电力系统继电保护原理-输电线路纵联保护
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3、电流相位比较式纵联保护
对比两侧电流相位差为0°保护动作； 对比两侧电流相位差为180°保护不动作；
4、距离纵联保护
距离Ⅱ段作为方向元件。 该保护的优点：既具有纵联保护的优点，又具有距离 保护的优点。
4.2 输电线路纵联保护两侧信息的交换
4.2.1 导引线通信（见P132图4.5）
4.2.2 电力线载波通信（见P134图4.6） “高频保护 ”
KD . Ir
. 正常、k外：Ir =
. IM2
-
. IN2
.. . d内：Ir = IM2 + IN2
线路两侧装有相同变比的TA
保护动作特性： 1）不带制动特性
I set K rel K np K er K st I k .max
2）带制动特性
动作方程：
I m I n K I m I n Iop0
2）使用线路侧电压 2、功率倒向对方向高频保护的影响
在环网或双回线路上，当一回线发生故障时，由于故障线 路两侧的断路器相继动作。造成非故障线路的短路功率改 变方向，从而有可能使得非故障线路的方向高频保护误动。
为防止在功率倒向中保护误动，采取的措施是： 一是反方向功率方向元件优先的原则。即一旦反方向元件 动作，立即闭锁正方向元件。 二是当故障发生后经过一段时间（大于本保护动作时间， 小于相邻线路断路器跳闸时间），尚未判为内部故障，则 认为是外部故障，程序转入另一模块。
protect ＆
GSX
跳闸
③跳闸讯号方式：高频讯号本身可直接使断路器跳闸
protect
பைடு நூலகம்GSX
≥1
跳闸
4.2.3 微波通道
利用150mHz到20gHz间的电磁波进行无线通信称为微波通 信。 优点： 微波通道频带宽。 微波通道独立于输电线之外，可靠。 因而用微波通道可实现传送允许信号和直接跳闸信号的 保护方式。 缺点： 微波信号的衰耗与天气有关。 必须沿线路建设微波中继站。
故障点到两侧系统阻抗角φ相同。
E.n
E. m
φ
. Im . In
E.n
E. m
φ
. In
I. m= -I.n
内部短路：
外部短路：
2、相差高频保护的构成： 操作元件 、起动元件 、比相元件
起动元件---故障检测元件 操作元件---将三相工频电流转为单一工频电流
比相元件：
d内:
根据线路两侧电流
的相位判断内外故障。 M侧(发)
I op .r
动作区
I op0 I re s
4.4.2 两侧电流的同步测量
比较两侧“同时刻”的电流 1、基于数据通道的同步方法
采样时刻调整 采样数据修正 时钟校正 2、基于GPS和UTC的同步方法
4.4.3 相差高频保护 1、基本原理：
比较线路两端电流相位。
理想情况： 忽略两端电源电势的相位差；
输电线路纵联保护
学习目的： 1、掌握输电线路的纵联保护的基本原理、通信通 道的分类。 2、掌握高频保护的概念，掌握其信号的转换、信 号的传输以及信号的比较。 3、掌握方向比较式纵联保护的工作原理。 4、掌握差动纵联保护的工作原理。
4.1 输电线路纵联保护概述 4.1.1 引言 1、问题的提出： ①三段式电流、距离保护：不能实现全线速动； ②三段式保护：从线路一侧检测电气量，并反应 于其变化而动作； ③重要线路（高电压等级线路）——要求全线速 动。 全线速动：必须同时检测两侧的电气参数。 反应线路两侧电量的保护称为输电线路纵联保护。
基本原理：
正方向短路：
U
反方向短路：
U
I
I Zs
Zs'
引入模拟阻抗：Zr 与 Zs 及 Zs '同相位。
正方向短路： U I Zs
arg
U
Zr I
arg(
Zs Zr
) 180
U
90 arg 270
Zr I
反方向短路：
U
I
Zs'
arg
U
Zr I
arg(
Zs Zr
)
0
U
90 arg 90
4）光纤纵差保护 将每侧的电信号经光电转换接口转换为光信号，用光
纤将两侧信号联系的保护。
按照实现纵联保护的原理划分，纵联保护可分为两类。 第一类是纵联方向保护 方向元件主要有：方向阻抗元件、负序功率方向元件、零 序功率方向元件、突变量方向元件。 高频距离（闭锁／允许）保护、高频负序方向（闭锁／允 许）保护、高频零序方向（闭锁／允许）保护、高频突变 量方向（闭锁／允许）保护。 第二类是差动纵联保护 每侧保护对两侧电流的相位进行比较，从而判断出区内外 故障。 这类保护有高频相差保护、导引线差动保护、光纤纵差保 护、微波电流分相差动保护。
3、分布电容对方向高频保护的影响 当方向元件所使用的电压为线路电压时保护会误 动。当方向元件所使用的电压为母线电压时保护 不会误动。 解决办法：1）延时
2）用方向阻抗元件代替负序方向元件
4.4 纵联电流差动保护
4.4.1 纵联电流差动保护原理
M
.
IM1.
k内
.
.
.IN1
N
.
. IM2
. IN2
k外
2、输电线路纵联保护框图：
3、纵联保护的分类
1）导引线纵联差动保护 导引线差动保护一般用于短线路上（5km及以下）。
2）输电线路载波保护（高频保护） 由于利用输电线路作为信号传送的通道，其可靠性较高
3）微波保护 信号的传送不依赖高压输电线路，而直接用微波通道
构成。必须沿线路建设微波站或微波中继站。微波通道是 一种多路通信系统，可以提供足够的通道，解决了载波保 护通道拥挤的问题。
φL=(L/100)×6° ④其它误差φY= 15°
φb=φCT+φp+φL+φY φb=37o +(L/100)×6° 例：L=300km，φb= 55° L↑→φb↑，φop=180o -φb↓ 保护灵敏度↓
5、相继动作
①最不利δ=70°
②最不利φn-φm=90o-60o d内: ③φCT=7°
E. m
E.n
φm δ
. Im
φn φ .
In
实际特性： 区内d，φ＞0°， GSX收到总讯号间断 角＜π。
区外d，φ＜180°， GSX收到总讯号有间 断。
d内:
im in
M(发)
N(发) M、N(收)
d外:
im in
M(发) N(发) M、N(收)
4、闭锁角φb ① CT角度误差φCT=7° ②保护装置的角误差φp=15° ③传输角误差φL
N侧(发)
M、N(收)
d外:
M侧(发) N侧(发) M侧(收) N侧(收)
im in
im in
3、相位特性： 理想：区外d，两侧电流的相位差φ=180°，GSX 收到的总讯号为无间断的连续高频讯号。
区内d，两侧电流的相位差φ=0°，GSX收到 总讯号为间断角为π的断续高频信号。
实际上 ：
φ=δ+φn -φm
微波通道的组成原理示意
4.2.4 光纤通道
光缆的结构和光纤通道的组成示意图
4.3 方向比较式纵联保护
方向比较式纵联保护 ←方向保护+纵联保护
4.3.1 工频故障分量的方向元件
特点：1)正确反映方向，无死区；
2）正常负荷下不启动；
3）不受振荡影响；
4）在非全相运行时也能正确动作；
5）不受过渡电阻的影响。
（1一阻波器；2一结 合电容器；3一连接滤 波器；4一高频电缆； 5一高频收、发信机； 6一刀闸）
1、高频通道的构成：
1）分类：相-相式构成
相-地式构成（我国以此为主）
2）构成： 相-地式构成见P134图4.6
①阻波器（高频阻波器）
L、C并联谐振回路，谐振于载波频率。
载频电流：大阻抗（1000Ω以上）
4.1.3 纵联保护的基本原理
1、纵联电流差动保护
M
.
IM.
k内
.
.
.IN
N
.
. Im
. In
k外
I-I . Ir
动作判剧： I M I N Iset
保护范围：两侧TA之间
原理上：有选择性，可实现全线速动。
2、方向比较式纵联保护
闭锁式方向纵联保护（反方向短路发闭锁信号） 允许式方向纵联保护（正方向短路发允许信号）
工频：小阻抗（0.04Ω以下）
“阻高频、通工频”
②结合电容器（耦合电容器）
③连接滤波器：
② ③ 形成阻抗匹配
“通高频、阻工频”
④高频电缆 将位于主控制室的高频收、发信机与户外变电站的带通滤 波器连接起来。 ⑤收发信机控制保护起动。 ⑥刀闸（接地刀闸）便于检修、调试。
继电保护部分、高频收、发信机和高频通道。
方向高频保护←方向保护+高频装置
2、高频闭锁方向保护原理接线
4.3.3 闭锁式距离纵联保护 高频距离保护←三段式距离保护+高频装置
4.3.4 影响方向比较式纵联保护正确工作的因素 1.非全相运行对高频闭锁方向保护的影响
当方向元件所使用的电压为母线电压时保护会 误动。 解决办法：1）利用工频故障分量方向元件
Zr I
同理：
正方向短路： 90 arg
U2
270
Z2r I 2
90 arg
U0
270
Z0r I 0
反方向短路： 90 arg
U2
90
Z2r I 2
90 arg
U0
90
Z0r I 0
4.3.2 闭锁式方向纵联保护 1、工作原理
由短路功率为负S-的一侧发出高频闭锁信号，该信 号被两端的收信机所接收，而把保护闭锁。
im in
④φp=15°
⑤φL=(L/100)×6°
M(发)
区内d： L=400km M：φ=122o+24o=146o N：φ=122o-24o=98o
∴ N侧动作，M侧不动，
N(发) M(收)
但N侧动作后不再发信， N(收) M侧认为φ=0o相继灵敏动作。
d
D
2、高频通道工作方式
故障时发讯——故障时起动发讯，正常时无高频 电流。 长期发讯——正常时有高频电流，故障时停讯。 移频（跳频）——正常时有一种频率的高频电流， 在发生故障时将其改为另一种频率的高频电流。
3、高频讯号应用方式：
①闭锁讯号方式：高频讯号本身对保护闭锁
protect
＆ GSX
跳闸
②允许讯号方式：高频讯号本身对保护开放
4.1.2 输电线路短路时两侧电气量的故障特征
1、两侧电流向量和
M
.
IM.
k内
.
.
.IN
N
.
k外
正常、K外时：
I
0
K内时： I I k内
2、两侧功率方向
K内时：两端都为母线流向线路
K外时：近故障点侧线路流向母线，远故障点侧母线
流向线路。
3、两端电流相位 K内时：两侧电流同相位 K外时：两侧电流反相位 4、两端测量阻抗 K内时：两侧距离Ⅱ段同时启动 正常时：两侧距离Ⅱ段不启动 K外时：至少有一侧距离Ⅱ段因反方向不启动
对比两侧电流相位差为0°保护动作； 对比两侧电流相位差为180°保护不动作；
4、距离纵联保护
距离Ⅱ段作为方向元件。 该保护的优点：既具有纵联保护的优点，又具有距离 保护的优点。
4.2 输电线路纵联保护两侧信息的交换
4.2.1 导引线通信（见P132图4.5）
4.2.2 电力线载波通信（见P134图4.6） “高频保护 ”
KD . Ir
. 正常、k外：Ir =
. IM2
-
. IN2
.. . d内：Ir = IM2 + IN2
线路两侧装有相同变比的TA
保护动作特性： 1）不带制动特性
I set K rel K np K er K st I k .max
2）带制动特性
动作方程：
I m I n K I m I n Iop0
2）使用线路侧电压 2、功率倒向对方向高频保护的影响
在环网或双回线路上，当一回线发生故障时，由于故障线 路两侧的断路器相继动作。造成非故障线路的短路功率改 变方向，从而有可能使得非故障线路的方向高频保护误动。
为防止在功率倒向中保护误动，采取的措施是： 一是反方向功率方向元件优先的原则。即一旦反方向元件 动作，立即闭锁正方向元件。 二是当故障发生后经过一段时间（大于本保护动作时间， 小于相邻线路断路器跳闸时间），尚未判为内部故障，则 认为是外部故障，程序转入另一模块。
protect ＆
GSX
跳闸
③跳闸讯号方式：高频讯号本身可直接使断路器跳闸
protect
பைடு நூலகம்GSX
≥1
跳闸
4.2.3 微波通道
利用150mHz到20gHz间的电磁波进行无线通信称为微波通 信。 优点： 微波通道频带宽。 微波通道独立于输电线之外，可靠。 因而用微波通道可实现传送允许信号和直接跳闸信号的 保护方式。 缺点： 微波信号的衰耗与天气有关。 必须沿线路建设微波中继站。
故障点到两侧系统阻抗角φ相同。
E.n
E. m
φ
. Im . In
E.n
E. m
φ
. In
I. m= -I.n
内部短路：
外部短路：
2、相差高频保护的构成： 操作元件 、起动元件 、比相元件
起动元件---故障检测元件 操作元件---将三相工频电流转为单一工频电流
比相元件：
d内:
根据线路两侧电流
的相位判断内外故障。 M侧(发)
I op .r
动作区
I op0 I re s
4.4.2 两侧电流的同步测量
比较两侧“同时刻”的电流 1、基于数据通道的同步方法
采样时刻调整 采样数据修正 时钟校正 2、基于GPS和UTC的同步方法
4.4.3 相差高频保护 1、基本原理：
比较线路两端电流相位。
理想情况： 忽略两端电源电势的相位差；
输电线路纵联保护
学习目的： 1、掌握输电线路的纵联保护的基本原理、通信通 道的分类。 2、掌握高频保护的概念，掌握其信号的转换、信 号的传输以及信号的比较。 3、掌握方向比较式纵联保护的工作原理。 4、掌握差动纵联保护的工作原理。
4.1 输电线路纵联保护概述 4.1.1 引言 1、问题的提出： ①三段式电流、距离保护：不能实现全线速动； ②三段式保护：从线路一侧检测电气量，并反应 于其变化而动作； ③重要线路（高电压等级线路）——要求全线速 动。 全线速动：必须同时检测两侧的电气参数。 反应线路两侧电量的保护称为输电线路纵联保护。
基本原理：
正方向短路：
U
反方向短路：
U
I
I Zs
Zs'
引入模拟阻抗：Zr 与 Zs 及 Zs '同相位。
正方向短路： U I Zs
arg
U
Zr I
arg(
Zs Zr
) 180
U
90 arg 270
Zr I
反方向短路：
U
I
Zs'
arg
U
Zr I
arg(
Zs Zr
)
0
U
90 arg 90
4）光纤纵差保护 将每侧的电信号经光电转换接口转换为光信号，用光
纤将两侧信号联系的保护。
按照实现纵联保护的原理划分，纵联保护可分为两类。 第一类是纵联方向保护 方向元件主要有：方向阻抗元件、负序功率方向元件、零 序功率方向元件、突变量方向元件。 高频距离（闭锁／允许）保护、高频负序方向（闭锁／允 许）保护、高频零序方向（闭锁／允许）保护、高频突变 量方向（闭锁／允许）保护。 第二类是差动纵联保护 每侧保护对两侧电流的相位进行比较，从而判断出区内外 故障。 这类保护有高频相差保护、导引线差动保护、光纤纵差保 护、微波电流分相差动保护。
3、分布电容对方向高频保护的影响 当方向元件所使用的电压为线路电压时保护会误 动。当方向元件所使用的电压为母线电压时保护 不会误动。 解决办法：1）延时
2）用方向阻抗元件代替负序方向元件
4.4 纵联电流差动保护
4.4.1 纵联电流差动保护原理
M
.
IM1.
k内
.
.
.IN1
N
.
. IM2
. IN2
k外
2、输电线路纵联保护框图：
3、纵联保护的分类
1）导引线纵联差动保护 导引线差动保护一般用于短线路上（5km及以下）。
2）输电线路载波保护（高频保护） 由于利用输电线路作为信号传送的通道，其可靠性较高
3）微波保护 信号的传送不依赖高压输电线路，而直接用微波通道
构成。必须沿线路建设微波站或微波中继站。微波通道是 一种多路通信系统，可以提供足够的通道，解决了载波保 护通道拥挤的问题。
φL=(L/100)×6° ④其它误差φY= 15°
φb=φCT+φp+φL+φY φb=37o +(L/100)×6° 例：L=300km，φb= 55° L↑→φb↑，φop=180o -φb↓ 保护灵敏度↓
5、相继动作
①最不利δ=70°
②最不利φn-φm=90o-60o d内: ③φCT=7°
E. m
E.n
φm δ
. Im
φn φ .
In
实际特性： 区内d，φ＞0°， GSX收到总讯号间断 角＜π。
区外d，φ＜180°， GSX收到总讯号有间 断。
d内:
im in
M(发)
N(发) M、N(收)
d外:
im in
M(发) N(发) M、N(收)
4、闭锁角φb ① CT角度误差φCT=7° ②保护装置的角误差φp=15° ③传输角误差φL
N侧(发)
M、N(收)
d外:
M侧(发) N侧(发) M侧(收) N侧(收)
im in
im in
3、相位特性： 理想：区外d，两侧电流的相位差φ=180°，GSX 收到的总讯号为无间断的连续高频讯号。
区内d，两侧电流的相位差φ=0°，GSX收到 总讯号为间断角为π的断续高频信号。
实际上 ：
φ=δ+φn -φm
微波通道的组成原理示意
4.2.4 光纤通道
光缆的结构和光纤通道的组成示意图
4.3 方向比较式纵联保护
方向比较式纵联保护 ←方向保护+纵联保护
4.3.1 工频故障分量的方向元件
特点：1)正确反映方向，无死区；
2）正常负荷下不启动；
3）不受振荡影响；
4）在非全相运行时也能正确动作；
5）不受过渡电阻的影响。
（1一阻波器；2一结 合电容器；3一连接滤 波器；4一高频电缆； 5一高频收、发信机； 6一刀闸）
1、高频通道的构成：
1）分类：相-相式构成
相-地式构成（我国以此为主）
2）构成： 相-地式构成见P134图4.6
①阻波器（高频阻波器）
L、C并联谐振回路，谐振于载波频率。
载频电流：大阻抗（1000Ω以上）
4.1.3 纵联保护的基本原理
1、纵联电流差动保护
M
.
IM.
k内
.
.
.IN
N
.
. Im
. In
k外
I-I . Ir
动作判剧： I M I N Iset
保护范围：两侧TA之间
原理上：有选择性，可实现全线速动。
2、方向比较式纵联保护
闭锁式方向纵联保护（反方向短路发闭锁信号） 允许式方向纵联保护（正方向短路发允许信号）
工频：小阻抗（0.04Ω以下）
“阻高频、通工频”
②结合电容器（耦合电容器）
③连接滤波器：
② ③ 形成阻抗匹配
“通高频、阻工频”
④高频电缆 将位于主控制室的高频收、发信机与户外变电站的带通滤 波器连接起来。 ⑤收发信机控制保护起动。 ⑥刀闸（接地刀闸）便于检修、调试。
继电保护部分、高频收、发信机和高频通道。
方向高频保护←方向保护+高频装置
2、高频闭锁方向保护原理接线
4.3.3 闭锁式距离纵联保护 高频距离保护←三段式距离保护+高频装置
4.3.4 影响方向比较式纵联保护正确工作的因素 1.非全相运行对高频闭锁方向保护的影响
当方向元件所使用的电压为母线电压时保护会 误动。 解决办法：1）利用工频故障分量方向元件
Zr I
同理：
正方向短路： 90 arg
U2
270
Z2r I 2
90 arg
U0
270
Z0r I 0
反方向短路： 90 arg
U2
90
Z2r I 2
90 arg
U0
90
Z0r I 0
4.3.2 闭锁式方向纵联保护 1、工作原理
由短路功率为负S-的一侧发出高频闭锁信号，该信 号被两端的收信机所接收，而把保护闭锁。
im in
④φp=15°
⑤φL=(L/100)×6°
M(发)
区内d： L=400km M：φ=122o+24o=146o N：φ=122o-24o=98o
∴ N侧动作，M侧不动，
N(发) M(收)
但N侧动作后不再发信， N(收) M侧认为φ=0o相继灵敏动作。
d
D
2、高频通道工作方式
故障时发讯——故障时起动发讯，正常时无高频 电流。 长期发讯——正常时有高频电流，故障时停讯。 移频（跳频）——正常时有一种频率的高频电流， 在发生故障时将其改为另一种频率的高频电流。
3、高频讯号应用方式：
①闭锁讯号方式：高频讯号本身对保护闭锁
protect
＆ GSX
跳闸
②允许讯号方式：高频讯号本身对保护开放
4.1.2 输电线路短路时两侧电气量的故障特征
1、两侧电流向量和
M
.
IM.
k内
.
.
.IN
N
.
k外
正常、K外时：
I
0
K内时： I I k内
2、两侧功率方向
K内时：两端都为母线流向线路
K外时：近故障点侧线路流向母线，远故障点侧母线
流向线路。
3、两端电流相位 K内时：两侧电流同相位 K外时：两侧电流反相位 4、两端测量阻抗 K内时：两侧距离Ⅱ段同时启动 正常时：两侧距离Ⅱ段不启动 K外时：至少有一侧距离Ⅱ段因反方向不启动