电力系统继电保护输电线路纵联保护

电力系统继电保护输电线路纵联保护第1页，课件共57页，创作于2023年2月电力系统继电保护4输电线路纵联保护第2页，课件共57页，创作于2023年2月4.1输电线路纵联保护概述第3页，课件共57页，创作于2023年2月4.1.1引言输电线路的纵联保护——将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧的电气量同时比较、联合工作，也就是说在线路两侧之间发生纵向的联系，以这种方式构成的保护称之为输电线路的纵联保护。以两端输电线路为例，一套完整的纵联保护其一般构成如右图所示：TV——电压互感器TA——电流互感器第4页，课件共57页，创作于2023年2月4.1.1引言一般纵联保护可以按照所利用通道类型或保护动作原理进行分类：第5页，课件共57页，创作于2023年2月4.1.1引言一般纵联保护可以按照所利用通道类型或保护动作原理进行分类：方向比较式纵联保护——两侧保护装置将本侧的功率方向、测量阻抗是否在规定的方向、区段内的判别结果传送到对侧,每侧保护装置根据两侧的判别结果，区分是区内还是区外故障。这类保护在通道中传送的是逻辑信号，而不是电气量本身，传送的信息量较少，但对信息可靠性要求很高。按照保护判别方向所用的原理可分为方向纵联保护与距离纵联保护。纵联电流差动保护——利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧,每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位比较的结果区分是区内还是区外故障。这类保护在每侧都直接比较两侧的电气量，信息传输量大，并且要求两侧信息采集的同步，实现技术要求较高。第6页，课件共57页，创作于2023年2月4.1.2输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析纵联保护需要利用线路两端的电气量在故障与非故障时的特征差异构成保护。（图4-2：双端电源线路内、外部故障示意图）第7页，课件共57页，创作于2023年2月4.1.3纵联保护的基本原理1纵联电流差动保护考虑CT误差、线路分布电容等因素的影响，动作判据实际上应为：2方向比较式纵联保护利用输电线路两端功率方向相同或相异的特征构成方向比较式纵联保护。第8页，课件共57页，创作于2023年2月4.1.3纵联保护的基本原理3电流相位比较式纵联保护两端保护各将本侧电流的正、负半波信息转换为表示电流相位并利于传送的信号，送往对端，同时接收对端送来的电流相位信号与本侧相位信号比较。考虑电流电压互感器误差及输电线分布电容等影响，保护的动作区一般如图4－4所示。4距离纵联保护其基本原理构成和方向比较式纵联保护基本原理相似，只是用阻抗元件替代功率方向元件。优点：只有当故障发生在II段范围内时相应方向阻抗元件才起动，减少了方向元件的起动次数从而提高了保护的可靠性；一般高压线路配备距离保护为后备保护，距离保护的II段为方向元件，简化了纵联保护（主保护）的实现。不足：后备保护检修时主保护被迫停运的。（图4-4：电流相位比较式纵联保护动作区示意图）第9页，课件共57页，创作于2023年2月4.2输电线路纵联保护两侧信息的交换第10页，课件共57页，创作于2023年2月4.2.1导引线通信导引线通信-利用敷设在输电线路两端变电所之间的二次电缆传递被保护线路各侧信息的通信方式；导引线纵联保护-以导引线为通道的纵联保护，常采用电流差动原理，其接线可分为环流式和均压式两种。导引线纵差保护的突出优点-不受电力系统振荡的影响，不受非全相运行的影响，在单侧电源运行时仍能正确工作。在正常运行或外部故障时，被保护线路两侧电流互感器的同极性端子的输出电流大小相等而方向相反，动作线圈中没有电流流过，即处在电流平衡状态，此时导引线流过两端循环电流，故称环流式。正常运行或外部故障时，导引线及动作线圈中均没有电流通过，二次电流只能分别在各自制动线圈及互感器二次绕组中流过，两侧导引线线芯间电压大小相等方向相反，处在电压平衡状态，这种工作模式也称为电压平衡原理。第11页，课件共57页，创作于2023年2月4.2.2电力线载波通信1电力线载波通道的构成按照通道的构成，电力线载波通信又可分为使用两相线路的“相—相”式和使用一相一地的“相—地”式两种。“相—地”式载波通道如下图所示：（图4-7：阻波器特性）阻波器的阻抗与频率的关系如图4－7所示。当其谐振频率为载波信号所选定的载波频率时呈现极高的阻抗从而使高频电流被阻挡在本线路以内。而对工频电流，阻波器仅呈现电感线圈的阻抗（约0.04Ω），工频电流畅通无阻。耦合电容器的电容量极小，对工频信号呈现非常大的阻抗，同时可以防止工频电压侵入高频收、发信机。对高频载波电流则阻抗很小，与连接滤波器共同组成带通滤波器，只允许此通带频率内的高频电流通过。它是一个可调电感的空芯变压器和一个接在副边的电容。连接滤波器与耦合电容器共同组成“四端口网络”带通滤波器，使所需频带的电流能够顺利通过。为使高频信号在收、发信机与输电线路间传递时不发生反射，减少高频能量附加衰耗，需要“四端口网络”使两侧的阻抗相匹配。同时空芯变压器的使用进一步使收、发信机与输电线路的高压部分相隔离，提高了安全性。三相输电线路都可以用来传递高频信号，任意一相与大地之间都可以组成“相－地”回路。高频收发信机通常是在电力系统发生故障保护起动后发出信号，但也有采用长期发信故障起动后停信或改变信号的频率的工作方式。发信机发出的高频信号经载波信道传送到对端，被对端和本端的收信机所接受，两端的收信机既接收来自本侧的高频信号又接收来自对侧的高频信号，两个信号经比较判断后，作用于继电保护的输出部分。当检修连接滤波器时，接通接地刀闸，使耦合电容器下端可靠接地。第12页，课件共57页，创作于2023年2月4.2.2电力线载波通信2电力线载波通道的特点优点：（１）无中继通信距离长。（２）经济、使用方便。（３）工程施工比较简单。缺点：由于输电线载波通道是直接通过高压输电线路传送高频载波电流的，因此高压输电线路上的干扰直接进入载波通道，高压输电线路的电晕、短路、开关操作等都会在不同程度上对载波通信造成干扰。（图解：拍摄于巴黎附近的法国RTE电力公司高压输电线路）应用：高频载波一般用来传递状态信号，用于构成方向比较式纵联和电流相位比较式纵联保护。输电线载波通信还被用于对系统运行状态监视的调度自动化信息的传递、电力系统内部的载波电话等。第13页，课件共57页，创作于2023年2月4.2.1电力线载波通信3电力线载波通道的工作方式优点—1、高频保护中的高频通道部分经常处于被监视的状态，可靠性较高；2、无需收、发信机启动元件，使装置稍为简化。缺点—1、因为发信机经常处于发信状态，增加了对其他通信设备的干扰时间；2、因为经常处于收信状态，外界对高频信号干扰的时间长，要求收信机自身有更高的抗干扰能力。这种方式能监视通道的工作情况，提高了通道工作的可靠性，并且抗干扰能力较强；但是它占用的频带宽，通道利用率低。第14页，课件共57页，创作于2023年2月4.2.1电力线载波通信4电力线载波信号的种类闭锁信号——阻止保护动作于跳闸的信号。只有同时满足以下两条件时保护才作用于跳闸：(1)本端保护元件动作；(2)无闭锁信号。（图4-8a：闭锁信号逻辑图）在闭锁式方向比较高频保护中：允许信号——允许保护动作于跳闸的信号。只有同时满足以下两条件时保护才作用于跳闸：(1)本端保护元件动作；(2)有允许信号。（图4-8b：允许信号逻辑图）在允许式方向比较高频保护中：跳闸信号——直接引起跳闸的信号。跳闸的条件——本端保护元件动作，或者对端传来跳闸信号。只要本端保护元件动作即作用于跳闸，与有无对端信号无关；只要收到跳闸信号即作用于跳闸，与本端保护元件动作与否无关。（图4-8c：跳闸信号逻辑图）第15页，课件共57页，创作于2023年2月4.2.3微波通信1微波纵联保护的构成下图为微波通信纵联保护的示意图：微波信号的调制可以采取频率调制（FM）方式和脉冲编码调制（PCM）方式，可以传送模拟信号，也可以传送数字信号。第16页，课件共57页，创作于2023年2月4.2.3微波通信2微波纵联保护的优点（1） 有一条独立于输电线路的通信通道，输电线路上产生的干扰如故障点电弧、开关操作、冲击过电压、电晕等，对通信系统没有影响。通道的检修不影响输电线路运行。（2） 扩展了通信频段，可以传递的信息容量增加、速率加快，可以实现纵联电流分相差动原理的保护。（3） 受外界干扰的影响小，工业、雷电等干扰频谱基本上不在微波频段内，通信误码率低，可靠性高。（4） 输电线路的任何故障都不会使通道工作破坏，因此可以传送内部故障时的允许信号和跳闸信号。第17页，课件共57页，创作于2023年2月4.2.4光纤通信光纤通信——以光纤作为信号传递媒介的通信。1光纤通道的构成（图4-10：单相点对点光纤系统的构成）电调制器的作用是把信息转换为适合信道传输的信号，多为数字信号。光调制器的作用是把电调制信号转换为适合光纤信道传输的光信号，如直接调制激光器的光强，如图4－11所示，或通过外调制器调制激光器的相位。光探测器的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号。电解调器的作用是把电信号放大，恢复出原信号。图4.11激光器的光强度调制第18页，课件共57页，创作于2023年2月4.2.4光纤通信光信号在光纤中的传播过程如图4－12所示，由玻璃或硅材料制成的光纤为细圆筒空芯状，假定光线对着光纤射入，进入光纤内的光线按照入射方向前进，当光线射到芯和皮的交界面时会发生反射，如此不断向前传播。为了让光线在芯和皮的界面上发生全反射，而不折射到光纤外面去，需要采用适当的材料和保持光纤为一定的形状。（图解：光纤棕榈树）第19页，课件共57页，创作于2023年2月4.2.4光纤通信2光纤通信的特点优点：（１）通信容量大。（２）可以节约大量金属材料，经济效益是很可观的。（３）光纤通信还有保密性好，敷设方便，不怕雷击，不受外界电磁干扰，抗腐蚀和不怕潮等优点。（４）光纤最重要的特性之一是无感应性能，因此利用光纤可以构成无电磁感应的、极为可靠的通道。缺点：通信距离还不够长，长距离通信时要用中继器及其附加设备；此外当光纤断裂时不易找寻或连接。（图解：光纤圣诞树）第20页，课件共57页，创作于2023年2月4.3方向比较式纵联保护第21页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.1工频故障分量的方向元件方向元件的作用是判断故障的方向，应满足以下要求：（1）正确反映所有类型故障时故障点的方向且无死区；（2）不受负荷的影响，正常负荷状态下不起动；（3）不受系统振荡影响，振荡无故障时不误动，振荡中再故障时仍能正确判定故障点的方向；（4）在两相运行中又发生短路时仍能正确判定故障点的方向。第22页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.1工频故障分量的方向元件1正序分量故障判据根据3.8节对工频故障分量的分析，对于双端电源的输电线路，按照规定的电压、电流正方向，在保护的正方向短路时，保护安装处电压、电流关系为：实际使用的正向故障判据为：实际使用的反向故障判据为：第23页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.1工频故障分量的方向元件2负序、零序分量故障判据对于负序、零序分量正方向故障时，有：反方向故障时，有：正向故障判据为：反向故障判据为：第24页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.2闭锁式方向纵联保护1闭锁式方向纵联保护的工作原理闭锁式方向纵联保护——此闭锁信号由功率方向为负的一侧发出，被两端的收信机接收，闭锁两端的保护，其工作原理如下图所示。这种保护的优点——利用非故障线路一端的闭锁信号，闭锁非故障线路不跳闸。而对于故障线路跳闸则不需要闭锁信号，这样在内部故障伴随有通道破坏（例如通道相接地或断线）时，两端保护仍能可靠跳闸。这是这种保护得到广泛应用的主要原因。（图4-13：闭锁式方向纵联保护作用原理）第25页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.2闭锁式方向纵联保护2闭锁式方向纵联保护的构成下图的保护动作逻辑图为线路一侧的装置原理框图，另一侧与此完全相同。第26页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.3闭锁式距离纵联保护的原理闭锁式距离纵联保护——把方向比较式纵联保护和距离保护结合起来构成闭锁式距离纵联保护，可使内部故障时能够瞬时动作，外部故障时则具有不同的时限特性，起到后备保护的作用，从而兼有两种保护的优点，并且能简化整个保护的接线。（图4-15：闭锁式距离纵联保护所用的阻抗元件的动作范围和时限）第27页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.3闭锁式距离纵联保护的原理闭锁式距离纵联保护实际上是由两端完整的三段式距离保护附加高频通信部分组成，其一端保护的工作原理框图如图4-16所示。在被保护线路内、外部短路时的工作过程请按照上述的原理结合图4－16自行分析。（图4-16：闭锁式距离纵联保护的原理接线图）第28页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.3闭锁式距离纵联保护的原理闭锁式距离纵联保护的主要缺点——当后备保护检修时，主保护也被迫停运，运行检修灵活性不够。闭锁式零序方向纵联保护的实现原理与上相同，只需用三段式零序方向保护代替三段式距离保护元件并与收、发信机部分相配合即可。第29页，课件共57页，创作于2023年2月人工短路试验第30页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.4影响方向比较式纵联保护工作的因素及克服措施1非全相运行对方向纵联保护的影响及应对措施非全相运行状态——在我国的超高压输电系统中，为了提高电力系统的稳定性，经常采用单相故障跳开故障单相的方式（详见第五章单相重合闸内容），保留非故障的两相继续运行的运行状态。下面示出线路一相仅在M侧断开时的负序电压分布图和相量图，其中下标M代表母线侧，下标L代表线路侧，负序电压源接在M、L间的端口间（纵向不对称故障）。第31页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.4影响方向比较式纵联保护工作的因素及克服措施结论——使用线路侧电压，受电侧功率方向为正，送电侧负序功率方向为负，发出闭锁信号，保护不误动；若使用母线电压，两侧负序功率方向同为正，保护误动。零序功率方向在非全相运行期间与负序功率方向的特点一致。图4-17：系统一相仅在一侧断开的情况（ａ）系统图；（ｂ）负序分量网络图；（ｃ）负序电压分布图；（ｄ）相量图第32页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.4影响方向比较式纵联保护工作的因素及克服措施工频故障分量（突变量）方向元件能适应线路非全相运行：负荷状态——将非全相运行视为非故障状态，在两相运行的负荷状态不会动作。两相运行的线路上若再次发生故障——其故障附加网络是两相运行时的等值网络在故障点叠加一个故障电源，判别区内、外短路的式(4-2)、式（4-3）仍然成立，突变量方向元件无论使用母线电压还是线路电压，仍能正确动作。克服非全相运行期间方向纵联保护误动的措施：

使用线路侧电压，这也是超高压线路电压互感器装于线路侧的主要原因；在两相运行期间退出负序、零序方向元件，仅保留使用工频突变量的方向元件。（图为施工人员在组装铁塔）第33页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.4影响方向比较式纵联保护工作的因素及克服措施2功率倒向对方向纵联保护的影响及克服措施右图系统中假设故障发生在线路L1近M侧的d点，断路器3QF先于断路器4QF跳闸：第34页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.4影响方向比较式纵联保护工作的因素及克服措施3分布电容对纵联方向保护的影响及克服措施当电压互感器接于线路上时，保护安装处的负序电压为：流入方向元件的负序电流为：由相量图可见:而当电压互感器接于母线上时，负序方向纵联保护不会误动：图4-19(a)、(b)分别表示在空载线路上，断路器三相触头不同期合闸时的系统负序等值阻抗图及保护安装处负序相量图：第35页，课件共57页，创作于2023年2月4.3.4影响方向比较式纵联保护工作的因素及克服措施克服措施：对负序方向元件采取按躲过空载线路两相先闭合时出现的稳态负序电容电流（较一相先闭合电流大）进行整定；在空载合闸的过渡过程中，负序充电电容电流的数值会很大，一般很难由整定值躲开，可增大保护起动时间躲过空载合闸的过渡过程；用方向阻抗特性代替负序方向特性。（运行中的SF6断路器图）第36页，课件共57页，创作于2023年2月4.4纵联电流差动保护第37页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.1纵联电流差动保护1纵联电流差动保护的工作原理以下图所示线路为例简要说明电流纵联差动保护的基本原理。图中KD为差动电流测量元件(差动继电器)。电流差动保护——利用被保护元件两侧电流和在内部短路与外部短路时一个短路点电流很大、一个几乎为零的差异构成的保护。电流相位差动保护——利用两侧在内部短路时几乎同相、外部短路几乎反相的特点，比较两侧电流的相位构成的保护。第38页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.1纵联电流差动保护不平衡电流——由于两个电流互感器总是具有励磁电流，且励磁特性不完全相同，所以在正常运行及外部故障时，流过差动继电器的电流不等于零，此电流称为不平衡电流。第39页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.1纵联电流差动保护第40页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.1纵联电流差动保护2输电线路纵联电流差动保护特性分析(1)不带制动特性的差动继电器特性其动作方程是：Ir-流入差动继电器的电流；Iset—差动继电器的动作电流整定值；Iset值通常按以下两个条件来选取：1）躲过外部短路时的最大不平衡电流，即Iset＝KrelKnpKerKstIkmax（4.23）式中,Krel—可靠系数，取1.2~1.3；Knp—非周期分量系数，当差动回路采用速饱和变流器时，

Knp为1；当差动回路是用串联电阻降低不平衡电流时，为1.5~2；Ker—电流互感器的10%误差系数；Kst—同型系数，在两侧电流互感器同型号时取0.5，不同型号时取1；Ikmax—外部短路时流过电流互感器的最大短路电流（二次值）。2）躲过最大负荷电流，即Iset＝KrelILmax（4.24）式中Krel—可靠系数，取1.2~1.3；ILmax—线路正常运行时的最大负荷电流的二次值。

取以上两个整定值中较大的一个作为差动继电器的整定值。保护应满足线路在单侧电源运行发生内部短路时有足够的灵敏度：Ikmin单侧最小电源作用且被保护线路末端短路时，流过保护的最小短路电流。（SEL-311L线路电流差动系统图）第41页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.1纵联电流差动保护（2）带有制动线圈的差动继电器特性其电磁型继电器（虚框内）的结构原理和动作特性如下图所示：继电器的动作方程为：第42页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.2两侧电流的同步测量两侧的“同步数据”——指两侧的采样时刻必须严格同时刻和使用两侧相同时刻的采样点进行计算。常见的同步方法有基于数据通道的同步方法和基于全球定位系统（GlobalPositioningSystem）GPS同步时钟的同步方法。1基于数据通道的同步方法第43页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.2两侧电流的同步测量如下图所示，线路两侧保护中任意规定一侧为主站,另一侧为从站。两侧固有采样频率相同，采样间隔为Ts，由晶振控制。tm1、tm2、…、tmj为主站时标采样时刻点；ts1、ts2、…、tsi为从站时标采样时刻点。（图4-22：采样时刻调整法原理示意图）在通道延时的测定过程中，主、从站都将各自的时标送给了对端（也可以专门单独发送），从站可以根据主站时标修改自己的时标与主站相同，以主站时标为两侧的时标，这种方式应用较多。也可以两侧都保存两侧的时标，记忆两侧时标的对应关系。第44页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.2两侧电流的同步测量2基于具有统一时钟的同步方法全球定位系统(GlobalPositioningSystem-GPS)是美国于1993年全面建成的新一代卫星导航和定位系统.它由24颗卫星组成,具有全球覆盖、全天候工作、24h连续实时地为地面上无限个用户提供高精度位置和时间信息的能力。GPS传递的时间能在全球范围内与国际标准时钟(UTC)保持高精度同步，是迄今为止最为理想的全球共享无线电时钟信号源。第45页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.2两侧电流的同步测量专用定时型GPS接收机由接收天线和接收模块组成，接收机在任意时刻能同时接收其视野范围里4~8颗卫星的信息，通过对接收到的信息进行解码、运算和处理，能从中提取并输出两种时间信号：一、秒脉冲信号1PPS(1pulsepersecond)，该脉冲信号上升沿与标准时钟UTC的同步误差不超过1μs；二、经串行口输出与1PPS对应的标准时间(年、月、日、时、分、秒)代码。基于GPS时钟的输电线路纵联差动保护同步方案如图4-23所示：（世界上第一台GPS接收机）（图4-23：基于GPS的同步采样方案）第46页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.3纵联电流相位差动保护1纵联电流相位差动保护的工作原理纵联电流相位差动保护原理--仅利用输电线路两端电流相位在区外短路时相差180°、区内短路时相差为0°，也可以区分区内、外短路。（图4－24：闭锁式纵联电流相位差动保护的原理框图）收信比较时间t3元件：请转至下一页第47页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.3纵联电流相位差动保护收信比较时间t3元件(收信机既可收到本侧高频电流又可收到对侧高频电流):时间t3元件对收到的高频电流进行整流并延时t3后有输出，并展宽t4时间：（图4-20c：内部短路两侧电流及高频信号）（图4-20b：外部短路两侧电流及高频信号）第48页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.3纵联电流相位差动保护2纵联电流相位差动保护的动作特性与相继动作（1）纵联电流相位差动保护的闭锁角及其整定——为了保证在任何外部短路条件下保护都不误动，需要分析外部短路时两侧收到的高频电流之间不连续的最大时间间隔即对应工频的相角差，以整定t3延时。所以，线路越长闭锁角越大。（图4-25c：动作特性图）第49页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.3纵联电流相位差动保护（2）校验内部短路最不利动作时保护动作的灵敏度（以图4－25a所示系统为例）M侧收到的高频信号不连续的间隔最大可达：N侧收到的高频信号不连续的间隔为：所以N侧保护可以动作，M侧保护则不一定动作。为解决M侧不能跳闸问题，当N侧跳闸后，停止发高频信号，M侧只能收到自己发的高频信号，间隔180°，满足跳闸条件随之也跳闸。相继动作—一端保护随另一端保护动作而动作的情况称为保护的“相继动作”，保护相继动作的一端故障切除的时间变慢。（图4-25a：系统示意图）（图4-25b：内部短路相量图）第50页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.3纵联电流相位差动保护3负序滤过器按照负序分量的定义，负序电压与三相电压的关系为：负序滤过器——从三相不对称电压、电流中取出负序分量的回路。(1)负序电压滤过器一般通过阻容元件构成，如图4-26（a）所示：使用三相线电压为输入，滤掉零序分量；为使当只有正序输入时，让输出为零，当只有负序输入时，输出最大，选择电阻、电容参数为：（图4-26a：负序电压滤过器接线图）第51页，课件共57页，创作于2023年2月4.4.3纵联电流相位差动保护R1、X1回路中电流超前电压30°，R2、X2回路中电流超前电压60°，则可得到当输入电压中只有正序分量时M、N端子输出的负序电压为零；当输入电压中只有负序分量时M、N端子输出的负