現代電力系統(tǒng)繼電保護原理與技術.ppt

1、電力系統(tǒng)繼電保護原理與技術,山東大學電氣工程學院 潘 貞 存 2006.10.19,主要內容,線路的繼電保護原理與技術 變壓器的繼電保護原理與技術 母線的繼電保護原理與技術 繼電保護的發(fā)展與展望,主要內容,線路的繼電保護原理與技術 變壓器的繼電保護原理與技術 母線的繼電保護原理與技術 繼電保護的發(fā)展與展望,線路的繼電保護原理與技術,線路的分類,在電力系統(tǒng)中，線路包括高壓、超高壓及特高壓的輸電線路和中低壓的配電線路，從繼電保護的角度出發(fā)，主要分為以下三類： 1. 666kV的中低壓配電線路； 2. 110kV的輸配電線路； 3. 220kV及以上電壓等級的高壓輸電線路。,配電線路的繼電保護,這三

2、種類型線路的繼電保護在原理上和構成上有很大的差異： 1. 666kV的中低壓配電線路一般為單電源、輻射狀的小電流接地系統(tǒng)線路，故障形式只有三相故障和兩相故障兩種形式（ABC三相故障或AB、BC、CA兩相故障）。保護一般為電流電壓保護，特殊情況下為方向性電流電壓保護、距離保護或縱聯保護。主要問題是速斷保護區(qū)短，線路大部分的故障需要經過延時切除。,配電線路的繼電保護,帶來的危害： （1）設備燒毀的程度嚴重； （2）引發(fā)電壓穩(wěn)定性問題； （3）電壓跌落持續(xù)時間長； （4）重合閘成功率低等。,配電線路的繼電保護,解決問題的思路： （1）微機保護采用后，簡單、經濟、可靠不再是電流電壓保護的獨特優(yōu)點； （

3、2）配電系統(tǒng)全面推廣應用距離保護；（技術上沒有困難，不增加復雜程度，除應該考慮TV斷線閉鎖外，基本沒有負面影響） （2）縱聯保護原理應用于配電線路保護。（主要考慮用低成本的通信手段傳輸繼電保護的信息，可用的手段包括：導引線、復用光纖、無線電臺、移動通信、無線寬帶技術 等）,110kV輸配電線路的繼電保護,110kV的輸配電線路一般為大電流接地系統(tǒng)的單電源輻射狀網絡，部分線路末端可能接有小的分散電源； 故障的形式包括：三相故障、兩相故障、兩相接地故障、單相接地故障共有不同相別的十種故障類型； 采用的保護一般為三段式相間距離保護、三段式接地距離保護、多段式（方向）零序電流保護；,110kV輸配電線

4、路的繼電保護,末端帶有分散電源時，或線路接于較為重要的母線時，可采用縱聯保護。 該電壓等級線路的繼電保護原理和技術都比較成熟，性能基本滿足要求。 主要問題成套保護后，只有原理上的后備保護，沒有設備上的近后備保護。 集成式后備保護的概念：全站共用一套后備保護,220kV及以上輸電線路的繼電保護,220kV及以上電壓等級的輸電線路一般按雙側具有電源考慮，所接電網為大電流接地系統(tǒng)，斷路器一般采用分相操作，通常采用綜合重合閘方式； 故障的形式包括：三相故障、兩相故障、兩相接地故障、單相接地故障共有不同相別的十種故障類型，同時要考慮非全相運行的問題、同桿并架雙回線的跨線故障問題等；,220kV及以上輸電

5、線路的繼電保護,220kV及以上電壓等級輸電線路在電力系統(tǒng)中占據著十分重要的地位，對其繼電保護有較高的要求，微機保護后，線路保護一般均設計為成套保護，即一套保護完成所有的主保護和原理上的后備保護功能，為了實現設備上的后備，通常采用雙重化配置或多重化配置。,220kV及以上輸電線路的繼電保護,每套保護的配置方式一般為： （1）主保護：能夠全線速切的縱聯差動或縱聯比較式保護、快速跳閘的獨立段保護（如工頻變化量距離保護等） （2）后備保護：三段式相間距離保護、三段式接地距離保護、多段式（方向）零序電流保護； （3）綜合重合閘。 本次講課主要討論220kV及以上電壓等級的線路保護。,220kV及以上輸

6、電線路的繼電保護,主要包括以下的幾項內容： （1）輸電線路的距離保護； （2）輸電線路的縱聯電流差動保護； （3）輸電線路的縱聯比較式保護； （4）輸電線路的綜合重合閘。?,220kV及以上輸電線路的繼電保護,（1）輸電線路的距離保護； （2）輸電線路的縱聯電流差動保護； （3）輸電線路的縱聯比較式保護； （4）輸電線路的綜合重合閘。,輸電線路的距離保護,距離保護是通過反映故障點到保護安裝處的距離而動作的繼電保護裝置，通常應用于110kV及以上電壓等級的輸電線路，其原理也可以應用于35kV及以下電壓等級的配電線路； 構成距離保護的核心就是測量故障點到保護安裝處的距離，并與一個事先整定的距離相比

7、較，測量距離小于整定距離時保護動作； 測量故障距離的方法包括阻抗法、行波法和雷達法，其中應用最多的是阻抗法，此處重點介紹阻抗法。,測量阻抗及其與故障距離之間的關系,測量阻抗定義為保護安裝處測量電壓與測量電流之比：,測量阻抗及其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，其阻抗角為數值較小的功率因數角（一般功率因數為不低于0.9，對應的阻抗角不大于25.80），阻抗性質以阻性為主，如下圖中的 所示。,測量阻抗及其與故障距離之間的關系,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

8、參數的輸電線路來說， 與短路距離 成線性正比關系，即：,測量阻抗及其與故障距離之間的關系,短路阻抗的阻抗角就等于輸電線路的阻抗角，數值較大(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。,測量阻抗及其與故障距離之間的關系,依據測量阻抗 在上述不同情況下的“差異”，保護就能夠“區(qū)分”出系統(tǒng)是否出現故障，在發(fā)現有故障的情況下，可以進一步地“區(qū)分”出是區(qū)內故障還是區(qū)外故障。 繼電保護：依據“差異”，實現“區(qū)分”,三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取,上面的討論是以單相系統(tǒng)為

9、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）,三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取,該式是距離保護能夠用測量阻抗來正確表示故障距離的前提和基礎，即只有測量電壓、測量電流之間滿足該式時，測量阻抗才能正確地反應故障的距離。 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、電流構成距離保護的測量電壓和電流。,三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取,現以圖3所示網絡中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，

10、可以求出M母線上各相的電壓：,Lk (Z1 ,Z2, Z0) Lk,G ,M,KZ,G ,N,k,三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取,（6a）,（6b）,（6c）,三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取,（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，下面以單相接地故障情況為例進行討論。,三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取,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3-6a變?yōu)椋?（7）,（8）,得到：,三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取,式(8)與式(5)具有相同的形

11、式，因而由 、 算出的測量阻抗能夠正確反應故障的距離，從而可以實現對故障區(qū)段的比較和判斷。,三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取,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。,三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取,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，由它們構成的距離保護一般都不會動作，但在

12、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。,三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取,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的故障相電流之間滿足（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。,三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取,其他類型（兩相接地、兩相短路、三相故障）的故障的情況也類似，只有用故障相的電壓和電流（帶零序補償）進行運算時，才能準確地算出故障距離，計算量中含有非故障相電壓、電流時，算出的測量阻抗不能準確地反映故障距離，并且一般情況下都大于實際的故障距離，所以不會動作。,故障環(huán)的概念,故障電

13、流可能流通的通路稱為故障環(huán)。 在單相接地故障的情況下，存在一個故障相與大地之間的故障環(huán)（相地故障環(huán)）； 兩相接地故障的情況下，存在兩個故障相與大地之間的相地故障環(huán)和一個兩故障相之間的故障環(huán)（相相故障環(huán)）； 兩相不接地故障的情況下，存在一個兩故障相之間的相相故障環(huán)； 三相故障的情況下，存在三個相地故障環(huán)和三個相相故障環(huán)。,故障環(huán)的概念,分析表明，距離保護的測量電壓、電流取為故障環(huán)上的電壓、電流時，計算出的測量阻抗能夠正確的反映故障距離，非故障環(huán)上的電壓、電流之間算出的測量阻抗不能準確地反映故障距離，一般情況下大于故障距離，不會動作。所以距離保護的動作行為應以故障環(huán)上電壓、電流計算的結果為準，非故

14、障環(huán)上電壓、電流計算的結果不予考慮。,故障環(huán)的概念,在傳統(tǒng)的距離保護中，故障環(huán)的選取是靠冗余接線來實現的，即距離保護的每一段都有三個相間阻抗繼電器和三個接地阻抗繼電器組成，三段式保護中需要18個獨立的阻抗繼電器。對于任何一種類型和相別的故障，每一段的6個繼電器中，至少有一個是在故障環(huán)上，它能夠正確測量故障距離，其他不在故障環(huán)上的繼電器不能正確測量，但一般不動作。 不能正確測量有兩個方面的含義，一方面是把測量阻抗測大，反映出故障距離變遠，即不動作；另一方面是把測量阻抗測小，反映出故障距離變近，可能導致在區(qū)外故障情況下誤動作。此處，非故障環(huán)上的電壓、電流算出的阻抗一般是第一種情況，通常不會動作,故

15、障環(huán)的概念,微機保護中，距離保護的硬件接線只有一套，故障環(huán)的選取是由軟件實現的，分兩種情況： 第一種情況是發(fā)生故障后先進行選相，找出故障類型和故障相別后，僅用故障相（即故障環(huán)上）的電壓、電流進行計算，非故障相環(huán)上的電壓、電流根本不參與運算；（先選相，再計算） 第二種情況是針對每一個故障，用故障環(huán)和非故障環(huán)上的電壓、電流都進行計算，但僅以故障環(huán)上電壓、電流計算的結果作為判斷故障距離的依據。（先計算，后用選相的結果進行復核） 早期的微機保護普遍采用第一種方式，新型微機保護傾向于采用第二種。,直接計算與間接判斷,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

16、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。,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

17、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，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。,測量阻抗與整定阻抗的比較,圓形區(qū)域又包括方向特性圓、全阻抗圓、偏移特性圓和上拋特性圓等幾種，如下圖。,測量阻抗與整定阻抗的比較,每一種特性都有兩種不同的實現辦法，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：,測量阻抗與整定阻抗的比較,Zset/2,Zset,R,jX,o,Zm,測量阻抗與整定阻抗的比較,

18、測量阻抗已經用前述的算法算出，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。 在園特性的數字式保護中，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)?測量阻抗與整定阻抗的比較,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,測量阻抗與整定阻抗的比較,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，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。,測量阻抗與整定阻抗的比較,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測量阻抗

19、與整定阻抗的比較。,測量阻抗與整定阻抗的比較,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：,測量阻抗與整定阻抗的比較,而在第I象限部分的特性可以表示為： 上述三式綜合，得到：,測量阻抗與整定阻抗的比較,式中：,測量阻抗與整定阻抗的比較,若?。?則,測量阻抗與整定阻抗的比較,則上述比較式變?yōu)椋?該式可以方便地在微處理機中實現。,間接判斷法實現距離保護,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,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。,k1 z k2,KZ,N,

20、G ,G ,k3 M,（a）,（b）,（c）,（d）,a）網絡接線； (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,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,結論： 區(qū)內故障時， 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。,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,以 作為參考相量，根據不同故障情況下 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)內故障， 與 同相位時，判斷為區(qū)外故障。

21、 考慮到實際測量與理論分析存在誤差，實際構成保護時，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：,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,若取 ，則動作的條件變?yōu)椋?分子分母同除以 ，得到,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,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，就可以實現與方向阻抗繼電器完全一樣的特性。,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,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

22、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)。,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,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

23、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。,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,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。,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,以正序電壓為參考的情況下，動作的方程變?yōu)椋?或,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,進一步分析表明，采

24、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。,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,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。,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,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

25、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15時，投入低壓距離元件。,比較工作電壓（補償電壓）相位法原理,低壓距離元件是以記憶電壓為極化電壓來實現故障判斷的，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。,基于工頻故障分量的距離保護,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，而在系統(tǒng)正常運行及不正常運行時不存在的

26、電氣分量，即它隨著故障的出現而出現，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。 應用故障分量構成繼電保護動作判據時，只需要尋找區(qū)內故障與區(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。,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； 故障分量獨立于非故障狀態(tài)，受電網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)

27、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） 。,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),故障分量的組成,故障分量的利用,上述這些分量都可以用來構成繼電保護： ：即故障分量中的工頻分量，可以用來構成，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，用來構成反映單端電氣量的暫態(tài)保護。,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

28、壓電流都是故障后的全電壓和全電流，構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）：,故障分量的提取與識別方法,通常情況下，取n1、2或4： n1： n2： n4： 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。,故障分量的提取與識別方法,以n2為例，波形如下：,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。 在上述的圖 (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：,工頻變化量距離保護,取工頻故障

29、分量距離元件的工作電壓為,保護區(qū)內、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。,工頻變化量距離保護,k1,z,Z set,k2,k3,(a),(b),(c),(d),工頻變化量距離保護,在保護區(qū)內k1點短路時，,在保護區(qū)外k2點短路時，,在保護區(qū)反向k3點短路時，,工頻變化量距離保護,因為,所以動作的判據為,滿足該條件，說明為區(qū)內故障，否則為區(qū)外故障,工頻變化量距離保護,220kV及以上輸電線路的繼電保護,（1）輸電線路的距離保護； （2）輸電線路的縱聯電流差動保護； （3）輸電線路的縱聯比較式保護； （4）輸電線路的綜合重合閘。,縱聯電流差動保護,基于基爾霍夫電流定律的縱聯

30、電流差動保護，是到目前為止最為完善的繼電保護原理，在發(fā)電機、變壓器、母線、電抗器、大容量電動機和輸配電線路等電氣設備中都得到了應用。其基本工作原理如下：,縱聯電流差動保護的基本原理,被保護設備,*,*,*,*,I-I,縱聯電流差動保護示意圖,TA1,TA2,KD,被保護設備： 發(fā)電機 變壓器 電動機 母線 線路 電抗器等,縱聯電流差動保護分析,即流入到差動繼電器KD中的電流為0，繼電器不會動作。,正常及外部故障時，,縱聯電流差動保護分析,被保護設備發(fā)生故障時（區(qū)內故障時）， 流入KD的電流為故障電流的二次值，KD動作。 即區(qū)內故障時，流入KD的就等于故障點的故障電流，所以從這一點上說，差動保護

31、是一種反映故障分量的保護；,縱聯電流差動保護問題,可見，在理想情況下，根據KD中是否有電流，就能夠區(qū)分出是否有內部故障，是否應將被保護設備從系統(tǒng)中切除。 在實際情況下，由于電流互感器誤差等因素的存在，在正常運行及外部故障時也會有一定量的不平衡電流流入差動繼電器KD，特別是在外部故障電流互感器飽和的情況下，誤差將會大大增加，會有比較大的不平衡電流流入KD。為防止差動保護誤動，KD的動作電流必須按躲過外部故障的最大不平衡電流來整定。,縱聯電流差動保護問題,帶來的問題是動作值過大，內部故障的靈敏度降低。 采用帶制動特性的差動保護，是解決可靠性與靈敏性之間矛盾的有效措施。,即：,電流差動保護比率制動特

32、性,單斜率差動保護動作特性,雙斜率差動保護動作特性,1,2,3,、,Iunbmax,電流差動保護判據,在圖示參考方向下動作量： 通常情況下，制動量選為： 動作表達式： K制動系數，0,電流差動保護故障分量的判據,動作量：,制動量：,動作方程：,故障分量電流差動保護的分析,動作量：,制動量：,即動作量與全電流差動保護完全一樣。,故障分量電流差動保護內部故障,內部故障時：,所以只要,滿足動作條件，且有較高的靈敏度。,k,Z N,Z M,故障分量電流差動保護外部故障,外部故障時：,所以只要,不滿足動作條件，且有較大的裕度。,故障分量電流差動保護動作特性,0.10.15,2,Kres=0.81.0,內

33、部故障區(qū),外部故障區(qū)域,縱聯電流差動保護分析,被保護設備為發(fā)電機、變壓器和母線時，其各側的電流互感器均在同一個廠站內，這時可由兩種方式實現上述的電流差動: 一種方式是直接將設備各側的電流接入到同一個裝置中，由該裝置按照差動保護的公式進行分析比較，判斷故障的區(qū)間； 另一種方式是每個電流互感器的輸出都接到一個采集裝置中，然后通過通信網絡將各個采集裝置聯系在一起，實現差動算法。,縱聯電流差動保護分析,發(fā)電機、變壓器一般采用第一種方式，母線既可以采用第一種方式，也可以采用第二種方式，第二種方式實現的差動保護成為分布式母線保護。 而當被保護設備為輸電線路時，由于兩端相距甚遠，需要在每一側都裝設采集裝置，

34、然后利用通信線路來交換兩端的電流信息。,縱聯電流差動保護通信,可用的通信手段： （1）導引線 （2）載波 （3）微波 （4）光纖 光纖通道具有傳輸速率高、抗干擾性能好、安全可靠性高、能保持長期不間斷地傳輸信號的特點,已成為縱聯保護信號傳輸通道的首選方式。,光纖縱聯保護的信號傳輸方式和技術特點,光纖縱聯保護的同步數據通信信號傳輸方式有兩大類: 專用光纖方式(圖1) PCM復用方式(圖2) 。,光纖縱聯保護的信號傳輸方式和技術特點,專用光纖方式 利用專用光纖傳送保護信息時,將64 kbitPs 或更高速率( n 64 kbitPs) 的保護信號直接調制在發(fā)光二極管(LED) 或半導體激光器(LD)

35、 的輸出回路中,并發(fā)送至對端。數據接收端直接將光信號解調成64 kbitPs保護信號,如圖1 (a) 所示。,光纖縱聯保護的信號傳輸方式和技術特點,由于采用專用光纖通道,64 kbits 數據接口裝置的時鐘同步方式為:兩側的繼電保護通信接口裝置均發(fā)送工作時鐘,數據發(fā)送采用本機內時鐘,接收時鐘從接收數據碼流中提取,稱為內時鐘(主- 主) 方式,如圖1 (b) 所示。,光纖縱聯保護的信號傳輸方式和技術特點,PCM 復用方式 利用光纖通信PCM復用方式傳送保護信息時,數據信號在PCM的64 kbitPs 同步數據接口實現復接,占用2 MbitPs 接口傳送,如圖2 (a) 所示。,光纖縱聯保護的信號

36、傳輸方式和技術特點,兩類光纖保護遠傳信號傳輸方式的技術特點 采用專用光纖方式時,保護遠傳信號的傳輸通道直接由2 芯光纖和保護裝置光接口組成,通道時延小于1 ms。其可靠性依賴于站點間直通光纜,當光纜斷纜時保護遠傳信號全部中斷,無替代傳輸路由。,光纖縱聯保護的信號傳輸方式和技術特點,PCM復用方式下,保護遠傳信號通過SDH 光纖通信網絡傳送,不占用光纖芯數,故不依賴兩站點間的直通光纜路由,而且工程設計時一般單獨配置一套保護專用PCM裝置,可以復接多路保護遠傳信號,容量大。在點對點傳輸時,通道時延小于1 ms ;當AB 兩站間經過的光纖站點較多時,按1 個接點延時1 ms 考慮,只要站點控制在8

37、個以內,通道總時延仍能控制在15 ms 以內。SDH光纖通信網絡具有傳輸容量大、抗干擾、傳輸可靠性高等特點,并且具有自愈切換保護功能。,光纖縱聯保護的信號傳輸方式和技術特點,保護遠傳信號復用在PCM 設備2 MbitPs 接口經SDH 環(huán)網傳輸時,當某一方向光纖通信電路故障時,可以經由SDH自愈環(huán)保證信息連續(xù)傳送至對側。但當相應站點SDH 光端機或保護專用PCM裝置故障時,保護遠傳信號隨之中斷。此外,當保護遠傳信號經光纖支線電路傳輸時,則不具備SDH光纖電路自愈切換保護功能。,縱聯電流差動保護同步問題,電流差動保護有兩種主要的實現形式，一種是工頻量（包括工頻全電流和工頻故障分量）構成差動電流和

38、制動電流，稱為相量差動；另一種是直接利用瞬時采樣值構成差動電流和制動電流，稱為瞬時值差動。 相量差動通常利用傅氏算法等計算出差動和制動電流相量，然后代入公式比較，該方法性能穩(wěn)定，但因需要較長的時間窗，動作速度較慢；瞬時值差動時間窗很短，動作速度快，但受個別不良數據的影響較大，需要連續(xù)幾個點（或多數點）動作一致時，才能作為最后的判斷結果。 無論相量差動還是瞬時值差動，都要求對各側的電流同時采樣，否則將無法得到正確的結果。,縱聯電流差動保護同步問題,在各側的電流都接入到同一個裝置的情況下（上述的第一種方式），同步采樣可以利用采樣/保持器來實現；在分布式母線保護和輸電線路保護的情況下，各電流的采集是

39、在不同的裝置中完成的，特別是線路保護的情況，電流的采集是由安裝在相距甚遠的兩地的裝置分別采集的，必須采取特殊的同步措施。分析表明，如果要求同步角誤差不大于0.1，要求時間誤差不大于5s。,縱聯電流差動保護同步問題,目前采用的同步方式主要有兩種，一種是利用GPS同步，另一種是精確計及通信通道延時，由一側向另一側發(fā)送同步時鐘信號。 GPS精度較高（時間誤差不大于1s），且接受也比較簡單，但因受制于國外，安全性差，不能作為獨立的同步時鐘源； 第二種同步方法實現比較復雜，且精度較差，但因安全性好，仍可以應用。一般考慮采用兩種方式配合完成時間同步，一般情況下用GPS，GPS失效時改用其他同步方法。,應用

40、GPS實現同步問題,GPS determines a users position in 3-D space GPS also determines a users position in time,GPS接收器,in-view of 4 satellites principle = time difference of arrival of signals from satellites unknowns - receivers 3D location and universal time since 4 satellites, 4 equations available hence:- s

41、olve for 4 unknowns receivers clock locked to GPS universal time,Loss of GPS Signal unsynchronised phasors,采樣時刻調整法,TS,td,td,ts1,tr1,tm,tm1,ts2,tr2,tm2,t,tr3,t,t,tm3,ts3,ts4,tm4,td,采樣時刻調整法,從站,主站,縱聯電流差動保護同步問題,t,Ts：采樣間隔； tmj：主站采樣點 tsi：從站采樣點 td：通道延時 td=0.5(tr2-tm1-tm) t：主、從站采樣時刻間的誤差 tts3 -tm3 =ts3 - (tr

42、3-td) 為使兩站同步采樣，從站下次采樣時刻應調整為： ts4=(ts3+Ts)- t,縱聯電流差動保護同步問題,采樣數據修正法,t,t,tm,td1,td2,A端,B端,tA1,tA2,tA3,tA4,tA5,tA,tA6,tB1,tB2,tB,tB3,tB4,tB5,tB3,縱聯電流差動保護同步問題,A端計算的通道延時：td=td1=td2=0.5(tA-tA1-tm) tB3=(tA-td) 與tA4時刻對應的B端電流向量： 同理可計算出tA3時刻對應的B 端電流向量,縱聯電流差動保護同步問題,220kV及以上輸電線路的繼電保護,（1）輸電線路的距離保護； （2）輸電線路的縱聯電流差動

43、保護； （3）輸電線路的縱聯比較式保護； （4）輸電線路的綜合重合閘。,縱聯（方向）比較式保護,構成 縱聯（方向）比較式保護在被保護設備的每一端都裝設一個反映故障方向的測量元件。,被保護設備： 發(fā)電機 變壓器 電動機 母線 線路 電抗器等,縱聯（方向）比較式保護,方向性測量元件是構成縱聯分析比較式保護的核心，常用的方向元件包括： （1）故障分量方向元件； （2）負序功率方向元件； （3）零序功率方向元件； （4）方向阻抗元件； （5）相電壓補償式的功率方向元件等； （6）在單側電源的情況下，按躲最大負荷電流整定的過電流元件，也能反映故障方向。,工頻變化量方向保護判據,正方向元件的測量相角表達式

44、： 反方向元件的測量相角表達式： 其中： 下表12表示該電氣量為正、負序綜合分量，無零序分量 Zd為模擬阻抗 Zcom為補償阻抗。如果系統(tǒng)線路阻抗比Zs/ZL0.5時，Zcom0，否則取Zcom為Z整定阻抗的一半,工頻變化量方向保護分析,正向短路,工頻變化量方向保護分析,假設Zs為電源正序阻抗，系統(tǒng)的正序阻抗等于負序阻抗。將工頻變化量電壓電流分解為對稱分量，有： 設系統(tǒng)阻抗角與Zd阻抗角一致時，有：,工頻變化量方向保護分析,反向短路,工頻變化量方向保護分析,Zs為線路至對側系統(tǒng)的正序阻抗，將電流電壓分解為對成分量：,縱聯（方向）比較式保護,當每一端的測量元件都指示為正向故障時，表明故障為“區(qū)內

45、故障”； 任何一端的測量元件指示為反向故障時，表明故障為“區(qū)外故障”。 實現方法： 閉鎖式和允許式兩種比較方法。,縱聯方向比較保護閉鎖式,閉鎖式縱聯方向保護的工作方式是當任一側方向元件判斷為反方向時，不僅本側保護不跳閘，而且由發(fā)信機向對側發(fā)出閉鎖信號，對側保護接收到閉鎖信號后，閉鎖該側保護。在外部故障時是近故障側的方向元件判斷為反方向故障，所以是近故障側閉鎖遠故障側；在內部故障時兩側方向元件都判為正方向，都不發(fā)送閉鎖信號，兩側收信機接收不到閉鎖信號，也就不會去閉鎖保護，于是兩側方向元件均作用于跳閘。,縱聯方向比較保護閉鎖式,I1,W,&,收信,跳閘,I2,W+,&,&,發(fā)信(閉鎖),縱聯方向比

46、較保護閉鎖式,工作過程:當外部故障時，如圖所示保護1和2的情況，在A端的保護1功率方向為正，在B端的保護2功率方向為負。此時，兩側的起動元件1均動作起動發(fā)信機發(fā)信。發(fā)信機發(fā)出的閉鎖信號一方面為自己的收信機所接收，一方面經過高頻通道，被對端的收信機接收。當收到信號后，保護被閉鎖。此外，起動元件2也同時動作閉合其觸點，準備了跳閘回路。在短路功率方向為正的一端(保護1)，其方向元件動作，停止發(fā)信。在方向為負的一端(保護2)，方向元件不起動。因此，發(fā)信機繼續(xù)發(fā)送閉鎖信號。,縱聯方向比較保護閉鎖式,在這種情況下，保護1和保護2均不能動作，保護就一直被閉鎖。待外部故障切除，起動元件返回以后，保護即復歸原狀

47、。 當兩端供電的線路內部故障時，兩端的起動元件1和2均動作，其作用同上。之后兩端的方向元件動作，即停止了發(fā)信機的工作，保護能立即動作分別使兩端的斷路器跳閘。,縱聯方向比較保護閉鎖式,需要兩套起動元件。由以上分析可以看出，在外部故障時，距故障點較遠一端的保護所感覺到的情況，和內部故障時完全一樣，此時主要是利用靠近故障點一端的保護發(fā)出高頻閉鎖信號，來防止遠端保護的誤動作。因此，在外部故障時保護正確動作的必要條件是靠近故障點一端的高頻發(fā)信機必須起動，而如果兩端起動元件的靈敏度不相配合時，就可能發(fā)生誤動作。因而保護需要兩個起動元件1和2，其靈敏度選擇的不同，靈敏度較高的起動元件1只用來起動高頻發(fā)信機以

48、發(fā)出閉鎖信號，而靈敏度較低的起動元件2則準備好跳閘的回路。任何一端發(fā)出閉鎖信號的元件的靈敏度都應保證高于對端保護動作跳閘元件的靈敏度，也就是說必須保證兩端保護靈敏度的配合，否則可能誤動。,縱聯方向比較保護閉鎖式,單電源線路內部故障。當只從一端供電的線路內部故障時，在受電端的半套保護不起動，也不發(fā)送高頻閉鎖信號，而在電源端的保護動作情況則和上述分析相同，此時能夠立即動作使電源端的斷路器跳閘。 單電源線路外部故障。與雙電源情況類似，近故障端測量元件反映為反向故障，不會誤動。,縱聯方向比較保護閉鎖式,通道破壞。由于閉鎖式縱聯方向保護的工作原理是利用非故障線路的一端發(fā)出閉鎖該線路兩端保護的高頻信號，而

49、對于故障線路兩端則不需要發(fā)出高頻信號，這樣就可以保證在內部故障并伴隨有通道的破壞時(例如通道所在的一相接地或是斷線)，保護裝置仍然能夠正確地動作，這是它的主要優(yōu)點，也是這種高頻信號工作方式得到廣泛應用的主要原因之一。,縱聯方向比較保護閉鎖式,系統(tǒng)振蕩。對接于相電流和相電壓(或線電壓)上的方向元件，當系統(tǒng)發(fā)生振蕩且振蕩中心位于保護范圍以內時，由于兩端的功率方向均為正，保護將要誤動，這是一個嚴重的缺點。而對于反應故障分量或負序、零序的方向元件，則不受振蕩的影響。,縱聯方向比較保護閉鎖式,動作速度。根據繼電保護動作的要求，閉鎖信號只有在外部故障時才傳送。所以為了保證保護在外部故障時不誤動，必須等到確

50、定已無閉鎖信號，才能送出跳閘脈沖。因此必須延緩跳閘時間以保證時間配合，這樣就使高頻保護的動作時間增長，降低了保護的動作速度，這也是這種保護的主要缺點。 總之，閉鎖式縱聯保護的主要優(yōu)點是動作可靠性高，缺點是需要兩端元件的動作時間和靈敏度配合，故較復雜和動作速度慢。,縱聯方向比較保護閉鎖式,由于閉鎖式縱聯方向保護采用短時發(fā)信方式，故高頻發(fā)信機需用起動元件。常用的起動元件有故障分量電流起動元件、序分量電流元件、反方向的功率方向元件等。此外通常還采用遠方起動方式，保證只要一側的起動元件動作，兩側的發(fā)訊機都會發(fā)信。 對起動元件的要求：應保證線路正常運行與系統(tǒng)振蕩時起動元件不動作，而在發(fā)生其他所有故障時均

51、能夠靈敏地動作。,縱聯方向比較保護閉鎖式,I1,W,&,收信,跳閘,I2,W+,&,&,發(fā)信(閉鎖),t1,縱聯方向比較保護允許式,允許式縱聯方向保護利用通道傳送允許信號，收到允許信號是保護作用于跳閘的必要條件。在外部故障時近故障方向元件判斷為反方向，不僅本側保護不跳閘，也不向對側發(fā)送允許信號，對側收信機接收不到允許信號，就不允許其側保護跳閘；在內部故障時兩側方向元件均判斷為正方向，又都向對側發(fā)送允許信號，兩側收信機都收到允許信號，為各側保護跳閘提供條件，原理框圖如下 。,縱聯方向比較保護允許式,收信,跳閘,I,W+,&,&,發(fā)信(允許),縱聯方向比較保護允許式,工作過程:當外部故障時，如圖所

52、示保護1和2的情況，在A端的保護1功率方向為正，在B端的保護2功率方向為負。此時，A端的起動元件及方向元件均動作，一方面自身準備跳閘，另一方面向對側發(fā)送允許信號；但是B端方向元件不動，一方面自己不會跳閘，也不會向A端發(fā)送允許信號，所以兩側都不會動作跳閘。,縱聯方向比較保護允許式,當內部故障時，如圖所示保護3和4的情況，兩端的方向元件均反映為正向故障。此時，B端（3處）的起動元件及方向元件均動作，一方面自身準備跳閘，另一方面向對側發(fā)送允許信號；C端（4處）的情況也一樣，所以兩端的方向元件都動作，都能夠收到對側發(fā)來的允許信號，所以都會動作跳閘，將故障切除。,縱聯方向比較保護允許式,在允許式保護中，

53、若方向測量元件為阻抗元件，則稱為是允許式距離保護，在這種情況下，有兩種構成方式，即欠范圍允許和超范圍允許，欠范圍允許在阻抗I段動作時，一方面本側直接跳閘，另一方面向對側發(fā)送允許信號，對側在接到允許信號后與其II段阻抗元件“相與”，當收到允許信號且II段阻抗元件動作時，動作跳閘。,縱聯方向比較保護允許式,縱聯方向比較保護允許式,超范圍允許用阻抗II段或帶方向特性的阻抗III段起動發(fā)允許信號。當收到允許信號且II段阻抗元件動作時，動作跳閘。,縱聯方向比較保護允許式,M,N,ZIIM,ZIIN,ZII,ZI,1,&,Re,Tr,1,跳閘,通道,1,QF,縱聯方向比較保護允許式,允許式保護具有以下幾個

54、特點： （1）動作速度快。因為在正常條件下沒有信號，又因為允許信號只有內部故障時才傳送，在外部故障時不出現允許信號。因此毋須時間配合，這就可使高頻保護的動作時間縮短。這是允許式保護的最大優(yōu)點。 （2）不適用于單電源輸電線。在單端電源條件下，當線路內部故障時，受電端正向方向元件由于靈敏度不夠而不動作，不向送電端發(fā)出允許信號，從而使對端保護拒動，必須采取措施予以解決（弱饋保護）。,縱聯方向比較保護允許式,（3）可靠性較低。對于故障起動發(fā)信方式的保護，采用閉鎖信號時，在外部故障時傳送高頻電流，而采用允許信號時，在內部故障時傳送高頻電流，由于內部故障時可能引起通道破壞，所以允許式保護可靠性較低。在采用

55、不受內部故障影響的通道時，不存在該問題。 總之，允許式縱聯方向保護的主要優(yōu)點是無需兩端元件的動作時間和靈敏度配合，因而動作速度快，靈敏度高，缺點是動作可靠性較低（載波通道情況下，光纖或微波通道時可靠性并不低），需采用附加措施。,縱聯方向比較保護直跳式,直跳式縱聯方向保護利用通道傳送跳閘信號，收到跳閘信號是保護作用于跳閘的充分條件。直跳信號通常是由I段保護元件起動的，如由阻抗I段或線路變壓器組的情況下變壓器的差動保護等起動，另一端只要收到直跳信號，無論該處的測量元件是否動作，都直跳作用于跳閘。由于只有在保護區(qū)內故障時I段元件才會動作，所以直跳信號只在內部故障時發(fā)送，外部故障時不可能不會有直跳信號

56、。原理框圖如下 。,縱聯方向比較保護直跳式,M,N,ZIM,ZIN,ZI,Re,Tr,1,跳閘,通道,縱聯方向比較保護直跳式,在故障發(fā)生在本側I段范圍之內時，本側I段動作，一方面立即跳開本側的斷路器，另一方面向對側發(fā)送直跳信號，對側收到直跳信號后，直接將其斷路器跳開。 直跳式對通道的要求極高，應采取措施防止因干擾導致保護誤動。,主要內容,線路的繼電保護原理與技術 變壓器的繼電保護原理與技術 母線的繼電保護原理與技術 繼電保護的發(fā)展與展望,電力變壓器故障類型,變壓器的故障可以分為油箱外和油箱內兩種故障。油箱外的故障，主要是套管和引出線上發(fā)生相間短路以及中性點直接接地側的接地短路。這些故障的發(fā)生會危害電力系統(tǒng)的安全連續(xù)供電。油箱內的故障包括繞組的相間短路、接地短路、匝間短路以及鐵心的燒損等。油箱內故障時產生的電弧，不僅會損壞繞組的絕緣、燒