继电保护输电线路的纵联保护
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电力系统 继电保护
和敬涵 教授
Power System Relay Protection
教学内容
1 • 绪论 2 • 继电器
3 • 电网的电流电压保护
4 • 接地故障的电流电压保护 5 • 电网距离保护 6 • 输电线路纵联保护 7 • 自动重合闸 8 • 电力变压器保护 9 • 发电机保护
2015/5/25
电力系统继电保护
28
思考题
12、用图6-33（包括原理接线图和逻辑框图）分析区内、区外短路时，高频 闭锁方向保护的动作行为。 13、图6-33中（b），为什么要求起动元件I1比I2动作要快？为什么需要时间 元件T？
2015/5/25
电力系统继电保护
29
2015/5/25
电力系统继电保护
24
6.8 方向比较式纵联保护
二、高频发信机远方起动与弱电源端保护
高频发信机远方起动 闭锁式保护，外部故障，近故障侧发闭锁信号 如果近故障侧未起动发信，则远故障侧误跳闸！ 高频发信机远方起动回路：外部故障，只要一端发信机起动， 则起动对端发信机，并保持一个固定时间。
1）有现成的金属通信线路可用； 2）所需的金属导引线在15km以下； 3）被保护线路为两端线路，或者每 边长度不超过3.7km，总长度不超过 11km的三端线路； 4）光纤通道短期内难以获得。
2.宜于选用高频载波通道条件：
1）输电线太长，不能用导引线通道； 2）专用于继电保护时光纤通道投资 太大； 3）除了保护信号外，不需要其它的 数据传输； 4）需要两种不同原理的完全独立的 通信通道时。
系统振荡中心 在保护范围内
两端功率 方向为正
保护 误动
2015/5/25
电力系统继电保护
23
一、高频闭锁方向保护基本原理
在外部故障时保护可靠不动作的必要条件是靠近故障点一端的高频发信机必 须起动，而如果两端起动元件的灵敏度不相配合时，就可能发生误动作。
起动元件灵敏度配合： 如果只有1个起动元件 I act 100 A
2015/5/25
电力系统继电保护
7
6.1 基本原理与类别
纵联保护的分类
按信号性质分：闭锁式；允许式；直接跳闸式；解除闭锁式； 按通信通道分：
导引线 输电线载波或高频通道 微波通道 光纤通道 导引线保护 载波（高频）保护 微波保护 光纤通道保护
按保护原理分：
起动元件1动 起动元件2动 方向元件动
→ 发信 “与1”有输出 关闭“与2”停信 经“与3”、延时跳闸
2015/5/25
电力系统继电保护
22
一、高频闭锁方向保护基本原理
3.单端供电线路内部故障
如果采用负序电压起动，则受电端发信不停信，将电源侧保护闭锁 保护拒动
4.系统振荡
方向元件接相电流 相（线）电压
纵联差动保护（相位比较式差动、全电流差动） 方向比较式纵联保护 距离纵联保护
2015/5/25
电力系统继电保护
8
6.2 纵联保护的通信通道
一、导引线通道
最早的纵联保护通信通道 与被保护线路平行敷设的金属导线（导引线），用以传送被 保护线路各端电气量测量值和有关信号 只用于很短的重要输电线路，一般不超过15~20公里
I K I 2m I 2n 1 I k1 nTA
——保护动作
电力系统继电保护
15
1 ( I1M I1N ) nTA
nTA 电流互感器变比
I K I act
2015/5/25
6.3 输电线路导引线电流纵联差动保护
一、 导引线纵联差动保护的工作原理
正常运行和外部故障情况：
2015/5/25
电力系统继电保护
9
6.2 纵联保护的通信通道
二、输电线路载波（高频）通道
1.输电线路载波通道的构成 传送信号频率：30~500kHz 高频通道： “相-地”通道 “相-相”通道
2015/5/25
电力系统继电保护
10
6.2 纵联保护的通信通道
二、输电线路载波（高频）通道
2015/5/25
“与2”有输出 → 发闭锁信号 “与1”无输出 “与3”无输出 不跳闸 时间元件T：外部故障等待对端闭锁信号 （故障开始到对端闭锁信号到达本端的时间） “与1”有输出 → “与3”无输出 不跳闸 “与2”无输出 停信
电力系统继电保护
21
一、高频闭锁方向保护基本原理
2.两端供电线路内部故障 两端功率为正 起动元件动作
中间继电器KM4： 内部故障停止发信 极化继电器KM5： 控制跳闸 收到高频信号时制动 收不到高频信号动作
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电力系统继电保护
20
一、高频闭锁方向保护基本原理
1.外部故障 远故障端功率为正 近故障端功率为负
近故障端： 起动元件1动 起动元件2动 方向元件不动
远故障端： 起动元件1动 起动元件2动 方向元件动
1.输电线路载波通道的构成 主要元件及作用： 1）阻波器。将高频信号限制在 被保护线路；对工频是线路阻抗 2）结合电容器。与连接滤波器 构成高频带通；防止工频泄露 3）连接滤波器。高频带通；阻 抗匹配，避免高频信号反射 4）高频电缆。 5）高频收、发信机。故障发信、 长期发信、改变频率方式 6）接地刀闸。检修接地
电力系统继电保护
12
6.2 纵联保护的通信通道
四、光纤通道
组成原理示意图
(1)用于50~70km
(2)没有过电压、电磁干扰问题； (3)光纤通信是单方向的，发送和接收分别用一根光纤。
2015/5/25
电力系统继电保护
13
6.2 纵联保护的通信通道
五、 继电保护通信通道的选择原则
优先考虑采用光纤通道。 1.宜于选用导引线通道条件：
2015/5/25
电力系统继电保护
2
6. 输电线路的纵联保护
第一节 第二节 第三节 第八节 基本原理与类别
纵联保护的通信通道
输电线路的导引线电流纵联差动保护
方向比较式纵联保护
2015/5/25
电力系统继电保护
3
6.1 基本原理与类别
输电线的纵联保护
用某种通信通道（简称通道）将输电线两端或各端（对于
非单元式保护-在输电线各端对某种或某几种电气量进行测 量，但不将测量值直接传送到其它各端，而是传送根据这些测 量值得到的对故障性质（如故障方向、故障位置等）的某种判 断结果。
例如：方向比较式纵联保护、距离纵联保护
2015/5/25
电力系统继电保护
6
6.1 基本原理与类别
我国习惯按照通信通道所传送信号的性质和所应用 的保护原理分类
闭锁信号：短路功率方向为负的的一端发出
两端接收闭锁信号 → 闭锁本端保护
基本原理： 非故障线路一端发闭锁信号，闭锁两端保护 故障线路不发闭锁信号，保护可以动作 高频通道破坏时不影响保护工作
2015/5/25
电力系统继电保护
19ห้องสมุดไป่ตู้
一、高频闭锁方向保护基本原理
起动元件： I1灵敏度高，起动发信 I 2灵敏度低，准备跳闸 功率方向元件： 判断短路功率方向
2015/5/25
电力系统继电保护
11
6.2 纵联保护的通信通道
三、微波通道
传送信号频率：150MHz~20GHz (1)微波通道独立于输电线路；
(2) 远距离传输需要中继站 （50km左右）、信号有延时；
组成原理示意图
2015/5/25
(3) 微波信号的衰减与天气有 关，空气中水蒸汽含量过大时， 信号衰耗增大。
方向比较式纵联保护的实现方式
（非单元式保护）
闭锁式：方向元件判断为反方向故障的一端发出闭锁信号， 闭锁两端保护。 允许式：任一端判断为正方向故障，向对端发出允许跳闸信 号。
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电力系统继电保护
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6.8 方向比较式纵联保护
一、高频闭锁方向保护基本原理
高频闭锁方向保护是在外部故障时发出闭锁信号的一种保护
单元式保护-从输电线的每一端采集电气量的测量值，通过 通信通道传送到其它各端；在各端将这些测量值进行直接比较， 以决定保护装置是否应该动作跳闸。
例如：比较电流相位的相位差动保护、比较电流波形（幅值 和相位）的电流差动保护
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电力系统继电保护
5
6.1 基本原理与类别
国际大电网会议（CIGRE）根据纵联保护构成的基本 原理，将其分为两类：
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电力系统继电保护
26
小结
2015/5/25
电力系统继电保护
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思考题
1、何谓闭锁信号？何谓允许信号？何谓跳闸信号？何谓解除闭锁信号？ 2、为什么应用载波（高频）通道时最好传送闭锁信号？ 3、载波通道是由哪些设备组成的？各有什么作用？ 4、为什么利用载波通道不能实现电流差动保护？ 5、与载波通道相比，微波通道有何优缺点？ 6、光纤通道有何优缺点？ 7、简述线路纵差动保护的基本原理。 8、简述方向比较式纵联保护的基本原理。 9、为什么方向比较式纵联保护要设置两套灵敏度不同的起动元件？两套起 动元件之间如何配合？ 10、为什么对闭锁式方向纵联保护中要实现发信机的远方起动，它在什么情 况下防止了保护的误动作？ 11、如果输电线路一端为弱电源端，如何保证方向纵联保护在区内故障时的 正确动作？
信号按其性质可分为三种：
闭锁信号：收不到 这种信号是保护动作 跳闸的必要条件
保护 信号 跳闸
允许信号：收到这 种信号是保护动作 跳闸的必要条件
保护 信号 跳闸
跳闸信号：收到这 种信号是保护动作于 跳闸的充要条件
保护 跳闸
信号
判定为外部故障的一端 保护装置发出闭锁信号
判断内部故障时，两 I段保护动作于跳闸的 端保护同时向对端发 同时向对端发出跳闸 出允许信号 信号 解除闭锁信号：正常时两端用不同的频率互发一闭锁信号，兼作通道的 监视信号；内部时时两端同时取消闭锁信号，保护能够跳闸。
多端线路）的保护装置纵向联结起来，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。
2015/5/25
电力系统继电保护
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6.1 基本原理与类别
国际大电网会议（CIGRE）根据纵联保护构成的基本 原理，将其分为两类：
3.宜于选用微波通道条件：
1）输电线载波频段不够分配，不能用于保护； 2）除了保护信号外需要传送其它数据和语言； 3）光纤通道短期内难以获得，而有现成的微波通道可供保护应用。
2015/5/25
电力系统继电保护
14
6.3 输电线路导引线电流纵联差动保护
一、 导引线纵联差动保护的工作原理
金属导线作为通信通道的输电线路纵联差动保护 反应从被保护元件各对外端口流入该元件的电流之和 有绝对选择性的快速保护 内部故障情况：
例：A侧远方起动B侧发信机
2015/5/25
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6.8 方向比较式纵联保护
二、高频发信机远方起动与弱电源端保护
弱电源端保护
① 内部故障，若电源侧短路电流小，则本应动作停信的方向元件没有动作； ② 被强电源端起动的发信机发出的闭锁信号不能停止；
两侧保护都不能跳闸
弱电源端保护措施： 电流、电压保护 跳开弱电源侧断路器，停止发信
规定正方向： 电流母线到线路为正
I1M = I1N I2m = I2n IK 0
保护不动作
2015/5/25
电力系统继电保护
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6.3 输电线路导引线电流纵联差动保护
二、导引线纵差动保护的接线
两种接线原理
环流法接线
均压式接线
2015/5/25
电力系统继电保护
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6.8 方向比较式纵联保护
电流互感器 误差 N侧起动元件95A 不动 → 不发闭锁信号 M侧起动元件105A 动 且正功率 → 误动
采用2个灵敏度不同的起动元件：
I act.2 (1.6 ~ 2) I act.1
灵敏起动元件1：起动发信 不灵敏起动元件2：起动跳闸 起动元件2动作时间 > 起动元件1动作时间：等待对端的闭锁信号
电力系统 继电保护
和敬涵 教授
Power System Relay Protection
教学内容
1 • 绪论 2 • 继电器
3 • 电网的电流电压保护
4 • 接地故障的电流电压保护 5 • 电网距离保护 6 • 输电线路纵联保护 7 • 自动重合闸 8 • 电力变压器保护 9 • 发电机保护
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思考题
12、用图6-33（包括原理接线图和逻辑框图）分析区内、区外短路时，高频 闭锁方向保护的动作行为。 13、图6-33中（b），为什么要求起动元件I1比I2动作要快？为什么需要时间 元件T？
2015/5/25
电力系统继电保护
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6.8 方向比较式纵联保护
二、高频发信机远方起动与弱电源端保护
高频发信机远方起动 闭锁式保护，外部故障，近故障侧发闭锁信号 如果近故障侧未起动发信，则远故障侧误跳闸！ 高频发信机远方起动回路：外部故障，只要一端发信机起动， 则起动对端发信机，并保持一个固定时间。
1）有现成的金属通信线路可用； 2）所需的金属导引线在15km以下； 3）被保护线路为两端线路，或者每 边长度不超过3.7km，总长度不超过 11km的三端线路； 4）光纤通道短期内难以获得。
2.宜于选用高频载波通道条件：
1）输电线太长，不能用导引线通道； 2）专用于继电保护时光纤通道投资 太大； 3）除了保护信号外，不需要其它的 数据传输； 4）需要两种不同原理的完全独立的 通信通道时。
系统振荡中心 在保护范围内
两端功率 方向为正
保护 误动
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一、高频闭锁方向保护基本原理
在外部故障时保护可靠不动作的必要条件是靠近故障点一端的高频发信机必 须起动，而如果两端起动元件的灵敏度不相配合时，就可能发生误动作。
起动元件灵敏度配合： 如果只有1个起动元件 I act 100 A
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6.1 基本原理与类别
纵联保护的分类
按信号性质分：闭锁式；允许式；直接跳闸式；解除闭锁式； 按通信通道分：
导引线 输电线载波或高频通道 微波通道 光纤通道 导引线保护 载波（高频）保护 微波保护 光纤通道保护
按保护原理分：
起动元件1动 起动元件2动 方向元件动
→ 发信 “与1”有输出 关闭“与2”停信 经“与3”、延时跳闸
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一、高频闭锁方向保护基本原理
3.单端供电线路内部故障
如果采用负序电压起动，则受电端发信不停信，将电源侧保护闭锁 保护拒动
4.系统振荡
方向元件接相电流 相（线）电压
纵联差动保护（相位比较式差动、全电流差动） 方向比较式纵联保护 距离纵联保护
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6.2 纵联保护的通信通道
一、导引线通道
最早的纵联保护通信通道 与被保护线路平行敷设的金属导线（导引线），用以传送被 保护线路各端电气量测量值和有关信号 只用于很短的重要输电线路，一般不超过15~20公里
I K I 2m I 2n 1 I k1 nTA
——保护动作
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1 ( I1M I1N ) nTA
nTA 电流互感器变比
I K I act
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6.3 输电线路导引线电流纵联差动保护
一、 导引线纵联差动保护的工作原理
正常运行和外部故障情况：
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6.2 纵联保护的通信通道
二、输电线路载波（高频）通道
1.输电线路载波通道的构成 传送信号频率：30~500kHz 高频通道： “相-地”通道 “相-相”通道
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6.2 纵联保护的通信通道
二、输电线路载波（高频）通道
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“与2”有输出 → 发闭锁信号 “与1”无输出 “与3”无输出 不跳闸 时间元件T：外部故障等待对端闭锁信号 （故障开始到对端闭锁信号到达本端的时间） “与1”有输出 → “与3”无输出 不跳闸 “与2”无输出 停信
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一、高频闭锁方向保护基本原理
2.两端供电线路内部故障 两端功率为正 起动元件动作
中间继电器KM4： 内部故障停止发信 极化继电器KM5： 控制跳闸 收到高频信号时制动 收不到高频信号动作
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一、高频闭锁方向保护基本原理
1.外部故障 远故障端功率为正 近故障端功率为负
近故障端： 起动元件1动 起动元件2动 方向元件不动
远故障端： 起动元件1动 起动元件2动 方向元件动
1.输电线路载波通道的构成 主要元件及作用： 1）阻波器。将高频信号限制在 被保护线路；对工频是线路阻抗 2）结合电容器。与连接滤波器 构成高频带通；防止工频泄露 3）连接滤波器。高频带通；阻 抗匹配，避免高频信号反射 4）高频电缆。 5）高频收、发信机。故障发信、 长期发信、改变频率方式 6）接地刀闸。检修接地
电力系统继电保护
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6.2 纵联保护的通信通道
四、光纤通道
组成原理示意图
(1)用于50~70km
(2)没有过电压、电磁干扰问题； (3)光纤通信是单方向的，发送和接收分别用一根光纤。
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6.2 纵联保护的通信通道
五、 继电保护通信通道的选择原则
优先考虑采用光纤通道。 1.宜于选用导引线通道条件：
2015/5/25
电力系统继电保护
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6. 输电线路的纵联保护
第一节 第二节 第三节 第八节 基本原理与类别
纵联保护的通信通道
输电线路的导引线电流纵联差动保护
方向比较式纵联保护
2015/5/25
电力系统继电保护
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6.1 基本原理与类别
输电线的纵联保护
用某种通信通道（简称通道）将输电线两端或各端（对于
非单元式保护-在输电线各端对某种或某几种电气量进行测 量，但不将测量值直接传送到其它各端，而是传送根据这些测 量值得到的对故障性质（如故障方向、故障位置等）的某种判 断结果。
例如：方向比较式纵联保护、距离纵联保护
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电力系统继电保护
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6.1 基本原理与类别
我国习惯按照通信通道所传送信号的性质和所应用 的保护原理分类
闭锁信号：短路功率方向为负的的一端发出
两端接收闭锁信号 → 闭锁本端保护
基本原理： 非故障线路一端发闭锁信号，闭锁两端保护 故障线路不发闭锁信号，保护可以动作 高频通道破坏时不影响保护工作
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19ห้องสมุดไป่ตู้
一、高频闭锁方向保护基本原理
起动元件： I1灵敏度高，起动发信 I 2灵敏度低，准备跳闸 功率方向元件： 判断短路功率方向
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6.2 纵联保护的通信通道
三、微波通道
传送信号频率：150MHz~20GHz (1)微波通道独立于输电线路；
(2) 远距离传输需要中继站 （50km左右）、信号有延时；
组成原理示意图
2015/5/25
(3) 微波信号的衰减与天气有 关，空气中水蒸汽含量过大时， 信号衰耗增大。
方向比较式纵联保护的实现方式
（非单元式保护）
闭锁式：方向元件判断为反方向故障的一端发出闭锁信号， 闭锁两端保护。 允许式：任一端判断为正方向故障，向对端发出允许跳闸信 号。
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6.8 方向比较式纵联保护
一、高频闭锁方向保护基本原理
高频闭锁方向保护是在外部故障时发出闭锁信号的一种保护
单元式保护-从输电线的每一端采集电气量的测量值，通过 通信通道传送到其它各端；在各端将这些测量值进行直接比较， 以决定保护装置是否应该动作跳闸。
例如：比较电流相位的相位差动保护、比较电流波形（幅值 和相位）的电流差动保护
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6.1 基本原理与类别
国际大电网会议（CIGRE）根据纵联保护构成的基本 原理，将其分为两类：
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小结
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思考题
1、何谓闭锁信号？何谓允许信号？何谓跳闸信号？何谓解除闭锁信号？ 2、为什么应用载波（高频）通道时最好传送闭锁信号？ 3、载波通道是由哪些设备组成的？各有什么作用？ 4、为什么利用载波通道不能实现电流差动保护？ 5、与载波通道相比，微波通道有何优缺点？ 6、光纤通道有何优缺点？ 7、简述线路纵差动保护的基本原理。 8、简述方向比较式纵联保护的基本原理。 9、为什么方向比较式纵联保护要设置两套灵敏度不同的起动元件？两套起 动元件之间如何配合？ 10、为什么对闭锁式方向纵联保护中要实现发信机的远方起动，它在什么情 况下防止了保护的误动作？ 11、如果输电线路一端为弱电源端，如何保证方向纵联保护在区内故障时的 正确动作？
信号按其性质可分为三种：
闭锁信号：收不到 这种信号是保护动作 跳闸的必要条件
保护 信号 跳闸
允许信号：收到这 种信号是保护动作 跳闸的必要条件
保护 信号 跳闸
跳闸信号：收到这 种信号是保护动作于 跳闸的充要条件
保护 跳闸
信号
判定为外部故障的一端 保护装置发出闭锁信号
判断内部故障时，两 I段保护动作于跳闸的 端保护同时向对端发 同时向对端发出跳闸 出允许信号 信号 解除闭锁信号：正常时两端用不同的频率互发一闭锁信号，兼作通道的 监视信号；内部时时两端同时取消闭锁信号，保护能够跳闸。
多端线路）的保护装置纵向联结起来，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。
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6.1 基本原理与类别
国际大电网会议（CIGRE）根据纵联保护构成的基本 原理，将其分为两类：
3.宜于选用微波通道条件：
1）输电线载波频段不够分配，不能用于保护； 2）除了保护信号外需要传送其它数据和语言； 3）光纤通道短期内难以获得，而有现成的微波通道可供保护应用。
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6.3 输电线路导引线电流纵联差动保护
一、 导引线纵联差动保护的工作原理
金属导线作为通信通道的输电线路纵联差动保护 反应从被保护元件各对外端口流入该元件的电流之和 有绝对选择性的快速保护 内部故障情况：
例：A侧远方起动B侧发信机
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6.8 方向比较式纵联保护
二、高频发信机远方起动与弱电源端保护
弱电源端保护
① 内部故障，若电源侧短路电流小，则本应动作停信的方向元件没有动作； ② 被强电源端起动的发信机发出的闭锁信号不能停止；
两侧保护都不能跳闸
弱电源端保护措施： 电流、电压保护 跳开弱电源侧断路器，停止发信
规定正方向： 电流母线到线路为正
I1M = I1N I2m = I2n IK 0
保护不动作
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6.3 输电线路导引线电流纵联差动保护
二、导引线纵差动保护的接线
两种接线原理
环流法接线
均压式接线
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6.8 方向比较式纵联保护
电流互感器 误差 N侧起动元件95A 不动 → 不发闭锁信号 M侧起动元件105A 动 且正功率 → 误动
采用2个灵敏度不同的起动元件：
I act.2 (1.6 ~ 2) I act.1
灵敏起动元件1：起动发信 不灵敏起动元件2：起动跳闸 起动元件2动作时间 > 起动元件1动作时间：等待对端的闭锁信号