電力系統繼電保護（第2版）

輸電線路的縱聯保護第一節

概

述?

對于超高壓電網，為了保證系統并列運行的穩定性，減小電氣設備受損害的程度，對被保護線路內部任何位置的故障，都要求線路保護無延時切除(全線速動)。?

基于雙端測量的縱聯保護被引入到輸電線路保護中，縱聯保護在理論上具有絕對的選擇性。?

電流保護、距離保護等階段式保護原理由于只是單端測量，無法從根本上克服測量誤差等因素的影響，其無延時切除故障的I段保護范圍無法覆蓋線路全長，對于線路末端故障，只有犧牲動作速度來換取選擇性。?高頻載波相對裝設成本較低而可靠性較高，曾經在我國的超高壓電網中得到了廣泛的應用。?光纖通信抗干擾能力強，可靠性高，成本逐漸降低，已成為新建、改建輸電線路的首選。?縱聯保護需要交換輸電線路兩側所測量到的信息。由于通常輸電線路兩端相距遙遠，要交換信息必須通過某種可靠的通信通道來完成。常見的通信方式主要有高頻載波、導引線、微波以及光纖通信等。本書按照通道內所交換的信息來分，可以分為：★交換邏輯信號的縱聯方向/距離保護通過通道傳遞以邏輯量(“0”或者“1”)表

示的判斷結果★交換工頻電氣量的縱聯電流差動保護通過通道交換線路各側電流的幅值、相位或者瞬時值類似于國際大電網會議(CIGRE)的“非單元式”和“單元式”分類。輸電線路縱聯保護根據其所采用的通信傳輸方式、傳輸內容、保護原理以及適用范圍等方面的不同而存在很多不同類型，如：?(光纖)分相電流差動保護?相差高頻保護(基本不用了)?高頻閉鎖方向保護(閉鎖式方向高頻保護)、

高頻閉鎖負序方向保護?高頻閉鎖距離保護(超范圍閉鎖式、超范圍解除閉鎖式、欠范圍允許跳閘式、超范圍允許跳閘式)?高頻閉鎖零序方向保護第二節交換邏輯信號的縱聯保護所謂交換邏輯信號的縱聯保護，主要指那些裝設于線路兩側，通過通信通道將各自對故障位置的判別結果以邏輯信號的形式相互交換，結合各自保護元件的動作情況綜合判決動作與否的保護裝置。一、

邏輯信號的基本類型?根據其在縱聯保護中所起的作用，可分為閉鎖信號、允許信號和跳閘信號，其邏輯框圖分別如圖5-1所示。

1≥≥

1號作信動閘護跳保側側對本

本側保護動作&跳閘閉鎖信號(c)跳閘信號圖5-1縱聯保護信號邏輯框圖(b)允許信號(a)

閉鎖信號

二、方向縱聯保護1．?向縱聯保護的基本原理圖5-2縱聯閉鎖式方向保護原理圖?通道工作方式：通道經常無高頻電流，在外部故障時發出閉鎖信號?保護動作條件1)短路功率為正，即由母線流向線路2)收信機收不到閉鎖信號?閉鎖信號：由短路功率為負的一端發出?優點：在內部故障并伴有通道破壞時，能夠正確動作?起動發信：外部故障時近故障點側必須能夠起動發出閉鎖信號，常見的起動方式有三種形式：-(1)電流起動-(2)遠方起動-(3)方向元件起動圖5-3電流起動縱聯閉鎖式方向保護邏輯框圖?(1)電流起動圖5-4遠方起動縱聯閉鎖式方向保護邏輯框圖?(2)遠方起動?(3)方向元件起動圖5-5方向元件起動縱聯閉鎖式方向保護邏輯框圖2．基于故障分量的?向判別元件的基本原理?所謂故障分量泛指所有電力系統發生擾動后所產生的，有別于正常穩定運行的對稱系統的所有各種附加分量。?目前基于故障分量的方向判別元件在縱聯保護中得到了廣泛應用，常見的幾種故障分量如：負序分量、零序分量以及突變量。(c)正方向故障相量圖(f)反方向故障相量圖(b)保護1正方向故障時的故障分量附加網絡(e)保護1反方向故障時的故障分量附加網絡圖5-6突變量故障分量網絡示意圖(a)簡單電力系統示意圖k1

點故障：ΔU!m

=?Zm

×ΔI!m

(5-

1)k2

點故障：ΔU!m

=

Z

'n

×

ΔI!m

=(ZL

+Zn

)ΔI

(5-2)正方向判據：

180°<

arg(

)

<

360°

(5-3)反方向判據：

0°<

arg(

)

<

180°

(5-4)實用正方向判據：

90°<

arg(

)

<

270°

(5-5)實用反方向判據：

?90°<

arg(

)

<

90°

(5-6)m.負序正方向判據：90°<arg()<270°負序反方向判據：?90°<arg()

<90°零序方向判據：90°<arg()<270°零序反方向判據：?90°<arg()<90°(5-10)(5-7)(5-8)(5-9)?在實際應用時必須加以注意：(1)零、負序分量可以在故障后長期獲取，而突變量由故障后的量減故障前的量計算出來，

無法長期獲取。所以零、負序分量方向判別元件即可以應用于切除瞬時性突發故障，又可以在故障發展、故障轉換時能正確反應故障方向。(2)基于零、負序分量的方向元件只能反應不對稱故障。突變量方向元件可以反應不對稱故障和對稱故障。(3)當非全相運行時，必須退出零、負序方向元件避免誤判。突變量方向元件與系統是否全相運行無關。(4)在系統振蕩時，受系統頻率發生改變的影響，故障分量的獲取存在一定的誤差。但通常方向判據裕度比較大，故其影響可以忽略。在極端情況下，當線路兩側電勢角擺開到180°左右，在振蕩中心發生故障時，所有故障分量方向判據均無法動作。3．?向縱聯保護應用中需要注意的問題(1)大電源側靈敏度不足的問題在大電源長線路末端故障時保護可能出現的拒動(2)功率倒向問題外部故障切除后保護可能出現的誤動(3)功率分點問題外部系統功率分點故障保護可能出現的誤動(1)大電源側靈敏度不足的問題(b)N側母線附近故障時的故障分量附加網絡圖5-7突變量故障分量網絡示意圖(a)雙側電力系統示意圖如圖5-7(b)所示，M側保護所測量到的電壓突變量Δ

U&m為ΔU!m

=ΔU!k1

(5-

11)當M側為大電源時，

Zm

≈

0

ZL

>>

Zm

，可得

ΔU!m

≈

0

此時無法利用式(5-5)所示的正方向判據正確判別

故障方向，即大電源側方向判據的靈敏度不足問題。?引入補償電壓來間接參與比相適當選取補償阻抗ZY

使其阻抗角與系統阻抗相同，利用電流故障分量在補償阻抗上產生的虛擬壓降

ΔU!

'm

即補償電壓ΔU!

'

=

ΔU!

?

Z

ΔI!(5-

12)m

m

Y

m方向判據可以改寫為：.ΔIm

(?Zm

?

ZY

)ΔI!

Z90°<arg()<270°顯然，只要合理選擇補償阻抗ZY

，將不受的Zm

≈0影響，ΔU!

'm

遠大于零。將式(5-1)代入式(5-12)可得ΔU!

'm

=?(Zm

+ZY

)ΔI!marg

≈180°(5-13)(5-14)m

d(2)功率倒向問題(a)功率倒向前圖5-8外部故障切除引起功率倒向示意(b)功率倒向后解決功率倒向問題:?保證反方向元件的靈敏度高于正方向元件。即一旦發生功率倒向，保護3的反方向元件要立刻閉鎖正方向元件并發出閉鎖信號閉鎖線路兩側保護。?考慮到中間不可避免存在通道狀態切換的過程，

為了保證該過程中保護裝置能準確判斷，通常在保護啟動并判斷出反方向故障后，若系統再發生擾動(如外部故障切除、故障轉換等)，保護將延時動作，以避開兩側保護正方向元件都動作的情況。(b)故障分量附加網絡圖5-9環網系統故障分量附加網絡功率分點問題示意圖(3)功率分點問題(a)環網系統?由于分布電容電流一般較小，可以提高方向判別元件電流門坎，犧牲一部分靈敏度來換取保護的選擇性。?當分布電容電流較大時，使保護無法滿足靈敏度要求時，可以采取電容電流補償措施來避免保護誤動。總存在功率分點k1

點發生故障時，母線M和N上的電

壓十分接近，流過線路LII

的穿越電流很小，主要為容性電流，由線路的分布電容決定，保護1、2將判出正方向故障而誤動。ΔI!m

=j

ωCIIΔU!mΔI!n

=j

ωCIIΔU!n解決功率分點問題:(5-15)(5-16)三、距離縱聯保護的基本原理?距離保護中的阻抗元件除可以判別故障方向外，根據不同整定值判別故障點所在范圍，同時還可以作為相鄰線路的后備保護。而且當通信通道因故無法正常通信時，距離縱聯保護可以方便地直接構成完整的階段式距離保護。?距離縱聯保護可以構成超范圍閉鎖式、超范圍

解除閉鎖式、欠范圍允許跳閘式、超范圍允許跳

閘式等。圖5-10閉鎖式距離縱聯保護示意圖四、高頻信號的交換1．?頻通道的基本構成?在輸電線上用載波的方法傳送50~400kHz的高頻信號，有“相——地制”和“相——相制”兩種形式?“相——地制”高頻通道的主要組成部分及作用包括：1)高頻阻波器2)耦合電容和結合濾波器3)高頻電纜4)縱聯高頻保護的收、發信機圖5-11閉鎖式距離縱聯保護示意圖2．高頻信號的交換高頻通道的工作方式有：(1)短時發信方式(正常無高頻電流方式

)(2)長期發信方式(正常有高頻電流方式

)(3)移頻方式正常運行時，發信機持續以某一頻率f1發送高頻信號，起監控高頻通道完好和閉鎖線路兩側保護的作用。在保護正方向或整定范圍內發生故障時，停止發送頻率為f1的信號，轉發頻率為f2的信號。第三節基于電流差動原理的縱聯保護一、電流差動保護基本原理及特性分析?輸電線路如果忽略分布電容等因素的影響，理論上可以等值為一個電氣節點，依照基爾霍夫電流定律，即流向一個節點的電流之和等于零這一基本原則，來判斷被保護設備內部是否發生了故障。從原理上保證選擇性，是一種非常理想的快速主保護。?線路兩側需要高速交換電流相量或瞬時值，這對通信提出了很高要求。光纖通信才符合要求。輸電線路縱聯差動保護已日益成為高壓、超高壓輸電線路的一種主要保護形式。?以電流從母線流向線路為參考正方向，則在正常運行或被保護線路外部故障時，所有流入該線路的電流之和為零：I!j

=0(5-

17)?當發生被保護線路內部故障時，從故障支路流(5-17)中，故根據基爾霍夫電流定律有：即故障電流由于沒有記入式過的電流

I!Fnj=1∑I!j

=I!F(5-18)圖5-14電流差動保護示意圖流入差動回路的電流為

I!d

=

+

=

I!

'm

+

I!

'n

(5-

19)二、帶制動特性的差動保護在實際應用中，如圖5-14所示線路MN兩側電流互感器往往勵磁特性不盡相同。考慮電流互感器勵磁電流的影響，式(5-19)可改寫為：I!

=

+

=

(I!m

Em

)+(I!n

En

)

(5-20)=

(I!m

+

I!n

)

?

(I!Em

+

I!En

)dd的差流I!d

應躲過正常運行及外部故障時的不平衡電流，即：(5-22)d

m

n

ub為了鑒別是否發生了內部故障，差動保護動作時?式(5-20)中第二項稱為不平衡電流，即：I!ub

=

?

(I!Em

+

I!En

)?式(5-22)即為差動保護的判據I

=

I!

'

+

I!

'

>

I(5-21)Krel

為可靠系數，通常可取1.3~1.5。K

為電流互感器的10%誤差系數。K

為電流互感器的同型系數，型號相同時取0.5，型號不同時取1。ererKaper

為非周期分量系數，I

為外部故障時流過電流互感器的最大故障I!d

的整定應綜合考慮下列因素：I

=Kre1Iub

=Kre1Ker

KaperKst

Ik?max

/

nTA電流。(5-23)maxst?dk制動特性2在內部故障時，提高差動保護的靈敏度2在正常運行和外部故障時，抑制不平衡電流的

影響提高保護可靠性2差動保護動作電流不再是固定的整定值而是跟

隨制動電流變化而變化。?正常運行或外部故障時，流過被保護線路的穿越電流產生制動作用，從而阻止差動保護動作。而內部故障時，穿越性電流的制動幾乎為零，流向短路點的故障電流，即差動電流遠大于起制動作用的穿越電流，從而保證縱差保護靈敏動作。穿越電流制動的

比率制動差動保護I!

'm

+

I!

'n

>

Id

.min

+

kres

I!

'm

n

(5-24)為了提高對內部輕微故障時縱差

保護的靈敏度，比率制動差動保

護還可采用如圖5-15(b)所示的

折線特性。(b)圖5-15比率制動差動保護的動作特性三、縱差保護的動作特性比率制動判據I!

'm

+I!

'n

>Id

.

min

+K(Ires

?Ires

.

min

)

I!

'

+

I!

'

?

I

res

res.min制動特性斜率KK

=

m

n

d

.min差動電流判據取制動電流為為拐點電流I!

'

I!

'

+

I!

'I

<I>

Id

.

minI

≥II

?

I(5-27)(5-28)(5-29)I

=Ires.minres

res.min2res

res

.minm

nm

n，res四、輸電線路縱聯差動保護的特殊問題1．采樣同步問題采樣時刻調整法是目前運用較多的一種同步方法所謂采樣時刻調整，即將線路兩端的保護裝置分為主、從站，以主站的采樣時刻為基準，從站不斷根據主站的采樣時刻進行調整，從而最終保證所有保護判據采用同一時刻電流量的一種同步方法。通道延時：t

=

tr2?

Tm1?

Tmdd?T

mj

=Tsi

?(tr3

?td

)mj

s圖5-16采樣時刻調整示意圖T

+T

+ΔtΔt

=TTm

(

j+1)

=2si?采樣時刻調整有如下優點：調整算法比較簡單，受通道延時變化影響小，可以適應傳送電流采樣值或相量的不同方案。?這種同步方法的不足是：必須滿足收、發時延相等的前提條件，不適應于收發路由不同的通訊系統。2．電容電流的影響?由于輸電線路沿線分布電容的存在，使保護正常運行、外部短路時，線路兩端電流之和為線路電容電流。?為了克服電容電流的影響，通常采用電容電流補償的措施，來提高縱差保護的靈敏度。圖5-17輸電線路Π型等值電路補償后，M、N側用于差動保護判據的電流分別為：I!

'm

=

I!m

.

m

?

j(

+

)

(5-34)I!

'

=

I!

?

j(

+

)

(5-35)用經過電容電流補償后的M

、N側電流，構成比率

制動差動保護判據(5-24)。nnnnnnnnnnnnnnnm.nnI!mc

=

jω

(U!m1

+

U!m2

)+

jω

U!m0

=

j(

+

)I!nc

=

jω

(U!n1

+

U!n2

)+

jω