电力系统继电保护 第4章 输电线路纵联保护

电力系统继电保护原理Protection

PrincipleofPowerSystem白雪峰1第4章输电线路纵联保护•

第1节输电线路纵联保护概述•

第2节输电线路纵联保护两侧信息的交换•

第3节方向比较式纵联保护•

第4节纵联电流差动保护2第1节

输电线路纵联保护概述•仅反映线路一侧的电气量不可能快速区分本线路末端和对侧母线（或相邻线始端）故障，因此采

用电流、距离保护等阶段式保护的配合，对于线

路末端故障需要采取这些保护的II段延时切除。•这在220kV及以上电压等级的电力系统中难于满

足系统稳定性对快速切除故障的要求。•实践表明，反映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、快速的切除全线任意点短路的目的。3输电线路纵联保护概述•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，也就是说在线路两侧

之间发生纵向的联系，以这种方式构成的保护称

之为输电线路的纵联保护。•输电线路的纵联保护比较的电气量可以是流过两端的电流、流过两端电流的相位和流过两端功率

的方向等，不同电气量的差别构成不同原理的纵

联保护。•一套完整的纵联保护包括两端的保护装置、通信设备和通信通道。纵联保护按照利用信息通道的

不同类型可以分为：导引线保护、载波保护、微

波保护和光纤保护。4输电线路纵联保护概述•纵联保护在应用下列通道时应考虑以下特点：(1)导引线通道。需要铺设导引线电缆，其投资随线路

长度而增加，线路较长时不经济。导引线越长，自身

运行安全性越低，自身分布参数直接影响保护性能，限制了在较长线路中的应用。(2)电力线载波通道。利用输电线路构成通道，不需架

设专门通道，应用广泛。输电线路机械强度大，运行

安全可靠。但在线路故障时，通道可能遭到破坏。(3)微波通道。微波通道是一种多路通信通道，具有很

宽的频带，可以传送交流电的波形。是理想通道，但

保护专用微波通道及设备不经济，需综合考虑。5输电线路纵联保护概述(4)光纤通道。与微波通道具有相同的优点，近年来光纤通

道称为短线路纵联保护的主要通道形式。按照保护动作原理，纵联保护可以分为两类：(1)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、区段内的判断结果送到对侧。

每侧保护根据两侧的判别结果区分是区内故障还是区外故

障。传送逻辑信号，信息量少，可靠性要求高。(2)纵联电流差动保护。保护利用通道将本侧电流的波形送

到对侧，每侧保护利用两侧电流的幅值和相位比较结果区

分区内、区外故障。信息传输量大，要求同步采集，实现

技术要求较高。6输电线路纵联保护概述•

输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析•

纵联保护是利用线路两端的电气量在故障与非故障时的特

征量差异构成保护的。当线路发生区内、区外故障时，电

力线两端的电流波形、功率方向、电流相位以及两端的测

量阻抗都有明显的差异，据此可以构成不同原理的纵联保

护。•1.两端电流相量和的故障特征。•

根据基尔霍夫电流定律，正常运行或外部故障的输电线路，在不考虑分布电容和电导的影响时，任何时刻其两端

电流相量和等于零。故障时故障点有短路电流流出，两端

电流相量和等于流入故障点的电流。7输电线路纵联保护概述•2.两侧功率方向的故障特征。•发生区内故障时，两端功率方向为母线流向线路，两侧功率方向相同，同为正方向。•发生区外故障时，远故障点端功率由母线流向线路，

功率方向为正，近故障点端功率由线路流向母线，功

率方向为负，两侧功率方向相反。8输电线路纵联保护概述•

3.两端电流相位特征•

发生区内短路时，两侧电流同相位；•

正常运行和区外短路时，两侧电流相位差180度。•

4.两端测量阻抗的特征•

线路区内短路时，输电线路两端的测量阻抗都是短路阻

抗，一定位于距离II段的动作区内，两侧II段同时启动；•

正常运行时两侧测量阻抗为负荷阻抗，距离II段不启动；•

发生区外短路时，两侧的阻抗也是短路阻抗，但一侧为反

方向，至少有一侧的距离保护II段不启动。9输电线路纵联保护概述•

纵联保护的基本原理•根据输电线两侧电气量在正常运行、区外故障和区内短路时的特征差异，可以构成不同原理的输电线路纵

联保护。•

1.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。•发生区内短路时，电流相量和为短路电流；•正常运行和外部短路时，由于受TA误差、线路分布电容等因素影响，实际上不为零，电流相量和应大于一

门槛值。10输电线路纵联保护概述•2.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反的特征可以

构成方向比较式纵联保护。•

当系统中发生故障时，两端保护的功率方向元件判别流过本端的功率方向，功率方向为负者发出闭锁

信号，闭锁两端保护，称为闭锁式方向纵联保护；•或者功率方向为正者发出允许信号，允许两端保护

跳闸，称为允许式方向纵联保护。11输电线路纵联保护概述•3.

电流相位比较式纵联保护•利用两端电流相位的差异，比较相位关系构成电流相位比较式纵联保护。两端保护将本侧电流正负半波信息转换为表示电流相位的信号，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。•

当输电线路内部短路时，两端电流相角差为零，保护

动作，跳开本端断路器。•正常运行或区外故障时，两端电流相角差为180度，保护不动作。•考虑互感器误差等影响，实际区外故障两端电流相角差近似为180度，区内故障两侧电流也不完全同相位。12输电线路纵联保护概述•

4.距离纵联保护•构成原理和方向比较式纵联保护相似，只是用阻抗

原件代替功率方向元件。•

当故障发生在保护II段范围内时相应的方向阻抗元件

才启动。•

当故障发生在距离保护II段以外时相应的方向阻抗元件不启动，减少了方向元件的启动次数，从而提高

了保护的可靠性。•一般高压线路配备距离保护作为后备，距离保护II段

作为方向元件，简化了纵联保护（主保护），但导

致后备保护检修主保护被迫停运的不足。13第2节

输电线路纵联保护两侧信息的交换•输电线路保护目前常用的通信方式有：导引线通信、

电力线载波通信、微波通信、光纤通信等。•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称为导

引线通信。以此为通道构成的保护称为导引线纵联保

护。•导引线纵差保护的优点是不受电力系统振荡的影响、

不受非全相运行的影响、简单可靠、技术成熟等。•缺点是保护性能和投资受导引线长度影响。线路越

长，安全可靠性越低，投资越大。14输电线路纵联保护两侧信息的交换•电力线载波通信•

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。•电力线载波的方式主要有两种：一种是高频收、发信机通

过结合电容器连接在输电线路两相导线之间，称为“相—相”

制；另一种是高频收、发信机通过结合电容器连接在输电

线一相导线与大地之间，称为“相—地”制。“相—相”制高频

通道的衰耗小，但所需加工设备多，投资大；•“相—地”制高频通道传输效率低，但所需加工设备少，投

资较小。目前，国内外一般都采用“相—地”制，高频通道。15输电线路纵联保护两侧信息的交换电力线载波通信的构成•

1.

高频阻波器•高频阻波器是由电感和电容组成的50Hz并联谐振回

路，串接在输电线的工作相中，它对工频的阻抗很小，一般小于0.04Ω;对高频载波电流具有很高阻抗，其值约大于l000Ω,这样高频信号就被限制在被

保护线路范围内，不会穿越到相邻线路上去，以免产

生不必要的损耗和造成对其他高频通道的干扰。•

2.耦合电容器•耦合电容器与连接滤波器共同配合，将载波信号传递至输电线路，同时使高频收发信机与工频高压线路绝

缘。由于耦合电容器对于工频电流呈现极大的阻抗，

故由它所导致的工频泄漏电流极小。17电力线载波通信的构成•

3.连接滤波器•连接滤波器和耦合电容器构成一个带通滤波器，连接于高压输电线路与高频电缆之间。当在其带通范围内

的高频信号通过时，所产生的衰耗应为最小，高频信

号能高效率地通过，当工频电流通过时，则产生的衰

耗应尽可能地大，从而能使工频电流截止。•

4.

高频电缆•高频电缆是将位于主控制室的高频收、发信机与户外变电站的带通滤波器连接起来的导线，以便用最小的

衰耗传送高频信号。18电力线载波通信的构成•

5.保护间隙•保护间隙是高频通道的辅助设备，作为过电压保护用，当线路上遭受雷击产生过电压时，通过放电间隙

击穿接地，以保护收、发信机不致被击毁。•

6.高频收、发信机•发信机部分由继电保护来控制，通常是在电力系统发生故障时，保护部分启动之后它才发出信号，但也有采用长期发信方式的。•

由发信机发出的高频信号，通过高频通道输送到对端

收信机接收，也可以被自己一端收信机接收。•高频收信机接收到本端和对端所发送的高频信号后，

经过比较和判断后，决定继电保护动作跳闸或闭锁。19电力线载波通道的特点•

通道传输信号的频率范围一般为50～400kHz，载频过低受

工频干扰太大，载频过高将对中波广播等产生严重干扰，同时能量损耗大增。作为一段时间内电力系统应用最广的

通信手段，具有以下优点：•

1.无中继通信距离长。载波通信距离可达几百公里，中间

不需要信号的中继设备。•

2.经济、使用方便。使用电力线载波通道的装置与载波机

之间的距离很近，都在同一变电所内，投资省。•

3.工程施工比较简单。工作都在变电所内，基本上不需另

外进行基建工程，能较快的建立起通信。•

缺点：高压输电线上的干扰直接进入载波通道；通信速率

低，难以满足实时性要求。20电力线载波通道的工作方式•输电线路纵联保护载波通道工作方式分为三大类：正常无高频、正常有高频和移频方式。我国常用正常无

高频方式。•(1)正常无高频方式。正常工作条件下不发信，故障期间由保护启动元件启动发信。为了确知通道完好，采

用手动和自动定期检查的方法检查通道。•(2)正常有高频方式。正常工作条件下处于发信状态。通道处于监视状态。增加了对其他通信设备的干扰；

外界对高频信号干扰时间长，抗干扰能力要求高。•(3)移频方式。正常工作和故障条件下分别发不同频率

的高频电流。能监视通道工作情况，提高通道可靠性，抗干扰能力强。但占用频带宽，通道利用率低。21电力线载波信号的种类•

根据高频通道传送的信号在保护中所起的作用不同，可以

分为闭锁信号、允许信号、和跳闸信号。•

闭锁信号是指：出现高频信号构成不跳闸的充分条件，没

有高频信号仅是跳闸的必要条件，后者和保护装置的动作

行为组成“与”

门，构成跳闸的充分条件。•

允许信号是指：出现高频信号仅构成跳闸的必要条件，必

须再和保护装置的动作行为组成“与”

门，才构成跳闸的充

分条件。没有高频信号则构成不跳闸的充分条件。•

跳闸信号是指：出现高频信号就构成跳闸的充分条件，不

论保护装置是否动作。可见它与继电保护的动作信号之间

是“或”

的逻辑关系。22电力线载波信号的种类•采用闭锁信号的优点是可靠性高，线路故障对传送闭锁信号无影响，所以在以输电线路作高频通道时，广泛采用这种信号方式，缺点是这种信号方式要求两端保护元件动作时间和灵敏系数应很好配合，所以保护结构复杂，动作速度慢。•采用允许信号的主要优点是动作速度快，在主保护双重化的情况下，可以利用一套闭锁信号，另

一套用允许信号。•采用跳闸信号的优点是能从一端判定内部故障，缺点是抗干扰能力差，多用于线路变压器组上。23电力线载波信号的种类•如果按照高频信号的比较方式，高频信号还可分为间接比较方式和直接比较方式两种。•所谓间接比较方式是指：高频信号仅将本侧交流继电器对故障的判断结果传送到对侧去，线路两侧保护根据两侧交流继电器对故障判断的结果作出最终判断。所以高额信号间接代表交流电气量，可以简单地用高

频电流的有或无来代表逻辑信号的“是”或“非”。这种方

式对通道要求简单，被广泛采用。•所谓直接比较方式是指：高频信号直接将两侧交流电气量传送到对侧，在两侧保护的继电器中直接比较两侧的交流电气量，然后作出故障判断。由于这种比较方式要传送交流量，比较复杂，在实际使用的高频保护中一般只传送代表电流相位的高频信号。24电力线载波信号的种类•需要注意的是，应该将“高频信号”与“高频电流”两个概念区分开来。•所谓高频信号是指线路一端的高频保护在故障时向

线路另一端的高频保护所发出的信息。因此，在经

常无高频电流(故障时发信方式)的通道中，故障时

发出高频电流的出现就是一种信号。•在经常有高频电流(长期发信方式)的通道中，当故

障时将高频电流停止或改变其频率也是代表一种信

号。25微波通信•从20世纪50年代开始，微波通信在电力系统中开始

得到应用。•与电力线载波相比，微波通信频带要宽得多，信息传输容量要大得多。•微波通信纵联保护使用的频段属于超短波无线，传输距离不超过40～60km。如果两个变电站之间的距离

超出了这个范围，就要装设微波中继站。•微波通道的建设往往是根据电力系统通信的总体需要同意安排的，微波纵联保护的信息传递只使用微波通道容量的一小部分。26微波通信•微波通信纵联保护具有以下特点：•

1.有一条独立于输电线路的通信通道，输电线路上的

干扰对通信没有影响；通道的检修不影响输电线路运行。•2.扩展了通信频段，可以传递的信息容量增加、速率

加快。•3.受外界干扰小，通信误码率低，可靠性高。•4.输电线路的任何故障都不会使通道工作破坏。微波只能在视线距离内传播的特点决定了在通信距离

较远时，必须架设中继站，通道价格较贵。27光纤通信•

以光纤作为信号传递媒介的通信称为光纤通信。光

纤通信网正称为电力通信网的骨干网，光纤通信在

电力系统通信中得到越来越多的应用。特点如下：•

1.通信容量大。•2.可以节约大量的金属材料，经济效果可观。•3.保密性好，不怕雷击，不受外界电磁干扰。•4.具有无感应性能，极为可靠。光纤通信的主要缺点是通信距离还不够长，在长距

离通信时需要中继器及其附加设备。28第3节

方向比较式纵联保护•

闭锁式方向纵联保护的工作原理•目前电力系统中广泛使用由电力线载波通道实现的

闭锁式方向纵联保护，采用正常无高频，区外故障

发闭锁信号的方式工作。此闭锁信号由功率为负的

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。29方向比较式纵联保护•

闭锁式方向纵联保护的特点•这种按闭锁信号构成的保护只在非故障线路上才传

送高频信号，而在故障线路上并不传送高频信号。•

因此，在故障线路上，由于短路使高频通道可能遭

到破坏时，并不会影响保护的正确动作，这是它的

主要优点，也是这种高频信号工作方式得到广泛应

用的主要原因之一。30方向比较式纵联保护•

闭锁式距离纵联保护•方向比较式纵联保护可以快速切除保护范围内的各种故障，但却不能作为变电所母线和下级线路的后备。•距离保护可以作为变电所母线和下级线路的后备，因此经常把两者结合起来构成闭锁式距离纵联保护。•使得区内故障时能够瞬时动作，而在区外故障时则具有不同的时限特性，起到后备保护的作用。•实际上是由两端完整的三段式距离保护附加高频通信部分组成。•共用距离保护中的主要元件，因此后备保护检修时，

主保护被迫停运，运行检修灵活性不足。31方向比较式纵联保护•功率倒向对方向比较式纵联保护的影响•K点故障，1QF先于2QF跳闸。1QF跳闸前线路II中短

路功率由B侧流向A侧，B侧功率方向为正，方向元件

动作，并准备跳闸，A侧功率方向为负，向B侧发出

闭锁信号，因此线路两端保护不动作。•

1QF跳闸后，2QF跳闸

前，线路II中短路功率突

然倒向，由A侧流向B侧。

方向元件在短路功率倒向时如果动作不协调就

会出现误动作。32方向比较式纵联保护•

1QF跳闸后，2QF跳闸前，线路II中A侧功率方向由负

变正，功率方向元件动作，停止发信并准备跳闸。•此时线路II的B侧功率方向由正变负，方向元件应立即返回并向A侧发闭锁信号。但是可能A侧的方向元件动

作快，B侧的方向元件返回慢，于是有一段时间两侧方向元件均处于动作状态，造成线路II保护误动。•解决方法是增加延时返回元件，发信元件动作后延

时返回。33第4节

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，具有良好的选择性，能灵敏、快速的切除保护内

的故障，被广泛应用于能方便取得被保护元件两端电

流的发动机保护、变压器保护中。34纵联电流差动保护工作原理35纵联电流差动保护工作原理•

流入差动继电器(或称为差动回路)的电流为•当线路外部发生短路时，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，但短路时一

次侧电流为短路电流，比正常时的负荷电流大

得多，所以短路时的不平衡电流要大得多。36•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，其动作条件可表示为纵联电流差动保护工作原理•

当线路内部发生短路时37纵联电流差动保护工作原理•在保证外部短路不误动的前提下，为了提高内部故障时保护动作的灵敏度，在实际应用中，通常用实际短

路电流Ik产生的不平衡电流代替最大短路电流Ik.max产

生的不平衡电流，可按下式计算。.

.I

=

0.5I

−

Ires

mnIres

=0.5(I.m

+I.n

)

•在差动继电器设计中，I

res起制动作用，称为制动电

流，差动电流Ir起动作作用，称为动作电流。•

电流差动保护动作方程为

Ir

>Kres

Ires38纵联电流差动保护工作原理

•制动电流采用以上三种形式时，区外故障时都能可

靠不动作，区内故障时灵敏度不同。•式1和式2分别为线路两端二次电流的向量差和标量和，统称为比率制动方式。式3为标量积，称为标积制动方式。区外故障和正常运行时，式1和式2效果相同。但在双侧电源内部短路时，式1有更高的灵敏度。对于标积制动方式，单电源内部短路时，两个

电流量有一为零，此时灵敏度最高。39纵联电流差动保护特性分析不带制动特性的差动继电器特性。

其动作方程为.

.Ir

=

Im

+

In

≥

Iset动作电流整定值通常按以下两个条件选取。(1)躲过外部短路时的最大不平衡电流。(2)躲过最大负荷电流。带制动特性的差动继电器特性。这种原理的差动继电器有两

组线圈，制动线圈流过I.

m

−

I.n

，在正常运行和外部短路时

制动作用增强，在动过线圈中流过

I.m

+

I.n

，在内部短路时制

动作用减弱，动作作用极强。.

..

.其动作方程为

Im

+

In

−

KIm

−

In

≥

Iop提高了内部短路时的灵敏性和外部短路时不动作的可靠性。40纵联电流相位差动保护•纵联电流差动保护既比较线路两侧电流的大小又比较相位，要求进行相量比较，两端数据比较严格同步，对传输设备的容量和速率有较高要求，主要用于发电机、变压器等集中参数元件上。近年来随着微波、光纤等通信技术的发展，纵联电流差动保护才在远距离输电线路上得到广泛应用。•仅利用输电线路两端电流相位在区外短路时相差180度、

区内故障时相差为零，也可以区分区内区外短路，这就是纵联电流相位差动保护原理。•此时只需要两端传递各自的相位信息，并将对端的相位信息与本端相位信息比较，因而在远距离输电线路的载波保护中获得了广泛的应用。41纵联电流相位差动保护•为了保证在任何外部短路条件下保护都不误动，需

要分析区外短路时两侧收到的高频电流之间不连续

的最大时间间隔，即对应的工频相角差。•一般而言外部短路时两侧相差180。；经过电流互感

器后，两侧二次电流最大误差不超过7。；经过保护

装置中滤序器及收发信操作回路误差，两侧不超过

15。；高频信号在输电线路上传播，工频角延迟为

LX6。/100。•

因而保护闭锁角为φb

＝7。＋15。＋LX6。/100+φ

y•线路两侧电流相角差在180。±φb范围内时，保护不

动作。42影响纵联电流差动保护正