第4章-高频保护

机械工业出版社教材配套电子教案电力系统继电保护刘学军编制机械工业出版社教材配套电子教案第4章输电线路的差动保护和高频保护第4章输电线路的差动保护和高频保护4.1电网的纵联差动保护4.2平行线路横联差动方向保护4.1.1纵联差动保护原理电流、电压和距离保护在动作值整定上必须与相邻元件相配合才能满足动作的选择性，不能实现全线瞬时切除故障。这就不能满足高压输电线路系统稳定的要求。如何保证瞬时切除高压输电线路故障？解决办法：采用线路纵联差动保护带辅助导线的线路纵联差动保护是利用比较被保护线路两端（侧）电流的大小和相位的原理来构成输电线路保护的。不反应相邻线路故障，不需要在时间上与相邻线路保护相配合，所以当在被保护范围内任一点发生故障时，它都能瞬时切除故障。4.1.1纵联差动保护原理22111rMNMNTAIIIIIK电网的纵联差动保护反应被保护线路首末两端电流的大小和相位，保护整条线路，全线速动。纵联差动保护原理接线如图4-1所示。电流互感器采用环流法接线。流入继电器的电流为两个电流互感器二次电流的差。即图4-1环流法接线的纵差保护单相原理接线图4.1.1纵联差动保护原理正常运行和外部短路：流入差动继电器KD中的电流为：实际上，差动回路中还有一个不平衡电流Iunb。差动继电器KD的起动电流是按大于不平衡电流整定的，所以，在被保护线路正常及外部故障时差动保护不会动作。2210rIIIIIITAIIIIIK2II2II2IIIIIIII2II内部短路：流入差动保护回路的电流为被保护线路内部故障时，流入差回路的电流远大于差动继电器的起动电流，差动继电器动作，瞬时发出跳闸脉冲，断开线路两侧断路器。结论：1、差动保护灵敏度很高2、保护范围稳定3、可以实现全线速动4、不能作相邻元件的后备保护TAKTANTAMNMrKIKIKIIII'11224.1.2、纵联差动保护的不平衡电流1．稳态情况下的不平衡电流该不平衡电流为两侧电流互感器励磁电流之差。差动回路中产生不平衡电流最大值为式中:Kerr一电流互感器10％误差；Kst—电流互感器的同型系数，两侧电流互感器为同型号时，取0.5，否则取l；Ikmax—被保护线路外部短路时，流过保护线路的最大短路电流。TAKsterrunbKIKKImaxmax2．暂态不平衡电流暂态过程中，短路电流含有按指数规律衰减的非周期分量，非周期分量大部分是变化缓慢的直流分量，很难传变到二次侧。大部分成为励磁电流，在铁芯中产生非周期分量磁通，使铁芯严重饱和，因此需要考虑在外部短路时暂态过程中差动回路中出现的不平衡电流,其最大值为式中Knp——非周期分量的影响系数，在接有速饱和变流器时，取为1，否则取为1.52。maxmaxunberrstnpkIKKKI2．暂态不平衡电流暂态过程中起始段，直流分量大，铁芯高度饱和，一次侧交流分量很难传变到二次侧。所以不平衡电流不大。在结束阶段，铁芯饱和消失，电流互感器转入正常工作，不平衡电流又减小。最大不平衡电流发生在暂态过程时间的中段。减小暂态过程中的最大不平衡电流，有两种方法。1、在差动回路中接入具有快速饱和特性的中间变流器UA。2、在差动回路串入电阻R。tIunb0t0ik图4-3(a)短路电流的变化图4-3(b)不平衡电流的变化4.1.3环流法纵联差动保护的整定计算差动保护的动作电流按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定：为防止电流互感器二次断线差动保护误动，按躲开电流互感器二次断线整定：灵敏度校验：TAKnpsterrrelropKIKKKKImaxTALrelopKIKImax2~5.1minopKsenIIK4.1.4影响输电线路导引线纵联差动保护正确动作的因素•影响输电导引线纵联差动保护正确动作的因素•1、电流互感器的误差和不平衡电流；•2、导引线的阻抗和分布电容；•3、导引线故障和感应过电压•对于电流互感器的误差和不平衡电流的影响在差动保护计算时加以考虑。对于暂态不平衡电流的影响在差动回路中接入速饱和变流器或串联电阻来减小影响。对于导引线的分布电容和阻抗的影响，可以采用带有制动特性的差动继电器，减小动作电流，提高保护的灵敏性。4.1.5纵联差动保护的评价优点：全线速动，不受过负荷及系统振荡的影响，灵敏度较高。缺点：需敷设与被保护线路等长的辅助导线，且要求电流互感器的二次负载阻抗满足电流互感器10％的误差。这在经济上，技术上都难以实现。需装设辅助导线断线与短路的监视装置，辅助导线断线应将纵联差动保护闭锁。在输电线路中，只有用其它保护不能满足要求的短线路（一般不超过5～7km线路）才采用。应用：4.2平行线路横联差动方向保护4.2.1横联差动方向保护的工作原理横差方向保护：是用于平行线路的保护装置，它装设于平行线路的两侧。其保护范围为双回线的全长。横差方向保护的动作原理是反应双回线路的电流及功率方向，有选择性地瞬时切除故障线路。1、正常运行及外部短路时2KI1KIG1KA2KA1TA2TA3TA4TA1QF2QF3QF4QF1WL2WL图4-5（a）在正常运行或外部短路时，线路1WL和2WL流过相同电流，1KA和2KA流过不平衡电流Iunb或最大不平衡电流Iunb.max，整定电流继电器1KA和2KA的动作电流Iop.rIunb.max,则保护装置不会误动作。2、内部故障2KI1KIG1KA2KA1TA2TA3TA4TA1QF2QF3QF4QFWL1WL2K2KI(1)设线路WL1内部发生故障，则通过线路WL1、WL2短路电流IK1、IK2的大小与他们由母线M到故障点之间阻抗值成反比。显然IK1〉IK2，流入继电器1KA、2KA中电流分别为：11211rKKopTAIIIIK22212rKopTAIIIK1KA、2KA动作，使断路器1QF、3QF跳闸，切除故障线路WL1。MN图4-5（b）2、内部故障(2)设线路WL2内部发生故障，则通过线路WL1、WL2短路电流IK1、IK2的大小与他们由母线M到故障点之间阻抗值成反比。显然IK2＞IK1，流入继电器1KA、2KA中电流分别为：12111rKKopTAIIIIK21212rKopTAIIIK2KI1KIG1KA2KA1TA2TA3TA4TA1QF2QF3QF4QFWL1WL2KMN1KI1KA、2KA动作，使断路器2QF、4QF跳闸，切除故障线路WL2。图4-5(c)图4-6平行线路横差保护单相原理接线图图4-6平行线路横差保护单相原理接线图以上分析表明，差动电流继电器1KA、2KA只能判别平行线路内部、外部故障，但不能选择出那条线路故障。从图中看出，不同线路故障通过电流继电器1KA、2KA的电流方向不同，因此，可用功率方向继电器元件选择故障线路。见图4-6，方向元件电压接于母线电压互感器二次测，工作电流接于差动回路。正常运行及外部发生短路：两线路中的电流相等。两电流互感器差回路中的电流仅为很小的不平衡电流，小于继电器的起动电流，电流继电器不会起动。图4-6平行线路横差保护单相原理接线图内部故障时：如在线路WLl的K点发生短路，M侧电流继电器中的电流。当IrM＞IOP1时，电流继电器1KA动作。功率方向继电器1KP承受正方向功率动作，功率方向继电器2KP承受负功率不动作，因而跳开QF1。)(121KKTAMrIIKI线路N侧：流过差动回路中的电流为：当Ir.N＞IOP2时，电流继电器2KA动作。功率方向继电器3KP承受负功率,不动作;4KP承受正功率，接点闭合，跳开QF3,瞬时切除故障线路WL1，非故障线路WL2继续运行。22KTANrIKI2KI1KIk1KP2KP3KP4KP1KA2KA4.2.2横联差动方向保护的相继动作区和死区1、相继动作区相继动作：线路两侧保护装置先后动作切除故障的方式。相继动作区：产生相继动作的范围。2KI1KI2KIKLNM段故障相继动作区N段故障相继动作区2.相继动作区长度的计算假设相继动作区的临界点K的短路电流与N侧母线上的短路时的短路电流相等M侧保护差动回路的一次电流为:21KKKNIII1210opKKMrIIIIN侧保护差动回路电流为:222rNKopTAIIIKM端保护不动作。N端保护动作，3QF跳闸。12KKII2.相继动作区长度的计算3QF跳闸后，故障并未切除。短路电流重新分布，故障点全部短路电流通过保护1，于是M端保护1的差动回路电流为，大于启动元件动作电流，故保护1动作，1QF跳闸。这样，K点故障分别有N、M端保护先后动作，使3QF先跳闸，然后1QF跳闸切除故障线路的情况称为相继动作。在靠近N端变电所母线的一段区域发生故障，首先N端保护先动作，继之M端保护才动作的这段区域称为M端的相继动作区LM。同样，N端保护在M端变电所附近也存在一段相继动作区LN。20KI212rMKTAopIIKI依据电压平衡方程式相继动作区用百分数表示11212121()KMKMKKMIZllIZlIZlIZll1212()()KKKKMIIlIIlopMMKNIMLlI则端相继动作区为：100%100%50%opMMMKNIlmlI12opMKKIII令12KNKKIII2KI1KI2KIKlMlMm3、横联差动保护的死区功率方向继电器采用90接线，但当出口发生三相短路时，母线残压为零，功率方向继电器不动作，这种不动作的范围称为死区。死区在本保护出口，在对侧保护的相继动作区内。在死区内发生三相短路，两侧横差保护都不能动作。死区的长度不允许大于被保护线路全长的10％。三、横联差动方向保护的整定计算1．电流继电器的动作电流1.5.relK可靠系数，取（l）为保证横差保护范围外故障保护不动作，横差保护的动作电流应按躲开外部短路最大不平衡电流整定电流继电器的起动电流（2）躲开单回线运行时的最大负荷电流：)(max'maxmaxunbunbrelunbrelopIIKIKIconTAopropKKIImaxrelopLreKIIK（3）躲过对侧断路器跳闸后流过本侧保护的非故障相最大电流：maxunfTArelropIKKI.maxunb.maxTAunbII由误差引起的最大不平衡电流由两回路参数不同引起的不平衡电流在平行的双回线路上，两侧的断路器都处在合闸位置。当区内发生故障时，应能保证至少有一侧保护有足够的灵敏度。为此，应在两侧保护灵敏度相等的那一点发生故障时，两侧都有足够的灵敏度。这样，当故障点向一侧移动时，靠近故障点的一侧保护的灵敏系数增大，而远离故障点的一侧保护的灵敏度必然下降。在相同灵敏系数点发生故障时，要求保护的灵敏度为2，即0ImmMMRIKP121—M端保护一次差电流随短路点位置变化曲线2—N端保护一次差电流随短路点位置变化曲线图4-9221opKKopKsenIIIIIK2.灵敏度校验在相同灵敏系数点发生故障时，要求保护的灵敏度为2，即当在相继动作区内短路时，一侧断路器已经断开的情况下．要求另一侧保护的灵敏度系数大于1.5。221opKKopKsenIIIIIK5.1opKsenIIK0ImmMMRIKP121—M端保护一次差电流随短路点位置变化曲线2—N端保护一次差电流随短路点位置变化曲线图7-104.2.4横联差动保护装置接线图图4-10横差保护装置原理接线图4、横联差动方向保护的优缺点及应用范围优点：能够迅速而有选择性地切除平行线路上的故障，实现起来简单、经济，不受系统振荡的影响。缺点：存在相继动作区，当故障发生在相继动作区时，切除故障的时间增加1倍。保护装置还存在死区。需加装单回线运行时线路的主保护和后备保护。适用于66kV及以下的平行线路上。应用：机械工业出版社教材配套电子教案本章内容结束