现代电网继电保护原理(研究生教学ppt课件).ppt

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1、现代电网继电保护原理,主要内容,现代电网概述 利用故障分量的继电保护理论基础 利用故障分量的保护元件构成原理 利用稳态故障分量的纵联保护利用暂态故障分量的超高速保护自适应继电保护输电线路故障测距小电流接地故障监测,现代电网概述,电网：由输电、变电、配电设备及相 应辅助系统组成的联系发电与用电的统 一整体。,电力系统构成,电力系统构成,按电压等级划分电网,特高压(UHV)：1000kV及以上,超高压(EHV)：330kV，500kV，750kV,输电网,配电网,高 压：220kV,高压：35kV，66kV,110kV,中压：6kV，10kV,20kV,低压：380V/220V,交流,直流,特高压

2、(UHVDC)：800kV,高 压(HVDC)：100kV，500kV,数字化变电站屏柜,传统变电站屏柜,配电网接线方式,“手拉手”环网接线,单电源辐射网接线,架空配电网接线方式,“手拉手”环网接线,电缆配电网接线方式,单环网,配电网接线方式,现代电网发展趋势,超高压、特高压、远距离输电网数字化/智能变电站有源/智能配电网,智能电网的发展，对继电保护技术提出了更高的要求：1）可靠性、选择性、速动性、灵敏性；2）自适应、智能化,继电保护基本概念,继电保护（Relay Protection）泛指能反应电力系统中电气设备发生的故障（如短路、断线）或不正常运行状态（如过负荷），并动作于相应断路器跳闸或

3、发出告警信号的一种自动化技术和装置。继电保护装置是保证电力元件安全运行的基本装备，任何电力元件不得在无继电保护的状态下运行。,继电保护研究内容,提出保护原理 在分析电网发生故障或不正常运行状态下各种电气量或其他特征物理量（如变压器油箱内的瓦斯）的变化规律的基础上，找出它们与正常运行状态的之间的差别，然后制定出合理的保护动作判据。研制保护装置 根据已经提出的保护原理，设计实际装置来实现继电保护功能。,继电保护分类,按反应的电网运行状态分类 1）反应故障（包括短路和断线）状态，保护动作于相应断路器跳闸；2）反应不正常运行状态（如过负荷、小电流接地系统发生单相接地故障等），保护动作于告警信号。按保护

4、对象分类 如：变压器保护、线路保护、电容器保护等。,继电保护分类,按保护所起的作用分类 可分为主保护、后备保护和辅助保护。主保护满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除所保护范围内的故障。,继电保护分类,按保护所起的作用分类 可分为主保护、后备保护和辅助保护。后备保护指主保护或断路器拒动时用来切除所保护范围内故障的保护原理或装置，可分为远后备保护和近后备保护。远后备保护由相邻电力设备或线路的保护来实现。近后备保护由本电力设备或线路的另一套保护来实现（当主保护拒动时），或者由断路器失灵保护来实现（当断路器拒动时，只动作于母联断路器和母线分段断路器）。,继电保护分类,按保护所起的作用分

5、类 可分为主保护、后备保护和辅助保护。辅助保护是为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行时所增设的简单保护。,继电保护分类,按构成保护判据的特征物理量分类 如：电流保护、距离保护、差动保护等。按利用的故障信号频谱特征分类 1）工频分量；2）暂态分量 常规保护原理只反应工频分量。利用暂态分量可以构成各种超高速保护，如行波保护、暂态保护等。,继电保护分类,按通信通道分类 主要针对线路保护而言。可分为有通道保护和无通道保护。前者包括高频保护、微波保护、光纤保护等，后者包括所有只利用本端测量信号的保护原理。按保护装置结构型式分类 可分为机电型、静态型和微机型。,继电保护的工作回路,对继

6、电保护的基本要求,对动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即可靠性、选择性、速动性和灵敏性。可靠性 包括安全性和信赖性，是对继电保护性能最根本的要求。安全性要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动作。信赖性要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不发生拒绝动作。,对继电保护的基本要求,选择性 指保护装置动作时，在可能最小的区间内将故障部分从电力系统中断开，最大限度地保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。它包含两层意思：1）只应由装在故障元件上的保护装置动作切除故障；2）力争相邻元件的保护装置对它起后备保护的作用。,对继电保护的基本要求,选择性

7、,对继电保护的基本要求,速动性 故障发生时，应力求保护装置能迅速动作切除故障元件，以提高系统稳定性，减少用户经受电压骤降的时间以及故障元件的损坏程度。故障切除时间等于保护装置和断路器动作时间的总和。一般快速保护的动作时间为0.06s0.12s，最快的可达0.01s0.04s。一般断路器的动作时间为0.06s0.15s，最快的可达0.02s0.06s。,对继电保护的基本要求,速动性 保护动作速度越快，为防止保护误动采取的措施越复杂，成本也相应提高。因此，配电网保护装置在切除故障时往往允许带有一定延时。,对继电保护的基本要求,灵敏性 指对于保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。在规定的保护

8、范围内发生故障时，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，保护装置都应能灵敏反应，没有似动非动的模糊状态。保护装置的灵敏性通常用灵敏系数来衡量。根据规程规定，要求灵敏系数在1.22之间。,对继电保护的基本要求,实际工作中，在确定被保护元件的保护方式时，还要考虑其经济性要求，即在满足基本保护功能要求的前提下，应尽可能减少投资。随着电力市场化进程的深入，对经济性要求越来越重视，甚至把它和前面介绍的四个基本要求合在一起，称为保护的五个基本要求。考虑经济性时，不能仅仅局限于保护装置本身投资的大小，还应从电网的整体安全及社会利益出发，按被保护元件在电网中的作用和地位来确定保护方式，因

9、为保护不完善或不可靠造成的损失，一般都远远超过即使是最复杂的保护装置的投资。,对继电保护的基本要求,对继电保护装置的各项基本要求是研究分析继电保护性能的基础。这些要求之间往往是相互制约的，例如提高保护装置动作可靠性的措施，一般会造成动作速度及动作灵敏性下降，并增加保护成本。因此，继电保护的研究、设计、制造和运行的绝大部分工作就是围绕着如何处理好这些基本要求之间关系进行的。实际工作中，要根据具体情况以及要解决的主要矛盾，统筹兼顾，寻求一个适当的解决方案。,继电保护发展概况,继电保护原理随着对电网故障特性认识的不断深入而呈现出低速、高速到超高速的发展趋势。,继电保护发展概况,继电保护装置随着元器件

10、技术的发展而发展。可以概括为三个阶段、两次飞跃。,继电保护发展概况,微机继电保护装置的特点：1）维护调试方便 2）可靠性高 3）易于获得附加功能 4）灵活性大 5）保护性能得到很好改善,继电保护发展概况,全数字式微机保护装置 随着电子传感器及高速数据（光纤）通信技术的发展，变电站微机保护装置可以通过通信接口获取来自现场的数字化后的电压、电流信号，进而实现保护装置的完全数字化，使微机保护装置的构成出现革命性的变化。,继电保护发展概况,广域保护系统 定义：获取电力系统的多点信息，利用这些信息对故障进行快速、可靠、精确的切除，同时分析切除故障对系统安全稳定运行的影响并采取相应控制措施的系统。,利用故

11、障分量的继电保护理论基础,电力系统故障信息,电力系统的故障是通过故障信息来表征的。故障信息分为内部故障信息和外部故障信息，其中蕴涵故障发生时间、故障方向、故障类型、故障距离及故障持续时间等信息，因而是区别正常运行状态与故障状态最本质的特征。故障信息的识别、处理和利用一直是继电保护及故障测距发展的基础。,电力系统故障状态分析叠加原理,故障状态,故障前状态,故障附加状态,故障分量的基本概念,电力系统的故障状态可视为故障前状态与故障附加状态的叠加，其中故障前状态可以是各种非故障状态，也可以是前一次故障状态的继续，而故障附加状态则是由当前故障所激发的。故障附加状态中的电气量（电压、电流）称为故障分量。

12、,故障分量的基本概念,故障分量是仅在系统发生故障时出现，而在系统正常运行及不正常运行时不存在的电气分量，即它随着故障的出现而出现，随着故障的消失而消失。所以，故障分量的存在，是电力系统处于故障状态的表征。故障信息实际上蕴涵于故障分量之中，因而对故障信息的提取和处理可以转化为对故障分量的提取和处理，即通过故障分量来判别故障方向、故障类型及故障距离等。,故障分量的基本概念,应用故障分量构成继电保护动作判据时，只需要寻找区内故障与区外故障的“差异”，而不必考虑正常及不正常情况，因而，保护具有较高的灵敏度，一般也具有较快的动作时间和较好的选择性，不必采用振荡闭锁等防止振荡时保护误动的措施。,故障分量的

13、特点,非故障状态下不存在故障分量，故障分量仅在故障状态下出现；故障分量独立于非故障状态，受电网运行方式的影响不大（有一定的影响，但比传统保护小）；故障点的电压故障分量最大，系统中性点处故障分量电压为零；保护安装处故障分量电压电流之间的关系，取决于背后系统的阻抗，与故障点的远近及过渡电阻的大小没有关系（但故障分量值的大小受过渡电阻及故障点远近的影响）。,故障分量的分类,故障分量分为稳态故障分量和暂态故障分量，二者都是可以利用的。为了研究稳态故障分量，输电线路模型取为集中参数模型就可以了，如果还要进一步消除暂态故障分量的影响，除了采取滤波措施以外，输电线路模型也要加以修正。为了研究暂态故障分量，输

14、电线路模型必须取为分布参数模型，如果还要进一步考虑线路损耗及参数的依频特性，同样要对线路模型予以修正。,故障分量的组成,故障分量的利用,上述这些分量都可以用来构成继电保护：即故障分量中的工频分量，可以用来构成工频变化量方向保护、工频变化量距离保护、工频变化量差动保护、零序保护、负序保护等；：即全部的故障分量，可以用来构成电流突变量起动元件、电流突变量选相元件、方向行波元件、行波距离（测距）保护等；：暂态分量中的高频部分，用来构成反映单端电气量的暂态保护。,故障分量的提取与识别方法,来自电压互感器TV和电流互感器TA的电压电流都是故障后的全电压和全电流，构成反映故障分量的继电保护时，应设法将故障

15、分量 从全电压和全电流中提取出来。在微机保护中，故障分量的提取方法为（电流）：,故障分量的提取与识别方法,通常情况下，取n1、2或4：n1：n2：n4：这样可以计算出故障分量的采样序列，利用微机保护中的各种算法可以求出其幅值、相位等特征量。,故障分量的提取与识别方法,以n2为例，波形如下：,故障分量的应用,目前在电力系统中广泛采用反应工频电气量的微机保护装置，这类装置利用了由稳态故障分量构成的电流元件、方向元件、选相元件和距离元件等分别构成不同原理的保护，包括电流保护、方向性保护、差动保护、距离保护、纵联保护及自适应保护等。在这些保护装置中，暂态故障分量被视作干扰和噪声而被滤除，因而所有的研究

16、重点在于如何设计性能较好的工频滤波器。,故障分量的应用,随着电力系统输送功率的不断增加，电压等级也在不断提高，系统的暂态稳定性问题也日趋严重，而提高系统暂态稳定性最直接而又简单有效的方法是超高速切除系统中发生的各种故障。为了适应现代电力系统发展的需要，研究超高速线路保护具有十分重要的现实意义。,故障分量的应用,由于电压等级的提高，系统暂态的持续时间加长，故障后的一次波形严重畸变，再加上传感器暂态过程的影响，使得基于工频电气量的继电保护需要采用大量的滤波措施才能保证测量精度。严格来说，故障信号为一非平稳信号即时变信号，传统的Fourier分析方法存在先天不足，因而常规保护不能较好地解决可靠性与速

17、动性之间的矛盾，从而很难满足超高速动作的要求。,故障分量的应用,20世纪70年代以来，国内外许多继电保护工作者一直在致力于超高速线路保护的理论研究，并取得丰硕成果。这些研究工作完全摈弃传统的继电保护思想，而直接分析故障产生暂态分量的特征以期从中提取出有用的故障暂态信息。研究表明，暂态故障分量中含有比稳态故障分量中更多的故障信息，且这些信息不受系统振荡、负荷变化及CT饱和等因素的影响，从而为继电保护理论的发展开辟了一条新的途径，这就是反应故障暂态信息的超高速继电保护。,故障分量的应用,故障测距问题一直困绕着广大的继电保护工作者。传统的阻抗测距法以及基于单端信息的故障分析法只能通过计算测量回路的阻

18、抗实现故障测距，这不可避免地受过渡电阻的影响。为了彻底消除过渡电阻的影响，必须能够准确获得线路两端的系统参数，而这在实际系统中是很难的。基于双端信息的故障分析法不受过渡电阻的影响，但需要交换两端的信息，而且两端的数据采集一般还要求能够同步。此外，上述测距方法均受传感器误差的影响，因而测距精度得不到保证。,故障分量的应用,理论研究和现场运行经验表明，从暂态故障分量中提取出来的故障行波信息可以用于故障测距，而且基本不存在上述缺陷，完全可以将故障距离定位到一个杆塔之内（误差小于1km）。因而可以预见，反应故障行波信息的故障测距技术必将成为快速、准确查找输电线路故障点的有力武器。,故障分量的应用,在暂

19、态故障分量中，最引人注目的莫过于行波分量，迄今为止的绝大多数超高速保护及高精度故障测距原理都是基于行波理论提出的。,故障分量的应用,利用暂态故障分量的小电流接地故障定位（选线）技术可望彻底解决长期困扰电力部门的小电流接地故障定位问题。,利用故障分量的保护元件构成原理,启动元件,启动元件,启动元件,方向元件,正方向故障,反方向故障,选相元件,（1）意义有助于投入故障特征最明显的阻抗测量元件；可用于选相跳闸。,选相元件,（2）选相算法的基本原理利用电流故障分量选相 单相接地故障：两个非故障相电流故障分量之差为零。,选相元件,（2）选相算法的基本原理利用电流故障分量选相 两相不接地短路：非故障相电流

20、为零，两个故障相电流故障分量之差最大。,选相元件,（2）选相算法的基本原理利用电流故障分量选相 两相接地短路：两个故障相电流故障分量之差最大。,选相元件,（2）选相算法的基本原理利用电流故障分量选相 三相短路：三个相电流故障分量差的有效值均相等。,选相元件,（2）选相算法的基本原理利用电流故障分量选相,选相元件,（2）选相算法的基本原理对称分量选相 基本思路：首先通过检测是否同时存在零序电流和负序电流分量来区分相间短路和接地故障。对于接地故障，可通过比较零序电流和负序电流之间的相位差进一步区分单相接地短路和两相接地短路。,选相元件,（2）选相算法的基本原理对称分量选相,距离元件阻抗判据,距离元

21、件动作条件：,距离元件阻抗判据,距离元件动作条件：,距离元件电压判据,Z set,定义：,Um、Im为线路故障后的保护安装处电压、电流相量,k1,z,Z set,k2,k3,(a),(b),(c),(d),距离元件电压判据,保护区内k1点故障：,保护区外k2点故障：,保护区反向k3点故障：,距离元件电压判据,保护动作判据：,满足该条件，说明为区内故障，否则为区外故障。,距离元件电压判据,利用稳态故障分量的纵联保护原理,纵联保护,纵联电流差动保护纵联（方向）比较式保护 闭锁式 允许式 直跳式,纵联电流差动保护,基于基尔霍夫电流定律的纵联电流差动保护，是到目前为止最为完善的继电保护原理，在发电机、

22、变压器、母线、电抗器、大容量电动机和输配电线路等电气设备中都得到了应用。,纵联电流差动保护基本原理,被保护设备,*,*,*,*,I-I,纵联电流差动保护示意图,TA1,TA2,KD,被保护设备：发电机 变压器 电动机 母线 线路 电抗器等,纵联电流差动保护分析,即流入到差动继电器KD中的电流为0，继电器不会动作。,正常及外部故障时：,纵联电流差动保护分析,被保护设备发生故障时（区内故障时）：流入KD的电流为故障电流的二次值，KD动作。可见，差动保护是一种反映故障分量的保护。,纵联电流差动保护问题,在理想情况下，根据KD中是否有电流，就能够区分出是否有内部故障。在实际情况下，由于电流互感器误差等

23、因素的存在，在正常运行及外部故障时也会有一定量的不平衡电流流入差动继电器KD，特别是在外部故障电流互感器饱和的情况下，误差将会大大增加，会有比较大的不平衡电流流入KD。为防止差动保护误动，KD的动作电流必须按躲过外部故障的最大不平衡电流来整定。,纵联电流差动保护问题,带来的问题是动作值过大，内部故障的灵敏度降低。采用带制动特性的差动保护，是解决可靠性与灵敏性之间矛盾的有效措施。,电流差动保护比率制动特性,单斜率差动保护动作特性,双斜率差动保护动作特性,1,2,3,、,Iunbmax,电流差动保护判据,在图示参考方向下动作量：通常情况下，制动量选为：动作表达式：K制动系数，0,电流差动保护故障分

24、量的判据,动作量：,制动量：,动作方程：,故障分量电流差动保护的分析,动作量：,制动量：,即动作量与全电流差动保护完全一样。,故障分量电流差动保护内部故障,内部故障时：,所以只要,满足动作条件，且有较高的灵敏度。,k,Z N,Z M,故障分量电流差动保护外部故障,外部故障时：,所以只要,不满足动作条件，且有较大的裕度。,故障分量电流差动保护动作特性,0.10.15,2,Kres=0.81.0,内部故障区,外部故障区域,纵联电流差动保护分析,被保护设备为发电机、变压器和母线时，其各侧的电流互感器均在同一个厂站内，这时可由两种方式实现上述的电流差动。一种方式是直接将设备各侧的电流接入到同一个装置中

25、，由该装置按照差动保护的公式进行分析比较，判断故障区间；另一种方式是每个电流互感器的输出都接到一个采集装置中，然后通过通信网络将各个采集装置联系在一起，实现差动算法。,纵联电流差动保护分析,发电机、变压器一般采用第一种方式，母线既可以采用第一种方式，也可以采用第二种方式，第二种方式实现的差动保护成为分布式母线保护。当被保护设备为输电线路时，由于两端相距甚远，需要在每一侧都装设采集装置，然后利用通信线路来交换两端的电流信息。,纵联电流差动保护通信,可用的通信手段：（1）导引线（2）载波（3）微波（4）光纤 光纤通道具有传输速率高、抗干扰性能好、安全可靠性高、能保持长期不间断地传输信号的特点,已成

26、为纵联保护信号传输通道的首选方式。,纵联（方向）比较式保护,构成纵联（方向）比较式保护在被保护设备的每一端都装设一个反映故障方向的测量元件。,被保护设备：发电机 变压器 电动机 母线 线路 电抗器等,纵联（方向）比较式保护,方向性测量元件是构成纵联分析比较式保护的核心，常用的方向元件包括：（1）故障分量方向元件；（2）负序功率方向元件；（3）零序功率方向元件；（4）方向阻抗元件；（5）相电压补偿式的功率方向元件等；（6）在单侧电源的情况下，按躲最大负荷电流整定的过电流元件，也能反映故障方向。,纵联（方向）比较式保护,当每一端的测量元件都指示为正向故障时，表明故障为“区内故障”；任何一端的测量元

27、件指示为反向故障时，表明故障为“区外故障”。实现方法：闭锁式和允许式两种比较方法。,纵联方向比较保护闭锁式,当任一侧方向元件判断为反方向时，不仅本侧保护不跳闸，而且由发信机向对侧发出闭锁信号，对侧保护接收到闭锁信号后，闭锁该侧保护。外部故障时，近故障侧的方向元件判断为反方向故障，所以由近故障侧闭锁远故障侧。内部故障时，两侧方向元件都判为正方向，都不发送闭锁信号，两侧收信机接收不到闭锁信号，也就不会去闭锁保护，于是两侧方向元件均作用于跳闸。,纵联方向比较保护闭锁式,I1,W,&,收信,跳闸,I2,W+,&,&,发信(闭锁),纵联方向比较保护闭锁式,工作过程:当外部故障时，如图所示保护1和2的情况

28、，在A端的保护1功率方向为正，在B端的保护2功率方向为负。此时，两侧的起动元件1均动作起动发信机发信。发信机发出的闭锁信号一方面为自己的收信机所接收，一方面经过高频通道，被对端的收信机接收。当收到信号后，保护被闭锁。此外，起动元件2也同时动作闭合其触点，准备了跳闸回路。在短路功率方向为正的一端(保护1)，其方向元件动作，停止发信。在方向为负的一端(保护2)，方向元件不起动。因此，发信机继续发送闭锁信号。,纵联方向比较保护闭锁式,在这种情况下，保护1和保护2均不能动作，保护就一直被闭锁。待外部故障切除，起动元件返回以后，保护即复归原状。当两端供电的线路内部故障时，两端的起动元件1和2均动作，其作

29、用同上。之后两端的方向元件动作，即停止了发信机的工作，保护能立即动作分别使两端的断路器跳闸。,纵联方向比较保护闭锁式,需要两套起动元件。由以上分析可以看出，在外部故障时，距故障点较远一端的保护所感觉到的情况，和内部故障时完全一样，此时主要是利用靠近故障点一端的保护发出高频闭锁信号，来防止远端保护的误动作。因此，在外部故障时保护正确动作的必要条件是靠近故障点一端的高频发信机必须起动，而如果两端起动元件的灵敏度不相配合时，就可能发生误动作。因而保护需要两个起动元件1和2，其灵敏度选择的不同，灵敏度较高的起动元件1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2则准备好跳闸的回路。任何一

30、端发出闭锁信号的元件的灵敏度都应保证高于对端保护动作跳闸元件的灵敏度，也就是说必须保证两端保护灵敏度的配合，否则可能误动。,纵联方向比较保护闭锁式,单电源线路内部故障。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起动，也不发送高频闭锁信号，而在电源端的保护动作情况则和上述分析相同，此时能够立即动作使电源端的断路器跳闸。单电源线路外部故障。与双电源情况类似，近故障端测量元件反映为反向故障，不会误动。,纵联方向比较保护闭锁式,通道破坏。由于闭锁式纵联方向保护的工作原理是利用非故障线路的一端发出闭锁该线路两端保护的高频信号，而对于故障线路两端则不需要发出高频信号，这样就可以保证在内部故障并伴

31、随有通道的破坏时(例如通道所在的一相接地或是断线)，保护装置仍然能够正确地动作，这是它的主要优点，也是这种高频信号工作方式得到广泛应用的主要原因之一。,纵联方向比较保护闭锁式,系统振荡。对接于相电流和相电压(或线电压)上的方向元件，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，这是一个严重的缺点。而对于反应故障分量或负序、零序的方向元件，则不受振荡的影响。,纵联方向比较保护闭锁式,动作速度。根据继电保护动作的要求，闭锁信号只有在外部故障时才传送。所以为了保证保护在外部故障时不误动，必须等到确定已无闭锁信号，才能送出跳闸脉冲。因此必须延缓跳闸时间以保证时间配

32、合，这样就使高频保护的动作时间增长，降低了保护的动作速度，这也是这种保护的主要缺点。总之，闭锁式纵联保护的主要优点是动作可靠性高，缺点是需要两端元件的动作时间和灵敏度配合，故较复杂和动作速度慢。,纵联方向比较保护闭锁式,由于闭锁式纵联方向保护采用短时发信方式，故高频发信机需用起动元件。常用的起动元件有故障分量电流起动元件、序分量电流元件、反方向的功率方向元件等。此外通常还采用远方起动方式，保证只要一侧的起动元件动作，两侧的发讯机都会发信。对起动元件的要求：应保证线路正常运行与系统振荡时起动元件不动作，而在发生其他所有故障时均能够灵敏地动作。,纵联方向比较保护闭锁式,I1,W,&,收信,跳闸,I

33、2,W+,&,&,发信(闭锁),t1,纵联方向比较保护允许式,允许式纵联方向保护利用通道传送允许信号，收到允许信号是保护作用于跳闸的必要条件。在外部故障时近故障方向元件判断为反方向，不仅本侧保护不跳闸，也不向对侧发送允许信号，对侧收信机接收不到允许信号，就不允许其侧保护跳闸；在内部故障时两侧方向元件均判断为正方向，又都向对侧发送允许信号，两侧收信机都收到允许信号，为各侧保护跳闸提供条件，原理框图如下。,纵联方向比较保护允许式,收信,跳闸,I,W+,&,&,发信(允许),纵联方向比较保护允许式,工作过程:当外部故障时，如图所示保护1和2的情况，在A端的保护1功率方向为正，在B端的保护2功率方向为

34、负。此时，A端的起动元件及方向元件均动作，一方面自身准备跳闸，另一方面向对侧发送允许信号；但是B端方向元件不动，一方面自己不会跳闸，也不会向A端发送允许信号，所以两侧都不会动作跳闸。,纵联方向比较保护允许式,当内部故障时，如图所示保护3和4的情况，两端的方向元件均反映为正向故障。此时，B端（3处）的起动元件及方向元件均动作，一方面自身准备跳闸，另一方面向对侧发送允许信号；C端（4处）的情况也一样，所以两端的方向元件都动作，都能够收到对侧发来的允许信号，所以都会动作跳闸，将故障切除。,纵联方向比较保护允许式,在允许式保护中，若方向测量元件为阻抗元件，则称为是允许式距离保护，在这种情况下，有两种构

35、成方式，即欠范围允许和超范围允许，欠范围允许在阻抗I段动作时，一方面本侧直接跳闸，另一方面向对侧发送允许信号，对侧在接到允许信号后与其II段阻抗元件“相与”，当收到允许信号且II段阻抗元件动作时，动作跳闸。,纵联方向比较保护允许式,纵联方向比较保护允许式,超范围允许用阻抗II段或带方向特性的阻抗III段起动发允许信号。当收到允许信号且II段阻抗元件动作时，动作跳闸。,纵联方向比较保护允许式,M,N,ZIIM,ZIIN,ZII,ZI,1,&,Re,Tr,1,跳闸,通道,1,QF,纵联方向比较保护允许式,允许式保护具有以下几个特点：（1）动作速度快。因为在正常条件下没有信号，又因为允许信号只有内部

36、故障时才传送，在外部故障时不出现允许信号。因此毋须时间配合，这就可使高频保护的动作时间缩短。这是允许式保护的最大优点。（2）不适用于单电源输电线。在单端电源条件下，当线路内部故障时，受电端正向方向元件由于灵敏度不够而不动作，不向送电端发出允许信号，从而使对端保护拒动，必须采取措施予以解决（弱馈保护）。,纵联方向比较保护允许式,（3）可靠性较低。对于故障起动发信方式的保护，采用闭锁信号时，在外部故障时传送高频电流，而采用允许信号时，在内部故障时传送高频电流，由于内部故障时可能引起通道破坏，所以允许式保护可靠性较低。在采用不受内部故障影响的通道时，不存在该问题。总之，允许式纵联方向保护的主要优点是

37、无需两端元件的动作时间和灵敏度配合，因而动作速度快，灵敏度高，缺点是动作可靠性较低（仅只载波通道情况下，光纤或微波通道时可靠性并不低），需采用附加措施。,纵联方向比较保护直跳式,直跳式纵联方向保护利用通道传送跳闸信号，收到跳闸信号是保护作用于跳闸的充分条件。直跳信号通常是由I段保护元件起动的，如由阻抗I段或线路变压器组的情况下变压器的差动保护等起动，另一端只要收到直跳信号，无论该处的测量元件是否动作，都直跳作用于跳闸。由于只有在保护区内故障时I段元件才会动作，所以直跳信号只在内部故障时发送，外部故障时不会有直跳信号。原理框图如下。,纵联方向比较保护直跳式,M,N,ZIM,ZIN,ZI,Re,T

38、r,1,跳闸,通道,纵联方向比较保护直跳式,在故障发生在本侧I段范围之内时，本侧I段动作，一方面立即跳开本侧的断路器，另一方面向对侧发送直跳信号，对侧收到直跳信号后，直接将其断路器跳开。直跳式对通道的要求极高，应采取措施防止因干扰导致保护误动。,利用暂态故障分量的超高速保护原理,利用暂态故障分量的超高速保护原理,行波保护无通道全线速动保护具有相继速动特性的无通道保护,1.行波保护概述 根据输电线路发生故障后所产生的暂态行波 构成的继电保护方法称为行波保护。1）行波保护的特点快速动作性能不受过渡电阻影响不受CT饱和影响不受系统振荡影响不受长线分布电容影响,行波保护,2）行波保护简史,二次大战后，

39、受雷达发明的启发，人们开始了行波测距的研究；行波保护的概念研究始于20世纪60年代；1976年第一套行波保护装置由瑞典BBC公司研制成功并投入美国Bonneville电力局500kV输电线路试运行；国内西安交通大学葛耀中教授于1978年开始了行波保护的研究工作；80年代初期从瑞典引进了RALDA型行波保护装置；70年代末80年代初期是行波保护研究的一个高潮。,1983年，P.A.Crossly等人提出了行波距离保护1984年山东工业大学马长贵教授等人开始了特征鉴别式行波距离保护的研究工作1987年，南自院沈国荣提出了基于工频变化量的方向保护和快速距离保护1994年，A.T.Johns等人提出了

40、利用噪声的保护，它利用80kHz左右行波分量,2）行波保护简史,2.行波保护基本原理,2.行波保护基本原理,行波方向保护行波差动保护行波距离保护,行波方向保护,行波方向保护根据正向故障信息和反向故障信息在暂态故障分量中的不同表现形式设计相应的判据，以区分正向故障和反向故障。方向保护又具体分为判别式方向保护、轨迹式方向保护、顺序比较式方向保护和极性比较式方向保护几种。,行波差动保护,根据行波传输不变性，直接比较线路两端方向行波（前行波或反行波）的差异识别线路内部故障。,行波距离保护,通过测量故障暂态行波由母线到故障点之间往返一次的时间计算故障距离，进而判别被保护线路内部是否发生故障。,3.行波保

41、护存在的问题,行波保护的主要问题是可靠性差行波信号的不确定性缺乏合适的行波分析手段技术条件的限制,行波信号的不确定性,故障发生时刻（故障电压初相角）的不确定性母线结构的不确定性,行波分析缺乏合适的数学手段,纯粹的时间分析方法和频率分析方法不能完整刻划行波的故障特征。,技术条件的限制,CVT不能传变高频暂态信号高速模/数转换技术和芯片快速处理（运算速度要求在纳秒级）,4.解决行波保护存在问题的措施,行波信号的不确定性正变成确定性先进的信号分析手段应用于行波分析光互感器应用于行波保护应用高速数据采集技术采用数字信号处理技术-DSP应用行波保护新原理的研究,输电线路行波保护装置PSL-611,无通道

42、全线速动保护,20世纪90年代提出，它利用了故障信号中的高频暂态分量。这种原理最初利用阻波器对高频信号的堵截作用，将故障信号中感兴趣的高频暂态分量限制在本线路范围内，因而仅利用在线路一端感受到的高频暂态电压故障分量即可实现全线速动保护。后来，有学者假定母线分布电容对高频信号具有足够的吸收作用，因而提出一种只利用高频电流暂态分量和多频道技术实现的无通道保护原理。上述保护方法又称为暂态保护。,无通道全线速动保护,边界保护 综合考虑了阻波器和母线分布电容在线路两端形成的边界效应，进而以小波分析为工具，利用单端高频暂态故障分量构造出能够实现全线速动的保护动作判据。,无通道全线速动保护,利用暂态故障分量

43、的超高速保护研究进展,将小波变换、数学形态学、参数识别等理论用于各种超高速线路保护，旨在提高超高速线路保护的可靠性。在原理上没有取得新的突破。,清华大学提出。利用对侧开关动作信息判断故障发生在保护区内或区外，从而决定是否加速本端保护动作。适用于配电线路，依靠单端量取得纵联保护的效果。,具有相继速动特性的无通道保护,单相故障发生，故障相电流增大，非故障相电流不变一端保护首先动作切除本端三相电路，但当对端断路器动作后，健全相被切断，负荷电流变为零，加速本端保护动作。,ia,ib,ic,具有相继速动特性的无通道保护,ia,ib,ic,单相故障发生，故障相电流增大，非故障相电流不变一端保护首先动作切除

44、本端三相电路，但当对端断路器动作后，健全相被切断，负荷电流变为零，加速本端保护动作。,具有相继速动特性的无通道保护,ia,ib,ic,单相故障发生，故障相电流增大，非故障相电流不变一端保护首先动作切除本端三相电路，但当对端断路器动作后，健全相被切断，负荷电流变为零，加速本端保护动作。,具有相继速动特性的无通道保护,单相故障发生，故障相电流增大，非故障相电流不变一端保护首先动作切除本端三相电路，但当对端断路器动作后，健全相被切断，负荷电流变为零，加速本端保护动作。,具有相继速动特性的无通道保护,单相故障发生，故障相电流增大，非故障相电流不变一端保护首先动作切除本端三相电路，但当对端断路器动作后，

45、健全相被切断，负荷电流变为零，加速本端保护动作。,具有相继速动特性的无通道保护,自适应继电保护（自适应电流速断保护）,传统电流保护按最大运行方式离线整定，并按最小运行方式校验保护范围或灵敏度，虽然这种整定原则能够保证在各种运行方式和故障条件下保护的选择性，但性能却不能达到最佳。在最小运行方式下发生最不利的故障时，保护范围将缩小，甚至有些情况下会失去保护范围。,对于35kV及以下电压等级的配电线路，为了使得电流保护性能达到最佳化，可以采用微机自适应电流保护技术，即通过实时、在线计算系统电源侧阻抗及判断故障类型的方法，使电流保护具备自动识别系统运行方式和判别故障类型的能力，并根据实际运行方式和故障

46、类型，实时、自动地调整保护整定值。,基本原理,整定原则 自适应电流速断保护实时整定算法可表示为：实现自适应电流速断保护的关键在于能否对等效系统阻抗、故障类型系数以及等效系统电源的相电势进行在线、准确测量或计算。,保护范围分析 自适应电流速断保护范围相对于被保护线路全长的百分比：自适应电流速断的保护范围与故障类型无关，而且能够随系统运行方式（等效系统阻抗）的变化而变化，因而总能使保护范围处于最佳状态。,关键技术问题,故障启动：相电流瞬时突变量启动 等效系统阻抗的在线计算：等效系统电源电势的在线计算：故障类型的自适应问题：利用故障分量判断故障类型 工频稳态分量的快速、准确提取：傅氏算法（抑制非周期

47、分量）。,TV断线对策？,XBJ-200Z配电线路保护监控装置硬件方案装置内部主要包含中央处理单元（CPU）、互感器、继电器、电源等插件和人机接口模块,中央处理单元插件的原理框图,XBJ-200Z配电线路保护监控装置软件方案 装置软件系统包括DSP软件、MCU软件和人机接口软件三大部分。DSP软件 主要负责故障启动、保护算法、故障录波以及被监视线路正常运行情况下各种遥测量的计算。MCU软件 运行在实时多任务操作系统（RTOS）之上，主要负责保护出口跳闸、重合闸、遥信/遥控处理、对外通信和装置自检等任务。人机接口软件 运行在另一实时多任务操作系统之上，主要负责与MCU通信、键盘/液晶显示和装置运

48、行告警指示灯驱动。,参量计算,在线整定,测量比较,自适应电流速断保护故障处理流程,XBJ-200Z主要功能 1）自适应电流速断保护 2）传统三段式电流保护 3）三相一次重合闸 4）低周减载 5）事件告警（保护动作、TV断线、开关拒动、跳合闸回路异常）6）数据采集与监控（SCADA）7）故障录波,配电线路自适应电流速断保护试验,试验结果:XBJ-200Z配电线路保护装置的自适应速断保护性能能够随着系统运行方式、故障类型和负荷条件的变化而自动调整到最佳状态，并且具有较强的耐受过渡电阻能力。,输电线路故障测距（行波故障测距技术）,行波故障测距技术,基本原理关键技术实际应用,Ts1,Ts2,故障点距S

49、变电站距离：,V-波速度,行波故障测距基本原理,行波故障测距基本原理,Ts1,Ts2,t,S,R,重合闸行波测距法,行波故障测距基本原理,行波故障测距关键技术,暂态行波传变高速数据采集精确时间同步行波到达时刻的准确标定远程通信,暂态行波传变,1）电磁式电压互感器（TV）2）专用耦合设备3）光电压、电流互感器4）常规保护电流互感器（TA）5）V型（两相）电磁式电压互感器6）配电变压器,高速数据采集,意义：1）可以实现单端行波故障测距；2）可以补偿双端行波测距误差。原理：,nP为触发前的采样数据个数,精确时间同步,D型双端行波法要求两侧装置实现1us时间精确同步，使测距分辨率达到150米。,精确时

50、间同步,GPS同步时钟原理,行波到达时刻的准确标定,行波脉冲的常规越限检测方法抗干扰能力差、时间精度低。,根据不同频带下模极大值的大小与极性可判断检测到的信号突变是否是来自故障点的行波脉冲。,远程通信,S,R,测距主站,通信网络,行波故障测距技术应用,行波测距子站安装在变电所，记录故障产生的行波信号。故障行波数据经通信网络送到调度中心的分析主站分析主站保存、处理数据，计算故障距离。,变电所 S,变电所 R,行波分析主站,行波测距子站,WAN通信网络,调度控制中心,XC-2000行波测距系统,行波故障测距技术应用,XC系列行波测距系统已经在国内电力系统中获得广泛应用。典型应用包括：三峡电力外送、