继电保护 第6章线路的纵联保护

126 | 第六章 线路的纵联保护第一节 纵联保护的基本原理根据电流、电压和阻抗原理构成的系统保护，都是从线路靠近电源的一侧测量各种状态下的电气量，由于测量误差等原因，它们不能准确判断发生在本线路末端和下一线路出口的故障，为了保证选择性，只能缩小保护范围，在此范围内，保护可以瞬时动作，如电流和距离段。为了切除全线范围内的故障，必须另外增设保护，如电流和距离段，同样由于误差的原因，保护范围必然延伸到下一线路，与下一线路保护的保护范围交叉重叠，为了保证选择性，只有延时保护动作，使切除全线路范围内故障的时间延长。对于电力系统的重要线路和大容量高电压以及超高压线路，为了保证系统并列运行的稳定性和减小故障的损害程度，对保护的速动性提出了更高的要求，必须瞬时切除全线路范围内的故障。线路的纵联保护可以满足要求。纵联保护是同时比较线路两侧电气量的变化而进行工作的。因此，在被保护范围内任何地点发生短路时，纵联保护都能瞬时动作。根据两侧电气量传输方式的不同，纵联保护主要分为导引线纵联保护（简称导引线保护） 、电力线载波保护（简称高频保护） 、微波纵联保护（简称微波保护） 、光纤纵联保护（简称光纤保护） 。七七七线路的导引线保护一、一、 导引线保护的基本原理导引线保护的基本原理导引线保护是通过比较被保护线路始端和末端电流幅值、相位进行工作的。为此，应在线路两侧装设变比、特性完全相同的差动保护专用电流互感器 TA，将两侧电流互感器二次绕组的同极性端子用辅助导引线纵向相连构成导引线保护的电流回路，差动继电器 KD并接在电流互感器的二次端子上，使正常运行时电流互感器二次侧电流在该回路中环流，根据基尔霍夫电流定律，流入差动继电器 KD 的电流等于零，如图 6-1（a）所示。通KDI&常称此连接方法为环流法，将环流法接线构成的保护称为导引线保护。根据以上接线原理，对图 6-1 所示导引线保护原理进行分析。当线路正常运行或外部 k 点短路时，通过差动继电器 KD 的电流为（6-1）022TATA.KDnI nIIII &&&&&127 | KD1QF2QF保护范围K*1E 2EI2 .I2 .IIKDI(a)KD1QF2QFK*1E 2EkI.2 .I2 .IkI.KDI(b)图6-1 导引线保护原理说明（a）正常运行、外部短路时；（b）内部短路时TATATATA当线路内部任意一点 k 短路时，分以下两种情况分析。（1）线路为两侧电源供电，若两侧电源向短路点 k 提供的短路电流分别为和k .I&，短路点的总电流为，则流入继电器 KD 的电流k .I&k .k .kIII&&&（6-2）TAkTAk .TAk . .KDnI nI nIIII&&&&&& 22当达到差动继电器 KD 的动作电流时，差动继电器 TA 瞬时动作，断开线路两电KDI&源侧断路器 QF。（2）线路为单侧电源供电，且设，若电源向短路点 k 提供的短路电流为0k .I&，则流入继电器 KD 的电流kI.&（6-3）TAk . .KDnIII &&&2当达到差动继电器 KD 的动作电流时，差动继电器 KD 瞬时动作，断开线路电源侧KDI&断路器 QF。由以上分析可见，线路两侧电流互感器 TA 之间所包括的范围，就是导引线保护的保护范围。导引线保护按环流法接线的三相原理如图 6-2（a）所示，实际导引线保护为了减少所需导线的根数，通常采用电流综合器I，将三相电流综合成一单相电流，然后传送到线路对侧进行比较。128 | 线路两侧的电流综合器I 合成的单相电流和经隔离变压器 TV 后变成电压和1I&2I&1U&图6-2 导引线保护三相原理图（a）导引线保护原理接线图；(b)一次三相电流相量图；(c)I 磁流相量图AIBICI111nnn3(A相)(B相)(C相)（b）（c）1 1NIKD11NIKD121I2I1I 2I I2I 1I 1U 2UTV1TV2 （a）k，再由导引线连接起来。隔离变压器 TV 的作用是将保护装置回路与导引线回路2U&隔离，防止导引线回路被高电压线路或雷电感应产生的过电压损坏保护装置，同时还可以监视导引线的完好性。另外，通过隔离变压器 TV 提高电压，减小长期正常运行状态下导引线中的电流和功率消耗。图 6-2（a）所示的综合器I 的 A 相匝数为 n+2，B 相匝数为 n+1，C 相匝数为 n，正常运行时系统的一次电流如图 6-2（b）所示，则综合器I 的磁流相量如图 6-2（c）所示。可见，正常运行时，综合器I 有一不平衡输出，但对侧的综合器I 也有不平衡输出，而且方向相反，因此，理想情况下，差动继电器 KD 的输入量为零，不会动作。用环流法分析，结果相同。正常运行或 2 侧外部短路时，方向与图 6-2（a）所示方向相反，且等于，即2I&1I&（6-4）1212IIII&&&&理想情况下，流入差动继电器 KD 的电流为KDI&（6-5）021IIIKD&&&继电器 KD 不动作。内部 k 点短路时，如图 6-2（a）所示，流入继电器 KD 的电流，继021IIIKD&&&电器将动作。实际上，外部短路时，由于各种误差的影响以及线路两侧电流互感器 TA 的特性不可129 | 能完全相同，故会有一个不平衡电流流入继电器 KD。若流入差动继电器 KD 的不平衡unbI&电流过大，差动继电器 TA 必须采用更高的动作值，才能使导引线保护不误动作，从而unbI&降低了保护在线路内部故障时的灵敏度。这也是所有按环流法接线的导引线保护共同存在的问题。因此，有必要分析不平衡电流产生的原因，并设法减小它。unbI&二、二、 导引线保护的不平衡电流导引线保护的不平衡电流1. 稳态情况下的不平衡电流在导引线保护中，若电流互感器具有理想的特性，则在系统正常运行和外部短路时，差动继电器 KD 中不会有电流流过。但实际上，线路两侧电流互感器 TA 的励磁特性不可能完全相同，如图 6-3 所示。当电流互感器 TA 一次电流较小时，铁芯未饱和，两侧电流互感器 TA 特性曲线接近理想状态，相差很小。当电流互感器 TA 一次电流较大时，铁芯开始饱和，由于线路两侧电流互感器 TA铁芯的饱和点不同，励磁电流差别增大。当电流互感器TA 一次电流大到使铁芯严重饱和的程度，则会因励磁阻抗的下降而使线路两侧电流互感器 TA 的励磁电流剧烈增加，差别显著增大，导致线路两侧电流互感器 TA二次电流有一个很大的差值，此电流差值称为不平衡电流。unbI&电流互感器 TA 二次电流表达式为（6-6） ex. TA.ex. TA.IInIIInI&&&&&&1122式中 、分别为线路两侧电流互感器 TA 的励磁电流。ex.I&ex.I&正常运行、保护范围外部 k 点短路时，流入差动继电器 KD 的电流为（6-7）unb2211IIInIIIInIIIex.ex. TAex.ex. TA.KD&&&&&&&&&&因此，导引线保护的不平衡电流实际上就是线路两侧电流互感器 TA 励磁电流之差。图6-3 电流互感器I2=f(I1)的 特性曲线和不平衡电流I20I11TA2TA理想Iunb130 | 为了保持一定的准确度，导引线保护使用的电流互感器 TA 应按 10%误差曲线选取负载，则可保证变比误差不超过 10%，角度误差不超过 7°。当保护范围外部短路时，通过电流互感器 TA 一次侧的最大电流为，若一侧电流互感器 TA 的误差为零，另一侧误max. kI&差为 10%，即 fi = 0.1，外部短路时的不平衡电流达到最大，为。由于导引线unbI&max.unbI&保护采用型号和特性完全相同、误差接近的 D 级电流互感器 TA，故在不平衡电流中引入同型系数 KSS，KSS在两侧电流互感器 TA 型号相同时取 0.5，不同时取 1，因max.unbI&此，流入差动继电器 KD 的最大不平衡电流为（6-8）TAmaxk SSimax.unbKDnIKfII·&&&2. 暂态过程中的不平衡电流由于导引线保护的动作是瞬时性的，因此，必须考虑在保护范围外部短路时的暂态过程中，流入差动继电器 KD 的不平衡电流。此时，流过电流互感器 TA 一次侧的短路电unbi流中，包含有周期分量和非周期分量，如图ki6-4 所示。中由于非周期分量对时间的变化ki率远小于周期分量的变化率，因而 dtdi dtdI很难传变到二次侧，大部分作为励磁电流进入励磁回路而使电流互感器 TA 的铁芯严重饱和。此外，电流互感器 TA 励磁回路以及二次回路的电感中的磁通不能突变，将在二次回路中引起自由非周期分量电流，因此，暂态过程中的励磁电流将大大超过其稳态值，其中包含大量缓慢衰减的非周期分量电流，使励磁电流曲线偏于时间轴的一侧。由于励磁回路具有很大的电感，励磁电流不能很快上升，因此在短路后的几个周波才出现最大不平衡电流。考虑到非周期分量电流的影响，在式（6-8）中应引入非周期分量影响系数 Kun，取ki1.52，当采取措施消除其影响时，取为 1，则最大不平衡电流幅值的计算式为ikiunb00tt图6-4 外部短路暂态过程中的 短路电流和不平衡电流（a)一次侧短路电流；（b）不平衡电流（a）（b）131 | （6-9）TAmaxk unSSimax.unbnIKKfI·为了保证导引线保护在外部短路时的选择性，其动作电流必须躲过最大不平衡电流来整定；为了提高导引线保护在内部故障时的灵敏度，应采取措施减小不平衡电流。max.unbI三、三、 减小导引线保护不平衡电流的主要措施减小导引线保护不平衡电流的主要措施（1） 减小稳态情况下的不平衡电流的措施是导引线保护采用型号和特性完全相的 D级电流互感器 TA，并按 10%误差曲线进行校验、选择负载。减小暂态过程中不平衡电流的主要措施通常是在差动回路中接入具有快速饱和特性的中间变流器 TA，如图 6-5（a）所示。也可以采用在二次回路和差动继电器 KD 之间串入电阻的方法，如图 6-5（b）所示。接入电阻可以减小差动继电器TA 中的不平衡电流并使其加速衰减，但效果不甚显著，一般用于小容量的变压器和发电机上。四、导引线保护的整定计算四、导引线保护的整定计算1.导引线保护动作电流的整定按以下两种情况计算（1）躲过外部短路时的最大不平衡电流max.unbI（6-10）TAmaxk unSSirelmax.unbrelOPnIKKfKIKI·式中 可靠系数，一般取 1.21.3；relK非周期分量影响系数，当保护采用带有速饱和变流器的差动继电器时取upK1。（2）躲过电流互感器二次回路断线时流入差动继电器 KD 的最大负荷电流max.LI（6-11）TAmaxL relOPnIKI·取式（6-9）和式（6-10）中较大者作为差动继电器的整定值。为了防止断线时又发生图6-5 防止非周期分量影响的措施 （a）接入速饱和变流器；（b）接入电阻KA+KA+R（a）（b）132 | 外部短路而引起导引线保护误动作，还应装设断线监视装置，二次回路断线时，在发出信号的同时将保护自动退出工作。2.导引线保护灵敏度的校验导引线保护的灵敏度应按单侧电源供电线路保护范围末端短路时，流过保护的最小短路电流校验，要求灵敏系数 Ksen1.52，即（6-12）251.IIKOPmin.k sen第三节 线路的高频保护一、高频保护的基本原理高频保护的基本原理线路的导引线保护单从动作的速度来讲，可以满足系统的要求，但是，它必须敷设与被保护线路长度相同的辅助导引线，对于较长线路而言，从经济和技术的角度是难以实现的，因此，导引线保护只能作为 57km 短线路的保护，