【电力系统继电保护原理】第4章输电线路纵联保护
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电力系统继电保护 第四章输电线路的纵联保护
两侧均为正 两侧均动作 接近同相
（希望不动）
方向元件 阻抗元件 电流相位
一侧为正 一侧为负
一侧动作 一侧不动作
相位差 180
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。 可以实现本线路全长范围内任意一点 故障的零秒切除的保护。 纵联保护没有后备保护功能
(3) 微波通道 是一种多路通信通道，频带宽，可传送交流电 的波形。是理想的通道，但保护专用微波通道 是不经济的。 (4) 光纤通道 •采用光纤作为通信通道，目前超高压线路在 架线时已同时架设光纤通道，所以，已被越来 越多的超高压线路采用。
B. 按保护动作原理分：
(1) 方向比较式纵联保护
两侧的保护装置将本侧的功率方向、测量阻
继电保护通信通道的选择原则
优先考虑采用光纤通道
其他……
4.3 方向比较式纵联保护
一、概念
以正常无高频电流而在区外故障时发 出闭锁信号的方式构成。此闭锁信号 由短路功率为负的一侧发出，这个信 号被两端的收信机所接收，而把保护 闭锁，故称闭锁式方向纵联保护（高 频闭锁方向保护）。
两侧功率方向的故障特征
纵联保护按通道类型分类
纵联保护信号传输方式： （ 1 ）以导引线作为通信通道：纵联差 动保护 （ 2 ）电力线载波：高频保护（方向高 频保护，相差高频保护），其中方向高 频保护又包括高频闭锁方向保护，高频 闭锁负序方向保护，高频闭锁距离保护； （ 3 ）微波：微波保护，长线路，需要 中继站；
(2) 耦合电容器（滤波、隔工频） 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。
（希望不动）
方向元件 阻抗元件 电流相位
一侧为正 一侧为负
一侧动作 一侧不动作
相位差 180
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。 可以实现本线路全长范围内任意一点 故障的零秒切除的保护。 纵联保护没有后备保护功能
(3) 微波通道 是一种多路通信通道，频带宽，可传送交流电 的波形。是理想的通道，但保护专用微波通道 是不经济的。 (4) 光纤通道 •采用光纤作为通信通道，目前超高压线路在 架线时已同时架设光纤通道，所以，已被越来 越多的超高压线路采用。
B. 按保护动作原理分：
(1) 方向比较式纵联保护
两侧的保护装置将本侧的功率方向、测量阻
继电保护通信通道的选择原则
优先考虑采用光纤通道
其他……
4.3 方向比较式纵联保护
一、概念
以正常无高频电流而在区外故障时发 出闭锁信号的方式构成。此闭锁信号 由短路功率为负的一侧发出，这个信 号被两端的收信机所接收，而把保护 闭锁，故称闭锁式方向纵联保护（高 频闭锁方向保护）。
两侧功率方向的故障特征
纵联保护按通道类型分类
纵联保护信号传输方式： （ 1 ）以导引线作为通信通道：纵联差 动保护 （ 2 ）电力线载波：高频保护（方向高 频保护，相差高频保护），其中方向高 频保护又包括高频闭锁方向保护，高频 闭锁负序方向保护，高频闭锁距离保护； （ 3 ）微波：微波保护，长线路，需要 中继站；
(2) 耦合电容器（滤波、隔工频） 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。
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。
继电保护第四章-纵联保护
4. 输电线路纵联保护（Unit Protection）结构
继电保 护装置
通信设备
• 导引线 • 载波 • 光通信纤信道 • 微波
继电保 护装置
通信设备
继电保护装置
实现电气量采集并形成电气量特征，完成保护任务。
通信设备
将上述信息发送至对端的保护设备，同时接收对端保护发送的
信息并送至本端保护单元
通信信道
故障分量方向元件的特点
不受负荷状态的影响 不受故障点过渡电阻的影响 正、反方向短路时，方向性明确 无电压死区 不受系统振荡影响
（二） 闭锁式方向纵联保护
1. 工作原理
以高频通道经常无电流而在外部故障时发出闭
锁信号的方式构成。
闭锁信号
A1
B
2
3
闭锁信号
C
4
5
6D
F
对AB线路为外部故障，2处功率方向均为 负，发闭锁信号，1、2保护被闭锁。
导引线通信应用：
高压电网超短线路（几公里）。 用于变压器、发电机等电力设备和母线。
（二） 电力线载波通信
采用输电线路本身作为信息传输媒介，在传输电能的同时 完成两端信息的交换。 （一）通道的构成
1
2 76
3 45 89
3
2
4 5
67
98
1.传输线 2.阻波器 3.结合电容器 4.连接滤波器 5.高频电 缆 6.保护间隙 7.安全接地开关 8. 高频收发信机 9.保护 继电器
3. 电气元件故障时两端电气量的特征分析
所选电气量
区内故障 特征
区外或正常 运行时特征
保护原理
功率方向
均指向被保 护元件
一端指向被 保护元件反
电力系统继电保护——4输电线纵联保护
高频信号
A
~1
B
k
C
2
3
4
5
D
6
~
Sk
Sk
Sk
Sk
动作原理
• 保护3和4的功率方向为正，不发出闭锁信号
• 保护2和5的功率方向为负，发出闭锁信号，被本端和 对端收信机接收，闭锁保护1、2、5、6
构成方式：高频通道经常无电流；外部故障时由 短路功率方向为负的一端发出闭锁信号
• 可以保证内部故障并伴随通道破坏时，保护仍然能够 正确动作
8. 高频闭锁距离保护的原理接线
tIII 0
跳闸
Z III
距离III段
0 t1
Z II
t2 0
距离II段(带方向)
&
GFX
通道
GSX
跳闸
&
tII 0
ZI
距离I段(带方向)
万一通信通道损坏，动作情况如何？请讨论
4.4 输电线纵联差动保护
——光纤纵差保护
1. 动作原理
(1) 正常运行或区外故障时
IM1
Y2
T2
D
6
~
Sk
GFX GSX
通道
Y3
跳闸
&
保护1：KW和KA2动作，准备好跳闸回路；可是，保护2的KW 功率方向为负，发出闭锁信号，该信号被两侧的保护的收信机 收到，Y3被闭锁，两侧保护均不能动作。
注意：保护2的发信机必须起动，以保证外部故障时不误动
4. 工作情况分析——两端供电内部故障
高频信号
正常运行或区
外故障时： I I M I N 0
差动保护补充概念
差动的含义：正常运行或者外部故障时，两个电
电力系统继电保护-4 输电线路纵联保护..
4.1.2 输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析
• 纵联保护需要利用线路两端的电气量在故障与非故障时的特征差异构成保护。
（图4-2：双端电源线路内、外部故障示意图）
4.1.3 纵联保护的基本原理
• 1 纵联电流差动保护
•
考虑CT误差、线路分布电容等因素的影响，动作判据实际上应为：
•
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异的特征构成方向比较式纵联保护。
4.1.3 纵联保护的基本原理
• 3 电流相位比较式纵联保护 两端保护各将本侧电流的正、负半波 信息转换为表示电流相位并利于传送 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相位信号比较。
（图4-4：电流相位比较式纵联保护动作区示意图）
4.1.1 引言
• 一般纵联保护可以按照所利用通道类型或保护动作原理进行分类：
4.1.1 引言
• 一般纵联保护可以按照所利用通道类型或保护动作原理进行分类：
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、 纵联电流差动保护——利用通道将本侧电流 区段内的判别结果传送到对侧,每侧保护装 的波形或代表电流相位的信号传送到对侧, 置根据两侧的判别结果，区分是区内还是区 每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位比较 外故障。 的结果区分是区内还是区外故障。 这类保护在通道中传送的是逻辑信号，而不 这类保护在每侧都直接比较两侧的电气量， 是电气量本身，传送的信息量较少，但对信 信息传输量大，并且要求两侧信息采集的同 息可靠性要求很高。按照保护判别方向所用 步，实现技术要求较高。 的原理可分为方向纵联保护与距离纵联保护。
4.2 输电线路纵联保护两侧信息 的交换
继电保护第四章输电线路纵联保护
继电保护第四章输电线路纵联保护第四章输电线路纵联保护§4－1 输电线纵联差动⼀、基本原理：1.反应单侧电⽓量保护的缺陷：∵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。
原因：（1）电⽓距离接近相等。
（2）继电器本⾝测量误差。
（3）线路参数不准确。
(4)LH、YH有误差。
（5）短路类型不同。
（6）运⾏⽅式变化等。
2. 输电线路纵联差动保护：（1）输电线路的纵联保护：（P129 第⼆⾃然段）。
（2）导引线纵联差动保护：⽤导引线传送电流（⼤⼩或⽅向），根据电流在导引线中的流动情况，可分为环流式和均压式两种。
（P131 图4-2）⾃学。
例：环流法构成了导引线纵联保护：线路两侧装有相同变⽐的LH正常或区外短路：Im1=-In1∴ Im2=-In2I J=Im2+In2=0 J不动区内短路：I J=Im2+In2=（Im1+ In1）/n LH = I d/ n LH > I d z( 同时跳两侧DL)←J动作可见纵联差动保护的范围是两侧LH之间，理论上具有绝对选择性可实现全线速动。
但它只适⽤于< 5～7公⾥的短线路。
若⽤于长线路技术上有困难且经济上不合理。
（P136 标题2）它在发电机、变压器、母线保护中应⽤得更⼴泛（后述）3. 纵联保护信号传输⽅式：（1）辅助导引线（2）电⼒线载波：⾼频保护（3）微波：微波保护（4）光纤：光纤保护§4-2输电线的⾼频保护⼀、⾼频保护概述：⾼频保护的定义：（P136）分类：按照⼯作原理分两⼤类，⽅向⾼频保护和相差⾼频保护。
* ⽅向⾼频保护：⽐较被保护线路两侧的功率⽅向。
* 相差⾼频保护：⽐较被保护线路两侧的电流相位。
⼆、⾼频通道的构成：有“相-相”和“相-地”两种连接⽅式∨“我国⼴泛运⽤”构成⽰意图P137 图4-71. 阻波器：L 、C 并联谐振回路，谐振于载波频率。
对载波电流：Z>1500Ω——————限制在本线路。
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
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I N1
*
*
I M 2
*
I N2
I r I
区内故障：
Ir IM2 IN2 (IM1 IN1) / nLH Ik / nLH Idz 动作
*高频闭锁距离保护
高频闭锁距离保护与高频闭锁方向保护的构成和 原理相似，其起动元件是利用距离保护的起动元件。 跳闸回路将功率方向元件换成了方向阻抗继电器。 是在距离保护的基础上加设高频部分。该保护能瞬 时切除被保护线路上任何一点的故障，而当发生外 部故障时，利用距离保护本身的特点，可按不同的 时限动作，起到后备保护的作用。当高频保护部分 故障或退出时，距离保护仍能继续工作。但当距离 保护故障或退出时，高频保护部分不能独立运行。
第四章 输电线纵联保护
主要内容
4.1 纵联保护的基本概念 4.2 高频通道及高频信号 4.3 方向纵联保护 4.4 纵联电流差动保护 4.5 高频闭锁距离保护
4.1 输电线纵联保护概述
一、反应单侧电气量保护的缺陷
1、 Ⅰ段保护不能保护线路全长 2、 不能实现全线速动
60～70%
A
两侧瞬时动
B
1
不需要与相邻线路保护配合，理论上具 有绝对的选择性。
纵联保护结构框图：
TA TV
TA TV
继电保护装置 通信设备
通信通道
继电保护装置 通信设备
三、信息通道的类型
1. 导引线通道----导引线纵联差动保护 2. 电力线载波通道----高频保护
3. 微波通道（300～30000MHZ）----微波保护
2
15～20%
15～20%
一侧瞬时动，另一侧0.5s后动
二、输电线路纵联保护的概念
输电线路纵联保护：利用通信通道将一
端的电气量信息传送到另一端，继电保护装
置综合两侧的信息，来判断故障发生在区内
还是区外。 A+
- B+
k
C
+
QF1
QF2 QF3
QF4
电气量信息：电流相量、电流相位特征、功率方向、
测量阻抗特征等。
I1
0 ms t1
1
I2
&
t3 ms 0
S+
GFX GSX
1
A
B
C
D
k
1
23
45
6
举例：纵联电流差动保护
*
I M 1
I N1
*
I M 2
K
* *
I N2
I r I
正常运行或区外故障：
IM1 I N1 IM2 I N2 Ir IM2 IN2 0 不动作
举例：纵联电流差动保护
*
I M 1
K
二、基本原理
高频信号
高频信号
A S
1
S
B
S
23
k SC S
45
S D
6
✓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。
三、闭锁式方向纵联保护的构成
4. 光纤通道----光纤保护
采用脉冲编码调制PCM方式，光信号不受干扰。
四、纵联保护的分类及实际应用
按照保护动作原理分为： 纵联电流差动保护； 方向比较式纵联保护； 高频闭锁距离保护 电流相位比较式纵联保护；
主保护的双重化
4.2 输电线路高频保护
一、高频通道工作方式
(1) 正常无高频电流方式 (短期发信方式) 正常运行情况，发信机不发信 故障时，发信机发信
信号
短期发信方式
一、高频通道工作方式
(2)正常有高频电流方式(长期发信方式) 正常运行情况下，收、发信机一直处于发信和 收信工作状态
信号
长期发信方式
一、高频通道工作方式
(3)移频方式
f1
f2
f1
信号
移频发信方式
二、高频信号的应用
可分为跳闸信号、允许信号和闭锁信号。
(1) 跳闸信号
(或)
保护
元件
≥1
跳闸
跳闸 信号
二、高频信号的应用
(2) 允许信号保护 元件来自允许 信号(与)
&
跳闸
二、高频信号的应用
(3) 闭锁信号
(否)
保护
元件
1
跳闸
闭锁 信号
4.3 闭锁式方向纵联保护
一、概念
以正常无高频电流而在区外故障时发 出闭锁信号的方式构成。此闭锁信号由短 路功率为负的一侧发出，这个信号被两端 的收信机所接收，而把保护闭锁，故称闭 锁式方向纵联保护。