第四章第四节纵联电流差动保护.ppt

4.4.1 纵联电流差动保护,1 纵联电流差动保护原理,以下图所示线路为例简要说明电流纵联差动保护的基本原理图中KD为差动电流测量元件（差动继电器）,外部短路——当线路正常运行以及外部短路时，按规定的电流正方向看，M侧电流为正，N侧电流为负，两侧电流大小相等、方向相反，即 内部短路——当线路内部短路时，流经输电线两侧的故障电流均为正向，且 （Ik为k1点短路电流）电流差动保护——利用被保护元件两侧电流和内部短路与外部短路时一个短路电流很大、一个几乎为零的差异构成的保护 电流相位差动保护——利用两侧在内部短路时几乎同相、外部短路几乎反相的特点，比较两侧电流的相位构成的保护不平衡电流——由于两个电流互感器总是具有励磁电流，且励磁特性不完全相同，所以在正常运行及外部故障时，流过差动继电器的电流不等于零，此电流称为不平衡电流 考虑励磁电流的影响，二次侧电流的数值应为： 在正常运行及外部故障时， 因此 流过差动继电器的电流即不平衡电流为：,继电器正确动作时的差动电流 应躲过正常运行及外部故障时的不平衡电流：,,分别为两个TA的励磁电流,分别为两个TA的二次电流,两电流互感器的额定变比,理论上不平衡电流的稳态值可按下式计算,为电流互感器的同型系数，当两侧电流互感器的型号相同时取0.5，不同时去1；,为非周期分量系数,外部短路时穿过TA的最大短路电流,在差动继电器的设计中让 起制动作用，称为制动电流；让差动电流 起动作作用，称为动作电流；则电流差动保护的动作方程为：,,式中， 为制动系数，根据差动保护原理应用于不同的被保护元件上（线路、变压器、发电机等）选取不同的值。

比率制动方式—— 采用 计算（制动量是被保护线路两端电流的相量差）或采用 计算（制动量是被保护线路两端电流的标量和）时，统称为比率制动方式 标积制动方式—— 采用 计算制动量 是被保护线路两端电流的标积）时，统称为标积制动方式其中， 为两端电流 、 间的相角差2 输电线路纵联电流差动保护特性分析,（1） 不带制动特性的差动继电器特性,其动作方程是：,式中， 为流入差动继电器的电流； 为差动继电器的动作电流整定值，其值通常按以下两个条件来选取：,（1）躲过外部短路时的最大不平衡电流，即,（2）躲过最大负荷电流，即,取以上两个整定值中比较大的一个作为差动继电器的整定值保护应满足线路在单侧电源运行发生内部短路时有足够的灵敏度：,,—— 最小电源作用且被保护线路末端短路时，流过保护的最小短路电流2） 带有制动线圈的差动继电器特性,制动线圈——流过两侧互感器的循环电流 动作线圈——流过两侧互感器中的和电流,其电磁型继电器（虚框内）的结构原理和动作特性如下图所示：,继电器的动作方程为：,动作电流 不是定值，而是随制动电流 变化的特性称为制动特性。

不仅提高了内部短路时的灵敏性而且提高了在外部短路时不动作的可靠性，因而在电流差动保护中得到广泛应用K——制动系数，可在0~1之间选择4.4.2 两侧电流的同步测量,两侧的“同步数据”——指两侧的采样时刻必须严格同时刻和使用两侧相同时刻的采样点进行计算 常见的同步方法有基于数据通道的同步方法和基于全球定位系统GPS同步时钟的同步方法1 基于数据通道的同步方法,采样时刻调整法（应用较多） 采样数据修正法 时钟校正法,,如下图所示，线路两侧保护中任意规定一侧为主站，另一侧为从站两侧固有采样频率相同，采样间隔为Ts，由晶振控制tm1、tm2、…tmj为主站时标采样时刻点；ts1、ts2、…tsi为从站时标采样时刻点通道延时的测定,正式开始同步采样前，主站在tm1时刻向从站发送一帧信息，该信息包括主站当前时标和计算通道延时td的命令，从站收到命令后延时tm时间将从站当前时标和延时时间送回给主站由于两个方向的信息传送是通过统一途径，可认为传输延时相同主站收到返回信息的时刻为tr2，可计算出通道延时： 主站延时 再将计算结果td及延时 送给从站从站接收到主站再次发来的信息后按照主站相同的方法计算出通道延时 ，并将 与主站计算送来的td进行比较，二者一致表明通信过程正确、通道延时计算无误，则开始采样，否则自动重复上述过程。

主站时标与从站时标的核对,通道延时的测定过程中，主、从站都将各自的时标送给了对端（也可以专门单独发送），从站可以根据主站时标修改自己的时标与主站相同，以主站时标为两侧的时标，这种方式应用较多也可以两侧都保存两侧的时标，记忆两侧时标的对应关系采样时刻的调整,假定采用以主站的时标为两侧时标方式，主站在当前本侧采样时刻tmj将包括通道延时td和采样调整命令在内的一帧信息发送给从站，从站根据收到该信息的时刻tr3以及td可首先确定出tmj所对应本侧的时刻tsi，然后计算出主、从站采样时刻间的误差 为使两站同步采样，从站下次采样时刻应调整为 为稳定调节，常采用的调整方式为 ，其中2n为稳定调节系数，逐步调整，当两侧稳定同步后，即可向对侧传送采样数据2 基于具有统一时钟的同步方法,全球定位系统（GPS）时美国于1993年全面建成的新一代卫星导航和定位系统它由24颗卫星组成，具有全球覆盖、全天候工作、24h连续实时地为地面上无限个用户提高精度位置和时间信息的能力GPS传递的时间能在全球范围内与国际标准时钟（UTC）保持高精度同步，是迄今为止最理想的全球共享无线电时钟信号源。

专用定时型GPS接收机由接受天线和接受模块组成，接收机在任意时刻能同时接受其视野范围内里4~8颗卫星的信息通过对接收到的信息进行解码、运算和处理，能从中提取并输出两种时间信号： 一、秒钟信号1PPS，该脉冲信号上升沿与标准时钟UTC的同步误差不超过1微秒； 二、经串行口输出与1PPS对应的标准时间（年、月、日、时、分、秒）代码 基于GPS时钟的输电线路纵联差动保护保护同步方案如下图所示：,4.4.3 纵联电流相位差动保护,1 纵联电流相位差动保护的工作原理,电流相位差动保护原理——仅利用输电线路两端电流相位在区外短路时相差180°，区内短路时相差0°，也可以区分内、外部短路启动跳闸元件——采用高定值的负序电流 和相电流 元件，起动本侧跳闸回路，只待收信机的输出满足跳闸条件便可跳闸 故障启动发信元件——采用低定值的负序电流 元件反映不对称短路，采用低定值的相电流 元件反映对称短路，高频载波通道经常无电流，只有故障起动后才发高频电流信号发信机操作元件：为了能反应各种类型的短路又使实现简单，通过比较两侧的 电流相位，一般K取6~8，实现区内、外故障的区分当该电流为正（或负）半波时，操作发信机发出连续的高频电流，而当该电流为负（或正）半波时，则不发高频电流。

收信比较时间t3元件（收信机既可收到本侧高频电流又可收到对侧高频电流）：,区内短路时,两侧同时发出高频电流,两侧收信机中收到间隔半周波的高频电流（见下图4-20c）,区外短路时,两侧相隔10毫秒发出高频电流,两侧收信机中收到无间隔连续的高频电流（见下图4-20b）,,,,,,时间t3元件对收到的高频电流进行整流并延时t3后有输出，并展宽t4时间：,区内短路时,区外短路时,高频电流间断时间长,高频电流间断时间短,t3延时满足收信机回路有输出,小于t3延时满足收信机回路无输出,保护跳闸,保护不跳闸,,,,,,,,（1）纵联电流相位差动保护的闭锁角及其整定——为了保证在任何外部短路条件下保护都不误动，需要分析外部短路时两侧收到的高频电流之间不连续的最大时间间隔即对应工频的相角差，以整定t3延时1 经电流互感器，按照静态10%误差要求选择负载后，两侧二次电流最大误差不超过7°； 2 经保护装置中的滤序器及发信操作回路的角度误差两侧不超过15°； 3 高频信号路上传播按每秒30万公里，传输线路长度与等值工频角延迟为,,,要选择保护的闭锁角,——裕度角，一般取15° 所以，线路越长闭锁角越大2) 校验内部短路最不利动作时保护动作的灵敏度（以下图所示系统为例）,1 假定EM超前EN约70° 2 M侧综合阻抗角取60° 3 N侧综合阻抗角取90° 4 考虑互感器、保护装置误差、高频信号由滞后N侧传输到M侧的延迟,,M侧收到的高频信号的相位差最大可达:,N侧收到的高频信号不连续的间隔为：,所以N侧保护可以动作，而M侧则不一定动作。

为解决这个问题，当N侧跳闸后，停止发高频信号，M侧只能收到自己发出的高频信号，间隔180°，满足跳闸条件随之也跳闸 相继动作——一端保护随另一端保护动作而动作的情况称之为保护的“相继动作”，保护相继动作的一端故障切除的时间变慢3 负序滤过器,按照负序分量的定义，负序电压与三相电压的关系为：,负序滤过器——从三相不对称电压、电流中取出负序分量的回路1）负序电压过滤器 一般通过阻容元件构成，如右图所示： A 使用三相电压线电压为输入，滤掉零序分量 B 为使只有正序输入时输出为零，只有负序输 入时输出最大，选择得电阻、电容参数关系为：,,当输入电压中只有正序分量时，其向量图如下图所示： R1、X1回路中电流超前电压30°，R2、X2回路中电流超前电压60°.此时M、N端子输出的负序电压为零 当输入电压中只有正序分量时，其向量图如右图所示此时M、N端子输出电压为：,由于阻容参数、系统频率的变化等，系统正常运行时负序滤过器也会有一个不平衡电压输出2）负序电流过滤器,其原理接线图如左图所示，由电抗互感器UR和中间变流器UA组成，在端子M、N间输出的电压可表示为：,输入零序电流,1 电抗互感器UR的原边有两个匝数相同的绕组W，反极性接入两相电流，零序分量被消除； 2 中间变流器UA的原边有两个绕组W1、W1/3，反极性接入a相电流和3倍零序电流，零序分量作用被抵消。

所以，输入零序电流后得到的输入电压为：,输入正序电流,当输入正序电流时，向量图如右图，输出电压为：,若选取参数 ，则正序输出电压为零，消除了正序影响输入负序电流,当输入负序电流时，向量图如右图，输出电压为： 输出以a相为基准的负序电流同相位的电压4.4.4 影响输电线纵差保护正确工作的因素,（1）电流互感器的误差和不平衡电流 由以上电流纵差保护的原理可知，在外部短路情况下，输电线两端一次电流虽然大小相等，方向相反，其和为零但由于电流互感器传变的幅值误差和相位误差，使其二次电流之和不再等于零(此电流也就是不平衡电流)，保护可能进入动作区，误将线路断开不平衡电流是由于两端电流互感器的磁化特性不一致，励磁电流不等造成的稳态负荷下，其值较小；而在短路时，短路电流很大，使电流互感器铁心严重饱和，不平衡电流可能达到很大的数值2）输电线路的分布电容和电容电流的补偿,差动保护的基本原理是在外部短路和正常运行时流入继电器的电流之和为零但由于线路分布电容的影响，其电流之和不为零，而为线路电容电流对较短的高压架空线路，电容电流不大，纵联电流差动保护可用不平衡电流的门限躲开它，或用浮动门槛来进行补偿。

对于高压长距离输电线路或电缆线路，充电电容电流很大，不能作为一个误差处理，此情况下，若整定值按躲电容电流整定，将极大降低灵敏度，所以通常采用电压测量来补偿电容电流3）负荷电流对差动保护的影响,传统的差动保护是比较线路两侧的全电流但全电流是非故障状态下负荷电流与故障电流的叠加，在一般的内部短路情况下可以满足灵敏性的要求，但是当区内发生经大过渡电阻短路时，因为故障分量电流很小，故障电流与负荷电流相差不大，负荷电流又为穿越电流，对两侧全电流的大小和相位均有影响，降低保护的动作。