继电保护-第4章 电网的纵联保护

高频信号：指线路一端的高频保护在故障时 向线路另一端的高频保护所发出的讯息或 命令。 例如：故障时发讯方式中高频电流的出现， 就是高频信号。长期发讯方式中高频电流 的消失，也是高频信号。
4. 电力线载波信号的种类
M I M
k1
SM
N I N
SN
M I M
N I N
k2
SM
SN
保护元件
≥220kV线路 难以满足快速性要求。
2、线路纵联保护: 是利用某种通信通道将线路两侧的电气量（电流、 电流的相位、功率方向等）纵向联系，将线路一侧 的电气量信息传到另一侧去，将两侧的电气量同时 比较形成的保护,国外又称为线路的单元保护。 根据比较不同电气量的差别可构成不同原理的 纵联保护，根据不同的信息传送通道，采用不同的 传输技术。
缺点：Байду номын сангаас
a. 需中继（一般每50km左右）,投资大;
b.微波信号的衰减与天气等因素有关 。
4.2.4 光纤通信
1. 构成： 光发射机、光纤、中继器和光接收机。
2）光纤通信的特点 通信容量大、节约大量金属材料、抗干扰性能好等。
2. 光纤通信的特点
优点： a. b. c. d. e. f. 通讯量大，损耗低； 不受电磁干扰影响； 原材料来源广，经济性好； 光缆重量轻，易于敷设 (OPGW:光纤复合架空地线)； 保密性好； 抗腐蚀，不怕潮；
N
正常运行时：两侧的测量阻抗都是负荷阻抗， 距离Ⅱ段都不启动 外部故障时：至少有一侧的距离Ⅱ段不启动（反方向）
I U M M
M
U I N N
N
区内故障时：两侧的距离Ⅱ段同时启动
4.1.3 纵联保护的基本原理
1、纵联电流差动保护
基本原理：利用输电线路两端电流波形和或电流相量和的特征。
I U M M
M SM SN
U I N N
N
正常运行或区外故障时：远故障点的功率方向是从母线流向 线路，功率方向为正；近故障点的功率方向是由线路流向母 线，功率方向为负。两端功率方向相反。 U I I U N
M
M
N
M SM SN
N
区内故障时：两端的功率方向都是从母线流向线路，同为正。
输电线路
高频阻波器 耦合电容器
接 地 开
连接滤波器
继电
关
部分
G R
高频电缆
高频通道部分
G R
继电
部分
(6) 高频电缆：将位于主控室的高频收发信机与户外变电站的连接滤波器连接 起来。
输电线路
高频阻波器 耦合电容器
接 地 开
连接滤波器
继电
关
部分
G R
高频电缆
高频通道部分
G R
继电
部分
(7) 高频收、发信机 发信机部分系由继电保护来控制，通常都是在电力系统发生故障时，保护 部分启动之后它才发出信号。由发信机发出的信号，通过高频通道送到对端的 收信机中，也为自己的收信机所接收。高频收信机接收本端和对端所发送的高 频信号，经过比较判断之后，再动作于继电保护，使之跳闸或将它闭锁。
输电线路
高频阻波器 耦合电容器
接 地 开
连接滤波器
继电
关
部分
G R
高频电缆
高频通道部分
G R
继电
部分
(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。
2 . 电力线载波通道的特点 优点： a. 无中继，通信距离长（几百公里）；
b. 经济、使用方便； c. 工程施工比较简单；
缺点： a. 受高压输电线路的电晕、短路、开关操作的干扰;
b. 传输速度不高、实时性差; c. 频带受限（50-400kHz） 。
一般用于传递状态信号，常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。
线路纵联保护的适用情况：
适用于220kv及以上线路，用作线路的主保护。
4、纵联保护的分类： A. 按通信通道分：
(1) 导引线通道 需要沿线铺设导引线电缆传送电气量信息，其投资随线路的 长度而增加。此外，导引线越长，其自身安全性越低。用于 短线路。
(2) 电力线载波通道（50～400kHz)
将线路两端的电流相位（或功率方向）信息转变为高频信号， 经过高频耦合设备将高频信号加载到输电线路上,输电线路本 身作为高频信号的通道将高频载波信号传输到对侧，称为高 频保护。
输电线路
高频阻波器 耦合电容器
接 地 开
连接滤波器
继电
关
部分
G R
高频电缆
高频通道部分
G R
继电
部分
(3) 连接滤波器 连接滤波器由一个可调节的空心变压器及连接至高频电缆一侧的电容器组 成。耦合电容器与连接滤波器共同组成一个四端网络的“带通滤波器”，使所 需频带的高频电流能够通过。空心变压器进一步使收、发信机与输电线路高压 部分隔离，提高了安全性。
（1）方向比较式纵联保护: 功率方向、 测量阻抗
方向纵联保护 距离纵联保护 逻辑信号 (故障判别结果)
（2）纵联电流差动保护： 电流相量、电流相位
纵联电流差动保护 纵联电流相位差动保护
电流数据信号 （本侧电流的波形 或代表电流相位的信号）
4.1.2 输电线路短路时的故障特征分析
1、两端电流相量和的故障特征
(3) 微波通道(300MHz~ 300GHz) 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（不受电磁干扰） 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：
输电线路
高频阻波器 耦合电容器
接 地 开
连接滤波器
继电
关
部分
G R
高频电缆
高频通道部分
G R
继电
部分
(4) 保护间隙：高频通道的辅助设备，用它保护高频收发信机和高频电缆免受 过电压的冲击。 (5) 接地开关：也是高频通道的辅助设备，在调整或维修高频收发信机和连接 滤波器时，将它接地，以保证人身安全。
由于TA误差或线路分布电容的影响，正常运行或外部 发生故障时两侧的电流相量和实际上不为零。 则动作判据为：
I I I M N set
Iset——门槛值
2、方向比较式纵联保护 基本原理：利用输电线路两侧的功率方向相同或相反的特征。 可构成闭锁式方向纵联和允许式方向纵联保护。 当发生故障时，两端保护的功率方向元件判别流过本端的功率方 向，功率方向为负者发出闭锁信号，闭锁两端的保护，称为闭锁 式方向纵联保护。 功率方向为正者发出允许信号，允许两端保护跳闸，称为允许式 方向纵联保护。
考虑互感器误差 及输电线路分布 电容的影响后：
4、距离纵联保护 基本原理：利用输电线路两侧距离元件的特征。
与方向比较式纵联保护基本原理类似，只是用阻抗元件代替功率 方向元件。
相比方向比较式纵联保护，优点在于：故障发生在II段范围内时 相应的方向阻抗元件才起动，其他情况下不起动，减少了方向元 件起动次数，从而提高了保护的可靠性。
优点：不受系统振荡的影响，不受非全相的影响，简单可靠
缺点：导引线不能太长
4.2.2 电力线载波通信
将线路两端的电流相位（或功率方向）信息转变为高 频信号，经过高频耦合设备将高频信号加载到输电线 路上，输电线路本身作为高频信号的通道将高频载波 信号传输到对侧，对端再经过高频耦合设备将高频信 号接收，以实现各端电流相位（或功率方向）的比较， 称为高频保护。
缺点： a. 施工的要求高，“焊接”难（熔纤机）； b. 光纤断裂难以查找； c. 通信距离还不够长。 光纤通讯网是电力通讯网的主干网，基于光纤通信的纵联保 护成为主流模式。
也是信号
正常时有高频电流，又称“长期发信方式” 优点：①无须发信启动元件，装置简单； ②通道工作状态可得到经常监视。 缺点：通道间干扰大，并降低收发信机的 使用寿命。
3) 移频方式
信号 信号
f1 f2
优点：能监视通道工作情况，提高可靠性， 抗干扰能力强。
缺点：占用的频带宽，通道利用率低。
注意区别“高频信号”和“高频电流”两个 不同概念。
I U M M
M
U I N N
N
正常运行或区外故障时：根据基尔霍夫定律（KCL），并忽 略分布电容和电导的影响，有：
I U M M
M
I I 0 I M N
U I N N
N
区内故障时：
I I I I M N k
2、两端功率方向的故障特征
闭锁信号
允许信号
闭锁信号
&
跳闸 脉冲
收不到高频电流信号是保 护作用于跳闸的必要条件。
保护元件
允许信号 保护元件 跳闸信号
&
跳闸 脉冲
收到高频电流信号是本端保 护作用于跳闸的必要条件。
跳闸信号
1
跳闸 脉冲
收到这种信号是保护动作于 跳闸充分而必要条件的条件。
4.2.3 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。
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（ 纵联保护的提出 ）
1. 电流、距离保护的缺陷
M 1 2 N 3
k1
k2
反映：一侧电气量，即只采集线路一侧的电气量 缺陷：Ⅱ段有延时，无法实现全线速动，

3.高频通道的工作方式
1) 故障启动发信方式—正常无高频电流方式
信号
故障时刻
正常时无高频电流，又称“故障启动发信方式” 优点： ①发信机寿命长； ②对邻近通道干扰小。 缺点：必须有启动元件，而且要定期起 动发信机来检查通道的完好性。
2) 长期发信方式—正常有高频电流方式
平时 信号 故障时 1是信号，0也是信号！
2）微波通道的特点
优点：
频段很宽（300MHz-300GHz），信息传输容量大， 采用PCM方式可实现分相电流差动纵联保护。 b. 独立于输电线路的通信通道，不受输电线路故障、 干扰、检修等的影响。 c. 受外界干扰的影响小，工业、雷电等干扰的频谱基 本不在微波频段内，通信误码率低，可靠性高。
a.
闭锁信号 闭锁信号
M 1
正
N
L
2
负
3
正
4
正
5
负
6
正
3、电流相位比较式纵联保护
基本原理：利用输电线路两侧的电流相位特征。两侧保护各将本 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用于比较。 根据前面分析，当线路内部故障时，线路两侧的电流相位差为 0°；在外部发生故障时，电流两侧的相位差为180°。
4.2 输电线路纵联保护两侧信息的交换
输电线路纵联保护需要通过通信设备和通信通道 快速地进行信息传递。
目前常用的通信方式有：

导引线通信 电力线载波通信 微波通信 光纤通信
4.2.1 导引线通信
利用铺设在输电线路两端变电站之间的二次电缆传递 被保护线路各侧信息的通信方式称之为导引线通信， 以导引线为通道的纵联保护称为导引线纵联保护。
3、两端电流相位特征 假定全系统阻抗角相同，两侧电势角相同。
I U M M
M
U I N N
N
正常运行或区外故障时：两侧电流相位相差180°。
I U M M
M
U I N N
N
区内故障时：两侧电流相位相同。
4、两端测量阻抗的特征
I U M M
M
U I N N
一套完整的纵联保护包括两端继电保护装置、通信 设备和通信通道。
TA TV
继电保护装置
TA TV
继电保护装置
通信通道
通信设备 通信设备
3、线路纵联保护的特点
优点：
1. 无时限切除被保护线路上任意点的故障（绝对选择性） 2. 不受系统振荡、系统运行方式变化的影响。 缺点： 1. 需要通道； 2. 不具备保护相邻线路的功能。
根据通道的构成，电力线载波通信分为：

“相-相”式

连接在两相导线之间 连接在输电线一相导线和大地之间

“相-地”式（衰耗和受干扰都比较大，但较经济，常用）

1. 电力线载波通信的构成
输电线路
高频阻波器 耦合电容器
接 地 开
连接滤波器
继电
关
部分
G R
高频电缆
高频通道部分
G R
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。