第4章 输电线路纵联保护
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第四章输电线路纵联保护(华电继保课件)
二,基本原理
高频信号 高频信号
S+
S S+
S+ S
S+
区外故障时,由短路功率为负的一端发 闭锁信号,此信号被两端的收信机接收 闭锁保护. 对于故障线路,两侧保护均为正,不发 闭锁信号,故两侧保护都收不到闭锁信 号而动作于跳闸.
优点
由于利用非故障线路的一端发闭锁信 号,闭锁非故障线路不跳闸,而对于 故障线路跳闸不需要闭锁信号,所以 在区内故障伴随通道破坏时,保护仍 能可靠跳闸.
8
8
"相-地"制高频通道示意图
高频电缆
2
3
1 将位于主控室的高频收,发 将位于主控室的高频收,发 2 3 信机与户外变电站的带通滤 信机与户外变电站的带通滤 波器连接起来. 波器连接起来.
7
6
4
5 5
4
6
7
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"相-地"制高频通道示意图
保护间隙
2
保护间隙是高频通道的 保护间隙是高频通道的 1 辅助设备,用它保护高频收 辅助设备,用它保护高频收 3 3 发信机和高频电缆免受过电 发信机和高频电缆免受过电 压的袭击. 压的袭击.
三,闭锁式方向纵联保护的构成
I1低定值起动元件:灵敏度较高,起动发信机 发信; I2高定值起动元件:灵敏度较低,起动保护的 跳闸回路;
三,闭锁式方向纵联保护的构成
采用两个灵敏度不同的起动元件,灵敏度高 的起动发信机发闭锁信号,灵敏度低的起动跳 闸回路,以保证在外部故障时,远离故障点侧 起动元件开放跳闸时,近故障点侧起动元件肯 定能起动发信机发闭锁信号.
3. 微波通道(300～30000MHZ)----微波保护
频带宽,需采用脉冲编码调制,适合于数字式保 护,不经济.(40 ～ 60kM)
第四章纵联保护n
将线路两端电流互感器二次电流直接通过专门铺 设的导引线传送至对端保护二次回路，成为导引 线纵联保护。 特点： 信息无须加工，直接传送至对端，因而基本不存在同步 问题 保护原理一般采用电流差动原理，故也称导引线差动保 护。 简单可靠，不受系统运行方式影响，不受振荡影响
当用于输电线路时，采用如下两种接线方式：
传输效率低、高频信 号衰减大、受干扰也 大。但高频加工设备 省掉一半，造价便宜
与输电线路结合紧密，传 输效率高，但用的高频加 工设备多，造价高。
（二）电力线载波通道特点
工作带宽窄：50-400kHz。过低易受工频干扰，过高衰 耗太大 无中继通信距离长。可达几百公里。 经济方便，无须铺设其他信道，可与输电线路同步建设。 通信速率低，仅适合传送逻辑信号。因而适合于纵联方 向、纵联距离、纵联相差动保护。
阻波器
频率特性
L、C并联谐振回路，谐振于载波频率。 对载波电流：Z>1000Ω——————限制在本线路。 对工频电流：Z<0.04Ω——————畅流无阻。
结合电容器的容量很 小，对工频电流有很 大的阻抗，能阻止工 频电流侵入高频收发 信机，而对高频电流， 则阻抗很小，高频电 流可以顺利通过。
• 带通滤波器 ①通高频、阻工频 ②阻抗匹配：输电线路波阻抗约400Ω，高频 电缆波阻抗约100 Ω
原理接线图 A 灵敏度高 灵敏度低 功率方向元件 极化继电器：只有工作线圈单独通电时动作 外部故障
(B)
1起动 A端 2起动
1起动 B端 2起动
发闭锁信号 4的常闭触点 停发信号 3动作 4触点打开 5工作线圈通电 4的常闭触点 发闭锁 两端5制动 信号 线圈通电 3不动作
A
(B)
内部故障
φ
I M
当用于输电线路时，采用如下两种接线方式：
传输效率低、高频信 号衰减大、受干扰也 大。但高频加工设备 省掉一半，造价便宜
与输电线路结合紧密，传 输效率高，但用的高频加 工设备多，造价高。
（二）电力线载波通道特点
工作带宽窄：50-400kHz。过低易受工频干扰，过高衰 耗太大 无中继通信距离长。可达几百公里。 经济方便，无须铺设其他信道，可与输电线路同步建设。 通信速率低，仅适合传送逻辑信号。因而适合于纵联方 向、纵联距离、纵联相差动保护。
阻波器
频率特性
L、C并联谐振回路，谐振于载波频率。 对载波电流：Z>1000Ω——————限制在本线路。 对工频电流：Z<0.04Ω——————畅流无阻。
结合电容器的容量很 小，对工频电流有很 大的阻抗，能阻止工 频电流侵入高频收发 信机，而对高频电流， 则阻抗很小，高频电 流可以顺利通过。
• 带通滤波器 ①通高频、阻工频 ②阻抗匹配：输电线路波阻抗约400Ω，高频 电缆波阻抗约100 Ω
原理接线图 A 灵敏度高 灵敏度低 功率方向元件 极化继电器：只有工作线圈单独通电时动作 外部故障
(B)
1起动 A端 2起动
1起动 B端 2起动
发闭锁信号 4的常闭触点 停发信号 3动作 4触点打开 5工作线圈通电 4的常闭触点 发闭锁 两端5制动 信号 线圈通电 3不动作
A
(B)
内部故障
φ
I M
第4章 输电线路纵联保护
第四章 输电线路纵联保护 Pilot Protection for Transmission Lines
4.1 输电线路纵联保护概述 4.1.1 引言
电流保护和距离保护，其测量信息均取自输电线路的一侧，无法 区分本线路末端短路与相邻线路出口短路，无法实现全线速动。 输电线路的纵联保护，就是用某种通信通道将输电线两端或各端 的保护装置纵向连接起来，进行各端电气量的比较，以判断故障 在本线路范围内或外，从而决定是否动作。 图4.1
4.4 纵联电流差动保护
4.4.3 纵联 电流相位 差动保护
1、原理：
相差高频保护的构成
I 1、故障启动发信元件：不对称短路I 2I 和对称短路I -低定值 II 2、启动跳闸元件：I 2II 和I -高定值 +KI -以其正半波发高频电流 3、发信元件操作元件：I
1
2
4、收信比较时间t3元件
动作方程
I K I I I I m n m n op 0
4.4 纵联电流差动保护
4.4.2 两侧电流的同步测量 GPS 图4.23
1、纵联电流差动保护对传输容量和传输速度（数据同步）要求很高， 电力载波通道不能满足要求，一般用于短线和发电机、变压器、母线 上； 2、在微波、光纤和GPS技术成熟时，才在远距离线路上获得应用.
4.2.2 电力线载波通讯
2、电力线载波通道的特点
优点：
（1）无中继，通讯距离长； （2）经济、使用方便； （3）工程施工比较简单。 缺点： （1）易受高压线路的干扰； （2）速率低，难于满足纵联电流差动保护实时的要求。一般用来传递 状态信号，用于构成方向比较式纵联保护和电流相位比较式纵联保 护
4.2.2 电力线载波通讯
4.1 输电线路纵联保护概述 4.1.1 引言
电流保护和距离保护，其测量信息均取自输电线路的一侧，无法 区分本线路末端短路与相邻线路出口短路，无法实现全线速动。 输电线路的纵联保护，就是用某种通信通道将输电线两端或各端 的保护装置纵向连接起来，进行各端电气量的比较，以判断故障 在本线路范围内或外，从而决定是否动作。 图4.1
4.4 纵联电流差动保护
4.4.3 纵联 电流相位 差动保护
1、原理：
相差高频保护的构成
I 1、故障启动发信元件：不对称短路I 2I 和对称短路I -低定值 II 2、启动跳闸元件：I 2II 和I -高定值 +KI -以其正半波发高频电流 3、发信元件操作元件：I
1
2
4、收信比较时间t3元件
动作方程
I K I I I I m n m n op 0
4.4 纵联电流差动保护
4.4.2 两侧电流的同步测量 GPS 图4.23
1、纵联电流差动保护对传输容量和传输速度（数据同步）要求很高， 电力载波通道不能满足要求，一般用于短线和发电机、变压器、母线 上； 2、在微波、光纤和GPS技术成熟时，才在远距离线路上获得应用.
4.2.2 电力线载波通讯
2、电力线载波通道的特点
优点：
（1）无中继，通讯距离长； （2）经济、使用方便； （3）工程施工比较简单。 缺点： （1）易受高压线路的干扰； （2）速率低，难于满足纵联电流差动保护实时的要求。一般用来传递 状态信号，用于构成方向比较式纵联保护和电流相位比较式纵联保 护
4.2.2 电力线载波通讯
电力系统继电保护 第四章输电线路的纵联保护
只有在两端保护的I段有重叠区时才能实现全线速动。
3 微波通信
频段为300~30000MHz，超短波的无线电波，频带宽，信息传输容量大，传 输距离不超过40~60km；距离较远时，要装设微波中继站，以增强和传递微 波信号。通信速率快，可用于纵联电流差动原理的保护。
4 光纤通信
1.光纤通信的构成
光发射机、光纤、中继器和光接收机。
（2）正常时有高频电流方式（长时发信） 在正常工作条件下发信机始终处于发信状态，沿高 频通道传送高频电流。
优点：高频通道部分经常处于监视的状态，可靠性高；且无 需收、发信机启动元件，简化装置。 缺点：经常处于发信状态，增加了对其他通信设备的干扰时 间；也易受外界高频信号干扰，应具有更高的抗干扰能力。
（希望不动） 一侧为正 一侧为负
内部故障 （希望动作）
两侧均为正
一侧动作 一侧不动作
两侧均动作
电流相位 相位差 180
接近同相
如何应用这些特征？后面陆续予以介绍。
纵联保护：用某种通信信道将输电线 路两端的保护装置纵向联结起来，将 一端电气量（电流、功率方向等）传 到对端进行比较，判断故障在本线路 范围内还是范围之外，从而决定是否 切除被保护线路。
根据通道的构成，输电线路载波通信分为： “相-相”式 连接在两相导线之间 “相-地”式 连接在输电线一相导线和大地之间
1、输电线路载波通信的构成
继电
部分
G R
输电线路
高频阻波器 耦合电容器
连接滤波器 高频电缆
G 高频通道部分 R
接 地 开 关
继电
部分
(1)阻波器：阻波器是由 一电感线圈与可变电容器 并联组成的回路。当并联 谐振时，它所呈现的阻抗 最大（1000Ω以上），利 用这一特性，使其谐振频 率为所用的载波频率。这 样的高频信号就被限制在 被保护输电线路的范围以 内，而不能穿越到相邻线 路上去。但对工频电流而 言，阻波器仅呈现电感线 圈的阻抗，数值很小（约 为0.04Ω左右），并不影 响它的传输。
3 微波通信
频段为300~30000MHz，超短波的无线电波，频带宽，信息传输容量大，传 输距离不超过40~60km；距离较远时，要装设微波中继站，以增强和传递微 波信号。通信速率快，可用于纵联电流差动原理的保护。
4 光纤通信
1.光纤通信的构成
光发射机、光纤、中继器和光接收机。
（2）正常时有高频电流方式（长时发信） 在正常工作条件下发信机始终处于发信状态，沿高 频通道传送高频电流。
优点：高频通道部分经常处于监视的状态，可靠性高；且无 需收、发信机启动元件，简化装置。 缺点：经常处于发信状态，增加了对其他通信设备的干扰时 间；也易受外界高频信号干扰，应具有更高的抗干扰能力。
（希望不动） 一侧为正 一侧为负
内部故障 （希望动作）
两侧均为正
一侧动作 一侧不动作
两侧均动作
电流相位 相位差 180
接近同相
如何应用这些特征？后面陆续予以介绍。
纵联保护：用某种通信信道将输电线 路两端的保护装置纵向联结起来，将 一端电气量（电流、功率方向等）传 到对端进行比较，判断故障在本线路 范围内还是范围之外，从而决定是否 切除被保护线路。
根据通道的构成，输电线路载波通信分为： “相-相”式 连接在两相导线之间 “相-地”式 连接在输电线一相导线和大地之间
1、输电线路载波通信的构成
继电
部分
G R
输电线路
高频阻波器 耦合电容器
连接滤波器 高频电缆
G 高频通道部分 R
接 地 开 关
继电
部分
(1)阻波器：阻波器是由 一电感线圈与可变电容器 并联组成的回路。当并联 谐振时，它所呈现的阻抗 最大（1000Ω以上），利 用这一特性，使其谐振频 率为所用的载波频率。这 样的高频信号就被限制在 被保护输电线路的范围以 内，而不能穿越到相邻线 路上去。但对工频电流而 言，阻波器仅呈现电感线 圈的阻抗，数值很小（约 为0.04Ω左右），并不影 响它的传输。
第4章 输电线纵联保护
A
1
闭锁信号
2
B
3
k
C
4 5
闭锁信号
6
D
故障线路： 两端功率方向均为正，无闭锁信号，保护动作。 非故障线路： 功率方向为负的一侧发闭锁信号，将两侧保护闭锁。
区内故障伴有通道损坏时，保护能否正确动作？ 区内故障伴有通道损坏时，保护能否正确动作？
A
1
B
闭锁信号
2 3
k
C
4 5
D
闭锁信号
6
闭锁信号：故障线路的保护不受通道损坏的影响能够可靠 动作，不会拒动； 非故障线路的保护受通道损坏的影响会误动。
电信号－ 电信号－光信号 缺点： 缺点：需中继 原理： 原理：纵联电流分相差动保护 光纤 优点： 抗干扰、 优点：通信容量大、抗干扰、节省金属材料等
第三节 方向比较式纵联保护
一、闭锁式方向纵联保护
1. 工作原理
正常时: 无高频电流; 正常时: 无高频电流; 故障时：功率方向为负侧发送高频闭锁信号； 故障时：功率方向为负侧发送高频闭锁信号； 功率方向为正侧不发高频信号。 功率方向为正侧不发高频信号。
特点： 反映两TA间任意点故障） TA间任意点故障 特点： 绝对选择性 （反映两TA间任意点故障）
M
k1
N k2
四、纵联保护基本原理 1. 纵联电流差动 －两端电流相量和特征
& & & & ΣI = IM + I N = I K1 & & & ΣI = I + I ≈ 0
M N
& & IM + I N ≥ Iset
功率方向元件的输入量：工频故障分量 功率方向元件的输入量：
1
闭锁信号
2
B
3
k
C
4 5
闭锁信号
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D
故障线路： 两端功率方向均为正，无闭锁信号，保护动作。 非故障线路： 功率方向为负的一侧发闭锁信号，将两侧保护闭锁。
区内故障伴有通道损坏时，保护能否正确动作？ 区内故障伴有通道损坏时，保护能否正确动作？
A
1
B
闭锁信号
2 3
k
C
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D
闭锁信号
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闭锁信号：故障线路的保护不受通道损坏的影响能够可靠 动作，不会拒动； 非故障线路的保护受通道损坏的影响会误动。
电信号－ 电信号－光信号 缺点： 缺点：需中继 原理： 原理：纵联电流分相差动保护 光纤 优点： 抗干扰、 优点：通信容量大、抗干扰、节省金属材料等
第三节 方向比较式纵联保护
一、闭锁式方向纵联保护
1. 工作原理
正常时: 无高频电流; 正常时: 无高频电流; 故障时：功率方向为负侧发送高频闭锁信号； 故障时：功率方向为负侧发送高频闭锁信号； 功率方向为正侧不发高频信号。 功率方向为正侧不发高频信号。
特点： 反映两TA间任意点故障） TA间任意点故障 特点： 绝对选择性 （反映两TA间任意点故障）
M
k1
N k2
四、纵联保护基本原理 1. 纵联电流差动 －两端电流相量和特征
& & & & ΣI = IM + I N = I K1 & & & ΣI = I + I ≈ 0
M N
& & IM + I N ≥ Iset
功率方向元件的输入量：工频故障分量 功率方向元件的输入量：
第四章 输电线路纵联保护
第四章第四章输电线路纵联保护1/912/914.1.1 输电线纵联保护概述为此，设法将被保护元件两端为此，设法将被保护元件两端为此，设法将被保护元件两端((或多端或多端))的电气量进行同时比较进行同时比较,,以便判断故障在区内？还是区外？ 将两端保护装置的信号纵向联结起来，构成将两端保护装置的信号纵向联结起来，构成纵联保护。
——与横向故障的称谓进行对应比较（后面再用图例说明“纵、横”的区别）。
仅利用线路一侧的电气量所构成的继电保护（单仅利用线路一侧的电气量所构成的继电保护（单端电气量），无法区分本线路末端与相邻线路（或元件）的出口故障，如：电流保护、阻抗保护。
单端电气量保护：仅利用被保护元件的一侧电气量，无法区分线路 仅利用被保护元件的一侧电气量，无法区分线路末端和相邻线路的出口短路，可以作为后备保护或出口故障的第二种保护。
（通常设计为：三段式）。
（通常设计为：三段式）。
纵联保护：利用被保护元件的各侧电气量，可以识别：内部 利用被保护元件的各侧电气量，可以识别：内部和外部的故障，但是，不能作为后备保护。
3/914.1.2 两侧电气量的特征分析、讨论特征的目的：寻找内部故障与其他工况（正常运行、外部故障 寻找内部故障与其他工况（正常运行、外部故障）的特征区别和差异 ——>提取判据，构成继电保）的特征区别和差异护原理。
当然，构成原理后，再分析影响因素；并研究消 当然，构成原理后，再分析影响因素；并研究消除影响因素的对策、措施（需要权衡利弊）。
6/91一、两侧电流相量和瞬时值和))的故障特征一、两侧电流相量和((瞬时值和基尔霍夫电流定律：在一个节点中，流入的电流等于流出的电流。
按照继电保护规定的正方向：按照继电保护规定的正方向：——指向被保护元件。
那么，基尔霍夫电流定律可以修改为：在任何一 那么，基尔霍夫电流定律可以修改为：在任何一个节点中，流入的电流之和等于0。
下面，用图例说明。
下面，用图例说明。
继电保护 第4章 输电线路纵联保护
第四章
输电线路纵联保护 k1
ＩＮ
二、输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析 1.线路两端电流相量和的故障特征 ＩM M 电流的正方向规定：由母线－－线路 正常运行或区外故障： I IM IN 0 内部故障： SM I IM IN IK1
N
k2
SＮ
2.线路两端电流相位的故障特征 假定全系统阻抗角均匀，两侧电动势角相等 正常运行或区外故障：两侧电流相位相差180º 内部故障：两侧电流相位相同 ３.线路两端功率方向的故障特征 功率的正方向规定：由母线－－线路 正常运行或区外故障：两端功率方向相反 内部故障：两侧功率方向相同 ４.线路两端测量阻抗的故障特征 正常运行：两端测量阻抗是负荷阻抗 区外故障：两端测量阻抗是短路阻抗，但一侧是反方向 内部故障：两端测量阻抗是短路阻抗，位于距离保护I I段内，瞬纵联保护的基本原理 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构成纵联电流差动保护 正常运行或区外故障： I I I 0 M N 内部故障： I I I I
M N K1
I M I N I set 电流保护的动作判据 2.电流相位比较式纵联保护 （纵联电流相位差动保护） 利用输电线路两端电流相位的特征差异， 比较两端电流的相位关系 构成电流相位比较式纵联保护 3. 方向比较式纵联保护 线路两端功率方向的故障特征 4.距离纵联保护 用阻抗元件替代功率方向元件， 构成原理和方向比较式纵联保护相似
K set
I k.min Ir 2 I set I set
m n
（２）带制动特性的差动继电器特性 动作线圈 I I 制动线圈 制动特性 动作方程
Im In I m I n K I m I n I op0
第4章 输电线路纵联保护
当区外故障时，被保护线路近短路点一侧为功率方向 为负，2和5发出闭锁信号，两侧收信机收到闭锁信号后将 各自保护闭锁。 当区内故障时，线路两端的短路功率方向均为正， 发信机均不向线路发送闭锁信号，保护的起动元件不被 闭锁，瞬时跳开两侧断路器。
4.3.2电流启动方式的高频闭锁方向保护
线路每一侧的半套保护中装有两个高低灵敏度的电流启动元件 KA1和KA2，灵敏度较高KA1（整定值小）用来启动高频发信机发送 闭锁信号，而灵敏度低的KA2（整定值大）则用来启动保护的跳闸 回路。 方向元件S用来判别短路功率的方向，只有测得正方向故障时才 动作。
保护装置 光 CH TX 光纤 纤 光纤 接 Ａ RX 口 复 用 接 口 E1 ... 复 E1 用 接 口 光纤 光纤 保护装置 RX CH 光 纤 TX Ａ 接 口
SDH.E
SDH.E
SDH 2Mbit/s复用方式结构
2) 通信性能影响因素
(1) 时钟方式 (2) 光功率及通道裕度 (3) 抗干扰屏蔽要求 (4) 匹配问题
4.5.4光纤保护的发展趋势及应用前景
目前，在电力网络通信领域广泛使用的是以电复用为基本工作原 理的SDH/SONET同步数字体系，它具有强大的保护恢复能力和固 定的时延性能。由于采用电复用来提高传输容量具有一定的局限性， 尤其是在高速扩容及复杂拓扑结构的电力网络中渐渐难以满足组网 的要求，因此，从目前的电复用方式转向光复用方式将是电力光纤 网络的必然发展方向。
输电线路的纵联保护通过比较流过两端电流的幅值、两 端电流相位和流过两端功率的方向等，利用信息通道将一 端的电气量或其用于被比较的特征传送到对端，比较两端 不同电气量的差别构成不同原理的纵联保护。
如图：
M N
继电保护装置 高频信号 通信设备 通信通道