第四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
8
8
"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
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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
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：
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。
04 输电线路纵联保护
1.2
第4章 输电线路纵联保护 本章内容
●
4.1输电线路纵联保护的基本原理与类型 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 4.2导引线纵联保护 4.3输电线高频保护基本概念 4.3输电线高频保护基本概念 4.4方向高频保护 4.4方向高频保护 思考题与习题
● ● ● ●
1.3
Ir =
I1M I M nTA
+
I1N I N nTA
(4-2)
式中 I k1
I M + I N I1M + I1N I M + I N I = k1 nTA nTA nTA nTA ——故障点的总电流, 故障点的总电流, 故障点的总电流 . Ir =
I k1 = I k1M + I k1N
由于
IM = IN
所以
Ir =
I M I N nTA
= I unb
1.11
第4章 输电线路纵联保护 4.2 导引线纵联保护
——不平衡电流 下面将详细说明 . 不平衡电流(下面将详细说明 不平衡电流 下面将详细说明). 当线路外部发生短路(如 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 时 情况相同,流入差动继电器的电流仍为不平衡电流, 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. 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 两侧的电流均为正. 见图4.2中的实 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 中的实 时 两侧的电流均为正 这时将反向(见图 线),此时流入差动继电器的电流为 , 式中 I unb
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
第四章输电线纵联保护
继电保护装置从TA,TV获取电压电流，形成或提取两端被比较的电气量特征，一方面 发送信息，一方面接收信息（通信通道），比较两端电气量特征，符合条件则动作 并告知对方。
Relay protection,copyright Zhang Jingjing I-2
4-1 输电线纵联保护概述
2、分类
A、按通道类型分 1)导引线纵联保护（需敷设导引线电缆） 2)电力线载波纵联保护（以线路为通道） 3)微波纵联保护 4)光纤纵联保护（短线路纵联保护主要通道形式） B、按保护动作原理分 1)方向比较式纵联保护（通道中传送逻辑信号） 2)纵联电流差动保护（通道中传送两侧电气量信号）
1、载波通道的构成 1)输电线路。 2)阻波器 由电感线圈和可变电容器并联组成的回路。f0为并联谐振的频率。 这样，高频讯号被限制在输电线范围内，而不穿越到相邻线路上。 50Hz工频电流阻波呈现较小阻抗，不影响其传输。
Relay protection,copyright Zhang Jingjing I-7
4-2 输电线纵联保护两侧信息的交换
8).高频收发讯机。 发讯机发出讯号，通过高频通道，送到对端收讯机中，也被自己的收讯机接收，高频 收讯机接收由本端和对端所发送的高频讯号，经过比较判断后，再动作于继电保护。 发讯分故障时发讯和长期发讯。
2、载波通道的特点
对于中长距离的输电线路，敷设专门的辅助导线，技术上、经济上是不合理的。 利用输电线路本身作为一个通道，在输电线传送50Hz工频电流的同时，迭加传送 一个讯号，以进行线路两端电气量的比较。讯号采用50～400kHz的高频电流。 1)无中继通信距离长（几百公里）； 2)经济，使用方便； 3)工程施工比较简单
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外部故障或正常运行
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2.两端功率方向的故障特征
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图4.3双端电源线路区内、外故障功率方向 （a）内部故障功率方向
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两边同向（母线流向线路）
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相量差 标量和
标量积
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电流差动保护的动作方程
（线路、变压器、发电机等）
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2.闭锁式方向纵联保护的构成
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4.14 闭锁式方向纵联保护的原理接线图
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4.3.3 闭锁式距离纵联保护
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图4.15 闭锁式距离纵联保护所用的阻抗元件的动作范围和时限
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4 电力线载波信号的种类
(1)闭锁信号 ； (2) 允许信号；
(3)跳闸信号；
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4.3.2闭锁式方向纵联保护 1.闭锁式方向纵联保护的工作原理
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图4.13 闭锁式方向纵联保护作用原理
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4.两端测量阻抗的特征
1）短路时,两端测量阻抗都是短路阻抗,一定位于距离保护II段的动作区 域内.两侧的II段同时动作；
2）正常运行时，两侧的测量阻抗是负荷阻抗，距离保护II段不启动；
3）发生外部短路时，两侧的测量阻抗也是短路阻抗，但一侧为反方向， 至少有一侧的距离保护II段不动作。
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1. 纵联电流差动保护的工作原理
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灵敏度要求
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(2)带有制动线圈的差动继电器特性
图4.3双端电源线路区内、外故障功率方向 （a）外部故障功率方向
外部故障或正常运行时，两端功率方向相反 （按母线流向线路方向为正）
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3.两侧电流相位特征
区内短路时,两侧电流同相位 正常运行和发生区外短路时,两侧电流相位差为180度
内部故障
外部故障或正常运行
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4.距离纵联保护
原理与方向比较式纵联保护相似，只是用方向阻抗元件替代功率 方向元件。
优点: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 不启动，减少了方向元件的启动次数，提高了保护可靠性。 一般的高压线路配备距离保护作为后备保护，距离保护的 II段作为方向元件，简化了纵联保护（主保护） 缺点：后备保护检查维修时，主保护被迫停运之不足。
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2. 输电线路纵联电流差动保护特性分析
(1)不带制动特性的差动继电器特性 动作方程
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注:对制动电流 I res 的最基本要求是区外短路时,计算得到的制动电流 应等于穿过线路的故障电流
制动电流的不同计算方法在内部故障灵敏度不同
相量差
标量和
比率制动方式
标量积
标积制动方式
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电力系统继电保护
Power System Relay Protection
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第四章 输电线路纵联保护
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4.3.2 闭锁式方向纵联保护
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1.闭锁式方向纵联保护的工作原理
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图4.14 闭锁式距离纵联保护的原理接线图
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4.4纵联电流差动保护
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4.4.1 纵联电流差动保护原理
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K-----制动系数,可在0~1之间选 择;Iop0很小的门限,克服继电器的动
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作机械摩擦或保证电路状态发生翻 转需要的值,很小
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两侧导引线线芯间电压大小相等方向相反，处在电压平衡状态， 这种模式也称为电压平衡原理 Enjoy Innovation
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4.2.2 电力线载波通信
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4.1.2输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析 1.两端电流相量和的故障特征
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图4.2双端电源线路区内外故障示意图 (a)内部故障
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内部故障
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图4.2双端电源线路区内外故障示意图 (b)外部故障
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