第四章 电网差动保护和高频保护

第四章 电网差动保护和高频保护 4.1纵联差动保护 （一）线路纵联差动保护原理 阶段式保护不能够瞬时切除全线任意处故障，为实现全线速动，应该采用差动保护。如图4.1所示，

．

图4.1 线路纵联差动保护P

．．．

．P

．．．

(a)

(b)

k1

k21I2I

1I2I0dI



1I2I



1I2I

21IIId



其原理是比较线路两侧电流的大小和相位。当区外短路（k1）时，流入继电器的电流d

I

为零；当区内短路（k2）时，流入继电器的电流dI为总的短路电流。线路纵联差动保护瞬时动作，且动作电流可以整定得很小，灵敏度很高。差动保护不受系统振荡的影响。因为需要辅助导线，所以其不适用于长线路。 （二）不平衡电流

在正常情况或外部故障时由于线路两侧的电流互感器特性不可能完全相同，或受暂态过程的影响，继电器中会有电流存在，该电流被称为不平衡电流unbI。 稳态不平衡电流 发生在正常情况或外部故障时，



mTAmTATATAmTAmTAunbIKIKIKIK

IIKIIKIII22112211221111211111)(1)(1

（4.1-1）

式中，mI1和mI2是两侧电流互感器的励磁电流。式（4.1-1）中，第一部分是两侧电流互感器的传变特性差异，第二部分是两侧电流互感器的励磁特性差异。 暂态不平衡电流 主要源于非周期分量的影响。 综合考虑上述情况，一般在外部三相短路的情况下计算最大不平衡电流 ， TAknperstunbKIKKKI)3(max.max.

（4.1-2）

式中，stK是同型系数，两侧电流互感器型号相同时取0.5，否则取1；erK是电流互感器最大误差，取0.1； npK是非周期分量影响系数，取1~1.5。 （三）整定原则和灵敏度校验 ①按躲过保护区外故障时的最大不平衡电流整定

max.unbrelopIKI （4.1-3）

式中，可靠系数取1.2~1.3。 ②按躲过最大负荷时二次侧断线的不平衡电流整定

TALrelopKIKImax. （4.1-4）

式中，可靠系数取1.2~1.3。 整定值选择式（4.1-3）和（4.1-4）中最大者。 ③灵敏系数

opksenIIKmin.min.

（4.1-5）

式中，min.kI是被保护线路末端短路时的最小电流，要求灵敏系数不小于1.5~2。 4.2 横联差动保护 （一）横联差动保护原理 为提高系统稳定性和传输容量，常常采用平行双回线，每回线路参数相同，其保护采用横联差动保护。如图4.2所示： ．图4.2 线路横联差动保护P．．．．P

．．．

(a)

k1

．P．．．．P

．．．(b)k2．P．．．21dTAIIIK．P．．(c)k3．

NNMN1I

1I1I

1I0dI0dI

1I2I2ITAdKIII21TAdKIII321I1I2I3I

TAdK

III31

3I

其原理是比较两回线路电流的大小和相位。当区外短路（k1）时，流入继电器的电流d

I

为零；当区内短路（k2和k3）时，流入继电器的电流dI不为零，线路纵联差动保护瞬时动作。 在k2和k3处故障时流入继电器电流的方向不同，加装功率方向继电器构成撗联方向差动保护 ，就能够判断哪一回线路发生了故障，可以避免将非故障线路切除。 （二）不平衡电流

在正常情况或外部故障时由于两回线路的电流互感器特性不可能完全相同，或受暂态过程的影响，继电器中会有不平衡电流存在。 （三）相继动作区和死区

如图4.2中（b）所示，当故障点k2十分靠近N侧时，1I和2I差异很小，M侧的保护将不能动作，但N侧的保护能够动作。在故障回路N侧的断路器跳闸后，故障并未切除，两条回路的短路电流发生变化，使M侧的保护能够动作，故障回路M侧的断路器跳闸。这种M侧保护在N侧保护动作后在动作的情况称为相继动作，而对于M侧保护而言，在N侧存在一定范围的相继动作区。同理，对于N侧保护而言，在M侧存在一定范围的相继动作区。 在各侧保护安装处附近发生三相短路时，母线残压很低，功率方向继电器不能够动作，该区域就是死区。

4.3 高频保护 4.3.1工作原理、高频信道及信号 （一）高频保护原理和高频信道 在长线路上采用辅助导线传输线路两侧信息是不经济的。高频保护的原理是：利用输电线路构成高频信道，依靠其中的高频信号传输线路两侧信息，判断故障的位置处于保护区内还是保护区外。其技术实质是用高频信道取代辅助导线的纵联差动保护，其通信方式称为载波通信。如图4.3.1所示：

图4.3.1 高频信道收发信机继电保护

高频电缆

连接滤波器

结合电容器

收发信机继电保护

阻波器

阻波器中的电感和电容对高频信号参数并联谐振，呈现很大的阻抗，使高频信号不能够进入相邻设备，而对工频电流阻抗很小。 结合电容器阻止工频电流侵入高频收发信机，而对高频信号阻抗很小。 连接滤波器将高压线路与高频收发信机隔离，保证设备和人员的安全。 高频收发信机在继电保护装置的控制下发送高频信号，它能够同时接收到自身和对侧高频收发信机发出的高频信号。 如今，正越来越多地采用光纤信道。 （二）高频信道的工作方式

①正常时无高频电流，当故障发生时启动元件使发信机工作，信道中才有高频电流。这是电力系统广泛采用的方式，又称为故障启动发信方式。 ②正常时有高频电流，又称为长期发信方式，其优点是可以经常监视高频信道的状态。 ③移频方式，正常时发信机发出频率为1f的高频信号，可以监视高频信道的状态，而故障时发出频率为2f的高频信号。 （三）高频信号的工作方式 ①闭锁信号。闭锁信号的作用是禁止保护跳闸，所以收不到闭锁信号是保护跳闸的必要条件。闭锁信号方式使保护在线路发生故障时且高频信道被破坏的情况下也能够跳闸，是电力系统广泛采用的方式。 ②允许信号。收到允许信号是保护跳闸的必要条件。 ③跳闸信号。收到跳闸信号是保护跳闸的充分条件。 可见，高频信号和高频电流是两个不同的概念。 4.3.2高频闭锁保护 （一）高频闭锁方向保护 规定线路两端功率从母线指向线路为正方向，故障时由功率方向为负的一侧发闭锁信号，闭锁两侧的高频保护，所以称为高频闭锁方向保护。如图4.3.2-1所示：

~S1QF1P1图4.3.2-1 高频闭锁方向保护原理ABP2k~S2QF2QF3QF4QF5QF6

P3P4P5P6CD

I1I2

闭锁信号闭锁

信号

当线路BC在k处发生短路时，对于保护P3和P4属于区内故障，保护P3和P4的功率方向均为正，各侧都不发出闭锁信号，两侧保护跳闸；对于线路AB的保护P1和P2、线路CD的保护P5和P6属于区外故障。保护P2的功率方向为负而发出闭锁信号，该闭锁信号使保护P1和P2不会跳闸，保护P5的功率方向为负而发出闭锁信号，该闭锁信号使保护P5和P6不会跳闸。 ①电流启动方式 如图4.3.2-2所示：

收信图4.3.2-2 电流启动高频闭锁方向保护原理图

发信信道

跳闸延时启动瞬时返回

瞬时启动延时返回

tt

00

opI

opIS

灵敏元件opI的作用是发生故障（正方向或反方向）时启动发信，不灵敏元件opI和功率方向元件S在功率方向为正时停止发信，并准备跳闸。 opopLrerelopIIIkKI)2~5.1(max.



（4.3.2）

式中，reK是返回系数，取0.85；relK是可靠系数，取1.1~1.2。 设置灵敏元件和不灵敏元件的目的是防止区外故障时，因为电流互感器误差使发信机不能够启动，导致保护收不到闭锁信号而误动。 图4.3.2-2中的“延时启动瞬时返回”时间元件的作用是在区外故障时等待对侧闭锁信号的到达，这一延时包括高频信号传送时间、两侧发信机动作时间差和裕度时间；瞬时返回是为了当区外故障切除后及时封闭跳闸回路，防止误动。 图4.3.2-2中的“瞬时启动延时返回”时间元件的作用是在区外故障时及时启动发信机，闭锁保护防止误动；延时返回是为了当区外故障切除后能够继续闭锁跳闸，等待不灵敏元件

opI和功率方向元件S返回，防止误动。

采用负序电流元件和负序功率方向元件就构成高频闭锁负序方向保护。 ②远方启动方式 图4.3.2-3，当发生区外故障时，功率方向为负一侧的发信机未能启动，此时利用功率方向为正的一侧发信机短暂传送来的闭锁信号（一定时间后被功率方向元件停止发信）启动功率方向为负一侧的发信机。

收信图4.3.2-3 远方启动高频闭锁方向保护原理图0

0发信信道

跳闸0

QF

opI

St

tt

③功率方向元件启动方式 图4.3.2-4，用灵敏的功率方向元件在功率方向为负时启动发信机，用不灵敏的功率方向元件在功率方向为正时准备跳闸。