继电保护整定计算系统展望

750kV系统故障特点 及其保护问题的研究
一、西北建设750kV输电系统的必 要性及国内外现状
1、必要性
1）电能输送容量大
额定电压 输送容量（MV） 输电距离（Km）
110 220 330 500 750
10－50 100－500 200－800 1000－1500 2000－2500
50－150 100－300 200－600 150－850 500－1000以上
导线截面简图
750kV、550kV和330kV线路参数的对比
电压等级 导线型号 330kV LGJQ-2×300 500kV LGJQ-4×400 750kV LGJQ-6×400 750/500kV 750/330kV
R1(Ω /km)
X1(Ω /km) C1(μ F/km) R0(Ω /km) X0(Ω /km) C0(μ F/km) X0/X1
我国目前正在架设750kV输电系统
各国750kV电网建设现状
国家 加拿大 美国 俄罗斯 乌克兰 巴西 南非 委内瑞拉 匈牙利 波兰 保加利亚 罗马尼亚 捷克 韩国 KEPCO 2*340 765/800 电网 魁北克 AEP 中央、西北 南方 伊泰普 ESKOM EDELCA 2700 1153 1240 268 114 线路总长 （km） 13000 4000 6000
0.04737
0.32555 0.01143 0.32129 1.0306 0.00854 3.166
0.02108
0.27498 0.01291 0.309 0.959 0.00799 3.488
0.0133576
0.265739 0.013872 0.246368 0.800672 0.009525 3.013
交、直流输电联网简图
四、对保护的影响
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 分布电容对光纤差动的影响 超高压中不允许相继动作 超高压中的大电源问题 CT、CVT和PT对保护的影响 开关对保护的影响 串联补偿线路对保护的影响 振荡中发生故障的稳态量选相元件
1、分布电容对光纤差动的影响
存在的问题：长线路的暂态过程较长，受 分布电容的影响，容易造成距离保护的 暂态超越；对光纤差动，即使采用并联 电抗器进行补偿，但是其只对工频量进 行补偿，对高频量而言，其特征相当于 在线路的分布电容处发生短路，区外故 障时容易造成差动保护误动作。
各电压等级架空线路的容抗和电容电 流的参考值（/100km）
线路电压（kV） 正序容抗（Ω ） 零序容抗（Ω ） 电容电流（A）
220 330 500 750
3700 2860 2590 2242
5260 4170 3790 3322
34 66 111 193
2、故障时高次谐波特别丰富，既有整数 次又有分数次，而且衰减的很慢
电压最大时线路末端故障的电流波形 及其频谱
3、非周期分量很明显，在电压过零时发
生短路情况下最大，且衰减的特别缓慢 衰减慢的原因: 并联电抗器上有电流,使线路上电流衰减 慢
750kV线路的衰减时间常数T大
并联电抗器衰减时间常数
LK TK RK R1 // R2
线路衰减时间常数
L T R
具体办法如下：
分布参数线路模型的时域等效电路
从而得到任意时刻电流分布公式
i ( x, t ) 1 ZC r x 4 ( )[uk (t x / v) ik (t x / v) ( Z C r x 4)] 2ZC ZC 1 ZC r x 4 ( )[uk (t x / v) ik (t x / v) ( Z C r x 4)] 2ZC ZC 1 rx [uk (t ) ik (t ) (r x 4)] 2ZC 2ZC
电压过零时线路中点故障的电流波形 及频谱分析
在电厂高压母线附近短路时，750kV 系统衰减时间常数可达100ms～300ms
电压等级 220kV 500kV 750kV ω L/R 3~3.5 10~13 20以上 线路衰减 时间常数 16ms 40ms 65ms以上
4、和直流输电联网，正常时存在大量的各次 谐波
以CVT引起距离保护超越和反向出口 误动作的问题为例来说明
电容式电压互感器（CVT）暂态等值电路图
距离保护的暂态超越：
Sm M . Um
.
. . . .
Rf
Im
In
N Un
Sn

对于非全波短数据窗，可用波形系数描 述其畸变程度。 波形系数定义：
R

s

i
k 2
N 1
k 1
i k 1 2i k cos Ts
i
k 1
N
k
表示畸变部分所占面积，如下图阴影
s 部分所示； 表示整个波形所占的面积
波形系数与幅值误差的关系：
波形系数与距离I段开放范围的关系：
c n
K DZ k ( I c
In )
I n > K DZ I n < K DZ
判为永久性故障的条件为： I c 判为瞬时性故障的条件为： I c
3、超高压中的大电源问题
M 1 2 N
Rg
存在的问题：超高压中，一般都是长线路，即线路 阻抗明显大于保护背侧的系统阻抗。在线路远端 故障或大过渡电阻时，大电源端电压故障分量很 小，甚至为零，电压灵敏度不足，“大电源问题” 很突出。 & Ug 方向保护无法判别 arg I&
目前主要难点：重合于永久性故障时如何 加速跳闸问题，难点有两个方面：第一 是重合于永久性故障时，如何使保护快 速跳开；第二是永久性故障的判别，即 如果判为永久性故障，就不进行重合闸。 最好的解决办法：永久性故障判别，考虑 到线路带并联电抗器的情况，在判断为 永久性故障后，就不进行重合。
假设输电线路两端为M、N，N端带并联电 抗器，C相为故障相。发生单相接地故障线路 两端跳闸后C相电流用示意图表示。
瞬时故障时C相电流如图1所示：
M A B C N
U nb
U na
U nc
C0
Ic
L1
In
Ln
图1 瞬时故障时C相电流
永久故障时C相电流如图2所示：
M A B C N
U nb
U na
U nc
Ic
L1
In
Ln
图2 永久故障时C相电流
Ic
M A B C
N
M
U na
二者近似相等，可用故障前A相电压代替零 序电压，从而解决了灵敏度不足问题
4、CT、CVT和PT对保护的影响
存在的问题：超高压中CT、CVT和PT对保 护的影响，光纤差动主要是CT饱和问题， 距离保护则易于发生超越现象。 解决办法：对距离保护而言，由于谐波、 非周期等因素的影响，波形发生较大的 畸变，可以采用波形系数方法，根据波 形系数的大小来决定距离保护开放范围， 从而达到解决暂态超越问题。
M Z sm 1 Z l1 2 N Rg Zl2 Z sn
Z1＋Z2 －U A
双端电源复合序网等效图
零序方向元件
U0 arg arg （－Z sm） arg （－Z L） I0
采用保护安装处A相电压代替后
U A arg arg －[ Z sm Z L1 k ( Z 1 Z 2 )] I0 arg[－（Z L kRg） ]
2、国内高压保护的水平
1）故障分析、保护原理国际领先
复杂故障处理，振荡闭锁，现场适应性强
2）装置性能、技术指标、运行状况国际领先 3）国内高压线路保护中，南瑞，四方，许继
国电南自占领国内80％～90％的市场。
三、750kV输电系统的特点
1、线路较长，采用4～6分裂导线，分布电 容很大，电阻较小，两端装有并联电抗， 正序阻抗角接近90º
考虑分布电容影响的系统简图
保护动作判据：
I m I n I DZ

外部故障的暂态过程中，由于分布 电容的影响，N侧波形受谐波影响畸变 严重，M侧则比较光滑，从而影响动作 性能。
考虑分布电容影响的系统简图
N侧电流波形
M侧电流波形
解决办法：
对分布电容进行时域补偿，即不论对多 大的频率，都进行补偿，这样不论是工 频量还是高频量，都能消除分布电容的 对保护的影响。
2）输电损耗小 3）有益于西部开发建设和“西电东送” “西电东送”将形成三大通道： 南部通道：将广西、贵州、云南三省的水电资 源以及贵州、云南两省坑口火电厂的电能开 发出来送往广东 中部通道：将三峡和金沙江水电送往华东地区 北部通道：将黄河上游水电和山西、内蒙古坑 口火电送往京津唐地区 4）有益于提高电网运行的安全性，是建 设全国统一电网所必需
63.4%
96.6% 107.5% 79.7% 83.5% 119.2%
28.2%
81.6% 121.4% 76.7% 77.7% 111.5%
C1/C0
(Ω /km) 正序阻抗角 零序补偿
1.338
0.3290 81.7○ 0.77
1.616
0.2758 85.6○ 0.90
1.456
0.2661 87.1○ 0.73 94.8% 81.1% 80.9% 96.5%
3、国内750线路介绍
规划中的750kV线路：
1.拉瓦西－－西宁(400km)
2.兰州东－－咸阳西(200km) 3.兰州东－－官亭(146km) （2005年11月投入运行）
西北即将建成的750kV系统简图
二、国内高压保护的现状
1、我国高压电网的运行特点：
1）有单相重合闸，因而存在非全相运行 2）电网联系薄弱，系统运行的安全性不高 3）会出现许多复杂的情况，如系统振荡、 二次故障
N
U nb
A B C
U nb
U na
Байду номын сангаас
U nc
U nc
C0
Ic
L1
Ic
L1
In
Ic
Ln
In
Ln
图1
图2
由图1、图2可以看出，瞬时故障和永久故 障下C相电流回路明显不同，则 I 、In 值也
c
随之不同。
对不同故障时 Ic 、I n 幅值比进行了具体 研究，通过EMTP仿真和理论计算证明: 永久故障时 I I 的值远大于瞬时故障时 的值。 则以瞬时故障时的幅值比作为整定值， 用公式表示：
图中：――为补偿前；……为稳态基频相量补偿； ——为时域Π等效网络模型法； ------为时域贝瑞隆线路模型法
2、超高压中不允许相继动作
存在的问题：特高压首先是保证不产生危及设备 和绝缘子的过电压，其次是保证系统稳定。因 为特高压输电线绝缘子短时间能承受过电压的 裕度较小，为了保证过电压不超过允许值，特 高压输电线允许一端投入、另一端断开的时间 远小于两端保护相继动作切除故障的时间。因 此，特高压输电线上发生任何故障时必须以最 短时间从两端同时切除故障，不能允许两端保 护相继动作。
分布参数传输线方程
chl U M 1 shl IM ZC Z C shl U N chl I N
时域传输方程
2i / x 2 L0C0 2i / t 2 R0C0 G0 L0 i / t R0C0i 2u / x 2 L0C0 2u / t 2 R0C0 G0 L0 u / t R0G0u
电力网络互联的优点
大大提高供电可靠性，减少备用容量； 更合理地调配用电，提高发电设备的利用 率，减少联合系统中发电设备的总容量； 负荷波动对系统电能质量的影响也将减少； 提高运行的经济性。
2、国内外现状
世界上已有美国、前独联体国 家、加拿大、巴西、委内瑞拉等十几 个国家建设了总长超过27000公里的 750kV输电系统；
g
解决办法： 正序方向：利用保护安装处的记忆电压 代替电压故障分量来解决。
正序故障分量序网图
& U f1 arg arg( R ' g Z L1 Z M ) I&
1
& U 1 与 arg I& 方向相反 1
解决办法： 零序方向：用基于故障类型的零序方向 元件。以A相接地故障为例。
额定电压/最 高电压
投运
年份
735/765 765/800 750/787 750/787 765/800 765/800 765/800
1965 1969 1967 1967 1983 1988 1992 1979 1984 1984 1984 1984 2000
750kV变电站 总数（座） 31 23(约)