高压线路纵联差动保护原理与动作特性的仿真分析

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1 课题来源

本课题为高压线路纵联差动保护原理与动作特性的研究课题，课题来源于实际，具有现实背景，课题类型为论文型。本课题涉及线路保护、差动保护、距离保护与仿真的一些基本知识等内容，与电气工程及其自动化专业密切相关。

2 研究目的和意义

几年来，随着我国电力系统的迅猛发展，轧亚输电线路逐渐增多，已经成为

我国电力系统中数量最多的电力设备。运行经验表明，电力系统中绝大多数故障是输电线路故障。高压输电线路往往担负着传送巨大功率的任务，对整个电力系统的安全稳定性有举重若轻的影响，因此对高压输电线路的继电保护也有更高的要求，所以输电线路保护的选择性、速动性、灵敏性、可靠性尤为重要。 差动保护又辰为“平衡保护”，它的基本原理是在上世纪初提出的，迄今为止，已约有100年的历史。由于其原理简单可靠而被广泛地用作电力系统的发电机、变压器、母线和大型电动机等元件的主保护。

在高压线路保护中，要求线路保护具有速动性，除高阻故障外，能够快速切除全线故障，一般要求保护出口现实不超过25-30ms；同时还要求保护具有可靠性，在系统振荡或在振荡中发生区外故障时，保护不动作，非全相运行时保护不误动，准确识别区外转换性故障，PT短线不误动等等；在发生故障时，还要求保护具有灵敏性，包括在系统振荡时能够可靠识别内部故障，区外转区内故障能够正确动作，单相转多相故障能够快速切除等等。差动保护在一般情况下，具有很高的灵敏性与可靠性，改进过的一些算法使得保护的速动性，灵敏性，可靠性又有了一些显著的提高，而差动保护恰恰不受PT断线影响，又具有天然选相能力，因此被广泛运用于超高压线路保护当中。

虽说纵联差动保护具有绝对的选择性、灵敏度高、系统震荡不误动、具有天然选相能力等优点，但实际情况下的很多不可避免因素如负荷电流、分布电容电流等降低了差动保护的灵敏性，不利于电力系统安全、稳定运行。

例如当电流差动保护用于高压长线路或者电缆线路时，输电线路的相与相之间和相与地之间存在着分布电容。在电压等级低、线路短的情况下，分布电容很

小，对线路两端的电流影响不大，可以忽略其对差动保护的影响；但在高压长线输电或者电缆线路上，分布电容的等值容抗大大减小，电容电流将诗输电线路两端电流的大小和相位都发生严重畸变，因而其对差动保护影响就不能再被忽略。目前很大多数的情况下，都是通过降低保护的灵敏度或者通过适当的补偿来做一些弥补，以获得良好的效果。

因此基于分布式电容补偿特性分析，研究高压线路纵联差动保护对故障电网安稳运行具有重要的现实意义。

3 国内外的研究现状和发展趋势

随着微波通信技术、光纤通信技术的发展和其在电力系统通信中的逐渐应用, 又先后出现了输电线路的微波电流差动保护和光纤电流差动保护。在国外, 日本就有分相电流差动微波保护。在我国, 也较早地开展了输电线路的分相电流差动微波保护的研究。由于光纤通信在电力通信系统的使用较少, 需为光纤电流差动保护配设专用光缆, 所以, 光纤电流差动保护通常被设计用于短距离输电线路。由于电力通信及其它诸多原因, 微波、光纤电流差动保护在我国电力系统继电保护中的实际应用却一直非常之少[1]。

目前在输电线路上常见的通信方式一般采用载波通信和光纤通信。常规载波通信都是“点对点”方式下传送闭锁信号或允许信号，也仅限于简单的信号命令。前些年受限于平台技术，微机保护自带的光端机只能提供一组光纤收发接口，不便适用在多端线路中。但随着技术的发展，现在已经可以提供两组光纤通信接口，为多端线路保护提供了充分的通道资源 [2] 。

在国外, 数字式电流差动保护的应用较多, 尤其是在日本和英国, 数字式电流差动保护是输电线路主保护中应用最多的保护;在其它国家也有应用。随着通信技术的向前发展和光纤等通信设备的成本下降, 近几年, 我国的通信发展很快, 电力通信系统中也在逐步应用光纤通信。不少地方已经引进了日本东芝公司、英国GEC 公司和ABB 公司的数字电流差动保护装置。这些装置可用于数字微波或光纤通信系统、以及短距离的专用光纤通道上[3] 。

高压线路电流差动保护, 在我国之所以应用不广泛的原因, 正如前面所述, 是由于它对通信通道的依赖。它不能够利用目前我国高频保护中用得最为广泛的电力线载波通道来实现。另外, 对于数字式高压线路电流差动保护来讲, 线路各端保护装置的同步交流采样, 也是其技术的一个关键[4]。高压线路电流差动保护所采用的通信媒介, 与输电线路无直接的联系, 继电保护信号的传输可完全不受输电线路故障的影响;相比通过电力线载波通道传递继电保护信号的高频保护, 其通信可靠性会更高。电力微波、光纤通信的频带较宽, 相比电力线载波通道, 能为继电保护传递较多的信号, 这可为继电保护其它装置(如远方跳闸、切机等)的应用提供更好的条件 [5] 。

综合来看, 正如众所周知的那样, 电流差动保护判据是一种简单、可靠和广

泛适用的继电保护原理,它是电力系统的主要保护之一。长期的运行考验也证明了它的优越性。随着电力系统的发展, 超高压、远距离的输电线路和复杂网络(如同杆双回线路、T型分支线路、环网等)的增多, 以及电力系统通信技术的进一步迅速发展, 毫无疑义, 电流差动保护将会在高压、超高压输电线路上, 得到更为广泛的应用。它的应用也将会克服目前高频保护所遇到的一些困难, 进一步提高线路保护的运行水平 [6] 。

4 研究的主要内容及设计成果的应用价值

4.1高压线路纵联差动保护基本原理及概论

4.1.1线路纵联差动保护概念

所谓输电线的纵联保护，就是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率的方向等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。因此，理论上这种纵联保护具有绝对的选择性。

差动保护是一种依据被保护电气设备进出线两端电流差值的变化构成的对电气设备的保护装置，一般分为纵联差动保护和横联差动保护。变压器的差动保护属纵联差动保护，横联差动保护则常用于变电所母线等设备的保护。

由于纵联差动保护只在保护区内短路时才动作，不存在与系统中相邻元件保护的选择性配合问题，因而可以快速切除整个保护区内任何一点的短路，这是它的可贵优点。但是，为了构成纵联差动保护装置，必须在被保护元件各端装设电流互感器，并将它们的二次线圈用辅助导线连接起来，接差动继电器。由于受辅助导线条件的限制，纵向连接的差动保护仅限于用在短线路上，对于发电机、变压器及母线等，则可广泛采用纵联差动保护实现主保护。

4.1.2 纵联保护的通道

为了把被保护线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，需要利用通道。通道虽然只是传送信息的手段，但是采用不同的通道，输电线路纵连保护在装置原理、结构、性能和适用范围等方面就具有很大的差别。纵联保护的通道类型主要分为以下四种： (1)引导线通道

这种通道需要铺设电缆，其投资随着线路长度的增长而增加，不经济。引导线越长，安全性越低。引导线中传输的是电信号，发生接地故障时，会产生感应电压，造成保护的不正确动作。因此，导引线的电缆必须足够的绝缘，从而加大线路的投资。

导引线直接传输交流电量，因此导引线保护广泛采用差动保护原理，但导引线的参数（电阻和分布电容）直接影响保护的性能，从而在技术上限制了导引线保护用于较长的线路。 （2）电力线载波通道

载波通道是纵联保护中应用最广的一种。载波通道由高压输电线及其加工和连接设备（阻波器、结合电容器及高频收发信机）等组成。高压输电线机械强度大，十分安全可靠。但是线路故障时，由于高频信号衰减增大，通道可能遭到破坏。因此，载波保护在利用高频信号时应使得保护在本线路故障信号中断的情况下仍能正确动作。 （3）微波通道

微波通信是理想的通信系统。微博通道与输电线没有直接的联系，输电线发生故障时不会对微波通信系统产生任何影响，因此利用微博保护的方式不受限制。但是保护专用微波通信设备是不经济的。应当与通信、运动等公用，要求设计师把两方面联系起来，同时考虑信号的衰落问题。 （4）光纤通道

此通道与微博通道有相同的优点。光纤通信广泛采用PCM调制方式。最近发展的架空输电线的接地线中铺设光纤的方法既经济又安全，很有发展前途，当被保护线路很长时，应当与通信、运动等复用。 4.1.3线路纵联差动保护的分类

纵联差动保护包括三大类： （1）引导线差动纵联保护 （2）相位比较式差动纵联保护 （3）电流差动纵联保护

引导线问题很多，近年来逐渐被光缆代替，在我国使用也不普遍。相位比较式纵联差动保护，一般简称为相差保护，自20世纪50年代起在我国得到广泛应用，到20世纪80年代逐渐被方向纵联保护和距离纵联保护替代。电流差动保护在原理上有独特的优点，通道利用光纤和微波有发展前途。 4.1.4线路纵联差动保护原理

电流、电压保护以及距离保护由于其动作原理都只能反应被保护线路一侧的电气量的变化，不可能区分被保护线路末端和对侧母线或者相邻线路始端的短路故障。为了保证保护选择性，不得不将无时限的保护范围缩短到小于线路全长。一般将被保护的无时限第一段保护范围整定为线路全长的80%-90%，对于其余的10%-20%线路的短路故障只能由保护第二段限时切除。即使性能较好的距离保护，在单侧电源线路上也只能是被保护线路全长的80%左右，在双侧电源线路上瞬时切除故障的范围大约只有线路全长的60%左右。在被保护线路其余部分发生故障