线路的纵联保护

第六章 线路的纵联保护第一节 纵联保护的基本原理根据电流、电压和阻抗原理构成的系统保护，都是从线路靠近电源的一侧测量各种状态下的电气量，由于测量误差等原因，它们不能准确判断发生在本线路末端和下一线路出口的故障，为了保证选择性，只能缩小保护范围，在此范围内，保护可以瞬时动作，如电流和距离Ⅰ段。

为了切除全线范围内的故障，必须另外增设保护，如电流和距离Ⅱ段，同样由于误差的原因，保护范围必然延伸到下一线路，与下一线路保护的保护范围交叉重叠，为了保证选择性，只有延时保护动作，使切除全线路范围内故障的时间延长。

对于电力系统的重要线路和大容量高电压以及超高压线路，为了保证系统并列运行的稳定性和减小故障的损害程度，对保护的速动性提出了更高的要求，必须瞬时切除全线路范围内的故障。

线路的纵联保护可以满足要求。

纵联保护是同时比较线路两侧电气量的变化而进行工作的。

因此，在被保护范围内任何地点发生短路时，纵联保护都能瞬时动作。

根据两侧电气量传输方式的不同，纵联保护主要分为导引线纵联保护（简称导引线保护）、电力线载波保护（简称高频保护）、微波纵联保护（简称微波保护）、光纤纵联保护（简称光纤保护）。

第二节 线路的导引线保护一、 导引线保护的基本原理导引线保护是通过比较被保护线路始端和末端电流幅值、相位进行工作的。

为此，应在线路两侧装设变比、特性完全相同的差动保护专用电流互感器TA ，将两侧电流互感器二次绕组的同极性端子用辅助导引线纵向相连构成导引线保护的电流回路，差动继电器KD 并接在电流互感器的二次端子上，使正常运行时电流互感器二次侧电流在该回路中环流，根据基尔霍夫电流定律，流入差动继电器KD 的电流KDI 等于零，如图6-1（a ）所示。

通常称此连接方法为环流法，将环流法接线构成的保护称为导引线保护。

根据以上接线原理，对图6-1所示导引线保护原理进行分析。

当线路正常运行或外部k 点短路时，通过差动继电器KD 的电流为022=-=-=TATA ..KD n I n I I I I ⅠⅠⅠⅠ （6-1）k.Ⅰk.Ⅱ(b)图6-1 导引线保护原理说明（a ）正常运行、外部短路时；（b ）内部短路时当线路内部任意一点k 短路时，分以下两种情况分析。

（1） 线路为两侧电源供电，若两侧电源向短路点k 提供的短路电流分别为k.I Ⅰ 和k .I Ⅱ ，短路点的总电流为k.k .k I I I ⅡⅠ +=，则流入继电器KD 的电流 TAk TA k .TA k ...KD n I n I n I I I I =+=+=ⅡⅠⅡⅠ22 （6-2）当KDI 达到差动继电器KD 的动作电流时，差动继电器TA 瞬时动作，断开线路两电源侧断路器QF 。

（2） 线路为单侧电源供电，且设0=k.I Ⅱ ，若电源向短路点k 提供的短路电流为k I .Ⅰ ，则流入继电器KD 的电流TAk ..KD n I I I ⅠⅠ ==2 （6-3）当KDI 达到差动继电器KD 的动作电流时，差动继电器KD 瞬时动作，断开线路电源侧断路器QF 。

由以上分析可见，线路两侧电流互感器TA 之间所包括的范围，就是导引线保护的保护范围。

导引线保护按环流法接线的三相原理如图6-2（a ）所示，实际导引线保护为了减少所需导线的根数，通常采用电流综合器∑I ，将三相电流综合成一单相电流，然后传送到线路对侧进行比较。

线路两侧的电流综合器∑I 合成的单相电流1I ' 和2I ' 经隔离变压器TV 后变成电压1U '和 图6-2 导引线保护三相原理图（a ）导引线保护原理接线图；(b)一次三相电流相量图；(c)∑I磁流相量图AI BI CI)（b ）（c ）（a ）2U ' ，再由导引线ρω连接起来。

隔离变压器TV 的作用是将保护装置回路与导引线回路隔离，防止导引线回路被高电压线路或雷电感应产生的过电压损坏保护装置，同时还可以监视导引线的完好性。

另外，通过隔离变压器TV 提高电压，减小长期正常运行状态下导引线中的电流和功率消耗。

图6-2（a ）所示的综合器∑I 的A 相匝数为n+2，B 相匝数为n+1，C 相匝数为n ，正常运行时系统的一次电流如图6-2（b ）所示，则综合器∑I 的磁流相量如图6-2（c ）所示。

可见，正常运行时，综合器∑I 有一不平衡输出，但对侧的综合器∑I 也有不平衡输出，而且方向相反，因此，理想情况下，差动继电器KD 的输入量为零，不会动作。

用环流法分析，结果相同。

正常运行或2侧外部短路时，2I 方向与图6-2（a ）所示方向相反，且等于1I ，即 1212I I I I '-='-= ， （6-4） 理想情况下，流入差动继电器KD 的电流KDI 为 021='+'=I I I KD （6-5） 继电器KD 不动作。

内部k 点短路时，如图6-2（a ）所示，流入继电器KD 的电流021≠'+'=I I I KD ，继电器将动作。

实际上，外部短路时，由于各种误差的影响以及线路两侧电流互感器TA 的特性不可能完全相同，故会有一个不平衡电流unbI 流入继电器KD 。

若流入差动继电器KD 的不平衡电流unbI 过大，差动继电器TA 必须采用更高的动作值，才能使导引线保护不误动作，从而降低了保护在线路内部故障时的灵敏度。

这也是所有按环流法接线的导引线保护共同存在的问题。

因此，有必要分析不平衡电流unbI 产生的原因，并设法减小它。

二、 导引线保护的不平衡电流 1. 稳态情况下的不平衡电流在导引线保护中，若电流互感器具有理想的特性，则在系统正常运行和外部短路时，差动继电器KD 中不会有电流流过。

但实际上，线路两侧电流互感器TA 的励磁特性不可能完全相同，如图6-3所示。

当电流互感器TA 一次电流较小时，铁芯未饱和，两侧电流互感器TA 特性曲线接近理想状态，相差很小。

当电流互感器TA 一次电流较大时，铁芯开始饱和，由于线路两侧电流互感器TA 铁芯的饱和点不同，励磁电流差别增大。

当电流互感器TA 一次电流大到使铁芯严重饱和的程度，则会因励磁阻抗的下降而使线路两侧电流互感器TA 的励磁电流剧烈增加，差别显著增大，导致线路两侧电流互感器TA 二次电流有一个很大的差值，此电流差值称为不平衡电流unbI 。

电流互感器TA 二次电流表达式为⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫-=-=）（）（ⅡⅡⅡⅠⅠⅠex.TA .ex .TA .I I n I I I n I 1122 （6-6）式中 ex .I Ⅰ 、ex.I Ⅱ ——分别为线路两侧电流互感器TA 的励磁电流。

正常运行、保护范围外部k 点短路时，流入差动继电器KD 的电流为unb 2211I I I n I I I I n I I I ex .ex .TAex.ex .TA..KD =-=---=-=）（）〕（）〔（ⅠⅡⅡⅡⅠⅠⅡⅠ （6-7）因此，导引线保护的不平衡电流实际上就是线路两侧电流互感器TA 励磁电流之差。

图6-3 电流互感器I 2=f (I 1)的特性曲线和不平衡电流I 2I1为了保持一定的准确度，导引线保护使用的电流互感器TA 应按10%误差曲线选取负载，则可保证变比误差不超过10%，角度误差不超过7°。

当保护范围外部短路时，通过电流互感器TA 一次侧的最大电流为max.k I ，若一侧电流互感器TA 的误差为零，另一侧误差为10%，即f i = 0.1，外部短路时的不平衡电流unbI 达到最大，为max .unb I。

由于导引线保护采用型号和特性完全相同、误差接近的D 级电流互感器TA ，故在不平衡电流max .unb I 中引入同型系数K SS ，K SS 在两侧电流互感器TA 型号相同时取0.5，不同时取1，因此，流入差动继电器KD 的最大不平衡电流为TAmax k SS i max .unb KD n I K f I I ·== （6-8） 2. 暂态过程中的不平衡电流由于导引线保护的动作是瞬时性的，因此，必须考虑在保护范围外部短路时的暂态过程中，流入差动继电器KD 的不平衡电流unb i 。

此时，流过电流互感器TA 一次侧的短路电流k i 中，包含有周期分量和非周期分量，如图6-4所示。

k i 中由于非周期分量对时间的变化率⎪⎭⎫ ⎝⎛dt di 远小于周期分量的变化率⎪⎭⎫⎝⎛dt dI ，因而很难传变到二次侧，大部分作为励磁电流进入励磁回路而使电流互感器TA 的铁芯严重饱和。

此外，电流互感器TA 励磁回路以及二次回路的电感中的磁通不能突变，将在二次回路中引起自由非周期分量电流，因此，暂态过程中的励磁电流将大大超过其稳态值，其中包含大量缓慢衰减的非周期分量电流，使励磁电流曲线偏于时间轴的一侧。

由于励磁回路具有很大的电感，励磁电流不能很快上升，因此在短路后的几个周波才出现最大不平衡电流。

考虑到非周期分量电流k i 的影响，在式（6-8）中应引入非周期分量影响系数K un ，取1.5~2，当采取措施消除其影响时，取为1，则最大不平衡电流幅值的计算式为TAmaxk unSS i max .unb n I K K f I ·= （6-9）图6-4 外部短路暂态过程中的短路电流和不平衡电流（a)一次侧短路电流；（b ）不平衡电流（b ）为了保证导引线保护在外部短路时的选择性，其动作电流必须躲过最大不平衡电流max .unb I 来整定；为了提高导引线保护在内部故障时的灵敏度，应采取措施减小不平衡电流。

三、 减小导引线保护不平衡电流的主要措施（1） 减小稳态情况下的不平衡电流的措施是导引线保护采用型号和特性完全相的D 级电流互感器TA ，并按10%误差曲线进行校验、选择负载。

减小暂态过程中不平衡电流的主要措施通常是在差动回路中接入具有快速饱和特性的中间变流器TA ，如图6-5（a ）所示。

也可以采用在二次回路和差动继电器KD 之间串入电阻的方法，如图6-5（b ）所示。

接入电阻可以减小差动继电器TA 中的不平衡电流并使其加速衰减，但效果不甚显著，一般用于小容量的变压器和发电机上。

四、导引线保护的整定计算1. 导引线保护动作电流的整定按以下两种情况计算 （1）躲过外部短路时的最大不平衡电流max .unb ITAmaxk unSS i rel max .unb rel OP n I K K f K I K I ·== （6-10） 式中 rel K ——可靠系数，一般取1.2~1.3；up K ——非周期分量影响系数，当保护采用带有速饱和变流器的差动继电器时取1。

（2）躲过电流互感器二次回路断线时流入差动继电器KD 的最大负荷电流max .L ITAmaxL relOP n I K I ·= （6-11） 取式（6-9）和式（6-10）中较大者作为差动继电器的整定值。