输电线路纵联保护课件

第四章输电线路纵联保护4.1输电线路纵联保护概述4.2输电线路纵联保护两侧信息的交换4.3方向比较式纵联保护4.4纵联电流差动保护第四章输电线路纵联保护4.1输电线路纵联保护概述14.1概述仅反应线路一侧的电气量不可能无延时地快速区分本线末端和对侧母线(或相邻线始端)故障。反应线路两侧的电气量可以快速、可靠地区分本线路内部任意点短路与外部短路，达到有选择性、快速地切除全线路任意点短路的目的。4.1概述仅反应线路一侧的电气量不可能无延时地快速区分本2纵联保护（单元保护）将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧的电气量同时比较、联合工作，即在线路两侧之间发生纵向的联系，以这种方式构成的保护称为输电线路的纵联保护。由于保护是否动作取决于安装在输电线两端的装置联合判断的结果，两端的装置组成一个保护单元，各端的装置不能独立构成保护，在国外又称为输电线的单元保护。纵联保护（单元保护）将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧的3一套完整纵联保护的构成如下图所示。一套完整纵联保护的构成如下图所示。4纵联保护的分类按照所利用信息通道的不同，可分为4种：导引线纵联保护——导引线保护电力线载波纵联保护——载波保护微波纵联保护——微波保护光纤纵联保护——光纤保护按照保护动作原理，纵联保护可以分为两类：方向比较式纵联保护纵联电流差动保护纵联保护采用的原理往往受到通道的制约。纵联保护的分类按照所利用信息通道的不同，可分为4种：5导引线通道这种通道需要铺设导引线电缆传送电气量信息,其投资随线路长度而增加，当线路较长(超过10km以上)时就不经济了。导引线越长，自身的运行安全性越低。在中性点接地系统中,除了雷击外，在接地故障时地中电流会引起地电位升高，也会产生感应电压，所以导引线的电缆必须有足够的绝缘水平(例如15kV的绝缘水平)，从而使投资增大。一般导引线中直接传输交流二次电量波形，故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)直接影响保护性能，从而在技术上也限制了导引线保护用于较长的线路。导引线通道这种通道需要铺设导引线电缆传送电气量信息,其投资随6电力线载波通道在保护中应用最为广泛，它不需要专门架设通信通道，而是利用输电线路构成通道。载波通道由输电线路及其信息加工和连接设备(阻波器、结合电容器及高频收发信机)等组成。输电线路机械强度大,运行安全可靠。但是在线路发生故障时通道可能遭到破坏，为此载波保护应采用在本线路故障、信号中断的情况下仍能正确动作的技术。电力线载波通道在保护中应用最为广泛，它不需要专门架设通信通道7微波通道微波通信是一种多路通信系统,可以提供足够的信息通道,微波通信具有很宽的频带,可以传送交流电的波形。采用脉冲编码调制(PCM)方式可以进一步扩大信息传输量,提高抗干扰能力,也更适合于数字保护。微波通信是理想的通信系统,但是保护专用微波通信设备是不经济的,电力信息系统等在设计时应兼顾继电保护的需要。微波通道微波通信是一种多路通信系统,可以提供足够的信息通道,8光纤通道光纤通道与微波通道具有相同的优点，光纤通道也广泛采用(PCM)调制方式，保护使用的光纤通道一般与电力信息系统统一考虑。当被保护的线路很短时,可架设专门的光缆通道直接将电信号转换成光信号送到对侧,并将所接收之光信号变为电信号进行比较。由于光信号不受干扰,在经济上也可以与导引线保护竞争，近年来成为短线路纵联保护的主要形式。光纤通道光纤通道与微波通道具有相同的优点，光纤通道也广泛采用9方向比较式纵联保护两侧保护装置将本侧的功率方向、测量阻抗是否在规定的方向、区段内的判别结果传送到对侧,每侧保护装置根据两侧的判别结果，区分是区内还是区外故障。在通道中传送的是逻辑信号，而不是电气量本身。传送的信息量较少，但对信息可靠性要求很高。按照保护判别方向所用的原理可分为方向纵联保护与距离纵联保护。方向比较式纵联保护两侧保护装置将本侧的功率方向、测量阻抗是否10纵联电流差动保护利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧,每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位比较的结果区分是区内还是区外故障。在每侧都直接比较两侧的电气量，称为纵联电流差动保护。信息传输量大，并且要求两侧信息采集的同步，实现技术要求较高。纵联电流差动保护利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号11输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析纵联保护需要利用线路两端的电气量在故障与非故障时的特征差异构成保护。当线路发生内部故障与外部故障时，电力线两端的电流波形、功率方向、电流相位以及测量阻抗都具有明显的差异，利用这些差异可以构成不同原理的纵联保护。输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析纵联保护需要利用线路两12两端电流相量和的故障特征当内部故障时，故障点有短路电流流出。根据基尔霍夫电流定律，对于一个中间既无电源，又无负荷的正常运行或外部故障的输电线路，在任意时刻，两端电流相量和等于零。两端电流相量和的故障特征当内部故障时，故障点有短路电流流出。13两端功率方向的故障特征规定母线到线路的方向为正当线路发生内部故障时，两端功率方向相同，同为正方向。当线路发生外部故障时，远故障点端功率方向为正；近故障点端功率方向为负，两端功率方向相反。在系统正常运行时，两端的功率方向相反，线路的送电端功率方向为正、受电端的功率方向为负。两端功率方向的故障特征规定母线到线路的方向为正14两端电流相位特征对于图所示的双端输电线路，假定全系统阻抗角均匀、两侧电势角相同。当发生内部短路时，两侧电流同相位；当正常运行或外部短路时，两侧电流相位差180°两端电流相位特征对于图所示的双端输电线路，假定全系统阻抗角均15两端测量阻抗的特征当线路内部短路时，输电线路两端的测量阻抗都是短路阻抗，一定位于阻抗元件Ⅱ段的动作区内，两侧的Ⅱ段同时起动；当正常运行时，两侧的测量阻抗是负荷阻抗，阻抗元件Ⅱ段不起动；当发生外部短路时，两侧的测量阻抗也是短路阻抗，但一侧为反方向，至少有一侧的阻抗元件Ⅱ段不起动。两端测量阻抗的特征当线路内部短路时，输电线路两端的测量阻抗都16纵联保护的基本原理利用输电线两端电气量在正常运行、外部短路和内部短路时的特征差异可以构成不同原理的输电线路纵联保护：纵联电流差动保护方向比较式纵联保护电流相位比较式纵联保护距离纵联保护纵联保护的基本原理利用输电线两端电气量在正常运行、外部短路和17纵联电流差动保护利用输电线路两端电流波形和或电流相量和的特征可以构成纵联电流差动保护。发生内部短路时，正常运行和外部短路时，由于受CT误差、线路分布电容等因素的影响，实际上不为零，此时差动保护的动作判据实际上为：式中，Iset为门槛值纵联电流差动保护利用输电线路两端电流波形和或电流相量和的特征18方向比较式纵联保护

利用输电线路两端功率方向相同或相异的特征可以构成方向比较式纵联保护。两端保护各安装功率方向元件，当系统中发生故障时，两端功率方向元件判别流过本端的功率方向，闭锁式方向纵联保护：功率方向为负者发出闭锁信号，闭锁两端的保护；允许式方向纵联保护：功率方向为正者发出允许信号，允许两端保护跳闸。方向比较式纵联保护利用输电线路两端功率方向相同或相异的特征19电流相位比较式纵联保护利用两端电流相位的特征差异，比较两端电流的相位关系。两端保护各将本侧电流的正、负半波信息转换为表示电流相位并利于传送的信号，送往对端，同时接收对端送来的电流相位信号与本侧的相位信号比较。当输电线路发生内部短路时，两端电流相角差为0°，保护动作，跳开本端断路器。在正常运行或发生区外短路时两端电流相角差为180°，保护不动作。电流相位比较式纵联保护利用两端电流相位的特征差异，比较两端电20电流相位比较式纵联保护考虑电流电压互感器的误差以及输电线分布电容等的影响，当线路发生区外故障时两端电流相角差并不等于180°，而是在180°附近；考虑故障前两侧电势有一定相角差，在内部短路时两侧电流也不完全同相位。电流相位比较式纵联保护考虑电流电压互感器的误差以及输电线分布21距离纵联保护基本原理：与方向比较式纵联保护相似，只是用阻抗元件替代功率方向元件。优点：当故障发生在Ⅱ段范围内时相应的方向阻抗元件才起动，当故障发生在距离Ⅱ以外时相应的方向阻抗元件不起动，减少了方向元件的起动次数，提高了保护的可靠性；一般高压线路配备距离保护作为后备保护，距离保护的Ⅱ段作为方向元件，简化了纵联保护（主保护）的实现。不足：后备保护检修时主保护被迫停运。距离纵联保护基本原理：224.2输电线路纵联保护两侧信息的交换

输电线路纵联保护的工作需要两端信息，两端保护要通过通信设备和通信通道快速地进行信息传递。输电线路保护常用的通信方式分有：导引线通信电力线载波通信微波通信光纤通信4.2输电线路纵联保护两侧信息的交换输电线路纵联保护234.2.1导引线通信导引线通信：利用敷设在输电线路两端变电所之间的二次电缆传递被保护线路各侧信息的通信方式。导引线纵联保护以导引线为通道的纵联保护称为导引线纵联保护。采用电流差动原理，分为：环流式均压式4.2.1导引线通信导引线通信：24环流式线路两侧电流互感器的同极性端子经导引线连接起来。在模拟式保护中两端的保护继电器各有两个线圈，动作线圈跨接在两根导引线之间，流过两端的和电流起动作作用；制动线圈（也称平衡线圈）被串接在导引线的回路中，流过两端的差电流，起制动作用；当继电器的动作作用大于制动作用时，保护动作。在正常运行或外部故障时，被保护线路两侧电流互感器的同极性端子的输出电流大小相等而方向相反，动作线圈中没有电流流过，即处在电流平衡状态，此时导引线流过两端循环电流，故称环流式。。环流式线路两侧电流互感器的同极性端子经导引线连接起来。在模拟25均压式线路两端电流互感器的异极性端子经由导引线连接起来，继电器的动作线圈串接在导引线回路中，流过两端的差电流；制动线圈则被跨接在两根导引线之间，流过和电流。在正常运行或外部故障时，被保护线路两侧电流互感器极性相异的端子的输出电流大小相等且方向相同，故导引线及动作线圈中均没有电流通过，二次电流只能分别在各自的制动线圈及互感器二次绕组中流过，在两侧导引线线芯间之电压大小相等方向相反，即处在电压平衡状态，这种工作模式也称为电压平衡原理。均压式线路两端电流互感器的异极性端子经由导引线连接起来，继电26导引线纵差保护的特点导引线纵差保护的突出优点是：不受电力系统振荡的影响，不受非全相运行的影响、在单侧电源运行时仍能正确工作。简单可靠，维修工作量极少，投运率极高，技术成熟，服务年限长，动作速度快等优点。导引线纵差保护的使用也受如下因素的限制：保护装置的性能受导引线参数和使用长度影响，导引线愈长，分布电容愈大则保护装置的安全可靠性愈低；导引电缆造价高，随着使用长度增加，初投资剧增。导引线纵差保护的特点导引线纵差保护的突出优点是：274.2.2电力线载波通信高频保护（载波保护）：将线路两端的电流相位(或功率方向)信息转变为高频信号，经过高频耦合设备将高频信号加载到输电线路上，输电线路本身作为高频信号的通道将高频载波信号传输到对侧，对端再经过高频耦合设备将高频信号接收下来，以实现各端电流相位(或功率方向)的比较。电力线载波通道的构成：“相－相”式：使用两相线路，高频信号传输的衰减小“相－地”式：使用一相一地，比较经济4.2.2电力线载波通信高频保护（载波保护）：28“相－地”式载波通道如图所示，“相－地”式载波通道如图所示，29电力线载波通道的构成输电线路三相输电线路都可以用来传递高频信号，任意一相与大地间都可以组成“相－地”回路。阻波器为了使高频载波信号只在本线路中传输而不穿越到相邻线路上去，采用了电感线圈与可调电容组成的并联谐振回路，其阻抗与频率的关系如图所示。当其谐振频率为载波信号所选定的载波频率时，对载波电流呈现极高的阻抗（1000以上），从而使高频电流被阻挡在本线路以内。而对工频电流，阻波器仅呈现电感线圈的阻抗（约0.04Ω），工频电流畅通无阻。电力线载波通道的构成输电线路30电力线载波通道的构成耦合电容器其电容量极小，对工频信号呈现非常大的阻抗防止工频电压侵入高频收、发信机。连接滤波器它是一个可调电感的空芯变压器和一个接在副边的电容。连接滤波器与耦合电容器共同组成一个“四端口网络”带通滤波器，使所需频带的电流能够顺利通过。例如220kV架空输电线路的波阻抗约为400Ω，而高频电缆的波阻抗约为100Ω，为使高频信号在收、发信机与输电线路间传递时不发生反射，减少高频能量的附加衰耗，需要“四端口网络”使两侧的阻抗相匹配。同时空芯变压器的使用进一步使收、发信机与输电线路的高压部分相隔离，提高了安全性。电力线载波通道的构成耦合电容器31电力线载波通道的构成高频收、发信机高频传发信机由继电保护部分控制发出预定频率（可设定）的高频信号，通常都是在电力系统发生故障保护起动后发出信号，但也有采用长期发信故障起动后停信或改变信号的频率的工作方式。发信机发出的高频信号经载波信道传送到对端，被对端和本端的收信机所接受，两端的收信机既接收来自本侧的高频信号又接收来自对侧的高频信号，两个信号经比较判断后，作用于继电保护的输出部分接地刀闸当检修连接滤波器时，接通接地刀闸，使耦合电容器下端可靠接地电力线载波通道的构成高频收、发信机32电力线载波通道的特点电力线载波通信是电力系统的一种特殊的通信方式，它以电力线路为信息通道，通道传输的信号频率范围一般为50～400kHz,载频低于40kHz受工频干扰太大，同时信道中的连接设备的构成也比较困难；载频过高，将对中波广播等产生严重干扰，同时高频能量衰耗也将大大增加。电力线载波通信曾在一段时间内成为电力系统应用最广的通信手段。它具有以下优点：电力线载波通道的特点电力线载波通信是电力系统的一种特殊的通信33电力线载波通道的优点无中继通信距离长电力线载波通信距离可达几百公里，中间不需要信号的中继设备，一般的输电线路，只需要在线路两端配备载波机和高频信号耦合设备。经济、使用方便使用电力线载波通信的装置（继电保护、电力自动化设备等）与载波机之间的距离很近，都在同一变电站内，高频电缆短，由于不需要再架信道，整个投资省。工程施工比较简单输电线路建好后，装上阻波器、耦合电容器、结合滤波器，放好高频载波电缆，然后安装载波机，就可以进行调试。这些工作都在变电站内进行，基本上不需另外进行基建工程，能较快的建立起通信。在不少工期比较紧的输变电工程中，往往只有电力线载波通信才能和输变电工程同期建成，保证了输变电工程的如期投产电力线载波通道的优点无中继通信距离长34

由于输电线载波通道是直接通过高压输电线路传送高频载波电流的，因此高压输电线路上的干扰直接进入载波通道，高压输电线路的电晕、短路、开关操作等都会在不同程度上对载波保护造成干扰。由于高频载波的通信速率低，难于满足纵联电流差动保护实时性的要求，一般用来传递状态信号，用于构成方向比较式纵联和电流相位比较式纵联保护。输电线载波通信还被用于对系统运行状态监视的调度自动化信息的传递、电力系统内部的载波电话等。由于输电线载波通道是直接通过高压输电线路传送高频载波电流的35电力线载波通道的工作方式输电线路纵联保护载波通道按工作方式分为三类：正常无高频电流方式正常有高频电流方式移频方式我国常用正常无高频电流方式。电力线载波通道的工作方式输电线路纵联保护载波通道按工作方式分36正常无高频电流方式在电力系统正常工作条件下发信机不发信，沿通道不传送高频电流，只在电力系统发生故障期间发信，又称为故障起动发信的方式。为了确知高频通道是否完好，采用定期检查的方法，可分为两种：手动：值班员手动起动发信，并检查高频信号是否合格，通常是每班一次，该方式在我国电力系统中得到了广泛的采用自动：利用专门的时间元件按规定时间自动起动，检查通道，并向值班员发出信号。正常无高频电流方式在电力系统正常工作条件下发信机不发信，沿通37正常有高频电流方式在电力系统正常工作条件下发信机处于发信状态，沿高频通道传送高频电流，又称为长期发信方式。主要优点：使高频保护中的高频通道部分经常处于监视的状态，可靠性较高；无需收、发信起动元件，使装置稍为简化。缺点：因为经常处于发信状态，增加了对其它通信设备的干扰时间；因为经常处于收信状态，外界对高频信号干扰的时间长，要求自身有更高的抗干扰能力。正常有高频电流方式在电力系统正常工作条件下发信机处于发信状态38移频方式在电力系统正常工作条件下，发信机处在发信状态，向对端送出频率为f1的高频电流，这一高频电流可作为通道的连续检查或闭锁保护之用。在线路发生故障时，保护装置控制发信机停止发送频率为f1的高频电流，同时发出频率为f2的高频电流。这种方式能监视通道的工作情况，提高了通道工作的可靠性，并且抗干扰能力较强；它占用的频带宽，通道利用率低。移频方式在国外已得到了广泛的应用。移频方式在电力系统正常工作条件下，发信机处在发信状态，向对端39电力线载波信号的种类按照高频载波通道传送的信号在纵联保护中的作用，高频信号分为：闭锁信号允许信号跳闸信号电力线载波信号的种类按照高频载波通道传送的信号在纵联保护中的40闭锁信号阻止保护动作于跳闸的信号无闭锁信号是保护作用于跳闸的必要条件。只有同时满足以下两条件时保护才作用于跳闸：本端保护元件动作；无闭锁信号。闭锁信号阻止保护动作于跳闸的信号41允许信号允许保护动作于跳闸的信号。有允许信号是保护动作于跳闸的必要条件。同时满足以下两条件时，保护装置才动作于跳闸：本端保护元件动作；有允许信号。允许信号允许保护动作于跳闸的信号。42跳闸信号直接引起跳闸的信号收到跳闸信号是跳闸的充分条件。跳闸的条件是下列条件之一：本端保护元件动作对端传来跳闸信号。跳闸信号直接引起跳闸的信号434.2.3微波通信从二十世纪五十年代开始，微波通信在电力系统中开始得到应用。电力系统使用的微波通信频率段一般在300～30000MHz之间，相比电力线载波的50～400kHz频段，频带要宽的多，信息传输容量要大的多。微波纵联保护使用的频段属于超短波的无线电波，电离层已不能起反射作用，只能在“视线”范围内传播，距离不超过40～60Km，如果两个变电站之间距离超出以上范围，就要装设微波中继站，以增强和传递微波信号。微波通道的建设往往是根据电力系统通信的总体需要统一安排的，微波纵联保护的信息传递只使用微波信道容量的一小部分。4.2.3微波通信从二十世纪五十年代开始，微波通信在电44微波纵联保护的构成微波纵联保护系统如图所示，包括输电线路两端的保护装置（虚框内）部分和微波通信部分。微波纵联保护的构成微波纵联保护系统如图所示，包括输电线路两端45微波纵联保护的优点与电力线高频载波保护相比，微波纵联保护有以下特点：有一条独立于输电线路的通信通道，输电线路上产生的干扰对通信系统没有影响，通道的检修不影响输电线路运行。扩展了通信频段，可以传递的信息容量增加、速率加快，可以实现纵联电流分相差动原理的保护。受外界干扰的影响小，工业、雷电等干扰的频谱基本上不在微波频段内，通信误码率低，可靠性高。输电线路的任何故障都不会使通道工作破坏，因此可以传送内部故障时的允许信号和跳闸信号。微波有在视线距离内传送的特点决定了在通信距离较远时，必须架设微波中继站，通道价格较贵。微波纵联保护的优点与电力线高频载波保护相比，微波纵联保护有以464.2.4光纤通信

以光纤作为信号传递媒介的通信称为光纤通信。随着光纤技术的发展和光纤制作成本的降低，光纤信道正在成为电力通信网的主干网，光纤通信在电力系统通信中得到越来越多的应用，例如连接各高压变电站的电力调度自动化信息系统、两端变电站具有光纤信道的纵联保护、超短输电线路的纵联保护、配电自动化通信网等。4.2.4光纤通信以光纤作为信号传递媒介的通信称为光纤通47光纤通道的构成光发射器：把电信号转变成光信号，一般由电调制器和光调制器组成。光接收器：把光信号转变成电信号，一般由光探测器和电解调器组成。光纤通道的构成光发射器：48光纤通道的构成电调制器：把信息转换为适合信道传输的信号，多为数字信号。光调制器：把电调制信号转换为适合光纤信道传输的光信号。光中继器：对经光纤传输衰减后的信号进行放大。光探测器：把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号。电解调器：把电信号放大，恢复出原信号。光纤通道的构成电调制器：49光纤通信的特点通信容量大可以节约大量金属材料光纤通信还有保密性好，敷设方便，不怕雷击，不受外界电磁干扰，抗腐蚀和不怕潮等优点。光纤最重要的特性之一是无感应性能，在易受地电位升高、暂态过程及其它有严重干扰的金属线路地段之间，光纤是一种理想的通信媒介。光纤通信的美中不足之处是通信距离还不够长，在长距离通信时，要用中继器及其附加设备。此外当光纤断裂时不易找寻或连接，不过，由于光缆中的光纤数目多，可以将断裂的光纤迅速用备用替换。光纤通信的特点通信容量大504.3方向比较式纵联保护方向元件或功率方向测量元件是方向比较式纵联保护中的关键元件，方向元件的作用：判断故障的方向，方向元件应满足以下要求：正确反映所有类型故障时故障点的方向且无死区；不受负荷的影响，在正常负荷状态下不起动；不受系统振荡影响，在振荡无故障时不误动，振荡中再故障时仍能正确判定故障点的方向；在两相运行中又发生短路时仍能正确判定故障点的方向。常用工频电压、电流的故障分量构成方向元件。4.3方向比较式纵联保护方向元件或功率方向测量元件是方向51闭锁式方向纵联保护目前在电力系统中广泛使用由电力线载波通道实现闭锁式方向纵联保护，采用正常无高频电流，而在外部故障时发闭锁信号的方式构成。此闭锁信号由功率方向为负的一侧发出，被两端的收信机接收，闭锁两端的保护，故称为闭锁式方向纵联保护。闭锁式方向纵联保护目前在电力系统中广泛使用由电力线载波通道实52闭锁式方向纵联保护的构成闭锁式方向纵联保护的构成53闭锁式距离纵联保护方向比较式纵联保护可以快速地切除保护范围内部的各种故障，但却不能作为变电站母线和下一条线路的后备。距离保护却可以作为变电站母线和下一条线路的后备,由于在距离保护中所用的主要继电器（如起动元件、方向阻抗元件等）也可以作为实现闭锁式方向比较纵联保护的主要元件，因此经常把两者结合起来构成闭锁式距离纵联保护。内部故障时能够瞬时动作，而在外部故障时则具有不同的时限特性，起到后备保护的作用，从而兼有两种保护的优点，并且能简化整个保护的接线。闭锁式距离纵联保护方向比较式纵联保护可以快速地切除保护范围内54输电线路纵联保护课件554.4纵联电流差动保护纵联电流差动保护的工作原理电流差动保护原理建立在基尔霍夫电流定律的基础之上。它具有良好的选择性，能灵敏地，快速地切除保护区内的故障，被广泛地应用在能够方便地取得被保护元件两端电流的发电机保护、变压器保护、大型电动机保护中，输电线路的电流纵联差动保护是该原理应用的一个特例。4.4纵联电流差动保护纵联电流差动保护的工作原理56电流纵联差动保护的基本原理电流纵联差动保护的基本原理57电流差动保护：利用被保护元件在内部短路两侧电流和很大，而外部短路时几乎为零的差异，构成电流差动保护；电流相位差动保护：利用被保护元件两侧电流在内部短路时几乎同相，外部短路时几乎反相的特点，比较两侧电流的相位可以构成电流相位差动保护；差动电流测量元件——差动继电器电流差动保护：58不平衡电流不平衡电流：流过差动继电器的电流是电流互感器的二次侧电流，由于两个电流互感器总是具有励磁电流，且励磁特性不会完全相同，所以在正常运行及外部故障时，流过差动继电器的电流不等于零，此电流称为不平衡电流。考虑励磁电流的影响，二次侧电流的数值应为：正常与外部短路时，此时，流过差动继电器的电流为：不平衡电流不平衡电流：59继电器正确动作时的差动电流Ir应躲过正常与外部短路时的不平衡电流：不平衡电流的计算：电流互感器的10%误差曲线：继电器正确动作时的差动电流Ir应躲过正常与外部短路时的不平衡60带有制动线圈的差动继电器特性差动继电器有两组线圈：制动线圈：流过两侧继电器的循环电流，正常运行和外部短路时制动作用增强，内部短路时制动作用减弱。动作线圈：流过两侧继电器的和电流。继电器的动作方程：带有制动线圈的差动继电器特性差动继电器有两组线圈：61纵联电流差动保护的应用线路纵联电流差动保护既比较线路两侧电流的大小又比较电流的相位，要求进行相量比较。传输两端的电流相量其传输容量和传输速率都对传输设备有较高的要求，利用电力线载波很难满足以上技术要求。纵联电流差动保护原理主要应用在发电机、变压器、母线等集中参数元件上，并在超短距离输电线导引线保护中有所采用。近年来随着微波、光纤、全球卫星同步时钟等通信技术和设备的发展，纵联电流差动保护原理才在远距离输电线路上获得越来越多的应用。纵联电流差动保护的应用线路纵联电流差动保护既比较线路两侧电流62复习题1.简述线路纵联保护的主要类型。2.线路高频载波保护通道的组成，保护载波信号的类型。3.闭锁式方向纵联保护和闭锁式距离保护的原理与动作逻辑。复习题1.简述线路纵联保护的主要类型。63第四章输电线路纵联保护4.1输电线路纵联保护概述4.2输电线路纵联保护两侧信息的交换4.3方向比较式纵联保护4.4纵联电流差动保护第四章输电线路纵联保护4.1输电线路纵联保护概述644.1概述仅反应线路一侧的电气量不可能无延时地快速区分本线末端和对侧母线(或相邻线始端)故障。反应线路两侧的电气量可以快速、可靠地区分本线路内部任意点短路与外部短路，达到有选择性、快速地切除全线路任意点短路的目的。4.1概述仅反应线路一侧的电气量不可能无延时地快速区分本65纵联保护（单元保护）将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧的电气量同时比较、联合工作，即在线路两侧之间发生纵向的联系，以这种方式构成的保护称为输电线路的纵联保护。由于保护是否动作取决于安装在输电线两端的装置联合判断的结果，两端的装置组成一个保护单元，各端的装置不能独立构成保护，在国外又称为输电线的单元保护。纵联保护（单元保护）将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧的66一套完整纵联保护的构成如下图所示。一套完整纵联保护的构成如下图所示。67纵联保护的分类按照所利用信息通道的不同，可分为4种：导引线纵联保护——导引线保护电力线载波纵联保护——载波保护微波纵联保护——微波保护光纤纵联保护——光纤保护按照保护动作原理，纵联保护可以分为两类：方向比较式纵联保护纵联电流差动保护纵联保护采用的原理往往受到通道的制约。纵联保护的分类按照所利用信息通道的不同，可分为4种：68导引线通道这种通道需要铺设导引线电缆传送电气量信息,其投资随线路长度而增加，当线路较长(超过10km以上)时就不经济了。导引线越长，自身的运行安全性越低。在中性点接地系统中,除了雷击外，在接地故障时地中电流会引起地电位升高，也会产生感应电压，所以导引线的电缆必须有足够的绝缘水平(例如15kV的绝缘水平)，从而使投资增大。一般导引线中直接传输交流二次电量波形，故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)直接影响保护性能，从而在技术上也限制了导引线保护用于较长的线路。导引线通道这种通道需要铺设导引线电缆传送电气量信息,其投资随69电力线载波通道在保护中应用最为广泛，它不需要专门架设通信通道，而是利用输电线路构成通道。载波通道由输电线路及其信息加工和连接设备(阻波器、结合电容器及高频收发信机)等组成。输电线路机械强度大,运行安全可靠。但是在线路发生故障时通道可能遭到破坏，为此载波保护应采用在本线路故障、信号中断的情况下仍能正确动作的技术。电力线载波通道在保护中应用最为广泛，它不需要专门架设通信通道70微波通道微波通信是一种多路通信系统,可以提供足够的信息通道,微波通信具有很宽的频带,可以传送交流电的波形。采用脉冲编码调制(PCM)方式可以进一步扩大信息传输量,提高抗干扰能力,也更适合于数字保护。微波通信是理想的通信系统,但是保护专用微波通信设备是不经济的,电力信息系统等在设计时应兼顾继电保护的需要。微波通道微波通信是一种多路通信系统,可以提供足够的信息通道,71光纤通道光纤通道与微波通道具有相同的优点，光纤通道也广泛采用(PCM)调制方式，保护使用的光纤通道一般与电力信息系统统一考虑。当被保护的线路很短时,可架设专门的光缆通道直接将电信号转换成光信号送到对侧,并将所接收之光信号变为电信号进行比较。由于光信号不受干扰,在经济上也可以与导引线保护竞争，近年来成为短线路纵联保护的主要形式。光纤通道光纤通道与微波通道具有相同的优点，光纤通道也广泛采用72方向比较式纵联保护两侧保护装置将本侧的功率方向、测量阻抗是否在规定的方向、区段内的判别结果传送到对侧,每侧保护装置根据两侧的判别结果，区分是区内还是区外故障。在通道中传送的是逻辑信号，而不是电气量本身。传送的信息量较少，但对信息可靠性要求很高。按照保护判别方向所用的原理可分为方向纵联保护与距离纵联保护。方向比较式纵联保护两侧保护装置将本侧的功率方向、测量阻抗是否73纵联电流差动保护利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧,每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位比较的结果区分是区内还是区外故障。在每侧都直接比较两侧的电气量，称为纵联电流差动保护。信息传输量大，并且要求两侧信息采集的同步，实现技术要求较高。纵联电流差动保护利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号74输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析纵联保护需要利用线路两端的电气量在故障与非故障时的特征差异构成保护。当线路发生内部故障与外部故障时，电力线两端的电流波形、功率方向、电流相位以及测量阻抗都具有明显的差异，利用这些差异可以构成不同原理的纵联保护。输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析纵联保护需要利用线路两75两端电流相量和的故障特征当内部故障时，故障点有短路电流流出。根据基尔霍夫电流定律，对于一个中间既无电源，又无负荷的正常运行或外部故障的输电线路，在任意时刻，两端电流相量和等于零。两端电流相量和的故障特征当内部故障时，故障点有短路电流流出。76两端功率方向的故障特征规定母线到线路的方向为正当线路发生内部故障时，两端功率方向相同，同为正方向。当线路发生外部故障时，远故障点端功率方向为正；近故障点端功率方向为负，两端功率方向相反。在系统正常运行时，两端的功率方向相反，线路的送电端功率方向为正、受电端的功率方向为负。两端功率方向的故障特征规定母线到线路的方向为正77两端电流相位特征对于图所示的双端输电线路，假定全系统阻抗角均匀、两侧电势角相同。当发生内部短路时，两侧电流同相位；当正常运行或外部短路时，两侧电流相位差180°两端电流相位特征对于图所示的双端输电线路，假定全系统阻抗角均78两端测量阻抗的特征当线路内部短路时，输电线路两端的测量阻抗都是短路阻抗，一定位于阻抗元件Ⅱ段的动作区内，两侧的Ⅱ段同时起动；当正常运行时，两侧的测量阻抗是负荷阻抗，阻抗元件Ⅱ段不起动；当发生外部短路时，两侧的测量阻抗也是短路阻抗，但一侧为反方向，至少有一侧的阻抗元件Ⅱ段不起动。两端测量阻抗的特征当线路内部短路时，输电线路两端的测量阻抗都79纵联保护的基本原理利用输电线两端电气量在正常运行、外部短路和内部短路时的特征差异可以构成不同原理的输电线路纵联保护：纵联电流差动保护方向比较式纵联保护电流相位比较式纵联保护距离纵联保护纵联保护的基本原理利用输电线两端电气量在正常运行、外部短路和80纵联电流差动保护利用输电线路两端电流波形和或电流相量和的特征可以构成纵联电流差动保护。发生内部短路时，正常运行和外部短路时，由于受CT误差、线路分布电容等因素的影响，实际上不为零，此时差动保护的动作判据实际上为：式中，Iset为门槛值纵联电流差动保护利用输电线路两端电流波形和或电流相量和的特征81方向比较式纵联保护

利用输电线路两端功率方向相同或相异的特征可以构成方向比较式纵联保护。两端保护各安装功率方向元件，当系统中发生故障时，两端功率方向元件判别流过本端的功率方向，闭锁式方向纵联保护：功率方向为负者发出闭锁信号，闭锁两端的保护；允许式方向纵联保护：功率方向为正者发出允许信号，允许两端保护跳闸。方向比较式纵联保护利用输电线路两端功率方向相同或相异的特征82电流相位比较式纵联保护利用两端电流相位的特征差异，比较两端电流的相位关系。两端保护各将本侧电流的正、负半波信息转换为表示电流相位并利于传送的信号，送往对端，同时接收对端送来的电流相位信号与本侧的相位信号比较。当输电线路发生内部短路时，两端电流相角差为0°，保护动作，跳开本端断路器。在正常运行或发生区外短路时两端电流相角差为180°，保护不动作。电流相位比较式纵联保护利用两端电流相位的特征差异，比较两端电83电流相位比较式纵联保护考虑电流电压互感器的误差以及输电线分布电容等的影响，当线路发生区外故障时两端电流相角差并不等于180°，而是在180°附近；考虑故障前两侧电势有一定相角差，在内部短路时两侧电流也不完全同相位。电流相位比较式纵联保护考虑电流电压互感器的误差以及输电线分布84距离纵联保护基本原理：与方向比较式纵联保护相似，只是用阻抗元件替代功率方向元件。优点：当故障发生在Ⅱ段范围内时相应的方向阻抗元件才起动，当故障发生在距离Ⅱ以外时相应的方向阻抗元件不起动，减少了方向元件的起动次数，提高了保护的可靠性；一般高压线路配备距离保护作为后备保护，距离保护的Ⅱ段作为方向元件，简化了纵联保护（主保护）的实现。不足：后备保护检修时主保护被迫停运。距离纵联保护基本原理：854.2输电线路纵联保护两侧信息的交换

输电线路纵联保护的工作需要两端信息，两端保护要通过通信设备和通信通道快速地进行信息传递。输电线路保护常用的通信方式分有：导引线通信电力线载波通信微波通信光纤通信4.2输电线路纵联保护两侧信息的交换输电线路纵联保护864.2.1导引线通信导引线通信：利用敷设在输电线路两端变电所之间的二次电缆传递被保护线路各侧信息的通信方式。导引线纵联保护以导引线为通道的纵联保护称为导引线纵联保护。采用电流差动原理，分为：环流式均压式4.2.1导引线通信导引线通信：87环流式线路两侧电流互感器的同极性端子经导引线连接起来。在模拟式保护中两端的保护继电器各有两个线圈，动作线圈跨接在两根导引线之间，流过两端的和电流起动作作用；制动线圈（也称平衡线圈）被串接在导引线的回路中，流过两端的差电流，起制动作用；当继电器的动作作用大于制动作用时，保护动作。在正常运行或外部故障时，被保护线路两侧电流互感器的同极性端子的输出电流大小相等而方向相反，动作线圈中没有电流流过，即处在电流平衡状态，此时导引线流过两端循环电流，故称环流式。。环流式线路两侧电流互感器的同极性端子经导引线连接起来。在模拟88均压式线路两端电流互感器的异极性端子经由导引线连接起来，继电器的动作线圈串接在导引线回路中，流过两端的差电流；制动线圈则被跨接在两根导引线之间，流过和电流。在正常运行或外部故障时，被保护线路两侧电流互感器极性相异的端子的输出电流大小相等且方向相同，故导引线及动作线圈中均没有电流通过，二次电流只能分别在各自的制动线圈及互感器二次绕组中流过，在两侧导引线线芯间之电压大小相等方向相反，即处在电压平衡状态，这种工作模式也称为电压平衡原理。均压式线路两端电流互感器的异极性端子经由导引线连接起来，继电89导引线纵差保护的特点导引线纵差保护的突出优点是：不受电力系统振荡的影响，不受非全相运行的影响、在单侧电源运行时仍能正确工作。简单可靠，维修工作量极少，投运率极高，技术成熟，服务年限长，动作速度快等优点。导引线纵差保护的使用也受如下因素的限制：保护装置的性能受导引线参数和使用长度影响，导引线愈长，分布电容愈大则保护装置的安全可靠性愈低；导引电缆造价高，随着使用长度增加，初投资剧增。导引线纵差保护的特点导引线纵差保护的突出优点是：904.2.2电力线载波通信高频保护（载波保护）：将线路两端的电流相位(或功率方向)信息转变为高频信号，经过高频耦合设备将高频信号加载到输电线路上，输电线路本身作为高频信号的通道将高频载波信号传输到对侧，对端再经过高频耦合设备将高频信号接收下来，以实现各端电流相位(或功率方向)的比较。电力线载波通道的构成：“相－相”式：使用两相线路，高频信号传输的衰减小“相－地”式：使用一相一地，比较经济4.2.2电力线载波通信高频保护（载波保护）：91“相－地”式载波通道如图所示，“相－地”式载波通道如图所示，92电力线载波通道的构成输电线路三相输电线路都可以用来传递高频信号，任意一相与大地间都可以组成“相－地”回路。阻波器为了使高频载波信号只在本线路中传输而不穿越到相邻线路上去，采用了电感线圈与可调电容组成的并联谐振回路，其阻抗与频率的关系如图所示。当其谐振频率为载波信号所选定的载波频率时，对载波电流呈现极高的阻抗（1000以上），从而使高频电流被阻挡在本线路以内。而对工频电流，阻波器仅呈现电感线圈的阻抗（约0.04Ω），工频电流畅通无阻。电力线载波通道的构成输电线路93电力线载波通道的构成耦合电容器其电容量极小，对工频信号呈现非常大的阻抗防止工频电压侵入高频收、发信机。连接滤波器它是一个可调电感的空芯变压器和一个接在副边的电容。连接滤波器与耦合电容器共同组成一个“四端口网络”带通滤波器，使所需频带的电流能够顺利通过。例如220kV架空输电线路的波阻抗约为400Ω，而高频电缆的波阻抗约为100Ω，为使高频信号在收、发信机与输电线路间传递时不发生反射，减少高频能量的附加衰耗，需要“四端口网络”使两侧的阻抗相匹配。同时空芯变压器的使用进一步使收、发信机与输电线路的高压部分相隔离，提高了安全性。电力线载波通道的构成耦合电容器94电力线载波通道的构成高频收、发信机高频传发信机由继电保护部分控制发出预定频率（可设定）的高频信号，通常都是在电力系统发生故障保护起动后发出信号，但也有采用长期发信故障起动后停信或改变信号的频率的工作方式。发信机发出的高频信号经载波信道传送到对端，被对端和本端的收信机所接受，两端的收信机既接收来自本侧的高频信号又接收来自对侧的高频信号，两个信号经比较判断后，作用于继电保护的输出部分接地刀闸当检修连接滤波器时，接通接地刀闸，使耦合电容器下端可靠接地电力线载波通道的构成高频收、发信机95电力线载波通道的特点电力线载波通信是电力系统的一种特殊的通信方式，它以电力线路为信息通道，通道传输的信号频率范围一般为50～400kHz,载频低于40kHz受工频干扰太大，同时信道中的连接设备的构成也比较困难；载频过高，将对中波广播等产生严重干扰，同时高频能量衰耗也将大大增加。电力线载波通信曾在一段时间内成为电力系统应用最广的通信手段。它具有以下优点：电力线载波通道的特点电力线载波通信是电力系统的一种特殊的通信96电力线载波通道的优点无中继通信距离长电力线载波通信距离可达几百公里，中间不需要信号的中继设备，一般的输电线路，只需要在线路两端配备载波机和高频信号耦合设备。经济、使用方便使用电力线载波通信的装置（继电保护、电力自动化设备等）与载波机之间的距离很近，都在同一变电站内，高频电缆短，由于不需要再架信道，整个投资省。工程施工比较简单输电线路建好后，装上阻波器、耦合电容器、结合滤波器，放好高频载波电缆，然后安装载波机，就可以进行调试。这些工作都在变电站内进行，基本上不需另外进行基建工程，能较快的建立起通信。在不少工期比较紧的输变电工程中，往往只有电力线载波通信才能和输变电工程同期建成，保证了输变电工程的如期投产电力线载波通道的优点无中继通信距离长97

由于输电线载波通道是直接通过高压输电线路传送高频载波电流的，因此高压输电线路上的干扰直接进入载波通道，高压输电线路的电晕、短路、开关操作等都会在不同程度上对载波保护造成干扰。由于高频载波的通信速率低，难于满足纵联电流差动保护实时性的要求，一般用来传递状态信号，用于构成方向比较式纵联和电流相位比较式纵联保护。输电线载波通信还被用于对系统运行状态监视的调度自动化信息的传递、电力系统内部的载波电话等。由于输电线载波通道是直接通过高压输电线路传送高频载波电流的98电力线载波通道的工作方式输电线路纵联保护载波通道按工作方式分为三类：正常无高频电流方式正常有高频电流方式移频方式我国常用正常无高频电流方式。电力线载波通道的工作方式输电线路纵联保护载波通道按工作方式分99正常无高频电流方式在电力系统正常工作条件下发信机不发信，沿通道不传送高频电流，只在电力系统发生故障期间发信，又称为故障起动发信的方式。为了确知高频通道是否完好，采用定期检查的方法，可分为两种：手动：值班员手动起动发信，并检查高频信号是否合格，通常是每班一次，该方式在我国电力系统中得到了广泛的采用自动：利用专门的时间元件按规定时间自动起动，检查通道，并向值班员发出信号。正常无高频电流方式在电力系统正常工作条件下发信机不发信，沿通100正常有高频电流方式在电力系统正常工作条件下发信机处于发信状态，沿高频通道传送高频电流，又称为长期发信方式。主要优点：使高频保护中的高频通道部分经常处于监视的状态，可靠性较高；无需收、发信起动元件，使装置稍为简化。缺点：因为经常处于发信状态，增加了对其它通信设备的干扰时间；因为经常处于收信状态，外界对高频信号干扰的时间长，要求自身有更高的抗干扰能力。正常有高频电流方式在电力系统正常工作条件下发信机处于发信状态101移频方式在电力系统正常工作条件下，发信机处在发信状态，向对端送出频率为f1的高频电流，这一高频电流可作为通道的连续检查或闭锁保护之用。在线路发生故障时，保护装置控制发信机停止发送频率为f1的高频电流，同时发出频率为f2的高频电流。这种方式能监视通道的工作情况，提高了通道工作的可靠性，并且抗干扰能力较强；它占用的频带宽，通道利用率低。移频方式在国外已得到了广泛的应用。移频方式在电力系统正常工作条件下，发信机处在发信状态，向对端102电力线载波信号的种类按照高频载波通道传送的信号在纵联保护中的作用，高频信号分为：闭锁信号允许信号跳闸信号电力线载波信号的种类按照高频载波通道传送的信号在纵联保护中的103闭锁信号阻止保护动作于跳闸的信号无闭锁信号是保护作用于跳闸的必要条件。只有同时满足以下两条件时保护才作用于跳闸：本端保护元件动作；无闭锁信号。闭锁信号阻止保护动作于跳闸的信号104允许信号允许保护动作于跳闸的信号。有允许信号是保护动作于跳闸的必要条件。同时满足以下两条件时，保护装置才动作于跳闸：本端保护元件动作；有允许信号。允许信号允许保护动作于跳闸的信号。105跳闸信号直接引起跳闸的信号收到跳闸信号是跳闸的充分条件。跳闸的条件是下列条件之一：本端保护元件动作对端传来跳闸信号。跳闸信号直接引起跳闸的信号1064.2.3微波通信从二十世纪五十年代开始，微波通信在电力系统中开始得到应用。电力系统使用的微波通信频率段一般在300～30000MHz之间，相比电力线载波的50～400kHz频段，频带要宽的多，信息传输容量要大的多。微波纵联保护使用的频段属于超短波的无线电波，电离层已不能起反射作用，只能在“视线”范围内传播，距离不超过40～60Km，如果两个变电站之间距离超出以上范围，就要装设微波中继站，以增强和传递微波信号。微波通道的建设往往是根据电力系统通信的总体需要统一安排的，微波纵联保护的信息传递只使用微波信道容量的一小部分。4.2.3微波通信从二十世纪五十年代开始，微波通信在电107微波纵联保护的构成微波纵联保护系统如图所示，包括输电线路两端的保护装置（虚框内）部分和微波通信部分。微波纵联保护的构成微波纵联保护系统如图所示，包括输电线路两端108微波纵联保护的优点与电力线高频载波保护相比，微波纵联保护有以下特点：有一条独立于输电线路的通信通道，输电线路上产生的干扰对通信系统没有影响，通道的检修不影响输电线路运行。扩展了通信频段，可以传递的信息容量增加、速率加快，可以实现纵联电流分相差动原理的保护。受外界干扰的影响小，工业、雷电等干扰的频谱基本上不在微波频段内，通信误码率低，可靠性高。输电线路的任何故障都不会使通道工作破坏，因此可以传送内部故障时的允许信号和跳闸信号。微波有在视线距离内传送的特点决定了在通信距离较远时，必须架设微波中继站，通道价格较贵。微波纵联保护的优点与电力线高频载波保护相比，微波纵联保护有以1094.2.4光纤通信

以光纤作为信号传递媒介的通信称为光纤通信。随着光纤技术的发展和光纤制作成本的降低，光纤信道正在成为电力通信网的主干网，光纤通信在电力系统通信中得到越来越多的应用，例如连接各高压变电站的电力调度自动化信息系统、两端变电站具有光纤信道的纵联保护、超短输电线路的纵联保护、配电自动化通信网等。4.2.4光纤通信以光纤作为信号传递媒介的通信称为光纤通110光纤通道的构成光发射器：把电信号转变成光信号，一般由电调制器和光调制器组成。光接收器：把光信号转变成电信号，一般由光探测器和电解调器组成。光纤通道的构成光发射器：111光纤通道的构成电调制器：把信息转换为适合信道传输的信号，多为数字信号。光调制器：把电调制信号转换为适合