220kV线路保护配置及其运行方式

1、220kV线路保护配置及运行方式概况220kV踏九线线路保护装置由两套独立的、配置相同保护功能的保护装置组成。两套装置配置了 光纤差动保护、零序保护、距离保护。两套装置都带有重合闸功能，其中2号保护装置单相重合闸启用。光纤差动保护输电线路保护采用光纤通道后由于通信容量很大所以往往做成分相式的电流纵差保护。输电 线路分相电流纵差保护本身有选相功能，哪一相纵差保护动作那一相就是故障相。输电线路两侧 的电流信号通过编码成码流形式然后转换成光的信号经光纤输出。传送的信号可以是包含了幅值 和相位信息在内的该侧电流的瞬时值，保护装置收到输入的光信号后先转换成电信号再与本侧的 电流信号构成纵差保护。纵联电流

2、差动继电器的原理本装置差动保护由故障分量差动、稳态量差动及零序差动保护组成。差动保护采用每周波 96点采样，由于高采样率，差动保护可以进行短窗相量算法实现快速 动作，使典型动作时间小于 20ms。故障分量差动保护灵敏度高，不受负荷电流的影响，具有很强 的耐过渡电阻能力，对于大多数故障都能快速出口；稳态量差动及零序差动则作为故障分量差动 保护的补充。比例制动特性动作方程如下：I M + I N| CDset/'(4)*讲解例子IdMEsJ,厂-ImTATA(a)系统图I qdZrKrIr(b)动作特性MEsfrOErE M Im 匚SINNTA.TA1IK1(c)内部短路I MInTAT

3、A(d)外部短路图2-29纵联电流差动保护原理设流过两侧保护的电流Im、I N以母线流向被保护的线路方向规定为其正方向，如图中箭头方向所示。以两侧电流的相量和作为继电器的动作电流 I。该电流有时也称做差动电流。另以两侧电流的相量差作为继电器的制动电流。纵联电流差动继电器的动作特性一般如图(b)所示， 动特性，是差动继电器(线路、阴影区为动作区，非阴影区为不动作区。这种动作特性称做比率制 变压器、发电机、母线差动保护中用的差动继电器)常用的动作特性。图中Iqd为起动电流,Kr是制动系数。当差动继电器的动作电流I d和制动电流I r满足两个动作方程时，它们对应的工作点位于阴影区，继电器动作。当线路

4、内部短路时，如图(C)所示，两侧电流的方向与规定的正方向相同。此时=Ik，动作电流等于短路点的电流I K，动作电流很大。而制动电流Ir较小,=Ik -2In，小于短路点的电流Ik。如果两侧电流幅值相等的话，制动电流甚至就为零。因此工作点落在动作特性的动作区，差动继电器动作。当正常运行或 线路外部短路时，如图(d)所示，线路上流的是穿越性电流，N侧流的电流与规定的正方向相反。因而动作电流Id = I M + In如果忽略线路上的电容电流， 则I M =Ik、I N =I K。制动电流I r = I M I N=21 M，制动电流是二倍的短路电流，制动电流很大。因此工作点落在动作特性的不动作区，差

5、动继电器不动作。所以这样的差动继电器可以区分内部短路和 外部短路（含正常运行）。继电器的保护范围是两侧 TA之间的范围。从上述原理的叙述可以进一步推广得知：只要在线路内部有流出的电流，例如内部短路的短 路电流、线路内部的电容电流都会形成动作电流。只要是穿越性的电流，例如外部短路时流过线 路的短路电流、负荷电流都只形成制动电流而不会产生动作电流。TA断线检查 许继判据：由于差动保护的灵敏性，对 TA二次回路的监视应更加严格，其中TA断线可能引起误动。当一侧TA断线时，本侧可能电流突变量启动，但对侧不会突变量启动，且系统电压不会发生变 化，因此差动保护不会开放，不会误动作。在两侧装置都不启动的情况

6、下，投入以下TA断线或异常识别判据：I m +ln >0.15ln +AlcIm<0.04In 十；或I n V 0.04I nIm +ln>0.15lnIm>0.041 nIm +ln> 0.251m -In式中当电容电流补偿投入或线路参数电纳整定为零时 IC=0，否则 IC=1.5IC , IC为根据线路电纳参数求得的全线路电容电流，采用以上判据，既具有灵敏性，又能自适应于重负荷运行方 式。以上判据或满足持续 1s后，装置发生告警n信号，呼唤值班员进行处理。当判据满足Imc 0.041 n时报文为本侧 A （ B、C）相TA断线，当判据满足In<0.04

7、1 n时报文为对侧 A（B、C）相TA断线。判据满足时，报文为本侧A （B、C）相差流长期存在。装置TA断线后时，将驱动告警n继电器发 装置继续监视零序电流，在相应控制字投入情况下，分相闭锁差动保护；当 TA断线消失后，差动保护重新投入。差流长 期存在时，装置只发告警信号，并不闭锁保护。后备保护在判断出零序电流持续 12s大于零序辅助启动定值 I04 出本地及中央告警信号， 并发出“TA回路异常”告警报告，闭锁保护， 一旦零序电流消失，保护将自动解除闭锁。四方判据：,并闭锁零序各段保护;a）装置的零序电流连续 12s大于I04定值，报“ TA断线告警”b）差动保护TA断线检测：断线侧的自产 3

8、I0值连续12s大于max 0.9*min （I04定值、反 时限零序电流定值、零差定值），一次240A,而断线相电流小于 0.061 n（ln为二次侧额定电流）; 计算出正常两侧的差电流连续 12s大于0.151 n而断线相电流小于 0.06ln报“ TA断线告警”。判 出TA断线后，可通过控制字选择闭锁或不闭锁差动保护，如果选择闭锁差动保护，只闭锁断线相差动保护。零序差动保护与分相差动保护类似零序电流方向保护零序电流方向保护及其作用在中性点直接接地的高压电网中发生接地短路时，将出现零序电流和零序电压。利用上述的 特征电气量可构成保护接地短路故障的零序电流方向保护。统计资料表明，在中性点直接

9、接地的电网中，接地故障点占总故障次数的90%左右，作为接地保护的零序电流方向保护又是高压线路保护中正确动作率最高的一种。在我国中性点直接接地 系统不同电压等级电力网线路上，按国家继电保护和安全自动装置技术规程规定，都装设了 零序电流方向保护装置。带方向性和不带方向性的零序电流保护是简单而有效的接地保护方式，它主要由零序电流滤 过器、电流继电器和零序方向继电器以及与收发信机、重合闸配合使用的逻辑电路所组成。现今，大接地电流系统中输电线路接地保护方式主要有纵联保护、零序电流方向保护和接地 距离保护等。它们都与系统中的零序电流、零序电压及零序阻抗密切相关的。实践表明零序电流方向保护在高压电网中发挥着

10、重要作用，成为各种电压等级高压电网接地 故障的基本保护。即使在装有接地距离保护作为接地故障主要保护的线路上，为了保护经高电阻 接地的故障和对相邻线路保护有更好的后备作用，也为了保证选择性，仍然需要装设完整的成套 零序电流方向保护作基本保护。零序方向继电器CSC-103A/103B保护装置的零序后备保护配置相同。在全相运行时配置了四段零序方向保护和零序反时限保护，零序I段自动带方向，其他各段都可由控制字选择经方向或不经方向元件闭 锁。零序I段由零序I段压板控制投退，其他段由零序其他段压板控制投退 ，零序反时限保护由零序反时限压板控制投退。非全相时设置了瞬时段，通常称为不灵敏I段，固定带方向，不灵

11、敏I段由零序I段压板投退；另有带延时（T04 500ms）的零序W段（接线路 TV时固定不带方向，接母线TV时经控制字控制投退）和零序反时限保护。突变量启动元件或零序辅助启动元件动作后， 转入故障处理程序，全相运行时投入零序I、n、ffi、w段和零序反时限保护。零序I、n、川 段动作后选相跳闸（n、川段动作也可永跳），零序W段动作后永跳或三跳，零序反时限动作后永 跳或三跳。非全相运行时，闭锁零序I、n、ffi、w段，投入零序不灵敏I段、短时限的零序W 段和零序反时限保护，动作后永跳或三跳出口。在持续一定的时间内，零序各段和零序辅助启动 元件均不动作，保护整组复归。零序灵敏段与不灵敏段当线路上采

12、用单相自动重合闸时， 在非全相运行状态下又发生系统振荡时，零序电流会很大,而此时保护应该不动作。为了解决这一问题，一般零序电流保护设置灵敏段和不灵敏段。而零序电流保护不灵敏段主 全相运行状态时，不灵敏段零序电流保护灵敏段主要任务是对全相运行状态下的接地故障起保护作用，有较大的保护范 围和灵敏度，当单相重合闸起动时，灵敏段零序电流保护自动退出； 要任务是对非全相运行状态下的接地故障起保护作用。正常情况下， 的保护范围较小。3 U0极性问题供方向判别用，TV断线时，带方向保护采用自产3 U0，即由软件将三个相电压相加而获得 3 U0, 的零序保护退出，不带方向的零序各段保留。TA断线的问题可利用T

13、A断线时无零序电压这一特征，使可3 U0的工频不平衡2V为防止TA断线引起灵敏的零序川段或W段误动作， 能误动的段带方向，用零序方向元件实现闭锁。有的情况下，如正常运行时 分量较大，怕方向元件闭锁不可靠，装置还设置了一个3 U0突变量元件，动作门槛固定为效值，在控制字KG4.8相应位置“1 ”时，零序保护各段都经过此 3 U0 线时零序电流将长时间存在，保护在零序电流持续12s大于W段整定值并闭锁零序各段。 非全相零序保护逻辑 利用非全相运行中的不灵敏I段和零序W段（动作时间为T04-500ms）突变量元件的闭锁。TAI04时报<TA断线告警切除非全相运行中的再故障。注意，若TV在线路侧

14、时，非全相再故障零序电压量不是真正的故障零序电压，所以对于带 延时（T04 500ms,要大于单重时间）的零序W段固定不带方向。零序的方向问题对零序方向继电器的最基本要求是利用比较零序电压和零序电流的相位来区分正、反方向的 接地短路。接地故障时，相电流反应接地故障灵敏度不能满足时，用零序电路构成接地保护。零序的正方向：电流（母线指向线路），电压（线路高于大地）。实际上，零序电流的实际方 向是从故障点流入母线的。零序电压在故障点最高，中性点最低为0，和相电压相反。零序电流的数值和分布和变压器中性点的接地的多少和位置有关，和电源的数目和位置无关。零序电压和零序电流的相位：在正方向短路下，保护安装处

15、零序电压和电流的相位关系，取 决于母线背后元件的零序阻抗（一般零序电流超前电压95-110 度），而与被保护线路的零序阻抗和故障点的位置无关。零序功率：在线路正方向故障时， 零序功率从线路流入母线， 为负值。在线路反方向故障时， 零序功率从母线流向线路，为正值。CT组成的滤过器,零序电流滤过器：在正常和相间短路时，理论上没有电流流过。对三个 不平衡电流主要是三个 CT励磁电流引起的。零序电流互感器：好处是没有不平衡电流。NMUo'Uk0(a)正方向短路U 0 = I 0 (Zi0 +Zr0loZso480°r"-1000(d)反方向短路相量图U0(c)正方向短路相量

16、图图2-1正、反方向接地短路时的零序序网图和相量图零序电流方向保护的应用220kV线路采用了单相重合闸，此时零序电流方向保护就还要考虑非全相运行的问题。零序电流保护一般为四段式。根据各地的多年运行经验，大部分线路采用可分别经方向元件 控制的四段式零序电流保护作为接地故障时的基本保护较为适宜。对于三相重合闸线路，零序电 流保护可以按四段式运行，或按三段式运行，但其中有两个第一段，其中灵敏一段重合闸时带延 时0.1s。对于单相重合闸线路，可按三段式运行，其中也有两个第一段或者两个第二段，两个第 一段时灵敏一段在重合闸过程中退出运行，两个第二段时灵敏二段在重合闸过程中退出运行。对 终端输电线路可装设

17、较少段数的零序电流保护。距离保护距离保护的作用原理和时限特性距离保护和电流保护一样是反应输电线路一侧电气量变化的保护。在下图所示的电网中，将 输电线路一侧的电压 Um、电流Im加到阻抗继电器中，阻抗继电器反应的是它们的比值，称之为阻抗继电器的测量阻抗 Zm =U m/l m。Esfzs-/KZkUm =UmKT阻抗继电器接线示意图反应输电线路一侧电气量变化的保护一定要满足两个条件。首先，它必须区分正常运行和短 路故障。其次，它应该能反应短路点的远近。正常运行时，加在阻抗继电器上的电压是额定电压Un ,电流是负荷电流Il。阻抗继电器的测量阻抗是负荷阻抗Zm =Z| =Un/|。短路时，加在阻抗继

18、电器上的电压是母线处的残压UmK，电流是短路电流Ik。阻抗继电器的测量阻抗是短路阻抗 Zk , Zm=ZK =UmK/lK。由于UmK«UnIk» 11，因而Zk «乙。所以，阻抗继电器的测量阻抗可以区分正常运行和短路故障。如果在K点发生金属性短路，短路点到保护安装处的阻抗为Zk，流过保护的电流为Ik，则保护安装处的电压为UmK =IkZk。阻抗继电器的测量阻抗是Zm =U mJlK =ZK。这说明阻抗继电器的测量阻抗反应了短路点到保护安装处的阻抗，也就是反应了短路点的远近。所以可以用它来构成反应一侧电气量的保护。由于阻抗继电器的测量阻抗反应了短路点的远近，也就是

19、反应了短路点到保护安装处的距离,所以把以阻抗继电器为核心构成的反应输电线路一侧电气量变化的保护称做距离保护。距离保护相对于电流保护来说，其突出的优点是受运行方式变化的影响小。距离保护第I段 只保护本线路的一部份，在保护范围内金属性短路时，一般在短路点到保护安装处之间没有其它 分支电流，所以它的测量阻抗完全不受运行方式变化的影响。距离保护第n、川段其保护范围伸 到相邻线路上，在相邻线路上发生短路时，由于在短路点和保护安装处之间可能存在分支电流， 所以它们在一定程度上将受运行方式变化的影响。tnEs3距离保护的阶梯型时限特性由于阻抗继电器的测量阻抗可以反应短路点的远近，所以可以做成阶梯型时限特性。

20、短路点越近，保护动作得越快；短路点越远，保护动作得越慢。第I段按躲过本线路末端短路（本质上 是躲过相邻元件出口短路）继电器的测量阻抗（也就是本线路阻抗）整定。它只能保护本线路的一部份，其动作时间是保护的固有动作时间（软件算法时间），不带专门的延时。第n段应该可靠保护本线路的全长，它的保护范围将伸到相邻线路上，其定值一般按与相邻元件的瞬动段例如相 邻线路的第I段定值相配合整定。第川段除作为本线路i、n段的后备外，也作为相邻元件保护 的后备。所以它除了在本线路末端短路要有足够的灵敏度外，在相邻元件末端短路也应有足够的 灵敏度，其定值一般按与相邻线路n、川段定值相配合并躲最小负荷阻抗整定。tv断线检

21、测装置各保护均设有两种检测tv断线的判据，两种判据都带延时，且仅在线路正常运行，启动元件不启动的情况下投入，一旦启动元件启动，tv断线检测立即停止，等整组复归后才重新投入。|UA+UB+UC|>7V(有效值)1）三相电压之和不为零，用于检测一相或两相断线。判据为：2）三相失压检测三相失压判据：三相电压有效值均低于 8V，且任一相电流大于0.041 n或三相电流均小于0.04ln 且无跳闸位置开入。附加电流条件是防止tv在线路侧时，断路器合闸前误告警。检测到tv断线后，驱动告警n发出本地及中央告警信号，但不切断保护出口回路的 +24V电 源。在tv断线时，差动保护退出电容电流补偿；距离保护

22、将被闭锁；零序保护带方向段退出或 选择无方向。装置继续监视 tv电压，一旦电压恢复正常，各保护恢复正常。接地距离保护特性多边形特性阻抗元件接地距离保护采用多边形特性的综合阻抗元件。接地综合阻抗元件由 Za、Zb、Zc三个阻抗元件、偏移阻抗元件、零序方向元件、电抗线和电阻线组成。a. 阻抗元件 根据电流电压方程Uq = X* j(l+ Kx=A、B、C求解Zd= jX+ RKxR*3lo)+lo*Rf(9)零序电抗分量补偿系数Kr= (R。-Ri)/3Ri零序电阻分量补偿系数K1 =ctg PS11线路正序电阻与正序电抗之比b.偏移阻抗元件偏移阻抗元件是在原多边形特性基础上加一个包括坐标原点的小

23、矩形特性，以保证出口短路可靠切除故障。矩形的X、R取值，按500kV 次系统、每公里 0.3Q、10公里线路长度考虑，220kV 次系统、每公里 0.4 Q、7公里线路长度考虑。X =R =min 3tA/TV,O.9XD1 >TA为TA变比TV为TV变比XD1接地距离I段电抗分量定值C. 零序方向元件零序方向元件属故障分量方向元件，其方向特性与阻抗元件方向特性相反，按线路 阻抗角考虑，零序方向元件最大灵敏度角-110°,保证接地距离的方向性。_190°<Arg 竺 <d0I0动作方程：d.电抗线电抗线是为了防止接地距离超越，计算(10)X后下倾a，接地距

24、离的多边形特性如图4-7所示。jXe.电阻线电阻线倾斜，与 R轴夹角为60 °。圆特性阻抗元件相间距离保护采用圆特性的阻抗元件。相间阻抗元件由Zab、Zbc、Zca三个阻抗元件和全阻抗元件组成，相间阻抗元件是为保护二相、三相故障而设置。在故障发生40ms之内采用带记 忆的正序电压作极化量的姆欧继电器，记忆电压采用故障前三周电压。A.U 1m|0|90 日1 c Arg<270°-®(11)动作方程：式中：U1m|0|为故障前的正序电压；© © =AB、BC、CA01为方向特性向第一象限偏移角。U1m90TW<270n40ms之后取消

25、记忆，采用正序电压作极化量，动作方程为(12)若正序电压较低(15%Un ),为三相短路，为保证正方向故障能动作，反方向故障不动作，设 置了偏移特性。在I、n段距离继电器暂态动作后，增加一个全阻抗继电器，保证继电器动 作后能保持到故障切除。在i、n段距离继电器暂态不动作时，去掉一个全阻抗继电器，保 证母线及背后故障时不误动。对川段及后加速则一直投入全阻抗继电器。全阻抗继电器为：Zql 胡 >lU<ldZq =minferA/TV,0.9ZY1ZY1为相间距离I段定值图4-8a I、n段阻抗继电器暂态特性图4-8b I、n段阻抗继电器稳态特性在单相故障跳开后， 电压频率偏差的影响,D

26、I2元件又开放计算Z 0 改用健全相电压作极化量，动作方程为:0时，为消除断开相（TV在线路侧）引起正序901< ArgU如Zy I如<2701(13)4-8所示。U1mi、n段阻抗继电器暂态及稳态动作特性如图 川段阻抗继电器的动作特性：(14)90 " < Arg < 270 U轴-Zy I轴自动重合闸的作用及应用据统计，输电线路上有90%以上的故障是瞬时性的故障如雷击、鸟害等引起的故障。短路以后如果线路两侧的断路器没有跳闸，虽然引起故障的原因已消失，例如雷击已过去、电击以后的 鸟也已掉下，但由于有电源往短路点提供短路电流，所以故障不会自动消失。等继电保护动

27、作将 输电线路两侧的断路器跳开后，由于没有电源提供短路电流，电弧将熄灭。原先由电弧使空气电 离造成的空气中大量的正、负离子开始中和，这过程称之为去游离。等到足够的去游离时间后， 空气可以恢复绝缘水平。这时如果有一个自动装置能将断路器重新合闸就可以立即恢复正常运行， 显然这对保证系统安全稳定运行是十分有利的。将因故跳开的断路器按需要重新合闸的自动装置就称做自动重合闸装置。 自动重合闸装置将断路器重新合闸以后，如果继电保护没有再动作跳闸，系统马上恢复正常运行状态，这样重合闸成功了。如果是永久性的故障，例如杆塔倒地、带地线 合闸，或者是去游离时间不够等原因，断路器合闸以后故障依然存在，继电保护再次将

28、断路器跳 开。这样重合闸就没有成功。据统计，重合闸的成功率在80%以上。自动重合闸的作用有如下几点：1. 对瞬时性的故障可迅速恢复正常运行，提高了供电可靠性，减少了仃电损失。2. 对由于继电保护误动、工作人员误碰断路器的操作机构、断路器操作机构失灵等原因导致的断路器的误跳闸可用自动重合闸补救。3. 提高了系统并列运行的稳定性。重合闸成功以后系统恢复成原先的网络结构，加大了功角特 性中的减速面积有利于恢复系统稳定运行。也可以说在保证稳定运行的前提下，采用了重合 闸后允许提高输电线路的输送容量。当然应该看到，如果重合到永久性故障的线路上，系统将再一次受到故障的冲击，对系统的 稳定运行是很不利的。但

29、是由于输电线路上瞬时性故障的机率多得多，所以在中、高压输电线路 上除某些特殊情况外普遍都使用自动重合闸装置。自动重合闸方式及动作过程重合闸方式单相故障单跳单合，多相故障进行三跳不重合；任何故障三跳三合；单相故障单跳单合，多相故障进行三跳三合；重合闸退出，任何故障三跳不重合，重合闸长期不用时，应设置于该CSC-103B型装置具有综合重合闸功能，该功能只负责合闸，不担当保护跳闸选相。 单重方式： 三重方式： 综重方式： 停用方式： 方式。在220kV及以上电压等级的输电线路上，断路器一般是分相操作机构的断路器。三相断路器是独立的，因而可以进行分相跳闸。所以这些电压等级中的自动重合闸可以由用户选择重

30、合闸的 方式，以适应各种需要。在这些电压等级中的线路保护装置中的重合闸可由屏上转换开关或定值 单中的控制字选择使用三重方式、单重方式、综重方式和重合闸停用几种方式。当使用三相重合闸方式时，连保护和重合闸一起的动作过程是：对线路上发生的任何故障跳三相，重合三相，如果重合成功继续运行，如果重合于永久性故障再跳三相。当使用单相重合闸方式（单重方式）时，连保护和重合闸一起的动作过程是：对线路上发生的单相接地短路跳单相（保护功能），重合（重合闸功能），如果重合成功继续运行，如果重合于 永久性故障再跳三相（保护功能）。对线路上发生的相间短路跳三相（保护功能） ，不再重合。当使用综合重合闸方式时，保护和重合

31、闸一起的动作过程是：对线路上发生的单相接地短路 按单相重合闸方式工作，即由保护跳单相，重合，如果重合成功继续运行，如果重合于永久性故 障再跳三相。对线路上发生的相间短路按三相重合闸方式工作，即由保护跳三相，重合三相，如 果重合成功继续运行，如果重合于永久性故障再跳三相。自动重合闸的起动方式自动重合闸的起动方式有下述两种：位置不对应起动方式。如果跳闸位置继电器动作了，说明断路器现处于断开状态。但同时控制开关在合闸后状态， 说明原先断路器是处于合闸状态的。这两个位置不对应，起动重合闸的方式称做位置不对应起动 方式。用不对应方式起动重合闸后既可在线路上发生短路，保护将断路器跳开后起动重合闸，也 可以在断路器偷跳以后起动重合闸。所谓断路器偷跳是指系统中没有发生过短路，也不 是手动跳闸而由于某种原因例如工作人员不小心误碰了断路器的操作机构、保护装置的出口继电 器接点由于撞击震动而闭合、断路器的操作机构失灵等原因造成的断路器的跳闸。发生这种偷 跳时