PPT-2-基于故障分量的继电保护原理

基于故障分量的继电保护原理专题二主要内容•第一章故障分量的概念及方向保护原理•第二章自适应电流速断保护•超高压输电线路短路电流中的各种分量及产生的原因①基本的非周期分量②附加的非周期分量③高频分量④低频分量⑤稳态分量•通过反应（检测）故障后电压、电流的工频量来实现保护功能传统继电保护的特点:•动作性能受负荷电流的影响•如何解决?1.1故障分量的基本概念•系统发生故障时，在故障初期可用叠加原理分析故障网络。MNFMENEmumi(a)故障状态MNFMENEmumi(a)故障状态(b)等效故障状态MNFMENEFUFU(c)正常状态FMENEFUmzcumzci(d)故障附加状态MNFmgumgiFU•—故障点在正常运行情况下的电压。•—故障电动势•故障附加状态--故障电动势单独作用下对应的网络状态。FUFU••由叠加原理可知，故障网络内任一点m的电压及电流可表示为：•(1-1)•(1-2)•，—故障状态下m点的实际电压和电流（全电压和全电流）•,—正常运行状态下m点的电压和电流•,—故障附加状态下m点的电压和电流(称之为故障分量)故障分量—故障网络内所有电源电势为零，只有故障点电动势单独作用而产生的电压和电流。mmzcmguuumummzcmgiiimimzcumzcimgumgi•故障分量包括暂态故障分量和稳态故障分量；•暂态故障分量为衰减的直流分量和各次谐波分量；•稳态故障分量为工频变化量。•故障分量的特征：①正常运行情况下无故障分量，它们只在故障时出现;②故障分量电流与负荷电流无关;③故障点故障分量电压最大，系统中性点处为零;④保护安装处故障分量电压和电流的相位关系由保护安装处到系统中性点之间的阻抗决定，且不受系统电动势和故障点过渡电阻的影响。1.2故障分量的提取•根据叠加原理，故障分量电压、电流等于故障后实测的电压、电流减去故障前对应的电压、电流。(1).模拟量实现方案延时电路+-ititTgit图1-2故障分量提取模拟量实现方案(2).数字量实现方案算法如下：式中：采样序号每周采样次数（通常取12）注：上述方法在故障后的一个周波时间内所提取的故障分量是完整的，此后则不能正确反映。gkikikNi2gNkikikikN1.3利用故障分量的方向元件•90°接线的方向元件——三相短路有死区，灵敏度受过渡电阻影响;•零序功率方向元件——只反映接地故障;•负序功率方向元件——只反映不对称故障;•相电压补偿式——只反映不对称故障1.传统方向元件及存在的问题2.故障分量方向元件及工作原理(a)系统图2FmImUmZnZLZ1Fmn:mgmgmUIZ其中mgUmgImgI90mZnZLZFUFR1FmnmgUmgI正向F1点短路时附加状态:()mgmgLmUIZZ其中mgUmgI90mZnZLZFUFRmnmgUmgI反向F2点短路时故障附加状态2F•由以上分析可知，正向F1点故障时，落后于约为90°；反向F2点故障时超前于约为90°。•因此，利用故障分量的方向元件在正反方向故障时具有明确的方向性，能用来实现方向性保护。•如何设计动作判据?mgUmgImgUmgI•基于故障分量的方向元件具有以下特点：①不受负荷状态的影响②不受过渡电阻的影响③无电压死区④方向性明确1.4正序故障分量及其特征1.对称分量的简单回顾F(a)系统图nEmE1mZ2mZ0mZ1nZ2nZ0nZ1LZ0LZ2LZ(b)正序序网FnmEnE1mZ1nZ1FU1LZ1(1)LZFn(c)负序序网FnFn2LZ2(1)LZ2mZ2nZ2FU2Z(d)零序序网FnFn0Z0FU0LZ0(1)LZ0mZ0nZ•当F点发生单相接地短路时，为串联型复合序网：•当F点发生两相直接短路时，为并联型复合序网：•当F点发生两相接地短路时，为并联型复合序网：•当F点发生三相短路时，FnmEnE1mZ1nZ1LZ1(1)LZ(e)正序复合序网Z20ZZZ2ZZ2020ZZZZZ0Z2.正序复合序网的分解及正序故障分量的计算将正序复合序网等效，然后应用叠加原理进行分解，则得到正序故障附加状态。FmEnE1mZ1nZ1LZ1(1)LZ(a)正序等效复合序网ZFUFUmnFmEnE1mZ1nZ1LZ1(1)LZ(b)正常状态ZFUmnFUFnE1mZ1nZ1LZ1(1)LZ(c)正序故障附加状态mn1mgU1gI1mgI•正常运行条件下F点的电压，可用下式计算：•正序故障附加状态就是分析计算正序故障分量电压和电流的复合序网11111111nmLmnLFmnLEZZEZZUZZZ•正序故障分量的特征：①正序故障分量在任何故障类型下均存在，因此能用来反应各种短路②正序故障分量电流的大小与故障类型有关，三相短路时最大，单相接地短路时最小③正序故障分量在故障点时最大，在系统中性点处为零④利用正序故障分量电压和电流能独立的正确判断故障方向，无需考虑故障选相问题（为什么？）•正序故障分量的上述特点使它更适合于被继电保护所利用1.5基于正序故障分量的方向元件FUFnE1mZ1nZ1LZ1(1)LZ(c)正序故障附加状态mn1mgU1gI1mgI•正向故障•反向故障•动作特性基于正序故障分量的故障方向检测判据180arg11mgmgIU360arg18011mgmgIUOperatingregionforbackwardfaultsOperatingregionforforwardfaults22+j1I•单一继电器能反应所有故障类型；•具有很强的抗过渡电阻能力；•无电压死区问题；•不受负荷电流的影响，灵敏度高；•具有较快的动作速度。•问题：在实际应用中如何求正序故障分量？正序故障分量方向元件的特点：•提取各相电压、电流故障分量的瞬时值；•利用DFT算法计算各相电压和电流的工频故障分量；•利用相、序分量之间的关系求出正序故障分量。DesignandEvaluationofDirectionalAlgorithmforTransmissionLineProtectionBasedonPositivesequencefaultcomponentsHouleiGaoPeterCrosslyIEEproceedings–Generation,TransmissionandDistributionNov.2006,Vol.153,No.6第二章自适应电流速断保护原理自适应继电保护的提出传统保护的定值或者特性一经确定，就不再改变。而且这种定值的确定是以任何情况下都能保证选择性为指导思想的。这种按最严重条件确定定值的方法其优点就是任何情况下不会错误切除被保护线路，但存在以下两个缺点：（1）按上述方法确定的定值在其他运行方式下不是最佳的；（2）在最小运行方式下或最不利短路条件下，保护失效或性能严重变差。2.1基本概念自适应继电保护定义为：能根据电力系统运行方式以及故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护。1、什么是自适应继电保护？2、电力系统运行状态的变化•电力系统是由多种设备、输电线路和各种用户组成的，其运行状态处于频繁的变化之中，如用户负荷的变化，设备的投切，发电机出力的变化等。除正常运行状态变化外，电力系统还可能发生各种类型的故障，故障可能是瞬时性的，也可能是永久性的，是金属性的，也可能是经过渡电阻短路等。因此要使继电保护的变化适应电力系统的变化，的确是一项十分困难的任务。3、实现自适应保护必须具备的条件•自适应继电保护的基本思想是使保护尽可能适应电力系统的变化，进一步改善保护的性能。因此实现自适应保护的一个重要条件是实时获取运行状态的变化和故障过程的变化信息。这些信息可以就地获得，也可以利用通信网络或者其他变电站获得。就地获取信息简单易行，应首先考虑。在能显著改善保护性能，且通道能满足要求的前提下，利用通信网络从远方获取信息也是可行的。电网调度自动化、变电站综合自动化和微机智能为获取更多信息并加以实时处理提供了条件。4、传统保护的自适应性•过电流保护中的反时限特性，差动保护中的制动特性，距离保护中的防止振荡误动作等。2.2自适应电流速断保护2-2-1传统电流速断保护存在的问题max1minksEIflZZl最大运行方式下，线路发生三相短路时的短路电流曲线Emnmin2max32ksEIflZZl最小运行方式下，线路发生二相短路时的短路电流曲线minmaxssZZZE其中：最大运行方式对应的系统阻抗最小运行方式对应的系统阻抗线路单位长度阻抗相电势minmn,1.21.3zdkksEIkkZZl电流保护段整定值:＝maxminmn15sZll问题：当很大时，的最小范围可能小于的％，甚至没有了保护区，其根本原因就是定值过高。EmnImin2kIflmax1kIflzdIminlmaxll12图2.1电流速断保护灵敏度分析实际上，短路电流的大小与系统运行方式、短路类型及故障点在线路位置有关，相应短路电流表达式为：此时，电流Ⅰ段的保护范围总是小于最大运行方式下的保护范围。minmaxsZZZ1sdddZkkk其中：－－－当前运行方式下的系统阻抗，－－－短路类型系数，三相短路时＝，3两相短路时＝23dkdskEIflkZZl当前运行方式下发生型短路时的短路电流曲线maxlEmnImin2kIflmax1kIflzdIminlmaxll123图2.2电流速断保护动作特性2-2-2自适应电流速断保护工作原理为克服传统速断保护的缺点，自适应电流速断保护的定值应随系统运行方式和短路类型的实际情况而改变，其整定值可表示为：mndzdkskEIkZZlmn1.21.3kdskkEZZl其中：－－－可靠系数，可取－－－当前运行方式下，在线路末端发生短路时，流过保护安装处的短路电流自适应电流速断保护的特点：（1）当前运行方式下和故障类型下，在保证选择性的条件下具有最大保护范围，在任何情况下都不会没有保护区。（2）自适应保护定值不是固定不变的，是随运行方式和故障类型而改变的。自适应电流速断保护应具备的条件:（1）实时测定故障类型——可用相电流差工频变化量元件实现（2）实施测定系统阻抗——可用故障分量电压与电流实现2-2-3.举例如下图所示系统，所标参数均为标幺值，设，分别代表传统速断和自适应速断的保护范围，则不同故障类型下的保护范围如下表所示。l'lD1Emn0.375SZmin0.187SZ0.0032/LZkml0.375SZ线路长度三相短路两相短路50KM00.41900.419100KM0.1080.62600.626系统阻抗l0.375SZ'l'lD=100Km时传统速断定值：D=100Km，Zs=0.375，三相短路时自适应速断定值：D=100Km，Zs=0.375,两相短路时自适应速断定值：11.252.470.1871000.0032zdI11.251.800.3750.32zdI3121.251.500.3750.32zdID=100Km，Zs=0.375，出口两相短路时短路电流：D=100Km，Zs=0.375，出口三相短路时短路电流：问题：计算D=100Km，Zs=0.375,发生两相短路时自适应速断保护的保护范围．2312.312.47()20.375kI无保护范围312.672.47(0.375kI有保护区）