基于综合阻抗的输电线路纵联保护

上海电力学院本科毕业设计（论文）原文题目：Transmission line pilot protection principlebased on integrated impedance译文题目：学生姓名：学号：指导教师：院系：专业年级：基于综合阻抗的输电线路纵联保护摘要：在本文中被称为综合阻抗法的纵联保护原理，是基于同一条线路上对输电线路两端电压向量之和以及输电线两端电流向量之和比值的方法，它是一种新型的输电线路纵联保护原理。

当输电线路发生区外故障时，虚构的用于表现出线路容性阻抗的线路综合阻抗是负序的并且幅值很大。

当线路发生区内故障时，虚构的故障相线路一般用于表示系统电源和线路的线路综合阻抗的正序和负序阻抗都是很小的。

根据这种特点，就可以区别输电线路上的区内故障和区外故障。

在研究中整定的标准不会受电容电流影响。

在有或没有支路的线路中都适用。

同时，动作电流的标准也很容易整定，电磁瞬态过程的仿真实验（Electron Magnetic Transient Program ,EMTP）和动态物理实验数据都证实了综合阻抗的高灵敏性和高可靠性1介绍：从20世纪90年代起，中国的高压输电线路便广泛使用基于微机系统的纵联距离保护。

但是它的效果在某些特殊情况下不能很好满足需求，比如说在振荡过程中、全国性的故障发生时等。

随着光纤通信技术的快速发展，电流差动保护由于整定简单、更高的灵敏性、选相上的特性，在电力系统电力传输线路中广泛应用。

由于传输线路的等效电容是随着传输线路存在的，在线路正常运行状态时差动电流由线路对地等效电容电流构成，线路电流差动保护的灵敏性就会受到限制。

随着输电线路的长度增长或供电电压的提高，线路的对地电容电流也会随着增加。

所以线路对地电容电流对差动保护的影响是有必要考虑的，特别是超高压输电和特高压输电线路上。

为了消除线路对地电容电流对电流差动保护的影响，设计了一些补偿线路电容电流方法以及新的不会被对地电容电流影响的保护措施。

现阶段基于向量的电容电流补偿法主要适用于降低现实中输电线路电容电流的不良影响，这种方法可以很好的补偿稳态时的电容电流。

但是在故障暂态时，特别是要求主保护有高动作速度时，这种方法的并不能很好的满足要求。

基于暂态电容电流补偿的电流差动保护通过使用时域补偿法可以很好地补偿暂态电容电流。

除此以外，基于伯杰龙（Bergeron）线路模型的纵联保护也被提出了。

由于输电线电容的影响已经被考虑进了线路参数中这种方法可以不考虑电容电流的影响。

但是这些方法中多数需要获得线路对地电容以及并联电容的参数，这样就会增加保护的复杂程度。

由于并联电抗器和线路的开断在不同的系统运行条件下是经常变化的，这对于保护系统来说比较难以在不增加额外投入的同时通信获取准确地并联电容与线路开断数据。

不仅如此，并联电抗器的运行参数需要根据电力系统的运行方式实时改变的，可是至今继电保护装置仍然没有办法准确获取并联电抗器的实时参数。

所以这些方法不能准确地补偿线路等效电容，这就无法满足超高压和特高压十点线路的要求。

适合超高压和特高压的保护原理仍需发展。

在这论文中，提出一种新型的输电线路纵联保护原理。

本文中被称为综合阻抗的原理是通过利用输电线路两端的电压向量和以及两端电流向量和的比例就可以区别出故障点是在输电线路内部还是在输电线路外部。

当发生外部故障时，线路综合阻抗的虚部是负的并且幅值较大，此时线路表现为容性。

当线路内部故障发生时，线路的综合阻抗的虚部有可能是正的也可能是负的，但是数值很小。

根据综合阻抗的特性，便在文中提出新型的纵联保护的方法。

这种新的标准对于补偿电容电流没有要求，同时也可以适用于有或者没有并联电抗器的超高压和特高压中。

这个原理不容易被负荷电流和高阻故障影响。

即使对于一些弱反馈或者单反馈线路来说，这个原理仍然具有较高的敏感性和可靠性。

此原理通过了EMTP 和动态物理仿真结果的证实有效。

2基于综合阻抗的纵联保护：本段中基于综合阻抗的纵联保护是通过在单相系统中的应用进行介绍的。

2.1综合阻抗的定义如图一中表示了一个在F点发生区内故障的输电线路的网络。

E m和E n都是在终端m点和n点电压源的电压向量的表示。

U m，U n，I m，I n分别是两端的电压和电流向量表示。

电路传输线模型是π型等效模型。

Z c是线路的电容阻抗。

I mc和I nc是流过终端m和n的等效电容的电流。

I f是流过故障支路的电流。

R f是故障阻抗。

Z m是系统m的等效阻抗，Z n是系统n的等效阻抗。

Z lm是从终端m到故障点F的线路等效阻抗，Z ln是终端n到故障点F的线路等效阻抗。

在图二中是含有故障分量的低通模型，图中的∆U f是故障点F故障分量的电压而∆I F是故障电流。

图1 区内故障的输电线路网络图2 发生区内故障包含故障分量网络Z cd 是综合阻抗，它的定义是Z cd =U cd /I cd 1其中U cd =U m +U n ，I cd =I m +I n 。

2.2内部故障的综合阻抗设Z 1=Z m +Z lm ，Z 2=Z y +Z lm ，这样流过故障点的电流可以通过图1和图2得出I F =−∆I f =−∆U f / R f +Z 1||Z 2 2其中∆U f =−U F 0 ，U F 0 是故障点F 的故障前电压，塔与两端电压向量和相交有关。

如果U F 0 =k U m +U n e j δ,I F =U F 0 R F +Z 1||Z 2=k U m +U n e j δ/ R F +Z 1||Z 2 ， I cd =I m +I n =I mc +I nc +I F = U m+U n Z c +U F 0R F +Z 1||Z 2 3将 3 带入 1 ，我们可以获得Z cd =11c +ke j δ R F +Z 1||Z 2 =Z c || R F +Z 1||Z 2 /ke j δ 4公式 4 中的系数k 和δ的值会随着故障点的位置和U m 以及U n 之间的相角改变而改变。

一般情况下，当电力系统在正常情况下运行时，系数k 的值大约是0.5，−30°<δ<30°。

根据图3和图4，分析情况如下。

图3表示的是在故障发生前的输电线路，其中U m ，U n 是两端的电压向量的表示，F 点表示的是线路上故障的位置U F 0 是故障点的电压向量。

关于所有电压相量的关系如图四图3 故障发生前的输电线诊断图四：电压向量之间关系向量其中α是U m和U n之间的夹角。

当输电线路在正常状态下运行时，在两终端之间的电压降落被限制在两端电压的10%范围以内，以保证系统的稳定运行。

所以，U m和U n之间的数之差一般是很小的。

为了简化测量，设U m=U n。

根据图四，我看可以得到结论当故障发生在在线路中点时有U F0=0.5U m+U n，此时k=0.5，δ=0°，两者在这种情况下都是最小值。

当故障点靠近任意一个终端时，我们可以得出k和δ应该取最大值。

例如，当故障发生在m点如图三所示，我们可以得出δ=α/2此时U F0=U m+U n/2cosδ,此时k和δ可以根据α的数值计算。

当电路系统运行在正常状态时，U m和U n之间的夹角差是小于60°。

假设α=60°，可以得到δ=30°此时参数k=0.577。

所以参数k大约取值0.5，−30°<δ<30°。

当输电线发生有过度电阻故障时，电容电流比流过故障点的电流小得多。

所以电容电流可以忽略不计，公式4可以表示成下面的式子Z cd≅R F+Z1||Z2/ke jδ5我们从公式五中可以得出综合阻抗Z cd与系统阻抗，线路阻抗，故障电阻和角度δ有关。

设Z F=R F+Z1||Z2。

Z cd和Z F在R−X坐标平面上的关系表示如图5所示。

从图五中可以得出当经小电阻故障时Z cd会保持在第一或者第二象限，所以Z cd的虚部的符号是正的，并且虚部的值较|Z c|小。

当R F或者δ的值变大时，Z cd会进入第四象限，此时Z cd的虚部符号会变成负的，但是Z cd的虚部的数值仍然小于|Z c|。

当线路经高阻故障发生时，线路的电容效应不能被忽略。

由于Z1||Z2≪R F,计算方便，式4中的Z1||Z2可以忽略不计。

这样我们可得到：Z cd ≅11c +ke j δF =Z c || R F / ke j δ 6所以发生经高阻故障时Z cd 等于Z c 与R F / ke j δ 的并联值。

图5 在R −X 坐标系中内部故障各阻抗的关系显然， Z cd <min Z c ,R F /k ,一般而言Z cd 的虚部数值比 Z c 小。

2.3外部故障的综合阻抗图六表示的是输电线路发生外部故障的网络。

在发生外部故障时差动电流只由电容电流构成从图六可以得出差动电流关系式：I cd =I m +I n =I mc +I nc =U m Z c +U n Z c7 可以得出综合阻抗关系式：Z cd = U m +U nI cd =Z c 8从式 8 中可以得出当发生外部故障时，综合阻抗Z cd 等于线路的电容阻抗Z c ，Z cd 的虚部符号是负的并且幅值相较系统阻抗而言比较大。

当传输线路正常工作时，可以获得同样的结论：综合阻抗等于线路的电容阻抗Z c 。

2.4基于综合阻抗的纵联保护标准通过上面的计算，可以得出一个结论：在正常运行状态下，综合阻抗Z cd 表现的是线路的电容阻抗，阻抗的虚部是幅值并且数值较大。

在发生内部故障时，Z cd 主要有电源阻抗、线路阻抗、故障电阻和两终端的相角有关。

所以Z cd 一般处于R −X 坐标系的第一或者第二象限中，虚部一般为正值并且数值较小。

当R F 或者δ变大时，综合阻抗会进入第四象限。

尽管Z cd 的虚部为负值但是幅值仍比|Z c |小很多，基于这种特性，一种新的输电线路纵联保护理论如下：Im Z cd >0 或者 |Im Z cd <Z set ||I cd |>I set9其中Z set是保护判据的动作阈值。

Z set的整定可以通过下式确定：Z set=k rel×Z c10图6 外部故障时的输电线网络其中k rel是可靠系数，为了保证新的保护原理的可靠性根据第四部分的模拟结果可以设定为0.5-0.6。

例如电压等级是500kV长度为400km的传输线路，电容阻抗大约是1000Ω。

所以Z set设定的值应该是500-600Ω。

当线路的长度变短的时候线路的容性阻抗会变大，所以Z set从10中计算出的值后变大。

在这样的情况下Z set一般可以设定为600Ω在式9中的I set是标准中的动作电流阈值，要整定它的数值以保证计算过的准确，尽管I set的数值设定要比正常运行时或者区外故障时的电容电流小，这个标准仍然可以正确的运行。