电网高频保护

电网高频保护
第一节高频保护的基本概念
一、概述
高频保护：是用高频载波代替二次导线，传送线路两侧电信号，所以高频保护的原理是反应被保护线路首末两端电流的差或功率方向信号，用高频载波将信号传输到对侧加以比较而决定保护是否动作
高频保护与线路的纵联差动保护类似，正常运行及区外故障时，保护不动，区内故障全线速动。

二、载波通道的构成原理
目前应用比较广泛的载波通道是“导线一大地”制，其构成如图所示。

组成：1.高频阻波器
2．结合电容器
3．连接滤波器
4．高频电缆
5．保护间隙
6．接地刀闸
7．高频收、发信机
1、高频阻波器
高频阻波器是由电感线圈和可调电容组成的并联谐振回路，使高频电流限制在被保护输
电线路以内。

而工频电流可畅通无阻.
2．结合电容器
它是一个高压电容器，电容很小，对工频电压呈现很大的阻抗，使收发信机与高压输电线路绝缘，载频信号顺利通过
3．连接滤波器
它是一个可调节的空心变压器，与结合电容器共同组成带通滤波器，连接滤波器起着阻抗匹配的作用，可以避免高频信号的电磁波在传输过程中发生反射，并减少高频信号的损耗，增加输出功率。

4．高频电缆
用来连接户内的收发信机和装在户外的连接滤波器。

5．保护间隙
保护间隙是高频通道的辅助设备。

用它来保护高频电缆和高频收发信机免遭过电压的袭击。

6．接地刀闸
接地刀闸也是高频通道的辅助设备。

在调整或检修高频收发信机和连接滤波器时，用它来进行安全接地，以保证人身和设备的安全。

7．高频收、发信机
高频收发信机的作用是发送和接收高频信号。

发信机部分是由继电保护来控制，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，但有时也可以采用长期发讯的方式。

由发信机发出信号，通过高频通道为对端的收信机所接收，也可为自己一端的收信机所接收。

高频收信机接收到由本端和对端所发送的高频信号。

经过比较判断之后，再动作于跳闸或将它闭锁。

三、高频信号的利用方式
按高频通道的工作方式分成经常无高频电流
经常有高频电流
在这两种工作方式中，按传送的信号性质，又可以分为传送闭锁信号、允许信号和跳闸信号三种类型。

闭锁信号：收不到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件。

允许信号：收到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件。

传送跳闸信号：收到这种信号是保护动作于跳闸充分而必要条件的条件。

实现这种保护时，实际上是利用装设在每一端的电流速断、距离I段或零序流速断等保护，当其保护范围内部故障而动作于跳闸的同时，还向对端发出跳闸信号，可以不经过其它控制元件而直接使对端的断路器跳闸。

第二节高频闭锁方向保护
一、高频闭锁方向保护的基本原理
高频闭锁方向保护是通过高频通道间接比较被保护线路两侧的功率方向，以判别是被保护范围内部故障还是外部故障。

当区外故障时，被保护线路近短路点一侧为负短路功率，向输电线路发高频波，两侧收信机收到高频波后将各自保护闭锁。

当区内故障时，线路两端的短路功率方向为正，发信机不向线路发送高频波，保护的起动元件不被闭锁，瞬时跳开两侧断路器。

高频闭锁方向保护的原理接线图
起动发信继电器：灵敏度较高，用来起动高频发信机
起动跳闸继电器: 灵敏度较低，用来起动跳闸回路
功率方向继电器: 判断短路功率的方向
停信继电器:在内部故障时停止发出高频信号
闭锁继电器5：用以控制保护的跳闸回路,带有工作线圈和制动线圈.
只有当工作线圈有电流时继电器才动作；而当制动线圈或两组线圈同时有电流时继电器均不动作
1．区外故障
如在D1点短路，被保护线路AB两侧的起动发信机电流继电器，向高频通道发信，近短路点B侧的短路功率是负的，功率方向继电器不动作，不去停信。

输电线路AB两侧方向高频保护的收信机收到高频信号，将各自的保护闭锁，不发出跳闸脉冲。

2．区内故障
如在D2点短路，两侧起动发信机继电器1及起动跳闸继电器2动作，，向高频通道发信，两侧收信机收到高频信号后，立刻将保护闭锁，但两侧方向继电器3承受正方向短路功率而起动。

首先停信，解除闭锁，与此同时闭锁继电器起动，发出跳闸脉冲。

3．系统振荡
二、高频闭锁负序方向保护
高频闭锁负序方向保护单端原理接线如下图所示。

它由：双向动作的负序功率方向继电器KPD2、起动发信机继电器1K、闭锁保护继电器2KL、口继电器3KOM 等组成。

1．区内故障
负序功率方向继电器KPD2触点向下闭合、停信，起动闭锁继电器2KL发出跳闸脉冲。

2．区外故障
靠近短路点的一侧负序功率继电器KPD2的接点向上闭合，起动发信机继电器向高频通道发信，两侧收信机收到高频信号将各自保护闭锁。

3．整定计算
灵敏元件的动作电流，按躲开最大负载情况下最大负序不平衡电流 I bpmax整定为
I2dz.lm=0.1I f.max
不灵敏元件的动作电流与灵敏元件相配，即
I2dz.blm=（1.5～2）I2dz.lm
第三节高频闭锁距离保护
下图为高频闭锁距离保护的原理说明，假设线路两侧均采用三段式距离元件.
距离部分和高频部分配合的关系是：
III段起动元件Z III动作时，经1KM的常闭触点起动发信机发出高频闭锁信号， II段距离元件Z II动作时则起动1KM停止高频发信机。

距离II段动作后一方面起动时间元件t II，可经一定延时后跳闸，同时还可经过一收信闭锁继电器2KL的闭锁触点瞬时跳闸。

当保护范围内部故障时(如d1点)，两端的起动元件动作，起动发信机，但两端的距离II段也动作，又停止了发信机。

当收信机收不到高频信号时，2KL触点闭合，使距离II段可瞬时动作于跳闸。

当保护范围外部故障时(如d2点)，靠近故障点的B端距离II段不动作，不停止发信， A 端II段动作停止发信，但A端收信机可收到B端送来的高频信号使闭锁继电器动作，2KL 触点打开，因而断开了II段的瞬时跳闸回路，使它只能经过II段时间元件去跳闸，从而保证了动作的选择性。

高频闭锁距离保护的评价：
优点：内部故障时可瞬时切除故障，在外部故障时可起到后备保护的作用。

缺点：主保护(高频保护)和后备保护(距离保护)的接线互相连在一起，不便于运行和检修。

第四节相差高频保护
一、相差高频保护的工作原理
比较被保护线路两侧电流的相位，即利用高频信号将电流的相位传送到对侧去进行比较而决定跳闸与否。

假设线路两侧的电势同相位，系统中各元件的阻抗角相同。

规定：电流从母线流向线路为正，从线路流向母线为负。

区内故障：两侧电流同相位，发出跳闸脉冲；
区外故障：两侧电流相位相差180°，保护不动作
为了满足以上要求，采用高频通道正常时无信号，而在外部故障时发出闭锁信号的方式来构成保护。

实际上，当短路电流为正半周，高频发信机发出信号；而在负半周，高频发信机不发出信号。

当被保护范围内部故障时。

由于两侧电流相位相同，两侧高频发信机同时工作，发出高频信号，也同时停止发信。

这样，在两侧收信机收到的高频信号是间断的，即正半周有高频信号，负半周无高频信号。

当被保护范围外部故障时，由于两侧电流相位相差180°，线路两侧的发信机交替工作，
收信机收到的高频信号是连续的高频信号。

由于信号在传输过程中幅值有衰耗，因此送到对侧的信号幅值就要小一些。

经检波限幅倒相处理后，电流为直流。

由以上的分析可见，相位比较实际上是通过收信机所收到的高频信号来进行的。

在被保护范围内部发生故障时，两侧收信机收到的高频信号重叠约10ms，于是保护瞬时的动作，立即跳闸。

在被保护范围外部故障时，两侧的收信机收到的高频信号是连续的，线路两侧的高频信号互为闭锁，使两侧保护不能跳闸。

组成：反应不对称短路的灵敏元件I3和不灵敏元件I4
反应对称短路的灵敏元件I1和不灵敏元件I2
负序电流滤过器
综合电流I1+KI2滤过器
比相闭锁继电器KDS
比相输出变压器XB
操作互感器T
收发信机
正常时:发信机没有电源，所以不能向高频通道发送信号。

系统发生故障时:灵敏元件首先起动，给发信机的提供电源，发信机立刻向通道发送出故障电流调制的断续高频波。

不灵敏元件起动后，准备好保护跳闸出口回路电源。

收信机收到断续波时，XB有输出，KDS动作，发出跳闸脉冲。

若收信机收到连续高频波，说明是区外故障，经检波限幅倒相处理后，XB输出电流为零， KDS不动作，闭锁了保护出口回路。

二、相差高频保护的相位特性和相继动作区
相差高频保护是通过测定通道上高频信号是否间断，来判断是保护范围内部还是外部故障的。

当间断角大于闭锁角时，为保护范围内部故障，保护动作。

反之，当间断角小于闭锁角时，为保护范围外部故障，保护不动作。

在电力系统的实际运行中，在被保护范围内部故障时，两侧高频信号不会完全重叠；在外部故障时，两侧的高频信号也不会是连续的。

所以，就需要进一步分析相差高频保护的相位特性。

相位特性：是指相位比较继电器中的电流IJ和高频信号的相位角ф关系曲线，亦即IJ=f（ф）的曲线，称为相位特性曲线。

1．相差高频保护在线路两侧操作电流的相位关系
(1)外部三相短路:
电流互感器约有φTA＝7°角误差，复合滤过器及保护约有φbh＝15°角误差。

高频信号在输电线路上传输需要时间，以光速V＝3.0×108 m/s传送至对侧所需时间t产生的延迟角误差
式中 l ———输电线路长度，单位为km。

总误差角为：φ=φTA+φbh+α=7°+15°+0.06°
为了保证保护的选择性，应考虑一定的裕度，令φy＝15°
外部故障：两侧操作电流的相位差不是180°，收到的两侧断续高频波不是连续的，而是180°+φ，即出现间断角为
r外=φTA+φbh+φy+0.06°=37°+0.06°
(2)内部故障: 双侧电源系统在d点发生三相短路时，线路两侧电势EM和EN之间的相角差为δo ，δ角一般不超过70° 。

M侧电流I M落后于E MφdM≈60°, N侧到短路点φdN=90°。

两侧电流的相位差将达到100°。

电流互感器的最大误差角φTA=7°，保护装置的角误差φbh=15°，高频信号沿输电线路传输需要时间，造成的延迟误差角α=0.06°l。

N侧收到两侧高频载波信号的最大角相差为
φN=100°+7°+15°-0.06°=122°-0.06°
M侧为φM=100°+7°+15°+0.06°=122°+0.06°
内部故障时，理论上接收两侧断续高频波的间断角为180°，由于两侧电源电势的相位
差、电流互感器和保护装置的角误差，所以间断角仅为
r N=180°-φN=58°+0.06°
r M=180°-φM=58°-0.06°
2. 保护的相继动作区
收信机收到两调频信号的相位差与线路的长度有关，保护范围之外故障时，间断角为r外=37°+0.06°
要求保护不动作，保护范围内故障时，M侧的间断角为
r M=58°-0.06°
要求保护动作, 线路的临界长度为
l =175km
即当线路长度>175km时，被保护线路内部故障M侧的保护将不动作，但N侧保护间断角增大，保护动作，当N侧断路器跳开以后，M侧收发信机自发自收，其间断角为180°，则M侧保护动作。

3．保护闭锁角
在理想情况，相位特性曲线I J=f（ф）是如下图所示的直线（虚线1所示）。

但实际上不是直线而是曲线，如下图中实线2所示。

现根据该曲线来确定继电器J的动作电流和闭锁角，如右图所示。

设继电器J的动作电流为I J.dz，则它与相位特性曲有两个交点，对应于横坐标的角度为φdz和φb。

在交点上部，I J >I J.dz，继电器的动作。

交点下部，I J <I J.dz，继电器不会动作。

图中的角φb称为保护的闭锁角，φdz角称为保护的动作角。

闭锁角φb 的选定，必须满足；外部故障时保证保护不动作，内部故障时保证保护能正确动作。

因此，φb 应整定为
φb =22°+0.06°+φy
式中 l ——线路长度（km ）;
φy ——裕度角，一般为l5°
上式表明，线路越长,闭锁角越大，而闭锁角越大，对保护动作的灵敏度的影响就越不利。