现代电力系统继电保护原理与技术

电力系统

继电保护

原理与技术主要内容线路的继电保护原理与技术变压器的继电保护原理与技术母线的继电保护原理与技术继电保护的发展与展望主要内容线路的继电保护原理与技术变压器的继电保护原理与技术母线的继电保护原理与技术继电保护的发展与展望线路的继电保护

原理与技术线路的分类在电力系统中，线路包括高压、超高压及特高压的输电线路和中低压的配电线路，从继电保护的角度出发，主要分为以下三类：1.6～66kV的中低压配电线路；2.110kV的输配电线路；3.220kV及以上电压等级的高压输电线路。配电线路的继电保护这三种类型线路的继电保护在原理上和构成上有很大的差异：1.6～66kV的中低压配电线路一般为单电源、辐射状的小电流接地系统线路，故障形式只有三相故障和两相故障两种形式（ABC三相故障或AB、BC、CA两相故障）。保护一般为电流电压保护，特殊情况下为方向性电流电压保护、距离保护或纵联保护。主要问题是速断保护区短，线路大部分的故障需要经过延时切除。

配电线路的继电保护带来的危害：（1）设备烧毁的程度严重；（2）引发电压稳定性问题；（3）电压跌落持续时间长；（4）重合闸成功率低等。配电线路的继电保护解决问题的思路：（1）微机保护采用后，简单、经济、可靠不再是电流电压保护的独特优点；（2）配电系统全面推广应用距离保护；（技术上没有困难，不增加复杂程度，除应该考虑TV断线闭锁外，基本没有负面影响）（2）纵联保护原理应用于配电线路保护。（主要考虑用低成本的通信手段传输继电保护的信息，可用的手段包括：导引线、复用光纤、无线电台、移动通信、无线宽带技术等）110kV输配电线路的继电保护110kV的输配电线路一般为大电流接地系统的单电源辐射状网络，部分线路末端可能接有小的分散电源；故障的形式包括：三相故障、两相故障、两相接地故障、单相接地故障共有不同相别的十种故障类型；采用的保护一般为三段式相间距离保护、三段式接地距离保护、多段式（方向）零序电流保护；110kV输配电线路的继电保护末端带有分散电源时，或线路接于较为重要的母线时，可采用纵联保护。该电压等级线路的继电保护原理和技术都比较成熟，性能基本满足要求。主要问题成套保护后，只有原理上的后备保护，没有设备上的近后备保护。集成式后备保护的概念：全站共用一套后备保护220kV及以上上输电线路的继电电保护220kV及以上上电压等级的输电电线路一般按双侧侧具有电源考虑，，所接电网为大电电流接地系统，断断路器一般采用分分相操作，通常采采用综合重合闸方方式；故障的形式包括：：三相故障、两相相故障、两相接地地故障、单相接地地故障共有不同相相别的十种故障类类型，同时要考虑虑非全相运行的问问题、同杆并架双双回线的跨线故障障问题等；220kV及以上上输电线路的继电电保护220kV及以上上电压等级输电线线路在电力系统中中占据着十分重要要的地位，对其继继电保护有较高的的要求，微机保护护后，线路保护一一般均设计为成套套保护，即一套保保护完成所有的主主保护和原理上的的后备保护功能，，为了实现设备上上的后备，通常采采用双重化配置或或多重化配置。220kV及以上上输电线路的继电电保护每套保护的配置方方式一般为：（1）主保护：能能够全线速切的纵纵联差动或纵联比比较式保护、快速速跳闸的独立段保保护（如工频变化化量距离保护等））（2）后备保护：：三段式相间距离离保护、三段式接接地距离保护、多多段式（方向）零零序电流保护；（3）综合重合闸闸。本次讲课主要讨论论220kV及以以上电压等级的线线路保护。220kV及以上上输电线路的继电电保护主要包括以下的几几项内容：（1）输电线路的的距离保护；（2）输电线路的的纵联电流差动保保护；（3）输电线路的的纵联比较式保护护；（4）输电线路的的综合重合闸。?220kV及以上上输电线路的继电电保护（1）输电线路的的距离保护；（2）输电线路的的纵联电流差动保保护；（3）输电线路的的纵联比较式保护护；（4）输电线路的的综合重合闸。输电线路的距离保保护距离保护是通过反反映故障点到保护护安装处的距离而而动作的继电保护护装置，通常应用用于110kV及及以上电压等级的的输电线路，其原原理也可以应用于于35kV及以下下电压等级的配电电线路；构成距离保护的核核心就是测量故障障点到保护安装处处的距离，并与一一个事先整定的距距离相比较，测量量距离小于整定距距离时保护动作；；测量故障距离的方方法包括阻抗法、、行波法和雷达法法，其中应用最多多的是阻抗法，此此处重点介绍阻抗抗法。测量阻抗及其与故故障距离之间的关关系测量阻抗定义为保保护安装处测量电电压与测量电流之之比：测量阻抗及其与故故障距离之间的关关系在电力系统正常运运行时，近近似为额定电压压，为负负荷电流，为为负荷阻抗。。负荷阻抗的量值值较大，其阻抗角角为数值较小的功功率因数角（一般般功率因数为不低低于0.9，对应应的阻抗角不大于于25.80），阻抗性质以阻阻性为主，如下图图中的所所示。测量阻抗及其与故故障距离之间的关关系电力系统发生金属属性短路时，降降低，增增大，，变为短短路点与保护安装装处之间短路阻抗抗，，对于具有均匀分分布参数的输电线线路来说，与与短路距离成成线性正正比关系，即：测量阻抗及其与故故障距离之间的关关系短路阻抗的阻抗角角就等于输电线路路的阻抗角，数值值较大(对于220kV及以上电电压等级的线路，，阻抗角一般不低低于750)，阻抗性质以感感性为主。当短路路点分别位于图1中的k1、、k2和k3点时时，对应的短路阻阻抗分别如图2中中的、、和所所示。图2负荷阻抗与短路阻抗RjXZLZk2Zk1ZsetZk3KZk1Lsetk2Lk1Lk2G~k3Lk3G~QFQFMN测量阻抗及其与故故障距离之间的关关系依据测量阻抗在在上述述不同情况下的““差异”，保护就就能够“区分”出出系统是否出现故故障，在发现有故故障的情况下，可可以进一步地“区区分”出是区内故故障还是区外故障障。继电保护：依据““差异”，实现““区分”三相系统中测量电电压和测量电流的的选取上面的讨论是以单单相系统为基础的的。在这种单相系系统中，测量电压压就就是保护安装处的的电压，测量电流流就就是线路中的电流流，系统金属性短短路时两者之间的的关系为：（5）三相系统中测量电电压和测量电流的的选取该式是距离保护能能够用测量阻抗来来正确表示故障距距离的前提和基础础，即只有测量电电压、测量电流之之间满足该式时，，测量阻抗才能正正确地反应故障的的距离。在实际三相系统的的情况下，由于存存在多种不同的短短路类型，而在各各种不对称短路时时，各相的电压电电流都不再简单地地满足式（5），，所以无法直接用用各相的电压、电电流构成距离保护护的测量电压和电电流。三相系统中测量电电压和测量电流的的选取现以图3所示网络络中k点发生短路路故障时的情况为为例，对此问题进进行分析讨论。按按照对称分量法，，可以求出M母线线上各相的电压：：Lk(Z1,Z2,Z0)LkG~MKZG~Nk三相系统中测量电电压和测量电流的的选取（6a）（6b）（6c）三相系统中测量电电压和测量电流的的选取（6）式的成立与与故障类型无关，，即对任何类型的的故障都成立；对于不同类型和相相别的故障，故障障点的边界条件是是不同的，即（6）式中、、和和的的取值是不同的的，下面以单相接接地故障情况为例例进行讨论。三相系统中测量电电压和测量电流的的选取以A相单相接地短短路故障为例进行行分析。在A相金金属性接地短路的的情况下，，，式3-6a变变为：（7）（8）得到：三相系统中测量电电压和测量电流的的选取式(8)与与式(5)具有相同同的形式，，因而由、、算出的测量量阻抗能够够正确反应应故障的距距离，从而而可以实现现对故障区区段的比较较和判断。。三相系统中中测量电压压和测量电电流的选取取由于A相接接地时、、均均不不等于零，，式(6b)和(6c)无法法变成式(5)的形形式，即若若、、或、、，，则、、或、、之之间间都不满足足式(5)，所以两两非故障相相的测量电电压、电流流不能准确确地反应故故障的距离离。三相系统中中测量电压压和测量电电流的选取取在另一方面面，由于、、均均接接近正常电电压，而、、均均接接近正常负负荷电流，，B、C两两相的工作作状态与正正常负荷状状态相差不不大，所以以在A相故故障时，由由B、C两两相电压电电流算出的的测量阻抗抗都会比较较大，算出出的距离一一般都大于于整定距离离，由它们们构成的距距离保护一一般都不会会动作，但但在某些特特殊的情况况下（比如如保护安装装处零序电电流很大时时），也有有可能动作作。三相系统中中测量电压压和测量电电流的选取取同理可以分分析B相和和C相单相相接地故障障时的情况况，分析表表明，只有有故障相电电压与带零零序电流补补偿的故障障相电流之之间满足（（5）式，，能够正确确测量故障障距离，非非故障相测测出的阻抗抗接近负荷荷阻抗，一一般不会动动作。三相系统中中测量电压压和测量电电流的选取取其他类型（（两相接地地、两相短短路、三相相故障）的的故障的情情况也类似似，只有用用故障相的的电压和电电流（带零零序补偿））进行运算算时，才能能准确地算算出故障距距离，计算算量中含有有非故障相相电压、电电流时，算算出的测量量阻抗不能能准确地反反映故障距距离，并且且一般情况况下都大于于实际的故故障距离，，所以不会会动作。故障环的概概念故障电流可可能流通的的通路称为为故障环。。在单相接地地故障的情情况下，存存在一个故故障相与大大地之间的的故障环（（相—地故故障环）；；两相接地故故障的情况况下，存在在两个故障障相与大地地之间的相相—地故障障环和一个个两故障相相之间的故故障环（相相—相故障障环）；两相不接地地故障的情情况下，存存在一个两两故障相之之间的相——相故障环环；三相故障的的情况下，，存在三个个相—地故故障环和三三个相—相相故障环。。故障环的概概念分析表明，，距离保护护的测量电电压、电流流取为故障障环上的电电压、电流流时，计算算出的测量量阻抗能够够正确的反反映故障距距离，非故故障环上的的电压、电电流之间算算出的测量量阻抗不能能准确地反反映故障距距离，一般般情况下大大于故障距距离，不会会动作。所所以距离保保护的动作作行为应以以故障环上上电压、电电流计算的的结果为准准，非故障障环上电压压、电流计计算的结果果不予考虑虑。故障环的概概念在传统的距距离保护中中，故障环环的选取是是靠冗余接接线来实现现的，即距距离保护的的每一段都都有三个相相间阻抗继继电器和三三个接地阻阻抗继电器器组成，三三段式保护护中需要18个独立立的阻抗继继电器。对对于任何一一种类型和和相别的故故障，每一一段的6个个继电器中中，至少有有一个是在在故障环上上，它能够够正确测量量故障距离离，其他不不在故障环环上的继电电器不能正正确测量，，但一般不不动作。不能正确测测量有两个个方面的含含义，一方方面是把测测量阻抗测测大，反映映出故障距距离变远，，即不动作作；另一方方面是把测测量阻抗测测小，反映映出故障距距离变近，，可能导致致在区外故故障情况下下误动作。。此处，非非故障环上上的电压、、电流算出出的阻抗一一般是第一一种情况，，通常不会会动作故障环的概概念微机保护中中，距离保保护的硬件件接线只有有一套，故故障环的选选取是由软软件实现的的，分两种种情况：第一种情况况是发生故故障后先进进行选相，，找出故障障类型和故故障相别后后，仅用故故障相（即即故障环上上）的电压压、电流进进行计算，，非故障相相环上的电电压、电流流根本不参参与运算；；（先选相相，再计算算）第二种情况况是针对每每一个故障障，用故障障环和非故故障环上的的电压、电电流都进行行计算，但但仅以故障障环上电压压、电流计计算的结果果作为判断断故障距离离的依据。。（先计算算，后用选选相的结果果进行复核核）早期的微机机保护普遍遍采用第一一种方式，，新型微机机保护倾向向于采用第第二种。直接计算与与间接判断断距离保护护的核心心，就是是对故障障距离进进行测量量，并与与整定的的距离相相比较，，以判断断是否有有故障，，在有故故障的情情况下，，判断出出故障的的范围。。在应用测测量阻抗抗法判断断故障距距离时，，又有两两种有两两种不同同的方式式，即直直接计算算方式和和间接判判断方式式。直接计算算方式是是利用采采集到的的故障环环上的电电压和电电流，代代入测量量阻抗的的计算式式，直接接计算出出测量阻阻抗，然然后将其其与整定定阻抗相相比较，，判断是是否有区区内故障障；间接判断断方式不不需要确确切地算算出测量量阻抗，，只是通通过对测测量电压压和测量量电流的的计算分分析，间间接地判判断测量量阻抗是是否在保保护的范范围之内内。在理想情情况下，，在金属属性短路路的时候候，测量量阻抗是是与整定定阻抗同同方向的的，在这这种情况况下，算算出测量量阻抗后后直接与与整定阻阻抗比较较大小，，就能够够判断出出故障的的范围。。实际情况况下，由由于各种种误差因因素的存存在，以以及过渡渡电阻的的影响，，测量阻阻抗可能能与整定定阻抗之之间有一一定的角角度，这这时用直直接比较较大小的的方法就就不行了了。为了保证证区内故故障的情情况下保保护可靠靠动作，，区外故故障时可可靠不动动作，一一般将阻阻抗继电电器的动动作范围围设定为为一个包包括整定定阻抗对对应的线线段在内内，但在在整定阻阻抗方向向上不超超出整定定阻抗的的一个区区域，最最常用的的区域有有圆形区区域和四四边形区区域。测量阻抗抗与整定定阻抗的的比较圆形区域又包包括方向特性性圆、全阻抗抗圆、偏移特特性圆和上抛抛特性圆等几几种，如下图图。测量阻抗与整整定阻抗的比比较|Zset/2|Zset/2ZsetRjXo图3-7方向阻抗特性圆Zm图3-5偏移阻抗特性圆Zset2Zset1RjXoZmZsetRjXo图3-8全阻抗特性圆图3-9上抛阻抗特性圆（Zset1＋Zset2）/2Zset2Zset1RjXoZm|Zset1－Zset2|/2每一种特性都都有两种不同同的实现办法法，即绝对值值比较法和相相位比较法，，以方向圆特特性为例，绝绝对值比较方方程和相位比比较方程分别别为：测量阻抗与整整定阻抗的比比较|Zset/2|Zset/2ZsetRjXoZmZset/2ZsetRjXoZm测量阻抗与整整定阻抗的比比较测量阻抗已经经用前述的算算法算出，整整定阻抗为事事先设定好的的常量，将两两者直接代入入到绝对值比比较或相位比比较的方程中中，判断方程程是否满足，，就可以知道道测量阻抗是是否落入到动动作区域之内内。在园特性的数数字式保护中中，一般采用用相位比较的的方法进行判判断。令：则上述的相位位比较方程变变为测量阻抗与整整定阻抗的比比较上述的方程又又可以表示为为即：应用两角差的的余弦公式，，将其展开测量阻抗与整整定阻抗的比比较上式两端同乘乘以，，可可以得到即满足该式，就就说明测量阻阻抗落在动作作区内，否则则落在动作区区外。该式是由余弦弦形式导出的的，称为余弦弦比相。测量阻抗与整整定阻抗的比比较下面以四方保保护采用的四四边形特性为为例讨论在四四边形特性的的情况下如何何实现测量阻阻抗与整定阻阻抗的比较。。XsetoRsetRjXα1Zmα2α3α4测量阻抗与整整定阻抗的比比较设测量阻抗的的实部为，，虚虚部为，则上图在第IV象限部分分的特性可以以表示为：第IV象限部部分的特性可可以表示为：：测量阻抗与整整定阻抗的比比较而在第I象限限部分的特性性可以表示为为：上述三式综合合，得到：测量阻抗与整整定阻抗的比比较式中：测量阻抗与整整定阻抗的比比较若取：则测量阻抗与整整定阻抗的比比较则上述比较式式变为：该式可以方便便地在微处理理机中实现。。间接判断法实实现距离保护护比较工作电压压（补偿电压压）相位法原原理以南瑞公司正正序极化原理理，说明间接接判断法：定义工作电压压（补偿电压压）如下：不同地点短路路时，工作电电压的相位关关系如下图所所示。k1zk2KZNG~G~k3M（a）（b）（c）（d）a）网络接线；；(b)区外（k2点）短路时电电压分布；(c)反向（k3点）短路时电电压分布；(d)正向（k1点）短路时电电压分布比较工作电压压（补偿电压压）相位法原原理结论：区内故障时，，与与相相位相相反；而在正向区外及及反向故障时，，与与相相位相相同。通过比较两者之之间的相位，无无须算出具体的的测量阻抗，就就可以判断故障障的区域。比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理以作作为参考相量量，根据不同故故障情况下相相对相相位的“差异””，就可以“区区分”出故障的的区段，即与与反反相位时判断为为区内故障，与与同同相位时，判判断为区外故障障。考虑到实际测量量与理论分析存存在误差，实际际构成保护时，，一般并不是直直接判断同相位位还是反相位，，而是取一定的的范围。即动作作的条件可以表表示为：比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理若取，，则动作作的条件变为：：分子分母同除以以，，得得到比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理该式与方向阻抗抗继电器的相位位比较方程完全全一致，表明在在取的的情况下，用用工作电压与测测量电压进行相相位比较，就可可以实现与方向向阻抗继电器完完全一样的特性性。比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理方向阻抗特性的的优点是阻抗元元件本身具有方方向性，只在正正向区内故障时时动作，反方向向短路时不会动动作，即无须与与方向元件配合合，阻抗元件本本身就能区分故故障的方向。其其主要缺点是动动作特性经过座座标原点，在正正向出口或反向向出口短路时，，测量阻抗的的阻抗抗值都很小，都都会落在座标原原点附近，正好好处于阻抗元件件临界动作的的的边沿上，有可可能出现正向出出口短路时拒动动或反向出口短短路时误动的严严重情况。对上述电压比较较式分析，也可可以得出类似的的结论，出口短短路时，测量电电压的幅值接近近于0，其相位位可能因误差等等因素而为随机机相位，所以测测量元件可能处处于随机动作状状态。比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理由上述的分析可可知，在上述比比较式中，电压压的的作用就是是作为判断相相位的参考，所所以又称为参考考电压或极化电电压。上述分析表明，，直接用作为比比相的参考电压压时，无法保证证出口短路时的的选择性，因而而也就不能应用用于实际的继电电保护装置中。。为克服这一缺点点，保证出口短短路时正确动作作，应选择相位位不随故障位置置变化、在出口口短路时不为0的电压量作为为比相的参考电电压。比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理考虑到除了出口口三相对称性短短路外，母线正正序电压的量值值都不会为0，，且其相位不会会随着短路位置置的变化而变化化，所以可以选选择正序电压作作为比相的参考考，即以正序电电压作为参考电电压或极化电压压。分析表明，当取取正序电压为故故障环上的正序序电压时，它的的相位与故障环环上的测量电压压完全一致，所所以在上述比较较方程中用正序序电压代替测量量电压时，动作作条件不变。比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理以正序电压为参参考的情况下，，动作的方程变变为：或比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理进一步分析表明明，采用正序电电压作为参考电电压后，在正向向故障的情况下下，以阻抗形式式表示的动作方方程为对应的动作特性性如图所示，它它是一个包括坐坐标原点的偏移移圆，正向出口口短路时，能够够可靠动作。Zset-Zm－ZM1ZsetRjXo图3-21正序电压极化的测量元件在正向故障时的动作特性ZmZm＋ZM1比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理在反向故障的情情况下，以阻抗抗形式表示的动动作方程为对应的动作特性性如图所示，它它是一个不包括括坐标原点的上上抛圆，反向出出口短路时，测测量阻抗在原点点附近，可靠不不动作，反向远远处短路时，测测量阻抗在动作作区相反的方向向，也可靠不动动作。ZsetRjXo图3-22正序电压极化的测量元件在反向故障时的动作特性－Zm比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理可见，应用正序序电压作为极化化电压，继电器器具有明确的方方向性，能保证证正向出口短路路可靠动作，反反向出口短路可可靠不动。此外，用正序电电压作为极化电电压后，继电器器在正向故障时时的特性变成一一个直径较大的的偏移圆，耐受受过渡电阻的能能力明前增强。。正序电压极化的的缺点是不能保保证出口三相短短路时的方向性性，必须采取专专门的措施。在南瑞保护中，，措施为，当正正序电压幅值小小于额定电压的的15％时，投投入低压距离元元件。比较工作电压（（补偿电压）相相位法原理低压距离元件是是以记忆电压为为极化电压来实实现故障判断的的，分析表明，，它与正序极化化的继电器具有有类似的特性，，也有明确的方方向性。应用记忆电压的的缺点是它仅在在短路初瞬有效效，因而不能用用在II段或III段中。基于工频故障分分量

的距离保保护故障分量的基本本概念故障分量又称为为故障附加分量量或故障叠加分分量，是指仅在在系统发生故障障时出现，而在在系统正常运行行及不正常运行行时不存在的电电气分量，即它它随着故障的出出现而出现，随随着故障的消失失而消失。所以以，故障分量的的存在，是电力力系统处于故障障状态的表征。。应用故障分量构构成继电保护动动作判据时，只只需要寻找区内内故障与区外故故障的“差异””，而不必考虑虑正常及不正常常情况，因而，，保护具有较高高的灵敏度，一一般也具有较快快的动作时间和和较好的选择性性，不必采用振振荡闭锁等防止止振荡时保护误误动的措施。故障分量的特点点非故障状态下不不存在故障分量量，故障分量仅仅在故障状态下下出现；故障分量独立于于非故障状态，，受电网运行方方式的影响不大大（有一定的影影响，但比传统统保护小）；故障点的电压故故障分量最大，，系统中性点处处故障分量电压压为零；保护安装处故障障分量电压电流流之间的关系，，取决于背后系系统的阻抗，与与故障点的远近近及过渡电阻的的大小没有关系系（但故障分量量值的大小受过过渡电阻及故障障点远近的影响响）。故障分量的分析析方法－－叠加加原理短路状态故障前负荷状态态故障叠加状态故障分量的组成成故障分量的利用用上述这些分量都都可以用来构成成继电保护：：即故障分量中中的工频分量，，可以用来构成成，工频变化量量方向保护、工工频变化量距离离保护、工频变变化量差动保护护、零序保护、、负序保护等；；：即全部的故障障分量，可以用用来构成电流突突变量起动元件件、电流突变量量选相元件、方方向行波元件、、行波距离（测测距）保护等；；：暂态分量中的的高频部分，用用来构成反映单单端电气量的暂暂态保护。故障分量的提取取与识别方法来自电压互感器器TV和电流互互感器TA的电电压电流都是故故障后的全电压压和全电流，构构成反映故障分分量的继电保护护时，应设法将将故障分量从全电压和全电电流中提取出来来。在微机保护护中，故障分量量的提取方法为为（电流）：故障分量的提取取与识别方法通常情况下，取取n＝1、2或或4：n＝1：n＝2：n＝4：这样可以计算出出故障分量的采采样序列，利用用微机保护中的的各种算法可以以求出其幅值、、相位等特征量量。故障分量的提取取与识别方法以n＝2为例，，波形如下：工频变化量距离离保护工频故障分量距距离保护又称为为工频变化量距距离保护，是一一种通过反应工工频故障分量电电压电流而工作作的距离保护。。在上述的图(c)中，保护护安装处的工频频故障分量电流流、电压可以分分别表示为：工频变化量距离离保护取工频故障分量量距离元件的工工作电压为保护区内、外不不同地点发生金金属性短路时电电压故障分量的的分布情况如下下图所示。工频变化量距离离保护k1zZsetk2k3(a)(b)(c)(d)工频变化量距离离保护在保护区内k1点短路时，在保护区外k2点短路时，在保护区反向k3点短路时，工频变化量距离离保护因为所以动作的判据据为满足该条件，说说明为区内故障障，否则为区外外故障工频变化量距离离保护RjX-ZsZkZsetZs+ZmZmCRgoRjX220kV及以以上输电线路的的继电保护（1）输电线路路的距离保护；；（2）输电线路的的纵联电流差动保保护；（3）输电线路的的纵联比较式保护护；（4）输电线路的的综合重合闸。纵联电流差动保护护基于基尔霍夫电流流定律的纵联电流流差动保护，是到到目前为止最为完完善的继电保护原原理，在发电机、、变压器、母线、、电抗器、大容量量电动机和输配电电线路等电气设备备中都得到了应用用。其基本工作原原理如下：纵联电流差动保护护的基本原理被保护设备****I-I纵联电流差动保护护示意图TA1TA2KD被保护设备：发电机变压器电动机母线线路电抗器等纵联电流差动保护护－－分析即流入到差动继电电器KD中的电流流为0，继电器不不会动作。正常及外部故障时时，纵联电流差动保护护－－分析被保护设备发生故故障时（区内故障障时），流入KD的电流为为故障电流的二次次值，KD动作。。即区内故障时，流流入KD的就等于于故障点的故障电电流，所以从这一一点上说，差动保保护是一种反映故故障分量的保护；；纵联电流差动保护护－－问题可见，在理想情况况下，根据KD中中是否有电流，就就能够区分出是否否有内部故障，是是否应将被保护设设备从系统中切除除。在实际情况下，由由于电流互感器误误差等因素的存在在，在正常运行及及外部故障时也会会有一定量的不平平衡电流流入差动动继电器KD，特特别是在外部故障障电流互感器饱和和的情况下，误差差将会大大增加，，会有比较大的不不平衡电流流入KD。为防止差动动保护误动，KD的动作电流必须须按躲过外部故障障的最大不平衡电电流来整定。纵联电流差动保护护－－问题带来的问题是动作作值过大，内部故故障的灵敏度降低低。采用带制动特性的的差动保护，是解解决可靠性与灵敏敏性之间矛盾的有有效措施。即：电流差动保护－－－比率制动特性单斜率差动保护动动作特性IrestraintIzIoperate动作区制动区IsdSlope1Slope2Ir1Ir2双斜率差动保护动动作特性123、Iunbmax电流差动保护－－－判据在图示参考方向下下动作量：通常情况下，制动动量选为：动作表达式：K－制动系数，0＜Ｋ＜１～～MNiminD电流差动保护－－－故障分量的判据据动作量：制动量：动作方程：故障分量电流差动动保护的分析动作量：制动量：即动作量与全电流流差动保护完全一一样。故障分量电流差动动保护－－内部故故障内部故障时：所以只要满足动作条件，且且有较高的灵敏度度。kZNZM故障分量电流差动动保护－－外部故故障外部故障时：所以只要不满足动作条件，，且有较大的裕度度。故障分量电流差动动保护－－动作特特性0.1～0.152Kres=0.8~1.0内部故障区外部故障区域纵联电流差动保护护－－分析被保护设备为发电电机、变压器和母母线时，其各侧的的电流互感器均在在同一个厂站内，，这时可由两种方方式实现上述的电电流差动:一种方式是直接将将设备各侧的电流流接入到同一个装装置中，由该装置置按照差动保护的的公式进行分析比比较，判断故障的的区间；另一种方式是每个个电流互感器的输输出都接到一个采采集装置中，然后后通过通信网络将将各个采集装置联联系在一起，实现现差动算法。纵联电流差动保护护－－分析发电机、变压器一一般采用第一种方方式，母线既可以以采用第一种方式式，也可以采用第第二种方式，第二二种方式实现的差差动保护成为分布布式母线保护。而当被保护设备为为输电线路时，由由于两端相距甚远远，需要在每一侧侧都装设采集装置置，然后利用通信信线路来交换两端端的电流信息。纵联电流流差动保保护－－－通信可用的通通信手段段：（1）导导引线（2）载载波（3）微微波（4）光光纤光纤通道道具有传传输速率率高、抗抗干扰性性能好、、安全可可靠性高高、能保保持长期期不间断断地传输输信号的的特点,已成为为纵联保保护信号号传输通通道的首首选方式式。光纤纵联联保护的的信号传传输方式式和技术术特点光纤纵联联保护的的同步数数据通信信信号传传输方式式有两大大类:专用光纤纤方式(图1)PCM复复用方式式(图2)。。光纤纵联联保护的的信号传传输方式式和技术术特点专用光纤纤方式利用专用用光纤传传送保护护信息时时,将64kbitPs或或更高高速率(n×64kbitPs)的的保护信信号直接接调制在在发光二二极管(LED)或或半导体体激光器器(LD)的的输出回回路中,并发送送至对端端。数据据接收端端直接将将光信号号解调成成64kbitPs保护信信号,如如图1(a)所示示。光纤纵联保护护的信号传输输方式和技术术特点由于采用专用用光纤通道,64kbits数数据接口装置置的时钟同步步方式为:两两侧的继电保保护通信接口口装置均发送送工作时钟,数据发送采采用本机内时时钟,接收时时钟从接收数数据码流中提提取,称为内内时钟(主-主)方方式,如图1(b)所所示。光纤纵联保护护的信号传输输方式和技术术特点PCM复用方式利用光纤通信信PCM复用用方式传送保保护信息时,数据信号在在PCM的64kbitPs同同步数据接口口实现复接,占用2MbitPs接口传送送,如图2(a)所所示。光纤纵联保保护的信号号传输方式式和技术特特点两类光纤保保护远传信信号传输方方式的技术术特点采用专用光光纤方式时时,保护远远传信号的的传输通道道直接由2芯光纤纤和保护装装置光接口口组成,通通道时延小小于1ms。其可可靠性依赖赖于站点间间直通光缆缆,当光缆缆断缆时保保护远传信信号全部中中断,无替替代传输路路由。光纤纵联保保护的信号号传输方式式和技术特特点PCM复用用方式下,保护远传传信号通过过SDH光光纤通信信网络传送送,不占用用光纤芯数数,故不依依赖两站点点间的直通通光缆路由由,而且工工程设计时时一般单独独配置一套套保护专用用PCM装装置,可以以复接多路路保护远传传信号,容容量大。在在点对点传传输时,通通道时延小小于1ms;当当AB两两站间经过过的光纤站站点较多时时,按1个个接点延延时1ms考虑虑,只要站站点控制在在8个以以内,通道道总时延仍仍能控制在在15ms以内内。SDH光纤通信信网络具有有传输容量量大、抗干干扰、传输输可靠性高高等特点,并且具有有自愈切换换保护功能能。光纤纵联保保护的信号号传输方式式和技术特特点保护远传信信号复用在在PCM设设备2MbitPs接接口经SDH环网网传输时,当某一方方向光纤通通信电路故故障时,可可以经由SDH自愈愈环保证信信息连续传传送至对侧侧。但当相相应站点SDH光光端机或保保护专用PCM装置置故障时,保护远传传信号随之之中断。此此外,当保保护远传信信号经光纤纤支线电路路传输时,则不具备备SDH光光纤电路自自愈切换保保护功能。。纵联电流差差动保护－－－同步问问题电流差动保保护有两种种主要的实实现形式，，一种是工工频量（包包括工频全全电流和工工频故障分分量）构成成差动电流流和制动电电流，称为为相量差动动；另一种种是直接利利用瞬时采采样值构成成差动电流流和制动电电流，称为为瞬时值差差动。相量差动通通常利用傅傅氏算法等等计算出差差动和制动动电流相量量，然后代代入公式比比较，该方方法性能稳稳定，但因因需要较长长的时间窗窗，动作速速度较慢；；瞬时值差差动时间窗窗很短，动动作速度快快，但受个个别不良数数据的影响响较大，需需要连续几几个点（或或多数点））动作一致致时，才能能作为最后后的判断结结果。无论相量差差动还是瞬瞬时值差动动，都要求求对各侧的的电流同时时采样，否否则将无法法得到正确确的结果。。纵联电流差差动保护－－－同步问问题在各侧的电电流都接入入到同一个个装置的情情况下（上上述的第一一种方式）），同步采采样可以利利用采样/保持器来来实现；在在分布式母母线保护和和输电线路路保护的情情况下，各各电流的采采集是在不不同的装置置中完成的的，特别是是线路保护护的情况，，电流的采采集是由安安装在相距距甚远的两两地的装置置分别采集集的，必须须采取特殊殊的同步措措施。分析析表明，如如果要求同同步角误差差不大于0.1°，要求时间误误差不大于5µµs。纵联电流差动保保护－－同步问问题目前采用的同步步方式主要有两两种，一种是利利用GPS同步步，另一种是精精确计及通信通通道延时，由一一侧向另一侧发发送同步时钟信信号。GPS精精度较高高（时间误差差不大于于1µs），且且接受也也比较简简单，但但因受制制于国外外，安全全性差，，不能作作为独立立的同步步时钟源源；第二种同同步方法法实现比比较复杂杂，且精精度较差差，但因因安全性性好，仍仍可以应应用。一一般考虑虑采用两两种方式式配合完完成时间间同步，，一般情情况下用用GPS，GPS失效效时改用用其他同同步方法法。应用GPS实现现同步问问题GPSdeterminesauser’’spositionin3-DspaceGPSalsodeterminesauser’spositionintimeGPS接接收器in-viewof4satellitesprinciple=timedifferenceofarrivalofsignalsfromsatellitesunknowns-receivers3Dlocationanduniversaltimesince4satellites,4equationsavailablehence:-solvefor4unknownsreceiversclocklockedtoGPSuniversaltimeGPSSyncDifferentialrelayCommsGPSSyncDifferentialrelayCommsBreakersBreakersGPSreceiverGPSreceiverI1I2I1'I2'I1'I2'InternalfaultExternalfaultI2I1If=-GPSCTsCTsLossofGPSSignalunsynchronisedphasors40phaseshift25phaseshift10phaseshift采样时刻调整法TStdtdts1tr1tmtm1ts2tr2tm2Δttr3tttm3ts3ts4tm4td采样时刻调整法从站主站纵联电流差动保护护－－同步问题ΔtTs：采样间隔；；tmj：主站采样点tsi：从站采样点td：通道延时td=0.5×(tr2-tm1-tm)△t：主、从站采采样时刻间的误差差△t＝ts3-tm3=ts3-(tr3-td)为使两站同步采样样，从站下次采样样时刻应调整为：：ts4=(ts3+Ts)-△t纵联电流差动保护护－－同步问题采样数据修正法tttmtd1td2A端B端tA1tA2tA3tA4tA5tAtA6tB1tB2tBtB3tB4tB5tB3’纵联电流差差动保护－－－同步问问题A端计算的的通道延时时：td=td1=td2=0.5(tA-tA1-tm)tB3’=(tA-td)与tA4时刻对应的的B端电流流向量：同理可计算算出tA3时刻对应的的B端电电流向量纵联电流差差动保护－－－同步问问题220kV及以上输输电线路的的继电保护护（1）输电电线路的距距离保护；；（2）输电电线路的纵纵联电流差差动保护；；（3）输电电线路的纵纵联比较式式保护；（4）输电电线路的综综合重合闸闸。纵联（方向向）比较式式保护构成纵联（方向向）比较式式保护在被被保护设备备的每一端端都装设一一个反映故故障方向的的测量元件件。被保护设备纵联比较式保护示意图被保护设备备：发电机变压器电动机母线线路电抗器等纵联（方向向）比较式式保护方向性测量量元件是构构成纵联分分析比较式式保护的核核心，常用用的方向元元件包括：：（1）故障障分量方向向元件；（2）负序序功率方向向元件；（3）零序序功率方向向元件；（4）方向向阻抗元件件；（5）相电电压补偿式式的功率方方向元件等等；（6）在单侧电电源的情况下，，按躲最大负荷荷电流整定的过过电流元件，也也能反映故障方方向。工频变化量方向向保护－－判据据正方向元件的测测量相角表达式式：反方向元件的测测量相角表达式式：其中：下表12表示该该电气量为正、、负序综合分量量，无零序分量量Zd为模拟阻抗Zcom为补偿阻抗。如如果系统线路阻阻抗比Zs/ZL>0.5时，Zcom＝0，否则取Zcom为ΔZ整定阻抗的的一半工频变化量方向向保护－－分析析～XLΔE＝0RgFΔIΔUΔEF正向短路工频变化量方向向保护－－分析析假设Zs为电源源正序阻抗，系系统的正序阻抗抗等于负序阻抗抗。将工频变化化量电压电流分分解为对称分量量，有：设系统阻抗角与与Zd阻抗角一一致时，有：工频变化量方向向保护－－分析析反向短路RgFΔEF～ΔIΔUΔE＝0ZLZSZS’工频变化量方向向保护－－分析析Zs’为线路至至对侧系统的正正序阻抗，将电电流电压分解为为对成分量：纵联（方向）比比较式保护当每一端的测量量元件都指示为为正向故障时，，表明故障为““区内故障”；；任何一端的测量量元件指示为反反向故障时，表表明故障为“区区外故障”。实现方法：闭锁式和允许式式两种比较方法法。纵联方向比较保保护－－闭锁式式闭锁式纵联方向向保护的工作方方式是当任一侧侧方向元件判断断为反方向时，，不仅本侧保护护不跳闸，而且且由发信机向对对侧发出闭锁信信号，对侧保护护接收到闭锁信信号后，闭锁该该侧保护。在外外部故障时是近近故障侧的方向向元件判断为反反方向故障，所所以是近故障侧侧闭锁远故障侧侧；在内部故障障时两侧方向元元件都判为正方方向，都不发送送闭锁信号，两两侧收信机接收收不到闭锁信号号，也就不会去去闭锁保护，于于是两侧方向元元件均作用于跳跳闸。纵联方向比较保保护－－闭锁式式ABCD12F3456I1W－&收信跳闸I2W+&&发信(闭锁)纵联方向比较保保护－－闭锁式式工作过程:当外外部故障时，如如图所示保护1和2的情况，，在A端的保护护1功率方向为为正，在B端的的保护2功率方方向为负。此时时，两侧的起动动元件1均动作作起动发信机发发信。发信机发发出的闭锁信号号一方面为自己己的收信机所接接收，一方面经经过高频通道，，被对端的收信信机接收。当收收到信号后，保保护被闭锁。此此外，起动元件件2也同时动作作闭合其触点，，准备了跳闸回回路。在短路功功率方向为正的的一端(保护1)，其方向元元件动作，停止止发信。在方向向为负的一端(保护2)，方方向元件不起动动。因此，发信信机继续发送闭闭锁信号。纵联方向比较保保护－－闭锁式式在这种情况下，，保护1和保护护2均不能动作作，保护就一直直被闭锁。待外外部故障切除，，起动元件返回回以后，保护即即复归原状。当两端供电的线线路内部故障时时，两端的起动动元件1和2均均动作，其作用用同上。之后两两端的方向元件件动作，即停止止了发信机的工工作，保护能立立即动作分别使使两端的断路器器跳闸。纵联方向比较保保护－－闭锁式式需要两套起动元元件。由以上分分析可以看出，，在外部故障时时，距故障点较较远一端的保护护所感觉到的情情况，和内部故故障时完全一样样，此时主要是是利用靠近故障障点一端的保护护发出高频闭锁锁信号，来防止止远端保护的误误动作。因此，，在外部故障时时保护正确动作作的必要条件是是靠近故障点一一端的高频发信信机必须起动，，而如果两端起起动元件的灵敏敏度不相配合时时，就可能发生生误动作。因而而保护需要两个个起动元件1和和2，其灵敏度度选择的不同，，灵敏度较高的的起动元件1只只用来起动高频频发信机以发出出闭锁信号，而而灵敏度较低的的起动元件2则则准备好跳闸的的回路。任何一一端发出闭锁信信号的元件的灵灵敏度都应保证证高于对端保护护动作跳闸元件件的灵敏度，也也就是说必须保保证两端保护灵灵敏度的配合，，否则可能误动动。纵联方向比较保保护－－闭锁式式单电源线路内部部故障。当只从从一端供电的线线路内部故障时时，在受电端的的半套保护不起起动，也不发送送高频闭锁信号号，而在电源端端的保护动作情情况则和上述分分析相同，此时时能够立即动作作使电源端的断断路器跳闸。单电源线路外部部故障。与双电电源情况类似，，近故障端测量量元件反映为反反向故障，不会会误动。纵联方向比较保保护－－闭锁式式通道破坏。由由于闭锁式纵纵联方向保护护的工作原理理是利用非故故障线路的一一端发出闭锁锁该线路两端端保护的高频频信号，而对对于故障线路路两端则不需需要发出高频频信号，这样样就可以保证证在内部故障障并伴随有通通道的破坏时时(例如通道道所在的一相相接地或是断断线)，保护护装置仍然能能够正确地动动作，这是它它的主要优点点，也是这种种高频信号工工作方式得到到广泛应用的的主要原因之之一。纵联方向比较较保护－－闭闭锁式系统振荡。对对接于相电流流和相电压(或线电压)上的方向元元件，当系统统发生振荡且且振荡中心位位于保护范围围以内时，由由于两端的功功率方向均为为正，保护将将要误动，这这是一个严重重的缺点。而而对于反应故故障分量或负负序、零序的的方向元件，，则不受振荡荡的影响。纵联方向比较较保护－－闭闭锁式动作速度。根根据继电保护护动作的要求求，闭锁信号号只有在外部部故障时才传传送。所以为为了保证保护护在外部故障障时不误动，，必须等到确确定已无闭锁锁信号，才能能送出跳闸脉脉冲。因此必必须延缓跳闸闸时间以保证证时间配合，，这样就使高高频保护的动动作时间增长长，降低了保保护的动作速速度，这也是是这种保护的的主要缺点。。总之，闭锁式式纵联保护的的主要优点是是动作可靠性性高，缺点是是需要两端元元件的动作时时间和灵敏度度配合，故较较复杂和动作作速度慢。纵联方向比较较保护－－闭闭锁式由于闭锁式纵纵联方向保护护采用短时发发信方式，故故高频发信机机需用起动元元件。常用的的起动元件有有故障分量电电流起动元件件、序分量电电流元件、反反方向的功率率方向元件等等。此外通常常还采用远方方起动方式，，保证只要一一侧的起动元元件动作，两两侧的发讯机机都会发信。。对起动元件的要求求：应保证线路正正常运行与系统振振荡时起动元件不不动作，而在发生生其他所有故障时时均能够灵敏地动动作。纵联方向比较保护护－－闭锁式ABCD12F3456I1W－&收信跳闸I2W+&&发信(闭锁)t1纵联方向比较保护护－－允许式允许式纵联方向保保护利用通道传送送允许信号，收到到允许信号是保护护作用于跳闸的必必要条件。在外部部故障时近故障方方向元件判断为反反方向，不仅本侧侧保护不跳闸，也也不向对侧发送允允许信号，对侧收收信机接收不到允允许信号，就不允允许其侧保护跳闸闸；在内部故障时时两侧方向元件均均判断为正方向，，又都向对侧发送送允许信号，两侧侧收信机都收到允允许信号，为各侧侧保护跳闸提供条条件，原理框图如如下。纵联方向比较保护护－－允许式ABCD12F3456收信跳闸IW+&&发信(允许)纵联方向比较保护护－－允许式工作过程:当外部部故障时，如图所所示保护1和2的的情况，在A端的的保护1功率方向向为正，在B端的的保护2功率方向向为负。此时，A端的起动元件及及方向元件均动作作，一方面自身准准备跳闸，另一方方面向对侧发送允允许信号；但是B端方向元件不动动，一方面自己不不会跳闸，也不会会向A端发送允许许信号，所以两侧侧都不会动作跳闸闸。纵联方向比较保护护－－允许式当内部故障时，，如图所示保护护3和4的情况况，两端的方向向元件均反映为为正向故障。此此时，B端（3处）的起动元元件及方向元件件均动作，一方方面自身准备跳跳闸，另一方面面向对侧发送允允许信号；C端端（4处）的情情况也一样，所所以两端的方向向元件都动作，，都能够收到对对侧发来的允许许信号，所以都都会动作跳闸，，将故障切除。。纵联方向比较保保护－－允许式式在允许式保护中中，若方向测量量元件为阻抗元元件，则称为是是允许式距离保保护，在这种情情况下，有两种种构成方式，即即欠范围允许和和超范围允许，，欠范围允许在在阻抗I段动作时，一方方面本侧直接跳跳闸，另一方面面向对侧发送允允许信号，对侧侧在接到允许信信号后与其II段阻抗元件“相相与”，当收到到允许信号且II段阻抗元件动作作时，动作跳闸闸。纵联方向比较保保护－－允许式式MNZIMZINZIIZI≥1&ReTr≥1跳闸通道1QF纵联方向比较保保护－－允许式式超范围允许用阻阻抗II段或带方向特性性的阻抗III段起动发允许信信号。当收到允允许信号且II段阻抗元件动作作时，动作跳闸闸。纵联方向比较保保护－－允许式式MNZIIMZIINZIIZI≥1&ReTr≥1跳闸通道1QF纵联方向比较保保护－－允许式式允许式保护具有有以下几个特点点：（1）动作速度度快。因为在正正常条件下没有有信号，又因为为允许信号只有有内部故障时才才传送，在外部部故障时不出现现允许信号。因因此毋须时间配配合，这就可使使高频保护的动动作时间缩短。。这是允许式保保护的最大优点点。（2）不不适用于于单电源源输电线线。在单单端电源源条件下下，当线线路内部部故障时时，受电电端正向向方向元元件由于于灵敏度度不够而而不动作作，不向向送电端端发出允允许信号号，从而而使对端端保护拒拒动，必必须采取取措施予予以解决决（弱馈馈保护））。纵联方向向比较保保护－－－允许式式（3）可靠性较较低。对对于故障障起动发发信方式式的保护护，采用用闭锁信信号时，，在外部部故障时时传送高高频电流流，而采采用允许许信号时时，在内内部故障障时传送送高频电电流，由由于内部部故障时时可能引引起通道道破坏，，所以允允许