第4章 输电线路纵联保护

发布于:2021-06-19 03:25:50

第4章 输电线路纵联保护

4.1 输电线路纵联保护概述 4.1.1 引言 电流保护、距离保护:
仅利用被保护元件一侧的电气量构成保护判据。
不可能快速区分本线末端和对侧母线(或相邻线 首端)故障。
导致II段延时切除,在高压系统中难以满足稳定 性对快速切除故障的要求。

4.1 输电线路纵联保护概述 4.1.1 引言 纵联保护:利用某种通信通道同时比较被保护元 件系1 两)纵在侧联正电保常气护运量的行(一与即般故在构线障成路时框两差图侧异之的间保发护生。纵向的联
TA

TV
保护装置
通信设备

保护装置 信道 通信设备

2 分类 : 按照所利用信息通道的不同,纵联保护分为:
1) 导引线纵联保护 (简称导引线保护)
2) 电力线载波纵联保护 (简称载波保护 )
3) 微波纵联保护 (简称微波保护)
4) 光纤纵联保护
(简称光纤保护)

按照保护动作原理,纵联保护分为: 1) 方向比较式纵联保护
通道中传送的是逻辑信号,而不是电气量 本身。依据所利用电气量的不同又可分为方 向纵联保护与距离纵联保护。
2) 纵联电流差动保护
通道中传送的是电流波形或代表电流相位的 信号。分为纵联电流差动保护和纵联电流相位 差动保护 。

4.1.2 输电线路短路时两侧电气量的故障特征

1.两端电流相量和的故障特征

1)区内短路时:

M IM

k1

IN N

2)区外短路时: Ik1
M IM

IN

N k2

规定:电流的正方向为由母线流向线路
两侧电流相量和: 区内短路:IM ? IN ? Ik1 区外短路:IM ? IN ? 0

4.1.2 输电线路短路时两侧电气量的故障特征

2 两端功率方向的故障特征

1)区内短路时:

M IM

k1

IN N

SM

SN

规定:功率正方向为母线流向线路

此时线路两侧功率方向相同,均与正方向一致

2)区外短路时: M IM

IN N k2

SM

SN

此时线路两侧功率方向相反

3)正常运行时: 线路两侧功率方向相反

4.1.2 输电线路短路时两侧电气量的故障特征

3.两端电流相位特征

M IM

k1

IN N

M IM

IN N k2

假定全系统阻抗角相同,两侧电势相位一致 区内短路时,两侧电流同相位。 区外短路和正常运行时,两侧电流相位差180°。

4.1.2 输电线路短路时两侧电气量的故障特征
4.两端测量阻抗的特征 区内短路时:短路阻抗,两侧距离Ⅱ段同时启动
外部短路时:短路阻抗,但一侧为反方向,该侧 的距离Ⅱ段不启动
正常运行时:负荷阻抗,距离Ⅱ段不启动

4.1.3 纵联保护的基本原理 1.纵联电流差动保护
故障判别量: 两侧电流相量和 内部故障特征:其值很大,为短路点电流
动作条件: IM ? IN ? Iset
2.方向比较式纵联保护 故障判别量: 线路两侧功率方向的异同 内部故障特征:线路两侧功率方向相同 动作条件: 当线路两侧功率方向相同时,保护
动作;否则不动作

4.1.3 纵联保护的基本原理 3.电流相位比较式纵联保护 故障判别量:两侧电流相位差
内部故障特征:相位差为 0
动作条件:内部短路时两侧电流不能完全同相位, 保护的动作区一般如下图所示:
? ? 180

4.1.3 纵联保护的基本原理 4.距离纵联保护
构成原理和方向比较式纵联保护相似,只是用 阻抗元件替代功率方向元件。
优点:减少了方向元件的启动次数,提高了保护 的可靠性
缺点:后备保护检修时主保护被迫停运

4.2 输电线路纵联保护两侧信息的传送 4.2.1 导引线通信 (1)环流式 正常运行或外部故障时

动作 线圈
制动线圈
导引线开路:误动

导引线

动作

线圈

制动线圈
导引线短路:拒动

4.2.1 导引线通信
(2)均压式(电压*衡原理)
正常运行或外部故障时

导引线开路:拒动

导引线短路:误动

4.2.1 导引线通信
优点: 不受系统振荡、非全相运行的影响。 简单可靠,维修工作量极少。
不足:保护装置的性能受导引线参数和长度影响。

4.2.2 电力线载波通信 1.电力线载波通信的构成 “相一地”式载波通道比较经济

阻波器 接地开关

连接滤波器

耦合电容器

高频收、发信机

电缆

继电 部分

发收 发收 信信 信信

继电 部分

4.2.2 电力线载波通信 (1) 输电线路 (2) 阻波器 作用:“阻高频,通工频”
载波信号频率

4.2.2 电力线载波通信 阻波器

4.2.2 电力线载波通信
(3) 耦合电容器
作用:“通高频,阻工频”
(4) 连接滤波器
起到阻抗匹配的作用,从而减少高 频能量的附加衰耗。还起到隔离的 作用。
(5) 高频收、发信机
两种方式:①故障后发信 ②正常时发信,故障时停信或改变频率
(6) 接地开关
检修连接滤波器时接通开关

4.2.2 电力线载波通信 耦合电容器

连接滤波器

耦合电容器 连接滤波器

4.2.2 电力线载波通信
2.电力线载波通道的特点 (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 可以和输变电工程同期建成
3.电力线载波通道的工作方式
(1) 正常无高频电流方式 (故障启动发信的方式),我国主要采用这种方式
(2)正常有高频电流方式(长期发信方式) (3) 移频方式

4.2.2 电力线载波通信

4.电力线载波信号的种类

(1)闭锁信号

(3)跳闸信号

(来自对端)
(2)允许信号

(来自对端)

(来自对端)

4.2.3 微波通信 1 构成 2 微波通信纵联保护的优点 (与电力线高频载波保护相比)
(1) 独立的信道,输电线路的干扰不影响通信 系统;通道的检修不影响线路运行。
(2) 传递的信息容量增加、速率加快。 (3) 受外界干扰的影响小,可靠性高。 (4) 输电线路的任何故障都不会使通道工作破坏。
缺点:微波通道价格较贵(视线距离内传送, 需微波中继站)。

4.2.4 光纤通信 1.光纤通信的构成

4.2.4 光纤通信

4.2.4 光纤通信
2.光纤通信的特点 (1)通信容量大 (2)节约大量金属材料
(3)保密性好,敷设方便,不怕雷击,无感应性能,不 受外界电磁干扰,抗腐蚀和不怕潮。
不足:长距离通信时,要用中继器及其附加设备;当 光纤断裂时不易找寻或连接。

4.3 方向比较式纵联保护 4.3.1 工频故障分量的方向元件
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

闭锁信号

A1

2 B3

闭锁信号

k1 4 C 5

D 6

Ik?1

Ik??1

要点:功率方向为负的保护向本线路另一侧的保 护发闭锁信号。

功率方向为正且未收到闭锁信号的保护跳闸。

2.闭锁式方向纵联保护的构成

功率

A1

2 B 3 k1 4 C 5

6D

方向 为正

且未

功率 正方 向元 件

对端闭锁信号传输需要一定 时间到达本端,防止本端因

收到 闭锁

收不到闭锁信号导致误动。 信号

11

的保

11

护跳 闸。

1

BC段短路

保护3、4的

KA1启动发信,

高电流

但KW+输出1,

定值电 流启动 停信元 件

低电流定值电流启动 发信元件

KA2输出也为 1,Y1输出1, t2后跳闸并停 止发信

2.闭锁式方向纵联保护的构成

A1

2 B 3 k1 4 C 5

功率 正方 向元 件

00 10
1

高电流 定值电 流启动 停信元 件

低电流定值电流启动 发信元件

6D

功率 方向 为正 且未 收到 闭锁 信号 的保 护跳 闸。

BC段短路 保护2的KA1 启动发信,但 KW+输出0, Y1输出0,发 信机不停信, 且不跳闸

2.闭锁式方向纵联保护的构成

A1

2 B 3 k1 4 C 5

功率 正方 向元 件

11 11
1

高电流 定值电 流启动 停信元 件

低电流定值电流启动 发信元件

功率

6D

方向 为正

且未

收到

闭锁

信号

的保

护跳 闸。
BC段短路

保护1的KA1、

KA2、KW+均

启动,Y1输出1,

停止发信,是

否跳闸取决于

是否收到2的闭

锁信号(t2时间 内)。

4.3.3 闭锁式距离纵联保护
距离 距离 距离 I段 II段 III段
方向比较式纵联保护不能作为变电站母线和下级相邻 线路的后备。因此可将其和距离保护结合。

4.3.4 影响方向纵联保护正确工作的因素及 应对措施
1 非全相运行对负序方向纵联保护的影响及应对 措施

I2M

U2L ? I2M (Z2L ? Z2N ) U2M ? ?I2M Z2M

U2L

负序方向元件的动作条件:

I2M 90 ? arg U2r ? 270 I 2r

?I2M

U2M 防止其误动的措施:采用线路侧电压

4.3.4 影响方向纵联保护正确工作的因素及应 对措施
2 功率倒向对方向比较式纵联保护的影响及应对措施

1

2

最不利情况:QF3先于QF4跳闸。 QF3跳闸前: 线路L2:M侧功率负,N侧功率正。1向2发闭锁信号,QF1和 QF2不跳闸

4.3.4 影响方向纵联保护正确工作的因素及应 对措施
2 功率倒向对方向比较式纵联保护的影响及应对措施

1

2

QF3跳闸后: 线路L2:M侧功率正,N侧功率负,功率倒向。2向1发闭锁信号, 但信号有延时,在M侧未收到闭锁信号前可能误动作跳开QF1。

4.3.4 影响方向纵联保护正确工作的因素及应 对措施
2 功率倒向对方向比较式纵联保护的影响及应对措施

1

2

应对措施:发信元件动作后延时t1返回。 即保护1功率反向后不是立即停止发信,而是t1后停止发 信,保护1、2均收到此信号,从而不会误动作。

3 分布电容对负序方向纵联保护的影响及应对措施
影响:当TV接于线路上时,由于电容电流的 影响会使负序方向纵联保护误动
措施: 增大定值或增加延时;在保护装置中加 进消除分布电容影响的补偿措施

4.4 纵联电流差动保护
4.4.1 纵联电流差动保护原理

1 工作原理

MIM

k1

IN N k2

IM

Im

电流差动保护
正常或外部短路 I?M ? I?N ? 0 内部短路 I?M ? I?N ? I?k

KD In IN
Ir 电流相位差动保护
正常或外部反相 内部短路同相

电流互感器二次侧电流

? ? I?m

?

1 nTA

I?M ? I??M

? ? I?n

?

1 nTA

I?N ? I??N

正常运行及外部故障时,差动继电器KD中的电流为不* 衡电流

Iunb

?

Im

?

In ?

?1 nTA

(I?M

?

I?N )

差动保护判据 Ir ? I?m ? I?n ? Iunb

工程上 Iunb ? 0.1Kst Knp Ik

电流互感 器同型系数

非周期分 量系数

2 纵联电流差动保护的整定计算

采用不带制动特性的差动继电器时
动作方程: Ir ? I?m ? I?n ? Iset

1)躲过外部短 路时最大不
*衡电流

Iset ? Krel Iunb.max ? Krel Ker Kst Knp Ik.max

2)躲过最大负荷电流

Iset ? Krel IL.max

取1、2中大者

灵敏度:

K sen

?

I k . m in I set

?2

带有制动特性的差动继电器
采用不带制动特性的差动继电器,区内故障时灵 敏度低。
可以采用浮动门坎(制动特性)。 制动电流的选取:
1) Ires ? 0.5 Im ? In

2) Ires ? 0.5( Im ? In )

3)Ires

?

?? ?

Im In cos(180 ??mn )

??0

cos(180 ??mn ) ? 0 cos(180 ??mn ) ? 0

带有制动特性的差动继电器

动作方程: Ir ? Kres Ires ? Iop0

Kres:制动系数

Iop

:门限
0

动作特性:

灵敏度高

Iunb.max 不带制动特性时
灵敏度低

4.4.2 两侧电流的同步测量
数据同步的含义 (1) 两侧的采样时刻同步。 (2) 使用两侧相同时刻的采样数据计算差动 电流。
难题:如何保证两个异地时钟时间的统一和 采样时刻的同步。
常用方法: (1) 基于数据通道的同步方法 (2) 基于GPS同步时钟的同步方法。

4.4.2 两侧电流的同步测量
1 基于数据通道的同步方法——采样时刻调整法
(1)通道延时的测定(正式采样同步前)

从站采样时刻点 tm1:主站发送信息

td

?

tr 2

? tm1 2

? tm

主站采样时刻点
(2) 主站时标与从站时标的核对 tr2:主站收到返回信息
延时测得后,从站根据主站时标修改自己的时标。

(3)采样时刻的调整:
?t ? tsi ? (tr3 ? td ) ? tsi ? tmj
?t ? 0主站采样超前从站;?t ? 0主站采样滞后从站

为使两侧采样保持同步,常采用的稳定调整方式:

ts ( i ?1)

?

(tsi

? Ts )

?

?t 2n

2 基于具有统一时钟的同步方法

4.4.3 纵联电流相位差动保护
1 工作原理
利用被保护元件两侧电流在区内短路时几乎同相、 区外短路时几乎反相的差异,构成电流相位差动保护。
分析时,假定全系统阻抗角相同,两侧电势相位一致。
规定电流正方向为母线指向线路。

M IM
M侧 N侧

区外故障

IN N k1
M侧 N侧

M IM区外k故2 障 IN N

M侧

正半周启动发信

M侧

正半周启动发信

N侧

N侧

输电线上高频信号连续

输电线上高频信号不连续

4.4.3 纵联电流相位差动保护
单频制闭锁式电流相位差动保护原理框图

反 应 对 称 故 障

反 应 不 对 称 故 障

正半波时,发 出连续高频电 流,负半波时 不发高频电流。

2 纵联电流相位差动保护的动作特性与相继动作 (1)动作特性 闭锁角及其整定

传感器二次电流 最大误差

?TA

?

7

收发信操作产生 的误差

? BH

? 15

传输线路的 工频角延迟

?L ? 0.06 L L单位取km

?? ? 7 ?15 ? 0.06 L

区外短路时,两侧收到的高频电流之间相
差 180 ??? 时,保护不应动作。

选择保护的闭锁角为:

?b ? 7 ?15 ? 0.06 L ? ?y ?y ? 15

2 纵联电流相位差动保护的动作特性与相继动作
?b ? 7 ?15 ? 0.06 L ? ?y
Ir
IOP

2 纵联电流相位差动保护的动作特性与相继动作 动作特性图

(2)相M继动IM作

k1 IN N

k点短路时,M侧收到的两侧高频信号的相位差:
100 ? 22 ? 0.06 L ? 122 ? 0.06 L
当输电线路较长时,M侧保护可能不动作

IM

EN

此时,N侧收到的两侧高频信号
的相位差: 122 ? 0.06 L

EM

60 70

90

N侧保护能动作 IN
最终线路会出现相
继动作的现象

3 负序滤过器 (1) 负序电压滤过器

?? ?

X1

?

1 3 R1

?? X 2 ? 3R2

Umn ? U R1 ? U X2

当输入量 为正序分 量时:

U X1

U R1

30

I ab1

U ab1
Ibc1
60

U ca1

UX2

U bc1 U R2

?? ?

X

1

?

1 3

R1

?? X 2 ? 3R2

Umn1 ? U R1 ? U X2
?0

?? ?

X

1

?

1 3 R1

?? X 2 ? 3R2

当输入量为负序分量时:

U mn2 ? U R1 ? U X2

U mn2

U X1
U R1
30

U ab2

?

3 2

U

ab 2

e

j

30

?

3 2

U

bc

2e?

j

30

U X 2 Iab2

U R2

60

U bc2 Ibc2

U ca 2

?

3 2

U

ab

2

(e

j

30

? e j90 )

?

3 2

U

ab

2e

j

60

?3 2

3Ua2e j30

(2) 负序电流滤过器

U mn

?

1 nUA

(Ia

?

I0)R ?

jKUR (Ib

? Ic)

jKUR (Ib ? Ic )
U mn

1 nUA

(Ia

?

I0 )R

当输入量为正 序分量时:

U mn

?

1 nUA

(Ia

? I0)R

?

jKUR (Ib

?

Ic )

U mn1

?

1 nUA

Ia1R ?

jKUR (Ib1

?

I c1 )

?

I

a1

(

1 nUA

R?

3KUR )

I a1

令R ? nUA

3KUR

jKUR (Ib1 ? Ic1)

Ia1R nUA

Ib1 ? Ic1

则Umn1 ? 0

I c1

I b1

U mn

?

1 nUA

(Ia

?

I0 )R

?

jKUR (Ib

?

Ic )

当输入量为零序分量时:

Ia0 ? Ib0 ? Ic0 ? I0

U mn0

?

1 nUA

(Ia0

?

I0 )R

?

jKUR (Ib0

?

Ic0 )

Umn0 ? 0

U mn

?

1 nUA

(Ia

?

I0 )R

?

jKUR (Ib

?

Ic )

当输入量为负序分量时:

U mn2

?

1 nUA

Ia2R ?

jKUR (Ib2

?

Ic2 )

?

I

a

2

(

R nUA

?

3KUR )

Ia2

Ib2 ? Ic2

Ia2R nUA

Ib2 jKUR (Ib2 ? Ic2 ) Ic2

1 Umn1 ? Ia1( nUA R ?

若使 R ? nUA

3KUR

3KUR )

U mn2

?

R Ia2 ( nUA

?

U mn

?

I

a1

(

R nUA

?

3KUR )

?

I

a

2

(

R nUA

?

3KUR )

? Ia1K1 ? Ia2K2 ? K1(Ia1 ? KIa2 )

3KUR )

R? K ? K2 ? nUA
K1 R ? nUA

3KUR 3KUR

4.4.4 影响纵联电流差动保护正确动作的因素 1 电流互感器的误差和不*衡电流 2 输电线路的分布电容电流及其补偿措施 3 负荷电流对纵联电流差动保护的影响


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