纵联保护方式比较分析

纵联保护方式比较分析摘 要 对纵联保护进行了分类，分析了各类纵联保护的原理、技术特点和工作方式，并比较了各类纵联保护的优缺点。

关键词 纵联保护分类 工作方式1 纵联保护分类仅反应线路一侧的电气量不可能区分本线末端和对侧母线（或相邻线始端）故障，只有反应线路两侧的电气量才可能区分上述2点故障，为了达到有选择性地快速切除全线故障的目的。

需要将线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，也就是说在线路两侧之间发生纵向的联系。

这种保护称为输电线的纵联保护。

1．1 按使用通道分类为了交换信息，需要利用通道。

纵联保护按照所利用通道的不同类型可以分为4种（通常纵联保护也按此命名）：导引线纵联保护（简称导引线保护）、电力线载波纵联保护（简称载波保护）、微波纵联保护（简称微波保护）、光纤纵联保护（简称光纤保护）。

1．2 各种传送信息通道的特点1．2．1 导引线通道。

这种通道需要铺设电缆，其投资随线路长度而增加。

当线路较长（超过10 km以上）时就不经济了。

导引线越长，安全性越低。

导引线中传输的是电信号。

在中性点接地系统中，除了雷击外，在接地故障时地中电流会引起地电位升高，也会产生感应电压，对保护装置和人身安全构成威胁，也会造成保护不正确动作。

所以导引线的电缆必须有足够的绝缘水平（例如15 kV的绝缘水平），从而使投资增大。

导引线直接传输交流电量，故导引线保护广泛采用差动保护原理，但导引线的参数（电阻和分布电容）直接影响保护性能，从而在技术上也限制了导线保护用于较长的线路。

1．2．2 电力线载波通道。

这种通道在保护中应用最广。

载波通道由高压输电线及其加工和连接设备（阻波器、结合电容器及高频收发信机）等组成。

高压输电线机械强度大，十分安全可靠。

但正是在线路发生故障时通道可能遭到破坏（高频信号衰减增大），为此需考虑在此情况下高频信号是否能有效传输的问题。

当载波通道采用“相－地”制，在线路中点发生单相短路接地故障时衰减与正常时基本相同，但在线路两端故障时衰减显著增大。

当载波通道采用“相－相”制，在单相短路接地故障时高频信号能够传输，但在三相短路时仍然不能。

为此载波保护在利用高频信号时应使保护在本线路故障信号中断的情况下仍能正确动作。

1．2．3 微波通道。

微波通道与输电线没有直接的联系，输电线发生故障时不会对微波通信系统产生任何影响，因而利用微波保护的方式不受限制。

微波通信是一种多路通信系统，可以提供足够的通道，彻底解决了通道拥挤的问题。

微波通信具有很宽的频带，线路故障时信号不会中断，可以传送交流电的波形。

采用脉冲编码调制（PCM）方式可以进一步扩大信息传输量，提高抗干扰能力，也更适合于数字保护。

微波通信是理想的通信系统，但是保护专用微波通信设备是不经济的，应当与远动等在设计时兼顾起来。

同时还要考虑信号衰耗的问题。

1．2．4 光纤通道。

光纤通道与微波通道有相同的优点。

光纤通信也广泛采用（PCM）调制方式。

当被保护线路很短时，通过光缆直接将光信号送到对侧，在每半套保护装置中都将电信号变成光信号送出，又将所接收之光信号变为电信号供保护使用。

由于光与电之间互不干扰，所以光纤保护没有导引线保 护的问题，在经济上也可以与导引线保护竞争。

近·85·期发展的在架空输电线的接地线中铺设光纤的方法既经济又安全，很有发展前途。

当被保护线路很长时，应与通信、远动等复用。

1．3 按保护动作原理分类按照保护动作原理，纵联保护可分为2类：1．3．1 方向纵联保护与距离纵联保护。

两侧保护继电器仅反应本侧的电气量，利用通道将继电器对故障方向判别的结果传送到对侧，每侧保护根据两侧保护继电器的动作过程逻辑判断区分是区内还是区外故障。

可见这类保护是间接比较线路两侧的电气量，在通道中传送的是逻辑信号。

按照保护判别方向所用的继电器又可分为方向纵联保护与距离纵联保护。

1．3．2 差动纵联保护。

这类保护利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧，每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位比较的结果区分是区内还是区外故障。

可见这类保护在每侧都直接比较两侧的电气量。

类似于差动保护，因此称为差动纵联保护。

如果将两侧保护的原理图绘在一张图上（实际每侧只是整个单元保护的半套），那么前一种保护的通道是在逻辑图中将两侧保护联系起来，而后一种保护的通道是将两侧的交流回路联系起来。

2 方向纵联保护的工作方式2．1 闭锁式2．1．1 闭锁式的基本原理方向纵联保护是由线路两侧的方向元件分别对故障的方向作出判断，然后通过高频信号作出综合判断，即对两侧的故障方向进行比较以决定是否跳闸。

一般规定从母线指向线路的方向为正方向，从线路指向母线的方向为反方向。

闭锁式方向纵联保护的工作方式是当任一侧方向元件判断为反方向时，不仅本侧保护不跳闸，而且由发信机发出高频电流，对侧收信机接收后就输出脉冲闭锁该侧保护。

在外部故障时是近故障侧的方向元件判断为反方向故障，所以是近故障侧闭锁远故障侧；在内部故障时两侧方向元件都判断为正方向，都不发送高频电流，两侧收信机接收不到高频电流，也就没有输出脉冲去闭锁保护，于是两侧方向元件均作用于跳闸。

这就是故障时发信闭锁式方向纵联保护，其基本逻辑图如图1所示。

2．1．2 先收讯后停讯的原则区外故障，为防止启动元件（发讯）与正方向元件动作时间的不配合而误动作，特别是远端保护，需要近端的发讯信号闭锁，在总结多年运行经验的基础上，规定必须先收到信号10 ms 才允许正方向停讯，逻辑示意见图2。

启动元件动作首先发讯，此时门7未动作，可经门9发讯。

停讯必须满足2个条件：a．反方向元件D－不动，正方向元件D＋动作，与门3有输出，表示正方向故障；b．收信10 ms后，即或门2启动时间t2（10 ms），与门4有输出。

2个条件满足，与门7有输出，经反向器闭锁门9，停止发讯。

区内故障：a．D－，D＋动作，正方向故障；b．先收讯10 ms后，无闭锁信号，与门5有输出。

满足这2个条件，判为区内故障，与门8有输出，可以跳闸。

2．1．3 远方启动图2中的T1及与门1为远方启动示意图。

在区外故障中，由于某种原因，靠近故障侧的启动元件万一不能动作（如元器件损坏），为了防止正方向误动作，发信机除了由启动元件启动外，还可由收信机的输出来启动。

这样在外部故障时即使只有一侧的启动元件启动，另一侧接收到远方传来的信号后也可将发信机启动起来，故称为远方启动。

发信机由收信机启动形成闭环。

为了解环，图2中设置了时间电路“T1”，经过延时t1后就将“与1”关闭，解除远方启动回路。

时间t1应大于外部故障可能持续的最长时间，一般取t1≈10 s。

有了远方启动回路后，还有利于一侧的值班员单独进行通道检查。

带来的问题是在单侧电源线路发生内部故障时若受电侧被远方启动可能不能停信，保护会拒动。

2．1．4 功率倒方向在环网中发生外部故障时，短路功率的方向可能发生转换（简称功率倒向），在倒向过程中不应失去闭锁信号。

图3示出这种情况。

图中假设故障发生在线路L O上靠近M侧的F点，断路器3Q先于断路器4Q跳闸。

在断路器3Q跳闸前，线路L1中的短路功率由N侧流向M侧，线路L1的M侧方向元件不动作，向N侧发闭锁信号，在断路器3Q跳闸后，线路L1中的短路功率倒向，M侧的方向元件动作，停止发信并准备跳闸，此时N侧的方向元件将返回向M侧发闭锁信号。

但是可能M侧的方向元件动作快，N侧的方向元件返回慢，于是有一段时间两侧方向元件均处于动作状态，造成线路L1的保护误动。

解决的办法是启动元件动作或收信机收信后经过一段时间（大于本保护的动作时间，小于相邻线断路器的跳闸时间）后尚未判为内部故障，就认为是外部故障，于是将保护闭锁一段时间，以避开两侧方向元件可能处于动作状态的时间，见图4。

此方法的缺点是如果紧接着发生内部故障则保护的动作稍有延迟，不过延时很短，不会造成大的影响。

图中判内部故障接图2的与8输出，启动元件动作，启动T1，如果T1（35 ms）内无判内部故障信号来，则T3动作，闭锁保护，在T1消失后延时20 ms返回，取消闭锁。

2．2 允许式2．2．1 允许式保护的基本原理如图5（a）所示，在功率方向为正的一端向对端发送允许信号，此时每端的收信机只能接收对端的信号而不能接收自身的信号。

每端的保护必须在方向元件动作，同时又收到对端的允许信号之后，才能动作于跳闸，显然只有故障线路的保护符合这个条件。

对非故障线路而言，一端是方向元件动作，收不到允许信号，而另一端是收到了允许信号但方向元件不动作，因此都不能跳闸。

构成允许式方向纵联保护的基本框图见图5（b），启动元件（QD）动作后，正方向元件动作，反方向元件不动作，与2门启动发信机，向对端发允许信号，同时准备启动与3门。

当收到对端发来的允许信号时，与3门即可经抗干扰延时动作于跳闸。

用距离继电器作方向元件时，一般无反方向元件，距离元件的方向性必须可靠。

通常采用复用载波机构成允许式保护，一般采用键控移频的方式。

正常运行时，收信机经常收到对端发送的频率为f G的监频信号，其功率较小，用以监视高频通道的完好性。

当正向区内发生故障时，对端方向元件动作，键控发信机停发f G的信号而改发频率为f T的跳频（或称移频）信号，其功率提升，收信机收到此信号后即允许本端保护跳闸。

允许式保护在区内故障时，必须要求收到对端的信号才能动作，因此就会遇到高频信号通过故障点时衰耗增大的问题，这是它的一个主要缺点。

最严重的情况是区内故障伴随有通道破坏，例如发生三相接地短路等，造成允许信号衰减过大甚至完全送不过去，并将引起保护的拒动。

通常通道按相－相耦合方式，对于不对称短路，一般信号可能过，只有三相接地短路，难以通过。

2．2．2 超范围（POTT）和欠范围（PUTT）允许式当方向元件由距离元件承担时，其构成方式有2种：由距离保护Ⅰ段动作键控发讯的叫欠范围允许式（PUTT），由距离保护Ⅱ或Ⅲ段键控发讯的叫超范围允许式（POTT），其原理示意图见图6。

图6中Z1为距离元件Ⅰ段，ZⅡ，ZⅢ为距离Ⅱ，Ⅲ段，当连接片1－3合上2－4打开，由ZⅡ（或ZⅢ）通过或门5键控发讯，称为POTT方式。

当连接片2－4合上1－3打开，由Z1通过或3或5键控发讯，称为（PUTT）方式。

PUTT方式：Z1动作，通过或2，或3，与门4无时限直接跳本端。

通过或3，或5键控发讯。

在跳闸的同时启动T1，在本端跳闸，Z1返回后，T1延时50 ms返回，即继续键控50 ms，保证对端能可靠跳闸。

对端收到允许信号后，与ZⅡ，或ZⅢ启动与门1，经抗通道干扰时间T1的1－8 ms 跳闸。

POTT方式：由ZⅡ（或ZⅢ）键控发讯，收到允许信号后，与ZⅡ（或ZⅢ）启动与门1，经或2、或3、与门4跳闸。

POTT只在区内故障Z1动作时，才键控加速对端ZⅡ，具有很高的安全性。