高压输电线路保护配置.docx

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高压输电线路保护配置

第二篇

第三章220kV变电站

第五节高压输电线路保护配置

一、电力系统保护的作用

电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路。

在发生短路时可能产生以下的后果：

1.通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。

2.短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命。

3.电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量。

4.破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。

电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运行状态。

例如，因负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高（一般又称过负荷），就是一种最常见的不正常运行状态。

由于过负荷，使元件载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，就可能发展成故障。

此外，系统中出现功率缺额降低，发电机突然甩负荷而产生的过电压，以及电力系统发生振荡等，都属于不正常运行状态。

故障和不正常运行状态，都可能在电力系统中引起事故。

事故，就是指系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电或电能质量破坏到不能允许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。

系统事故的发生，除了由于自然条件的因素（如遭受雷击）以外，一般都是由于设备上的缺陷，设计和安装的错误，检修质量不高或运行维护不当而引起的。

因此，只要充分发挥人的主观能动性，正确地掌握客观规律，加强对设备的维护和检修，就可以大大减少事故的发生几率，把事故消灭在发生之前。

在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生事故的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效的方法之一。

切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，实践证明只有装设在每个电气元件上的保护装置才有可能满足这个要求。

我厂的四条220kV出线（二满线、二头线、二托线、二宫线）均配置了南京自动化设备厂的保护装置。

新疆电网主网框架为220kV环网。

作为主网框架的重要构成部分——220kV线路应装设功能完善、性能可靠的主保护和后备保护装置。

二、本厂220kV线路保护配置及技术参数

我国220kV及以上高压输电线路开关均采用分相操作。

保护配置要求：

同一回线应配置不同原理的双套主保护和单相一次重合闸装置，后备保护应采用近后备方式且应双重化，还应配置断路器失灵保护，保证在断路器拒动时，由断路器失灵保护去启动母线差动保护，再由母线差动保护将故障切除。

我厂高压输电线路保护由南自厂生产的WXB-11C型保护装置、WXB-15型保护装置和JCSS-11D型三相不一致及失灵启动保护装置组成。

各保护装置配置如下。

CPU

CPU1

CPU2

CPU3

CPU4

保护

功能

型号

高

频

距

离

高

频

零

序

高

频

负

序

方

向

高

频

相

间

距

离

接

地

距

离

零

序

综

重

WXB-11C

●

●

●

●

●

●

WXB-15

●

●

●

●

●

●

●

JCSS-11D型保护装置配置有三相位置不一致保护和断路器失灵保护，其中三相位置不一致保护未用。

各保护装置技术参数如下。

1.WXB-11C（15）型装置主要技术数据

1.1额定数据

直流电压：

220V

交流电压：

相电压57.7V

开口三角电压100V

线路抽取电压互感器二次侧设有抽头，可分别适用于100V和57.7V。

交流电流：

5A

频率：

50Hz

1.2交流回路过负载能力

交流电压：

连续工作1.2倍Un

交流电流：

连续工作2倍In

1S20倍In

1.3功耗

直流回路<50W

交流电压回路<0.5VA/相

交流电流回路<1VA/相

1.4整定范围

距离元件0.05～99.9Ω

电流元件0.05～99.9A

时间元件a.保护跳闸时间

接地故障：

0～12S

相间故障：

0～4.5S

b.其他：

0～15.9S

1.5精确工作范围

距离元件：

a．精确工作电压0.5V

b．精确工作电流（0.1～20）In

零序方向元件：

a．最小动作电压2V（固定）

b．最小动作电流<0.1In

突变量方向元件：

a．最小动作电压4V

b．最小动作电流<0.3In

1.6精度

突变量元件±15%

距离I段保护暂态超越<5%

零序I段保护暂态超越<5%

测距元件误差<2.5%

1.7整组动作时间

相间和接地距离I段

　Z测量/Z整定　　　　动作时间

<30%10～13mS

<70%<20mS

零序I段（I测量=1.2I整定时）<18mS

高频距离和高频零序保护<30mS（WXB-11C）

突变量方向高频保护<25mS（WXB-15）

1.8允许环境温度

正常工作温度-5～+40℃

极限工作温度-5～+55℃

2.JCSS-11D型集成电路断路器失灵起动及三相不一致保护装置主要技术数据

2.1额定直流电压：

220V

2.2交流电流：

5A

三、本厂220kV线路保护工作原理

1.高频保护

1.1高频保护的基本概念

高频保护是以输电线路载波通道作为通信通道的纵联保护。

高频保护广泛应用于高压和超高压输电线路，是比较成熟和完善的一种无时限快速保护。

对于一条输电线路，只有同时比较两端电流的相位和功率方向，才能有效的区分保护范围内部和外部的故障。

高频保护就是将线路两端的电流相位或功率方向转化为高频信号，然后利用输电线路本身构成一高频（载波）电流的通道，将此信号送至对端，进行比较。

因为它不反应被保护输电线范围以外的故障，在定值选择上也无需与下一条线路相配合，故可不带动作延时。

目前广泛采用的高频保护，按其工作原理的不同可以分为两大类，即方向高频保护和相差高频保护。

方向高频保护的基本原理是比较被保护线路两端的功率方向；而相差高频保护的基本原理是比较两端电流的相位。

再实现以上两类保护的过程中，都需要解决一个如何将功率方向或电流相位转化为高频信号，以及如何进行比较的问题。

相差高频保护现在基本不再采用，我厂也未采用。

为了实现高频保护，必须解决利用输电线路作为高频通道的问题。

利用“导线——大地”作为高频通道是最经济的方案，因为它只需要在一相线路上装设构成通道的设备，目前在我国得到了广泛的应用。

它的缺点是高频信号的衰耗和受到的干扰都比较大。

据新疆电网的运行经验，在冬天天气比较恶劣的情况下，高频信号的衰耗有时能达到七八个分贝。

故我厂的高频信号通道裕量都整定在9dB左右。

输电线路高频保护所用的载波通道，其简单构成如图1所示，现将其主要元件及作用分述如下。

阻波器是由一电感线圈与可变电容器并联组成的电路。

其并联后的阻抗Z与频率有关，当并联谐振时，它所呈现的阻抗最大。

利用这一特性做成的阻波器，需使其谐振频率为所用的载波频率。

这样，高频信号就被限制在被保护输电线路的范围以内，而不能穿越到相邻线路上去。

但对50周的工频电流而言，阻波器仅呈现电感线圈的阻抗，数值很小（约为0.04欧左右）,并不影响它的传输。

耦合电容器与结合滤波器共同配合，将载波信号传递至输电线路，同时使高频收发信机与工频高压线路绝缘。

由于耦合电容器对于工频电流呈现极大的阻抗，故由它所导致的工频泄露电流很小。

图1高频通道构成示意图

1—阻波器；2—耦合电容器；3—结合滤波器；4—电缆

5—高频收发信机；6—刀闸

结合滤波器由一个可调节的空心变压器及连接至高频电缆一侧的电容器组成.

耦合电容器与结合滤波器共同组成一个四端网络的“带通滤波器”，使所需频带的高频电流能够通过。

带通滤波器从线路一侧看入的阻抗与输电线路的波阻抗（约为400欧）匹配，而从电缆一侧看入的阻抗，则应与高频电缆的波阻抗（约为100欧）匹配。

这样，就可以避免高频信号的电磁波在传送过程中发生反射，因而减小高频能量的附加衰耗。

并联在连接滤波器的两侧的接地刀闸6，是当检修连接滤波器时，作为结合电容器的下面一极拉地之用。

发信机部分系由继电保护来控制，通常都是在电力系统发生故障时，保护部分起动之后它才发出信号，但有时也可以采用长期发信故障时停信或改变信号频率的方式。

由发信机发出的信号，通过高频通道送到对端的收信机中，也可为自己的收信机所接收，高频收信机接收由本端和对端所发送的高频信号，经过比较判断之后，再动作于继电保护，使之跳闸或将它闭锁。

高频通道的工作方式可以分为经常无高频电流（即所谓故障时发信）和经常有高频电流（即所谓长期发信）两种方式。

在这两种工作方式中，以其传送的信号性质为准，又可分为传送闭锁信号、允许信号和跳闸信号三种类型。

应该指出，必须注意将“高频信号”和“高频电流”区别开来。

所谓高频信号是指线路一端的高频保护在故障时向线路另一端的高频保护所发出的信息或命令。

因此，在经常无高频电流的通道中，当故障时发出高频电流固然代表一种信号，但在经常有高频电流的通道中，当故障时将高频电流停止或改变其频率也代表一种信号，这一情况就表明了“信号”和“电流”的区别。

所谓闭锁信号就是指：

“收不到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件”。

结合高频保护的工作原理来看，就是当外部故障时，由一端的保护发出高频闭锁信号，将两端的保护闭锁，而当内部故障时，两端均不发因而也收不到闭锁信号，保护即可动作于跳闸。

所谓允许信号则是指：

“收到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件”。

因此，当内部故障时，两端保护应同时向对端发出允许信号，使保护装置能动作于跳闸。

而当外部故障时，则因近故障点端不发允许信号，故对端保护不能跳闸。

近故障点的一端则因判别故障方向的元件不动作，也不能跳闸。

至于传送跳闸信号的方式，就是指：

“收到这种信号是保护动作于跳闸的充分而必要的条件”。

实现这种保护时，实际上是利用装设在每一端的电流速断、距离I段或零序电流速断等保护，当其保护范围内部故障而动作于跳闸的同时，还向对端发出跳闸信号，可以不经过其它控制元件而直接使对端的断路器跳闸。

采用这种工作方式时，两端保护的构成比较简单，无需互动配合，但是必须要求每端发送跳闸信号保护的动作范围小于线路的全长，而两端保护动作范围之和就大于线路的全长。

前者是为了保证动作的选择性，而后者则是为了保证全线上任一点故障的快速切除。

本保护中设置了相电流差突变量起动元件DI1和按零序IV段整定的零序辅助起动元件I04。

相电流突变相起动元件具有以下特点。

a.能够反映各种故障；

b.不反映负荷电流的影响；

c.不反映故障电流的直流分量；

d.具有较强的抗干扰能力。

零序辅助起动元件带0.2s延时，具有二个作用：

a.保证经大电阻接地时，保护可靠起动，以解决突变量起动元件整定时灵敏度可能造成的困难；

b.该元件连续4.5s不动作作为整组复归的一个判据，以防止零序IV段时间定值大于4.5s时，因保护整组复归而使得零序IV段拒动。

高频、距离和零序保护的起动元件可以接成三取二表决的方式来开放的跳闸回路以提高装置的安全性。

当采用这种表决方式时，如某一保护退出运行时，只需将保护屏上对应的压板退出，这样该保护的起动元件仍在工作，以完成三取二表决功能。

该方向元件利用保护安装处电流、电压的故障分量的极性来判别故障的方向。

由叠加原理可知：

故障状态由非故障分量和故障分量两部分组成，故障分量电压、电流分别用△U和△I表示。

当正向故障时，△U和△I极性相反；反方向故障时，△U和△I极性相同。

突变量方向元件就是利用△U和△I的这个特征构成的。

该方向元件的正确性：

a.不受系统振荡的影响；

b.不受过渡电阻的影响；

c.不受串补电容的影响；

d.不受零序序网的影响；

零序方向元件就是利用零序功率方向来判别故障方向，主要适用于单相接地故障。

负序方向元件就是利用负序功率方向来判别故障方向，主要适用于各种不对称短路故障。

本保护由突变量方向高频、零序和负序方向高频保护构成，正常情况下故障均由突变量方向高频保护动作切除，零序和负序方向高频保护仅为防止在复故障情况下，两次故障相隔较近，方向元件可能发生拒动而设置的。

事实上，由于突变量方向元件具有很高的灵敏度，这种机率是非常小的。

现将逻辑简述如下：

a.本保护设置了一个突变量方向元件，即△ab，△bc，△ca，当系统发生故障时，相电流差突变量起动元件首先起动，驱动QDJ，执行选相程序，选出故障相别，并找出突变量变化量大的方向元件投入比相。

b.高压输电线路正向故障时，正方向元件动作停信，驱动TXJ并等待对侧信号，当对侧判断为正方向，正方向元件亦动作停信，待收不到高频信号5ms后，保护出口跳闸。

c.反方向故障时，反方向元件动作，闭锁正方向元件，正方向元件与反方向元件灵敏度的不同保证了的安全性。

d.保护每起动一次，方向元件开放30ms内保护未动作，再投入零序和负序方向保护。

零序和负序方向高频保护出口带20ms延时，以防止环网中区外故障切除后，零、负序功率方向倒向时误动作。

零、负序方向保护发三跳命令而不选相。

e.在本线路非全相运行过程中，零、负序方向高频保护退出工作。

但突变量方向高频保护仍投入工作。

此时如健全相又发生故障，则两健全相电流差突变量元件DI2动作，开放两健全相方向元件比相，如为正向，正方向动作停信，待对侧保护亦停信后，保护动作跳二相。

f.在手动投故障线路或重合到永久性故障线时，保护设置了按阻抗原理的瞬时加速切除三相的逻辑，此时本保护不受对侧高频信号的闭锁，为了可靠切除出口故障，此时阻抗特性略带偏移，重合后的瞬时加速可在整定利用控制字投入或退出。

g.该高频保护为闭锁式，即由QDJ接点起动收发信机发信，由TXJ控制收发信机停信，由装置的由信输入端子监视发信机的发信继电器接点的状态，保护动作的判据是QDJ动作后至少连续收到高频信号5ms后以收不到信号，并且本侧在停信状态时方可出口。

a.当保护判断出故障为区内单相故障时，则进入选跳回路，如重合方式允许单跳则发单跳令，驱动相应分相跳闸继电器和跳闸重动继电器TZDJ。

如不允许单跳，则发三跳令驱动三个分相跳闸继电器和三跳重动继电器3TZDJ。

b.如故障为相间故障，保护则发三跳令。

c.当跳令发出后，开关未跳开前，又发生转换性故障则立即补发三跳令，并显示“DEVCK”。

d.当单跳令发出0.2s后，开关仍未跳开，则补发三跳令，并显示“HB3TCK”

e.在非全相运行过程中，如健全相又发生了故障，则由方向保护发三跳令，并显示“GF-DEVCK”

f.当三跳令发出0.2s后开关仍未跳开，保护则补发永跳继电器CKJR,并打印“GF-GB3TCK”

g.当永跳令发出5s后，开关仍未跳开，保护则收回跳闸令，告警并打印“GF-HBYTSB”。

h.当开关重合于故障线路时，则由距离元件加速发永跳令，显示“GF-JSCK”。

本保护在相间故障时为高频距离，单相接地故障时为高频零序方向保护。

高频保护本身设有独立的阻抗元件和零序方向元件，同本装置内的距离保护和零序保护无依赖关系。

当保护起动后，首先执行选相程序，当判断为相间故障时执行高频距离逻辑；当判断为单相故障时，执行高频零序方向逻辑。

高频距离阻抗特性采用带记忆的多边形方向阻抗特性，当计算阻抗在正向停信范围内时，阻抗元件动作驱动停信继电器TXJ停信，并等待对测信息，当对测亦停信后，出口跳三相，如果经60ms保护不动则立即进入振荡闭锁逻辑，闭锁高频距离。

a.在正常运行状态下，零序方向元件采用自产3u0,PT断线时则自动改用开口三角引来的3U0,该元件的电流动作门槛可以整定，电压门槛固定为2V。

b.当故障为单相故障时，由零序方向元件判别方向，当两侧均为正方向时，停信后跳闸，如在60ms内动作则立即出口。

如在60ms后动作，则延时60ms出口，以防止环网中，区外故障切除后，零序功率倒向时误动作。

此时，保护作用于三跳而不选相。

在本线路非全相过程中高频保护不再利用通道，但设有二个健全相的电流差突变量元件DI2，如DI2动作，二个健全相分别对地及二个健全相让三种阻抗值中任一种阻抗值在高频距离控制TXJ用的阻抗动作特性区内时，判断为本线路健全相又发生故障，立即动作于三跳，为保证可靠切除出口转换性故障，此时阻抗特性带偏移。

在手投故障线或重合到永久性故障时，高频方向保护也设置了按阻抗原理的瞬时加速切除三相的逻辑，此时本保护不受对侧高频信号的闭锁。

所用阻抗特性也同于高频距离的阻抗判别元件，但为了可靠切除出口故障，特性略带偏移包括原点。

同突变量方向高频保护

同突变量方向高频保护

2.距离保护

2.1距离保护的概念

电流保护的主要争优点是简单、经济及工作可靠。

但是由于这种保护整定值的选择、保护范围以及灵敏系数等方面都直接受电网接线方式及系统运行方式的影响，所以，在35KV及以上电压的复杂网络中，它们都很难满足选择性，灵敏性以及快速切除故障的要求。

为此就必须采用性能更加完善的保护装置。

距离保护就是适应这种要求的一种保护原理。

距离保护是反应故障点至保护安全地点之间的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。

该装置的主要元件为距离（阻抗）继电器，它可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装自动处至短路点间的阻抗值，此阻抗称为继电器的测量阻抗。

当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗大，动作时间增长，这样就保证了保护有选择性地切除故障线路。

如图2（a）所示，当d点短路时，保护1测量的阻抗是Zd，保护2测量的阻抗是ZAB＋Zd。

由于保护1距短路点较近，保护2距短路点较远，所以保护1的动作时间可以作到比保护2的动作时间短。

这样，故障将由保护1切除，而保护2不致误动作。

这种选择性的配合，是靠适当地选择各个保护的整定值和动作时限来完成的。

图2距离保护的作用原理

（a）网络接线；（b）时限特性

2.2距离保护的时限特性

距离保护的动作时间与保护安装地点至短路点之间距离的关系t=f（l），称为距离保护的时限特性。

为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛应用具有三段动作范围的阶梯型时限特性，如图2（b）所示，并分别称为距离保护的I、II、III段。

距离保护的第I段是瞬时动作的，t1是保护本身的固有动作时间。

以保护2为例，其第I段本应保护线路A-B的全长，即保护范围为全长的100%，然而实际上却是不可能的，因为当线路B-C出口处短路时，保护2第I段不应动作，为此其起动阻抗的整定值必须躲开这一点短路时所测量到的阻抗ZAB，即Z＇dz·2

考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，需引入可靠系数Kk（一般取0.8～0.85），则Z＇dz·2＝（0.8～0.85）ZAB

同理对保护1的第I段整定值应为Z＇dz·1＝（0.8～0.85）ZBC

如此整定后，距离I段就只能包括本线路全长的80%～85%，这是一个严重缺点。

为了切除本线路末端15%～20%范围以内的故障，就需设置距离保护第II段。

距离II段整定值的选择是相似于限时电流速断的，即应使其不超出下一条线路距离I段的保护范围，同时带有高出一个△t的时限，以保证选择性。

例如在图2（a）单侧电源网络中，当保护1第I段末端短路时，保护2的测量阻抗Z2为

Z2＝ZAB+Z＇dz·1

引入可靠系数Kk，则保护2的起动阻抗为

Zdz·2＝Kk（ZAB+Z＇dz·1）

＝0.8[ZAB+（0.8～0.85）ZBC]

距离I段与II段的联合工作构成本线路的主保护。

为了做为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也做为距离I段、II段的后备保护，还应该装设距离保护第III段。

对距离III段的起动阻抗要按躲开正常运行时的负荷阻抗来选择，而动作时限则应使其比距离III段保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个△t。

2.3距离保护的主要组成元件

在一般情况下，距离保护装置由以下元件组成，其逻辑关系如图3所示。

图3三段式距离保护的构成元件和逻辑框图

起动元件的主要作用是在发生故障的瞬间起动整套保护，并和距离元件动作后组成与门，起动出口回路动作于跳闸，以提高保护装置的可靠性。

起动元件可由过电流继电器、低阻抗继电器或反应于负序和零序电流的继电器构成。

具体选用哪一种，应由被保护线路的情况确定。

I、ZII和ZIII）

距离元件的主要作用实际上是测量短路点到保护安装地点之间的阻抗（亦即距离）。

一般ZI和ZII采用方向阻抗继电器，ZIII采用偏移特性阻抗继电器。

时间元件的主要作用是按照故障点到保护安装地点的远近，根据预定的时限特性确定动作的时限，以保证保护动作的选择性。

一般采用时间继电器。

图3为三段式距离保护动作的简化逻辑框图。

当正方向发生故障时，起动元件动作，如果故障位于第I段范围内，则ZI动作并与起动元件的输出信号通过与门，瞬时作用于出口回路，动作于跳闸。

如果故障位于距离I段保护范围内，则ZI不动作而ZII动作，随即起动II段的时间元件tII，待tII延时到达后，也通过与门起动出口回路动作于跳闸。

如果故障位于距离III段保护范围以内，仍通过与门和出口回路动作于跳闸，起到后备保护的作用。

2.4对距离保护的评价

从对继电保护所提出的基本要求来评价距离保护，可以作出如下几个主要的结论：

由于阻抗继电器同时反应于电压的降低和电流的增大而动作，因此，距离保护较电流、电压保护具有较高的灵敏度。

此外，距离I段的保护范围不受系统运行方式变化的影响，其他两段受到的影响也比较小，因此，保护范围比较稳定。

由于距离保护中采用了复杂的阻抗继电器和大量的辅助继电器，再加上各种必要的闭锁装置，因此，接线复杂，可靠性比电流保护低，这也是它的主要缺点。

2.5本厂采用距离保护（WXB-11C、15型保护CPU2插件）

该保护包括三段式相间距离和三段式接地距离，分别用以切除相间故障和单相接地故障，阻抗算法采用微分方程算法，阻抗特性采用多边形特性。

保护起动后，首选执行选相程序，当判断为相间故障时，执行相间距离逻辑；当判断为单相故障时，执行接地距离保护逻辑。

保护逻辑完全符合“四统一”要求。

当系统发生第一次故障时，利用电压记忆，保护准确判断I～III段任何故障和类型的方向。

在振荡闭锁期间，如再发生故障，考虑到系统可能在振荡中记忆不可靠，故对各种不对称故障均采用负序方向元件把关。

当故障为出口三相短路时，振荡闭锁中的DZI段采用偏移特性，其偏移特性可由控制字选择内偏或外偏，而对振荡闭锁中的III段距离继电器，其偏移特性固定为内偏。

当手合到故障线路时，如阻抗继电器在偏移III段内，则立即发永跳令。

当发生单相故障时，保护则同时不断计算两个健全相对及二健全相间的阻抗，在任一阻抗有突变，且突变后的阻值在II段范围内（此时II段特性带偏移），确认健全相又发生了故障。

如故障转换发生在发出单跳令后，则立即三跳；如在发出单跳令前，且故障在II段，则转至相间距离逻辑。

本保护振荡闭锁逻辑除设有常规保护所具有的短时开放I、II段及延时III段外，还增设了按dz/dt原理构成的区分振荡中短路的逻辑，该原理动作条件如下：

a.感受阻抗先有一个突变

b.阻抗突变后又在0.2s内电阻分量变化很小

c.阻抗0.2s均在I段范围内

当满足上述三个条件后，保护出口跳三相。

a.判断出故障为区内单相故障时，则进入选跳回路，如重合方式允许单跳则发单跳令，驱动相应分相跳闸继电器和跳闸重动继电器TZDJ。

如不允许单跳，则发三跳令驱动三个分相跳闸继电