继电保护讲义-线路的纵联保护

第六章线路的纵联保护

第一节纵联保护的基本原理

根据电流、电压和阻抗原理构成的系统保护，都是从线路靠近电源的一侧测量各科状态

下的电气量，由于测量误差等原因，它们不能准确判断发生在本线路末端和下一线路出口的

故障，为了保证选择性，只能缩小保护范围，在此范围内，保护可•以瞬时动作，如电流和距

离I段。为了切除全线范围内的故障，必须另外增设保护，如电流和距离n段，同梯由于误

差的原因，保护范围必然延伸到下一线路，与下一线路保护的保护范围交叉重叠，为了保证

选择性，只有延时保护动作，使切除全线路范围内故障的时间延长。对「电力系统的重要线

路和大容量高电压以及超高压线路，为了保证系统并列运行的稳定性和减小故障的损害程度,

对保护的速动性提出了更高的要求，必须瞬时切除全线路范围内的故障。线路的纵联保护可

以满足要求。

纵联保护是同时比较线路两侧电气量的变化而进行工作的。因此，在被保护范围内任何

地点发生短路时，纵联保护都能瞬时动作。

根据两侧电气量传输方式的不同,纵联保护主要分为导引线纵联保护（简称导引线保护）、

电力线载波保护（简称高频保护）、微波纵联保护（简称微波保护）、光纤纵联保护（简称光

纤保护）。

第二节线路的导引线保护

一、导引线保护的基本原理

导引线保护是通过比较被保护线路始端和末端电流幅值、相位进行工作的。为此，应在

线路两侧装设变比、特性完全相同的差动保护专用电流互感器TA,将两侧电流互感器二次

绕组的同极性端子用辅助导引线纵向相连构成导引线保尹的电流回路，差动继电器并接

在电流互感器的二次端子上，使正常运行时电流互感器二次侧电流在该归I路中环流，根据基

尔霍夫电流定律，流入差动继电器K/）的电流等于零，如图6-1（a）所示。通常称此连

接方法为环流法，将环流法接线构成的保护称为导引线保护。

根据以上接线原理，对图6-1所示导引线保护原理进行分析。

当线路正常运行或外部k点短路时，通过差动继电器KO的电流为

=A.2-A,2=-^----工=0（6-1）

图6-1导引线保护原理说明

（a）正常运行、外部短路时；（b＞内部短路时

当线路内部任意一点2短路时，分以卜.两种情况分析。

（1）线路为两侧电源供电，若两侧电源向短路点Ar提供的短路电流分别为心和

兀，短路点的总电流为ik=儿+,则流入继电器KD的电流

4D=4+4=—+—=—（6-2）

22%%%

当晨达到差动继电器K。的动作电流时，差动继电器力瞬时动作，断开线路两电源

侧断路器Q口

（2）线路为单侧电源供电，且设/以=0,若电源向短路点人提供的短路电流为A,,

则流入继电器K。的电流

心=电=雇（6-3）

%

当晨达到差动继电器KD的动作电流时，差动继电器KD瞬时动作，断开线路电源侧

断路器QF.

由以上分析可见，线路两侧电流互感器以之间所包括的范围，就是导引线保护的保护

范围。

导引线保护按环流法接线的三相原理如图6-2（a）所示，

实际导引线保护为了减少所需导线的根数，通常采用电流综合器X7,将三相电流综合

成一单相电流，然后传送到线路对侧进行比较。

2

线路两侧的电流综合器27合成的单相电流，和/；经隔离变压器7V后变成电压，'和

图6-2导引线保护三相原理图

(a)导引线保护原理接线图：(b)一次三相电流相处用：(c)2./磁流相量图

U1,再由导引线03连接起来。隔离变压器7V的作用是将保护装置回路与导引线叵路隔

离，防止导引线回路被高电压线路或雷电感应产生的过口压损坏保护装置，同时还可以监视

导引线的完好性。另外，通过隔离变压器7V提高电压，减小长期正常运行状态下导引线中

的电流和功率消耗。

图6-2(a)所示的综合器Z7的A相匝数为n+2,B相匝数为n+1,C相匝数为n,正

常运行时系统的一次电流如图6-2(b)所示，则综合器Z7的磁流相量如图6-2(c)所示。

可见，正常运行时，综合需Z7有一不平衡输出，但对侧的综合器£/也有不平衡输出，而

且方向相反，因此，理想情况下，差动继电器K。的输入量为零，不会动作。用环流法分析，

结果相同。

正常运行或2侧外部短路时，八方向与图&2(a)所示方向相反，且等于人，即

i2=—i\=—i'(6-4)

理想情况下，流入差动继电器KD的电流为

lKn=/；+/；=0(6-5)

继电器K。不动作。

内部欠点短路时，如图6-2(a)所示，流入继电器KQ的电流/血=/；+/：=(),继电

器将动作。

实际上，外部短路时，由于各种误差的影响以及线路两侧电流互感器小的特性不可能

3

为了保持一定的准确度，导引线保护使用的电流互感器以应按10%误差曲线选取负

载，则可保证变比误差不超过10%，角度误差不超过7°。当保护范围外部短路时，通过电

流互感器以一次侧的最大电流为/匕皿，若一侧电流互感器小的误差为零，另一侧误差为

10%,即/=()/，外部短路时的不平衡电流/“汕达到最大，为乙加阳OL由于导引线保护采

用型号和特性完全相同、误差接近的。级电流互感器以，故在不平衡电流乙成〃心中引入同

型系数Kss，Kss在两侧电流互感器以型号相同时取0.5,不同时取1,因此，流入差动继

电器K。的最大不平衡电流为

(6-8)

2.暂态过程中的不平衡电流

由「导引线保护的动作是瞬时性的，因此…必须考虑在保护范围外部短路时的罚态过

程中，流入差动继电器KD的不平衡电流击。此时，流过电流互感器以一次侧的短路电流

4中，包含有周期分量和非周期分量，如图6-4所示。i,中由于非周期分量对时间的变化率

孑)远小于周期分量的变化率(3)，因而很难

传变到二次侧，大部分作为励磁电流进入励磁

回路而使电流互感器TA的铁芯严重饱和。此外,

电流互感器TA励磁回路以及二次回路的电感

中的磁通不能突变，将在二次回路中引起自由

非周期分晟电流，因此，暂态过程中的励磁电

流将大大超过其稳态值，其中包含大量缓慢衰

(b)

减的非周期分量电流，使励磁电流曲线偏于时

图6-4外部短路暂态过程中的

间轴的一侧。由于励磁回路具有很大的电感，短路电流和不平衡电流

(a)一次侧短路电流；(b)不平衡电流

励磁电流不能很快上升，因此在短路后的几个

周波才出现最大不平衡电流。

考虑到非周期分量电流i*的影响，在式(6-8)中应引入非周期分量影响系数Kw，取

1.5-2,当采取措施消除其影响时，取为1,则最大不平衡电流幅值的计算式为

unb.max(6-9)

5

为了保证导引线保护在外部短路时的选择性，其动作电流必须躲过最大不平衡电流

/依2来整定；为了提高导引线保护在内部故障时的灵敏度，应采取措施减小不平衡日流。

三、减小导引线保护不平衡电流的主要措施

（1）减小稳态情况下的不平衡电流的措施是导引线保护采用型号和特性完全相的D

级电流互感器7人，并按10%误差曲线进行校

验、选择负载。减小暂态过程中不平衡电流

的主要措施通常是在差动网路中接入具有快

速饱和特性的中间变流器TA,如图6-5（a）

所示。也可以采用在二次回路和差动继电器

KD之间串入电阻的方法,如图6-5（b）所示。

接入电阻可以减小差动继电器TA中的不平（a）（b）

衡电流并便其加速衰减,但效果不甚显著.图6-5防止非周期分量影响的措施

（a）接入速饱和变流器：（b）接入电阻

一般用于小容量的变压器和发电机上。

四、导引线保护的整定计算

1.导引线保护动作电流的整定按以下两种情况计算

（1）躲过外部短路时的最大不平衡电流L&M

I°P=K"x=-/KssK““心（6-10）

nTA

式中----可靠系数，一般取1.2-1.3：

Klip——非周期分量影响系数，当保护采用带有速饱和变流器的差动继电器时取1。

（2）躲过甩流互感器二次回路断线时流入差动继电器KD的最大负荷电流/,z

fop=^rel-（6-11）

nTA

取式（6-9）和式（6-10）中较大者作为差动继电器的整定值。为了防止断线时又发生

外部短路而引起导引线保护误动作，还应装设断线监视装置，二次I川路断线时，在发出信号

的同时将保护自动退出工作。

2.导引线保护灵敏度的校验

导引线保护的灵敏度应按单侧电源供电线路保护范围末端短路时，流过保护的最小短

路电流校验，要求灵敏系数要521.5~2,即

6

sen(6-12)

第三节线路的高频保护

一、高频保护的基本原理

线路的导引线保护单从动作的速度来讲，可以满足系统的要求，但是，它必须敷设与被

保护线路长度相同的辅助导引线，对于较长线路而言，从经济和技术的角度是难以实现的,

因此，导引线保护只能作为5~7km短线路的保护，在国外也只用于长度为30km左右的线

路。为了从高电压距离输也线路两侧瞬时切除全线路任一点的故障，可以采用基于线路导引

线保护原理基础上构成的高频保护。

高频保护是将测量的线路两侧电气量的变化转化为高频信号，并利用输电线路构成的

高频通道送到对侧，比较两侧电气量的变化，然后根据特定关系，判定内部或外部故障，以

达到瞬时切除全线路范围内故障的目的.

高频保护根据构成原理来分，主要有相差高频保护、方向高频保护和高频闭锁距离保

护以及高频闭锁零序电流保护

FI前，我国220kv及以上的面压或超高压线路中广泛采用方向高频保护和高频I矛锁距

离保护以及高频闭锁零序电流保护。

高频保护主要由故障判别元件和高频通道以及高频收、发信机组成，如图6-6所示。

电气量

图6-6高频保护的组成方框图

故障判别元件即继电保护装置，利用输入电气量的变化，根据特定关系来区分正常运

行、外部故隙以及内部故障。高频收、发信机的作用是接收、发送高频信号。发信机必须对

所发信号进行调制，以使通过高频通道传输到被保护线路对侧的信号荷载保护所需要论信息,

收信机收到被保护线路两侧的信号后进行解调，然后提供给保护，作为故障判别的依据。高

频通道的作用是将被保护线路•侧反应其运行特征的高频信号，传输的被保护线路的另•侧。

在电力系统中，通常利用输电线路间作高频通道，同时传输工频电流和保护所需信号，为了

便于区分，继电保护所需要的信号一般采用高频信号。由于高频信号荷载保护所需信息，因

此，高频信号被称为载波，高频保护乂被称为载波保护＜载波信号一般采用40kHz~500kHz

的高频电流，若频率低于40kHz,受工频电流的干扰太大，且通道设备构成困难，同时载波

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信号衰耗大为增加，频率过高，将与中波广播相互干扰。

二、高频通道

(■)高频通道的构成原理

电力系统中工频输电线路同时兼作高频通道。因此，需要对输电线路进行加工，即把

高频设备与工频高压线路隔离，以保证二次设备和人身安全。为了防止相邻保护间高频信号

的的干扰，影响保证保护动作的选择性，还需要对通道中的高频信号进行阻波，将其限制在

本保护范围内。通常将经高频加工的输电线路称为高频信号的载波通道,乂称为'高频通道”

或简称“通道”。

高频信号是由载波机(收、发信机)将其送入通道的。目前载波机与高频通道的连接，

通常采用“相一地”制，或“相一相制两种连接方式。所谓“相一地”制，就是通过结合设

备把载波机接入输电线路的一相与大地之间，构成高频信号的“相一地”通道，如图6-7(a)

(a)<b>

图6"利用输电线路传输高频信号的方式

(a)“栩-地制”：(b)“相川”制

I一庖频用波器：2—耦合电容器：3—结合泄波器：4一高将收'发信机

所示。所谓“相一相”制，就是通过结合设备把载波机接入输电线路的两相之间，构成高频

信号的“相一相”通道，如图6-7(b)所示。两种接线方式特点各异，“相一地”制传输效

率低、高频信号衰减大、受干扰也大，但高频加工设备少、造价低，•般能够满足保护装置

的要求，而“相一相”制则相反。

目前，我国的高频保护大多采用

“相一地”高频通道，并逐渐采用

“相一相”高频通道。

图6-8所示为“相一地”高

频通道的原理接线图，其中，高频

加工设备包括高频阻波器、耦合电

图6-8“相-地”制高频通道原理接线图

容器、结合滤波器、高频电缆等。1一输电线路：2—高频阻波器：3—福合电容器：4一结合波波器:

5—高频电缆：6—保护间隙：7—接地开关；8—高频收、发信机:

1.高频阻波器9-保护：10一中.容器

8

高频阻波器串接在输电线路的工作相中。高频阻波器有

单频阻波器、双频阻波器、带频阻波器和宽带阻波器等c在电

力系统高频保护中，广泛采用专用的单频阻波器。

高频阻波器电感绕组和调谐电容构成并联谐振回路，调

谐于高频通道上的T.作频率。此时，高频阻波器呈现最大的阻

抗，约1000。左右，如图6-9所示，因而高频信号限制在被保

护线路以内。对工频电流而言，高频阻波器的阻抗很小，只有约0.040,因而不会影响工频

电流在输电线路上的正常传输。

2.耦合电容器

耦合电容器的电容量很小，对工频电流呈现出很大的容抗，将工频线路的载波机进行

有效的绝缘隔离。同时它与结合滤波器组成带通滤波器，只允许此通带频率范围内的高频信

号通过，防止工频干扰等对高频保护的影响,并再次通过电磁隔离防止耦合电容器被击穿后

工频高压侵入二次系统.

3.结合滤波器

结合滤波器是由一个可调的空心变压器、高频电缆和电容器组成。它与耦合电容器组

成的带通滤波器除上述作用外，还可以进行阻抗匹配。对于“相•地”制高频通道，输电线

路的输入阻抗约为4000,高频电缆的输入阻抗约为1000,为了阻抗的匹配，空心变压器

的变比应取为2,这样，就可以避免高频信号在传输过程中产生反射，减小高频能量的附加

衰耗，使高频收信机收到的高频功率最大。

4.高频电缆

高频电缆是将主控室的高频收、发信机与户外变电所的带通滤波器连接起来的导线，

以最小的衰耗传送高频信号。虽然电缆的长度只有几百米，但其传送信号的频率很高，若采

用普通电缆，衰耗很大，因此，应采用单芯同轴电缆。同轴电缆就是中心的内导体为铜芯,

其外包有一层绝缘物，绝缘物的外面是一层铜丝网外导体。由丁内导体同轴且为单芯，所以

称为单芯同轴电缆。在外导体的外面在包以绝缘层和保乎层，其波阻抗一般为1000。

另外，高频加工设备还包括辅助设备，如保护间隙和接地刀闸，分别用来保护高频加

工设备免遭危险过电压和调试、检修高频设备时安全接地，保证人身及设备安全。

(-)高频通道的工作方式

继电保护高频通道的工作方式可分为三类，即“长时发信”、“短时发信”和“移频”

方式。

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“长时发信”方式是指在正常运行情况下，收、发信机一直处于工作状态，通道中始

终有高频信号通过。因此，又称为正常时有高频信号方式。它可以在正常时连续检查收、发

信机和通道的完好性，当故障时停止发信，通道中高频信号停止，这也是•种信号。“长时

发信”方式对收、发信机的要求较高，但不需要发信机起动元件，因而保护结构简单、动作

速度快且灵敏度高，应用前景十分广阔，在我国正逐步投入使用。

“短时发信”方式指在正常运行情况下，收、发信机一直处于不工作状态，通道中始

终没有高频信号通过。只有在系统发生故障时，起动发信机发信，通道中才出现高频信号。

故障切除后，经延时发信机自动停信，通道中高频信号随之中断。因而又称为正常无应频信

号方式。“短时发信”方式能够延长收、发信机的寿命和减少对相邻通道中其它信号的干扰，

但要求保护有快速的起信元件。此外，对高频设备完好性的检查，需要人工起信。目前，我

国生产的高频保护多采用“短时发信”方式。

“移频”方式指在正常情况下，发信机长期发送一个频率为/的高频信号，用来闭锁

保护和连续检查通道，当发生故障时，保护控制发信机移频，停发力的高频信号而改发频率

为力的高频信号，力和力的频率相近，仅占用一个频道。这种方式同样可以经常监视通道的

工作情况，提高其可靠性，与单频发信方式比较，抗干扰能力较强。

（三）高频信号的分类和作用

高频信号按比较方式可分为直接比较和间接比较两种方式。

直接比较是将被保护线路两侧交流电气量转化为高频信号，直接传送至对侧，每侧保

护装置直接比较两侧的电气量，然后根据特定条件，判定保护是否动作于跳闸0直接比较方

式使通道两侧的电气量直接关联，故乂称为交流信号比较。它要求传送反应两侧交流量的信

号，因而对高频通道的要求很高。

间接比较方式是两侧的保护只反应本侧的交流电气量，然后根据特定条件将本侧判定

结果以高频信号传送至对侧，每侧保护再间接比较两侧保护的判定结果，最后决定保护是否

动作丁跳闸。此比较方式使通道两侧的直流回路直接关联，因此也称为直流信号比较，它仅

仅是对被保护线路内部和外部故障的的判定，以高频信号的有无即可进行反应，因此对高频

通道的要求比较简单。

相差高频保护即采用直接比较方式，而方向高频保护和高频闭锁距离保护以及高频闭

锁零序电流保护则采用间接比较方式。

高频信号按所起的作用还可分为跳闸信号、允许信号、和闭锁信号，它们均为间接比

较信号。

10

<a)<b)(c)

图6-10高频保护信号逻辑图

(a)跳闸信号：(b)允许信号：(c)闭锁信号

跳闸信号是指收到高频信号是高频保护动作于跳闸的充分而必要条件，即在被保护线

路两侧装设速动保护，当保护范围内短路，保护动作的同时向对侧保护发出跳闸信号，使对

侧保护不经任何元件直接跳闸，如图6-10(a)所示。为了保证选择性和快速切除全线路任

一点的故障，要求每侧发送跳闸信号保护的保护范围小于线路的全长，而两侧保护范围之和

必须大于线路全长。远方跳闸式保护就是利用跳闸信号.

允许信号是指收到允许信号是高频保护动作于跳闸的必要条件。当内部短路时，两侧

保护同时向对侧发出允许信号，使两侧保护动作于跳闸，如图6-10(b)所示。当外部短路

四，近故障侧保护不发允许信号，对侧保护不动作。近故障侧保护则因判别故障方向的元件

不动作，因而不论对侧是否发出允许信号，保护均不动作于跳闸。

闭锁信号是指收不到闭锁信号是高频保护的动作于跳闸的必要条件，即被保护线路外

部短路时其中一侧保护发出闭锁信号，闭锁两侧保护。内部短路使，两侧保护都不发出闭锁

信号，因而两侧保护收不到闭锁信号，能够动作于跳闸，如图6-1()(c)所示。

目前，我国生产的高频保护主要采用“短时发信”方式下的高频闭锁信号。

三、方向高频保护

(-)高频闭锁方向保护

1.高频闭锁方向保护的工作原理

高频闭锁方向保护利用间接比较的方式来比较被保护线路两侧短路功率的方向，以判

别是保护范围内部还是外部短路。一般规定短路功率由母线指向线路为正方向，短路功率由

线路指向母线为负方向,保护采用短时发信方式，在被架护线路两侧均装设功率方向元件。

当保护范围外部短路时，近短路点一侧的短路功率方向是由线路指向母线，则该侧保护的方

向元件感受为负方向而不动作于跳闸，且发出高频闭锁信号，送至本侧及对侧的收信机；对

侧的短路功率方向则由母线指向线路，方向元件虽反应为正方向，但由于收信机收到r近短

路点侧保护发来的高频闭锁信号，这•侧的保护也不会动作于跳闸。因此，称为高频玩锁方

向保护。在保护范围内短路时，两侧短路功率方向都是由母线指向线路，方向元件均感受为

正方向，两侧保护都不发闭锁信号，保护动作使两侧断路器立即跳闸。

11

图6-11所示系统中，当BC线路上的k点发生短路时，保护3、4的方向元件均反应

图6-11高频闭锁信号方向保护原理说明图

为止方向短路，两侧都不发高频闭锁信号，因此，保护动作于断路器3、4瞬时跳闸，切除

短路故障。对于线路和C。而言，火点短路属于外部故障，因此，保护2、5的短路功率

方向都是由线路指向母线，保护发出的高频闭锁信号分别送至保护1、6,使保护1、2、5、

6都不会使断路器动作于跳闸。

这种按信号原理构成的保护只在非故障线路上传送高频信号，而故障线路上无高频信

号，因此，由于各种原因使故障线路上的高频通道遭到破坏时，保护仍能正确动作。

2.高频闭锁方向保护的原理接线

图6-12所示为高频闭锁方向保护的原理接线图，线路两侧各装半套保护，它们完全对

称，故以一侧保护说明其工作原理。保护装置主要由起动元件I、2,功率方向元件3组成。

起动元件有不同的灵敏度，起动元件1的灵敏度较高，用来起动高频发信机以发出高

图6-12高频闭锁方向保护原理接线图

频闭锁信号，而灵敏度较低的起动元件2则用来准备好断路器的跳闸网路。

功率方向元件3用于判别短路功率的方向。当短路功率的方向是母线指向线路时，判

别为内部故障，它动作；反之，判别为外部故障而不动作。

此外，中间继电器4用于内部故障时停止高频发信机发出高频闭锁信号。中间继电器5

是具有工作绕组和制动绕组的极化继电器，用于控制保护的跳闸回路。中间继电器5的工作

绕组在本端方向元件动作后供电，制动绕组则在收信机收到高频信号时由高频电流整流后供

电，其动作条件是制动绕组无制动作用，即收信机收不到高频闭锁信号，工作绕组有电流时

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才能动作。这样，只有内部故障时，两侧保护都不发高频闭锁信号的情况下，中间继电器5

才能动作，并经信号继电器6发出跳闸信号，同时将本侧断路器跳开。

下面将保护装置的工作过程给以说明。

（1）正常运行或过负荷运行时，两侧保护的起动元件都不动作，因此保护装置不会动作。

（2）外部故障时，如期6-11所示，线路8c上的々点短路时，对保护1、2与保护5、6

而言，均属于外部故障。以保护1、2为例，保护1的短路功率方向是由母线指向线路，其

功率方向元件感受的功率方向为正，保护2反应的功率方向元件为负。此时，图6-12两侧

保护的起动元件1、1'都动作，经中间继电器4、4'的常闭触点起动发信机，发信机发出

的高频闭锁信号一方面为自己的收信机接收，另一方面送到通道被对侧保护的收信机接收,

两侧收信机收到高频闭锁信号后，中间继电器5、5'的制动绕组中有电流，立即将两侧保

护闭锁。此时，起动元件2、2,也动作闭合其触点经已动作的功率方向元件3的触点使中

间继电器4动作,本侧保护的发信机停信，同时给中间绯电器5的T作绕绢充电，准备好了

跳闸回路；由于通过保护2的短路功率为负，其功率方向元件,不动作，发信机不停信，

两侧保护收信机持续收到高频闭锁信号，两侧的中间继电器5、5'制动绕组中总有电流，

达不到动作条件，因此，保护一直处于闭锁状态。在外部故障切除、起动元件返回后，保护

复归。

（3）双侧电源供电线珞内部短路时，两侧保护的起动元件1、2和V、2,都动作，两

侧的发信机发信，首先闭锁保护，与此同时，两侧保护的功率方向元件3、3,动作，在中

间继电器4、4f动作后，两侧发信机停信，开放保护，中间继电器5、5,达到动作条件，

将两侧断路器跳开。

（4）单侧电源供电线路内部短路时，受电侧的半套保护不工作，而电源侧保护的工作情

况与在双侧电源供电线路内部短路时的工作过程相同，立即将电源侧的断路器跳闸。

（5）系统振荡时，在双侧电源振荡电流的作用下，两侧保护的起动元件可能动作，若功

率方向元件接在相电流和相电压或线电压上，且振荡中心位丁保护范围内时，则两侧的功率

方向均为正，保护将会误动作。考虑到振荡时，系统的电气量是对称变化的，因此，在保护

中可以采用负序或零序功率方向元件，即可躲过系统振荡的影响。

由上述分析可知，在保护范围外部短路时，远离短路点一侧的保护感受的情况和内部故

障完全相同，此时，主要利用近短路点一侧的保护发出高频闭锁信号，来防止远离短路点侧

保护误动作，因此，外部短路时，保护正确工作的必要条件是近短路点一侧的保护必筑发出

高频闭锁信号。为了确保远离短路点的保护在动作前能可靠收到对侧保护发出的高频近锁信

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号，就要求两侧保护起动元件的灵敏度相互配合，否则，保护就有可能误动作。

线路两侧保护采用两个不同灵敏度的起动元件相互配合，在保护范围外部短路时即可保

证两侧保护不误动作。假如两侧保护都采用•个起动元件，则在保护范围外部短路时，可能

出现近短路点i侧保护的起动元件不能动作，不发高频闭锁信号，而远离短路点i侧保护的

起动元件动作而造成保护误动作。如图6-13所示，假如线路A4每端只有一个起动元件,

其整定值为/OP=100/1,由于电

流互感器和继电器都存在误

差，因此，两侧保护起动元件

的实际动作电流可能不同，一图&I3起动元件以敏度不相配合时

保护可能误动作说明

般规定动作值的误差为±5%。

若A侧保护起动元件的动作电流为95A,B侧保护起动元件的动作电流为105A,当保护范

闱外部k点短路时，流过线路人8的短路电流为人正好满H95人＜（＜105人时,人侧保护起

动，B侧保护起动元件不动作，不能发高频闭锁信号，导致A侧保护误动作。为此，线路两

侧保护都采用高、低定值的两个起动元件，如图6-12所示，以动作电流较小的起动元件1

起动发信机发高频闭锁信号，用动作较大的起动元件2准备跳闸，当保护范围外部短路时,

远离短路点一侧保护的起动元件2动作，近短路点一侧保护的起动元件1也一定动作，确保

发出高频闭锁信号，闭锁两侧保护。

保护起动元件2和I的动作电流/OP2与/OP.之比应按最不利的情况考虑，即一侧电流互

感器误差为零，另一侧误差为10%；一侧保护起动元件的离散误差为+5%,另一侧为-5%,

则有

1+0.05

1.23(6-13)

考虑一定裕度，保护高定值电流元件的动作值/OP2一般采用

/OP2=（L6~2〃O*（6-14）

式中，保护低定值电流起动元件的动作值/OP.应按躲过正常运行时的最大负荷电流/5.整

定，即

K

IOPI=廿L.2（6-15）

Al

式中Krd—可靠系数，取1.

14

Kr一返回系数，取0.85。

在远距离重负荷输电线路上，保护低动作起动元件按上述方法整定的动作电流值，往

往不能满足灵敏度要求，在此情况下，保护应采用负序电流起动元件，其动作电流值/2.OP1

应按躲过最大负荷电流/L.max情况下的最大负序不平衡电流Z2.unb.nm整定,即

^2.O/»l=01/(6-16)

2.unh.max°L./nav

通常，两侧保护的起动元件按相同的动作电流值整定。

高频闭锁方向保护采用了两个灵敏度不同的起动元件，通过配合、整定，可以保证保

护范围外部短路时可靠不误动作，但在内部短路时必须起动元件2动作后才能跳闸，区而降

低了整套保护的灵敏度，同时也使接线复杂化。此外，在外部短路时，远离故障点小!的保

护，为了等待对侧发来的高频信号，必须要求起动元件2的动作时限大于起动元件1的动作

时限，从而降低了整套保护的动作速度。

高频闭锁方向保护也可以由方向元件起动，还可以进行远方起动。

3.远方起动高频闭锁方向保护

远方起动是指能收到对侧信号本侧未能起动发信机时，由收信机起动本次发信机。由

于发信机起动是收信机收到对侧发信机信号，因而称远方起动。远方起动可以防止纵联保护

单侧工作，还可以方便短忖发信方式时高频通道的手动检查。

如图4-M所示为远方起动的高频闭锁方向保护原理框图。只有一个电流起动元件KA,

KA起动后，起动本侧发信机,

发信机发出的高频信号传送至

对侧收信机后输出，经时间元

件小或门。、禁止门Ai将对

侧发信机远方起动。

保护工作情况分析如下：

图4-14远方起动的高频闭锁方向保护原理框图

（1）在双侧电源供电线路

发生内部故障时，线路两侧的电流起动元件KA和正方向负序功率方向元件5+均动作。KA

经时间元件心或门0、禁止门Ai起动发信机。收信机收到高频信号后，闭锁禁止门王并

使发信机继续发信。由于两侧S+均动作，经与门小使时间元件门延时后，两侧禁止门4

闭锁将发信机停信。两侧收信机收不到高频信号，4门开放使两侧断路器Q尸跳闸。

在单侧电源供电线路发生内部故障时，电源侧发信机发信，对侧收信机收到品频信号

15

后起动发信机发信，两侧小门两侧闭锁保护。若受电侧。尸已跳开，则该侧QF辅助常闭触

点QR将Ai门闭锁，发信机不能远方起动，电源侧保护△延时后跳闸。

（2）外部故障时，近故障侧的KA起动，S+不动作，A3门不会使4门禁止，发信机持

续发信，两侧收信机收到高频信号后闭锁两侧保护。为了防止外部故障时靠近故障侧的KA

不动作，远离故障侧的心和S+起动而引起保护误动作，在△延时内必须收到远方起动后对

侧发回的高频闭锁信号。为延时应大于高频信号在高频通道往返一次的时间，即

t3=2td+

式中41一高频信号沿通道单程传输一次的时间；

△%一欲度时间。

通常取f3=20ms。

外部故障切除后，两侧KA及远故障侧均返回。人延时返回，发信机停信，保护复归。

为了使发信机固定起动•段时间，如图4/4所小时间兀件力应瞬时起动，延时返回。延时

时间即发信机固定发信时间，应大于外部故障可能持续的时间，通常取t3=5~7s。n延时后，

远方起动回路即可断开。

（二）负序方向元件和工频变化量方向元件构成的高频闭锁保护

在高频闭锁方向保护中，不论采用哪种起动方式，方向元件总是整个保护的核心，它

的性能对整个保护的速动性、灵敏性和可靠性起着决定性的作用。

在高压和超高压输电线路的高频闭锁方向保护中，对方向元件提出了很高的要求：①

能反应所有类型的故障；②在保护范围内和邻近线路上发生故障时，没有死区；③电力系统

振荡时不会误动作；④在正常运行状态下不动作。

方向元件的种类很多，主要有反应相间故障的方向元件、反应接地故障的方向元件、

同时反应相间和接地故障的方向元件，以及反应各种不对称故障的方向元件等。由负序功率

方向继电器构成以反应不对称故隙的方向元件和工频变叱量（突变量）原理的方向元件，能

够满足上述要求。

1、负序功率方向继电器构成的方向高频保护

由负序功率方向继电器构成以反应不对称故障的方向元件是比较理想的元件之一，能

够满足上述各种要求，对于三相对称故障，在其发生的初瞬总有一个不对称过程，在负序功

率方向继电器上增加一个坦时记忆回路，就能反应三相故障，即使是完全对称的三相故障,

采用三相滤序器式负序功率方向继电器，其5〜7ms的不平衡输出即可把短时动作记忆下来。

16

目前'用微机实现的保护，记忆功能更加理想。

高频闭锁负序功率方向保护的原理接线如图6-14所示，它由以下元件组成：具有双向

动作的负序功率方向继电器KWN；带有延时返回等中间继电器1；具有工作绕组和制动绕

组的极化继电器2以及出口继电器3。

当被保护线路处于正常运行状态时，没有负序短路功率存在，仅有负序滤过器的不平

衡输出，通过动作值的整定，

即可使负序功率方向继电器

不动作，因而保护也不会动作。

当保护范围外部发生故

障时，近故障点•侧的负序短

路功率为负，保护的负序功率

方向亓件KWN的触点向上闭

合，经中间继电器1的电流绕

图6-14高频闭锁负序方向保护原理接线图

组去起动高频发信机，中间继

电器1的触点闭合后又经电阻R实现对高频发信机附加起动，发出高频闭锁信号，将两侧

保护闭锁。由于近故障点一侧的负序电压高，故保护负序功率方向元件KWN的灵敏度较高、

向上闭合触点的动作速度较快，因此能快速起动发信机发出高频闭锁信号。而远离故障点一

侧的短路负序功率虽然为正，但负序电压低，保护负序功率方向元件KWN的灵敏度较低、

向下闭合触点去起动出口继电器3的动作速度也较慢，这样，保证出口继电器3制动电流的

出现先于工作电流，保证了闭锁作用的可靠实现。

当保护范围内部故障时，两侧的负序短路功率为正，保护的负序功率方向继电器KWN

的触点均向下闭合，两侧保护的极化继电器2仅工作绕组有电流，满足动作条件，其触点闭

合后起动中间继电器3去挑闸，切除故障。

当各种原因导致静稳定遭到破坏引起系统振荡时，由丁没有负序功率，因此，负序功

率方向继电器及整套保护均不会误动作。而外部故障使动稳定遭到破坏引起系统振荡时，靠

近故障点一侧的负序短路功率方向为负，负序功率方向继电器能快速起动发信机发出高频闭

锁信号，闭锁两侧保护。

2、工频变化量方向元件

目前，高压线路微机保护中广泛采用工频变化量（突变量）原理的方向元件。以工频

正序和负序电压、电流变化量作为判据的方向元件，具有动作速度快、不受负荷电流和故障

17

类型影响的特点。

(1)工作原理

如图4-16所示，当电网发生故障时，根据叠加原理，其状态由正常运行状态和故障附

加状态叠加。如图4-16(c)所示，保护安装处工频变化量方向元件反应故障附加状态电压、

电流△)的变化量，因此不受系统振荡和负荷电流以及过渡电阻的影响，有很高的灵敏度。

图4-16故障状态叠加原理

(a)故障状态：(b)正常运行状态：(c)故障附加状态

根据对称分晟法，故障附加状态的正序故障附加状态如图4-17所示。通常系统正序阻

抗角和线路正序阻抗角取80°,则

如图4-17(a)所示，正方向故障时

arg^X=-110°(4-17)

△k

如图4-17(b)所示，反方向故障时

卜口、

arg—=80°(4-18)

可知，正序工频变化量功率方向元件正方向动作方程为

-110°<arg^X<-10°(4-19)

的

(2)正、反方向故障工频变化量方向元件和

如图4-17(a)所示，在大电源长线路末端故障时，由于Zsi较小，△么也较小，方向

元件的灵敏度可能不够。因此实际的工频变化量功率方向继电器将电压量补偿到线路佗某一

点o

18

MN

——-

-

r1uI

L

~<-

<Af

^^

A

——

_

—1-I

AI\

(a)(b)

图4-17正序故障附加状态

(a)正向故障附加状态：(b)反向故障附加状态

此外，系统和线路的负序阻抗角与正序近似相等，同时采用负序工频变化量可以进一

步提高继电器的灵敏度。

综上所述，工频变化量功率方向继电器正方向元件测量相角应取为

6=arg;<4-20)

正方向故障时°+*180。，功率方向继电器正方向元件动作：反方向故障时9+0°,

功率方向继电器正方向元件不动作。

反方向元件△£测量相先应取为

-△爆

(p_=arg—：―7^(4-21)

△10

正方向故障时8.^0°,功率方向继电器反方向元件不动作；反方向故障时

以x180°,功率方向继电器反方向元件动作。

式中\U[2=A"%-A42Zcw一经过补偿的正序、负序电压变化量综合分量，其中

Z网为补偿阻抗，当系统最大运行方式下

ZsZ>0.5时取0,其他情况取工频变化量阻抗

整定值的一半；

Z〃一模值为1的模拟阻抗，角度为系统阻抗先；

19

△乙=△〃】+心入一正序、负序电压变化置综合分量：

△/12=AA+处6一正序、负序电流变化量综合分量，其中M为转换因子，根

据不同故障选择相应的值以提高灵敏度。

如图4-18(a)所示，Z*为系统正序阻抗，假设系统负序阻抗角与正序阻抗角相同，则

正方向故障时工频变化量正序、负序电压为

s、(4-22)

△〃2=(4-23)

△(J=△〃]+柩〃2=-(△7]+=—AZI2Z51(4-24)

补偿正序、负序电压变化量综合分量

△”=一=-(A/Z+A/Z)

1251126W(4-25)

=-A，2(Zsi+Z皈)

正方向元件△入测量相角

A必

内二arg'；

△I\?ZD

=arg-"i2(Zsi+Z皈)_一(Zs[+Z9)

(4-26)

△iaDz0

=180°

功率方向继电器正方向元件△/：可■靠动作。

反方向元件△尺测量相角

—△〃oiZc]

(P-=argj=arg?1=arg_1

y(4-27)

=0°

功率方向继电器反方向元件可靠不动作。

如图4-18(b)所示，Z1为线路至对侧系统正序阻抗，则正方向故障时工频变化量正

序、负序电压为

AZ/.=A//；,(4-28)

△〃2=(4-29)

20

△U=1wAZ/'11+.，妫〃<26=bi1*21(4-30)

补偿正序、负序电压变化量综合分量

△"12=A〃12—\?Z(僦=bi\?Zs\-\i{2ZC0M

(4-31)

~+Z砌)

正方向元件△4测量相角

。+=arg

△'i2(Zi-Zcoy)_Ch-2阴)

=arg(4-32)

△i娘D

=0°

功率方向继电器正方向元件可靠不动作。

反方向元件△尺测最相角

—AU12——Z；］

9-=arg=arg=arg——

(4-33)

=180°

功率方向继电器反方向元件△尺可靠动作。

以上分析未规定故隙类型，因此工频变化量原理的方向元件在系统发生各种短路故障

时均能正确