第三讲输电线纵联差动保护
输电线纵联保护
1
2
3
k
C 闭锁信号 D
4
5
6
思考题：为何设KA1、KA2两个启动元件？ 为何设t1、t2两个延时？
Y1
Y2
t2 0
跳闸
&
&
KW+ KA2 KA1
TV TA
0 t1
停收 启信
结合电容器
第四节 纵联电流差动保护
一、纵联电流差动保护原理
1. 工作原理
基尔霍夫定律
M IM
k1 IN N k2
Im
KD Ir
启信
TA
3）区外短路
结合电容器
2 KA1启信 闭锁 KW+ 不停信
4）单电源区内短路
本节课内容总结
1. 两侧电气量故障特征 2. 纵联保护的概念及优点 3. 纵联保护的分类（通道、原理） 4. 纵联保护的信息通道
载波通道的构成、工作方式、信号性质 5. 闭锁式方向纵联保护工作原理
A 闭锁信号 B
第四章
输电线路纵联保护
Pilot Protection for Transmission Lines
第一节 输电线路纵联保护概述
一、电流、距离保护的缺陷
M1
k2
2 N3
k1
反映：一侧电气量 缺陷：二段有延时，无法实现全线速动，
≥220kV 难以满足稳定性要求。
二、输电线路两侧电气量定值电流元件 起动发信
KA2: 高定值电流元件 停信
3. 故障时保护动作行为分析
A 闭锁信号 B
1
2
3
k
C 闭锁信号 D
4
5
6
1
Y1 1
Y2
纵联差动保护的原理
纵联差动保护的原理
纵联差动保护是一种用于保护电力系统中高压线路、变压器等设备的电气保护装置。
它的原理是通过比较保护范围内各个设备的电流，来检测是否有设备发生故障，并及时地切断故障电路，以避免故障扩大。
纵联差动保护装置通常由一台差动继电器和多个电流互感器组成。
电流互感器用于采集各个设备的电流信号，差动继电器则将这些信号进行比较，从而检测是否有设备故障。
当差动继电器检测到设备故障时，它会向保护范围内的断路器或隔离开关发送信号，使其切断故障电路。
需要注意的是，为了避免误动作，纵联差动保护装置还需要进行一系列的参数设置和测试，以确保其能够准确地检测故障并及时切断电路。
纵联电流差动保护意义
纵联电流差动保护意义纵联电流差动保护是电力系统中常用的一种保护方式，它的作用是检测电力系统中的电流差异，当电流差异超过设定值时，发出保护信号，切断故障电路，保护电力设备的安全运行。
本文将从纵联电流差动保护的原理、应用和发展趋势等方面进行探讨。
纵联电流差动保护是一种基于电流差异的保护方式，它通过比较电流差动值与设定值的大小来判断系统是否存在故障。
在电力系统中，各个相位的电流值应该是相等的，但当系统存在故障时，电流的分布会发生变化，导致电流差异产生。
纵联电流差动保护利用这种差异来进行故障检测和保护动作。
纵联电流差动保护的主要应用是在变电站和输电线路中。
在变电站中，电流差动保护可以用于保护变压器、发电机和母线等设备，及时切断故障电路，防止故障扩大。
在输电线路中，电流差动保护可以用于保护线路的安全运行，检测和切除故障电流，保证电力系统的可靠性。
纵联电流差动保护具有以下几个优点。
首先，它可以实现快速的动作，及时切断故障电路，减小故障损失。
其次，它具有灵敏度高、可靠性好的特点，可以检测到微弱的电流差异，有效保护电力设备的安全运行。
此外，纵联电流差动保护还具有自适应性，可以根据系统的变化自动调整保护参数，提高保护的准确性和稳定性。
纵联电流差动保护在近年来得到了广泛的应用和发展。
随着电力系统规模的不断扩大和电力设备的不断更新，对保护技术的要求也越来越高。
纵联电流差动保护作为一种成熟的保护方式，具有较高的可靠性和适应性，受到了广大电力工程师的青睐。
然而，纵联电流差动保护也存在一些问题和挑战。
首先，纵联电流差动保护对系统的接地方式有一定要求，需要保证系统的中性点接地可靠。
其次，纵联电流差动保护对系统的接线方式和电流互感器的布置也有一定的要求，需要满足一定的准确性和可操作性。
此外，纵联电流差动保护在应对复杂故障情况时可能出现误动作或漏动作的情况，需要进一步提高保护的灵敏度和准确性。
为了解决以上问题，纵联电流差动保护的发展方向主要有以下几个方面。
试析输电线路电流纵联差动保护的优缺点及存在问题的解决方法
试析输电线路电流纵联差动保护的优缺点及存在问题的解决方法作者：苏晓倩来源：《中国科技博览》2015年第16期[摘要]近年来，我国电力系统得到飞速的发展，高压线路的数量也在逐年在增多，输电线路的故障是电力系统中最常见的故障，因此输电线路的保护显得尤为重要。
线路保护的一个主要方法就是输电线路电流的纵联差动保护，但是现实中负荷电流等因素降低了电流纵联差动保护的安全性、稳定性。
输电线路电流纵联差动保护中的问题应给予重视并着手解决，以便于它在我国电力系统中发挥更重要的作用。
[关键词]输电线路电流纵联差动保护优缺点中图分类号：F428 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）16-0059-01高压线路中常遇到输电线路故障，而输电线路电流的纵联差动保护可以及时迅速的解决被保护线路上出现的故障。
这种保护在理论上具有高度的灵敏性和稳定性，但是在实际过程中有很多不可避免的因素制约其保护，如果能将这些问题的影响减小甚至彻底解决，将对未来我国电力系统的发展做出巨大的贡献。
一、输电线路电流纵联差动保护（一）定义及原理通过某种通讯通道将输电线路两端的保护装置纵向连接到一起，将电流、功率方向等各端电气量传送到对侧进行比较，来判断故障的位置是在本线路内还是本线路外，从而决定是否切除被保护线路的方法，被称为纵联差动保护。
理论上这种纵连保护具有绝对的选择性。
其原理是基尔霍夫电流定律，也叫做节点电流定律，即在电路中的任何一个节点上，无论什么时刻，流入节点的电流之和都等于流出节点的电流之和。
（二）优点与不足在理论上，纵联差动保护具有绝对的选择性，这使得电路故障发生时，纵联差动保护可以迅速准确的找到故障点，这就反映出它具有很高的灵敏度。
纵联差动保护不仅能够正确判断故障产生的位置，而且本身还具有选相功能，流入继电器的电流不会受到系统运作的影响，如系统震荡，系统的运行状况和非全相运行等问题。
在受到震荡时，电流纵联差动保护不会因此产生误动，仍然可以做出准确的选择，判断出发生故障的位置。
输电线路纵联保护概述
4.两端的测量阻抗的特征
M IM UM
IN N
k1
UN
正常负荷时测量阻抗 位于II段保护范围外；
区内故障时两侧的测 量阻抗都落在本段的II 段保护范围内，两侧II 段同时启动；
外部故障时有一侧保 护为反方向，不启动。
4.1.3 纵联保护的基本原理
1.纵联电流差动保护 利用线路两端的电流和的特征可以构成纵联差动保护。 正常运行或区外故障时，
4.1.1 输电线路纵联保护概述
输电线路的纵联保护结构如下图所示：
~
~
继电保护装置 通信设备
通信通道
继电保护装置 通信设备
一套完整的纵联保护包括：两端保护装置、通信设 备和通信通道。
3.通信通道的分类
导引线通信：通过敷设电缆传送电气量信息。 电力线载波通道：以电力线作为通信通道。 微波通道 光纤通信：经济、容量大、不受干扰，是目前主流。
4.1.3 纵联保护的基本原理
3.电流相位比较式纵联保护 由于测量误差和输电线路
分布电容的影响，两端电流的 不动作区 实际电流的相位差不可能恰好
等于0°或180°。所以保护的
动作区和不动作区如图所示。
动作区
4.1.3 纵联保护的基本原理
4.距离纵联保护 构成原理和方向比较式纵联保护相似，只是用方向阻抗
传传送送的的是是判电别气的量逻，辑信量息，量信较息大量，较并少且，要但求对两可侧靠信性息要同求步较采高集。，对 通道要求较高。
4.1.2 输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析
纵联保护是利用线路两端的电气量在内部故障与非故障 时的特征差异构成的。
线路发生内部故障与其它运行状态（外部故障和正常运 行）相比，电力线两端电流波形、功率方向、电流相位以及 两端的测量阻抗都有明显的差异，利用这些差异可以构成不 同原理的纵联保护。
纵联差动保护原理
纵联差动保护原理
纵联差动保护是一种电力系统中常用的保护方式，用于检测和保护主变压器、发电机、母线等重要设备的故障。
其基本原理是比较设备两侧电流的差值，当差值超过设定值时，即认为发生了故障，触发保护动作。
纵联差动保护的工作原理可以分为两个阶段：采样和比较。
首先，在设备两侧分别安装电流互感器，采样得到两侧电流的信号。
这些信号经过放大和调节后，送入差动继电器。
差动继电器进行差动计算，即计算两侧电流的差值。
如果差值低于设定值，差动继电器保持动作，表示系统正常。
但当差值超过设定值，差动继电器即判定为发生故障，触发保护装置的动作。
纵联差动保护的核心是差动继电器，其内部包含了一个差动计算单元和一个保护决策单元。
差动计算单元计算两侧电流的差值，并将结果送入保护决策单元。
保护决策单元根据计算结果，进行故障判定和相应的保护动作。
纵联差动保护的设计要考虑到系统的复杂性和可靠性。
在设计时，需要合理选择互感器的参数、差动计算的方式和设定值。
此外，还需要考虑到与其他保护装置的协调工作，使整个保护系统能够快速、准确地检测和定位故障，并采取适当的措施进行隔离和保护。
综上所述，纵联差动保护通过比较设备两侧电流的差值来检测和保护设备的故障。
它是一种重要的电力系统保护方式，能够有效地提升系统的可靠性和安全性。
电流速断保护与纵联差动保护介绍
D
缺点：不能保护线路的全线， 需要与其他保护配合使用
2
纵联差动保护
原理与特点
01
原理：利用线路两端电流的相量和差值进行保护
02
特点：快速响应、灵敏度高、选择性强
03
应用：适用于长距离输电线路、变压器、发电机等设备的保护
04
优点：能够有效防止系统振荡和故障扩大，提高电力系统的稳定性和可靠性
适用范围
04
局限性：不能保护线路全长，需要与 其他保护配合使用
适用范围
适用于短路故障 适用于大容量变压器 适用于高压输电线路 适用于发电机和电动机等设备
优缺点分析
优点：动作迅速，能快速切 断故障电流，减少设备损坏
A
优点：简单可靠，不需要复 杂的计算和设置
C
B
缺点：不能保护线路全长， 只能保护线路的一部分
网故障
保护方案选择
01 电流速断保护：适用于短路电流较大的系统， 如变压器、发电机等
02 纵联差动保护：适用于短路电流较小的系统， 如输电线路、配电线路等
03 混合保护方案：根据系统特点和需求，选择 合适的电流速断保护和纵联差动保护组合
04 自适应保护方案：根据系统运行状态，自动 调整保护方案，提高保护效果
05
电流速断保护：适用于低压系统，保护成本低
0 6 纵联差动保护：适用于高压系统，保护成本较高
优缺点比较
01 电流速断保护：优点
是动作迅速，缺点是 保护范围有限，不能 保护线路全长。
02 纵联差动保护：优点
是保护范围大，可以
保护线路全长，缺点
是动作时间相对较慢。
03 电流速断保护适用于
短路故障，纵联差动 保护适用于接地故障。
纵联差动
继电 部分
（3）通道的作用是传递高频信号。
三、 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”
收信机 发信机
收信机 发信机
收信机 发信机
收信机 发信机
1）高频阻波器(2)
高频阻波器是一个由电感和电容构成的并联谐振回路， 其参数选择得使该回路对高频设备的工作频率发生并联 谐振。 因此高频阻波器呈现很大的阻抗。高频阻波器串联在线 路两端，从而将高频信号限制在被保护线路上传递，而 不致分流到其他线路上去。
以此构成比相系统，由比位差是0°或近于0°时， 保护判断为被保护范围内部故障， 应瞬时动作切除故障；
b.若两侧流相位差为180°或接近于180°时， 保护判断为外部故障，应可靠地不动作。
为了满足以上要求，采用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来构成保护。 当短路电流为正半周时，使它操作高频发信机发 出高频信号，而在负半周时则不发出信号，如此 不断地交替进行。
4.4
一、微波保护构成
其他保护
跳 闸 通道（空间） 继电 部分 收信机 发信机 通信部分 收信机 发信机 继电 部分
跳 闸
微波是波长小于1m的电磁波，它包含三个波段: (1)分米波:波长为10cm~1m，频率为3000~300MHz 的微波，称特高频； (2)厘米波:波长为1~10cm，频率为30000~3000MHz 的微波； (3)毫米波:波长＜1cm的微波。
二、相差高频保护原理图：
保护 保护
保护
保护 保护
保护
(1)当被保护范围内部K1点故障，两侧电流皆 从母线流向线路，其方向为正且相位相同。 (2)当被保护线路外部K2点故障时，两侧电流 相位差为180°。
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一、输电线路的纵联差动保护
元件环流法纵联差动保护的特点：
正常运行时导引线中存在环流； 继电器反应于电流而动作； 适用于变压器、发电机和母线。
10
一、输电线路的纵联差动保护
4.输电线的环流法纵联差动保护
正常运行或外部故障
继电器端电压较小，不动作
11
一、输电线路的纵联差动保护
正常运行或外部故障
I J 1 I1m I 2 m
1 (I1M I 2 M ) 0 n
I J 2 I1n I 2 n
1 (I1N I 2 N ) 0 n
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二、平行双回线路的横联保护
2.横联方向差动保护原理分析 线路1内部故障
当被保护线路外部故障时，两端电流相位差180°，两端 发信机交替发信，通道中有连续的高频电流通过，收信机 的接收端收到连续高频电流，输出解调为连续直流信号， 闭锁比相元件，保护不动作。 当被保护线路内部故障时，两端电流同相位，两端发信机 同时发信，同时停信，所以通道流通着断续的高频电流， 收信机也收到断续的高频电流，输出时有时无的方波脉冲， 在无方波脉冲输出地半个周波里，开放比相电路，保护动 作切除故障。由于动作时间只有半个周波（10ms），不 足以保证跳闸的可靠性。因此增加脉冲展宽元件，把短脉 冲展宽，以保证有足够的跳闸时间。
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一、输电线路的纵联差动保护
导引线的阻抗和分布电容对保护的影响
当纵差动保护用于较长的输电线时，导引线的阻抗增大， 使隔离变压器GB的二次负载增大，因而使GB的传变误差 增大。 为了减小其二次负载，可以提高GB的变压比，但将使导 引线上的分布电容电流和漏电流增大，同样增大GB的传 变误差； GB二次电压过高时，将出现设备和人身安全，以及设备 的管理体制等问题。 纵差动保护只适于用在较短（一般应在20 km以下）而且 重要的输电线上。
3
一、输电线路的纵联差动保护
1.电流保护和距离保护的缺陷
改进措施
保护的I段定值整定为线路全长的80%~85%； 带时限的第II段切除对于其余的15%~20%线路段上的 故障； 对于某些重要线路采用纵联保护；
4
一、输电线路的纵联差动保护
2.纵联差动保护的基本原理
纵联差动保护的基本原理是同时比较被保护线路 始端和末端电流的电气量，判断故障是否在本线 路范围之内。 导引线纵联差动保护是最简单的一种用辅助导线 或称导引线作为通道的纵联保护。
22
一、输电线路的纵联差动保护
环流法的稳态不平衡电流分析
不平衡电流主要受励磁电流 影响
CT铁芯越饱和，励磁电流越 大，随之增加二次电流的误差； 一次电流确定时，二次负荷越 大，铁芯越饱和； 二次负荷确定时，一次电流越 大，铁芯越饱和；
23
一、输电线路的纵联差动保护
对CT的要求
36
三、高频保护概述
3.高频保护的构成
①继电保护部分 ②高频收、发信机 ③高频通道组成
37
三、高频保护概述
4.高频通道的构成原理
相-地制高频通道的构成示意图。
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三、高频保护概述
5.高频通道的工作方式
（1）“长时发信”方式 在正常运行情况下，收、发信机一直处于发信和收信工作状态，高频 通道中始终有高频信号通过。 （2）“短时发信”方式 在正常运行情况下，收、发信机一直处于不工作状态，高频通道中没 有高频信号通过。只有在系统中发生故障时，发信机才由起动元件起 动，高频通道中才有高频信号通过。 （3）“移频”方式 在正常运行情况下，发信机向对侧传送频率为f1的高频电流；其作用 是闭锁保护和对通道进行连续检查。当发生故障时，继电保护装置控 制发信机移频，停止发送频率为f1的高频电流，而发出频率为f2的高 频电流。
29
二、平行双回线路的横联保护
1.横联方向差动保护的原理
通过比较两回线路短路电流大小和方向，从而有选择地切 除故障线路。 装设在平行线路的两侧，每一侧将两回线路电流互感器的 二次侧用差接方式连接，并将继电器的电流线圈接入差电 流回路中。
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二、平行双回线路的横联保护
2.横联方向差动保护原理分析
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三、高频保护概述
1.高频保护基本原理
将线路两端的电流相位或功率方向转化为高频信号，然后， 利用输电线路本身构成的高频（载波）电流通道，将此信 号送至对端，以比较两端电流的相位或功率方向的一种保 护。
35
三、高频保护概述
2.高频保护的分类
按照工作原理的不同，可以分为两大类：
①方向高频保护：比较被保护线路两侧的功率方向 ②相差高频保护：比较被保护线路两侧的电流相位
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三、高频保护概述
6.高频信号的作用
（1）跳闸信号 高频信号是跳闸的充要条件 （2）允许信号 高频信号是跳闸的必要条件，但不是充分 （3）闭锁信号 收不到高频信号是跳闸的必要条件
PR
跳闸 信号
1
跳闸 脉冲
PR
允许 信号
&
跳闸 脉冲
PR
闭锁 信号
&
跳闸 脉冲
40
18
一、输电线路的纵联差动保护
6.输电线纵差动保护的动作特性
相位特性
当电流增大时，使保护误动作的相位差减小； 电流幅值大的时候可靠性高。
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一、输电线路的纵联差动保护
6.输电线纵差动保护的动作特性
复数比特性 两端电流的复数比描述保护动作特性； M ) 保护的动作量= f ( I IN 使保护动作的方程
IM f( )0 IN
圆外为动作区
20
一、输电线路的纵联差动保护
7.影响输电线纵差动保护正确工作的因素
电流互感器的误差和不平衡电流； 导引线的阻抗和分布电容； 导引线的故障和感应过电压；
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一、输电线路的纵联差动保护
CT误差和不平衡电流的影响
故障的特征量包含在一次电流中； 动作的判断依据是二次电流； 一切导致一次电流到二次电流错误变换的因素都会引起继 电器误动作； 一切导致一次电流到二次电流错误变换的表现就是不平衡 电流的存在。
四、相差高频保护
1.相差高频保护工作原理
比较被保护线路两侧电流的相位—即利用高频信号将电流 的相位传送到对侧去进行比较，这种保护称为相差高频保 护。
41
四、相差高频保护
2.相差高频保护的构成
相差高频保护主要部分包括起动元件，操作元件和比相元 件。
42
四、相差高频保护
3.相差高频保护的工作原理
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一、输电线路的纵联差动保护
短路电流示例
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一、输电线路的纵联差动保护
CT的选型
为了保证纵差动保护的选择性，差动继电器的起动电流必 须躲开最大不平衡电流Ibp.max； 因此，Ibp.max越小，保护的灵敏性就越好，故如何减小不 平衡电流就成为一切差动保护的中心问题； 为减小不平衡电流，对于输电线纵差动保护以及其它纵差 动保护应采用型号相同、磁化特性一致、铁心截面较大的 高精度的电流互感器，在必要时，还可采用铁心磁路中有 小气隙的电流互感器。
4.输电线的环流法纵联差动保护
正常运行或外部故障
继电器端电压较大，动作
12
一、输电线路的纵联差动保护
环流法的特点
正常运行时导引线中存在环流； 当导引线发生开路故障时，保护要误动； 当导引线发生短路故障时，保护要拒动。
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一、输电线路的纵联差动保护
5.输电线的均压法纵联差动保护
接线图：
14
一、输电线路的纵联差动保护
均压法的特点
正常运行时导引线两端电压相等，方向相反； 导引线开路，保护拒动； 导引线短路，保护误动。
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一、输电线路的纵联差动保护
环流法和均压法的比较
在导引线发生故障的情况下，导引线纵联差动保护不能正确工作； 装有导引线监视和电力系统故障检测元件时，仅导引线发生故障是不 会误跳闸的； 当被保护线路与导引线几乎同时发生故障时，保护装置不正确工作是 不可避免的； 如果被保护线路先发生故障，由于导引线纵联差动保护的动作时间很 快，一般在导引线故障前能可靠发出跳闸脉冲，保护不会拒动； 如果导引线先发生故障，由于这类事故常由外力破坏引起，导引线大 多属于开路故障，因此环流式的保护不受影响，能正确跳闸，而均压 式的保护将拒绝动作。 因此，通常多采用环流式接线的导引线纵联差动保护。
纵差保护的二次负荷一定，铁芯饱和程度主要受一次电流 影响； 当发生故障时，一次电流较大，铁芯饱和； 内部故障时，继电器必须动作，无需考虑不平衡电流的影 响； 因此，只需考虑外部故障时，出现不平衡电流的问题。 CT容量满足10%误差曲线时，不平衡电流的稳态值计算
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一、输电线路的纵联差动保护
暂态不平衡电流
故障发生后，电网会经过短暂的过渡过程到达稳态运行； 暂态过程中存在幅值衰减的周期分量和缓慢衰减的非周期 分量； CT主要针对工频设计，几乎不能将缓慢变化的非周期分 量变换到二次侧，而成为励磁电流； 二次侧也存在非周期分量，增加了励磁电流； 暂态过程中，励磁电流、不平衡电流大大超过稳态；