输电线路纵联保护分析

第四章输电线路纵联保护4.1输电线路纵联保护概述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4.1概述仅反应线路一侧的电气量不可能无延时地快速区分本线末端和对侧母线(或相邻线始端)故障。反应线路两侧的电气量可以快速、可靠地区分本线路内部任意点短路与外部短路，达到有选择性、快速地切除全线路任意点短路的目的。纵联保护（单元保护）将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧的电气量同时比较、联合工作，即在线路两侧之间发生纵向的联系，以这种方式构成的保护称为输电线路的纵联保护。由于保护是否动作取决于安装在输电线两端的装置联合判断的结果，两端的装置组成一个保护单元，各端的装置不能独立构成保护，在国外又称为输电线的单元保护。一套完整纵联保护的构成如下图所示。纵联保护的分类按照所利用信息通道的不同，可分为4种：•导引线纵联保护——导引线保护•电力线载波纵联保护——载波保护•微波纵联保护——微波保护•光纤纵联保护——光纤保护按照保护动作原理，纵联保护可以分为两类：•方向比较式纵联保护•纵联电流差动保护纵联保护采用的原理往往受到通道的制约。导引线通道这种通道需要铺设导引线电缆传送电气量信息,其投资随线路长度而增加，当线路较长(超过10km以上)时就不经济了。导引线越长，自身的运行安全性越低。在中性点接地系统中,除了雷击外，在接地故障时地中电流会引起地电位升高，也会产生感应电压，所以导引线的电缆必须有足够的绝缘水平(例如15kV的绝缘水平)，从而使投资增大。一般导引线中直接传输交流二次电量波形，故导引线保护广泛采用差动保护原理，但导引线的参数(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。电力线载波通道在保护中应用最为广泛，它不需要专门架设通信通道，而是利用输电线路构成通道。载波通道由输电线路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。输电线路机械强度大,运行安全可靠。但是在线路发生故障时通道可能遭到破坏，为此载波保护应采用在本线路故障、信号中断的情况下仍能正确动作的技术。微波通道微波通信是一种多路通信系统,可以提供足够的信息通道,微波通信具有很宽的频带,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,但是保护专用微波通信设备是不经济的,电力信息系统等在设计时应兼顾继电保护的需要。光纤通道光纤通道与微波通道具有相同的优点，光纤通道也广泛采用(PCM)调制方式，保护使用的光纤通道一般与电力信息系统统一考虑。当被保护的线路很短时,可架设专门的光缆通道直接将电信号转换成光信号送到对侧,并将所接收之光信号变为电信号进行比较。由于光信号不受干扰,在经济上也可以与导引线保护竞争，近年来成为短线路纵联保护的主要形式。方向比较式纵联保护两侧保护装置将本侧的功率方向、测量阻抗是否在规定的方向、区段内的判别结果传送到对侧,每侧保护装置根据两侧的判别结果，区分是区内还是区外故障。在通道中传送的是逻辑信号，而不是电气量本身。传送的信息量较少，但对信息可靠性要求很高。按照保护判别方向所用的原理可分为方向纵联保护与距离纵联保护。纵联电流差动保护利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧,每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位比较的结果区分是区内还是区外故障。在每侧都直接比较两侧的电气量，称为纵联电流差动保护。信息传输量大，并且要求两侧信息采集的同步，实现技术要求较高。输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析纵联保护需要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。当线路发生内部故障与外部故障时，电力线两端的电流波形、功率方向、电流相位以及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。两端电流相量和的故障特征当内部故障时，故障点有短路电流流出。根据基尔霍夫电流定律，对于一个中间既无电源，又无负荷的正常运行或外部故障的输电线路，在任意时刻，两端电流相量和等于零。两端功率方向的故障特征规定母线到线路的方向为正当线路发生内部故障时，两端功率方向相同，同为正方向。当线路发生外部故障时，远故障点端功率方向为正；近故障点端功率方向为负，两端功率方向相反。在系统正常运行时，两端的功率方向相反，线路的送电端功率方向为正、受电端的功率方向为负。两端电流相位特征对于图所示的双端输电线路，假定全系统阻抗角均匀、两侧电势角相同。当发生内部短路时，两侧电流同相位；当正常运行或外部短路时，两侧电流相位差180°两端测量阻抗的特征当线路内部短路时，输电线路两端的测量阻抗都是短路阻抗，一定位于阻抗元件Ⅱ段的动作区内，两侧的Ⅱ段同时起动；当正常运行时，两侧的测量阻抗是负荷阻抗，阻抗元件Ⅱ段不起动；当发生外部短路时，两侧的测量阻抗也是短路阻抗，但一侧为反方向，至少有一侧的阻抗元件Ⅱ段不起动。纵联保护的基本原理利用输电线两端电气量在正常运行、外部短路和内部短路时的特征差异可以构成不同原理的输电线路纵联保护：•纵联电流差动保护•方向比较式纵联保护•电流相位比较式纵联保护•距离纵联保护纵联电流差动保护利用输电线路两端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。•发生内部短路时，•正常运行和外部短路时，•由于受CT误差、线路分布电容等因素的影响，实际上不为零，此时差动保护的动作判据实际上为：•式中，Iset为门槛值dNMIIII0NMIIIsetNMIII方向比较式纵联保护利用输电线路两端功率方向相同或相异的特征可以构成方向比较式纵联保护。•两端保护各安装功率方向元件，当系统中发生故障时，两端功率方向元件判别流过本端的功率方向，闭锁式方向纵联保护：•功率方向为负者发出闭锁信号，闭锁两端的保护；允许式方向纵联保护：•功率方向为正者发出允许信号，允许两端保护跳闸。电流相位比较式纵联保护利用两端电流相位的特征差异，比较两端电流的相位关系。•两端保护各将本侧电流的正、负半波信息转换为表示电流相位并利于传送的信号，送往对端，同时接收对端送来的电流相位信号与本侧的相位信号比较。•当输电线路发生内部短路时，两端电流相角差为0°，保护动作，跳开本端断路器。•在正常运行或发生区外短路时两端电流相角差为180°，保护不动作。电流相位比较式纵联保护考虑电流电压互感器的误差以及输电线分布电容等的影响，当线路发生区外故障时两端电流相角差并不等于180°，而是在180°附近；考虑故障前两侧电势有一定相角差，在内部短路时两侧电流也不完全同相位。距离纵联保护基本原理：•与方向比较式纵联保护相似，只是用阻抗元件替代功率方向元件。优点：•当故障发生在Ⅱ段范围内时相应的方向阻抗元件才起动，当故障发生在距离Ⅱ以外时相应的方向阻抗元件不起动，减少了方向元件的起动次数，提高了保护的可靠性；•一般高压线路配备距离保护作为后备保护，距离保护的Ⅱ段作为方向元件，简化了纵联保护（主保护）的实现。不足：•后备保护检修时主保护被迫停运。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工作需要两端信息，两端保护要通过通信设备和通信通道快速地进行信息传递。输电线路保护常用的通信方式分有：•导引线通信•电力线载波通信•微波通信•光纤通信4.2.1导引线通信导引线通信：•利用敷设在输电线路两端变电所之间的二次电缆传递被保护线路各侧信息的通信方式。导引线纵联保护•以导引线为通道的纵联保护称为导引线纵联保护。采用电流差动原理，分为：•环流式•均压式环流式线路两侧电流互感器的同极性端子经导引线连接起来。在模拟式保护中两端的保护继电器各有两个线圈，动作线圈跨接在两根导引线之间，流过两端的和电流起动作作用；制动线圈（也称平衡线圈）被串接在导引线的回路中，流过两端的差电流，起制动作用；当继电器的动作作用大于制动作用时，保护动作。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，动作线圈中没有电流流过，即处在电流平衡状态，此时导引线流过两端循环电流，故称环流式。。均压式线路两端电流互感器的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中，流过两端的差电流；制动线圈则被跨接在两根导引线之间，流过和电流。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。导引线纵差保护的特点导引线纵差保护的突出优点是：•不受电力系统振荡的影响，不受非全相运行的影响、在单侧电源运行时仍能正确工作。•简单可靠，维修工作量极少，投运率极高，技术成熟，服务年限长，动作速度快等优点。导引线纵差保护的使用也受如下因素的限制：•保护装置的性能受导引线参数和使用长度影响，导引线愈长，分布电容愈大则保护装置的安全可靠性愈低；•导引电缆造价高，随着使用长度增加，初投资剧增。4.2.2电力线载波通信高频保护（载波保护）：•将线路两端的电流相位(或功率方向)信息转变为高频信号，经过高频耦合设备将高频信号加载到输电线路上，输电线路本身作为高频信号的通道将高频载波信号传输到对侧，对端再经过高频耦合设备将高频信号接收下来，以实现各端电流相位(或功率方向)的比较。电力线载波通道的构成：•“相－相”式：使用两相线路，高频信号传输的衰减小•“相－地”式：使用一相一地，比较经济“相－地”式载波通道如图所示，电力线载波通道的构成输电线路•三相输电线路都可以用来传递高频信号，任意一相与大地间都可以组成“相－地”回路。阻波器•为了使高频载波信号只在本线路中传输而不穿越到相邻线路上去，采用了电感线圈与可调电容组成的并联谐振回路，其阻抗与频率的关系如图所示。当其谐振频率为载波信号所选定的载波频率时，对载波电流呈现极高的阻抗（1000以上），从而使高频电流被阻挡在本线路以内。而对工频电流，阻波器仅呈现电感线圈的阻抗（约0.04Ω），工频电流畅通无阻。电力线载波通道的构成耦合电容器•其电容量极小，对工频信号呈现非常大的阻抗•防止工频电压侵入高频收、发信机。连接滤波器•它是一个可调电感的空芯变压器和一个接在副边的电容。连接滤波器与耦合电容器共同组成一个“四端口网络”带通滤波器，使所需频带的电流能够顺利通过。例如220kV架空输电线路的波阻抗约为400Ω，而高频电缆的波阻抗约为100Ω，为使高频信号在收、发信机与输电线路间传递时不发生反射，减少高频能量的附加衰耗，需要“四端口网络”使两侧的阻抗相匹配。同时空芯变压器的使用进一步使收、发信机与输电线路的高压部分相隔离，提高了安全性。电力线载波通道的构成高频收、发信机•高频传发信机由继电保护部分控制发出预定频率（可设定）的高频信号，通常都是在电力系统发生故障保护起动后发出信号，但也有采用长期发信故障起动后停信或改变信号的频率的工作方式。发信机发出的高频信号经载波信道传送到对端，被对端和本端的收信机所接受，两端的收信机既接收来自本侧的高频信号又接收来自对侧的高频信号，两个信号经比较判断后，作用于继电保护的输出部分接地刀闸•当检修连接滤波器时，接通接地刀闸，使耦合电容器下端可靠接地电力线载波通道的特点电力线载波通信是电力系统的一种特殊的通信方式，它以电力线路为信息通道，通道传输的信号频率范围一般为50～400kHz,载频低于40kHz受工频干扰太大，同时信道中的连接设备的构成也比较困难；载频过高，将对中波广播等产生严重干扰，同时高频能量衰耗也将大大增加。电力线载波通信曾在一段时间内成为电力系统应用最广的通信手段。它具有以下优点：电力线载波通道的优点无中继通信距离长•电力线载波通信距离可达几百公里，中间不需要信号的中继设备，一般