第第 四四 章章 输电线路纵联保护Pilot Protection for Transmission Lines 第一节 输电线路纵联保护概述一、引言（ 纵联保护的提出 ）1. 1. 电流、距离保护的缺陷电流、距离保护的缺陷反映：一侧电气量，即只采集线路一侧的电气量反映：一侧电气量，即只采集线路一侧的电气量缺陷：缺陷：段有延时，无法实现全线速动，段有延时，无法实现全线速动，MN123220kV220kV线路线路 难以满足快速性要求。难以满足快速性要求。k1k22. 反映线路两侧电气量的纵联保护反映线路两侧电气量的纵联保护纵联保护：将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧电气纵联保护：将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧电气量同时比较、联合工作的保护。即线路两侧之间有纵向联系量同时比较、联合工作的保护。即线路两侧之间有纵向联系的保护。的保护。纵联保护两端比较的电气量可以是流过两端的电流相量、电流相位和两端功率方向等，比较两端不同电气量的差别构成不同原理的纵联保护。纵联保护特点：可以快速、可靠地区分本线路内部任意点短路与外部短路，即可以实现全线速动。纵联保护：又称为单元保护。 Pilot Protection 或 Unit Protection二、输电线路纵联电流差动保护原理输电线路纵联电流差动保护原理根据基尔霍夫电流定律，线路两侧电流参考方向如上图所示。（1）当线路上没有内部故障或外部故障（K2）时，线路两侧的电流之和为零，即流入线路元件的电流之和为零；（2）当线路有内部故障（K1）时，线路两侧电流之和不为零。输电线路纵联电流差动保护的工作原理：当差动电流 时，认为是内部故障，保护动作。输电线路纵联电流差动保护原理的特点1、保护范围明确。保护范围是线路两侧电流互感器之间的范围。2、动作速度快，可实现全线速动，即全线路瞬时切除区内故障。这是由于纵联电流差动保护不需与相邻元件的保护配合。3、不受系统振荡、系统运行方式变化的影响。1. 1. 两端电流相量和两端电流相量和三、输电线路两侧电气量的故障特征 MNk1区内故障MNk2区外故障（正方向：母线（正方向：母线线路）线路）2. 2. 两端功率方向两端功率方向MNk1区内故障区外故障MNk2两侧功率方向均为正两侧功率方向均为正一侧功率方向为负一侧功率方向为负（正方向：母线（正方向：母线线路）线路）3. 3. 两端电流相位特征两端电流相位特征假设：两侧系统阻抗角、电势角相同，假设：两侧系统阻抗角、电势角相同，正方向：母线正方向：母线线路线路MNk1区内故障MNk2区外故障4. 4. 两端测量阻抗两端测量阻抗区内故障：区内故障：两端距离两端距离段段 Z ZII II 均启动均启动区外故障：区外故障：近端距离近端距离段段 Z ZII II 不启动不启动，远端远端启动启动。 四、纵联保护基本原理 利用不同特征差异的电气量可以构成不同的纵联保护原理（1）纵联电流差动保护原理（两端电流相量的故障特征） 正常运行和外部故障时（K2）： 内部故障时（K1）： 或（2）方向比较式纵联保护原理（两端功率方向的故障特征） 正常运行和外部故障时（K2）：一侧功率正方向，一侧负方向。 内部故障时（K1）：两侧功率都为正方向。（3）电流相位比较式纵联保护原理（两端电流相位的故障特征） 正常运行和外部故障时（K2）：两侧电流相位相差约为180。 内部故障时（K1）：两侧电流相位相差约为0。 （4）距离纵联保护原理（两端测量阻抗的故障特征） 正常运行和外部故障时（K2）：两端的距离段测量阻抗一侧 为反方向，另一侧为正方向。 内部故障时（K1）：两端的距离段测量阻抗都在正方向。五、纵联保护基本原理的分类 1. 1. 按原理分类按原理分类（1 1）方向比较式纵联保护）方向比较式纵联保护: : 功率方向、测量阻抗判断结果功率方向、测量阻抗判断结果（2 2）纵联电流保护）纵联电流保护：电流相量、电流相位：电流相量、电流相位方向纵联保护距离纵联保护逻辑信号电流数据信号2. 2. 按通道分类按通道分类导引线导引线：10km10km，二次电气量，电流差动保护，二次电气量，电流差动保护电力线载波电力线载波：最广泛，输电线路，要求线路故障时能动：最广泛，输电线路，要求线路故障时能动微波微波：信息量大信息量大光纤光纤：信息量大，抗干扰，今年来被广泛采用信息量大，抗干扰，今年来被广泛采用第二节 纵联保护两侧信息的交换一、导引线通信（Pilot Wire Communication） 导引线i制动线圈动作线圈i动作线圈制动线圈（a）环流式（b）均压式保护原理：电流差动原理保护原理：电流差动原理制动线圈动作线圈制动线圈动作线圈适用于短线路二、电力线载波通信（Power Line Carrier Communication） 1. 1. 原理原理功率方向（电流相位）功率方向（电流相位）高频信号高频信号（50400kHz）通道：输电线路（相相，通道：输电线路（相相，相地相地）2. 2. 构成构成输电线路输电线路阻波器阻波器耦合电容器耦合电容器连接滤波器连接滤波器高频收发信机高频收发信机接地开关接地开关电力线载波通道又称为高频通道电力线载波通道又称为高频通道高频收发信机高频收发信机由继电保护装置控制发出预定由继电保护装置控制发出预定频率的高频信号频率的高频信号高频通道高频通道：“导线大地” 构成输电 线载波通道。 优点：优点：最经济，可以只在一相 线路上 装设。 缺点缺点：高频信号的衰耗和受到 的干扰都比较大。 3. 3. 通道特点及适用保护原理通道特点及适用保护原理无中继、无中继、经济、经济、施工简单施工简单干扰影响大、实时性差干扰影响大、实时性差纵联电流差动保护纵联电流差动保护优点：优点：缺点：缺点：信号：传递状态信号（功率方向、电流相位）信号：传递状态信号（功率方向、电流相位）原理：方向比较式、电流相位比较式纵联保护原理：方向比较式、电流相位比较式纵联保护4. 4. 通道工作方式通道工作方式电力线载波通道的工作方式：电力线载波通道的工作方式：2) 正常有高频电流（长期发信方式）正常有高频电流（长期发信方式）3) 移频方式（移频方式（f1 f2）1) 正常无高频电流（故障启动发信方式）正常无高频电流（故障启动发信方式）长期发信方式长期发信方式正常有高频电流方式正常有高频电流方式2.2.高频通道工作方式高频通道工作方式也是信号也是信号信号信号平时平时故障时故障时高频载波高频载波只能体现只能体现“有高频有高频”和和“无高频无高频”2”2个个信息信息1是信号，是信号，0也是信号！也是信号！2.2.高频通道工作方式高频通道工作方式故障启动发信方式故障启动发信方式正常无高频电流方式正常无高频电流方式信号信号移频方式移频方式故障时刻故障时刻信号信号 信号信号5. 5. 载波信号的种类载波信号的种类&保护元件闭锁信号跳闸脉冲&保护元件允许信号跳闸脉冲保护元件跳闸信号跳闸脉冲MNk1MNk2闭锁式方向高频保护允许式方向高频保护闭锁信号闭锁信号允许信号允许信号跳闸信号跳闸信号MNk1MNk2闭锁和允许信号有什么区别？闭锁和允许信号有什么区别？（1）闭锁信号，不易拒动 内部故障：两端保护都不发出闭锁信号，保护可动作于跳闸。 外部故障：一侧保护发闭锁信号，将两侧的保护都闭锁。（2）允许信号，不易误动外部故障：近故障点侧不发允许信号，故对端保护不能跳闸；内部故障：两端高频保护同时向对侧发出允许信号，使保护动作于跳闸。三、微波通信（Microwave Communication） 频带宽频带宽（30030000MHz）、）、抗干扰、抗干扰、不受线路故障影响（允许不受线路故障影响（允许/ /跳闸信号）跳闸信号）需中继需中继（4060km）、价格贵、价格贵优点：优点：缺点：缺点：原理：纵联电流分相差动保护原理：纵联电流分相差动保护四、光纤通信（Optical Fiber Communication） 通信容量大通信容量大、抗干扰、节省金属材料等抗干扰、节省金属材料等需中继需中继优点：优点：缺点：缺点：原理：纵联电流分相差动保护原理：纵联电流分相差动保护电信号光信号电信号光信号光纤光信号在光导纤维内传输具有衰耗低、抗干扰能力强、通信容量大、比微波通信提高10 万倍以上等优点。目前光纤通信使用的波长为0.85 um、 1.31 um、1.55 um 。光纤分多模光纤和单模光纤，后者比前者特性好，衰减小、频带宽适用于大容量远距离的通信系统。 光纤通信光纤具有宽带、远距离传输能力强、保密性好、抗干扰能力强等优点,是未来通信网的主要实现技术。第三节 方向比较式纵联保护方向比较式纵联保护原理（两端功率方向的故障特征） 正常运行和外部故障时（K2）：一侧功率正方向，一侧负方向。 内部故障时（K1）：两侧功率都为正方向。方向元件（或功率方向测量元件）是纵联保护中的关键。故障附加状态图中各点的电压、电流称为电压、电流的故障分量。工频故障分量：电压、电流故障分量中的工频稳态成分。工频故障分量的基本概念工频故障分量方向元件：用工频电压、电流的故障分量构成的方向元件。正常运行和外部故障时：两侧的故障分量功率方向一侧是线路母线（N侧），另外一侧是母线线路（M侧）。内部故障时：两侧的突变量功率方向为线路母线。 内部故障故障附加状态图外部故障一、工频故障分量的方向元件的工作原理故障分量（工频变化量）的方向继电器正向故障（1）正向短路（线路MN内部短路故障） 有： 上式中的 、 也可以为故障分量中的负序、零序分量。 所以：即正方向故障时功率方向为正的判据为：反向故障 以M侧保护为例来分析：（2）反向短路（线路MN外部故障） 有： 上式中的 、 也可以为故障分量中的负序、零序分量。 所以：即正方向故障时功率方向为负的判据为：k1k2区内故障区外故障1）不受负荷状态影响；）不受负荷状态影响；2）不受振荡影响；）不受振荡影响；5）不受过渡电阻影响；）不受过渡电阻影响；3）无电压死区；）无电压死区；4）有明确的方向性。）有明确的方向性。采用工频故障分量的方向元件有如下特点：采用工频故障分量的方向元件有如下特点：二、闭锁式方向纵联保护1. 1. 工作原理工作原理kBCAD123456闭锁信号闭锁信号故障线路：两端功率方向均为正，无闭锁信号，保护动作。非故障线路：功率方向为负的一侧发闭锁信号，将保护闭锁。区内故障伴有通道损坏时，保护能否正确动作？区内故障伴有通道损坏时，保护能否正确动作？Y工作方式：正常时无高频电流，区外反向故障时发闭锁信号。2. 2. 闭锁式方向纵联保护的构成闭锁式方向纵联保护的构成BCAD123456跳闸停信收信&t20t10Y2&Y1KA2KA1KW+TVTA结合电容器k1 1）区外短路）区外短路2 2）区内短路）区内短路3 3）单电源区内短路）单电源区内短路问题：问题：1 1）为何设两个启动元件？灵敏度如何配合？）为何设两个启动元件？灵敏度如何配合？2 2）故障分量构成的功率方向元件在振荡时有何好处？）故障分量构成的功率方向元件在振荡时有何好处？3 3）两个时间元件的作用？）两个时间元件的作用？三、闭锁式距离(零序)纵联保护跳闸停信收信&t20t10ZITVTA结合电容器ZIIZIIItIItIIIBCAD123456k故障启动发信元件: ZIII方向判别、停信元件: ZII独立跳闸元件: ZI特点：区内故障瞬时动作，区外故障作为后备。 第四节 纵联电流差动保护一、纵联电流差动保护原理MNk1k2KD正常、外部故障：内部故障：1. 1. 工作原理工作原理基尔霍夫定律2. 2. 保护特性保护特性1 1）无制动作用）无制动作用不平衡电流：躲过外部短路最大不平衡电流:躲过最大负荷电流（一侧CT断线）: 整定：校验：（单侧电源最小方式最小短路电流）MNk1k2KDMNk1k2KD2 2）有制动作用）有制动作用动作线圈电流（差动电流）：制动线圈电流（制动电流）：正常、外部故障：正常、外部故障：内部故障：内部故障：动作作用强，制动作用弱动作作用强，制动作用弱制动作用强，动作作用弱制动作用强，动作作用弱制动特性：制动特性： 动作电流不是定值，而是随制动电流变化的特性。动作电流不是定值，而是随制动电流变化的特性。动作方程：动作方程：动作区I rI resI op0特点：特点： 内部短路时提高了灵敏性；外部短路时提高了可靠性。内部短路时提高了灵敏性；外部短路时提高了可靠性。3. 3. 两侧电流的同步测量两侧电流的同步测量“同步数据同步数据”： 同步采样、同步采样、同时刻采样点计算同时刻采样点计算1）基于数据通道的同步方法）基于数据通道的同步方法2）基于）基于GPS的同步方法的同步方法采样时刻调整法采样时刻调整法同步采样：秒脉冲同步采样：秒脉冲相同时标：标准时间相同时标：标准时间采样数据修正法采样数据修正法时钟校正法时钟校正法MNk1k2二、纵联电流相位差动保护原理区内短路：两侧电流几乎同相；区内短路：两侧电流几乎同相；措施：措施：正半周发信，负半周停发。正半周发信，负半周停发。区内区内: : 高频电流是间断的；高频电流是间断的；wt0iminwt0imin区外短路：两侧电流相位几乎反相。区外短路：两侧电流相位几乎反相。区外区外: : 高频电流是连续的。高频电流是连续的。MNk1k2wt0wt0理想情况区内短路间断角大，区内短路间断角大，区外短路间断角小。区外短路间断角小。间断角间断角整定闭锁角整定闭锁角 ：确定区外短路的最大间断角。确定区外短路的最大间断角。wtwt0动 作区时保护不动，即闭锁。时保护不动，即闭锁。整定：校验：线路长度的增加，使得闭锁角整定值增大，动作角减小。线路长度的增加，使得闭锁角整定值增大，动作角减小。区内短路最不利情况下保护可能拒动。区内短路最不利情况下保护可能拒动。0动 作区MNk2N端保护先动作跳闸端保护先动作跳闸, ,停止本侧发信，停止本侧发信， M端保护再动作跳闸。端保护再动作跳闸。相继动作M 端保护可能不动端保护可能不动三、影响纵联电流差动保护正确动作的因素1. 1. 电流互感器的误差和不平衡电流电流互感器的误差和不平衡电流2. 2. 输电线路分布电容的影响输电线路分布电容的影响3. 3. 过渡电阻的影响的影响过渡电阻的影响的影响故障分量电流与负荷电流相差不大，故障分量电流与负荷电流相差不大，负荷电流为穿越性质，降低保护动作灵敏度。负荷电流为穿越性质，降低保护动作灵敏度。线路两端电流之和不为零，为线路电容电流。线路两端电流之和不为零，为线路电容电流。MNk2