第四章_输电线纵联保护.

4输电线路纵联保护4.1输电线路纵联保护概念4.2输电线路纵联保护两侧信息的交换4.3方向比较式纵联保护4.4纵联电流差动保护第四章输电线纵联保护－－全线速动保护一、问题提出：电流电压保护和距离保护用于引入保护装置，但由于互感器传变的误差，线路参数值的不精确性以及继电器本身的测量误差等原因，电流电压保护和距离保护的Ⅰ段无法区分本级线路末端故障和下级线路出口处的故障。输电线路保护时，只需将线路一端的电流电压经过互感Ⅰ段保护不能保护线路全长，比如距离保护一般将保护的I段整定为线路全长的80-85%其余的15-20%上的故障只能带第II段的时限切除。这样难以满足220KV及以上电压等级的电力系统中对速动性的要求，因此需要采用纵联保护，以实现线路全长范围内故障的无时限切除。解决办法：单端保护→双端保护（纵联保护）二、纵联保护的定义：输电线的纵联保护是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率方向等）传送到对端并将两端的电气量比较以判断故障发生在本线路范围内还是在本线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。在理论上，纵联保护具有绝对的选择性。输电线纵联保护结构继电保护装置继电保护装置通信设备通信设备通信介质TATVTVTA纵联保护分类方向纵联和距离纵联保护(比较两端逻辑量)差动纵联保护（比较两端全量）按保护动作原理划分导引线纵联保护电力线载波纵联保护微波纵联保护光纤纵联保护按通信通道划分单元保护非单元保护方向比较纵联保护距离纵联保护按保护形式划分相位比较纵联保护纵联电流差动保护输电线路纵联保护1.各种传送信息通道的特点(1)导引线通道这种通道需要铺设电缆，其投资随线路长度而增加。当线路较长(超过10km以上)时不经济。导引线越长,安全性越低，维护困难。①导引线中传输的是电信号。导引线的电缆必须有足够的绝缘水平(例如15kV的绝缘水平)，这就使投资增大。②导引线直接传输交流电量,导引线的参数(电阻和分布电容)直接影响保护性能，从而在技术上也限制了导引线保护用于较长的线路。缺点：(2)电力线载波通道这种通道在保护中应用最广。载波通道由高压输电线及其信息加工和连接设备(阻波器、结合电容器及高频收发信机)等组成。优点：高压输电线机械强度大,十分安全可靠。缺点：在线路发生故障时通道可能遭到破坏(高频信号衰减增大),为此需考虑在此情况下高频信号是否能有效传输的问题。当载波通道采用“相-地”制，在线路中点发生单相短路接地故障时衰减与正常时基本相同,但在线路两端故障时衰减显著增大。当载波通道采用“相-相”制，在单相短路接地故障时高频信号能够传输,但在三相短路时仍然不能。为此载波保护在利用高频信号时应能使保护在本线路故障信号中断的情况下仍能正确动作。(3)微波通道微波通道与输电线没有直接的联系,输电线发生故障时不会对微波通信系统产生任何影响，因而利用微波保护的方式不受限制。微波通信是一种多路通信系统,可以提供足够的通道,彻底解决了通道拥挤的问题。优点：微波通信具有很宽的频带，线路故障时信号不会中断，可以传送交流电的波形。采用脉冲编码调制(PCM)方式可以进一步扩大信息传输量,提高抗干扰能力,也更适合于数字保护。微波通信是理想的通信系统,缺点：保护专用微波通道及设备是不经济的，应当与远动等在设计时兼顾起来。同时还要考虑信号衰耗的问题。(4)光纤通道光纤通道与微波通道有相同的优点。光纤通信也广泛采用(PCM)调制方式。当被保护线路很短时，通过光缆直接将光信号送到对侧，在每半套保护装置中都将电信号变成光信号送出，又将所接收之光信号变为电信号供保护使用。由于光与电之间互不干扰，所以光纤保护没有导引线保护的问题，在经济上也可以与导引线保护竞争。4.1.2输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析纵联保护是利用线路两端的电气量在故障与非故障时的特征差异构成保护，当线路发生区内故障、区外故障时，电力线两端的电流波形、功率方向、电流相位以及两端的测量阻抗都具有明显的差异，利用这些差异可以构成不同原理的纵联保护。1.电流全量（两端电流向量和）特征k1MNMUNUMINI内部故障k2MNMINI区外故障根据基尔霍夫电流定律(KCL)可知：在集总参数电路中，任何时刻，对任意一节点，所有支路电流相量和等于零。用数学表达式表示如下：对于输电线路MN可以认为是一个节点。0IMNkIIII0MNIII外部故障内部故障2.功率方向特征k1MNMUNUMINI内部故障当发生内部故障时，两侧功率均由母线流向线路，两侧功率方向均为正。k2MNMINI区外故障当发生外部故障时，M侧功率由母线流向线路，其功率方向为正。N侧功率由线路流向母线，其功率方向为负。两侧功率方向相反。MUMIMMMWUINUNINNNWUI++++++内部故障--++++外部故障WM(+)WN(+)WM(+)WN(-)3.电流相位特征MiNitIM0IN180arg0MNIIarg180MNII外部故障内部故障IMINtttNiMiINIMINIM区内故障时，两侧电流同相位；正常运行及区外故障时，两侧电流相位相反。4.两端测量阻抗的特征当线路内部短路时，线路两侧的测量阻抗都是短路阻抗，且一定位于距离保护Ⅱ段的动作区内。两侧的Ⅱ段同时启动；当正常运行时，两侧的测量阻抗都是负荷阻抗，两侧的距离保护Ⅱ段均不启动；当线路外部短路时，线路两侧的测量阻抗也是短路阻抗，但其中一侧是反方向，至少有一侧的距离保护Ⅱ段不启动；区内故障时，两侧的距离保护Ⅱ段均启动；正常运行及区外故障时，至少有一侧的距离保护Ⅱ段不启动。输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析内部故障外部故障正常运行两端电流向量和特征两端功率方向特征两端故障方向相同，同为正方向（母线流向线路）远故障点端功率方向为正方向；近故障点端为反方向两端功率方向相反两端电流特征两侧电流同相位两侧电流相位差180度两侧电流相位差180度两端测量阻抗特征两端都是短路阻抗，位于阻抗Ⅱ动作区内，两侧Ⅱ段同时启动两端都是短路阻抗，至少有一侧的距离保护Ⅱ段不启动负荷阻抗两阻抗元件都不启动MNk1+IIIIMN+=0IIIMN+=0III4.1.3纵联差动保护的基本原理1.纵联电流差动保护当输电线发生内部故障时：利用输电线路两侧电流波形和或电流相量和的特征可以构成纵联电流差动保护MNkIIII当输电线正常运行和发生外部故障时：0MNIII由于受TA的误差、线路分布电容等因素影响，实际上其二次电流相量和可能不为0.纵联电流差动保护动作判据可写为：MNsetIIIMNII两侧电流的相量和setI差动保护整定值2.方向比较式纵联保护（功率方向特征）线路发生内部故障时：M侧和N侧功率方向元件均为正；线路发生外部故障时：M侧和N侧功率方向元件均为一正一负。因此可以根据线路两端功率元件的方向来判别线路内部或者外部短路。通讯媒介跳闸&&MWNWMINIMUNUMNN侧功率方向M侧功率方向3.电流相位比较式纵联保护线路发生内部故障时：M端和N端电流同相线路发生外部故障时：一端电流为母线流向线路，另一端为由线路流向母线，于是两端电流相位相反。因此可以根据两侧电流的相位差来判别线路内部或者外部短路。1800考虑到TV、TA的相角误差以及输电线分布电容等影响，当线路发生区外故障时两侧二次电流的相角差并不刚好等于1800，而是近似为1800，且在故障前两侧电动势有一定的相角差，这样在区内短路时两侧电流也不完全同相位。setb00bset0180内部故障的动作判据可写为：180arg180MbbNII动作区动作区不动作区不动作区称为闭锁角b4.纵联距离保护纵联距离保护的基本原理和方向比较纵联保护的基本原理相似，只是用距离元件替代功率方向元件。线路发生内部故障时：M端和N端距离元件方向均为正向线路发生外部故障时：M端和N端距离元件方向为一正一反。因此可以根据比较两端距离元件的方向来判别线路内部或者外部短路。距离ⅠⅡ段均采用方向元件，Ⅰ段动作直接跳闸，Ⅱ段动作需比较对侧Ⅱ段是否动作。通讯媒介跳闸&&ZZMINIMUNUMN纵联距离保护4.2输电线路纵联保护两侧信息的交换输电线路纵联保护的主要特点是需要对端信息，两端保护要通过通信设备实时地进行信息传递。因而纵联保护系统和一般保护相比，需增加通信通道。光纤通信微波通信电力高频载波通信导引线通信根据通信通道的不同，输电线路纵联保护分为：4.2.1导引线通信利用敷设在电站或变电所之间的金属电缆作为传递被保护线路各侧信息的通道称之为导引线通信。以导引线为通道的纵联保护称为导引线纵联保护。导引线纵联保护是线路纵联保护的一种型式，它是以金属电缆作为通道，借助通道将被保护线路对侧传递来的工频信息与本侧的工频信息相比较以判别区内或区外故障。当被保护线路的内部发生故障时，它将瞬时跳开被保护线路的各侧断路器，实现无时限的快速切除故障。1.环流式导引线保护线路两侧电流互感器的同极性端子经导引线连接起来。继电器的动作线圈跨接在两导引线芯之间。如果有制动线圈则它被串接在导引线的回路中。动作线圈制动线圈制动线圈动作线圈导引线.MI.NI.mI.nI****同极性端子同极性端子在正常运行或外部故障时，被保护线路两侧电流互感器的同极性端子的输出电流大小相等而方向相反，故此时导引线流过循环电流，而动作线圈中电流相互抵消，而制动线圈有电流，保证保护可靠不动作。由于平衡状态时导引线流过循环电流，故称环流法，这种平衡的工作模式称为电流平衡原理。动作线圈制动线圈制动线圈动作线圈.MI.NI.mI.nI****动作线圈中电流相互抵消制动线圈有较大的制动电流在内部故障时，动作线圈中两侧电流同相，制动线圈的制动电流小于动作线圈中的动作电流，保护能够可靠动作。动作线圈制动线圈制动线圈动作线圈.MI.NI.mI.nI****动作线圈中两侧电流同相制动线圈的制动电流小于动作线圈中的动作电流k12．均压法动作线圈平衡线圈平衡线圈动作线圈.MI.mI.NI.nI线路两侧电流互感器的相异极性端子经由导引线连接起来，继电器的动作线圈串接在导引线回路上。若有制动线圈，则它被并接在两导引线线芯之间。****动作线圈平衡线圈平衡线圈动作线圈.MI.mI.NI.nI在正常运行或外部故障时，被保护线路两侧电流互感器极性相异的端子的输出电流大小相等且方向相同，故导引线及动作线圈中均没有电流通过，二次电流只能分别在各自的制动线圈及互感器二次绕组中流过，在两侧导引线线芯间之电压大小相等方向相反，即处在电压平衡状态。这种工作模式也称为电压平衡原理。****动作线圈平衡线圈平衡线圈动作线圈.MI.mI.NI.nI在内部故障时：动作绕组中两个二次电流同相，而制动绕组中两个二次电流反相，作用抵消，保护可靠动作。****k14.2.2电力线高频载波通信1.电流保护和距离保护不能保证全线速动在超高压系统中，为了保证并列运行的动态稳定性和提高输电线的传输容量，在很多情况下，要求输电线路的故障切除时间(包括保护动作和断路器跳闸时间)为0.1s左右，这就排除了以电流保护和距离保护作为主保护的可能性。电力线载波通信提出的必要性：2.导引线纵联保护在经济和技术上不可行导引线纵联保护保护能无延时地反应被保护设备内部故障，其必要条件之一是同时检测和比较被保护设备各引出端电流的大小和(或)相位，这对发电机、变压器和母线等主设备是易于实现的，但是对于长度在数十以致数百公里的超高压输电线，企图通过TA二次电缆来实现两侧电流的大小和相位比较，在经济上和技术上既不合理的也不可行。动作线圈制动线圈制动线圈动作线圈导引线.MI.NI.mI.nI****同极性端子同极性端子一种可行的办法是将线路两端的电流相位(或功率方向)转变为高频信号，利用输电线路本身(或租用电话线)作为载波通道，将该高频信号传输到对侧，以实现各端电流相位(或功率方向)的比较。这就是高频保护或载波保护名称的来源。就其本质而言，高频保