的电压 电流算出的阻抗一般是第一种情况 通常不会动作 故障环的概念 微机保护中 距离保护的硬件接线只有一套 故障环的选取是由软件实现的 分两种情况 第一种情况是发生故障后先进行选相 找出故障类型和故障相别后 仅用故障相 即故障环上 的电压 电流进行计算 非故障相环上的电压 电流根本不参与运算 先选相 再计算 第二种情况是针对每一个故障 用故障环和非故障环上的电压 电流都进行计算 但仅以故障环上电压 电流计算的结果作为判断故障距离的依据 先计算 后用选相的结果进行复核 早期的微机保护普遍采用第一种方式 新型微机保护倾向于采用第二种 直接计算与间接判断 距离保护的核心 就是对故障距离进行测量 并与整定的距离相比较 以判断是否有故障 在有故障的情况下 判断出故障的范围 在应用测量阻抗法判断故障距离时 又有两种有两种不同的方式 即直接计算方式和间接判断方式 直接计算方式是利用采集到的故障环上的电压和电流 代入测量阻抗的计算式 直接计算出测量阻抗 然后将其与整定阻抗相比较 判断是否有区内故障 间接判断方式不需要确切地算出测量阻抗 只是通过对测量电压和测量电流的计算分析 间接地判断测量阻抗是否在保护的范围之内 在理想情况下 在金属性短路的时候 测量阻抗是与整定阻抗同方向的 在这种情况下 算出测量阻抗后直接与整定阻抗比较大小 就能够判断出故障的范围 实际情况下 由于各种误差因素的存在 以及过渡电阻的影响 测量阻抗可能与整定阻抗之间有一定的角度 这时用直接比较大小的方法就不行了 为了保证区内故障的情况下保护可靠动作 区外故障时可靠不动作 一般将阻抗继电器的动作范围设定为一个包括整定阻抗对应的线段在内 但在整定阻抗方向上不超出整定阻抗的一个区域 最常用的区域有圆形区域和四边形区域 测量阻抗与整定阻抗的比较 圆形区域又包括方向特性圆 全阻抗圆 偏移特性圆和上抛特性圆等几种 如下图 测量阻抗与整定阻抗的比较 每一种特性都有两种不同的实现办法 即绝对值比较法和相位比较法 以方向圆特性为例 绝对值比较方程和相位比较方程分别为 测量阻抗与整定阻抗的比较 Zset 2 Zset R jX o Zm 测量阻抗与整定阻抗的比较 测量阻抗已经用前述的算法算出 整定阻抗为事先设定好的常量 将两者直接代入到绝对值比较或相位比较的方程中 判断方程是否满足 就可以知道测量阻抗是否落入到动作区域之内 在园特性的数字式保护中 一般采用相位比较的方法进行判断 令 则上述的相位比较方程变为 测量阻抗与整定阻抗的比较 上述的方程又可以表示为即 应用两角差的余弦公式 将其展开 测量阻抗与整定阻抗的比较 上式两端同乘以 可以得到即满足该式 就说明测量阻抗落在动作区内 否则落在动作区外 该式是由余弦形式导出的 称为余弦比相 测量阻抗与整定阻抗的比较 下面以四方保护采用的四边形特性为例讨论在四边形特性的情况下如何实现测量阻抗与整定阻抗的比较 测量阻抗与整定阻抗的比较 设测量阻抗的实部为 虚部为 则上图在第IV象限部分的特性可以表示为 第IV象限部分的特性可以表示为 测量阻抗与整定阻抗的比较 而在第I象限部分的特性可以表示为 上述三式综合 得到 测量阻抗与整定阻抗的比较 式中 测量阻抗与整定阻抗的比较 若取 则 测量阻抗与整定阻抗的比较 则上述比较式变为 该式可以方便地在微处理机中实现 间接判断法实现距离保护 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 以南瑞公司正序极化原理 说明间接判断法 定义工作电压 补偿电压 如下 不同地点短路时 工作电压的相位关系如下图所示 k1zk2 KZ N G G k3M a b c d a 网络接线 b 区外 k2点 短路时电压分布 c 反向 k3点 短路时电压分布 d 正向 k1点 短路时电压分布 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 结论 区内故障时 与相位相反 而在正向区外及反向故障时 与相位相同 通过比较两者之间的相位 无须算出具体的测量阻抗 就可以判断故障的区域 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 以作为参考相量 根据不同故障情况下相对相位的 差异 就可以 区分 出故障的区段 即与反相位时判断为区内故障 与同相位时 判断为区外故障 考虑到实际测量与理论分析存在误差 实际构成保护时 一般并不是直接判断同相位还是反相位 而是取一定的范围 即动作的条件可以表示为 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 若取 则动作的条件变为 分子分母同除以 得到 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 该式与方向阻抗继电器的相位比较方程完全一致 表明在取的情况下 用工作电压与测量电压进行相位比较 就可以实现与方向阻抗继电器完全一样的特性 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 方向阻抗特性的优点是阻抗元件本身具有方向性 只在正向区内故障时动作 反方向短路时不会动作 即无须与方向元件配合 阻抗元件本身就能区分故障的方向 其主要缺点是动作特性经过座标原点 在正向出口或反向出口短路时 测量阻抗的阻抗值都很小 都会落在座标原点附近 正好处于阻抗元件临界动作的的边沿上 有可能出现正向出口短路时拒动或反向出口短路时误动的严重情况 对上述电压比较式分析 也可以得出类似的结论 出口短路时 测量电压的幅值接近于0 其相位可能因误差等因素而为随机相位 所以测量元件可能处于随机动作状态 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 由上述的分析可知 在上述比较式中 电压的作用就是作为判断相位的参考 所以又称为参考电压或极化电压 上述分析表明 直接用作为比相的参考电压时 无法保证出口短路时的选择性 因而也就不能应用于实际的继电保护装置中 为克服这一缺点 保证出口短路时正确动作 应选择相位不随故障位置变化 在出口短路时不为0的电压量作为比相的参考电压 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 考虑到除了出口三相对称性短路外 母线正序电压的量值都不会为0 且其相位不会随着短路位置的变化而变化 所以可以选择正序电压作为比相的参考 即以正序电压作为参考电压或极化电压 分析表明 当取正序电压为故障环上的正序电压时 它的相位与故障环上的测量电压完全一致 所以在上述比较方程中用正序电压代替测量电压时 动作条件不变 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 以正序电压为参考的情况下 动作的方程变为 或 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 进一步分析表明 采用正序电压作为参考电压后 在正向故障的情况下 以阻抗形式表示的动作方程为 对应的动作特性如图所示 它是一个包括坐标原点的偏移圆 正向出口短路时 能够可靠动作 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 在反向故障的情况下 以阻抗形式表示的动作方程为 对应的动作特性如图所示 它是一个不包括坐标原点的上抛圆 反向出口短路时 测量阻抗在原点附近 可靠不动作 反向远处短路时 测量阻抗在动作区相反的方向 也可靠不动作 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 可见 应用正序电压作为极化电压 继电器具有明确的方向性 能保证正向出口短路可靠动作 反向出口短路可靠不动 此外 用正序电压作为极化电压后 继电器在正向故障时的特性变成一个直径较大的偏移圆 耐受过渡电阻的能力明前增强 正序电压极化的缺点是不能保证出口三相短路时的方向性 必须采取专门的措施 在南瑞保护中 措施为 当正序电压幅值小于额定电压的15 时 投入低压距离元件 比较工作电压 补偿电压 相位法原理 低压距离元件是以记忆电压为极化电压来实现故障判断的 分析表明 它与正序极化的继电器具有类似的特性 也有明确的方向性 应用记忆电压的缺点是它仅在短路初瞬有效 因而不能用在II段或III段中 基于工频故障分量的距离保护 故障分量的基本概念 故障分量又称为故障附加分量或故障叠加分量 是指仅在系统发生故障时出现 而在系统正常运行及不正常运行时不存在的电气分量 即它随着故障的出现而出现 随着故障的消失而消失 所以 故障分量的存在 是电力系统处于故障状态的表征 应用故障分量构成继电保护动作判据时 只需要寻找区内故障与区外故障的 差异 而不必考虑正常及不正常情况 因而 保护具有较高的灵敏度 一般也具有较快的动作时间和较好的选择性 不必采用振荡闭锁等防止振荡时保护误动的措施 故障分量的特点 非故障状态下不存在故障分量 故障分量仅在故障状态下出现 故障分量独立于非故障状态 受电网运行方式的影响不大 有一定的影响 但比传统保护小 故障点的电压故障分量最大 系统中性点处故障分量电压为零 保护安装处故障分量电压电流之间的关系 取决于背后系统的阻抗 与故障点的远近及过渡电阻的大小没有关系 但故障分量值的大小受过渡电阻及故障点远近的影响 故障分量的分析方法 叠加原理 短路状态 故障前负荷状态 故障叠加状态 故障分量的组成 故障分量的利用 上述这些分量都可以用来构成继电保护 即故障分量中的工频分量 可以用来构成 工频变化量方向保护 工频变化量距离保护 工频变化量差动保护 零序保护 负序保护等 即全部的故障分量 可以用来构成电流突变量起动元件 电流突变量选相元件 方向行波元件 行波距离 测距 保护等 暂态分量中的高频部分 用来构成反映单端电气量的暂态保护 故障分量的提取与识别方法 来自电压互感器TV和电流互感器TA的电压电流都是故障后的全电压和全电流 构成反映故障分量的继电保护时 应设法将故障分量从全电压和全电流中提取出来 在微机保护中 故障分量的提取方法为 电流 故障分量的提取与识别方法 通常情况下 取n 1 2或4 n 1 n 2 n 4 这样可以计算出故障分量的采样序列 利用微机保护中的各种算法可以求出其幅值 相位等特征量 故障分量的提取与识别方法 以n 2为例 波形如下 工频变化量距离保护 工频故障分量距离保护又称为工频变化量距离保护 是一种通过反应工频故障分量电压电流而工作的距离保护 在上述的图 c 中 保护安装处的工频故障分量电流 电压可以分别表示为 工频变化量距离保护 取工频故障分量距离元件的工作电压为 保护区内 外不同地点发生金属性短路时电压故障分量的分布情况如下图所示 工频变化量距离保护 k1 z Zset k2 k3 a b c d 工频变化量距离保护 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k3点短路时 工频变化量距离保护 因为 所以动作的判据为 满足该条件 说明为区内故障 否则为区外故障 工频变化量距离保护 220kV及以上输电线路的继电保护 1 输电线路的距离保护 2 输电线路的纵联电流差动保护 3 输电线路的纵联比较式保护 4 输电线路的综合重合闸 纵联电流差动保护 基于基尔霍夫电流定律的纵联电流差动保护 是到目前为止最为完善的继电保护原理 在发电机 变压器 母线 电抗器 大容量电动机和输配电线路等电气设备中都得到了应用 其基本工作原理如下 纵联电流差动保护的基本原理 被保护设备 I I 纵联电流差动保护示意图 TA1 TA2 KD 被保护设备 发电机变压器电动机母线线路电抗器等 纵联电流差动保护 分析 即流入到差动继电器KD中的电流为0 继电器不会动作 正常及外部故障时 纵联电流差动保护 分析 被保护设备发生故障时 区内故障时 流入KD的电流为故障电流的二次值 KD动作 即区内故障时 流入KD的就等于故障点的故障电流 所以从这一点上说 差动保护是一种反映故障分量的保护 纵联电流差动保护 问题 可见 在理想情况下 根据KD中是否有电流 就能够区分出是否有内部故障 是否应将被保护设备从系统中切除 在实际情况下 由于电流互感器误差等因素的存在 在正常运行及外部故障时也会有一定量的不平衡电流流入差动继电器KD 特别是在外部故障电流互感器饱和的情况下 误差将会大大增加 会有比较大的不平衡电流流入KD 为防止差动保护误动 KD的动作电流必须按躲过外部故障的最大不平衡电流来整定 纵联电流差动保护 问题 带来的问题是动作值过大 内部故障的灵敏度降低 采用带制动特性的差动保护 是解决可靠性与灵敏性之间矛盾的有效措施 即 电流差动保护 比率制动特性 单斜率差动保护动作特性 双斜率差动保护动作特性 1 2 3 Iunbmax 电流差动保护 判据 在图示参考方向下动作量 通常情况下 制动量选为 动作表达式 K 制动系数 0 电流差动保护 故障分量的判据 动作量 制动量 动作方程 故障分量电流差动保护的分析 动作量 制动量 即动作量与全电流差动保护完全一样 故障分量电流差动保护 内部故障 内部故障时 所以只要 满足动作条件 且有较高的灵敏度 k ZN ZM 故障分量电流差动保护 外部故障 外部故障时 所以只要 不满足动作条件 且有较大的裕度 故障分量电流差动保护 动作特性 0 1 0 15 2 Kres 0 8 1 0 内部故障区 外部故障区域 纵联电流差动保护 分析 被保护设备为发电机 变压器和母线时 其各侧的电流互感器均在同一个厂站内 这时可由两种方式实现上述的电流差动 一种方式是直接将设备各侧的电流接入到同一个装置中 由该装置按照差动保护的公式进行分析比较 判断故障的区间 另一种方式是每个电流互感器的输出都接到一个采集装置中 然后通过通信网络将各个采集装置联系在一起 实现差动算法 纵联电流差动保护 分析 发电机 变压器一般采用第一种方式 母线既可以采用第一种方式 也可以采用第二种方式 第二种方式实现的差动保护成为分布式母线保护 而当被保护设备为输电线路时 由于两端相距甚远 需要在每一侧都装设采集装置 然后利用通信线路来交换两端的电流信息 纵联电流差动保护 通信 可用的通信手段 1 导引线 2 载波 3 微波 4 光纤光纤通道具有传输速率高 抗干扰性能好 安全可靠性高 能保持长期不间断地传输信号的特点 已成为纵联保护信号传输通道的首选方式 光纤纵联保护的信号传输方式和技术特点 光纤纵联保护的同步数据通信信号传输方式有两大类 专用光纤方式 图1 PCM复用方式 图2 光纤纵联保护的信号传输方式和技术特点 专用光纤方式利用专用光纤传送保护信息时 将64kbitPs或更高速率 n 64kbitPs 的保护信号直接调制在发光二极管 LED 或半导体激光器 LD 的输出回路中 并发送至对端 数据接收端直接将光信号解调成64kbitPs保护信号 如图1 a 所示 光纤纵联保护的信号传输方式和技术特点 由于采用专用光纤通道 64kbits数据接口装置的时钟同步方式为 两侧的继电保护通信接口装置均发送工作时钟 数据发送采用本机内时钟 接收时钟从接收数据码流中提取 称为内时钟 主 主 方式 如图1 b 所示 光纤纵联保护的信号传输方式和技术特点 PCM复用方式利用光纤通信PCM复用方式传送保护信息时 数据信号在PCM的64kbitPs同步数据接口实现复接 占用2MbitPs接口传送 如图2 a 所示 光纤纵联保护的信号传输方式和技术特点 两类光纤保护远传信号传输方式的技术特点采用专用光纤方式时 保护远传信号的传输通道直接由2芯光纤和保护装置光接口组成 通道时延小于1ms 其可靠性依赖于站点间直通光缆 当光缆断缆时保护远传信号全部中断 无替代传输路由 光纤纵联保护的信号传输方式和技术特点 PCM复用方式下 保护远传信号通过SDH光纤通信网络传送 不占用光纤芯数 故不依赖两站点间的直通光缆路由 而且工程设计时一般单独配置一套保护专用PCM装置 可以复接多路保护远传信号 容量大 在点对点传输时 通道时延小于1ms 当AB两站间经过的光纤站点较多时 按1个接点延时1ms考虑 只要站点控制在8个以内 通道总时延仍能控制在15ms以内 SDH光纤通信网络具有传输容量大 抗干扰 传输可靠性高等特点 并且具有自愈切换保护功能 光纤纵联保护的信号传输方式和技术特点 保护远传信号复用在PCM设备2MbitPs接口经SDH环网传输时 当某一方向光纤通信电路故障时 可以经由SDH自愈环保证信息连续传送至对侧 但当相应站点SDH光端机或保护专用PCM装置故障时 保护远传信号随之中断 此外 当保护远传信号经光纤支线电路传输时 则不具备SDH光纤电路自愈切换保护功能 纵联电流差动保护 同步问题 电流差动保护有两种主要的实现形式 一种是工频量 包括工频全电流和工频故障分量 构成差动电流和制动电流 称为相量差动 另一种是直接利用瞬时采样值构成差动电流和制动电流 称为瞬时值差动 相量差动通常利用傅氏算法等计算出差动和制动电流相量 然后代入公式比较 该方法性能稳定 但因需要较长的时间窗 动作速度较慢 瞬时值差动时间窗很短 动作速度快 但受个别不良数据的影响较大 需要连续几个点 或多数点 动作一致时 才能作为最后的判断结果 无论相量差动还是瞬时值差动 都要求对各侧的电流同时采样 否则将无法得到正确的结果 纵联电流差动保护 同步问题 在各侧的电流都接入到同一个装置的情况下 上述的第一种方式 同步采样可以利用采样 保持器来实现 在分布式母线保护和输电线路保护的情况下 各电流的采集是在不同的装置中完成的 特别是线路保护的情况 电流的采集是由安装在相距甚远的两地的装置分别采集的 必须采取特殊的同步措施 分析表明 如果要求同步角误差不大于0 1 要求时间误差不大于5 s 纵联电流差动保护 同步问题 目前采用的同步方式主要有两种 一种是利用GPS同步 另一种是精确计及通信通道延时 由一侧向另一侧发送同步时钟信号 GPS精度较高 时间误差不大于1 s 且接受也比较简单 但因受制于国外 安全性差 不能作为独立的同步时钟源 第二种同步方法实现比较复杂 且精度较差 但因安全性好 仍可以应用 一般考虑采用两种方式配合完成时间同步 一般情况下用GPS GPS失效时改用其他同步方法 应用GPS实现同步问题 GPSdeterminesauser spositionin3 DspaceGPSalsodeterminesauser spositionintime GPS接收器 in viewof4satellitesprinciple timedifferenceofarrivalofsignalsfromsatellitesunknowns receivers3Dlocationanduniversaltimesince4satellites 4equationsavailablehence solvefor4unknownsreceiversclocklockedtoGPSuniversaltime LossofGPSSignal unsynchronisedphasors 采样时刻调整法 TS td td ts1 tr1 tm tm1 ts2 tr2 tm2 t tr3 t t tm3 ts3 ts4 tm4 td 采样时刻调整法 从站 主站 纵联电流差动保护 同步问题 t Ts 采样间隔 tmj 主站采样点tsi 从站采样点td 通道延时td 0 5 tr2 tm1 tm t 主 从站采样时刻间的误差 t ts3 tm3 ts3 tr3 td 为使两站同步采样 从站下次采样时刻应调整为 ts4 ts3 Ts t 纵联电流差动保护 同步问题 采样数据修正法 t t tm td1 td2 A端 B端 tA1 tA2 tA3 tA4 tA5 tA tA6 tB1 tB2 tB tB3 tB4 tB5 tB3 纵联电流差动保护 同步问题 A端计算的通道延时 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tA3时刻对应的B端电流向量 纵联电流差动保护 同步问题 220kV及以上输电线路的继电保护 1 输电线路的距离保护 2 输电线路的纵联电流差动保护 3 输电线路的纵联比较式保护 4 输电线路的综合重合闸 纵联 方向 比较式保护 构成纵联 方向 比较式保护在被保护设备的每一端都装设一个反映故障方向的测量元件 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 方向性测量元件是构成纵联分析比较式保护的核心 常用的方向元件包括 1 故障分量方向元件 2 负序功率方向元件 3 零序功率方向元件 4 方向阻抗元件 5 相电压补偿式的功率方向元件等 6 在单侧电源的情况下 按躲最大负荷电流整定的过电流元件 也能反映故障方向 工频变化量方向保护 判据 正方向元件的测量相角表达式 反方向元件的测量相角表达式 其中 下表12表示该电气量为正 负序综合分量 无零序分量Zd为模拟阻抗Zcom为补偿阻抗 如果系统线路阻抗比Zs ZL 0 5时 Zcom 0 否则取Zcom为 Z整定阻抗的一半 工频变化量方向保护 分析 正向短路 工频变化量方向保护 分析 假设Zs为电源正序阻抗 系统的正序阻抗等于负序阻抗 将工频变化量电压电流分解为对称分量 有 设系统阻抗角与Zd阻抗角一致时 有 工频变化量方向保护 分析 反向短路 工频变化量方向保护 分析 Zs 为线路至对侧系统的正序阻抗 将电流电压分解为对成分量 纵联 方向 比较式保护 当每一端的测量元件都指示为正向故障时 表明故障为 区内故障 任何一端的测量元件指示为反向故障时 表明故障为 区外故障 实现方法 闭锁式和允许式两种比较方法 纵联方向比较保护 闭锁式 闭锁式纵联方向保护的工作方式是当任一侧方向元件判断为反方向时 不仅本侧保护不跳闸 而且由发信机向对侧发出闭锁信号 对侧保护接收到闭锁信号后 闭锁该侧保护 在外部故障时是近故障侧的方向元件判断为反方向故障 所以是近故障侧闭锁远故障侧 在内部故障时两侧方向元件都判为正方向 都不发送闭锁信号 两侧收信机接收不到闭锁信号 也就不会去闭锁保护 于是两侧方向元件均作用于跳闸 纵联方向比较保护 闭锁式 I1 W 收信 跳闸 I2 W 发信 闭锁 纵联方向比较保护 闭锁式 工作过程 当外部故障时 如图所示保护1和2的情况 在A端的保护1功率方向为正 在B端的保护2功率方向为负 此时 两侧的起动元件1均动作起动发信机发信 发信机发出的闭锁信号一方面为自己的收信机所接收 一方面经过高频通道 被对端的收信机接收 当收到信号后 保护被闭锁 此外 起动元件2也同时动作闭合其触点 准备了跳闸回路 在短路功率方向为正的一端 保护1 其方向元件动作 停止发信 在方向为负的一端 保护2 方向元件不起动 因此 发信机继续发送闭锁信号 纵联方向比较保护 闭锁式 在这种情况下 保护1和保护2均不能动作 保护就一直被闭锁 待外部故障切除 起动元件返回以后 保护即复归原状 当两端供电的线路内部故障时 两端的起动元件1和2均动作 其作用同上 之后两端的方向元件动作 即停止了发信机的工作 保护能立即动作分别使两端的断路器跳闸 纵联方向比较保护 闭锁式 需要两套起动元件 由以上分析可以看出 在外部故障时 距故障点较远一端的保护所感觉到的情况 和内部故障时完全一样 此时主要是利用靠近故障点一端的保护发出高频闭锁信号 来防止远端保护的误动作 因此 在外部故障时保护正确动作的必要条件是靠近故障点一端的高频发信机必须起动 而如果两端起动元件的灵敏度不相配合时 就可能发生误动作 因而保护需要两个起动元件1和2 其灵敏度选择的不同 灵敏度较高的起动元件1只用来起动高频发信机以发出闭锁信号 而灵敏度较低的起动元件2则准备好跳闸的回路 任何一端发出闭锁信号的元件的灵敏度都应保证高于对端保护动作跳闸元件的灵敏度 也就是说必须保证两端保护灵敏度的配合 否则可能误动 纵联方向比较保护 闭锁式 单电源线路内部故障 当只从一端供电的线路内部故障时 在受电端的半套保护不起动 也不发送高频闭锁信号 而在电源端的保护动作情况则和上述分析相同 此时能够立即动作使电源端的断路器跳闸 单电源线路外部故障 与双电源情况类似 近故障端测量元件反映为反向故障 不会误动 纵联方向比较保护 闭锁式 通道破坏 由于闭锁式纵联方向保护的工作原理是利用非故障线路的一端发出闭锁该线路两端保护的高频信号 而对于故障线路两端则不需要发出高频信号 这样就可以保证在内部故障并伴随有通道的破坏时 例如通道所在的一相接地或是断线 保护装置仍然能够正确地动作 这是它的主要优点 也是这种高频信号工作方式得到广泛应用的主要原因之一 纵联方向比较保护 闭锁式 系统振荡 对接于相电流和相电压 或线电压 上的方向元件 当系统发生振荡且振荡中心位于保护范围以内时 由于两端的功率方向均为正 保护将要误动 这是一个严重的缺点 而对于反应故障分量或负序 零序的方向元件 则不受振荡的影响 纵联方向比较保护 闭锁式 动作速度 根据继电保护动作的要求 闭锁信号只有在外部故障时才传送 所以为了保证保护在外部故障时不误动 必须等到确定已无闭锁信号 才能送出跳闸脉冲 因此必须延缓跳闸时间以保证时间配合 这样就使高频保护的动作时间增长 降低了保护的动作速度 这也是这种保护的主要缺点 总之 闭锁式纵联保护的主要优点是动作可靠性高 缺点是需要两端元件的动作时间和灵敏度配合 故较复杂和动作速度慢 纵联方向比较保护 闭锁式 由于闭锁式纵联方向保护采用短时发信方式 故高频发信机需用起动元件 常用的起动元件有故障分量电流起动元件 序分量电流元件 反方向的功率方向元件等 此外通常还采用远方起动方式 保证只要一侧的起动元件动作 两侧的发讯机都会发信 对起动元件的要求 应保证线路正常运行与系统振荡时起动元件不动作 而在发生其他所有故障时均能够灵敏地动作 纵联方向比较保护 闭锁式 I1 W 收信 跳闸 I2 W 发信 闭锁 t1 纵联方向比较保护 允许式 允许式纵联方向保护利用通道传送允许信号 收到允许信号是保护作用于跳闸的必要条件 在外部故障时近故障方向元件判断为反方向 不仅本侧保护不跳闸 也不向对侧发送允许信号 对侧收信机接收不到允许信号 就不允许其侧保护跳闸 在内部故障时两侧方向元件均判断为正方向 又都向对侧发送允许信号 两侧收信机都收到允许信号 为各侧保护跳闸提供条件 原理框图如下 纵联方向比较保护 允许式 收信 跳闸 I W 发信 允许 纵联方向比较保护 允许式 工作过程 当外部故障时 如图所示保护1和2的情况 在A端的保护1功率方向为正 在B端的保护2功率方向为负 此时 A端的起动元件及方向元件均动作 一方面自身准备跳闸 另一方面向对侧发送允许信号 但是B端方向元件不动 一方面自己不会跳闸 也不会向A端发送允许信号 所以两侧都不会动作跳闸 纵联方向比较保护 允许式 当内部故障时 如图所示保护3和4的情况 两端的方向元件均反映为正向故障 此时 B端 3处 的起动元件及方向元件均动作 一方面自身准备跳闸 另一方面向对侧发送允许信号 C端 4处 的情况也一样 所以两端的方向元件都动作 都能够收到对侧发来的允许信号 所以都会动作跳闸 将故障切除 纵联方向比较保护 允许式 在允许式保护中 若方向测量元件为阻抗元件 则称为是允许式距离保护 在这种情况下 有两种构成方式 即欠范围允许和超范围允许 欠范围允许在阻抗I段动作时 一方面本侧直接跳闸 另一方面向对侧发送允许信号 对侧在接到允许信号后与其II段阻抗元件 相与 当收到允许信号且II段阻抗元件动作时 动作跳闸 纵联方向比较保护 允许式 纵联方向比较保护 允许式 超范围允许用阻抗II段或带方向特性的阻抗III段起动发允许信号 当收到允许信号且II段阻抗元件动作时 动作跳闸 纵联方向比较保护 允许式 M N ZIIM ZIIN ZII ZI 1 Re Tr 1 跳闸 通道 1 QF 纵联方向比较保护 允许式 允许式保护具有以下几个特点 1 动作速度快 因为在正常条件下没有信号 又因为允许信号只有内部故障时才传送 在外部故障时不出现允许信号 因此毋须时间配合 这就可使高频保护的动作时间缩短 这是允许式保护的最大优点 2 不适用于单电源输电线 在单端电源条件下 当线路内部故障时 受电端正向方向元件由于灵敏度不够而不动作 不向送电端发出允许信号 从而使对端保护拒动 必须采取措施予以解决 弱馈保护 纵联方向比较保护 允许式 3 可靠性较低 对于故障起动发信方式的保护 采用闭锁信号时 在外部故障时传送高频电流 而采用允许信号时 在内部故障时传送高频电流 由于内部故障时可能引起通道破坏 所以允许式保护可靠性较低 在采用不受内部故障影响的通道时 不存在该问题 总之 允许式纵联方向保护的主要优点是无需两端元件的动作时间和灵敏度配合 因而动作速度快 灵敏度高 缺点是动作可靠性较低 载波通道情况下 光纤或微波通道时可靠性并不低 需采用附加措施 纵联方向比较保护 直跳式 直跳式纵联方向保护利用通道传送跳闸信号 收到跳闸信号是保护作用于跳闸的充分条件 直跳信号通常是由I段保护元件起动的 如由阻抗I段或线路变压器组的情况下变压器的差动保护等起动 另一端只要收到直跳信号 无论该处的测量元件是否动作 都直跳作用于跳闸 由于只有在保护区内故障时I段元件才会动作 所以直跳信号只在内部故障时发送 外部故障时不可能不会有直跳信号 原理框图如下 纵联方向比较保护 直跳式 M N ZIM ZIN ZI Re Tr 1 跳闸 通道 纵联方向比较保护 直跳式 在故障发生在本侧I段范围之内时 本侧I段动作 一方面立即跳开本侧的断路器 另一方面向对侧发送直跳信号 对侧收到直跳信号后 直接将其断路器跳开 直跳式对通道的要求极高 应采取措施防止因干扰导致保护误动 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 电力变压器故障类型 变压器的故障可以分为油箱外和油箱内两种故障 油箱外的故障 主要是套管和引出线上发生相间短路以及中性点直接接地侧的接地短路 这些故障的发生会危害电力系统的安全连续供电 油箱内的故障包括绕组的相间短路 接地短路 匝间短路以及铁心的烧损等 油箱内故障时产生的电弧 不仅会损坏绕组的绝缘 烧毁铁芯 而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生大量的气体 有可能引起变压器油箱的爆炸 电力变压器的不正常状态 变压器外部短路引起的过电流 负荷长时间超过额定容量引起的过负荷 风扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等 这些运行状态会使绕组和铁芯过热 此外 对于中性点不接地运行的星形接线方式变压器 外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压 威胁变压器的绝缘 大容量变压器在过电压或低频率等异常运行方式下会发生变压器的过励磁 引起铁芯和其它金属构件的过热 电力变压器继电保护的配置 主保护 电流差动保护 瓦斯保护后备保护 过电流保护 低压闭锁过电流保护 复合电压闭锁过流保护 阻抗保护 零序过电流保护 零序过电压保护 过负荷保护 过激磁保护 两种配置模式 1 主保护 后备保护分开设置 2 成套保护装置 重要变压器双重化配置 下图是双绕组单相变压器纵联