电力系统继电保护PPT电子课件教案-第四章 输电线纵联保护.ppt

第四章 输电线纵联保护 全线速动保护,一、问题提出：,电流电压保护和距离保护用于输电线路保护时，只需将线路一端的电流电压经过互感器引入保护装置，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，有可能把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为本线路末端的故障而将被保护线路切断。,为防止这种非选择性动作，不得不将速断的保护范围缩短到小于线路全长，一般将保护的i段整定为线路全长的80-85%其余的15-20%上的故障只能带第ii段的时限切除。为保证故障切除后电力系统的稳定运行，这样做对某些重要线路是不允许的，需要采用纵联保护，以实现线路全长范围内故障的无时限切除。,单端保护双端保护,二、纵联保护的定义：,输电线的纵联保护是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率方向等）传送到对端并将两端的电气量比较以判断故障发生在本线路范围内还是在本线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。 在理论上，纵联保护具有绝对的选择性。,继电保护装置,继电保护装置,通信设备,通信设备,通信介质,输电线纵联保护结构,ta,tv,tv,ta,纵联保护分类,方向纵联和距离纵联保护(比较两端逻辑量),差动纵联保护（比较两端全量）,按保护动作原理划分,导引线纵联保护,电力线载波纵联保护,微波纵联保护,光纤纵联保护,按通信通道划分,单元保护,非单元保护,方向比较纵联保护,距离纵联保护,按保护形式划分,相位比较纵联保护,纵联电流差动保护,输电线路纵联保护,1. 各种传送信息通道的特点,(1)导引线通道,这种通道需要铺设电缆,其投资随线路长度而增加。当线路较长(超过10km以上)时不经济。导引线越长,安全性越低，维护困难。,导引线中传输的是电信号。在中性点接地系统中,除了雷击外,在接地故障时地中电流会引起地电位升高,也会产生感应电压,对保护装置和人身安全构成威胁,从而造成保护不正确动作。所以导引线的电缆必须有足够的绝缘水平(例如15kv的绝缘水平),这就使投资增大。 导引线直接传输交流电量,故导引线保护广泛采用差动保护原理,但导引线的参数(电阻和分布电容)直接影响保护性能,从而在技术上也限制了导引线保护用于较长的线路。,(2)电力线载波通道,这种通道在保护中应用最广。载波通道由高压输电线及其信息加工和连接设备(阻波器、结合电容器及高频收发信机)等组成。 高压输电线机械强度大,十分安全可靠。但是在线路发生故障时通道可能遭到破坏(高频信号衰减增大),为此需考虑在此情况下高频信号是否能有效传输的问题。,当载波通道采用“相-地”制,在线路中点发生单相短路接地故障时衰减与正常时基本相同,但在线路两端故障时衰减显著增大。 当载波通道采用“相-相”制,在单相短路接地故障时高频信号能够传输,但在三相短路时仍然不能。为此载波保护在利用高频信号时应能使保护在本线路故障信号中断的情况下仍能正确动作。,(3)微波通道,微波通道与输电线没有直接的联系,输电线发生故障时不会对微波通信系统产生任何影响,因而利用微波保护的方式不受限制。微波通信是一种多路通信系统,可以提供足够的通道,彻底解决了通道拥挤的问题。,微波通信具有很宽的频带,线路故障时信号不会中断,可以传送交流电的波形。采用脉冲编码调制(pcm)方式可以进一步扩大信息传输量,提高抗干扰能力,也更适合于数字保护。微波通信是理想的通信系统,但是保护专用微波通信设备是不经济的,应当与远动等在设计时兼顾起来。同时还要考虑信号衰耗的问题。,(4)光纤通道,光纤通道与微波通道有相同的优点。光纤通信也广泛采用(pcm)调制方式。当被保护线路很短时,通过光缆直接将光信号送到对侧,在每半套保护装置中都将电信号变成光信号送出,又将所接收之光信号变为电信号供保护使用。由于光与电之间互不干扰,所以光纤保护没有导引线保护的问题,在经济上也可以与导引线保护竞争。,2. 纵联保护分类,1) 方向纵联保护与距离纵联保护,两侧保护继电器仅反应本侧的电气量,利用通道将继电器对故障方向判别的结果传送到对侧,每侧保护根据两侧保护继电器的动作过程逻辑判断区分是区内还是区外故障。这类保护是间接比较线路两侧的电气量,在通道中传送的是逻辑信号。按照保护判别方向所用的继电器又可分为方向纵联保护与距离纵联保护。,2) 差动纵联保护,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。可见这类保护在每侧都直接比较两侧的电气量。类似于差动保护,因此称为差动纵联保护。 如果将两侧保护的原理图绘在一张图上(实际每侧只是整个单元保护的半套),那么前一种保护的通道是在逻辑图中将两侧保护联系起来,而后一种保护的通道是将两侧的交流回路联系起来。,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保护，当线路发生区内故障、区外故障时，电力线两端的电流波形、功率方向、电流相位以及两端的测量阻抗都具有明显的差异，利用这些差异可以构成不同原理的纵联保护。,1. 电流全量特征,m,n,内部故障,根据基尔霍夫电流定律(kcl)可知：,在集总参数电路中，任何时刻，对任意一节点，所有支路电流相量和等于零。用数学表达式表示如下：,对于输电线路mn可以认为是一个节点。,2. 功率方向特征,m,n,内部故障,当发生内部故障时，两侧功率均由母线流向线路，两侧功率方向均为正。,当发生外部故障时，m侧功率由母线流向线路，其功率方向为正。n侧功率由线路流向母线，其功率方向为负。两侧功率方向相反。,wm(+),wn(+),wm(+),wn(-),3. 电流相位特征,外部故障,内部故障,区内故障时，两侧电流同相位； 正常运行及区外故障时，两侧电流相位相反。,4. 两端测量阻抗的特征,当线路内部短路时，线路两侧的测量阻抗都是短路阻抗，且一定位于距离保护段的动作区内。两侧的段同时启动； 当正常运行时，两侧的测量阻抗都是负荷阻抗，两侧的距离保护段均不启动； 当线路外部短路时，线路两侧的测量阻抗也是短路阻抗，但其中一侧是反方向，至少有一侧的距离保护段不启动；,区内故障时，两侧的距离保护段均启动； 正常运行及区外故障时，至少有一侧的距离保护段不启动。,4.1.3 纵联差动保护的基本原理,1. 纵联电流差动保护,当输电线发生内部故障时：,利用输电线路两侧电流波形和或电流相量和的特征可以构成纵联电流差动保护,当输电线正常运行和发生外部故障时：,由于受ta的误差、线路分布电容等因素影响，实际上其二次电流相量和可能不为0.,纵联电流差动保护动作判据可写为：,两侧电流的相量和,差动保护整定值,2. 方向比较式纵联保护,线路发生内部故障时：m侧和n侧功率方向元件均为正；,线路发生外部故障时：m侧和n侧功率方向元件均为 一正一负。 因此可以根据线路两端功率元件的方向来判别线路内部或者外部短路。,n侧功率方向,m侧功率方向,3. 电流相位比较式纵联保护,线路发生内部故障时：m端和n端电流同相,线路发生外部故障时：一端电流为母线流向线路，另一端为由线路流向母线，于是两端电流相位相反 。 因此可以根据两侧电流的相位差来判别线路内部或者外部短路。,考虑到tv、ta的相角误差以及输电线分布电容等影响，当线路发生区外故障时两侧二次电流的相角差并不刚好等于1800，而是近似为1800，且在故障前两侧电动势有一定的相角差，这样在区内短路时两侧电流也不完全同相位。,内部故障的动作判据可写为：,动作区,动作区,不动作区,不动作区,称为闭锁角,当两侧电流的相位差b时，认为两侧电流反相，保护不应该动作。,当两侧电流的相位差b时，认为两侧电流同相，保护应该动作。,4. 纵联距离保护,纵联距离保护的基本原理和方向比较纵联保护的基本原理相似，只是用距离元件替代功率方向元件。,线路发生内部故障时：m端和n端距离元件方向均为正向,线路发生外部故障时：m端和n端距离元件方向为一正一反。,因此可以根据比较两端距离元件的方向来判别线路内部或者外部短路。,距离段均采用方向元件，段动作直接跳闸，段动作需比较对侧段是否动作。,4.2 输电线路纵联保护两侧信息的交换,输电线路纵联保护的主要特点是需要对端信息，两端保护要通过通信设备实时地进行信息传递。因而纵联保护系统和一般保护相比，需增加通信通道。,光纤通信,微波通信,电力高频载波通信,导引线通信,根据通信通道的不同，输电线路纵联保护分为：,4.2.1 导引线通信,利用敷设在电站或变电所之间的金属电缆作为传递被保护线路各侧信息的通道称之为导引线通信。 以导引线为通道的纵联保护称为导引线纵联保护。 导引线纵联保护是线路纵联保护的一种型式，它是以金属电缆作为通道，借助通道将被保护线路对侧传递来的工频信息与本侧的工频信息相比较以判别区内或区外故障。当被保护线路的内部发生故障时，它将瞬时跳开被保护线路的各侧断路器，实现无时限的快速切除故障。,1. 环流式导引线保护,动作线圈,制动线圈,制动线圈,动作线圈,导引线,线路两侧电流互感器的同极性端子经导引线连接起来。继电器的动作线圈跨接在两导引线芯之间。如果有制动线圈则它被串接在导引线的回路中。,*,*,*,*,同极性端子,同极性端子,在正常运行或外部故障时，被保护线路两侧电流互感器的同极性端子的输出电流大小相等而方向相反，故此时导引线流过循环电流，而动作线圈中电流相互抵消，而制动线圈有电流，保证保护可靠不动作。 由于平衡状态时导引线流过循环电流，故称环流法，这种平衡的工作模式称为电流平衡原理。,动作线圈,制动线圈,制动线圈,动作线圈,*,*,*,*,动作线圈中电流相互抵消,制动线圈有较大的制动电流,在内部故障时，动作线圈中两侧电流同相，制动线圈的制动电流小于动作线圈中的动作电流，保护能够可靠动作。,动作线圈,制动线圈,制动线圈,动作线圈,*,*,*,*,动作线圈中两侧电流同相,制动线圈的制动电流小于动作线圈中的动作电流,2均压法,动作线圈,平衡线圈,平衡线圈,动作线圈,线路两侧电流互感器的相异极性端子经由导引线连接起来，继电器的动作线圈串接在导引线回路上。若有制动线圈，则它被并接在两导引线线芯之间。,*,*,*,*,动作线圈,平衡线圈,平衡线圈,动作线圈,在正常运行或外部故障时，被保护线路两侧电流互感器极性相异的端子的输出电流大小相等且方向相同，故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的制动线圈及互感器二次绕组中流过，在两侧导引线线芯间之电压大小相等方向相反，即处在电压平衡状态。这种工作模式也称为电压平衡原理。,*,*,*,*,动作线圈,平衡线圈,平衡线圈,动作线圈,在内部故障时：动作绕组中两个二次电流同相，而制动绕组中两个二次电流反相，作用抵消，保护可靠动作。,*,*,*,*,4.2.2 电力线高频载波通信,在超高压系统中，为了保证并列运行的动态稳定性和提高输电线的传输容量，在很多情况下，要求输电线路的故障切除时间(包括保护动作和断路器跳闸时间)为0.1s左右，这就排除了以电流保护和距离保护作为主保护的可能性。 差动保护能无延时地反应被保护设备内部故障，其必要条件之一是同时检测和比较被保护设备各引出端电流的大小和(或)相位，这对发电机、变压器和母线等主设备是易于实现的，但是对于长度在数十以致数百公里的超高压输电线，企图通过ta二次电缆来实现两侧电流的大小和相位比较，在经济上和技术上既不合理的也不可行。,一种可行的办法是将线路两端的电流相位(或功率方向)转变为高频信号，利用输电线路本身(或租用电话线)作为载波通道，将该高频信号传输到对侧，以实现各端电流相位(或功率方向)的比较。这就是高频保护或载波保护名称的来源。就其本质而言，高频保护不过是差动保护原理在中、长线路上的具体应用，因此高频保护也具有不反应外部短路故障、无时延地快速切除故障线路的优点。,1载波通道的构成原理,按照通道的构成，电力线载波通信分为： 使用两相线路的“相相”式； 使用一相一地的“相地”式； “相相”式信号传输衰减小； “相地”式比较经济。,发 收 讯 讯,继电 部分,继电 部分,1,1,2,2,3,3,4,4,5,收 发 讯 讯,5,6,6,高频通道构成示意图,1 阻波器； 2 耦合电容器； 3 连接滤波器； 4 电缆； 5 高频收发讯机； 6 刀闸,1、阻波器（鼠笼式）由一电感线圈与可变电容器并联组成的回路，当并联谐振时，它所呈现的阻抗最大，使其谐振频率为所用的载波频率 高频信号就被限制在被保护输电线路的范围以内，而不能穿越到相邻线路上去。对50hz工频电流阻波器仅呈电感线圈的阻抗，数值很少。,2、结合电容器（耦合电容器） 将载波信号传递到输电线路，同时使高频收发信机与工频高压线路绝缘。,3、连接滤波器 结合电容器与连接滤波器共同组成一个四端网络的“带通滤波器”使所需频带的高频电流能够通过。,5、刀闸 检修连接滤波器时，作为结合电容器的下面一级接地之用。,4、高频收发信机 由发信机发出信号，通过高频通道送到对端的收信机中，也可为自己的收信机所接收，高频收信机接收由本端和对端所发送的高频信号经过比较判断后，再动作于继电保护装置使之跳闸或将它闭锁。,连接滤波器是一个可调空心变压器，与耦合电容器组成不对称的带通滤波器，其一侧特性阻抗(400)和输电线路的特性阻抗相匹配，另一侧串接电容后与高频电缆4相接，特性阻抗匹配为100。在通频带内衰耗很小，通频带外衰耗很大。由于特性阻抗的相互匹配，减少了高频信号电磁波在传送过程中的反射现象，达到降低高频能量附加衰耗的目的。,2高频通道的特点,输电线路高频通道的优点：,（1）无中继通信距离长。几百公里的长距离输电线路连接的两个变电站，如使用电力载波，只需建一、两对载波机，就可以建立起通信。 （2）经济、使用方便。由于电力线载波通信是以电力线为载体，以变电站为用户，所以载波机就直接装在电力线的两端，即变电站内，设备离用户近，可以提高可靠性。 （3）工程施工比较简单。输电线路建好后，装上阻波器、耦合电容器、结合滤波器，放好高频电缆，然后安装载波机，就可以进行调试。,输电线路载波通信的缺点：,由于输电线路高频通道是直接通过高压输电线路传送高频电流的，因此高压输电线路就成了高频通道干扰的主要来源。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高频保护造成干扰。 另外，还存在收讯滤波器的通频带、收讯灵敏度及发讯功率、收讯机的选择性、两端频拍不一致的影响、分支线路对高频通道的影响，高频通道的阻抗匹配等实际应用问题。,3. 高频通道的工作方式, 经常有高频电流（长期发信） 正常情况下，发信机连续发信，通道中经常有高频电流。优点：通道的工作状态可得到经常监视，可靠性高。, 移频方式 正常情况下，发信机发出一种频率的高频电流，用以监视通道及闭锁保护，故障时移频。优点：通道的工作状态可得到经常监视，可靠性高。但占用频带宽。, 经常无高频电流（故障时发信） 正常情况下，发信机不发信，通道中无高频电流通过；故障时发信机由起动元件起动发信，通道中有高频电流；优点：对邻近通道影响少，收发信机寿命长。,4. 高频通道传送信号的种类,传送跳闸信号：线路内部故障时，直接引起保护跳闸 的信号,传送允许信号：线路内部故障时，将保护开放，允许 保护跳闸的信号,传送闭锁信号：线路外部故障时，将保护闭锁的信号,按照高频通道传送信号在纵联保护中的作用可将其分为闭锁信号、允许信号和跳闸信号,（1）传递闭锁信号方式：收不到这种高频信号是高频 保护跳闸的必要条件。,特点： a.不受通道破坏的影响 b.不用鉴别信号源（是对侧还是本侧）,只有同时满足两个条件本侧保护才动作跳闸：, 本侧保护元件已启动。 没有收到高频信号。,（2）传递允许信号方式：收到这种高频信号是高频保 护动作跳闸的必要条件。,特点： a.受通道破坏影响 b.信号源必须要鉴别是对侧还是本侧发出的高频信号, 本侧保护元件已启动。 收到对侧的高频信号则跳闸。,只有同时满足两个条件本侧保护才动作跳闸：,（3）传递跳闸信号方式：收到这种信号是保护动作 于跳闸的充要条件。 当保护范围内部故障而继电器动作时，发信、收信后则跳闸。,特点： a.受通道破坏影响 b.信号源不要鉴别,例如线路两侧均装设距离保护，i段采用方向阻抗继电器，i段动作既跳开本侧断路器，同时发信让对侧跳开断路器。,4.2.3 微波通信,随着电力系统的扩大发展，单纯使用电力线载波一种形式的通道将会出现通道拥挤的困难，从本世纪五十年代开始在电力系统中应用微波和特高频通道。目前美、日等国的电力系统已大量采用微波通道，我国很多电力系统也已开始采用。,1微波纵联保护的构成,输电线,继电保 护设备,逻辑单元,接收 端口,发送 端口,tv,继电保 护设备,逻辑单元,接收 端口,发送 端口,tv,微波 解调,微波 调制,微波 解调,微波 调制,微波收 发设备,微波收 发设备,纵联保护系统包括线路两端的继电保护设备、微波调制解调设备、微波发送接收设备。,微波调制、解调、发送和接收设备构成微波通道,微波通道,调制设 备,微波发送设备,微波接收设备,解调设 备,单向微波通道传输过程,调制过程 ：（压频变换 ） 电压信号x（t）输入到调制设备，经过调制设备调制后输出的频率信号y（t）,解调过程 ： 收到微波接收设备送来的频率信号x（t）后，解调设备会将该信号转换为电压信号y（t）。,2微波通道的特点,波长小于1m(300mhz)的电磁波称为微波。 其中包括以下三个波段。 分米波波长由10cmlm(3003000mhz)； 厘米波波长由l10cm(300030000mhz)； 毫米波波长在lcm以下。 分米波又称为特高频。电力系统中的微波通信多应用在分米和厘米波段，也有个别使用米波波段的。,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，对通信系统没有影响；通道检修不影响输电线路运行； （2）扩展了通信频段，可实现分相差动； （3）受外界干扰影响小，误码率低，可靠性高； （4）输电线路的任何故障均不会破坏通道。,超短波有视距传输的特点，天线越高，传输距离越远，例如当两端天线高度为50m时，传输距离约为50km。在个别条件下，利用有利的地形，传输距离也可达一、二百公里。这个特点就决定了，在较远距离的条件下，必须采用微波中继通信的方式，通道价格较贵。,三相差动、分相差动,对于线路保护来说，分相电流差动保护具有天然的选相能力和良好的网络拓扑能力，不受系统振荡、非全相运行的影响，可以反映各种类型的故障，是理想的线路主保护。,4.2.4 光纤通信,就光纤纵差保护的应用环境来说，随着国家电力工业的发展，通讯技术的日新月异，光缆及光纤设备费用的急剧下降，光纤通讯网在电力系统的架设越来越普遍。另外，由于光纤电流差动保护简单、可靠，不受线路运行方式的影响，在城网和短输电线路中大量采用。因城网中输电线大多较短，光纤芯直接接入不需附加复接设备，管理也较方便，故在城网中光纤电流差动保护以专用光纤通道方式为多。,1光纤通信系统的构成,中继器或 光放大器,光纤,光纤,光接收机,光发射机,由光发射机、光纤、中继器和光接收机组成。,电调制器的作用是把信息转换为适合信道传输的信号，如时分复用（tdm）信号或频分复用(fdm)信号。 用户信息可以是模拟信号，也可以是数字信号。,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，或通过外调制器调制激光器的相位（偏转）。 光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。 光中继器有光电光中继器和全光中继器两种。如需对业务进行分出和插入，可使用光电光中继器；如只要求对光信号进行放大，则可以使用光放大器。 光探测器的作用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。,2光纤通信的优点,(1)通信容量大。从理论上讲，用光作载波可以传输100亿个话路。实际上目前一对光纤一般可通过几百路到几千路，而一根细小的光缆又可包含几十到几百根光纤，因此光纤通信系统的通信容量是非常大的。 (2)可以节约大量金属材料。使用光纤通信系统时，光纤由玻璃或硅制成，与铜或铝不同，硅或玻璃其来源丰富，供应方便。 (3)光纤通信还有保密性好，敷设方便，不怕雷击，不受外界电磁干扰，抗腐蚀和不怕潮等优点。 (4)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和极为可靠的通道。这一点对继电保护来说尤为重要，在易受地电位升高、暂态过程及其它有严重干扰的金属线路地段之间，光纤是一种理想的通讯媒介。,第三节 纵联方向保护,4.3.1 方向元件,在纵联方向保护中，方向元件或功率方向测量元件是保护中的关键元件。方向元件的作用是判断故障的方向，纵联方向保护中的方向元件应满足以下要求：,(1) 反应所有类型的故障且无死区； (2) 不受负荷的影响，在正常负荷状态下不启动； (3) 不受系统振荡影响，在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方向； (4) 在两相运行时仍能起保护作用,纵联保护中使用的方向元件主要有： 故障分量方向元件以及相电压补偿方向元件等,1. 故障分量的方向元件,假设电流的正方向由母线指向线路，在正方向短路时，保护安装处工频故障分量的电流、电压关系为：,在反方向短路时 ，工频故障分量的电流、电压关系为：,可见，利用故障分量的方向元件有明确的方向性。,为了便于实现电压、电流相位关系的判定，实际的方向元件是比较故障分量电压和电流在模拟阻抗zr上产生的电压之间的相位，设zr、zs及zs的阻抗角相等，所以正方向故障时,其功率方向为正。,即：,考虑各种因素的影响，工频突变量方向元件在正方向故障时功率方向为正的判据为：,以1800为中心，900范围,反方向故障时 ，其功率方向为负。,即：,考虑各种因素的影响，在反方向故障时，功率方向为负的判据为：,以00为中心，900范围,对于负序、零序分量类似,式中zs、z0s分别为母线背后等效电源的负序及零序阻抗,反方向故障时:,正方向故障时：,式中zs、z0s 分别为线路和对侧等效电源的负序及零序阻抗之和。,负序、零序方向元件在正方向故障时功率方向为正的判据为：,式中zr、z0r为元件中的模拟阻抗，其相角分别与电源的负序及零序阻抗角相等。,由以上分析可知，反应故障分量方向元件具有以下几个特点：,（1）不受负荷状态的影响； （2）不受故障点过渡电阻的影响； （3）故障分量的电压、电流间的相角由线 路背后的系统阻抗决定，方向性明确； （4）可消除电压死区； （5）不受系统振荡影响。,负序、零序方向元件 与故障分量方向元件有以下区别：,（1）负序、零序方向元件只能反应不对称故障，而突变量方向元件可以反应各种故障； （2）只要故障存在，负序、零序分量就存在，所以负序、零序方向元件既可以实现快速的主保护，也可以实现延时的后备保护；突变量只能短时存在，只能作为瞬时动作的主保护； （3）两相运行时就有负序、零序分量出现，所以负序、零序方向元件不适应系统的两相运行；突变量在两相运行时的稳态不会起动，在两相运行又发生故障时仍能动作。,纵联保护一般都同时采用两类故障分量方向元件，以发挥各自的优点，弥补对方的不足。由于突变量方向元件能反应所有类型的故障，所以它是主保护，但突变量只能短时存在，在突变量输出消失后，负序和零序方向元件可以作为后备。,故障分量可分为两类： （1）稳定的故障分量负序和零序分量； （2）短暂的故障分量突变量，突变量包含工 频分量和暂态分量。,4.3.2 闭锁式方向纵联保护,定义：以高频通道经常无电流而外部故障时发出闭锁信号的方式构成的保护。此闭锁信号由短路功率方向为负的一端发出，这个信号被两端的收信机所接收而把保护闭锁，称为高频闭锁方向保护。,1、高频闭锁方向保护,设故障发生于线路bc的范围内，则短路功率sk的方向如图所示。此时，bc两端的方向高频保护3和4的功率为正，保护应动作于跳闸，故保护3、4均不发出高频闭锁信号，故在保护起动后，即可瞬时动作，跳开两端的断路器,a,b,c,d,1,2,3,4,5,6, 基本原理：,（+）,（+）,（-）,（+）,（+）,（-）,对非故障线路ab和cd，其靠近故障点一端的保护2和保护5的功率方向为负，则该端的保护发出高频闭锁信号，此信号一方面被自己的接收机接收，同时经高频通道把信号送到对端的保护，保护装置1、2和5、6都被高频信号闭锁。保护不会将线路ab和cd错误的切除。,a,b,c,d,1,2,k,3,4,5,6,高频信号,高频信号,（+）,（+）,（-）,（+）,（+）,（-）,闭锁,闭锁, 保护装置组成：起动元件i1和i2，其灵敏度选择的不同，灵敏度较高的起动元件i1只用来起动高频发信机以发出闭锁信号，而灵敏度较低的起动元件i2则准备好跳闸回路。功率方向元件3用以判别短路的方向，4zj用在内部故障时，停止发出高频信号，5zj用以控制保护的跳闸回路。（5zj有动作线圈和制动线圈）,a.外部故障（假设故障发生在线路右侧保护之外） 线路左侧保护功率方向为正，右侧保护功率方向为负，此时，两侧的启动元件i1均动作，经过4zj的常闭触点启动发信机，发信机发出的闭锁信号一方面为自己的收信机所接收，一方面经高频通道，被对端的收信机接收。当收到信号后，5zj的制动线圈中有电流，即把保护闭锁，起动元件i2也同时动作闭合其触点，准备了跳闸回路，在sk为正的一端，方向元件3动作使4zj起动，触点断开停止发信，同时给5zj的工作线圈加入电流，在sk为负的一端，方向元件不启动，4zj不动作，故发信机继续发送闭锁信号，,线路左侧保护的5zj中两个线圈均有电流，线路右侧保护的5zj中只有制动线圈有电流，两个继电器均不能动作，保护被闭锁。,b.两端供电线路内部故障 两端保护的i1和i2均动作，其后两端方向元件3和4zj也动作，两端发信机均停信，这时5zj中就只有工作线圈中有电流，故能立即动作使两端的断路器跳闸。,c.单端供电线路内部故障 当只从一端供电的线路内部故障时，在受电端的半套保护不启动，也不发高频信号，而在电源端的保护则能够立即动作使电源端的断路器跳闸。,d.系统振荡 对接于相电流和相电压（或线电压）上的功率方向元件，当系统发生振荡且振荡中心位于保护范围以内时，由于两端的功率方向均为正，保护将要误动，而对于反应负序或零序的功率方向元件，则不受振荡的影响。（振荡时三相对称）,对于用故障分量构成的功率方向元件不受振荡的影响。,e.闭锁式方向纵联保护的逻辑,收信,发信(闭锁),跳闸,在外部故障时，距故障点较远一端的保护所感觉到的情况，和内部故障时完全一样，此时主要是利用靠近故障点一端的保护发出高频闭锁信号，来防止远端保护的误动作。因此，在外部故障时保护正确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。因而保护需要两个起动元件i1和i2，其灵敏度选择得不同.闭锁信号是在外部故障时传送的，如果收不到闭锁信号，保护就可能误动作。所以任何一端发出闭锁信号的元件的灵敏度都应保证高于对端保护动作跳闸元件的灵敏度，也就是说必须保证两端保护灵敏度的配合，否则可能误动。,灵敏度较高的起动元件i1只用来起动高频发信机以发出闭锁信号,灵敏度较低的起动元件i2则准备好跳闸的回路。,f.为何需要两套起动元件,a,b,c,d,1,2,3,4,5,6,假设线路ab每端只有一个起动元件，其整定值为iset=100a，由于电流互感器和继电器存在误差，因此，两端起动元件的实际起动电流可能不同。一般允许的误差范围是5，故a端的实际起动电流可能是95a，b端的则可能是105a。当保护范围外部k点故障且短路电流又恰为95aik105a时，则a端的保护1起动，而b端的保护2不能起动，由于b端不能发出高频闭锁信号，因此，保护1在起动之后就会出现误动作。,为防止这种误动作的发生，需要在每端设置了两个灵敏度不同的起动元件，一般选择iset2=(1.2-1.6)iset1，使灵敏的起动元件1动作后，只起动高频发信机，而不灵敏的起动元件2动作后才能够去跳闸。,起动,不起动,通道,i,发信 收信,i,ka1,1kt,t1,ka2,kw+,2kt,跳闸,t2,电流起动闭锁式方向纵联保护,ka1为发信机的电流起动元件(起信元件)，经记忆元件lkt(瞬时动作延时t1秒返回)和“与门4”起动发信机。,ka2和kw+构成方向电流保护,ka2和kw+动作后，经“与门2”和2kt(延时t2动作瞬时返回)作好跳闸准备，并经“非门6”关闭“与门4”，停止本侧发信机发信。,与门2,与门4,非门6,非门7,ka2和kw+动作后延时t2时间未收到高频信号则动作跳闸, 保护的整定,(1) 时间元件的整定,时间元件1kt的作用是防止线路外部故障切除后近故障侧电流元件ka1先返回，而远离故障侧的ka2和kw+后返回所引起的非故障线路远离故障侧保护的误跳闸。t1常取100ms,时间元件2kt的作用是防止线路外部短路时远离故障侧的保护在未收到近故障侧发信机传送过来的高频电流信号而误动作，故远离故障侧保护应延时t2秒动作，等待对侧是否传送高频电流闭锁信号。 一般t2取416ms，应大于高频信号在被保护线路上的传输时间。,功率倒向,(2) 电流元件的整定,两个电流元件动作电流的整定原则是，线路发生故障时保证发信机必须首先起动，即要求起动发信机的电流元件ka1的灵敏度比起动方向电流保护的电流起动元件ka2的灵敏度高。 方向电流保护中电流元件的动作电流iset.2(1.52)iset.1。其中，为iset.1为发信机电流起动元件ka1的动作电流。,当采用相电流起动时:,线路最大负荷电流,(3)灵敏度校验,2、高频闭锁负序方向保护,主要组成元件：i2、u2过滤器，双向动作的负序功率方向元件gj2，具有工作线圈和制动线圈的极化继电器2zj，串接于起动发信机回路中带延时返回的中间继电器1zj及出口跳闸继电器3zj。,由于当系统发生振荡且振荡中心位于保护范围以内时，两端的功率方向均为正，高频闭锁方向保护可能误动，广泛采用高频闭锁负序方向保护。,a.当内部故障时，两侧gj2的触点均向下闭合，使2zj工作线圈带电，两端的发信机均不能起动，由于两侧均不发信，收信机收不到闭锁信号没有制动信号，故2zj触点闭合，通过3zj动作于跳闸。,+,收 发 信 信 机 机,2zj,-,跳闸,u2过滤器,过滤器,gj2,1zj,+,+,+,3zj,-,ua,ub,uc,sk为正，gj2向下闭合触点 sk为负，gj2向上闭合触点,b.当外部故障时，靠近故障点一侧的gj2触点向上闭合，经1zj的电流线圈而起动发信机，1zj触点闭合以后，又经电阻r实现对发信机的附加起动发出闭锁信号从而把两端的保护闭锁。,+,收 发 信 信 机 机,2zj,-,跳闸,u2过滤器,过滤器,gj2,1zj,+,+,+,3zj,-,ua,ub,uc,sd为正，gj2向下闭合触点 sd为负，gj2向上闭合触点,c.当三相对称短路时，由于三相短路的初瞬总有一个不对称的过程，若为内部三相短路则在短路初瞬，gj2触点向下闭合，两侧发信机均不发信，通过2zj和3zj瞬时跳开两侧的断路器。若为外部故障，则在其初瞬，gj2触点向上闭合给1zj线圈供电，同时起动发信机发信，并通过r实现附加起动，（通过1zj的线圈直接起动发信机主要是提高发信速度）。当负序消失后，由于1zj采用带延时返回的中间继电器（绕组中接有大容量电容），所以此时，发信机仍然发出闭锁信号，直到故障线路的高频保护将故障切除后短路电流消失，同时，负序也消失，故保护均不动作。,当采用负序电流起动时:,为负序电流过滤器在正常运行线路送最大负荷电流时输出的最大不平衡电流,4.3.3 高频闭锁距离纵联保护,高频闭锁方向保护只能用作本线路的全线快速保护，不能作为变电所母线和相邻线路的后备。,由于在距离保护中所用的主要继电器（如起动元件、方向阻抗元件等）均可用于高频保护中，故可把两者结合起来，做成高频闭锁距离保护，使得内部故障时能够瞬时动作而在外部故障时具有不同的时限特性，起到后备保护的作用。,距离保护只能在线路中间60%70%长度的范围内瞬时切除故障，而其余30%40%要以一端带有ii段的时限来切除。,距离保护各段动作区域示意图,g ,2,1,3,4,c,a,b,d,1.距离段 2.距离段,距离段,60%70%,ziii,+,1zj,收 发 信 信 机 机,跳闸,tii,zii,tiii,zi,2zj,工作原理：,灵敏元件ziii首先起动通过1zj常闭触点启动发信。, 若故障在a侧i段范围内，则zi， zii， ziii均动作， zi动作，不管有无闭锁信号，a侧保护均立即跳闸，同时zii动作使1zj动作，触点断开，停止发信。对于b侧，故障在i段范围时，保护动作同a侧，故障在ii段范围时， zii。 ziii均动作，其zii动作使1zj动作，停止发信。两侧均停信，收信机无输出，2zj不动作，保护通过2zj常闭触点瞬时跳闸。,三段启动元件可以采用方向阻抗继电器吗？,ziii,+,1zj,收 发 信 信 机 机,跳闸,tii,zii,tiii,zi,2zj,ziii,+,1zj,收 发 信 信 机 机,跳闸,tii,zii,tiii,zi,2zj,在高频闭锁距离保护中，距离、段阻抗元件需采用何种阻抗继电器？距离段的阻抗元件可采用何种阻抗继电器？距离段可否采用偏移阻抗继电器？若可以的话，需满足什么条件？,在高频闭锁距离保护中，距离、段的阻抗元件需采用方向阻抗继电器，距离段的测量元件可采用全阻抗继电器和偏移阻抗继电器。为实现在外部故障时，高频保护能可靠闭锁，偏移阻抗继电器反方向的偏移度应大于线路对侧距离保护段的保护范围。,4.3.4 影响方向纵联保护正确工作的因素及应对措施,1. 非全相运行对方向纵联保护的影响及应对措施,线路一相仅在m侧断开时 :断线点两侧负序电压的相位相反。如果电压互感器接在线路上，m侧负序方向元件取 电压、 电流，则符合功率方向为负的关系， m侧负序方向元件判断为反方向短路，发出闭锁信号，保护就不会误动作，但若采用母线电压 、 电流，则符合功率方向为正的关系，负序方向元件动作停发闭锁信号，两侧保护误跳闸。,反向判据,正向判据,实际两相运行总是一相在两侧同时断开的状态，特别是考虑分布电容的影响后，需要分析有两个断线端口的复杂故障下负序电压、电流的相位关系。同样有结论： 当使用线路侧电压时，受电侧功率方向为正，送电侧方向元件的负序功率方向为负，发出闭锁信号，保护不会动作。 当使用母线侧电压时，两侧的负序功率方向同时为正，保护将误动作。 零序功率方向在非全相运行时与负序功率方向的特点相同。,突变量方向元件能适应线路两相运行。首先在两相运行的负荷状态不会动作。在两相运行的线路上发生故障，若采用母线电压就可用故障附加网络进行分析，突变量方向元件能够可靠动作。 若采用线路电压时也只是断开相与母线电压不等。在运行的两相上发生故障时断开相母线和线路电压的突变量都不大，所以取线路电压也能动作。 如果突变量方向元件仅反应运行中两相的故障分量电压、电流，则与断开相无关，因此不论用线路电压或母线电压，都能够正确动作。,克服非全相运行期间负序、零序方向纵联保护误动的措施：,2）在两相运行时应退出负序、零序方向元件，仅保留反应突变量相位的方向元件。,1）电压互感器装于线路侧，使用线路侧电压。,2. 分布电容对纵联方向保护的影响及应对措施,在超高压长线路上，由于分布电容很大，使线路充电电流增大，当线路处于不同运行状态时，线路两端电流的大小和相位都将受电容电流的影响。因此，对纵联方向保护的影响不能忽视。,当线路一端断开，另一端进行三相合闸充电时，由于断路器三相触头不同时闭合，出现一相或两相先合的情况，这时线路电容电流中将出现很大的负序电容电流和电压能引起负序方向元件误动作，从而造成负序纵联方向保护误动作。,自动重合闸时，一侧先合闸，另一侧检定同步后合闸。,a b c,m,一相先闭合,动作区,m,当电压互感器接于线路上时，保护安装处的负序电压为:,流入正向方向元件的电流为:,由相量图可见，正向负序方向元件将误动作。由于只在空载合闸一侧发生正向方向元件误动，而线路的另一侧无电流，将出现合闸侧负序方向纵联保护起动，另一侧不起动，从而造成该线路负序纵联方向保护误动作。,当电压互感器接于母线上时，由于输电线路空载，母线上的三相电压基本上是对称的，负序方向元件一般不会动作，故负序方向高频保护不会误动作。,对采用零序方向元件的纵联方向保护有类似的结果。,为了防止线路空载合闸时引起负序方向元件的误动作，通常对负序方向元件，采取按躲过空载线路两相先闭合时出现的稳态负序电容电流进行整定。但在空载合闸的过渡过程中，负序充电电容电流的数值会更大，一般很难由整定值躲开，必要时应采取对线路电容电流补偿、利用方向阻抗特性替代方向特性、提高起动元件动作电流值，增大保护起动时间躲过空载合闸过渡过程等措施。,3. 功率倒向对纵联方向保护的影响及应对措施,当线路l3b侧保护先动作跳闸时， l1线路b侧保护改为正向功率而停信，而a侧功率反向而又来不及发闭锁信号，从而可能造成l1线路b侧保护误动作。,解决办法：发信元件动作后，延时t1时间返回，t1按照大于两侧方向元件动作与返回的最大时间差再加一个裕度时间整定。,功率倒向,4.4 纵联电流差动保护,电流差动保护原理建立在基尔霍夫电流定律的基础之上，它具有良好的选择性，能灵敏地，快速地切除保护区内的故障。,一、纵差动保护原理,在线路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连接，差动继电器则并联联接在电流互感器的二次端子上。 规定一次侧电流（ ）的正方向为从母线流向被保护线路，则按照上述联接后，流入继电器的电流即为各互感器的二次电流的总和。,i-i,纵差动保护的单相原理接线,（1）正常运行及外部故障时 一次侧同一电流从一端流入，又从另一端流出，二次侧也感应相同的电流，此电流在导引线中形成环流 ，继电器不动作。,i-i,正常运行及外部故障情况,图中箭头为电流的实际流向一次电流大小相同相位相反二次电流在绕组中相位相反,（2）保护范围内部故障时 对于双侧电源供电，两侧均有电流流向短路点，一次侧短路点的总电流为 ，二次侧差动回路的电流 ，当 时， 继电器动作，将故障线路两侧断路器同时跳闸。,i-i,保护范围内部故障情况,一次电流大小可能不同但相位相同，二次电流在绕组中相位相同,（3）纵差动保护二次侧的电流在导引线中形成环流的连接方式称为环流法纵差动保护。适用于变压器、发电机等电力设备及母线保护。不能应用于输电线路保护。（要求沿线路敷设多根导引线，技术上不可能，经济上不合理）,纵差动保护主要用于比较重要的短线路以及电力系统元件保护。,由于电流互感器的误差和励磁电流的影响，在正常运行和外部短路情况下，总有某些电流流入差动回路，此电流称为不平衡电流。,考虑励磁电流的影响，二次侧电流的数值为：,在正常运行及外部故障时有： 因此流过差动继电器的电流即不平衡电流为：,为保证保护在外部短路及正常运行时不会误动作，继电器正确动作时的差动电流ir应躲过最大不平衡电流 。,即：,计算最大不平衡电流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ik.max，并保证在这种最大的一次电流电流情况下，二次电流的误差不大于10。通常采用电流互感器的10%误差曲线，这样不平衡电流的稳态值可按下式计算:,kst为电流互感器的同