电力系统继电保护 04 输电线路纵联保护

第4章

输电线路纵联保护返回总目录电流、电压保护和距离保护都是只反映被保护线路一侧的电量，为了获得选择性，其瞬时切除的故障范围只能是被保护线路的一部分，即使性能较好的距离保护，在单侧电源线路上也只能保护线路全长的80%左右，在双侧电源线路上瞬时切除故障的范围大约只有线路全长的60%左右。在被保护线路其余部分发生故障时，都只能由延时保护来切除。这对于很多重要的高压输电线路是不允许的，为了电力系统的安全稳定，线路上要求设置具有无延时切除线路上任意处故障的保护装置，输电线的纵联保护就是在这种背景下产生的。因此仅反映线路一侧的电气量是不可能区分本线路末端和对侧母线(或相邻线路始端)故障的，只有反应线路两侧的电气量才可能区分上述两点故障，达到有选择性地快速切除全线故障的目的。为此需要将线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，即在线路两侧之间发生纵向的联系，这种保护装置称为输电线的纵联保护。●4.1输电线路纵联保护的基本原理与类型●4.2导引线纵联保护●4.3输电线高频保护基本概念●4.4方向高频保护●思考题与习题

本章内容4.1输电线路纵联保护的基本原理与类型仅反映线路一侧的电气量是不可能区分本线路末端和对侧母线(或相邻线路始端)故障的，只有反映线路两侧的电气量才能区分上述两点故障，达到有选择性地快速切除全线故障的目的。为此需要将线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，即在线路两侧之间发生纵向的联系。这种保护装置就称为输电线的纵联保护。4.1.1输电线路纵联保护的基本原理

4.1输电线路纵联保护的基本原理与类型当输电线路内部发生如图4.1所示的k1点短路故障时，流经线路两侧断路器的故障电

图4.1输电线路纵联保护的基本原理示意图流如图中实线箭头所示，均从母线流向线路(规定电流或功率从母线流向线路为正，反之为负)。而当输电线路MN的外部发生短路时(如图中的k2点)，流经MN侧的电流如图中的虚线箭头所示，M侧的电流为正，N侧的电流为负。利用线路内部短路时两侧电流方向同相而外部短路时两侧电流方向相反的特点，保护装置就可以通过直接或间接比较线路两侧电流(或功率)方向来区分是线路内部故障还是外部故障。即4.1输电线路纵联保护的基本原理与类型纵联保护的基本原理是：当线路内部任何地点发生故障时，线路两侧电流方向(或功率)为正，两侧的保护装置就无延时地动作于跳开两侧的断路器；当线路外部发生短路时，两侧电流(或功率)方向相反，保护不动作。这种保护可以实现线路全长范围内故障的无时限切除，从理论上这种保护具有绝对的选择性。4.1输电线路纵联保护的基本原理与类型输电线路纵联保护为了交换两侧的电气量信息，需要利用通道。采用的通道不同，在装置原理、结构、性能和适用范围等方面就具有很大的差别。输电线路纵联保护按照所利用通道的不同可以分为以下四种类型(通常纵联保护也按此命名)：(1)导引线纵联保护(简称导引线保护)。(2)电力线载波纵联保护(简称高频保护)。(3)微波纵联保护(简称微波保护)。(4)光纤纵联保护(简称光纤保护)。下面将重点介绍导引线保护和高频保护。4.1.2输电线路纵联保护的基本类型4.1输电线路纵联保护的基本原理与类型4.2.1导引线纵联保护的基本原理导引线纵联保护是纵联保护中最简单的一种，又常简称为纵联保护，它就是利用辅助导线或称导引线作为通道将被保护线路一侧的电流状况与经过导引线传送过来的另一侧的电流状况进行比较，以辨别短路是发生在被保护线路的内部或是外部，从而判断保护是否应该动作。导引线所传送的电流状况可分为两大类，其中一类是传送电流的大小(瞬时值)，另一类是传送电流的方向。根据传送电流的大小(瞬时值)以辨别是内部短路还是外部短路的保护比较简单，目前获得十分广泛的应用。而根据传送电流的方向以辨别是内部短路还是外部短路的保护则比较复杂，目前应用较少。首先以极短的线路为例，简要说明纵联保护的基本原理。如图4.2所示，在线路的M和N两侧装设特性和变比完全相同的电流互感器，两侧电流互感器的一次回路的正极性均置于靠近母线的一侧，二次回路的同极性端子连接，差动继电器KD则并连接在电流互感器的二次端子上。

4.2导引线纵联保护在线路的两端，仍规定一次侧电流的正方向为从母线流向被保护的线路。在线路正常运行时，设线路的电流从M端流入，从N端流出(如图中的虚线所示)，则线路两侧电流和按照规定的正方向看反相，，其电流互感器的二次电流为4.2导引线纵联保护4.2导引线纵联保护式中、——两侧电流互感器的二次电流；、——两侧电流互感器的激磁电流；——两侧电流互感器的变比。图4.2纵联保护的基本原理4.2导引线纵联保护流入差动继电器(或称为差动回路)的电流为

由于

所以式中——不平衡电流(下面将详细说明)。当线路外部发生短路(如k2点)时，电流互感器一次和二次电流的方向与正常工作的情况相同，流入差动继电器的电流仍为不平衡电流，但因为此时一次侧电流为短路电流，比正常时的负荷电流大得多，所以此时的不平衡电流要大得多。当线路内部发生短路(如k1点)时，M两侧的电流均为正。这时将反向(见图4.2中的实线)，此时流入差动继电器的电流为

(4-2)式中——故障点的总电流，。4.2导引线纵联保护式(4-2)说明内部短路时流入差动继电器的电流为故障点总电流的二次值，且远大于正常运行和外部短路时流入差动继电器的不平衡电流。当差动继电器为反映电流过量动作时，线路内部短路时，它就动作，即向被保护线路两侧送出跳闸信号，而正常运行和外部短路时，差动继电器不动作。从以上分析可见，导引线纵联保护在原理上区分了线路的内部和外部故障，可无延时地切除线路两侧电流互感器之间任何地点的故障。由于在正常情况下，上述连接方式的纵联保护的二次侧电流在导引线中成环流，因此也称为环流法纵联保护。实际上图4.2的接线只能用于短线路、变压器、发电机和母线等作为主保护，而不用于输电线路，因为在正常情况下，它要求沿线路敷设流过电流互感器二次电流的多根导引线，这在技术上是有很多困难的，在经济上也是不合理的。在导引线纵联保护中，为了节省导引线的芯数，一般将欲比较的三相电流综合成单相电流，并在线的两端均设有差动继电器，从而省去传送跳闸脉冲信号的导引线。4.2导引线纵联保护将三相电流合成为单相电流可以采用复式滤序器或综合器。综合器比复式滤序器简单，输出功率大，容易做成电压源或电流源，虽然灵敏度差一些，在短线上一般也能满足要求，因而获得广泛的应用。

在导引线纵联保护中，按照在导引线中电流的流动情况可分为环流法和均压法两种。图4.3中给出了两种接线法的基本原理图。图中TA为综合变流器，将三相电流变为单相电流，再经过升压变压器T和导引线PW将线路两侧保护回路连接在一起。升压变压器使导引线电阻归算到一次侧的数值大为降低，有利于克服导引线电阻的影响。升压变压器还起着将导引线与继电器隔离的作用，也便于实现对导引线完好性的监视，因而总是采用的。在正常运行及外部短路情况下，线路4.2导引线纵联保护4.2导引线纵联保护图4.3采用综合变流器的导引线纵联保护原理图(a)环流法

(b)均压法两侧电流和相位相差180°，升压变压器的高压侧电压和相位也相差180°，环流法接线在导引线中有电流环流，忽略导引线的电阻，差动继电器中的电流为零；均压法接线在导引线中没有电流环流，差动继电器中电流也为零。在内部短路时，两种接线的差动继电器中均有电流流过，从而能够准确地动作。当发生外部短路时，均压法接线的导引线将会承受高电压，而环流法接线的导引线将在内部短路时承受高电压。对于短线路来说，外部短路的机会多，而内部短路又可以由纵联保护很快地切除，所以从这个观点来看，环流法较好，但两种接线对保护性能无重大影响。

4.2导引线纵联保护导引线纵联保护整定计算的基本原则是，应保证正常运行和外部短路时保护装置不动作跳闸。因此导引线纵联保护的一次动作电流按满足以下条件进行选择。1.躲过外部短路时的最大不平衡电流为躲开保护范围外部短路时的最大不平衡电流，此时差动继电器的整定电流应为(4-3)式中——可靠系数，取1.3～1.5。保护范围外部短路时的最大不平衡电流可按下式来确定(4-4)4.2.2导引线纵联保护的整定计算4.2导引线纵联保护式中——非周期系数，主要考虑暂态过程中的非周期分量的影响，当差动回路中采用速饱和中间变流器时，取1；当差动回路中采用串联电阻降低不平衡电流时，取1.5～2；——电流互感器容许的最大相对误差，取0.1；——电流互感器的同型系数，两侧电流互感器型号相同取0.5，不同型号取1——保护范围外部最大短路电流归算到二次侧的数值。2.躲过正常运行时电流互感器二次侧继线时的电流正常运行时电流互感器二次侧继线时，差动继电器中将流过线路负荷电流的二次值，这时保护就不动作。此时差动继电器的整定电流应为(4-5)式中——可靠系数，取1.5～1.8；4.2导引线纵联保护——线路正常运行时和最大负荷电流归算到二次侧的数值。应取以上两个整定值中较大的一个作为差动继电器的整定值。保护的灵敏系数可按下式校验：(4-6)式中——单侧电源作用且被保护线路末端短路时，流过差动继电器的最小短路电流。当灵敏系数不能满足要求时，则需要采用具有制动特性的纵联保护等。4.2导引线纵联保护4.2.3导引线纵联保护的动作特性线路纵联保护的动作特性取决于线路两侧电流的关系。两侧电流的关系可以用幅值关系和相位关系来表示，也可以用复数比来表示，因此动作特性的分析方法如下：从纵联保护整定计算的基本原则可知，其动作条件可表示为(4-7)式(4-7)两侧同除得

(4-8)当以为参考相量，并令，则上式可写为

4.2导引线纵联保护式(4-9)所描述的特性在复数平面上的轨迹是—个圆，其圆心坐标为(-1，0)，半径为。在正常运行及外部短路时，，180°，即，，显然无法满足式(4-9)的动作条件。在复平面上正好是动作特性圆的圆心，又是不动作区的中心，可见圆内为不动作区(又称为闭锁区)。当线路内部发生短路时，0°，则有＞0，其值在正实轴上，满足式(4-9)的动作条件，且保护在最灵敏状态下，即圆外为动作区。一般情况下，因0＜＜1，所以特性圆必在j轴的左侧，其特性如图4.4(a)所示。在电流直角坐标系中，保护的动作特性如图4.4(b)所示，正好是第一、第三象限的平分线2(外部短路电流曲线)，是不动作区的中心。直线1和1之间为不动作区，两直线外侧为动作区。4.2导引线纵联保护由图4.4可知，随着动作电流增大，纵联保护的闭锁区就越大，一旦保护的动作电流整定后，则当被保护线路外部短路电流增大时，闭锁圆的半径将随之减小，即保护的闭锁区反而缩小。这时由于电流互感器的误差会随外部短路电流增大而增大，进入差动继电器的不平衡电流也将增加，纵联保护可能越出被缩小的闭锁区进入动作区而发生保护误动作。

(a)复平面上的特性(b)电流直角坐标系的特性图4.4纵联保护的动作特性04.2导引线纵联保护4.2.4带制动特性的纵联保护

当被保护线路外部短路时，如果进入差动继电器的不平衡电流很大，则保护的动作电流也将增大，这使保护的灵敏度下降，并可能误动作。为了减少不平衡电流对纵联保护的影响，常采用带制动特性的纵联保护。带制动线圈的电流差动继电器的原理接线图如图4.5所示。(a)在正常运行和线路外部短路时(b)在线路内部短路时图4.5带制动线圈的电流差动继电器的原理接线图4.2导引线纵联保护该原理接线图的特点是制动线圈WB有两个，它们的相对极性是这样考虑的：当外部故障时，线路穿越电流在两个制动线圈上产生的磁通相加，在差动线圈WKD上产生的磁通相减，制动作用增强，使差动继电器不能动作；而当内部故障时，两侧的故障电流各经一个制动线圈流入差动线圈，在差动线圈上产生的磁通相加，两制动线圈上产生的磁通相减，制动作用互相减弱。因此，设置这样的两个制动线圈后，对内部故障的灵敏度影响甚小，而对外部故障则制动作用随穿越性短路电流的增大而增大，从而在被保护线路两侧电流互感器有较大的误差下，差动继电器仍能可靠不动作。设置制动线圈后，差动继电器的动作方程为

(4-10)

4.2导引线纵联保护式中——和电流，使差动继电器动作的电流；——差电流，它将制止差动继电器动作，故称为制动电流；K——制动系数，0＜k＜1；——纵联保护的二次动作电流。式(4-10)两边同除以，令，化简得

4.2导引线纵联保护式(4-11)在复数平面上也是一个圆，如图4.6所示。其圆心坐标为(,0)，圆的半径为，在圆内为闭锁区。从图中及式(4-11)可见，在复数平面上电流差动继电器的闭锁圆的大小与外部短路电流的大小无关，仅与制动系数k有关。制动电流越大，圆的半径越大，即纵联保护的闭锁区越大。这种特性正好满足在内部短路时制动电流小，动作电流小，保护的灵敏度高，而外部短路时，制动电流大，动作电流大，不易误动作的要求。在图4.6(b)中，动作电流不再是常数，而是随外部短路电流的增大而增大的变量。

(a)复平面上的特性(b)电流直角坐标系的特性图4.6带制动线圈的纵联保护动作特性4.2导引线纵联保护总而言之，导引线纵联保护的通道需要铺设电缆，其投资随线路长度而增加。当线路较长(超过10余公里)时就不经济了。导引线越长，安全性越低。导引线中传输的是电信号，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，对保护装置和人身安全构成威胁，并会造成误动作。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，这将使投资增大。导引线直接传输交流电量，故在导引线纵联保护中广泛采用纵联保护原理，但导引线的参数(电阻及分布电容)直接影响保护性能，从而在技术上也限制了导引线纵联保护用于较长的线路。4.2导引线纵联保护4.3

输电线高频保护基本概念为了快速切除高压远距离输电线路上的各种类型的短路，在线路纵联保护原理的基础上，以输电线载波通道作为通信通道，来比较输电线路两侧的电气量，以判断短路是在被保护输电线本身还是在相邻线路上，这种保护称为高频保护。它可以有效地克服采用导引线纵联差动的缺点。输电线路用来作为载波通道时，必须在输电线路上装设专用的加工设备，将同时在输电线路上传送的工频和高频电流分开，并将高频收、发信机与高压设备隔离，以保证二次设备和人身的安全。高频收、发信机通过结合电容器接入输电线路的方式主要有两