現(xiàn)代高壓線路保護原理與技術

現(xiàn)代高壓線路保護原理與技術第一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三距離保護慨述測量阻抗距離保護的實現(xiàn)（直接法）距離保護的實現(xiàn)（間接法）工頻故障分量距離保護距離保護的振蕩閉鎖TV斷線檢測方法第二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三ξ1慨述ξ1.1對距離保護提出的要求測量阻抗要正比于母線至短路點的距離；正方向區(qū)外短路不應該超越，包括穩(wěn)態(tài)超越和暫態(tài)超越；方向明確，正向出口短路無死區(qū)，反向不動作；區(qū)內(nèi)經(jīng)過渡電阻短路應動作；重負荷下不誤動作；不受系統(tǒng)振蕩的影響。第三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三ξ1.2距離保護的超越

1)區(qū)外故障超越KZZZD

G~

G~QFQFMN由于對側(cè)電源的助增，如果IF落后與Im，ZR呈容性導致ZL<ZZDL,產(chǎn)生超越。第四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三2)反向近區(qū)故障超越KZ

G~

G~QFQFMN由于本側(cè)電源的助增，如果IF落后與Im，ZR呈容性導致ZL為正略大于零,產(chǎn)生超越。第五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三

ξ1.3過渡電阻對保護選擇性的影響

G~

G~B測量阻抗值落入圖中的陰影曲，ZAI不動作，ZAII動作。解決的辦法：采用圓2的動作區(qū)域，或采用四邊形動作區(qū)域。AZBIIZAI2第六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三定義：測量阻抗定義為保護安裝處測量電壓與測量電流之比：ξ2測量阻抗

第七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三ξ2.1測量阻抗與故障距離之間的關系在電力系統(tǒng)正常運行時，近似為額定電壓，為負荷電流，為負荷阻抗。負荷阻抗的量值較大，其阻抗角為數(shù)值較小的功率因數(shù)角（一般功率因數(shù)為不低于0.9，對應的阻抗角不大于25.80），阻抗性質(zhì)以阻性為主，如下圖中的所示。第八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三電力系統(tǒng)發(fā)生金屬性短路時，降低，增大，變?yōu)槎搪伏c與保護安裝處之間短路阻抗，對于具有均勻分布參數(shù)的輸電線路來說，與短路距離成線性正比關系，即：第九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三短路阻抗的阻抗角就等于輸電線路的阻抗角，數(shù)值較大(對于220kV及以上電壓等級的線路，阻抗角一般不低于750)，阻抗性質(zhì)以感性為主。當短路點分別位于圖1中的k1、k2和k3點時，對應的短路阻抗分別如圖2中的、和所示。第十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三圖2負荷阻抗與短路阻抗RjXZLZk2Zk1ZsetZk3KZk1Lsetk2Lk1Lk2

G~k3Lk3

G~QFQFMN第十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三上面的討論是以單相系統(tǒng)為基礎的。在這種單相系統(tǒng)中，測量電壓就是保護安裝處的電壓，測量電流就是線路中的電流，系統(tǒng)金屬性短路時兩者之間的關系為：

（5）第十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三ξ2.2三相系統(tǒng)中測量阻抗的計算在實際三相系統(tǒng)的情況下，由于存在多種不同的短路類型，而在各種不對稱短路時，各相的電壓電流都不再簡單地滿足式（5），所以無法直接用各相的電壓、電流構(gòu)成距離保護的測量電壓和電流。第十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三現(xiàn)以下圖所示網(wǎng)絡中k點發(fā)生短路故障時的情況為例，對此問題進行分析討論。按照對稱分量法，可以求出M母線上各相的電壓：Lk(Z1,Z2,

Z0)Lk

G~MKZ

G~Nk第十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三（6a）（6b）（6c）第十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三（6）式的成立與故障類型無關，即對任何類型的故障都成立；對于不同類型和相別的故障，故障點的邊界條件是不同的，即（6）式中、和的取值是不同的。第十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三1）單相接地故障（7）（8）得到：以A相單相接地短路故障為例進行分析。在A相金屬性接地短路的情況下，，式a變?yōu)椋旱谑唔摚财呤?，編輯?023年，星期三式(8)與式(5)具有相同的形式，因而由、算出的測量阻抗能夠正確反應故障的距離，從而可以實現(xiàn)對故障區(qū)段的比較和判斷。第十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三由于A相接地時、均不等于零，式(6b)和(6c)無法變成式(5)的形式，即若、或、，則、或、之間都不滿足式(5)，所以兩非故障相的測量電壓、電流不能準確地反應故障的距離。第十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三在另一方面，由于、均接近正常電壓，而、均接近正常負荷電流，B、C兩相的工作狀態(tài)與正常負荷狀態(tài)相差不大，所以在A相故障時，由B、C兩相電壓電流算出的測量阻抗都會比較大，算出的距離一般都大于整定距離，由它們構(gòu)成的距離保護一般都不會動作，但在某些特殊的情況下（比如保護安裝處零序電流很大時），也有可能動作。第二十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三同理可以分析B相和C相單相接地故障時的情況，分析表明，只有故障相電壓與帶零序電流補償?shù)墓收舷嚯娏髦g滿足（5）式，能夠正確測量故障距離，非故障相測出的阻抗接近負荷阻抗，一般不會動作。第二十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三2）相間故障以B、C相間經(jīng)電弧電阻Rarc和接地電阻Rg短路接地為例第二十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三忽略Rarc上的壓降，則

UBCm=IBC*Z1L

Z=UΦΦ/IΦΦ(ΦΦ=AB、BC、CA)第二十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三ξ3距離保護的實現(xiàn)（直接法）距離保護的核心，就是對故障距離進行測量，并與整定的距離相比較，以判斷是否有故障，在有故障的情況下，判斷出故障的范圍。在應用測量阻抗法判斷故障距離時，又有兩種有兩種不同的方式，即直接計算方式和間接判斷方式。直接計算方式是利用采集到的故障環(huán)上的電壓和電流，代入測量阻抗的計算式，直接計算出測量阻抗，然后將其與整定阻抗相比較，判斷是否有區(qū)內(nèi)故障；間接判斷方式不需要確切地算出測量阻抗，只是通過對測量電壓和測量電流的計算分析，間接地判斷測量阻抗是否在保護的范圍之內(nèi)。第二十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三在理想情況下，在金屬性短路的時候，測量阻抗是與整定阻抗同方向的，在這種情況下，算出測量阻抗后直接與整定阻抗比較大小，就能夠判斷出故障的范圍。實際情況下，由于各種誤差因素的存在，以及過渡電阻的影響，測量阻抗可能與整定阻抗之間有一定的角度，這時用直接比較大小的方法就不行了。為了保證區(qū)內(nèi)故障的情況下保護可靠動作，區(qū)外故障時可靠不動作，一般將阻抗繼電器的動作范圍設定為一個包括整定阻抗對應的線段在內(nèi)，但在整定阻抗方向上不超出整定阻抗的一個區(qū)域，最常用的區(qū)域有圓形區(qū)域和四邊形區(qū)域。ξ3.1測量阻抗與整定阻抗的比較第二十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三ξ3.2圓特性距離繼電器包括：方向特性圓、全阻抗圓、偏移特性圓和上拋特性圓等幾種，如下圖。|Zset/2|Zset/2ZsetRjXo圖3-7方向阻抗特性圓(歐姆繼電器）Zm圖3-5偏移阻抗特性圓Zset2Zset1RjXoZmZsetRjXo圖3-8全阻抗特性圓圖3-9上拋阻抗特性圓（Zset1＋Zset2）/2Zset2Zset1RjXoZm|Zset1－Zset2|/2第二十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三每一種特性都有兩種不同的實現(xiàn)辦法，即絕對值比較法和相位比較法，以方向圓特性為例，絕對值比較方程和相位比較方程分別為：|Zset/2|Zset/2ZsetRjXoZmZset/2ZsetRjXoZm第二十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三測量阻抗已經(jīng)用前述的算法算出，整定阻抗為事先設定好的常量，將兩者直接代入到絕對值比較或相位比較的方程中，判斷方程是否滿足，就可以知道測量阻抗是否落入到動作區(qū)域之內(nèi)。在園特性的數(shù)字式保護中，一般采用相位比較的方法進行判斷。令：則上述的相位比較方程變?yōu)榈诙隧摚财呤?，編輯?023年，星期三上述的方程又可以表示為即：應用兩角差的余弦公式，將其展開第二十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三上式兩端同乘以，可以得到即滿足該式，就說明測量阻抗落在動作區(qū)內(nèi)，否則落在動作區(qū)外。該式是由余弦形式導出的，稱為余弦比相。第三十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三下面以四方保護采用的四邊形特性為例討論在四邊形特性的情況下如何實現(xiàn)測量阻抗與整定阻抗的比較。XsetoRsetRjXα1Zmα2α3α4ξ3.3四邊形距離繼電器第三十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三設測量阻抗的實部為，虛部為，則上圖在第IV象限部分的特性可以表示為：第IV象限部分的特性可以表示為：

第三十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三而在第I象限部分的特性可以表示為：上述三式綜合，得到：

第三十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三式中：

第三十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三若取：則

第三十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三則上述比較式變?yōu)椋涸撌娇梢苑奖愕卦谖⑻幚頇C中實現(xiàn)。第三十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三ξ4距離保護的實現(xiàn)(間接法)以南瑞公司正序極化原理，說明間接判斷法：定義工作電壓（補償電壓）如下：不同地點短路時，工作電壓的相位關系如下圖所示。第三十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三k1z

k2KZN

G~

G~k3M（a）（b）（c）（d）a）網(wǎng)絡接線；(b)區(qū)外（k2點）短路時電壓分布；(c)反向（k3點）短路時電壓分布；(d)正向（k1點）短路時電壓分布第三十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三結(jié)論：區(qū)內(nèi)故障時，與相位相反；

而在正向區(qū)外及反向故障時，與相位相同。通過比較兩者之間的相位，無須算出具體的測量阻抗，就可以判斷故障的區(qū)域。第三十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三以作為參考相量，根據(jù)不同故障情況下相對相位的“差異”，就可以“區(qū)分”出故障的區(qū)段，即與反相位時判斷為區(qū)內(nèi)故障，與同相位時，判斷為區(qū)外故障。考慮到實際測量與理論分析存在誤差，實際構(gòu)成保護時，一般并不是直接判斷同相位還是反相位，而是取一定的范圍。即動作的條件可以表示為：

第四十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三若取，則動作的條件變?yōu)椋悍肿臃帜竿裕玫?/p>

第四十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三該式與方向阻抗繼電器的相位比較方程完全一致，表明在取的情況下，用工作電壓與測量電壓進行相位比較，就可以實現(xiàn)與方向阻抗繼電器完全一樣的特性。

第四十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三方向阻抗特性的優(yōu)點是阻抗元件本身具有方向性，只在正向區(qū)內(nèi)故障時動作，反方向短路時不會動作，即無須與方向元件配合，阻抗元件本身就能區(qū)分故障的方向。其主要缺點是動作特性經(jīng)過座標原點，在正向出口或反向出口短路時，測量阻抗的阻抗值都很小，都會落在座標原點附近，正好處于阻抗元件臨界動作的的邊沿上，有可能出現(xiàn)正向出口短路時拒動或反向出口短路時誤動的嚴重情況。對上述電壓比較式分析，也可以得出類似的結(jié)論，出口短路時，測量電壓的幅值接近于0，其相位可能因誤差等因素而為隨機相位，所以測量元件可能處于隨機動作狀態(tài)。

第四十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三由上述的分析可知，在上述比較式中，電壓的作用就是作為判斷相位的參考，所以又稱為參考電壓或極化電壓。上述分析表明，直接用作為比相的參考電壓時，無法保證出口短路時的選擇性，因而也就不能應用于實際的繼電保護裝置中。為克服這一缺點，保證出口短路時正確動作，應選擇相位不隨故障位置變化、在出口短路時不為0的電壓量作為比相的參考電壓。

第四十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三考慮到除了出口三相對稱性短路外，母線正序電壓的量值都不會為0，且其相位不會隨著短路位置的變化而變化，所以可以選擇正序電壓作為比相的參考，即以正序電壓作為參考電壓或極化電壓。分析表明，當取正序電壓為故障環(huán)上的正序電壓時，它的相位與故障環(huán)上的測量電壓完全一致，所以在上述比較方程中用正序電壓代替測量電壓時，動作條件不變。

第四十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三以正序電壓為參考的情況下，動作的方程變?yōu)椋?/p>

或第四十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三進一步分析表明，采用正序電壓作為參考電壓后，在正向故障的情況下，以阻抗形式表示的動作方程為對應的動作特性如圖所示，它是一個包括坐標原點的偏移圓，正向出口短路時，能夠可靠動作。Zset-Zm－ZM1ZsetRjXo圖3-21正序電壓極化的測量元件在正向故障時的動作特性ZmZm＋ZM1第四十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三在反向故障的情況下，以阻抗形式表示的動作方程為對應的動作特性如圖所示，它是一個不包括坐標原點的上拋圓，反向出口短路時，測量阻抗在原點附近，可靠不動作，反向遠處短路時，測量阻抗在動作區(qū)相反的方向，也可靠不動作。ZsetRjXo圖3-22正序電壓極化的測量元件在反向故障時的動作特性－Zm第四十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三可見，應用正序電壓作為極化電壓，繼電器具有明確的方向性，能保證正向出口短路可靠動作，反向出口短路可靠不動。此外，用正序電壓作為極化電壓后，繼電器在正向故障時的特性變成一個直徑較大的偏移圓，耐受過渡電阻的能力明前增強。正序電壓極化的缺點是不能保證出口三相短路時的方向性，必須采取專門的措施。在南瑞保護中，措施為，當正序電壓幅值小于額定電壓的10％時，投入低壓距離元件。第四十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三低壓距離元件是以記憶電壓為極化電壓來實現(xiàn)故障判斷的，分析表明，它與正序極化的繼電器具有類似的特性，也有明確的方向性。應用記憶電壓的缺點是它僅在短路初瞬有效，因而不能用在II段或III段中。第五十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三ξ5工頻故障分量距離保護

ξ5.1故障分量的基本概念故障分量又稱為故障附加分量或故障疊加分量，是指僅在系統(tǒng)發(fā)生故障時出現(xiàn)，而在系統(tǒng)正常運行及不正常運行時不存在的電氣分量，即它隨著故障的出現(xiàn)而出現(xiàn)，隨著故障的消失而消失。所以，故障分量的存在，是電力系統(tǒng)處于故障狀態(tài)的表征。應用故障分量構(gòu)成繼電保護動作判據(jù)時，只需要尋找區(qū)內(nèi)故障與區(qū)外故障的“差異”，而不必考慮正常及不正常情況，因而，保護具有較高的靈敏度，一般也具有較快的動作時間和較好的選擇性，不必采用振蕩閉鎖等防止振蕩時保護誤動的措施。第五十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三ξ5.2故障分量的特點非故障狀態(tài)下不存在故障分量，故障分量僅在故障狀態(tài)下出現(xiàn)；故障分量獨立于非故障狀態(tài)，受電網(wǎng)運行方式的影響不大（有一定的影響，但比傳統(tǒng)保護?。?；故障點的電壓故障分量最大，系統(tǒng)中性點處故障分量電壓為零；保護安裝處故障分量電壓電流之間的關系，取決于背后系統(tǒng)的阻抗，與故障點的遠近及過渡電阻的大小沒有關系（但故障分量值的大小受過渡電阻及故障點遠近的影響）。第五十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三ξ5.3故障分量的分析方法－疊加原理短路狀態(tài)故障前負荷狀態(tài)故障疊加狀態(tài)第五十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三1)故障分量的組成第五十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三2)故障分量的利用上述這些分量都可以用來構(gòu)成繼電保護：：即故障分量中的工頻分量，可以用來構(gòu)成，工頻變化量方向保護、工頻變化量距離保護、工頻變化量差動保護、零序保護、負序保護等；：即全部的故障分量，可以用來構(gòu)成電流突變量起動元件、電流突變量選相元件、方向行波元件、行波距離（測距）保護等；：暫態(tài)分量中的高頻部分，用來構(gòu)成反映單端電氣量的暫態(tài)保護。第五十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三3)故障分量的提取與識別方法來自電壓互感器TV和電流互感器TA的電壓電流都是故障后的全電壓和全電流，構(gòu)成反映故障分量的繼電保護時，應設法將故障分量從全電壓和全電流中提取出來。在微機保護中，故障分量的提取方法為（電流）：第五十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三通常情況下，取n＝1、2或4：n＝1：n＝2：n＝4：這樣可以計算出故障分量的采樣序列，利用微機保護中的各種算法可以求出其幅值、相位等特征量。第五十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三以n＝2為例，波形如下：第五十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三ξ5.4工頻變化量距離保護工頻故障分量距離保護又稱為工頻變化量距離保護，是一種通過反應工頻故障分量電壓電流而工作的距離保護。在上圖(c)中，保護安裝處的工頻故障分量電流、電壓可以分別表示為：第五十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三取工頻故障分量距離元件的工作電壓為保護區(qū)內(nèi)、外不同地點發(fā)生金屬性短路時電壓故障分量的分布情況如下圖所示。第六十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三k1zZZDk2k3(a)(b)(c)(d)Zs第六十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期三在保護區(qū)內(nèi)k1點短路時，在保護區(qū)外k2點短路