电力系统继电保护第四章.ppt

第四章 输电线路纵联保护,仉志华中国石油大学（华东）信息与控制工程学院电气工程系,电力系统继电保护,本章主要内容,一、输电线路纵联保护概述二、输电线路纵联保护两侧信息的交换三、方向比较式纵联保护四、纵联电流差动保护,第一节输电线路纵联保护概述,4.1.1 输电线纵联保护概述,为此，设法将被保护元件两端(或多端)的电气量进行同时比较,以便判断故障在区内？还是区外？将两端保护装置的信号纵向联结起来，构成纵联保护。,仅利用线路一侧的电气量所构成的继电保护（单端电气量），无法区分本线路末端与相邻线路（或元件）的出口故障，如：电流保护、阻抗保护。,单端电气量保护：仅利用被保护元件的一侧电气量，可以作为后备保护或出口故障的第二种保护。（通常设计为三段式）纵联保护：利用被保护元件的各侧电气量，可以识别：内部和外部的故障，可作为主保护，不能作为后备保护。,输电线路纵联保护结构框图,在设备的“纵向”之间，进行信号交换,纵联保护有多种分类方法，可以按照通道类型或动作原理进行分类。,1）通道类型：导引线 电力线载波 微波 光纤,2）动作原理：比较方向 比较相位 基尔霍夫电流定律（电流差动）,还可以将通道类型与动作原理结合起来进行称呼。如：光纤电流差动（简称：光差），高频距离。,通道(信号交换手段),分析、讨论特征的目的：寻找内部故障与其他工况（正常运行、外部故障）的特征区别和差异 提取判据，构成继电保护原理。,4.1.2 两侧电气量的特征,构成原理后，再分析影响因素；并研究消除影响因素的对策、措施（需要权衡利弊）。,一、两侧电流相量和(或瞬时值和)的故障特征基尔霍夫电流定律：在一个节点中，流入的电流等于流出的电流。按照继电保护规定的正方向：指向被保护元件。则基尔霍夫电流定律可以修改为：在任何一个节点中，流入的电流之和等于0。下面，用图例说明。,基尔霍夫电流定律：,此式表明：流入节点的电流之和等于0。,按照继电保护规定的正方向,，得：,，就构成了继电保护原理 电流差动保护。广泛应用于各种设备的保护。,基尔霍夫电流定律的拓展：将节点拓展为一个封闭区域。,二者区别很大,被保护设备,设计区别的门槛,从负荷(或外部短路)电流的特征看：,“电流差动”名称的来历(与规定方向有关),即电流差0,若有电流差，就动作。,二、两侧功率方向的故障特征,1、正常运行,2、外部短路,3、内部短路,（为正）,（为负）,假定M为送端，N为受端,三、两侧电流相位的故障特征,1、正常运行,2、区外故障类似,3、区内故障,三、两侧电流相位的故障特征,四、两侧测量阻抗的故障特征,1、正常和区外故障,一侧阻抗可能动作，另一侧阻抗不动作。,2、区内故障,两侧阻抗均动作。,归纳：,正常运行或外部故障,内部故障,方向元件,两侧均为正,阻抗元件,一侧为正一侧为负,一侧动作一侧不动作,两侧均动作,（希望动作）,（希望不动）,特征分界,如何应用这些特征？后面陆续予以介绍。,电流相位,相位差,接近同相,4.1.3 纵联保护的基本原理,一、纵联电流差动保护 依据两侧电流相量和（瞬时值和）的故障特征，即，基尔霍夫电流定律。,动作门槛,一、纵联电流差动保护 依据两侧电流相量和（瞬时值和）的故障特征，即，基尔霍夫电流定律。,基本思路仍然适用,动作门槛,分相电流差动保护的优点：1）具有选择性好、可靠、灵敏、快速的优点；2）具有明确区分内部和外部故障的能力；3）具有自然选相的功能；4）不受运行方式、非全相、串补电容、转换性故 障、同杆并架线路的跨线故障、振荡及振荡中 再故障等因素的影响（受振荡的影响很小）；5）内部短路电流通常都大于差动电流的启动值。原理最好的保护,缺点：1）增加两侧信息交换的通道增加了复杂性。2）几乎不反映同一相内部的纵向短路。,3）采用导线实现线路两侧的信号交换时，导线（导引线）太长，更容易出现故障，容易烧毁（一次短路后，感应电流太大）。主要应用于：发电机、变压器、母线、电抗器等就近连接TA的保护中。,4）不能作为后备（所有纵联保护的缺点）。,漏电保安器原理类似于差动保护（供了解）。,时,漏电保安器动作跳闸,被反应出来,安全电流的标准：30mA,漏电保安器原理类似于差动保护（供了解）。,漏电保安器几乎不保护火线对零线的短路,几乎不动作！,空气开关（最简单的继电保护）,反映短路电流，或过负荷,二、距离纵联保护（方向比较式纵联保护）,M侧保护,N侧保护,阻抗动作信息的交换,二、距离纵联保护（方向比较式纵联保护）,M侧保护,N侧保护,1）区内故障,启动Z均动作两侧无延时跳闸,：简述信号交换与逻辑的过程,阻抗动作信息的交换,二、距离纵联保护（方向比较式纵联保护）,M侧保护,N侧保护,1）区内故障,启动Z均动作两侧无延时跳闸,：简述信号交换与逻辑的过程,阻抗动作信息的交换,至少一侧的Z不动两侧均不跳闸,二、距离纵联保护（方向比较式纵联保护）,M侧保护,N侧保护,阻抗动作信息的交换,2）区外故障,：简述信号交换与逻辑的过程,上述方式利用了距离II段（或III段等全线路有灵敏度）的测量元件，实现短路位置、方向的判别 构成：距离纵联保护。,也可以将 Z 元件更换为方向元件 构成：方向纵联保护。,距离纵联、方向纵联保护中，对方向元件的要求：1）具有明确的单一方向性；2）能覆盖线路全长。,信号线上“有1出1”,并闭锁两侧保护,M侧保护,N侧保护,还可以利用这样的特征：区外短路时，至少有一侧为负（或不动）。,上述结构称为：闭锁式。仅传输一个信号。,集电极开路,信号线上“有1出1”,并闭锁两侧保护,区外短路时，至少有一侧为负（或不动）。,集电极开路,1）上图所示的区外故障,闭锁两侧保护！,M侧Z不动，持续发闭锁信号，两侧均不跳。,N侧Z动也无效,信号线上“有1出1”,并闭锁两侧保护,区外短路时，至少有一侧为负（或不动）。,2）区内故障,信号线上“有1出1”,并闭锁两侧保护,区外短路时，至少有一侧为负（或不动）。,2）区内故障,信号线上“有1出1”,并闭锁两侧保护,区外短路时，至少有一侧为负（或不动）。,2）区内故障,通道上，无闭锁信号,两侧均满足跳闸条件,三、电流相位比较式纵联保护,区内故障,似乎可以设计为：动作区域,正常运行,三、电流相位比较式纵联保护,区内故障,动作区域,称为：相差保护,考虑误差后,第二节 输电线路纵联保护两侧信息的交换,信号交换的途径（通道）：1、导引线通信。2、电力线载波。3、微波通信。4、光纤通信。,1）导引线方式 主要应用于：发电机、母线、变压器、电抗器等保护中。用于就近的TA连接方式2）电力线载波 仅传输“有”、“无”高频信号。主要应用于传输：方向或相位信息。3）光纤通信 可以传输较多的数字信息。如：传输三相电流、电压的采样值、相量、跳闸信息、断路器状态信息等，并且有校验码，可靠性很高。,4）微波通信也可以传输数字信息。但衰减受气候影响较大，且属于“视距传输”，传输距离受限制。,视距,地球半径r约6360km,设h=100m时，,微波通信、光纤通信部分 自学（重点：基本原理、特点）,光纤与电流差动原理的结合，构成了目前最好的保护方式光纤差动保护（简称：光差）。其优缺点在前面已经说明了。,下面，简单地说明：在电力线载波方式中，各主要模块的功能或作用。,“相-地”制高频通道示意图,电力线载波,输电线(传输信号),“相-地”制高频通道示意图,电力线载波,对高频呈现开路，对工频呈现 0.04欧,结合电容器,对高频呈现小阻抗，对工频呈现开路,“相-地”制高频通道示意图,电力线载波,“相-地”制高频通道示意图,连接滤波器,电力线载波,“相-地”制高频通道示意图,高频电缆,电力线载波,“相-地”制高频通道示意图,保护间隙,电力线载波,“相-地”制高频通道示意图,接地刀闸,电力线载波,“相-地”制高频通道示意图,高频收发信机,电力线载波,1）长期发信方式 正常有高频电流方式,2、高频通道工作方式,也是信号,信号,平时,故障时,高频载波只能体现“有高频”和“无高频”2个信息,1是信号，0也是信号！,2.高频通道工作方式,2）故障启动发信方式 正常无高频电流方式,3）移频方式,故障时刻,3、高频信号的应用,(1)跳闸信号,(2)允许信号,(3)闭锁信号,高频信号是跳闸的充分条件,高频信号是跳闸的必要条件，但不是充分条件,收不到高频信号是跳闸的必要条件,第三节方向比较式纵联保护,4.3.1 方向元件,在纵联方向保护中，方向元件或功率方向测量元件是保护中的关键元件。方向元件的作用是判断故障的方向，纵联方向保护中的方向元件应满足以下要求：,(1)反应所有类型的故障且无死区；(2)不受负荷的影响，在正常负荷状态下不启动；(3)不受系统振荡影响，在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方向；(4)在两相运行时仍能起保护作用,纵联保护中使用的方向元件主要有：故障分量方向元件等,3.8.1 工频故障分量 的概念,(a)故障系统,当系统在k点发生金属性短路时，故障点的电压降为0；将其分解成故障前负荷状态和短路附加状态两个子系统。故障前负荷状态对应于故障前的正常系统，各点处的电压电流均与故障前的稳态负荷情况一致。短路附加状态中各点的电压电流是由故障引起的电压电流的变化量，其中的工频成分，就是工频变化量。,系统故障时，保护安装处电流、电压的变化量可以分别表示为：,3.8.1 工频故障分量 的概念,1.故障分量的方向元件,假设电流的正方向由母线指向线路，在正方向短路时，保护安装处工频故障分量的电流、电压关系为：,在反方向短路时，工频故障分量的电流、电压关系为：,可见，利用故障分量的方向元件有明确的方向性。,1.故障分量的方向元件,为了便于实现电压、电流相位关系的判定，实际的方向元件是比较故障分量电压和电流在模拟阻抗Zr上产生的电压之间的相位，设Zr、Zs及Zs的阻抗角相等，所以正方向故障时,其功率方向为正。,即：,考虑各种因素的影响，工频突变量方向元件在正方向故障时功率方向为正的判据为：,以1800为中心，900范围,反方向故障时，其功率方向为负。,即：,考虑各种因素的影响，在反方向故障时，功率方向为负的判据为：,以00为中心，900范围,1.故障分量的方向元件,对于负序、零序分量类似,式中Zs、Z0s分别为母线背后等效电源的负序及零序阻抗,反方向故障时:,正方向故障时：,式中Zs、Z0s 分别为线路和对侧等效电源的负序及零序阻抗之和。,1.故障分量的方向元件,负序、零序方向元件在正方向故障时功率方向为正的判据为：,式中Zr、Z0r为元件中的模拟阻抗，其相角分别与电源的负序及零序阻抗角相等。,1.故障分量的方向元件,由以上分析可知，反应故障分量方向元件具有以下几个特点：,（1）不受负荷状态的影响；（2）不受故障点过渡电阻的影响；（3）故障分量的电压、电流间的相角由线路背后的系统阻抗决定，方向性明确；（4）可消除电压死区；（5）不受系统振荡影响。,1.故障分量的方向元件,4.3.2 闭锁式方向纵联保护,以通道正常无高频电流而外部故障时发出闭锁信号的方式构成的保护。此闭锁信号由短路功率方向为负的一端发出，这个信号被两端的收信机所接收而把保护闭锁，称为闭锁式方向纵联保护。,1、高频闭锁方向保护,设故障发生于线路BC的范围内。分析1、2、3、4、5、6保护的功率方向。,基本原理：,对非故障线路AB和CD，其靠近故障点一端的保护2和保护5的功率方向为负，则该端的保护发出高频闭锁信号，此信号一方面被自己的接收机接收，同时经高频通道把信号送到对端的保护，保护装置1、2和5、6都被高频信号闭锁。保护不会将线路AB和CD错误的切除。,保护装置组成：起动元件I1和I2，其灵敏度选择的不同，灵敏度较高的起动元件I1只用来起动高频发信机以发出闭锁信号，而灵敏度较低的起动元件I2则准备好跳闸回路。功率方向元件3用以判别短路的方向，4ZJ用在内部故障时，停止发出高频信号，5ZJ用以控制保护的跳闸回路。（5ZJ有动作线圈和制动线圈）,1.外部短路（假设故障发生在线路右侧保护之外）线路左侧保护功率方向为正，右侧保护功率方向为负，此时，两侧的启动元件I1均动作，经过4ZJ的常闭触点启动发信机，发信机发出的闭锁信号一方面为自己的收信机所接收，一方面经高频通道，被对端的收信机接收。当收到信号后，5ZJ的制动线圈中有电流，即把保护闭锁，起动元件I2也同时动作闭合其触点，准备了跳闸回路，在Sk为正的一端，方向元件3动作使4ZJ起动，触点断开停止发信，同时给5ZJ的工作线圈加入电流，在Sk为负的一端，方向元件不启动，4ZJ不动作，故发信机继续发送闭锁信号，,线路左侧保护的5ZJ中两个线圈均有电流，线路右侧保护的5ZJ中只有制动线圈有电流，两个继电器均不能动作，保护被闭锁。,2.两端供电线路区内短路 两端保护的I1和I2均动作，其后两端方向元件3和4ZJ也动作，两端发信机均停信，这时5ZJ中就只有工作线圈中有电流，故能立即动作使两端的断路器跳闸。,3.单端供电线路区内短路 当只从一端供电的线路内部故障时，在受电端的半套保护不启动，也不发高频信号，而在电源端的保护则能够立即动作使电源端的断路器跳闸。,4.对于用故障分量构成的功率方向元件，在振荡中不会误动 对接于相电流和相电压（或线电压）上的功率方向元件，当系统发生振荡且振荡中心位于保护范围以内时，由于两端的功率方向均为正，保护将要误动，而对于反应负序或零序的功率方向元件，则不受振荡的影响。（振荡时三相对称）,对于用故障分量构成的功率方向元件不受振荡的影响。,4.3 闭锁式距离纵联保护方向判别：1）超范围的方向阻抗元件。2）超范围的功率方向元件。,称为：闭锁式纵联距离保护。称为：闭锁式纵联方向保护。,重点介绍常用的闭锁式纵联距离。,时间元件的表示方法：,启动元件与阻抗之间的灵敏度配合：,一般t2为416ms(等对侧信号发过来),高频闭锁距离保护的原理接线图,t1100ms(确保两侧阻抗元件返回后,才撤销高频),三个时间的作用,高频闭锁距离的逻辑工作过程,以M侧为例说明工作过程，适当地方再指出N侧的不同之处。红色表示：动作，或逻辑为1。,1）区外故障,以M侧为例说明工作过程,N侧类似,1）区外故障,以M侧为例说明工作过程,N侧类似,1）区外故障,以M侧为例说明工作过程,先闭锁，防误动；同时，测试收信回路的完好性。,1）区外故障,以M侧为例说明工作过程,1）区外故障,以M侧为例说明工作过程,1）区外故障,以M侧为例说明工作过程,如果对侧高频信号没有传过来，会出现无闭锁信号。,1）区外故障,以M侧为例说明工作过程,如果对侧高频信号没有传过来，会出现无闭锁信号。没有t2延时，则立即满足动作条件。,区外故障逻辑过程的简单归纳：1）故障时，两侧先启动，并且都发信。2）正方向元件动作仅停止本侧发信。3）反方向侧继续发信闭锁两侧保护。利用的特征：任一侧为负，就闭锁保护。,2）区内故障,以M侧为例说明工作过程,启动和发信的过程与前面是一致的,2）区内故障,以M侧为例说明工作过程,以M侧为例说明工作过程,两侧都停发高频,2）区内故障,2）区内故障,以M侧为例说明工作过程,两侧都是如图标识的逻辑,跳闸,区内故障逻辑过程的简单归纳：1）故障时，两侧先启动，并且都发信。2）正方向元件动作仅停止本侧发信。3）两侧都停信两侧保护立即跳闸。利用的特征：两侧阻抗均动作，就发跳令。,3）需要防止“功率倒向”的影响,非故障线#1为负#2为正,如果先跳开,#1为正#2为负,再如果保护2识别“由正变负(功率倒向)”过程慢一些，就可能短时出现：两侧均为正的情况导致误动。,故障30ms以后，才可能出现“功率倒向”。解决办法：故障30ms以后，如果再满足动作条件，需要延时确认。,“功率倒向”,4）防振荡影响的对策,防功率倒向影响的对策,确认40ms,与距离I、II段类似，短时开放150ms。,相差高频保护 利用高频载波信号传输两侧电流的半周信号。目前，基本上不采用了。其优点几乎都被光纤电流差动保护所涵盖，另外，光差还有其他更多的优点。相差高频有一个优点优于光差：不必同步采样。介绍的目的：了解特征的利用。,调制过程可以理解为（仅作为理解）：,高频信号,高频,区内故障时,调制,高频信号与电流幅值无关。如图，红色的高频信号(对侧发过来)是经过了传输的衰减所致。,将正半周方波调制成高频信号,出现断续(大于闭锁角)的高频信号，满足动作条件,外部故障时,调制,两侧高频信号衔接起来(高频信号是连续的)，无高频间断，不满足动作条件。,第四节 纵联电流差动保护,动作门槛。考虑TA误差、分布电容等影 响因素，并躲不平衡电流、非周期分量。,外部短路最大电流(二次值),非周期分量系数,TA同型系数(同型取0.5,不同型取1),10%误差,二次电流,一次电流,理想,饱和曲线,10%误差,外部短路最大电流(二次值),非周期分量系数,TA同型系数(同型取0.5,不同型取1),10%误差,二次电流,一次电流,理想,饱和曲线,10%误差,1)不同型时，最大误差：10%,2)同型时,考虑都有误差,最大为：0.510%=5%,考虑到：电流互感器的传变误差是随着电流的大 小而变化的。,为此，更科学的方案是：制动量为浮动的。,动作量,制动量,在所有电流差动保护中，研究内容之一：制动量如何选择？,常用的制动量为：,短路时，流入差动继电器的实际短路电流,标积制动式,比率制动式,比率制动式,常用动作方程修改为：,进一步考虑到：电流较小时，误差会使得上式误动。因此，再加入一个最小电流的限定：,动作区,4.4.2 两侧异地电流的同步测量1、基于数据通道（光纤通信）的同步方法,假设M侧为主站(基准侧)、N侧为从站(需要调整同步),失步状态,主站,从站,4.4.2 两侧异地电流的同步测量1、基于数据通道（光纤通信）的同步方法,假设M侧为主站(基准侧)、N侧为从站(需要调整同步),失步状态,主站,从站,失步状态,主站,从站,在来回路径(路由)一样的条件下，有：,于是,两侧同步的步骤：1）从站将 发给主站；2）主站利用已知的，求出，再发给从站；3）从站根据 进行采用时刻的跳整，实现同步。,失步状态,主站,从站,主站,从站,不同步时间差,上述方案是光纤差动保护中最常用的同步方法。应用的前提是：来回路由一样（路径一致）。,如果来回路由不一致，那么，光纤差动保护在正常运行时将出现差电流，这是最大的担忧。解决措施之一：差电流与电流启动同时出现才开放保护。,1）仅有差电流失步或其他原因告警。2）差电流与电流启动同时出现故障或TA断线。差电流与两侧电流均启动故障特征。差电流与一侧电流启动、另一侧电压低 也是故障的特征。,如果不同步，会误动。2007年7月1日，河南西部较大范围的停电。,跳闸,下面用实例说明：思考、对策和演变过程。,措施1：增加差流与启动元件同时动作的条件。这样，不同步时，误动的概率降低了很多。但是，在一定负荷电流情况下，TA断线时，还可能会满足“既有启动，又有差流”的条件，从而导致误动。,跳闸,于是，考虑采用两侧电流均启动的逻辑：,跳闸,还有问题：有一侧为负荷侧，又出现轻载 会出现拒动。,跳闸,无流时，电压也会降低,仅用电压,又不安全(PT断线),比较完善的逻辑：,跳闸,另一种同步方法：GPS同步法（了解）。,GPS能够提供：秒脉冲，以及标准时间代码（年、月、日、时、分、秒）。平时的同步误差,但是，应当注意到：GPS是美国的设备，在特殊情况下，可能无法准确使用。我国也在完善“北斗星”系统。,影响电流差动保护的因素及其对策：,影响因素,同步问题,互感器误差,分布电容,负荷电流的制动,不平衡电流,主要对策,设法同步（修正）,定值考虑,定值考虑,补偿(利用电压),增加故障电流差动,识别,饱和,电容电流的补偿方法：,另一侧类似,线路纵联保护的重点：1）何种保护利用何种特征？区内故障什么特征？其他情况又是什么特征？2）信号交换的通道方式。3）逻辑关系、信号方式(跳闸、允许、闭锁)。4）闭锁式高频距离保护中，两个时间元件的作用？大约是多少？5）电流差动保护中，不平衡电流、动作特性。,The end,