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1、 输电线路保护输电线路保护一、概述一、概述 电力系统继电保护是电网安全稳定运行的重要保证。因此，继电保护的安全、可靠运行，一直受到电网各级管理部门的高度重视。特别是当前，大容量机组的增加、电网容量的不断扩大，电网的安全稳定运行问题为重要。因此，对继电保护装置的可靠运行，提出了新的、更高的标准和要求。1.对继电保护装置的基本要求 长期以来，为保证电网的安全可靠运行，对继电保护装置提出了以下几项基本要求：选择性：指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。快速性：在发生故障时，应力求保护装置能迅速切除故障。快速切除故障可以提高电力系统
2、并列运行的稳定性、减少用户在电压降低的情况下工作的时间、缩小故障元件的损坏程度、防止大电流流过非故障设备引起损坏等。灵敏性：指对于其保护范围内发生故障或不正常的运行状态的反应能力。实质上是要求继电保护应能反应在保护范围内所发生的所有故障和不正常运行状态。可靠性：要求保护装置在应该动作时可靠动作；在不应该动作时不应误动，即既不应该拒动也不应该误动。2.反措对继电保护的要求 从上个世纪90年代开始，国家电网公司先后颁布了电力系统继电保护及安全自动装置反措要点、二十五项反措、十八项反措等反事故措施。根据这些反措的要求，220kV及以上的线路、母线、接入220kV电压等级的变压器保护必须按双重化配置。
3、而且，反措还对保护做出了具体规定和要求。反措对保护的基本要求：保护双重化的基本要求 （1）同一元件的两套主保护分别安装于不同的盘柜；（2）两套主保护的电流分别取自电流互感器不同的二次绕组；（3）两套主保护的直流电源须取自不同的直流母线；（4）每套主保护必须设置各自独立的跳闸出口，动作于断路器不同的跳闸线圈；（5）保护装置的操作箱、断路器控制回路及跳闸线圈须按双重化的原则设置，两组跳闸回路的控制电源取自不同的直流母线；线路纵联保护 纵联保护由于能够反映被保护线路上任何一点的故障并以瞬时速度跳闸，因而被定义为超高压线路的主保护。一般用于220kV线路。根据信号的传输方式，纵联保护主要分为两大类，即
4、：由载波通道及保护装置共同构成的线路纵联保护、由光纤通道及保护装置共同构成的线路纵联保护。根据保护的原理，可分为纵联方向、纵联距离、纵联差动、电流相位差动等保护。500kV线路目前都是光纤差动保护，220kV线路目前也有很多线路将光纤差动作为主保护，但仍有一部分线路的主保护采用以载波通道为传输方式的纵联保护。但均按双重化配置。2.纵联方向保护(1)基本原理 纵联方向保护是比较被保护线路两端的短路功率方向。由载波通道和方向保护元件构成。载波通道分专用和复用两种。保护又分为闭锁式和允许式.闭锁式：当被保护线路发生区内故障时，线路两侧保护中的起动元件（由负序、零序或正序电流突变量元件构成）立即起动本
5、侧发信机发信（称为闭锁信号），两侧方向元件判定为正方向故障时，方向元件动作使发信机停信，当收信回路收不到对侧及本侧信号时，即输出信号，同方向元件动作信号构成“与”门，发出跳闸脉冲。当发生区外故障时，两侧起动元件同时起动发信，但这时只有处于远故障点侧的方向元件动作，使本侧发信机停信，而处于近故障点侧的方向元件不动作，不使本侧停信，因两侧收发信机使用同一频率，故两侧仍然能收到高频信号，两侧收信机均不输出允许跳闸的信号，因此，两侧均不跳闸。允许式：当被保护线路发生区内故障时，两侧的起动元件动作但不起动发信机发信，由方向元件判断为正方向故障后，方向元件动作起动发信（称为允许信号），对侧受到允许信号后，
6、如对侧的方向元件动作，则收信输出信号和方向元件动作信号构成“与”门，发出跳闸脉冲。当发生区外故障时，两侧的起动元件起动，不发信。这时，远故障点一侧的方向元件动作，起动发信，由于近故障点侧的保护为反向，方向元件不动作，也就不起动发信，也不发跳闸脉冲。处于远故障点一侧的保护，虽然方向元件动作，但由于没有收到对侧的允许信号，“与”门不输出信号，因此，也不发跳闸脉冲。除上述主保护之外，纵联方向保护还配置了常规的距离和零序保护，作为主保护的后备。2主要功能和技术要求（1）保护装置的起动逻辑由反映突变量的零序和负序元件构成。突变量元件起动后开放保护装置的动作出口回路，正常运行和系统振荡时不会起动，受外界影
7、响小，抗干扰能力较强。此外，反映零序和负序突变量的元件在线路故障时起动速度快，有助于缩短保护固有动作时间，达到快速切除故障的目的。（2）对闭锁式纵联保护，要求起动元件（零序、负序或正序电流突变量元件）在故障初始须快速起动发信，故障切除后，起动元件的返回应稍带有一定的延时。原因是保证在区外故障切除后，保证方向元件首先返回，闭锁信号再返回。（3）无论是闭锁式还是允许式纵联保护，都应设置外部保护（如母差、失灵）跳闸停信或发信回路。对闭锁式纵联保护当母差、失灵等保护动作跳开本线路开关时，应同时发出停信信号，使本侧发信机停信，以便让对侧保护跳闸。对允许式纵联保护，当母差或失灵保护动作时，应同时发出发信信
8、号，也是为了使对侧保护动作跳闸。这是因为考虑到，当母差或失灵保护动作跳本线路开关，而开关失灵、跳不开时，让对侧开关跳闸，以达到切断故障电流的目的。（4）对纵联方向保护装置，应设置PT断线闭锁元件。对后备距离保护，还应设置振荡闭锁，系统发生振荡时，闭锁距离保护的一、二段。（5）载波通道是纵联保护传输信号的重要途径，线路正常运行时，应有对载波通道进行长期监视的手段，对专用载波通道，每天均应进行通道对试，以保证通道的完好。对复用载波通道，应设置与跳闸脉冲频率不同的监频信号，当通道异常时，发出报警信号。3.纵联距离保护纵联距离保护（1）基本原理 纵联距离保护与纵联方向保护相同，作为220kV线路的主保
9、护。一般由专用载波通道和三（四）段式相间和接地距离保护构成，而且采用闭锁式的形式较多。当被保护线路发生区内故障时，线路两侧保护中的起动元件（由负序、零序或正序电流突变量元件构成）立即起动本侧发信机发信（称为闭锁信号），然后由主保护中带方向的阻抗元件（一般按大于1.3倍线路阻抗整定）动作后立即停信，两侧都停信后收信回路即有输出，与带方向的距离阻抗元件构成“与”门，发出跳闸脉冲。当故障发生在线路一端的出口处（区内）时，近故障点侧的起动元件动作，起动发信。主保护中的带方向的阻抗元件动作停信。远故障点侧的起动元件动作后起动发信，这时由于主保护中带方向的阻抗元件按大于被保护线路阻抗整定，能够可靠动作停信
10、，收信回路的输出信号和带方向的阻抗元件的动作信号构成“与”门，瞬时跳闸。达到了纵联保护全线速动的目的。当发生区外故障时，虽然远故障点侧方向阻抗能够停信，但近故障点侧处于反向，阻抗元件不动作、不停信，始终发闭锁信号，两侧保护均不跳闸。除上述主保护外，纵联距离保护还设置了后备相间和接地距离保护。根据距离保护的原理和特性，在电力系统发生振荡时，距离保护的阻抗元件将会误动。如按最长的振荡周期考虑，一、二段阻抗元件因动作时间短，无法躲过系统振荡的时间，而三段阻抗因其动作时间较长，则可以躲过系统振荡。此外，当发生PT断线时阻抗元件也会误动。因此，在距离保护中，都设有振荡闭锁和PT断线闭锁，防止发生上述两种
11、情况时距离保护误动。（2）主要功能和技术要求a.保护装置的起动逻辑由反映突变量的零序和负序元件构成。突变量元件起动后开放保护装置的动作出口回路，正常运行和系统振荡时不会起动，受外界影响小，抗干扰能力较强。此外，反映零序和负序突变量的元件在线路故障时起动速度快，有助于缩短保护固有动作时间，达到快速切除故障的目的。b.相间距离和接地距离保护中的阻抗元件整定阻抗应大于被保护线路全长的50%，一般情况下相间距离的一段阻抗整定在85%左右。接地距离因考虑接地电阻的影响，可适当缩小范围。对于闭锁式纵联距离保护的阻抗定值，也可以超范围整定，即一段阻抗整定为线路全长的120%c.在纵联距离保护装置中，应设置P
12、T断线闭锁和振荡闭锁元件。当发生PT断线或系统振荡时闭锁保护。振荡闭锁应闭锁距离保护的一、二段阻抗。d.对载波通道的技术要求与纵联方向保护相同。线路正常运行时，应有对载波通道进行长期监视的手段，对专用载波通道，每天均应进行通道对试，以保证通道的完好。5.对线路纵联保护的评价对线路纵联保护的评价(1)无论是纵联方向还是纵联距离保护，均能满足继电保护选择性、灵敏性、快速性、可靠性的要求。因此，两种保护目前仍然得到广泛的使用。(2)设备质量良好，性能稳定。因装置原因造成误动的情况虽有，但不是很多。(3)由于使用高频载波作为信号的传输工具，所以，载波通道受环境影响较大，因天气不好，会造成通道的衰耗增大
13、，甚至有可能使保护短时退出运行。(4)高频通道设备应定期检验。增加了继电保护专业人员的维护工作量。(1)光纤的基本工作原理光纤的基本工作原理a光纤的结构与分类：光纤为光导纤维的简称，由直径大约0.1 mm的细玻璃丝构成。继电保护所用光纤为通信光纤，是由纤芯和包层两部分组成的，如图所示。纤芯区域完成光信号的传输；包层则是将光封闭在纤芯内，并保护纤芯，增加光纤的机械强度。按光在光纤中的传输模式，光纤可分为单模光纤和多模光纤。多模光纤(multi modefiber)的中心玻璃芯较粗(芯径为50 m或62.5 m)，可传多种模式的光，但其模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，而且随着距离的增加，其
14、限制效果更加明显。单模光纤(single mode fiber)的中心玻璃芯很细(芯径一般为9 m或10m)，只能传一种模式的光，因此，其模间色散很小，适用于远程传输，但仍存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的带宽和稳定性有较高的要求，带宽要窄，稳定性要好。b.继电保护用光纤的特点：继电保护用光纤对衰耗值要求较高，不同波长的光信号衰耗值不同，光纤的结构光纤电流差动保护光纤电流差动保护(2)光纤电流差动保护的基本工作原理光纤电流差动保护的基本工作原理 超高压输电线路的光纤电流差动保护是220kV、500kV线路的主保护。与普通的电流差动保护在原理上区别不大。就电流差动保护本身而言，具有原
15、理简单，不受运行方式变化的影响、动作灵敏度高、快速、可靠，而且能适应电力系统振荡、非全相运行等优点。是其他保护形式所无法比拟的。光纤电流差动保护在继承了电流差动保护的这些优点的同时，以其可靠稳定的光纤传输通道，保证了传输电流幅值和相位的正确可靠。进一步提高了继电保护运行的安全性和可靠性。光纤电流差动保护通过光纤电缆传输继电保护需要的模拟量信号和开关量信号。正常运行时，通过光缆将线路对侧的电流幅值和相位传送到本侧，与本侧的电流幅值和相位进行比较。线路正常输送负荷的情况下，两侧的电流幅值相等，相位互差1800。保护中的差电流为0，保护装置不动作。当被保护线路发生区内故障时，两侧的电流相位相差00，
16、两侧保护瞬时跳开本侧开关。区外故障时，两侧电流的相位与正常运行时相同，相差1800。两侧电流的幅值则因为故障电流的大小不同而不等。特别是当区外故障电流较大时，由于两侧CT的特性差异，会造成电流差动保护中的不平衡电流增加，差流增大，导致保护误动。为此，光纤电流差动保护具有比率制动特性，可有效的保证区外故障时保护不会误动。线路的光纤电流差动保护中还设置了后备保护。后备保护通常是三段式距离和零序电流保护。当光线通道异常、电流差动保护退出运行时，起到后备保护的作用。对后备距离、零序保护的要求与纵联保护相同。光纤差动保护还具有“直跳”和“远传”的功能，当本侧失灵、过电压等保护动作时，由这些保护发出“直跳
17、”或“远传”命令，使对侧开关跳闸。(3)主要功能和技术要求主要功能和技术要求a保护中的总起动元件由反映工频变化量的相电流和零序电流元件组成，起动元件动作时，短时开放出口继电器。既保证了出口继电器可靠动作跳闸，又能保证正常运行时保护的安全可靠。b光纤电流差动保护装置具有64Kbit（或2M）的数据通信接口，能够较好、准确的传送保护数字信号。装置有通道自动监测、在线显示误码率的功能，当通道异常时发出报警信号并自动闭锁保护。c装置应设置PT断线闭锁和振荡闭锁功能，防止在PT断线或系统振荡情况下后备距离保护误动。四、线路的后备保护四、线路的后备保护一、距离保护一、距离保护1距离保护工作原理（包括相间和
18、接地距离保护）在线路发生短路时,距离保护测量阻抗ZK=UKIKZd等于保护安装点到故障点的(正序)阻抗。显然该阻抗和故障点的距离是成比例的。因此习惯地将距离保护继电器称为阻抗继电器。三段式距离保护的原理和电流保护是相似的，其差别在于距离保护反应的是电力系统故障时测量阻抗的下降，而电流保护反映是电流的升高。图中，ZZD 为阻抗继电器的整定阻抗，圆内为继电器的动作区，当线路的正方向发生故障，测量阻抗小于整定阻抗、进入圆内时，继电器动作。圆周即为动作边界。当测量阻抗与整定阻抗差1800 时，属于反向故障，继电器不动作。ZK 即为线路正方向保护范围内故障时，阻抗继电器测量到的阻抗。距离保护一般设置为三
19、段，一段为瞬动段，即在一段范围内发生故障时，距离一段瞬时动作跳闸。一段的整定范围为被保护线路全长的（接地距离短些，6070。）这是由于距离保护第1段的动作时限为保护本身的固有动作时间，为了和相邻的下一条线路的距离保护第1段有选择性的配合，两者范围不能有重叠的部分，否则，本线路第1段的保护范围会延伸到下一线路，造成无选择动作。另外，保护定值计算用的线路参数有误差，电压互感器和电流互感器的测量也有误差，考虑最不利的情况，如果这些误差为正值相加，而且第I段的保护范围为被保护线路全长的100%，就不可避免地要延伸到相邻下一条线路。此时，若下一线路出口故障，则相邻的两条线路都将跳闸，这将使保护失去选择性
20、，扩大停电范围。所以，阻抗一段定值按线路末端故障可靠不动作整定，取线路全长的8085。接地距离由于相邻线路出口故障时，有可能会误动，因此保护范围稍短些。二段和三段为延时动作段，也称为后备段，二段阻抗整定范围不超过相邻线路I段的保护范围。为保证选择性，延时0.5S左右(微机保护为0.4S)动作。三段阻抗按躲开正常运行时负荷阻抗来整定。动作延时按规程要求，应大于1.5S。2保护的功能和技术要求（1）记忆功能，当故障发生在线路出口处，无论保护采用母线PT还是线路PT，电压都会突然降到零。为保证阻抗元件在这种情况下可靠动作，阻抗元件中设置了记忆回路。将故障前的电压记忆下来，当发生线路出口故障时，利用记
21、忆电压的作用，使保护正确可靠动作。记忆回路的记忆时间不应小于100mS。此外，当发生反方向出口故障时，记忆电压还能够使距离保护保证方向性，不使保护误动。（2）自动偏移功能，当距离保护采用线路PT，手动合闸或单相重合于永久性故障线路时，线路电压没有恢复，阻抗元件中也没有电压，阻抗元件在这种情况下具有自动偏移功能，将阻抗元件变成一个偏移阻抗继电器，把坐标原点包括在阻抗特性圆内，使阻抗元件能够可靠动作。偏移阻抗特性（3）躲弧光电阻和过渡电阻的能力，电力系统中短路一般都不是纯金属性的，而是在短路点存在过渡电阻，过渡电阻一般是由电弧电阻引起的。它的存在，使得距离保护的测量阻抗发生变化。一般情况下，会使保
22、护范围缩短。但有时候也能引起保护超范围动作或反方向动作(误动)。这里指的是接地距离保护。所以，阻抗元件必须具备抗过渡电阻的能力。（4）振荡闭锁功能，根据阻抗元件的原理特点，当电压降低、电流增大时，测量阻抗就会减小，当测量阻抗减小到进入阻抗动作范围时，阻抗继电器就会动作。线路短路时，就是这种情况，保护动作是正确的。然而，当发生系统振荡、振荡中心处于保护安装处时，也会出现这种情况，如果这时保护动作就不正确了。因此阻抗元件须能够正确判断短路故障和系统振荡。为此，在阻抗元件中设置了振荡闭锁功能，当电力系统发生振荡时，瞬时闭锁距离保护。由于系统振荡周期最长一般在1.5S左右，这对于距离保护的一、二段则无法躲过，距离三段由于动作时间较长，靠时间能躲过振荡周期。因此，振荡闭锁只闭锁一、二段。（5）PT断线闭锁功能，距离保护在PT断线时将会发生误动，因此，保护设置了判断PT断线闭锁的功能，当发生PT断线时立即闭锁保护，防止误动。二、零序电流保护和方向性零序电流保护二、零序电流保护和方向性零序电流保护 零序电流保护是线路的后备保护。当超高压线路发生接地故障时，起后备保护作用。零序电流保护一般设置三段或四段。零序电流保护原理简单、动作速度快，但要有选择性，保护定值整定要与相邻线路保护配合。