高压线路纵联差动保护原理与动作特性的仿真分析

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1、高压线路纵联差动保护原理与动作特性的仿真分析学生指导教师（）1 课题来源本课题为高压线路纵联差动保护原理与动作特性的研究课题，课题来源于实 际，具有现实背景，课题类型为论文型。本课题涉及线路保护、差动保护、距离 保护与仿真的一些基本知识等内容，与电气工程及其自动化专业密切相关。2 研究目的和意义几年来，随着我国电力系统的迅猛发展，轧亚输电线路逐渐增多，已经成为 我国电力系统中数量最多的电力设备。运行经验表明，电力系统中绝大多数故障 是输电线路故障。高压输电线路往往担负着传送巨大功率的任务，对整个电力系 统的安全稳定性有举重若轻的影响，因此对高压输电线路的继电保护也有更高的 要求，所以输电线路保

2、护的选择性、速动性、灵敏性、可靠性尤为重要。差动保护又辰为“平衡保护”，它的基本原理是在上世纪初提出的，迄今为 止，已约有100 年的历史。由于其原理简单可靠而被广泛地用作电力系统的发电 机、变压器、母线和大型电动机等元件的主保护。在高压线路保护中，要求线路保护具有速动性，除高阻故障外，能够快速切 除全线故障，一般要求保护出口现实不超过25-30ms ；同时还要求保护具有可靠 性，在系统振荡或在振荡中发生区外故障时，保护不动作，非全相运行时保护不 误动，准确识别区外转换性故障， PT 短线不误动等等；在发生故障时，还要求 保护具有灵敏性，包括在系统振荡时能够可靠识别内部故障，区外转区内故障能

3、够正确动作，单相转多相故障能够快速切除等等。差动保护在一般情况下，具有 很高的灵敏性与可靠性，改进过的一些算法使得保护的速动性，灵敏性，可靠性 又有了一些显著的提高，而差动保护恰恰不受PT断线影响，又具有天然选相能 力，因此被广泛运用于超高压线路保护当中。虽说纵联差动保护具有绝对的选择性、灵敏度高、系统震荡不误动、具有天 然选相能力等优点，但实际情况下的很多不可避免因素如负荷电流、分布电容电 流等降低了差动保护的灵敏性，不利于电力系统安全、稳定运行。例如当电流差动保护用于高压长线路或者电缆线路时，输电线路的相与相之 间和相与地之间存在着分布电容。在电压等级低、线路短的情况下，分布电容很 小，对

4、线路两端的电流影响不大，可以忽略其对差动保护的影响；但在高压长线 输电或者电缆线路上，分布电容的等值容抗大大减小，电容电流将诗输电线路两 端电流的大小和相位都发生严重畸变，因而其对差动保护影响就不能再被忽略。 目前很大多数的情况下，都是通过降低保护的灵敏度或者通过适当的补偿来做一 些弥补，以获得良好的效果。因此基于分布式电容补偿特性分析，研究高压线路纵联差动保护对故障电网 安稳运行具有重要的现实意义。3 国内外的研究现状和发展趋势随着微波通信技术、光纤通信技术的发展和其在电力系统通信中的逐渐应用, 又先后出现了输电线路的微波电流差动保护和光纤电流差动保护。在国外, 日本 就有分相电流差动微波保

5、护。在我国, 也较早地开展了输电线路的分相电流差动 微波保护的研究。由于光纤通信在电力通信系统的使用较少, 需为光纤电流差动 保护配设专用光缆, 所以, 光纤电流差动保护通常被设计用于短距离输电线路。 由于电力通信及其它诸多原因, 微波、光纤电流差动保护在我国电力系统继电保 护中的实际应用却一直非常之少1。目前在输电线路上常见的通信方式一般采用载波通信和光纤通信。常规载波 通信都是“点对点”方式下传送闭锁信号或允许信号，也仅限于简单的信号命令。 前些年受限于平台技术，微机保护自带的光端机只能提供一组光纤收发接口，不 便适用在多端线路中。但随着技术的发展，现在已经可以提供两组光纤通信接口， 为多

6、端线路保护提供了充分的通道资源 2 。在国外, 数字式电流差动保护的应用较多, 尤其是在日本和英国, 数字式 电流差动保护是输电线路主保护中应用最多的保护;在其它国家也有应用。随着 通信技术的向前发展和光纤等通信设备的成本下降, 近几年, 我国的通信发展 很快, 电力通信系统中也在逐步应用光纤通信。不少地方已经引进了日本东芝公 司、英国GEC公司和ABB公司的数字电流差动保护装置。这些装置可用于数字微 波或光纤通信系统、以及短距离的专用光纤通道上3 。高压线路电流差动保护, 在我国之所以应用不广泛的原因, 正如前面所述, 是由于它对通信通道的依赖。它不能够利用目前我国高频保护中用得最为广泛的

7、电力线载波通道来实现。另外, 对于数字式高压线路电流差动保护来讲, 线路各 端保护装置的同步交流采样, 也是其技术的一个关键4。高压线路电流差动保护 所采用的通信媒介, 与输电线路无直接的联系, 继电保护信号的传输可完全不 受输电线路故障的影响;相比通过电力线载波通道传递继电保护信号的高频保护, 其通信可靠性会更高。电力微波、光纤通信的频带较宽, 相比电力线载波通道, 能为继电保护传递较多的信号, 这可为继电保护其它装置（如远方跳闸、切机等） 的应用提供更好的条件 5 。综合来看, 正如众所周知的那样, 电流差动保护判据是一种简单、可靠和广 泛适用的继电保护原理,它是电力系统的主要保护之一。长

8、期的运行考验也证明 了它的优越性。随着电力系统的发展, 超高压、远距离的输电线路和复杂网络（如 同杆双回线路、T型分支线路、环网等）的增多，以及电力系统通信技术的进一步 迅速发展, 毫无疑义, 电流差动保护将会在高压、超高压输电线路上, 得到更为 广泛的应用。它的应用也将会克服目前高频保护所遇到的一些困难， 进一步提高 线路保护的运行水平 6。4 研究的主要内容及设计成果的应用价值4.1 高压线路纵联差动保护基本原理及概论4.1.1 线路纵联差动保护概念所谓输电线的纵联保护，就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、功率的方向等）传送到对端，将两端的电气 量

9、比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保 护线路。因此，理论上这种纵联保护具有绝对的选择性。差动保护是一种依据被保护电气设备进出线两端电流差值的变化构成的对 电气设备的保护装置，一般分为纵联差动保护和横联差动保护。变压器的差动保 护属纵联差动保护，横联差动保护则常用于变电所母线等设备的保护。由于纵联差动保护只在保护区内短路时才动作，不存在与系统中相邻元件保 护的选择性配合问题，因而可以快速切除整个保护区内任何一点的短路，这是它 的可贵优点。但是，为了构成纵联差动保护装置，必须在被保护元件各端装设电 流互感器，并将它们的二次线圈用辅助导线连接起来，接差动继电器。由于受

10、辅 助导线条件的限制，纵向连接的差动保护仅限于用在短线路上，对于发电机、变 压器及母线等，则可广泛采用纵联差动保护实现主保护。4.1.2纵联保护的通道为了把被保护线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，需要利用通道。通道 虽然只是传送信息的手段,但是采用不同的通道，输电线路纵连保护在装置原理、 结构、性能和适用范围等方面就具有很大的差别。纵联保护的通道类型主要分为 以下四种：（1）引导线通道这种通道需要铺设电缆，其投资随着线路长度的增长而增加，不经济。引导 线越长，安全性越低。引导线中传输的是电信号，发生接地故障时，会产生感应 电压，造成保护的不正确动作。因此，导引线的电缆必须足够的绝缘，从而加大

11、 线路的投资。导引线直接传输交流电量，因此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)直接影响保护的性能，从而在技术上限制了导引线 保护用于较长的线路。(2) 电力线载波通道载波通道是纵联保护中应用最广的一种。载波通道由高压输电线及其加工和 连接设备(阻波器、结合电容器及高频收发信机)等组成。高压输电线机械强度 大，十分安全可靠。但是线路故障时，由于高频信号衰减增大，通道可能遭到破 坏。因此，载波保护在利用高频信号时应使得保护在本线路故障信号中断的情况 下仍能正确动作。(3) 微波通道微波通信是理想的通信系统。微博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

12、信系统产生任何影响，因此利用微博保护的方式不受限 制。但是保护专用微波通信设备是不经济的。应当与通信、运动等公用，要求设 计师把两方面联系起来，同时考虑信号的衰落问题。(4) 光纤通道此通道与微博通道有相同的优点。光纤通信广泛采用PCM调制方式。最近发 展的架空输电线的接地线中铺设光纤的方法既经济又安全，很有发展前途，当被 保护线路很长时，应当与通信、运动等复用。4.1.3 线路纵联差动保护的分类纵联差动保护包括三大类：(1) 引导线差动纵联保护( 2)相位比较式差动纵联保护(3)电流差动纵联保护引导线问题很多，近年来逐渐被光缆代替，在我国使用也不普遍。相位比较 式纵联差动保护，一般简称为相差

13、保护，自 20世纪 50 年代起在我国得到广泛应 用，到 20 世纪 80 年代逐渐被方向纵联保护和距离纵联保护替代。电流差动保护 在原理上有独特的优点，通道利用光纤和微波有发展前途。4.1.4 线路纵联差动保护原理电流、电压保护以及距离保护由于其动作原理都只能反应被保护线路一侧的 电气量的变化，不可能区分被保护线路末端和对侧母线或者相邻线路始端的短路 故障。为了保证保护选择性，不得不将无时限的保护范围缩短到小于线路全长。 一般将被保护的无时限第一段保护范围整定为线路全长的80%-90%,对于其余的 10%-20%线路的短路故障只能由保护第二段限时切除。即使性能较好的距离保护， 在单侧电源线路

14、上也只能是被保护线路全长的80%左右，在双侧电源线路上瞬时 切除故障的范围大约只有线路全长的60%左右。在被保护线路其余部分发生故障 时，都只能由延时保护来切除。这对于很多重要的高压输电线路是不允许的，为 了保证电力系统短路故障切除后的稳定性，被保护线路上要求设置具有无延时切 除线路上任意故障的保护装置。由此，产生了输电线路的纵联差动保护，反应的 是输电线路两端的电气量的变化，能够区分被保护线路末端和对侧母线或相邻线 路始端的短路故障，以实现线路全长范围内任何点短路故障的有选择性的、快速 切除。理论上，输电线路纵联保护具有输电线内部短路故障时动作的绝对选择性。输电线路纵联差动保护已经成为线路保

15、护的主要保护之一，其基本原理简言 之为：利用被保护线路两端的差动电流大小（幅值和相位）来对故障进行判断。规定：线路两端电流反方向由母线流向线路为正，反之为负。分为两种情况：（1）当被保护线路正常运行或发生外部故障时，线路两端电流流向为：一端由 母线流向该线路，为正；另一端由该线路流向该侧母线，为负。（2）当被保护线路发生内部故障时，线路两端电流流向为：一端由母线流向该 线路，为正；另一端由该侧母线流向该线路，为负。输电线路纵联差动保护基本原理图如下图 4-1 所示M灯N k2图 4-1 输电线路纵联保护基本原理图当 k1 点短路故障，流经线路两侧断路器的故障电流方向如图中箭头所示， 两侧电流方

16、向均为正。而当 k2 点故障时即外部发生故障，流经 M、 N 两侧电流方 向如图中虚线箭头所示， M 侧电流为正。比较上述两种情况两端电流大小可判断该线路是否发生故障。通常比较方法 是将被保护线路两端电流相减，即对被保护线路两端电流做向量差，根据向量差 值进行判断，确定该线路是否发生内部故障。电流差动纵联保护测量的是真正的差动量。理想情况下，差动量应该为零或 者等于线路中的分接的负荷电流。然而实际上，这样的情况是不切实际的，由于 电流互感器的误差、或线路分布电流等因素影响，差动量的大小与理论值存在一 定的偏差.为了防止发生被保护线路外部故障时差动保护的误动作,必须得到被 保护线路各端电流的幅值

17、和相位.这就需要合适的数据传输通信通道。然而，随着微机应用的越来越广泛，通信越来越熟，输电线路电流纵联差 动保护的应用已经变得越来越普及。它可以电流差动保护测量真正的差动量。在 理想情况下，差动量应该为零或者等于线路中的分接的负荷电流。实际上，这样 的情况是不切实际的，由于电流互感器的误差、电流比不匹配或线路分布电容电 流的影响，差动量的大小与理论值存在偏差。为了防止外部故障时差动保护的误 动作，必须得到各端电流的幅值和相位。这就需要合适的数据传输通信通道。电流差动保护有两种主要方式。一种是把每个终端的电流合成为一个复合信 号，并且通过一个通信通道比较这些合成信号。另外一种方法是对每个相电流进

18、 行采样，将它们转化为数字量并且将这些数字量传送给其他各终端保护终端。电流差动保护往往比距离保护更加灵敏。它只需要电流，不需要电压互感器。 电流差动保护在保证安全性的前提下，提高了保护的可依赖性。由于没有电压互 感器，因此它不受系统振荡的影响。然而它没有固有的后备保护功能。它可以通 过采集各端电流信号实现多端线路的电流差动保护。4.1.6.1 TA 极性及电流方向输电线路电流差动保护和两个电流向量的加减、电流的正负以及 TA 极性的 位置密切相关，此问题极重要，再次简要分析TA极性以及电流方向这一关键问 题。图4-2左图，一次电流II自母线流向线路，自TA的正极性端流入，二次电 流I2从TA的

19、正极性端流出，如图所示的极性联结。II, 12，Ij三个电流同相 位, Ij 就是保护装置进行计算的电流。保护装置规定从变流器 BL 的正极性端流 出的这个电流Ij为正，所以一次电流I1自母线流向线路时，I1本身就是正值; 反之，I1自线路流向母线时，则Ij流入BL的正极性端，此时的I1自然为负， 见图4-2右图，所以与之相对应的一次电流I1就规定为负。也就是只当差动保护的TA、BL的极性联接如图4-2所示时，TA 一次侧电流 I1的正负规定是：当I1自母线流向电路时，I1为正；当I1自线路流向母线时, I1 为负。图 4-2 电流差动保护中电流极性判断示意图4.2 电流纵联差动保护的影响因素

20、及对应措施4.2.1 影响因素 仍有诸多因素影响电流差动保护动作的正确性、可靠性、灵敏性。影响输电线路电流差动纵联保护正确动作的因素一般概括为如下：（1）电流互感器的误差和不平衡电流（2）输电线路的分布电容电流（3）负荷电流的影响4.2.1.1 不平衡差流电流差动保护的基本原理说明：在不考虑电流互感器 TA 的误差、线路分布 电容等理想情况下，当输电线路正常或线路区外故障时，差流为零。然而实际情 况中，TA是存在误差的，而且架空长线或电线电缆存在很大的分布电容，诸多 原因使得线路正常或区外故障时差动电流并不为零，存在不平衡差流。产生不平衡差流的原因大致可以分为两大类：模型所产生的误差和测量所产

21、 生的误差。（1）模型误差：是指实际被保护元件中还存在其他无法测量的支路多带来 的误差。例如线路中存在分布电容，构成无法测量支路，电容上流过电流，我们 称之为分布电容电流，都转换为不平衡电流。（2）测量误差：是指测量装置测量到的电流与实际一次电流之间存在额差 异。例如 TA 饱和误差，在 TA 饱和时， TA 励磁组抗将会下降很大，保护会产生 很大不平衡电流。4.2.1.2 分布电容电流 输电线路分布电容电流产生原因：当输电线路的电压等级较低、线路较短时， 分布电容较小，对输电线路两端电流影响不大，可以忽略其对电流差动保护的影 响。但是，当纵联电流差动保护用于超高压长线路或者电缆线路时，输电线

22、路的 相与相之间和相与地之间存在分布电容，且分布电容等值容抗大大减小，导致输 电线路两端电流大小和相位都发生严重畸变，因而其对电流差动保护将产生较大 影响。4.2.1.3 负荷电流 传统的纵联线路差动保护比较的是线路两侧全电流，是非故障状态下负荷电 流和故障电流的叠加，在一般的内部短路情况下，可以满足灵敏度的要求。但是， 当区内故障发生大过度电阻短路时，因为故障分量电流很小，故障电流和负荷电 流相差不是很大，负荷电流为穿越电流，对两侧全电流大小相位都有影响，降低 保护灵敏度，是的纵联电流差动保护允许过度电阻能力有限。4.2.2 对应措施 综合上述提到的差动保护的基本原理以及影响差动保护正确动作

23、的因素，本 文提出了提高差动保护灵敏度的两个基本方法：第一：减小负荷电流的影响。在实际线路差动保护中，为了躲避不平衡电流， 通常采用的是带有制动特性的差动继电器，因此差动保护的灵敏度受到负荷电流 影响。第二：减小模型误差产生的不平衡电流。模型误差产生的不平衡电流主要是 线路分布电容电流。减小分布电容电流所带来不平衡差流影响的方法是采用电容 电流补偿措施，以及采用合适滤波算法。总结起来，可归结为图4-3所示：电流选取电容电流补应相电流变化量相电流零序电流不补偿常规差动变化量差动零序差动稳态电容电流补偿稳态补偿常规差动稳态补偿变化量差动暂态电容皑流补偿暂态补偿常规差动暂态补偿变化量善动行波差动行波

24、常规差动行波变化量差动图4-3 提高保护灵敏度的方法4.3 故障分量差动保护的研究4.3.1 常规差动的缺点 常规差动是用差流选取的基本方法选取差流，但是基本差流选取方法中的制 动量引入了负荷电流，因此常规差动保护受负荷电流影响较大，特别是重载线路 发生高阻接地故障时，保护的灵敏度受到很大的影响，有可能出现拒动的现象。 下面进行分析：(4-4)(4-5)常规电流差动保护动作判据：I +1 Im n dzI +11KI -1m n m n其中，I、I分别为保护线路M侧和N侧的电流向量，I为电流门槛值；K m n dz为比例制动系数（OK K AI -A I + 2 Im n m nUm it1b

25、K丿d1图4-9线路发生区内接地故障示意图可见，若发生高阻接地故障时，可能会出现故障支路电流减小、穿越性负荷 电流增大的情况，从而导致动作量小于制动量，保护拒动，降低了保护的灵敏性。 如果将K值整定的很小以降低制动量从而提高保护的灵敏性，必然导致区外故障 判断能力下降，所以不可行。4.3.2 变化量差动的灵敏度 以双端电源供电单回路为例，对故障分量差动保护灵敏性进行分析。假设被保护线路发生区内高阻接地故障，如上图4-9所示。 将常规差动判据中的全电流相量替换成线路两端故障分量电流，构成相应的差动保护判据：4-10)AI +AI AIm n dz(4-11)式中，AI和AI分别为线路M和N侧的相

26、电流的突变量；AI为定值，K为m n dz制动系数（0Kl）（4-10）为辅助判据，（4-11 ）为主判据。两式同时满足 时保护动作。我们可以把线路短路状态分解为正常运行状态和短路状态叠加，如图 4-12所示：AZw尺,I图 4-12 线路短路状态分解图当P点发生三相短路时，由于三相对称，分析A相情况。(4-13)a I = Z /（Z + Z）I4-14)4-16)4-17)a I = z/(Z + z)in m n m fa 带入(4-11)，可以得到制动量为：kAi -ai = K匕-Z)/(Z + Z 卄(4T5)mnnmnm fa当区外发生三相短路故障时，流过各个相的突变量电流皆为穿

27、越性电流，因 此三相保护均不会动作。当P点发生单相接地故障时，仍旧以A相为例进行分析，这时故障相电流分别为：ai =-z/(Z+ z)ai-z/(Z+ z)ai-z/(Z+ z kimn1n1m 1fa 1n 2n 2m 2fa 2n 0n 0m 0fa 0ai =-z/(Z+ zhi-z/(Z+ z hi-z/(Z+ z hinm1m1n1fa1m2n2m2fa 2m0n0m0fa 0代入(4-11)，得：Aim -Ain = KZml-Znl)/(Zml+ Znl)lifa1 + l(Zm2-Zn2)/(Zm2 + Zn2)lifa2(418) + KZmO Zn 0)/(Zm0 + Zn

28、 0)li fa0因为Z和Z阻抗角，Z 2和乙2的阻抗角，Z O和Z O的阻抗角之差最大不超过 mlnlm 2n 2m O nO90度，因此不论K取何值(0K1,从算法看Ai（t）可以或获得任 意长的存在时间，但是从系统看故障的存在必然破坏原来系统中的功率平衡关 系，系统中各个电源电动势的功角必然要变化。变化后的故障前状态是无法测量 的。现代快速主保护的动作时间不超过30ms, Ai（t）的输出时间持续50ms 般就 足够了。5工作的主要阶段、进度（ 1 ） 2014 年秋季学期第 11 周（ 2014 年 11 月 18 日前） 接受毕业设计任务书,学习毕业设计（论文）要求及有关规定。（ 2

29、 ） 2014 年秋季学期第 1218 周 阅读指定的参考资料及文献,基本完成开题报告、外文翻译任务。（ 3 ） 2014 年秋季学期第 19 周（ 2015 年 1 月 20 日前） 上交开题报告、外文翻译,指导教师批阅。（ 4 ） 2015 年春季学期第 11 周（ 2015 年 4 月 30 日前） 提交毕业设计中期报告,完成毕业设计中期考核内容（ 5 ） 2015 年春季学期第 14 周提交毕业设计初稿（ 6 ） 2015 年春季学期第 15 周完成毕业设计,全部成果交指导教师批阅（ 7 ） 2015 年春季学期第 16 周（ 2015 年 6 月 1 日至 3 日）毕业答辩6 最终目

30、标及完成时间选择典型的高压电网输电系统,利用 PSCAD 或其他仿真软件和查找资料获取 实际数据进行线路故障特写分析以及分析电容电流补偿原理和突变量差动保护 判据的构成,对提出的差动保护判据进行仿真分析。完成时间：第15周参考文献1 李斌，范瑞卿，于绚，贺家李，薛士敏相位相关电流差动保护新原理J.中国电机工 程学报2 龚广军，杨军，彭晓涛，张文嘉，孙元章超导储能装置对输电线路纵联电流差动保护 的影响分析J电力系统自动化，2011, 07:38-41.3 陈金熠，范春菊，刘玲不同电压等级的四回线的纵联差动保护方案J.电力系统保护与控制，2011,18：72-794 康小宁，吴招座，索南加乐，游昊

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