第七讲：输电线路高频、差动保护

第二节 输电线路纵联保护两侧信息的交换

输电线路纵联保护的主要特点是需要对 端信息，两端保护要通过通信设备实时地 进行信息传递。因而纵联保护系统和一般 保护相比，需增加通信通道。根据通信通 道的不同，输电线路纵联保护分为：导引 线通信、电力高频载波通信、微波通信、 光纤通信等。
一 、导引线通信

180 b arg
IM

180 b
N
IN
通 讯 媒 介
方 波
比 相
跳闸
比 相
方 波
纵联距离保护
纵联距离保护的基本原理和方向比较纵联保 护的基本原理相似，只是用距离元件替代功 率方向元件。 线路发生内部故障时：M端和N端距离元件方 向均为正向； 线路发生外部故障时：M端和N端距离元件方 向为一正一反。因此可以根据比较两端距离 元件的方向来判别线路内部或者外部短路。
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。
继电保 护装置
继电保 护装置
通信设备
通信介质
通信设备
纵联保护分类
导引线纵联保护(Wire Pilot)
分 通 按 道 通 划 信 输 电 线 路 按 纵 通 联 信 保 护
(Pilot Protection)
电力线载波纵联保护(Power Line Carrier Pilot) 微波纵联保护(Microwave Pilot) 光纤纵联保护(Fiber-Optic Pilot) 方向纵联和距离纵联保护(比较两端逻辑量) (Directional Comparison and Distance Protection) 差动纵联保护（比较两端全量） (Longitudinal Differential Schemes) 相位比较纵联保护 (Longitudinal Differential Schemes) (Phase Comparison) 单元保护(Unit Protection) 纵联电流差动保护(Pilot Wire) 方向比较纵联保护 (Directional Comparison) 距离纵联保护 (Distance Protection) 分

I I
M
I N Id
I I
M
IN 0
功率方向特征
电压参考方向：大地或者中性点； 电流参考方向：母线流向线路为“+”,线路 流向母线为“-”

UM
外部 故障 内部 故障
+
I M W U I M M M
+ +
UN
+
wenku.baidu.com
纵联保护分类
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。
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。
理 动 按 划 作 保 分 原 护
分 形 按 式 保 划 护
非单元保护(Non-Unit Protection)
纵联保护分类
–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。
纵联保护分类
1)方向纵联保护与距离纵联保护 2)差动纵联保护

二 输电线路短路时两侧电气 量的故障特征分析
UM IM
M
d1
IN UN
N
UM IM
M
IN UN
N d2
内部故障

外部故障
d1表示区内故障，d2表示区外故障
电流全量特征
根据基尔霍夫电流定律(KCL)可知： 在集总参数电路中，任何时刻，对任意 一节点，所有支路电流相量和等于零。 用数学表达式表示如下： I 0 ,对于输 电线路如图所示线路MN可以认为是一个 节点。 内部故障 外部故障
iM
iM
iN
iN
iM
iM
iN
iN
t
t
t
t
IM IN
IM
180
0

IN

arg
IM

180
arg
IM

180
IN
IN
(一)纵联电流差动保护
当输电线发生内部故障时 当输电线发生外部故障时 I I M I N 0 因此可以根据两端电流向量和来判别线 路内部或者外部短路。

其动作判据可写为 : I M I N I dz

I IM I N 0
I dz
为整定值，它由固定值和浮动值两部分组成。
(二)纵联方向比较保护
M N UM
IM
IN
UN
通讯媒介
& WM

&
跳闸
WN

当采用故障分量时，其动作判据可写为
360 arg
(二)导引线纵差保护的分类

导引线纵差保护装置在外部故障或正常运行情况下总是 处在平衡或不动作的状态。从获得平衡的原理或者是平 衡时导引电缆的工作模式来分类，可分为如下两大类。
环流式导引 线保护系统
动作线圈
导引线
平衡线圈
平衡线圈
动作线圈
均压式导引 线保护系统
平衡线圈 平衡线圈
动作线圈
动作线圈
导引线纵差保护的分类

各种传送信息通道的特点
(1)导引线通道 (2)电力线载波通道 (3)微波通道 (4)光纤通道

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10km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15kV 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。
第四讲：输电线路高频、差动保护
东南大学 电气工程系 袁宇波 2004.11
为什么要采用纵联保护 ?

利用单端量的保护比如： 输电线的电流电压保护和距离保护，只需将线路一端 的电流电压经过互感器引入保护装置，比较容易实现。 由于互感器传变的误差、线路参数值的不精确性以及 继电器本身的测量误差等原因，这种保护装置可能将 被保护线路对端所连结的母线上的故障，或母线所连 接的其它线路出口处的故障，误判断为本线路末端的 故障而将被保护线路切断。 为了防止这种非选择性动作，不得不将这种保护的无 时限保护范围缩短到小于线路全长。
为什么要采用纵联保护 ?

一般将保护的I段定值整定为线路全长的 80%－85%，对于其余的15%－20%线路 段上的故障，只能等第II段的时限切除， 为了保证故障切除后电力系统的稳定运行， 这样做，对于某些重要线路是不能允许的。
II I
为什么要采用纵联保护 ?

在这种情况下，只能采用所谓的纵联保护原理保护输电 线路，以实现线路全长范围内故障的无时限切除。反映 单端量的保护不能全线速动,造成在高压保护中速度慢, 对电力系统稳定造成影响,并且有一些情况单端量保护 不能满足要求：比如有零序互感的平行线；T型接线； 串补电容线路等。这些都需要纵联保护。
I N WN UN IN
-
+
+
+
+
+
+
M
N
两端距离方向特征
ZM ZN
M
Z
d1
Z
N
d2
jX
距离元件参考方向：如图箭头所示
区内故障 M端距离元件方 向
R
区外故障 正向距离Ⅱ段外 部 反向距离Ⅱ段内 部
正向距离Ⅱ段 内部 正向距离Ⅱ段 内部
N端距离元件方 向
电流相位特征
内部故障 外部故障


1．环流式 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。在正常运行或外部故障时，被保护线 路两侧电流互感器的同极性端子的输出电流大小相等而方向相反， 故此时导引线流过循环电流，而动作线圈中却没有电流流过，即 处在电流平衡状态。由于平衡状态时导引线流过循环电流，故称 环流法，此种平衡的工作模式也称之为电流平衡原理。 2．均压法 线路两侧电流互感器的相异极性端子经由导引线连接 起来，继电器的动作线圈串接在导引线回路上。若有制动线圈， 则它被并接在两导引线线芯之间 。在正常运行或外部故障时， 被保护线路两侧电流互感器极性相异的端子的输出电流大小相等 且方向相同，故导引线及动作线圈中均没有电流通过，二次电流 只能分别在各自的制动线圈及互感器二次绕组中流过，在两侧导 引线线芯间之电压大小相等方向相反，即处在电压平衡状态。这 种工作模式也称为电压平衡原理。
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。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。
保护设备名称
动作时间(单位：ms) 可靠动作周期(50Hz)
继电器
断路器 通道信号传输 整个时间
8-10
30-50 10-30 48-90
0.4-0.5
1.5-2.5 0.5-1.5 2.4-4.5
从上表可以看出纵联保护最快可以在50ms内切除全线范围内的故障，最慢可以在100ms以 内切除。
什么是纵联差动保护
U I

180

线路发生内部故障时：M侧和N侧功率方向元件均为正； 线路发生外部故障时：M侧和N侧功率方向元件均为一正一负。因此可 以根据线路两端功率元件的方向来判别线路内部或者外部短路。
纵联相位比较保护
d d
M
dz d dz
180
0
线路发生内部故障时：M端和N端电流同相（均为正相） （表示线路两端相角差）； 线路发生外部故障时：一端电流为母线流向线路，另一 端为由线路流向母线，于是两端电流相位相反可以根据 电流的相位差来判别线路内部或者外部短路。

所谓输电线的纵联保护，就是用某种通信通道（简称 通道）将输电线两端的保护装置纵向联接起来，将各 端的电气量（电流、电流相位和功率的方向等）传送 到对端，将两端的电气量比较，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。因此，理论上这种纵联保护具有绝对的选择 性。它是一种利用输电线路双端信息量的保护。

利用敷设在电站或变电所之间的金属电缆作为 传递被保护线路各侧信息的通道称之为导引线 通信。以导引线为通道的纵联保护称为导引线 纵联保护。导引线纵联保护是线路纵联保护的 一种型式，它是以金属电缆作为通道，借助通 道将被保护线路对侧传递来的工频信息与本侧 的工频信息相比较以判别区内或区外故障。仅 在被保护线路的内部发生故障时，它将瞬时切 除被保护线路的各侧开关，实现无时限的快速 隔离故障。