宁夏大学物理电气信息学院电力系统继电保护课程设计

电力网特高压长线路的继电保护设计学院：物理电气信息学院班级：2010级电气工程与自动化2班指导老师：李世芳小组成员：张路（12010245210）梁晓龙（12010245310）马金（12010245271）杨晓刚（12010245204）刘奕男（12010245269）完成日期：2013年12月19日摘要：随着我国社会经济的发展,电力需求日益增长,发展特高压输电技术,实现电网技术质的飞跃,是保障电力和社会经济协调发展的要措施。特高压输电线路正逐渐成为全国统一电网的骨干网架。IOO0k特高压输电系统有大容量、长距离和低损耗的输电特点,与500kV输电线路相比,导线的等效直径增大、阻抗下降、阻抗角增大、传输率增大、相对相以及相对地之间的分布电容增大。特高压输电线路具有电压高、线路长、输送功率大、阻抗小、分布电容大、线路充电电容电流大等特点，使得电气特征发生了大幅度变化，给特高压系统继电保护带来相当大的影响。本文探讨了特高压输电线路继电保护面临的问题，论述了适用于特高压输电线路的继电保护技术，提出了继电保护配置设计的原则，并在实际工程中提出配置设计的具体应用方案。关键词：特高压;分布电容;继电保护一、课题背景及意义为了提高输电的经济性能,满足大容量、远距离输电的需求,电网的电压等级不断提高,建立长距离、大容量、低损耗的输电系统已经成为世界各国电网发展的必然。美国、前苏联、日本、意大利等国自上世纪70年代就开始进行lOOOkV及以上电压等级的特高压输电技术的研究,并建设了相应的实验室和短距离试验线路但是由于国际大环境变化以及西方经济发展速度减缓等因素导致上述国家的电力需求衰退,许多特高压输电工程纷纷停滞,已经建成的特高压输电线路只能以低电压等级运行我国在经过近二十年的早期研究、论证分析和设计筹备等的前期准备工作阶段,于2005年启动了特高压输变电试验示范工程的建设工作,北起山西长治晋东南变电站,经河南南阳开关站,南止湖北荆门变电站,连接华北和华中两大电网,线路全长640千米,电压等级为交流lOOOkV。这项工程于2009年1月建成投运,至今已安全稳定运行三年多。在国家电网公司的长远规划中这仅仅是始,晋东南-陕北、晋东南-北京、荆门-武汉以及淮南-宪湖-浙北-上海特高压工程将会陆续展开。2011年9月,国家发改委已经核准了院电东送的特高压交流工程项目,这标志着特高压交流工程进入加快启动阶段。按照规划,在“十二五”期间会形成“三纵三横”的特高压骨干网架,跨区输送电容量将超过2亿千瓦,占全国总装机容量的20%以上。交流lOOOkV系统的输电线路,由于采用了八根分裂导线,线路的单位电阻与单位电感的比值较小,单位长度的分布电容较超高压线路有一定程度的增大。这样就会产生四个有别于常规电压等级的电气特性:分布电容产生了较大的电容电流;短路过程中分布电容产生的高频分量频率可能距离工频很近;短路过程中非周期分量衰减常数较大;故障尤其是高阻接地时故障分量可能比较小。基于这样的电气特性,必然会给电网中传统的继电保护装置带来若干问题。分相电流差动保护、工频变化量方向保护、负序方向保护等等这些应用于超高压线路的传统保护原理先进、性能优良,工作人员积累了丰富的运行经验。但是应用到lOOOkV特高压长线路上,这些保护原理会出现什么样的问题、性能是否能够满足要求都需要详细论证并加以改进。因此,在我国即将大范围开展特高压交直流输电的背景下,分析特高压输电线路在暂态特性,进而研究性能更好的继电保护原理具有非常重要的现实意义,为特高压长线路的保护提供更有力的武器。二、特高压长线路的特点和特性特高压输电线路单位电阻小，漏电导小、分布电容大[z’3]。为了提高特高压输电线路的传输能力，减小其电压损耗和能量损耗，提高输电线的自然功率，特高压线路多采用分裂导线(750kV常用4～6根，1000kV常用8～12根)，加之特高压输电线路输电距离长，从而导致分布电容较大。下表列出了不同电压等级下每百公里的分布电容值。不同电压等级每百公里线路分布电容电压等级(kV)2203305007501000正序电容(μF)0.861.1131.231.361.397零序电容(μF)0.610.770.840.930.93下表列出了220～1000kV各电压等级下单位线路电抗与电阻的比值。可知特高压输电线路的单位电感与单位电阻的比值明显增大，这又是特高压输电线路的一大特点。同时，由于特高压输电线路相间距离大，对地绝缘好，其漏电导在分析中可以忽略。各电压等级输电线路单位电阻电抗比电压等级(kV)2203305007501000X/R3～3.56.8410～132035三、特高压线路保护1、输电线路常用保护3.1.1纵联保护纵联保护是当线路发生故障时,使线路两侧之间发生纵向联系,交换各自的信息作为判据,从而有选择性的快速切除全线故障的一种保护装置。它以线路两侧判别量的特定关系作为判据,即两侧均将判别量借助通道传送到对侧,然后,两侧分别按照对侧与本侧判别量之间的关系来判别区内故障或区外故障。目前纵联保护主要有:闭锁式、允许式纵联距离保护和纵联电流差动保护。前者在线路两侧通过通道收发闭锁或允许信号来区分区内或区外故障。后者使用通道传输线路两侧的工频电流信息来确定故障区域。3.1.2纵联距离保护纵联距离保护优点很多,有丰富的运行经验。它是通过其方向判别元件的动作情况比较线路两侧各自看到的故障方向,从而判断是线路内部故障还是外部故障。如果以被保护线路内部故障时看到的故障方向为正方向,则当被保护线路外部故障时,总有一侧看到的是反方向。输电线路对于纵联距离保护的基本要求是:①要有明确的方向性,能快速的反应各种对称与不对称故障;②能够可靠的保护本线路全长;③对电压二次回路断线或系统振荡采取闭锁措施。纵联距离保护的主要优点是可以兼做主保护和下一级线路的远后备保护,保护范围基本固定(若不考虑过渡电阻影响),不受系统运行方式变化影响,根据线路情况和保护目标可以采用各种不同的动作特性等。但其缺点是受系统振荡影响很大,必须采用复杂的影响保护动作可靠性的振荡闭锁措施;受过渡电阻影响保护范围可能缩短或伸长;另外,方向性特性(动作特性通过原点)不能可靠反应保护安装处的故障;受线路串补电容影响可能使动作范围大大缩短;电压回路断线可能造成立即误动作,必须采用高速的电压回路断线闭锁措施等。此外,用于特高压输电线时必须按分布参数整定,使得保护定值不能直接反应保护范围的长度,保护整定复杂、精度降低,线路保护I段的动作范围要留有较大的裕度。按照纵联距离保护的以上特点,其可配以远方跳闸信号,作为特高压输电线的独立后备保护。3.1.3纵联电流差动保护纵联电流差动保护是比较被保护线路两侧工频电流相位的纵联保护。当两侧故障电流相位相同时保护被闭锁,两侧电流相位相反时保护动作跳闸。其特点是:l)能反应全相状态下的各种对称和不对称故障,装置比较简单;2)不反映系统振荡,在非全相运行状态下和单相重合闸过程中保护能继续运行;3)不受电压回路断线的影响;4)对收发信机及通道要求较高,在运行中两侧保护需要联跳;5)当通道或收发信机停用时,整个保护要退出运行,因此需要配备单独的后备保护。3.1.4分相电流差动纵联保护分相电流差动纵联保护被誉为最具有绝对选择性的保护,从原理上是最理想的保护方式,它的基本原理是基于基尔霍夫电流定律的。它不受系统振荡的影响,不受运行方式的影响,受过渡电阻的影响小,本身具有选相功能。但由于特高压线路分布电容电流的影响,将使线路区外故障时两端电流的波形、幅值和相位都发生严重畸变,影响电流差动的正常工作。因此欲采用分相电流差动保护原理时,应采取补偿电容电流的措施。对于微机保护可采用补偿电容电流的算法,尤其是补偿暂态电容电流的算法。在不采取电容电流补偿措施的情况下,分相电流差动保护只能用在200km以下的线路。3.1.5工频变化量纵联保护工频变化量方向纵联保护可以反应全相和非全相状态下的各种故障,不受负荷电流、系统振荡等的影响且动作速度很快,己在我国SO0kV和22OkV输电线路上取得成功的运行经验。其主要缺点与所有利用故障分量的保护一样,只能反应故障的初瞬间,不能反应故障的全过程。其次,其灵敏度与系统运行方式有关,有一定程度的不确定性,但是作为方向元件,灵敏度总是能够保证的。3.1.6工频故障分量距离保护工频故障分量距离保护的特点是:①阻抗继电器以电力系统故障引起的故障分量电压、电流为测量信号,不反映故障前的负荷量和系统振荡,动作性能基本上不受非故障状态的影响,无需加振荡闭锁;②阻抗继电器仅反应故障分量中的工频稳态量,不反映其中的暂态分量,动作性能较为稳定;③阻抗继电器的动作判据简单,因而实现方便,动作速度较快;④阻抗继电器具有明确的方向性,因而既可以作为距离元件,又可以作为方向元件使用;⑤阻抗继电器本身具有较好的选相能力。3.1.7负序方向纵联保护负序方向纵联保护具有悠久的历史和丰富的运行经验。负序分量存在于故障的全过程,因此负序方向纵联保护可以可靠地反应不对称故障的全过程,不受振荡的影响「叫。其灵敏度与系统运行方式和线路换位情况有关。但其主要缺点是被认为“不能可靠反应三相短路”。在集成电路式和非微机保护中,负序分量用模拟电路(负序过滤器)提取,由于三相短路初始瞬间出现的不对称和负序过滤器电路有一定的滤除高频分量的能力等原因,负序方向保护也可反应三相对称短路。对于如三相地线未拆除等固定的三相短路则靠后备距离保护反应。但这个方法可能不适合于微机保护。因为微机保护中的数字负序过滤器很难在三相短路初始瞬间数个毫秒的不对称期间内正确地滤出负序分量,因而很难捕捉到三相短路初始瞬间的不对称短路。但如果给负序功率方向元件配以正序故障分量方向元件或相电流相电压突变量方向元件专门反应三相短路,可以构成一种完善的纵联保护。负序方向纵联保护的另一缺点是在非全相状态下再故障时不能可靠动作。综上所述,负序功率方向(也可辅以零序功率方向)配以正序突变量方向或相电流电压突变量方向的纵联保护在理论上和实践上都是比较成熟的,应该成为特高压输电线主保护之一。3.1.8相电压补偿式方向纵联保护相电压补偿式方向纵联保护主要优点是可反应全相状态下各种故障和非全相状态下除两相接地外的其他各种故障的全过程,在合理整定条件下不受全相状态和非全相状态下系统振荡的影响,在反方向的各种故障包括经各种过渡电阻故障的情况下有很强的方向性。也可按照多相补偿的原理作为下一级线路的后备保护。其缺点是在单相接地时允许过渡电阻的能力较差,其次是动作时间需要23ms左右。这种保护原理可作为第二主保护,或作为非全相状态下的保护,专门用以反应单相重合闸周期中的故障。此外,目前还出现了完全不受电容电流影响的基于贝瑞隆模型的差动保护,包括分相电流差动和相位差动的原理。2、特高压继电保护的基本要求特高压输电线继电保护,其基本要求是满足继电保护“四性”(速动性、灵敏性、选择性、可靠性)的要求,并使整个保护系统在整体上和更高的水平上满足“四性”的要求。与一般高压和超高压线路相比,各种保护作用要有更高的独立性、更大的冗余度。保护配置应能保证在任何运行状态(包括两套主保护都退出)下被保护线路上发生任何故障时,都有一套无延时的快速保护,能从线路两端同时快速切除故障,避免发生过电压、系统稳定破坏或设备损坏等事故。与一般高压与超高压输电线不同,特高压输电线继电保护的任务,首先是保证不产生危及设备和绝缘子的过电压,其次是保证系统稳定。因为特高压输电线绝缘子短时间能承受过电压的裕度较小,在过电压使线路绝缘子绝缘性能降低甚至击穿时,更换绝缘子停电造成的经济损失可能远大于系统稳定破坏造成的损失。为了保证过电压不超过允许值,特高压输电线允许一端投入、另一端断开的时间远小于两端保护相继动作切除故障的时间。因此,特高压输电线上发生任何故障时必须以最短时间从两端同时切除故障,不能允许两端保护相继动作(即一端断路器断开后另一端保护才能动作)切除故障。对于特高压输电线要求有两套不同原理的能快速切除各种故障的主保护,另有一套能通过通道传