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1、输电线路保护与监控,第四章 输电线路的保护与监控,输电线路保护与监控,4-1 输电线路的保护与监控配置,常见故障类型：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路、断线危害：1、短路点通过很大的短路电流，因而引起电弧， 使故障进一步扩大。2、强大的短路电流使短路回路中的电气设备可能遭到破坏。3、可能造成人身伤亡。4、可能影响电力系统的稳定运行。5、使用户的正常供电遭到破坏。,输电线路保护与监控,输电线路不正常运行的状态,过负荷、过电压、频率降低、中性点不接地系统的单相接地等,输电线路保护与监控,1、保护配置,根据电压等级及重要性划分,反映相间短路故障的电流保护；反映接地故障的保护；反映阻抗变
2、化的距离保护；反映被保护线路两侧电气量的高频保护、光纤纵差保护。,输电线路保护与监控,35kV及以下的小接地电流系统中，线路上应装设反映相间故障和单相接地故障的保护装置。当发生相间故障或接地故障时，保护装置应保证动作。对相间故障，一般装设电流保护；对于双侧电源供电，还可设置方向电流保护。,35kV及以下,110220 kV,330-550kV,划分的几个不同的电压等级,输电线路保护与监控,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
3、，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
4、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。,4-2 输电线路的继电保护,输电线路保护与监控,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。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
5、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；,输电线路保护与监控,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：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
6、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。,输电线路保护与监控,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.,输电线路保护与监控,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
7、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。,输电线路保护与监控,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，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
8、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。,输电线路保护与监控,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。（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
9、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。（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。,输电线路保护与监控,3.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，
10、作为220kV线路的主保护。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
11、路阻抗整定，能够可靠动作停信，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。,输电线路保护与监控,除主保护外，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，
12、都设有振荡闭锁和PT断线闭锁，防止发生上述两种情况时距离保护误动。,输电线路保护与监控,（2）主要功能和技术要求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。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。c. 在纵联距离保护装置中，应设置PT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
13、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。,输电线路保护与监控,5. 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，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。,输电线路保护与监控
14、,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。 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,输电线路保护与监控,(2) 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，具有原理简单，不受运行方式变化的
15、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。,输电线路保护与监控,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00，两
16、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。,输电线路保护与监控,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
17、，由这些保护发出“直跳”或“远传”命令，使对侧开关跳闸。,输电线路保护与监控,(3) 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。,输电线路保护与监控,四、线路的后备保护一、距离保护1距离保护
18、工作原理（包括相间和接地距离保护）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。,输电线路保护与监控,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。,输电线路保护与监控,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
19、向保护范围内故障时，阻抗继电器测量到的阻抗。,输电线路保护与监控,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。,偏移阻抗特性,输电线路保护与监控,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，利用记忆电压的作用，使保护正确可靠动作。记忆回路的记忆时
20、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。,输电线路保护与监控,（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。 （4）振荡闭锁功能，根据阻抗元件的原理特点，当电压降低
21、、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。 （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。,输电线路保护与监控,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。,输电线路保护与监控,输电线路的特点1、线路长度长2、分布暴露，易受灾害3、故障类型多,4-3 输电线路的自动重合闸问题,故
22、障类型1、相间短路2、单相接地短路3、两相接地短路4、三相短路,输电线路保护与监控,自动重合闸（ARC）的作用：1、提高供电可靠性，减少线路停电次数，对单侧电源的供电线路尤其显著。2、提高电力系统并列运行稳定性，提高输电线路的传输容量。3、纠正断路器本身机构不良、继电保护误动作以及误碰引起的误跳闸。4、自动重合闸与继电保护相配合，在很多情况下可以加速切除故障。,输电线路保护与监控,输电线路还可能发生如倒杆、断线、绝缘子击穿或损坏等原因引起的永久性故障，在线路被断开后，故障仍然存在。在发生永久性故障的情况下，ARC动作将相应断路器重合到永久性故障线路上，保护装置将断路器重新跳开，而ARC装置将不
23、在动作，我们称这种情况为重合闸不成功。这样必然给系统带来不利影响，主要表现在以下两个方面：1）使电力系统再一次受到故障的冲击，对电力系统稳定运行不利，可能会引起电力系统的振荡。2）使断路器工作条件恶化，因为在很短时间内断路器要连续两次切断短路电流。,输电线路保护与监控,衡量指标,输电线路保护与监控,重合闸的分类1、根据重合闸控制断路器相数可分为三相重合闸、单相重合闸和综合重合闸。2、根据控制断路器接通或断开的电力元件分为线路重合闸、变压器重合闸、母线重合闸3、根据重合闸控制断路器连续合闸次数分为多次重合闸和一次重合闸,输电线路保护与监控,重合闸的目的1、保证并列运行系统的稳定性2、尽快回复瞬时
24、故障元件的供电，从而自动回复整个系统的正常运行,输电线路保护与监控,对输电线路自动重合闸装置的要求（1）自动重合闸装置应动作迅速（2）在下列情况下，重合闸不应动作： 1）由值班人员手动操作或通过遥控装置将断路器断开时。 2）手动投入断路器，若线路上有故障，而随即被继电保护断开时。因为此时，可能是由于检修质量不合格、隐患未消除或保安接地线未拆除等原因所形成的永久性故障，因此再重合一次也不可能成功。,输电线路保护与监控,3）当断路器由继电保护动作或其他原因跳闸后，重合闸均应动作。4）自动重合闸应优先采用由控制开关的位置与断路器位置的不对应原则来启动，即当控制开关在合闸位置而断路器实际上在断开位置的
25、情况下，使重合闸启动（简称不对应启动方式）。5）在任何情况下（包括装置元件损坏以及ARC输出触点粘住），ARC的动作次数应符合预先的规定。,输电线路保护与监控,（6）自动重合闸应能自动闭锁。当母线差动保护或按频率自动减负荷装置动作时，以及当断路器处于不正常状态，如操作机构中使用的气压和液压降低等，而不允许实现重合闸时，应将ARC闭锁。（7）自动重合闸装置动作后，应能自动复归，准备好下一次再动作。（8）自动重合闸应能在重合闸动作后或重合闸动作前，加速继电保护的动作。（9）在双侧电源线路上实现重合闸时，应考虑合闸时两侧电源间的同步问题。,输电线路保护与监控,3、软件实现三相自动重合闸,三相一次重合
26、闸的程序流程图,输电线路保护与监控,2、重合闸的启动方式,1、控制开关与断路器位置不对应启动 重合闸的位置不对应启动就是断路器控制开关SA（KK）处“合闸后”状态、断路器处跳闸状态，两者位置不对应启动重合闸。2、保护启动 用线路保护跳闸出口触点来启动重合闸。,输电线路保护与监控,重合闸启动的实现,微机保护测控装置检测到断路器跳闸时，先判断是否符合不对应启动条件，即检测控制开关是否在合位。如果控制开关在分位，那么就不满足不对应条件（即控制开关在跳位，断路器也在跳闸位置，它们的位置对应），程序将“充电”计数器计时清零，并退出运行。如果没有手动跳闸信号，那么说明不对应条件满足（即控制开关在合后位，而
27、断路器在跳闸位置，它们的位置不对应），程序开始检测重合闸是否准备就绪，即“充电”计数器计时是否满20s。如果“充电”计数器计时不满20s，程序将“充电”计数器清零，并禁止重合；如果“充电”计数器计时满20s，则立即启动重合闸动作时限计时。,输电线路保护与监控,3、重合闸的计时,重合闸启动后，并不立即发合闸命令，而是当重合闸动作时限的延时结束后才发合闸命令。在发合闸命令的同时，还要发加速保护的命令。当断路器合闸后，重合闸“充电”计数器重新开始计时。如果是线路发生瞬时性故障引起的跳闸或是断路器误跳闸，重合命令发出后，重合成功，重合闸“充电”计数器重新从零开始计时，经20s后计时结束，准备下一次动作。,输电线路保护与监控,4、自动重合闸的闭锁,在不允许自动重合的情况下，将重合闸充电计数器瞬间清零分类：,1、手动跳闸或通过遥控装置跳闸。,2、按频率自动减负荷动作跳闸、低电压保护动作跳闸、过负荷保护动作跳闸、母线保护动作跳闸。3、当选择检无压或检同步工作时，检测到母线TV、线路侧TV二次回路断线失压。4、检线路无压或检同步不成功时。5、断路器液压（或气压）操动机构的气（液）压降低到不允许合闸的程度，或断路器弹簧操动机构的弹簧未储能。6、断路器控制回路发生断线。7、重合闸停用断路器跳闸。,