反映故障分量的线路保护

第4章反映故障分量的线路保护第一节反映故障分量的继电保护基本原理故障信息故障信息的提取利用故障分量的方向元件故障分量的特征死区问题第二节工频变化量方向元件综合工频变化量工频变化量方向元件的判据工频变化量正方向元件在大电源侧的灵敏度问题第三节工频变化量距离保护工频变化量距离元件的基本原理工频变化量距离元件的动作特性经过渡电阻故障时工频变化量距离元件动作特性一、反映故障分量的继电保护基本原理由电工学知识可知，在线性电路的假设的前提下，可用叠加原理来研究故障的特性。因为故障信息在非故障状态下不存在，仅在电力系统发生故障时才出现，所以可以将电力网络内发生的故障视为非故障状态与故障附加状态的叠加。(一）故障信息1、故障状态的叠加原理发生短路故障时，可在短路复合序网的故障支路中引人幅值和相位相等、但反向串联连接的两个电压源。两个电压源在数值仁等于短路前K1点的开路电压，根据叠加原理可将图4.1（a）分解为图4.1（b）和图4.1（c）两个状态的叠加。附加状态中的附加电势又可称为故障点的工频电压变化量；由附加电势产生的电流，称为工频电流变化量。附加电势和工频电流就是故障点的故障信息。以中性点直接接地系统线路为例，如图4.2（a）所示，为一双电源输电线路在K1点短路的示意图，图4.2（b）是该系统在短路前的状态图，图4.2（c）是在K1点发生故障时的故障附加状态网络图。2、附加状态的故障信息故障点的附加电势为，由故障点K1看进去，内部的电势均为零所以，在正向短路时，附加电势是加在M端系统阻抗和线路阻抗ZK上，在M端母线上产生一个附加电压，并在线路上产生了相应的工频电流变化量。附加电压和工频电流变化量就是M点保护安装处的故障信息。显然，故障附加状态中所出现的和只包含故障信息，它们与故障前的负荷状态的电压、电流无关。1、消除非故障分量法根据叠加原理，电力系统网络故障可以看做故障前的非故障状态与故障瞬时的附加状态叠加。原理上，在发生短路时，由保护装置的实测故障时的电压减去非故障状态下的电压（）就可以得到电压的故障分量，用表示。对于快速保护，可以认为电压中非故障分量等于其故障前电气量。因此，可以将故障前的电压先储存起来，然后从故障时测量得到的相应量中减去已储存的有关部分，就可以得到故障分量。（二）故障信息的提取对于非快速保护，就要考虑其他一系列有关因素的影响。例如，故障发生后发电机励磁调节器的作用、发电机的干扰、系统的振荡、负荷的变化等。2、故障特征检出法对称分量法的基本原理：在正常工作状态下的电压和电流特征是正序分量的电压和电流；接地短路时会出现零序分量的电压、电流；不对称短路时会出现负序电压、电流。负序分量包含有故障信息，它可用于检出故障。在保护技术中得到广泛应用，其缺点是不能反映三相短路。在各种类型故障中都包含有正序分量，因此，正序分量中也包含有故障信息，这一特殊的性质也应当用于检出故障。各种对称和不对称短路时都会出现正序分量，而在消除正常运行分量后，正序分量就成为一个比负序、零序分量更为完善的新的故障特征，即正序分量中包含有更丰富的故障信息。故障信息中除了工频分量信息外，还有高频分量信息。如图4.2（c）中的、就是故障时的工频分量正序故障信息。通常用零序分量反映接地短路的故障分量，用正序和负序分量的电压或电流的综合分量反映相间短路的故障分量。在用正序、负序综合分量表示时，可写成和。工频变化量方向保护的电压、电流综合故障分举就是用和综合方式表示的，其目的是为了提高不对称短路的灵敏度3、门槛法和浮动门槛法门槛法：是以同一种电气量的某定值为门槛检出故障的，当电流增大、电压降低或阻抗降低！而越过固定门槛值时，即判断为发生故障。此方法简单易行，但会因灵敏度不满足要求而得不到足够的故障信息。浮动门槛法：是定值不固定，是随着非故障因素引起的故障分量不平衡输出的大小定值而浮动变化的。在正常运行的情况下，理论的不平衡输出为零，而实际上输出回路不可能为零。在一般情况下，输出的不平衡量较小；在特殊情况下，如频率偏离额定值较大，或者电力系统发生振荡时就有较大的不平衡输出。为此，可以设置一个浮动门槛值，它随着非故障因素引起的不平衡大小而自动改变输出。浮动门槛设计的优劣是构成实用保护的技术关键。微机继电保护往往设置了自适应的浮动门槛，根据短路引起的不平衡瞬间变化，而非故障因素产生的不平衡是缓慢变化的特点。利用此规律可实测出非故障分量产生的不平衡输出值，设置门槛值。（三）利用故障分量的方向元件利用故障分量构成方向元件，只要它具有明确的方向性，就可以利用故障分量实现保护力－向的判断。图4.3是双端电源输电线路在正反方向故障时的附加状态网络。在反方向F2点短路时的故障电压为：由式（4.1）和式（4.2）可知，在正向故障时，滞后，在反向故障时超前，按故障分量和比相原理构成的方向元件具有明确的方向性。假设电流的正方向由母线指向线路，在正方向F1点短路时故障分量电压为：故障分量具有如下几个特征：①故障分量可由附加状态网络计算获取，相当于在短路点加上一个与该点非故障状态下大小相等、方向相反的电势△EF，并令网络内所有电动势为零的条件下得到。②非故障状态下不存在故障分量的电压和电流，故障分量只有在故障状态下才会出现，并与负荷状态无关。但是，故障分量仍受系统运行方式的影响。③故障点的电压故障分量最大，系统中性点为零。由故障分量构成的方向元件可以消除电压死区。④保护安装处的电压故障分量与故障分量间的相位关系由保护至反方向侧系统中性点间的阻抗所决定，不受系统电动势和短路点电阻的影响，按其原理构成的方向元件方向性明确。（四）故障分量的特征如图4.3所示，当被保护线路正序阻抗较大，且M端的电源阻抗较小（即M端为大电源），则离M端正方向保护区末端发生短路故障时，保护安装处的故障分量正序电压的数值可能很小，正序分量方向元件可能出现拒动。为了保证在上述情况下方向元件动作的灵敏度，可以利用一补偿阻抗进行电压补偿，由于大小不能任意选取，必须考虑引人后不会引起方向性的破坏。根据既要保证方向元件在正向故障时电压有足够的灵敏度，又要满足保证反方向判据正确动作的条件，的大小应选取适中，实际应用可以按、选取（为被保护线路正序阻抗）。在实际应用中，应根据系统和线路实际情况来确定是否需要进行电压补偿，只有在故障后，检测到故障电压分量很小，不能满足灵敏度要求时，才加人补偿电压。从分析中可知，为了提高正序故障分量方向元件的灵敏度，可以采用补偿电压的方法来解决。但是，补偿阻抗的选取还有待于进一步的探讨，若补偿选取的不正确，将造成正序故障分量方向元件方向性的破坏，保护可能出现拒动或误动。（五）死区问题实际上，微机线路保护正序方向元件是通过比较工频正序分量的电压与电流的相位实现比相的。先分析图4.4所示的网络，对于多端电源的输电线路，不论在线路L1或线路L2发生短路故障，流过变压器高压侧的故障正序分量电流方向不变，始终是从变压器指向母线，而故障线路的正序分量电流的方向是由母线指向线路，非故障线路的故障正序分量电流的方向是由线路指向母线。显然，故障线路与非故障线路故障正序分量电流方向不同。用母线所接变压器高压侧故障正序电流与线路故障分量正序电流进行比相，可以达到比相的目的。这样，可以解决因由于保护侧电源阻抗较小、被保护线路阻抗较大，且在保护区末端发生故障时，故障分量正序电压过低，造成保护的拒动。对于微机保护，引入被保护线路所接母线侧变压器的电流，是比较容易实现的。虽然故障正序分量电流的大小也会随着短路点的位置而变，但用两故障正序分量电流进行比相，要比用故障正序分量电压与电流比相优越。因此，采用两故障正序分量电流比相不失为一种较好的办法。二、工频变化量方向元件（一）综合工频变化量利用构成的工频变化量方向元件通常在灵敏度不满足要求时，也可以采用综合的故障分量来提高灵敏度。如图4.3所示，假设该系统的正序阴抗与负序阻抗相等（线路保护这样假设是允许的），正方向故障时，可以将式（4.1）分解成对称分量，则正序和负序电压工频变化量关系式为：为了提高不对称短路故障的灵敏度，可以根据不同的短路类型，选择不同的转换因子M。于是正序、负序综合工频变化量分别表示为：将式（4.3）和式（4.4）代人式（4.5）可得：（二）工频变化量方向元件的判据（三）工频变化量正方向元件在大电源侧的灵敏度问题利用式（4.10）和式（4.11）就可以判断正反方向故障，但对正方向故障M端是一个大系统，而且线路M一N较长，并在线路对侧发生故障，如图4.5所示。M端的附加电压为：由于M端为大系统，Zs≈0，且时，从式（4.12）可知，会变得很小，正方向元件会出现电压灵敏度不满足的困难，并无法确定其幅角。为了解决在上述情况下的灵敏度问题，通常保护采用补偿阻抗的方法。设为补偿阻抗，并取幅值足够大，且其阻抗角与的阻抗角相同，此时正方向故障分量电压为：由式（4.13）可知，当正方向侧系统为大电源、长线路的情况下，故障发生在正方向对侧附近时，虽然很小，但仍有足够大的数值且保持的幅角。只要补偿阻抗选择得比较合适，并不会影响工频变化量下方向元件的比相。由于反方向元件不存在灵敏度的问题，不需要考虑阻抗补偿。三、工频变化量距离保护（一）工频变化量距离元件的基本原理电力系统短路时如图4.6所示，相当于在故障点引人与故障前电压幅位相等、相位相反的附加电动势，而且在故障点的附加电势最大，保护安装点为，电网中性点为零。图4.6中F1为正方向故障点，F2为反方向故障点。整定阻抗，一般取线路阻抗的0.8～0.9。由图4.6可得：而，所以保护安装点到故障点的阻抗ZK可表示为：式中：、———故障时保护计算出的电压、电流故障分量。由于是故障点处故障前的电压，而故障点的位置是随机的，因此，不能预先测到。实际卜，在正常负荷条件下，被保护线路L各点的电压差别不大，从保证距离保护的保护范围末端故障时的测量阻抗精度出发可取：式中：、———正常负荷条件下，保护装置处的电压、电流。式（4.16）就是故障点处故障前工作电压的表达式，可以通过电流、电压的故障前记忆算得。显然，通过式（4.15）可以求出ZK值，当满足下式时，即区内故障保护动作为：当反力一向故障时，由于改变了符号，根据式（4.15）计算出的ZK也改变了符号，因此，工频变化量的趴离元件具有明确的方向性。（二）工频变化量距离元件的动作特性距离元件是通过比较两个电压量和的幅值大小来实现的，并不计算ZK值。1、工作电压的概念工作电压，就是距离保护范围末端（整定值）在正常运行的工作电压。在区内故障时，由电源供给流经保护安装处的电流。区内故障时不对应于整定点电压，此时，工作电压仅表示为保护输入电压与电流在模拟阻抗Zset上的压降之差，是一个虚拟的概念，这时它没有实际的物理意义，即有如下关系式：将式（4.14）与式（4.18）比较可见是在故障点的附加电动势终端和系统中性点O的连线的延长线上，如图4.6(b)中虚线所示。因此，工作电压在正常运行时，表示保护末端的线路工作电压；在区内故障时，它并不对系统中任何真实点电压，其工频变化量，表示保护安装处的电压工频变化量与电流工频变化量在模拟阻抗上的压降之差。2、工频变化量距离元件的电压动作特性方程式从图4.6（b）可知，在正方向的区内故障时，有如下的F电压动作特征方程式：式中，，按式（4.16）取故障前的工作电压，实际上取其记忆慎作比较。因此，是距离保护的门槛值，记作即为区内故障保护动作条件。将式（4.14）和式（4.18）代人式（4.19）可得：上式两边除以，得阻抗元件动作特征方程式：式中，，具有的物理意义可从图4.7清楚地看出。将式（4.20）与式（4.17）相比较，可见这两个不等式是等价的。因此，工频变化址距离元件实际上是通过式（4.19）两个电压幅值的比较来实现式（4.17）或式（4.20）的距离元件的阻抗比较。在正常情况下，而是整定门槛值，取保护范围的工作电压，因此，保护不会误动。显然，当整定末端发生金属性短路故障时，工作电压变化量，趴离保护处于动作边界。（三）经过渡电阻故障时工频变化量距离元件动作特性1、正方向故障动作特性在正方向故障时，当故障点经过电阻短路，可由图4.7分析距离元件的动作特性。这时故障点处电压故障分量为：式中：ZK———保护安装处M经过渡电阻短路时的测量阻抗。由上式可知，在经过电阻短路时，距离元件测量阻抗多了一项与有关的阻抗，使得距离元件的保护范围减少，而且所增加阻抗是纯电阻性。因为电流工频变化量和的相位几乎总是相同的，所以不会因对侧的助增电流引起超越现这是工频变化量距离元件的一大优点。同时，工频变化量距离元件允许有较大的过渡电阻的能力，反方向出口故障时不会因过渡电阻影响而误动作。2、反方向故障动作特性对于反方向故障，故障点经过渡电阻短路时，可从图4.8分析距离元件的阻抗动作特将上面两式分别代人距离元件电压动作特征方程式（4.19)，检验反方向故障时，距离元件的方向性及过渡电阻对其影响，得：不等式两边均除以，得：上式中，反方向故障地点是随机的，因此，ZK是变量，如设Zr＝-ZK，则上式就可改写为：所以，反方向故障时，变量Zr的动作轨迹在阻抗平面上是以相量Zs末端为圆心，以为平径的上抛阻抗圆。实际上，ZK总是电感性的，因此，-ZK总是在第三象限，不可能落到位于第一象限的阻抗圆内，所以距离元件不可能动作，而且工频变化量距离元件具有明确的方向性同时，工频变化量距离元件在反方向故障时具有很大的克服过渡电阻的能力。