第四章 输电线路纵联保护

图4-2 为输电线纵联差动保护的基本原理接线。 图4-2 ( a ）为环流法纵差保护原理接线；图 4 -2 ( b ）为均压法纵差保护原理接线。为 了减少所需导引线的根数，在输电线纵差保护 中，一般都采用电流综合器（∑I ) ，将三相 电流合成一单相电流，然后传送到对端进行比 较。综合器∑I可用对称分量复合滤序器或其 它原理作成。

其初级电流很小，不足以使串接于初级回路的 继电器动作于跳闸。而当被保护线路上发生短 路时， IM和IN 、 UM和UN不再大小相等，相位 相反，导引线中将有电流流通，GB 的初级回 路中也将有电流流入继电器，使保护动作于跳 闸。
差动保护的特点
（1）选择性 保护范围是来两侧电流互感器之间 所包括的范围，不需要与相邻元件相配合。 （2）速动性 只保护本线路，全线速动。 （3）可靠性 需要辅助导线 （4）灵敏性 不需要与相邻元件的保护整定，灵 敏性好（收集的是保护两端的信息） 缺点：只适应于较短和比较重要的线路。

由于两端的电流综合器∑I合成的单相电流IM和 IN经隔离变压器GB 后变成电压UM和UN然后由 导引线pw连结起来。隔离变压器GB 的作用是 将保护装置回路与导引线回路隔离，以免导引 线回路中被高压线或雷电感应而生的过电压波 损坏保护装置中的元件，又便于对导引线的完 好性进行监视。其次，GB 还用于将电压升高 到合适的数值，以减小长期正常运行状态下导 引线中的电流（对环流法）和功率消耗。

在此情况下，二次电流之和不再等于零，此电 流称为不平衡电流。不平衡电流也可按电流互 感器的额定变比折合到一次侧，称为一次不平 衡电流。不平衡电流可假想为两端一次电流大 小不等、相位差不等于180°而造成的。不平 衡电流是由于两端电流互感器的磁化特性不一 致，励磁电流不等造成的。稳态负荷情况下， 其值较小，而在短路时，短路电流很大，使电 流互感器铁心严重饱和，不平衡电流可能达到 很大的数值。

因ILN和IN一样也是负值，故不平衡电流Ibp实际 是两个电流互感器励磁电流之差。因此，凡导 致励磁电流增加的各种因素．以及两个电流互 感器励磁特性的差别，是使Ibp增大的主要原因。 为此，需对电流互感器的特性及其误差作进一 步的分析。

根据图45 ( a ）所示电流互感器的等效回路， 可以求出二次电流与一次电流的关系为

二、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。

2．两侧电流相位特征
两端输电线路，若全系统阻抗角均匀，且两端电动势角相等，则 当线路MN发生区内短路故障时，两侧电流同相位，即、相位差为0°； 而当正常运行或发生区外短路故障时，两侧电流反相，即电流、相位 差为180°。

3．两侧功率方向特征
当线路上发生区内故障和区外故障时，输电线两端的功率方向也 有很大差别。令功率正方向由母线指向线路，则线路发生区内故障时， 两端功率方向都由母线流向线路，两端功率方向相同，同为正方向； 而发生区外故障时，远故障点端功率由母线流向线路，功率方向为正， 近故障点端功率由线路流向母线，功率方向为负，两端功率方向相反。

三、影晌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主要因素 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。

下面分别加以简要说明。 1 ．电流互感器的误差和不平衡电流 从图4-3 和图4-4 的动作特性曲线可知，在外 部短路情况下，输电线两端一次电流虽然大小 相等，方向相反，其和为零，但如果由于电流 互感器传变的幅值误差和相位误差，使其二次 电流不再大小相等，方向相反，则保护可能进 入动作区，误将线路跳开。

4．两侧测量阻抗值特征
当线路区内短路时，输电线路两端的测量阻抗都是短路阻抗，一 定位于距离保护Ⅱ段的动作区内，两侧的Ⅱ段同时启动；当正常运行 时，两侧的测量阻抗是负荷阻抗，距离保护Ⅱ段不会启动；当发生外 部短路时，两侧测量阻抗也是短路阻抗，但一侧为反方向，若采用方 向特性的阻抗继电器，则至少有一侧的距离Ⅱ段不会启动。
第四章 输电线路纵联保护

4.1 输电线路纵联差动保护
4.2 输电线路的高频保护 4.3微波保护简介（了解） 4.4 输电线路纵联保护的发展趋势 (了解)
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第一节 输电线纵联差动保护

前几章中讲述的电流电压保护和距离保护原理 用于输电线路时，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。但 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。


中Ktx为电流互感器的同型系数，当两侧电流 互感器的型号、容量均相同时，可取为0.5。 (不是同种型号的系数取1) ( 2 ）暂态过程中的不平衡电流。由于差动保 护是瞬时动作的，因此，还需要进一步考虑在 外部短路暂态过程中，差动回路中出现的不平 衡电流。

由图可见，暂态不平衡电流可能超过稳态不 平衡电流好几倍，而且由于两个电流互感器 的励磁电流含有很大的非周期分量，从而使 不平衡电流（励磁电流之差）也含有强烈的 非周期分量，完全偏于时间轴的一侧。图中 不平衡电流最大值出现的时间较迟，是由于 励磁回路具有很大的电感，励磁电流不能立 即上升的缘故。
4.1 输电线路纵联保护基本原理和分类

一、纵联保护及其构成
输电线路的纵联保护，就是用某种通信通道(简称通道)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。

2 ）当二次负载已确定之后，一次侧电流的升 高也将引起铁心中磁通密度增大。因此，一次 电流越大时，二次电流的误差也增大。
为了保证继电保护的正确工作，就要求电流互 感器在流过故障电流时，应保持一定的准确度。 实际工作上都是采用电流互感器的10％误差曲 线。当电流互感器的容量满足10% 误差曲线 的要求时，其二次电流的误差就一定小于 10% ，相应的角度误差不大于7°。

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， 只能带第11 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。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。

1.两侧电流量特征
双端电源线路区内、外故障示意图 (a)内部故障；(b)外部故障 当线路发生内部故障时， 如图所示，有 I I M I N I k1 ，在故障点有较大短路电流流出; 当线路发生区外短路故障或正常运行时，


如图所示，线路两端电流相量关系为
I I M I N。 0

具有铁心的线圈是一个非线性元件，其励磁阻 抗Z主是随着铁磁材料磁化曲线的工作点而变 化的。当铁心不饱和时，Z的数值很大且基本 不变，因此励磁电流很小，此时可认为I2和I1 成正比而且误差很小。


当电流互感器的一次电流增大后，铁心开始饱 和，则Z迅速下降，励磁电流增大，因而，二 次电流的误差也随之迅速增加，铁心越饱和则 误差越大，其关系如图4-5 ( b ）所示。由于铁 心的饱和与否主要取决于铁心中的磁通密度， 因此，对于已经做成的电流互感器而言，影响 其误差的主要因素是： 1）当一次侧电流I1一定时，二次侧的负载 （即阻抗Z2）越大，则要求二次侧的感应电势 越大，因而，要求铁心中的磁通密度越大，铁 心就容易饱和；


对用于纵差保护中的电流互感器，只需考虑 外部故障时，出现不平衡电流的问题。因此， 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 Idmax，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％。这样，在 纵差动保护中，不平衡电流的稳态值就可以 按下式计算

( l ）稳态情况下的不平衡电流。如果电流互感 器具有理想的特性，按环流法接线构成的纵差 动保护，则在正常运行和外部故障时，两个电 流互感器二次电流大小相等、相位差180°， 相加为零。但实际上，由于电流互感器总是具 有励磁电流，且励磁特性不会完全相同，因此， 二次侧电流的数值应为

在正常运行以及保护范围外部故障时，如上所 述，IM+IN=0 ，因此不平衡电流为
措施：

为了保证纵差动保护的选择性，差动继电器 的起动电流必须躲开上述最大不平衡电 流．因此，Ibpmax越小，则保护的灵敏性 就越好，故如何减小不平衡电流就成为一切 差动保护的中心问题。为减小不平衡电流， 对于输电线纵差动保护以及其它纵差动保护 应采用型号相同、磁化特性一致、铁心截面 较大的高精度的电流互感器，在必要时，还 可采用铁心磁路中有小气隙的电流互感器。


当被保护输电线上发生内部短路时，导引线两 端的一次电流IM和IN以及导引线两端的电压UM 和UN不再大小相等，相位相反，两端的GB 不 再工作于次级短路状态，其初级电压升高，使 继电器动作于跳闸。 对图4-2 ( a ）的环流法原理也可作另一种解释。 在正常运行或N 侧外部短路的情况下M和N两 侧电流的方向相反（规定电流从母线流向线路 的方向为正方向）

实际上，在外部短路时，由于各种误差的影 响， ，将有一不平衡电流流入继电器， 继电器的起动定值必须躲过最大的不平衡电流， 才能保证保护不会误动作。 按照图4-2 ( b ）均压法接线时，同样在正常无 故障运行和外部故障情况下，线路两端的一次 电流IM和IN大小相等相位相反。导引线两端的 电压UM和UN也大小相等，相位相反，但因在 此情况下， UM和UN系反向连接，故导引线中 无电流。两端GB 工作于开路状态。


当保护范围内部（如d1点）故障时，如为双侧 电源供电，则两侧均有电流流向短路点，如图 4-1（a）所示，此时短路点的总电流为Id＝I1M + I1N 因此流入继电器回路，亦即差动回路的 电流为 即等于短路点总电流归算到二次侧的数值。当 IJ> IdzJ时，继电器即动作于跳闸。由此可见， 在保护范围内部故障时，纵差动保护反应于故 障点的总电流而动作。

由于在正常情况下，上述连接方式的纵差动保 护二次侧的电流在导引线中成环流，因此，称 为环流法纵差动保护。图4-1 的接线只能用于 变压器、发电机等电力设备和母线，不能用于 输电线路，因为在正常情况下，它要求沿线路 敷设流过电流互感器二次电流的多根导引线， 这在技术上是不可能的，在经济上也是不合理 的。

按照环流法接线，在正常无故障运行和外部故 障情况下，线路两端的一次电流IM和IN大小相 等，相位差180°。因而导引线两端的电压UM 和UN也是大小相等，相位相反，它们在导引线 中产生一环流。两端的GB 工作于次级短路状 态，因而其初级电压较小，不足以使跨接于其 两端的继电器动作，保护不会动作跳闸。

三、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
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
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。
和纵联电流差动保护两类。

首先以极短的输电线路为例，简要说明纵联差 动保护的基本原理。如图4-1 所示，在线路的 M和N两端装设特性和变比完全相同的电流互感 器，两侧电流互感器一次回路的正极性均置于 靠近母线的一侧，二次回路的同极性端子相联 接（标“·”号者为正极性），差动继电器则并 联联接在电流互感器的二次端子上。 在线路两端，仍规定一次侧电流的正方向为从 母线流向被保护的线路，那么在电流互感器采 用上述连接方式以后，流入继电器的电流即为 各互感器二次电流的总和