继电保护第四章-纵联保护
电力系统继电保护第二版答案参考之输电线路纵联保护
第四章输电线路纵联保护4-1试述纵联保护的基本工作原理和特点。
纵联保护能否单端运行？答：纵联保护的基本工作原理：纵联保护是用某种通信通道将输电线两端或各端（对于多端线路）的保护装置纵向连接起来，将各端的电气量（电流、功率的方向等）传送到对端，将各端的电气量进行比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围之外，从而决定是否切断被保护线路。
纵联保护的特点：能实现全线速动，具有绝对的选择性。
纵联电流差动保护、高频闭锁方向纵联保护、高频闭锁距离纵联保护、纵联电流相位差动保护这四种纵联保护均可以单端运行。
4-2目前常用的纵联保护有哪几种？分别简述它们的工作原理。
答：目前常用的纵联保护有3种，分别是纵联电流差动保护、高频闭锁方向纵联保护、高频闭锁距离纵联保护。
其工作原理如下：纵联电流差动保护：流进差动继电器的量为线路双端电流量为测量量之和。
当正常运行时或外部故障时，流进差动继电器的电流为比较小的不平衡电流或者最大的负荷电流（考虑到两端的电流互感器有一个出现断线故障时），均比整定值小不动作，内部故障时流进差动继电器的电流是比较大的短路电流，比整定值大而使得两端断路器动作。
高频闭锁方向纵联保护：两端的保护装置测量的是功率的方向，功率方向为负的一侧发高频闭锁信号。
当外部故障时，两端的功率方向不同，为一正一负。
功率方向为负的一侧发高频闭锁信号且本身自己不动作，使得同线路的另一端收到闭锁信号也不动作。
内部故障时两端功率方向均为正，都不发闭锁信号，因此两端都收不到闭锁信号，保护都跳闸。
高频闭锁距离纵联保护：在距离保护的基础上加上高频闭锁部分。
以距离保护III段的整定值为故障启动发信元件，以距离保护II段的整定值为方向判别和停信元件。
当发生内部故障时，线路两侧的保护装置均不发出高频信号，因此线路两侧的保护均动作，当发生外部故障时，测量阻抗为负的一侧不动作且发出高频闭锁信号闭锁同线路另一侧的保护，使得其无法动作。
当作为后备使用时，则按照距离保护II、III段的整定时限动作。
电力系统继电保护 四输电线路纵联保护
➢ 输电线路的任何故障都不会使通道工作破坏，因此可以传送反应内部故障信息的 允许信号和跳闸信号；
➢ 微波通信必须架设中继站，通道价格昂贵。
（4）光纤保护：利用光纤通信传递两侧保护特征信息。
把电信号转换为光信号
对经光纤传输衰减 的信号进行放大。
把光信号转换为电信号
特点：
➢ 通信容量大； ➢ 广泛采用PCM调制方式； ➢ 可以节约大量金属材料，经济效益可观； ➢ 光纤通信保密性好，敷设方便，不怕雷击，不受外界电磁干扰，抗腐蚀，不怕潮
这类保护在每侧都直接比较两侧的电气量，并且要求两侧信息同步采集，
信息传输量大，实现技术要求较高。
§4.1.2 输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析
比较
内部故障
外部故障
正常运行
两端电流相量和 I IM I N Ik
两端功率方向
两端同为正
I IM IN 0
远故障端方向为正 近故障端方向为负
外部故障 闭锁信号自近故障端发出 另一端接受闭锁信号 保护元件虽动作，但不跳闸 内部故障 任一端都不发送闭锁信号 两端都收不到闭锁信号 保护元件动作后，跳闸
➢ 允许信号——允许保护动作于跳闸的信号。
内部故障 线路两端互送允许信号 两端都接收对端允许信号 保护元件动作，跳闸
继电保护第四章要点总结
纵联保护的基本原理：保护原理的本质是甄别系统正常和故障状态下电气量或非电气量之间的差别，纵联保护也不例外。
输电线路的纵联保护就是利用线路两端的电气量在故障与非故障时的特征差异构成的。
当线路发生区内故障、区外故障时，电力线两端电流波形、功率、电流相位以及两端的测量阻抗都有明显的差异，利用这些差异就可以构成不同原理的纵联保护。
特征：1.两侧电流量特征2.两侧电流相位特征3.两侧功率方向特征4.两侧测量阻抗值特征纵联保护的分类：纵联保护按照所利用信息通道的不同类型可以分为导引线纵联保护、电力线载波纵联保护、微波纵联保护和光纤纵联保护四种。
纵联保护按照保护动作原理，可以分为方向比较式纵联保护和纵联电流差动保护两类。
通信通道的构成1.导引线通道特点：信息无须加工，直接传送至对端，因而基本不存在同步问题保护原理一般采用电流差动原理，故也称导引线差动保护。
简单可靠，不受系统运行方式影响，不受振荡影响缺点：需铺设专门的导引线，投资高，互感器二次负载较大。
导引线本身的故障，会引起保护的拒动或误动。
2.电力线载波（高频）通道：1—阻波器；阻波器是由一个电感线圈与可变电容器并联组成的回路。
2—结合电容器；结合电容器与连接滤过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。
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。
4—电缆；5—高频收发信；发信机部分系由继电保护装置控制，通常都是在电力系统发生故障时，保护起动之后它才发出信号。
6—刀闸优点：无中继通信距离长；经济，使用方便；工程施工比较简单缺点：由于其直接通过高压输电线路传送高频载波信号，因此高压输电线路上的干扰直接进入载波通道，高压输电线路的电晕、短路、开关操作等都会在不同程度上对载波信号进行干扰电力线载波通道工作方式：正常有高频电流方式（长期发信方式）正常无高频电流方式（故障启动发信方式）移频方式特点通信通道独立于输电线路通信频带宽，300-30000MHz ，传输速度快受外界干扰的影响小传输距离有限4.光纤通道特点通信容量大，光纤通信的经济性佳光纤通信还有保密性好光纤最重要的特性之一是无感应性能通信距离有限高频信号的分类1．闭锁信号：即无闭锁信号是保护作用于跳闸的必要条件，或者说闭锁信号是阻止保护动作于跳闸的信号。
电力系统继电保护 第四章输电线路的纵联保护
（希望不动）
方向元件 阻抗元件 电流相位
一侧为正 一侧为负
一侧动作 一侧不动作
相位差 180
如何应用这些特征？后面陆续予以介绍。
纵联保护：用某种通信信道将输电线 路两端的保护装置纵向联结起来，将 一端电气量（电流、功率方向等）传 到对端进行比较，判断故障在本线路 范围内还是范围之外，从而决定是否 切除被保护线路。 可以实现本线路全长范围内任意一点 故障的零秒切除的保护。 纵联保护没有后备保护功能
(3) 微波通道 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 •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：
(1) 方向比较式纵联保护
两侧的保护装置将本侧的功率方向、测量阻
继电保护通信通道的选择原则
优先考虑采用光纤通道
其他……
4.3 方向比较式纵联保护
一、概念
以正常无高频电流而在区外故障时发 出闭锁信号的方式构成。此闭锁信号 由短路功率为负的一侧发出，这个信 号被两端的收信机所接收，而把保护 闭锁，故称闭锁式方向纵联保护（高 频闭锁方向保护）。
两侧功率方向的故障特征
纵联保护按通道类型分类
纵联保护信号传输方式： （ 1 ）以导引线作为通信通道：纵联差 动保护 （ 2 ）电力线载波：高频保护（方向高 频保护，相差高频保护），其中方向高 频保护又包括高频闭锁方向保护，高频 闭锁负序方向保护，高频闭锁距离保护； （ 3 ）微波：微波保护，长线路，需要 中继站；
(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。
电力系统继电保护 第四章输电线路的纵联保护
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。
4 光纤通信
1.光纤通信的构成
光发射机、光纤、中继器和光接收机。
（2）正常时有高频电流方式（长时发信） 在正常工作条件下发信机始终处于发信状态，沿高 频通道传送高频电流。
优点：高频通道部分经常处于监视的状态，可靠性高；且无 需收、发信机启动元件，简化装置。 缺点：经常处于发信状态，增加了对其他通信设备的干扰时 间；也易受外界高频信号干扰，应具有更高的抗干扰能力。
（希望不动） 一侧为正 一侧为负
内部故障 （希望动作）
两侧均为正
一侧动作 一侧不动作
两侧均动作
电流相位 相位差 180
接近同相
如何应用这些特征？后面陆续予以介绍。
纵联保护：用某种通信信道将输电线 路两端的保护装置纵向联结起来，将 一端电气量（电流、功率方向等）传 到对端进行比较，判断故障在本线路 范围内还是范围之外，从而决定是否 切除被保护线路。
根据通道的构成，输电线路载波通信分为： “相-相”式 连接在两相导线之间 “相-地”式 连接在输电线一相导线和大地之间
1、输电线路载波通信的构成
继电
部分
G R
输电线路
高频阻波器 耦合电容器
连接滤波器 高频电缆
G 高频通道部分 R
接 地 开 关
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。
继电保护第四章课后习题参考答案
纵联保护依据的最基本原理是什么？答：纵联保护包括纵联比较式保护和纵联差动保护两大类，它是利用线路两端电气量在故障与非故障时、区内故障与区外故障时的特征差异构成保护的。
纵联保护的基本原理是通过通信设施将两侧的保护装置联系起来，使每一侧的保护装置不仅反应其安装点的电气量，而且哈反应线路对侧另一保护安装处的电气量。
通过对线路两侧电气量的比较和判断，可以快速、可靠地区分本线路内部任意点的短路与外部短路，达到有选择、快速切除全线路短路的目的。
纵联比较式保护通过比较线路两端故障功率方向或故障距离来区分区内故障与区外故障，当线路两侧的正方向元件或距离元件都动作时，判断为区内故障，保护立即动作跳闸；当任意一侧的正方向元件或距离元件不动作时，就判断为区外故障，两侧的保护都不跳闸。
纵联差动保护通过直接比较线路两端的电流或电流相位来判断是区内故障还是区外故障，在线路两侧均选定电流参考方向由母线指向被保护线路的情况下，区外故障时线路两侧电流大小相等，相位相反，其相量和或瞬时值之和都等于零；而在区内故障时，两侧电流相位基本一致，其相量和或瞬时值之和都等于故障点的故障电流，量值很大。
所以通过检测两侧的电流的相量和或瞬时值之和，就可以区分区内故障与区外故障，区内故障时无需任何延时，立即跳闸；区外故障，可靠闭锁两侧保护，使之均不动作跳闸。
4.7 图4—30所示系统，线路全部配置闭锁式方向比较纵联保护，分析在K点短路时各端保护方向元件的动作情况，各线路保护的工作过程及结果。
⋅⋅答：当短路发生在B—C线路的K处时，保护2、5的功率方向为负，闭锁信号持续存在，线路A—B上保护1、2被保护2的闭锁信号闭锁，线路A—B两侧均不跳闸；保护5的闭锁信号将C—D线路上保护5、6闭锁，非故障线路保护不跳闸。
故障线路B—C上保护3、4功率方向全为正，均停发闭锁信号，它们判定有正方向故障且没有收到闭锁信号，所以会立即动作跳闸，线路B—C被切除。
答：根据闭锁式方向纵联保护，功率方向为负的一侧发闭锁信号，跳闸条件是本端保护元件动作，同时无闭锁信号。
继电保护-第4章 电网的纵联保护
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，
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。
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。
继电保护讲解第四章-纵联保护
西南交通大学电气工程学院
第四章
问题的提出
输电线纵联保护
电流保护,距离保护, 电流保护,距离保护,Ⅰ段只保护线路的 85%,对其余的15% 20%线路故障 线路故障, 80%～85%,对其余的15%～20%线路故障,只 能带延时0.5s时限的Ⅱ段来保护, 0.5s时限的 能带延时0.5s时限的Ⅱ段来保护,对高压输电 线路不能满足系统稳定性的要求, 线路不能满足系统稳定性的要求,需要寻求新 的能保护线路全长的保护. 的能保护线路全长的保护.
Um Un
次级不处于短路状态 I M , I N同方向 U m , U n同方向 初级电压升高,使继电器动作, 初级电压升高,使继电器动作,跳两侧的断路器
内部故障
均压法
M
IM
IN
N
∑I
Im
J
∑I
In
i=0
GBm
GBn
J
Um Un
二,纵联差动保护的不平衡电流 —两侧电流互感器二次阻抗及互感器本身励磁特性不
一致,在正常运行及外部故障时, 一致,在正常运行及外部故障时,差回路中电流不 为零,此电流称为不平衡电流. 为零,此电流称为不平衡电流.
稳态下的不平衡电流: 稳态下的不平衡电流:励磁电流之差 流互同型系数, 流互同型系数,同 流互10% 10%误差 流互10%误差 0.5),不同 1.0) 不同( (0.5),不同(1.0)
当用于输电线路时,采用如下两种接线方式: 当用于输电线路时,采用如下两种接线方式:
环流法
电流综合器: 电流综合器: 将三相合成 一相
U m = U n
J
M
IM
IN
N
正常运行以及外部故障
继电保护原理第四章
（2）影响电流互感器误差的主要因素 a、当一次侧电流一定时，二次侧的负载越大，则要求二次侧的 当一次侧电流一定时，二次侧的负载越大， 感应电动势越大，因而要求铁芯中的磁通密度越大， 感应电动势越大，因而要求铁芯中的磁通密度越大，铁芯就容 易饱和； 易饱和； b、当二次侧负载已经确定后，一次侧电流的升高也将引起铁芯 当二次侧负载已经确定后， 中磁通密度增大。因此，一次侧电流越大时， 中磁通密度增大。因此，一次侧电流越大时，二次侧的误差也 增大。 增大。 （3）稳态不平衡电流的计算 在考虑一次电流最大倍数时，应采用外部故障时， 在考虑一次电流最大倍数时，应采用外部故障时，流过电流互 感器的最大短路电流，并保证在这种最大的一次电流情况下， 感器的最大短路电流，并保证在这种最大的一次电流情况下， 二次电流的误差不大于10%。 二次电流的误差不大于10%。 10%
Z 'L ɺ ɺ I2 = I ' Z L + Z2
'
Z2 Z 'L + Z2
不平衡电流实际上是两个电流互感器励磁电流之差； 不平衡电流实际上是两个电流互感器励磁电流之差； 导致励磁电流增加的各种因素， 导致励磁电流增加的各种因素，以及两个电流互感器特性的差 是使不平衡电流增大的主要因素。 别，是使不平衡电流增大的主要因素。
4.1.3 影响输电线纵联差动保护正确工作的因素
影响输电线纵联差动保护正确工作的因素主要有： 影响输电线纵联差动保护正确工作的因素主要有： 1、电流互感器的误差和不平衡电流 2、导引线的阻抗和分布电容 3、导引线的故障和感应过电压 一、电流互感器的误差和不平衡电流 1、正常运行及保护范围外故障时
ɺ ɺ ɺ ɺ I M = − I N = I f (或I d )
《继电保护技术》课件——第四章_输电线路全线速动保护
4.导引线通道
在两个变电站之间铺设电缆，用电缆作为通道传 送保护信息这就是导引线通道。用导引线为通道构 成的纵联保护称做导引线保护。导引线保护一般做 成纵联电流差动保护，在电缆中传送的是两侧的电 流信息。考虑到雷击以及在大接地电流系统中发生 接地故障时地中电流引起的地电位升高的影响，作 为导引线的电缆也应有足够的绝缘水平，从而增大 了投资。显然从技术经济角度来看用导引线通道只 适用于小于十公里的短线路上。
高频闭锁方向保护的框图说明
2KW (M侧）
M
K1
1QF
1KW (M侧）
N
2QF
K2
2KW (N侧）
当向当时K元发间1件 生 元点件1K发K2T故生W1障故有不时障输动，时出作N，前，侧两到不的侧达发1的M闭K正W 侧琐方收动信向信作号元输，，件出发于2端出是K,闭两W从琐侧动而信的作保号2，证K，反了W在方虽 通然过M时侧间的元2K件WT动1和作禁，止但门不J会Z2发将出两跳侧开的1断QF路的器跳1闸Q脉F、冲。 2QF跳开；
3.光纤通道
随着光纤通信技术的快速发展，用光纤作 为继电保护通道使用得越来越多。用光纤通 道做成的纵联保护有时也称做光纤保护。光 纤通信容量大又不受电磁干扰，且通道与输 电线路有无故障无关。近年来发展的若干根 光纤制成光缆直接与架空地线做在一起，在 架空线路建设的同时光缆的铺设也一起完成， 使用前景十分诱人。
方向高频保护 相差高频保护
高频保护构成框图
高频保护由继电部分、高频收发信机和高频 通道三部分构成
（二）通道类型 1.电力线载波通道 2.微波通道 3.光纤通道 4.导引线通道
1.电力线载波通道
这是目前使用较多的一种通道类型， 其使用的信号频率是50-400kHz。这种 频率在通信上属于高频频段范围，所以 把这种通道也称做高频通道。把利用这 种通道的纵联保护称做高频保护。高频 频率的信号只能有线传输，所以输电线 路也作为高频通道的一部份。
电力系统继电保护——4输电线纵联保护
高频信号
A
~1
B
k
C
2
3
4
5
D
6
~
Sk
Sk
Sk
Sk
动作原理
• 保护3和4的功率方向为正，不发出闭锁信号
• 保护2和5的功率方向为负，发出闭锁信号，被本端和 对端收信机接收，闭锁保护1、2、5、6
构成方式：高频通道经常无电流；外部故障时由 短路功率方向为负的一端发出闭锁信号
• 可以保证内部故障并伴随通道破坏时，保护仍然能够 正确动作
8. 高频闭锁距离保护的原理接线
tIII 0
跳闸
Z III
距离III段
0 t1
Z II
t2 0
距离II段(带方向)
&
GFX
通道
GSX
跳闸
&
tII 0
ZI
距离I段(带方向)
万一通信通道损坏，动作情况如何？请讨论
4.4 输电线纵联差动保护
——光纤纵差保护
1. 动作原理
(1) 正常运行或区外故障时
IM1
Y2
T2
D
6
~
Sk
GFX GSX
通道
Y3
跳闸
&
保护1：KW和KA2动作，准备好跳闸回路；可是，保护2的KW 功率方向为负，发出闭锁信号，该信号被两侧的保护的收信机 收到，Y3被闭锁，两侧保护均不能动作。
注意：保护2的发信机必须起动，以保证外部故障时不误动
4. 工作情况分析——两端供电内部故障
高频信号
正常运行或区
外故障时： I I M I N 0
差动保护补充概念
差动的含义：正常运行或者外部故障时，两个电
第四章输电线纵联保护
继电保护装置从TA,TV获取电压电流，形成或提取两端被比较的电气量特征，一方面 发送信息，一方面接收信息（通信通道），比较两端电气量特征，符合条件则动作 并告知对方。
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4-1 输电线纵联保护概述
2、分类
A、按通道类型分 1)导引线纵联保护（需敷设导引线电缆） 2)电力线载波纵联保护（以线路为通道） 3)微波纵联保护 4)光纤纵联保护（短线路纵联保护主要通道形式） B、按保护动作原理分 1)方向比较式纵联保护（通道中传送逻辑信号） 2)纵联电流差动保护（通道中传送两侧电气量信号）
1、载波通道的构成 1)输电线路。 2)阻波器 由电感线圈和可变电容器并联组成的回路。f0为并联谐振的频率。 这样，高频讯号被限制在输电线范围内，而不穿越到相邻线路上。 50Hz工频电流阻波呈现较小阻抗，不影响其传输。
Relay protection,copyright Zhang Jingjing I-7
4-2 输电线纵联保护两侧信息的交换
8).高频收发讯机。 发讯机发出讯号，通过高频通道，送到对端收讯机中，也被自己的收讯机接收，高频 收讯机接收由本端和对端所发送的高频讯号，经过比较判断后，再动作于继电保护。 发讯分故障时发讯和长期发讯。
2、载波通道的特点
对于中长距离的输电线路，敷设专门的辅助导线，技术上、经济上是不合理的。 利用输电线路本身作为一个通道，在输电线传送50Hz工频电流的同时，迭加传送 一个讯号，以进行线路两端电气量的比较。讯号采用50～400kHz的高频电流。 1)无中继通信距离长（几百公里）； 2)经济，使用方便； 3)工程施工比较简单
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电力系统继电保护电子教案第四章输电线纵联保护
1. 环流式导引线保护
.
IM
* *
.
Im
.
IN
同极性端子
* *
.
In
动作线圈 动作线圈
导引线
制动线圈
同极性端子 制动线圈
线路两侧电流互感器的同极性端子经导引线连接起 来。继电器的动作线圈跨接在两导引线芯之间。如 果有制动线圈则它被串接在导引线的回路中。
.
IM
* *
.
Im
.
IN
* *
.
In
动作线圈 动作线圈
M
IM
k1 I N N
根据基尔霍夫电流定律(KCL)
可知：
UM
UN
在集总参数电路中，任何时刻，
内部故障
对任意一节点，所有支路电流相 量和等于零。用数学表达式表示 M IM
I N N k2
如下： I 0
区外故障
对于输电线路MN可以认为是一个节
点。
内部故障
I IM IN Ik
外部故障
I IM IN 0
.
IM
* *
.
Im
.
k1
IN
*
*
.
In
动作线圈 动作线圈
动作线圈中两侧电流同相
制动线圈
制动线圈的制动电流小于 动作线圈中的动作电流
制动线圈
在内部故障时，动作线圈中两侧电流同相，制动线圈 的制动电流小于动作线圈中的动作电流，保护能够可 靠动作。
2．均压法
.
IM
*
*
.
Im
.
IN
* *
.
In
平衡线圈 平衡线圈
(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。
电力系统继电保护 第四章
第4章输电线路纵联保护电流、电压保护和距离保护都是只反映被保护线路一侧的电量，为了获得选择性，其瞬时切除的故障范围只能是被保护线路的一部分，即使性能较好的距离保护，在单侧电源线路上也只能保护线路全长的80%左右，在双侧电源线路上瞬时切除故障的范围大约只有线路全长的60%左右。
在被保护线路其余部分发生故障时，都只能由延时保护来切除。
这对于很多重要的高压输电线路是不允许的，为了电力系统的安全稳定，线路上要求设置具有无延时切除线路上任意处故障的保护装置，输电线的纵联保护就是在这种背景下产生的。
因此仅反映线路一侧的电气量是不可能区分本线路末端和对侧母线(或相邻线路始端)故障的，只有反应线路两侧的电气量才可能区分上述两点故障，达到有选择性地快速切除全线故障的目的。
为此需要将线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，即在线路两侧之间发生纵向的联系，这种保护装置称为输电线的纵联保护。
4.1 输电线路纵联保护的基本原理与类型仅反映线路一侧的电气量是不可能区分本线路末端和对侧母线(或相邻线路始端)故障的，只有反映线路两侧的电气量才能区分上述两点故障，达到有选择性地快速切除全线故障的目的。
为此需要将线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，即在线路两侧之间发生纵向的联系。
这种保护装置就称为输电线的纵联保护。
4.1.1 输电线路纵联保护的基本原理当输电线路内部发生如图4.1所示的k1点短路故障时，流经线路两侧断路器的故障电图4.1 输电线路纵联保护的基本原理示意图流如图中实线箭头所示，均从母线流向线路(规定电流或功率从母线流向线路为正，反之为负)。
而当输电线路MN的外部发生短路时(如图中的k2点)，流经MN 侧的电流如图中的虚线箭头所示，M侧的电流为正，N侧的电流为负。
利用线路内部短路时两侧电流方向同相而外部短路时两侧电流方向相反的特点，保护装置就可以通过直接或间接比较线路两侧电流(或功率)方向来区分是线路内部故障还是外部故障。
继电保护原理第4章-纵联
输电线路纵联电流差动保护原理的特点
1、保护范围明确。保护范围是线路两侧电流互感器之间的范围。 2、动作速度快，可实现全线速动，即全线路瞬时切除区内故障。 这是由于纵联电流差动保护不需与相邻元件的保护配合。 3、不受系统振荡、系统运行方式变化的影响。
三、输电线路两侧电气量的故障特征
1. 两端电流相量和 （正方向：母线线路）
M IM
k1
IN N
M IM
IN N k2
区内故障
0
区外故障
180
4. 两端测量阻抗
区内故障：两端距离Ⅱ段 ZII 均启动 区外故障：近端距离Ⅱ段 ZII 不启动，远端启动。
四、纵联保护基本原理
利用不同特征差异的电气量可以构成不同的纵联保护原理
（1）纵联电流差动保护原理（两端电流相量的故障特征）
第二节 纵联保护两侧信息的交换
一、导引线通信（Pilot Wire Communication）
保护原理：电流差动原理
适用于短线路
动作线圈 动作线圈 制动线圈 制动线圈
制动线圈
i
导引线
制动线圈
（a）环流式
i
动作线圈
动作线圈
（b）均压式
二、电力线载波通信（Power Line Carrier Communication）
正常运行和外部故障时（K2）：两侧电流相位相差约为180°。 内部故障时（K1）：两侧电流相位相差约为0°。
（4）距离纵联保护原理（两端测量阻抗的故障特征） 正常运行和外部故障时（K2）：两端的距离Ⅱ段测量阻抗一侧 为反方向，另一侧为正方向。
内部故障时（K1）：两端的距离Ⅱ段方向阻抗元件都在正方向， 同时启动。
闭锁信号
k1 IN N
继电保护-纵联保护
地球半径r 约6360km
l = 2 (r + h)2 − r 2 ≈ 2 2rh
设h=100m时，l ≈ 2 2 × 6360 × 0.1 = 71.3km 37/91
微波通信、光纤通信部分 ——自学（重点：基本原理、特点）
光纤与电流差动原理的结合，构成了目前最好的 保护方式——光纤差动保护（简称：光差）。其优 缺点在前面已经说明了。
29/91
区外短路时，至少有一侧为负（或不动）。
M
N
∆I
Z II M
&
跳闸 &
跳闸 &
信号线上“有1出1”, 并闭锁两侧保护
∆I
Z II N
&
2）区内故障
先发闭锁信号； 闭锁两侧保护
阻抗动作
30/91
区外短路时，至少有一侧为负（或不动）。
M
N
∆I
Z II M
&
停本侧 信号
跳闸 &
跳闸 &
信号线上“有1出1”, 并闭锁两侧保护
2/91
单端电气量保护： 仅利用被保护元件的一侧电气量，无法区分线路
末端和相邻线路的出口短路，可以作为后备保护或 出口故障的第二种保护。
（通常设计为：三段式）。
纵联保护： 利用被保护元件的各侧电气量，可以识别：内部
和外部的故障，但是，不能作为后备保护。
3/91
在设备的“纵向”之间，进行信号交 换
由∑ Ij = 0，得：Im + In ≥ Iset —— 动作门槛
I 考 set 虑TA误差、分布电容等因素影响。
M Im
In N
Im .R
反映了(Im + In )
继电保护原理基础_第四章
第一节 输电线纵联差动保护基本原理及传输方式
线路两侧装有相同变比的CT 线路两侧装有相同变比的CT 同时跳两侧DL←J动作 同时跳两侧DL←J动作
纵联差动保护的范围是两侧CT之间，可实现全线 纵联差动保护的范围是两侧CT之间，可实现全线 速动。 可分为环流式和均压式两种。（P131 可分为环流式和均压式两种。（P131 图4-2）自学。 适用于< 5～ 适用于< 5～7公里的短线路。若用于长线路技术 上有困难且经济上不合理。 在发电机、变压器、母线保护中应用得更广泛 （后述）
三、高频通道的工作方式及高频信号的应用
高频通道的工作方式： 高频通道的工作方式：
长期发信： “长期发信： 和“高频电流”的区别： 高频信号” 高频信号” 高频电流”的区别：
正常运行时，始终收发信 经常有高频电流），系统故障时 发信（ 正常运行时，始终收发信（经常有高频电流），系统故障时停 ），系统故障时停 信，无高频电流是信号 。 优点：加快保护动作速度；可实时检测通道完好性 优点所谓高频信号是指线路一端的高频 ：加快保护动作速度； 保护在故障时向线路另一端的高频保 缺点：对其它通讯干扰强； 缺点：对其它通讯干扰强；对发讯机性能要求高
“与”门
收到高频信号是跳闸的必要条件
3）闭锁讯号 常以一端的方向零序、 常以一端的方向零序、 距离II段配合闭锁讯号 距离II段配合闭锁讯号 工作， 工作，停讯为跳闸的必 要条件。 要条件。 当外部故障时，由一端的 保护发出高频闭锁信号， 收不到高频信号是跳闸的必要条件 将两端的保护闭琐。 当内部故障时，两端均不 发因而也收不到闭锁信号， 保护即可本原理 1.反应单侧电气量保护的缺陷： 1.反应单侧电气量保护的缺陷： ∵无法区分本线路末端短路与相邻线路出口短路。∴无法实现全线速动。 无法区分本线路末端短路与相邻线路出口短路。∴ 原因：（1 原因：（1）电气距离接近相等。 （2）继电器本身测量误差。 （3）线路参数不准确。 (4)LH、YH有误差。 (4)LH、YH有误差。 （5）短路类型不同。 （6）运行方式变化等。 2. 输电线路纵联差动保护： （1）输电线路的纵联保护：（P129 第二自然段）。 ）输电线路的纵联保护：（P129 （2）导引线纵联差动保护： 用导引线传送电流（大小或方向），根据电流在导引线中的流 动情况， 3、纵联保护信号传输方式： （1）辅助导引线 （2）电力线载波：高频保护 （3）微波：微波保 护 （4）光纤：光纤保护
继电保护原理第4章-纵联动画
信信 TA
方向判别、停信元件: ZII 独立跳闸元件: ZI
结合电容器
特点：区内故障瞬时动作，区外故障作为后备。
12/123
3.3.4高频闭锁距离保护举例：原理接线图
一般t2为4～16ms
三个时间的作用
(等对侧信号发过来)
延时比较
t2 0
跳闸
(保证有两侧信号)
Z II
I
短时开放 150ms
0 t1
以M侧为例说明工作过程
22/123
区外故障逻辑过程的简单归纳： 1）故障时，两侧先启动，并且都发信。 2）正方向元件动作——仅停止本侧发信。 3）反方向侧继续发信——闭锁两侧保护。 利用的特征：任一侧为负，就闭锁保护。
23/123
M 2、区内故障
N
t2 0
跳闸
Z II
I
短时开放 150 ms
启动和发信
2. 闭锁式方向纵联保护的构成－逻辑结构图
Y1
Y2
&
t2 0
跳闸 &
1）区外短路
KW+ KA2 KA1
TV TA
0 t1
发收 信信
2）区内短路 3）单电源区内短路
结合电容器
11/123
三、闭锁式距离(零序)纵联保护
跳闸
tII
tIII
t2 0 &
故障启动发信元件: ZIII
ZI
ZII
ZIII
TV
0 t1 发 收
发收
0 t1
信 信 的过程与前
面是一致的
结合电容器 信号交换
以M侧为例说明工作过程
24/123
M 2、区内故障
N
M侧阻抗动作 Z II
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4. 输电线路纵联保护（Unit Protection）结构
继电保 护装置
通信设备
• 导引线 • 载波 • 光通信纤信道 • 微波
继电保 护装置
通信设备
继电保护装置
实现电气量采集并形成电气量特征，完成保护任务。
通信设备
将上述信息发送至对端的保护设备，同时接收对端保护发送的
信息并送至本端保护单元
通信信道
故障分量方向元件的特点
不受负荷状态的影响 不受故障点过渡电阻的影响 正、反方向短路时，方向性明确 无电压死区 不受系统振荡影响
（二） 闭锁式方向纵联保护
1. 工作原理
以高频通道经常无电流而在外部故障时发出闭
锁信号的方式构成。
闭锁信号
A1
B
2
3
闭锁信号
C
4
5
6D
F
对AB线路为外部故障，2处功率方向均为 负，发闭锁信号，1、2保护被闭锁。
导引线通信应用：
高压电网超短线路（几公里）。 用于变压器、发电机等电力设备和母线。
（二） 电力线载波通信
采用输电线路本身作为信息传输媒介，在传输电能的同时 完成两端信息的交换。 （一）通道的构成
1
2 76
3 45 89
3
2
4 5
67
98
1.传输线 2.阻波器 3.结合电容器 4.连接滤波器 5.高频电 缆 6.保护间隙 7.安全接地开关 8. 高频收发信机 9.保护 继电器
3. 电气元件故障时两端电气量的特征分析
所选电气量
区内故障 特征
区外或正常 运行时特征
保护原理
功率方向
均指向被保 护元件
一端指向被 保护元件反
方向
纵联方向
电流
i1 + i2 = iF i1 + i2 = 0
纵联电流 差动
i1
被保护元件
i2
电流相位
接近同相
相差180 纵联电流 u1
F
u2
相位差动
测量阻抗 正向二段内 一端反向 纵联距离
传输线
• 利用三相输电线路传送高频电流信号，它与一般的通 信线路相比有以下优点：绝缘水平高、导线截面大、 杆塔基础牢、可靠性高。
• 其缺点是： 高频电流的传输要按三相系统考虑，分析、计
算比较复杂； 输电线路运行中不允许轻易停电，给通道检查、
维修造成困难； 雷击、电晕、绝缘子放电、短路等对高频通道
产生强烈的干扰，甚至损坏设备。
延时元件的作用
t2：等待闭锁信号 的可靠接收
t1：防止功率倒向 过程引起保护误动
闭锁信号
4
C5
6D
为什么有两个起动元件？
• 线路A-B每端只有一个起动元件，整定值为100A，由于电 流互感器和继电器中存在误差，两端起动元件的实际起动 电流可能不同。若允许误差±5%,则A端实际起动电流可 能是95A，B端可能是105A。外部故障且短路电流恰好在 [95，105]A之间时，则A端保护1起动，B端保护2不能起 动，则保护会误动。
电力线载波通道工作方式
正常有高频电流方式（长期发信方式） 正常无高频电流方式（故障启动发信方式） 移频方式（采用两个频率）
高频信号的分类
闭锁信号 允许信号 跳闸信号
本端保护动作 收到闭锁信号
& 跳闸脉冲
本端保护动作 收到允许信号
& 跳闸脉冲
本端保护动作
≥1 跳闸脉冲
收到跳闸信号
高频信号逻辑图
（三） 微波通信 1. 微波通道构成
启动元件
工作原理及特点 1. 用距离元件代替方向元件 2. 区内末端故障，利用闭锁信号消失加速距离二
段 3. 可以构成允许式纵联保护
内部故障时可以瞬时动作，外部故障时具有不同的 时限特性，起到后备保护的作用
（四）影响方向纵联保护正确工作的因素 1. 非全相运行对方向纵联保护的影响
电流 I2M = −I2N = I2
不平衡电流产生的原因：互感器的传变特性 最大不平衡电流的估计
Iunb = 0.1Kst Knp Ik max
Kst 同型系数，相同时取0.5，不同时取1 Knp 非周期分量系数1.5-2 Ik max 区外短路最大穿越电流区内故障
2. 电流差动保护的实用判据——制动特性
制动的基本思想： 根据不平衡电流和短路电流的关系，优先保证外部故 障时保护不会因不平衡电流而误动，所以动作门槛根 据故障电流进行调整。
环流法
均压法
环流法分析 ◆正常运行和外部故障 假设：电流由M端流向N端
结论：导引线PW中有环流， 电流继电器K中无电流流 过。
◆内部短路故障
结论：导引线PW中无电流 流过，电流继电器K动作。
均压法分析 ◆正常运行和外部故障 假设：电流由M端流向N端 结论：导引线PW中无电流流 过，继电器K不动作。
阻波器
1
2 76
3 45 89
3
2
4 5
67
98
L、C并联谐振回路，谐振于载波频率。 对载波电流：Z>1000Ω——————限制在本线路。 对工频电流：Z<0.04Ω——————畅流无阻。
频率特性
1
2 76
3 45 89
3
2
4 5
67
98
连接滤波器是由一个可 调的中心变压器、高频 电缆和电容器组成
270° ≥ arg U0 ≥ 90° Zs0 I0
反向故障
∆U M KZ
AC
∆IM
∆U M
φ
∆IM
负序故障分量方向判据
90° ≥ arg U 2 ≥ −90° Zs′2 I2
Zset
反向故障判据
90° ≥ arg ∆U ≥ −90° Z s′∆I
零序故障分量方向判据
90° ≥ arg U0 ≥ −90° Zs′0 I0
4QF N
先
后
1QF
L2
2QF
功率倒向电网示意图
措施：t1为瞬时动作延时返回元件
起 低定值 动 高定值
0 t1 &
载波通道
发送 接收
方向比较
&
t2 0
&
跳闸
3. 电容电流的影响 空载合闸，断开侧保护不启动，合闸侧由于合闸不同步 及电容电流影响造成方向元件误动，引起保护误动作。
措施： 合闸操作时，保护延时动作或短时退出，躲开合闸
动作判据
I diff > K res I res
I diff = IM + IN Kres 制动系数 Ires 制动电流
差动电流
3. 制动电流的选取 制动方式一
制动方式二
I res
=
1 2
IM
− IN
I res
=
1 2
(
IM
+ IN )
标积制动方式
I res
=
Im In cos(180 −θmn )
对BC线路为内部故障，3、4处功率方向均 为正，不发闭锁信号，保护动作于跳闸。
2. 原理接线框图
KW+为功率正方向元件，KA2为高定值电流停信元件， KA1为低定值电流发信元件。t1为瞬时动作延时返回元件， t2为延时动作瞬时返回元件。
闭锁信号
A1
B
2
3
F
动作情况分析
1.故障位于反向区外 2.故障位于正向区外 3.故障位于区内
1.2I f .max 0.85
起动保护的电流继电器：保证先发信，防止
保护误动整定。
Idz.blm = (1.6 2)Idz.lm
Klm
=
I (2) d .min
I dz .blm
2
（三） 闭锁式距离纵联保护
——综合高频闭锁保护和距离保护
A ZⅠA
ZⅡA d1 B
ZⅢA d2
ZⅢ
ZⅠ
ZⅡ
ZⅠB
ZⅢB ZⅡB
0
cos(180 −θmn ) > 0 cos(180 −θmn ) ≤ 0
制动方式的选择标准：防止区外误动的前提下，提高区内 故障的灵敏度。区外故障，制动电流要大；区内故障，制 动电流要尽可能的小
4. 纵联差动保护的整定 （1）差电流速断保护的整定
原则一：躲开外部短路最大不平衡电流
= Iset K= rel Iunb Krel 0.1Kst Knp Ik max
信息传输的媒介
5. 纵联保护的分类
纵联电流差动保护
｛ 按工作原理分类
方向比较式纵联保护 相位比较式纵联保护
纵联距离保护
导引线纵联保护
｛ 按通信媒介分类
高频纵联保护 微波纵联保护
光纤纵联保护
4.2 输电线路纵联保护两侧信息的交换
（一）导引线通信
将线路两端电流互感器二次电流直接通过专门铺设的导 引线传送至对端保护二次回路，成为导引线纵联保护。
高频收发信机通常在电 力系统故障后由保护启 动发出预定频率的高频 信号
结合电容器的容量很 小，对工频电流有很 大的阻抗，能阻止工 频电流侵入高频收发 信机，而对高频电流， 则阻抗很小，高频电 流可以顺利通过。
电力线载波通道特点
工作带宽窄：50-400kHz。过低易受工频干扰，过高衰 耗太大。 无中继通信距离长。可达几百公里。 经济、使用方便，无须铺设其他信道，可与输电线路同 步建设。 通信速率低，仅适合传送逻辑信号。因而适合于纵联方 向、纵联距离、纵联相差动保护。
• 若采用两个灵敏度不同的起动元件，一般 高定值= （1.6~2）低定值，则灵敏的起动元件1动作后，只起动 高频发信机，而不灵敏的起动元件2动作后才能去跳闸。
整定计算
起动发信机的电流继电器：动作电流按继电 器返回电流大于最大负载电流整定。