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1、电力系统继电保护4输电线路纵联保护4.1输电线路纵联保护概述4.1.1引言输电线路的纵联保护将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧的电气量同时比较、联合工作，也就是说在线路两侧之间发生纵向的联系，以这种方式构成的保护称之为输电线路的纵联保护。以两端输电线路为例，一套完整的纵联保护其一般构成如右图所示：TV电压互感器TA电流互感器4.1.1引言一般纵联保护可以按照所利用通道类型或保护动作原理进行分类：4.1.1引言一般纵联保护可以按照所利用通道类型或保护动作原理进行分类：方向比较式纵联保护两侧保护装置将本侧的功率方向、测量阻抗是否在规定的方向、区段内的判别结果传送到对侧每侧保护装置根据两侧的判别
2、结果，区分是区内还是区外故障。这类保护在通道中传送的是逻辑信号，而不是电气量本身，传送的信息量较少，但对信息可靠性要求很高。按照保护判别方向所用的原理可分为方向纵联保护与距离纵联保护。纵联电流差动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。这类保护在每侧都直接比较两侧的电气量，信息传输量大，并且要求两侧信息采集的同步，实现技术要求较高。4.1.2输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析纵联保护需要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保护。（图4-2：双端电源线路内、外部故障示意图）4.1.3纵联保护的
3、基本原理1纵联电流差动保护考虑CT误差、线路分布电容等因素的影响，动作判据实际上应为：2方向比较式纵联保护利用输电线路两端功率方向相同或相异的特征构成方向比较式纵联保护。4.1.3纵联保护的基本原理3电流相位比较式纵联保护两端保护各将本侧电流的正、负半波信息转换为表示电流相位并利于传送的信号，送往对端，同时接收对端送来的电流相位信号与本侧相位信号比较。考虑电流电压互感器误差及输电线分布电容等影响，保护的动作区一般如图44所示。4距离纵联保护其基本原理构成和方向比较式纵联保护基本原理相似，只是用阻抗元件替代功率方向元件。优点：只有当故障发生在II段范围内时相应方向阻抗元件才起动，减少了方向元件的
4、起动次数从而提高了保护的可靠性；一般高压线路配备距离保护为后备保护，距离保护的II段为方向元件，简化了纵联保护（主保护）的实现。不足：后备保护检修时主保护被迫停运的。（图4-4：电流相位比较式纵联保护动作区示意图）4.2输电线路纵联保护两侧信息的交换4.2.1导引线通信导引线通信-利用敷设在输电线路两端变电所之间的二次电缆传递被保护线路各侧信息的通信方式；导引线纵联保护-以导引线为通道的纵联保护，常采用电流差动原理，其接线可分为环流式和均压式两种。导引线纵差保护的突出优点-不受电力系统振荡的影响，不受非全相运行的影响，在单侧电源运行时仍能正确工作。在正常运行或外部故障时，被保护线路两侧电流互感
5、器的同极性端子的输出电流大小相等而方向相反，动作线圈中没有电流流过，即处在电流平衡状态，此时导引线流过两端循环电流，故称环流式。正常运行或外部故障时，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制动线圈及互感器二次绕组中流过，两侧导引线线芯间电压大小相等方向相反，处在电压平衡状态，这种工作模式也称为电压平衡原理。4.2.2电力线载波通信1电力线载波通道的构成按照通道的构成，电力线载波通信又可分为使用两相线路的“相相”式和使用一相一地的“相地”式两种。“相地”式载波通道如下图所示：（图4-7：阻波器特性）阻波器的阻抗与频率的关系如图47所示。当其谐振频率为载波信号所选定的载波频率时呈
6、现极高的阻抗从而使高频电流被阻挡在本线路以内。而对工频电流，阻波器仅呈现电感线圈的阻抗（约0.04），工频电流畅通无阻。耦合电容器的电容量极小，对工频信号呈现非常大的阻抗，同时可以防止工频电压侵入高频收、发信机。对高频载波电流则阻抗很小，与连接滤波器共同组成带通滤波器，只允许此通带频率内的高频电流通过。它是一个可调电感的空芯变压器和一个接在副边的电容。连接滤波器与耦合电容器共同组成“四端口网络”带通滤波器，使所需频带的电流能够顺利通过。为使高频信号在收、发信机与输电线路间传递时不发生反射，减少高频能量附加衰耗，需要“四端口网络”使两侧的阻抗相匹配。同时空芯变压器的使用进一步使收、发信机与输电线
7、路的高压部分相隔离，提高了安全性。三相输电线路都可以用来传递高频信号，任意一相与大地之间都可以组成“相地”回路。高频收发信机通常是在电力系统发生故障保护起动后发出信号，但也有采用长期发信故障起动后停信或改变信号的频率的工作方式。发信机发出的高频信号经载波信道传送到对端，被对端和本端的收信机所接受，两端的收信机既接收来自本侧的高频信号又接收来自对侧的高频信号，两个信号经比较判断后，作用于继电保护的输出部分。当检修连接滤波器时，接通接地刀闸，使耦合电容器下端可靠接地。4.2.2电力线载波通信2电力线载波通道的特点优点：（）无中继通信距离长。（）经济、使用方便。（）工程施工比较简单。缺点：由于输电线
8、载波通道是直接通过高压输电线路传送高频载波电流的，因此高压输电线路上的干扰直接进入载波通道，高压输电线路的电晕、短路、开关操作等都会在不同程度上对载波通信造成干扰。（图解：拍摄于巴黎附近的法国RTE电力公司高压输电线路）应用：高频载波一般用来传递状态信号，用于构成方向比较式纵联和电流相位比较式纵联保护。输电线载波通信还被用于对系统运行状态监视的调度自动化信息的传递、电力系统内部的载波电话等。4.2.1电力线载波通信3电力线载波通道的工作方式优点1、高频保护中的高频通道部分经常处于被监视的状态，可靠性较高；2、无需收、发信机启动元件，使装置稍为简化。缺点1、因为发信机经常处于发信状态，增加了对其
9、他通信设备的干扰时间；2、因为经常处于收信状态，外界对高频信号干扰的时间长，要求收信机自身有更高的抗干扰能力。这种方式能监视通道的工作情况，提高了通道工作的可靠性，并且抗干扰能力较强；但是它占用的频带宽，通道利用率低。4.2.1电力线载波通信4电力线载波信号的种类闭锁信号阻止保护动作于跳闸的信号。只有同时满足以下两条件时保护才作用于跳闸：(1)本端保护元件动作；(2)无闭锁信号。（图4-8a：闭锁信号逻辑图）在闭锁式方向比较高频保护中：允许信号允许保护动作于跳闸的信号。只有同时满足以下两条件时保护才作用于跳闸：(1)本端保护元件动作；(2)有允许信号。（图4-8b：允许信号逻辑图）在允许式方向
10、比较高频保护中：跳闸信号直接引起跳闸的信号。跳闸的条件本端保护元件动作，或者对端传来跳闸信号。只要本端保护元件动作即作用于跳闸，与有无对端信号无关；只要收到跳闸信号即作用于跳闸，与本端保护元件动作与否无关。（图4-8c：跳闸信号逻辑图）4.2.3微波通信1微波纵联保护的构成下图为微波通信纵联保护的示意图：微波信号的调制可以采取频率调制（FM）方式和脉冲编码调制（PCM）方式，可以传送模拟信号，也可以传送数字信号。4.2.3微波通信2微波纵联保护的优点（1）有一条独立于输电线路的通信通道，输电线路上产生的干扰如故障点电弧、开关操作、冲击过电压、电晕等，对通信系统没有影响。通道的检修不影响输电线路
11、运行。（2）扩展了通信频段，可以传递的信息容量增加、速率加快，可以实现纵联电流分相差动原理的保护。（3）受外界干扰的影响小，工业、雷电等干扰频谱基本上不在微波频段内，通信误码率低，可靠性高。（4）输电线路的任何故障都不会使通道工作破坏，因此可以传送内部故障时的允许信号和跳闸信号。4.2.4光纤通信光纤通信以光纤作为信号传递媒介的通信。1光纤通道的构成（图4-10：单相点对点光纤系统的构成）电调制器的作用是把信息转换为适合信道传输的信号，多为数字信号。光调制器的作用是把电调制信号转换为适合光纤信道传输的光信号，如直接调制激光器的光强，如图411所示，或通过外调制器调制激光器的相位。光探测器的作用
12、是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号。电解调器的作用是把电信号放大，恢复出原信号。图4.11激光器的光强度调制4.2.4光纤通信光信号在光纤中的传播过程如图412所示，由玻璃或硅材料制成的光纤为细圆筒空芯状，假定光线对着光纤射入，进入光纤内的光线按照入射方向前进，当光线射到芯和皮的交界面时会发生反射，如此不断向前传播。为了让光线在芯和皮的界面上发生全反射，而不折射到光纤外面去，需要采用适当的材料和保持光纤为一定的形状。（图解：光纤棕榈树）4.2.4光纤通信2光纤通信的特点优点：（）通信容量大。（）可以节约大量金属材料，经济效益是很可观的。（）光纤通信还有保密性好，敷设方便，不怕雷击，不受外
13、界电磁干扰，抗腐蚀和不怕潮等优点。（）光纤最重要的特性之一是无感应性能，因此利用光纤可以构成无电磁感应的、极为可靠的通道。缺点：通信距离还不够长，长距离通信时要用中继器及其附加设备；此外当光纤断裂时不易找寻或连接。（图解：光纤圣诞树）4.3方向比较式纵联保护4.3.1工频故障分量的方向元件方向元件的作用是判断故障的方向，应满足以下要求：（1）正确反映所有类型故障时故障点的方向且无死区；（2）不受负荷的影响，正常负荷状态下不起动；（3）不受系统振荡影响，振荡无故障时不误动，振荡中再故障时仍能正确判定故障点的方向；（4）在两相运行中又发生短路时仍能正确判定故障点的方向。4.3.1工频故障分量的方向
14、元件1正序分量故障判据根据3.8节对工频故障分量的分析，对于双端电源的输电线路，按照规定的电压、电流正方向，在保护的正方向短路时，保护安装处电压、电流关系为：实际使用的正向故障判据为：实际使用的反向故障判据为：4.3.1工频故障分量的方向元件2负序、零序分量故障判据对于负序、零序分量正方向故障时，有：反方向故障时，有：正向故障判据为：反向故障判据为：4.3.2闭锁式方向纵联保护1闭锁式方向纵联保护的工作原理闭锁式方向纵联保护此闭锁信号由功率方向为负的一侧发出，被两端的收信机接收，闭锁两端的保护，其工作原理如下图所示。这种保护的优点利用非故障线路一端的闭锁信号，闭锁非故障线路不跳闸。而对于故障线
15、路跳闸则不需要闭锁信号，这样在内部故障伴随有通道破坏（例如通道相接地或断线）时，两端保护仍能可靠跳闸。这是这种保护得到广泛应用的主要原因。（图4-13：闭锁式方向纵联保护作用原理）4.3.2闭锁式方向纵联保护2闭锁式方向纵联保护的构成下图的保护动作逻辑图为线路一侧的装置原理框图，另一侧与此完全相同。4.3.3闭锁式距离纵联保护的原理闭锁式距离纵联保护把方向比较式纵联保护和距离保护结合起来构成闭锁式距离纵联保护，可使内部故障时能够瞬时动作，外部故障时则具有不同的时限特性，起到后备保护的作用，从而兼有两种保护的优点，并且能简化整个保护的接线。（图4-15：闭锁式距离纵联保护所用的阻抗元件的动作范围
16、和时限）4.3.3闭锁式距离纵联保护的原理闭锁式距离纵联保护实际上是由两端完整的三段式距离保护附加高频通信部分组成，其一端保护的工作原理框图如图4-16所示。在被保护线路内、外部短路时的工作过程请按照上述的原理结合图416自行分析。（图4-16：闭锁式距离纵联保护的原理接线图）4.3.3闭锁式距离纵联保护的原理闭锁式距离纵联保护的主要缺点当后备保护检修时，主保护也被迫停运，运行检修灵活性不够。闭锁式零序方向纵联保护的实现原理与上相同，只需用三段式零序方向保护代替三段式距离保护元件并与收、发信机部分相配合即可。人工短路试验4.3.4影响方向比较式纵联保护工作的因素及克服措施1非全相运行对方向纵联保护的影响及应对措施非全相运行状态在我国的超高压输电系统中，为了提高电力系统的稳定性，经常采用单相故障跳开故障单相的方式（详见第五章单相重合闸内容），保留非故障的两相继续运行的运行状态。下面
