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1、大连理工大学电气工程学院大连理工大学电气工程学院第四章第四章 输电线路纵联保护输电线路纵联保护主要内容主要内容v4.1 输电线路纵联保护概述v4.2 输电线路纵联保护两侧信息的交换v4.3 方向比较式纵联保护v4.4 纵联电流差动保护4.1输电线路纵联保护概述输电线路纵联保护概述反映单侧电气量保护存在的不足：反映单侧电气量保护存在的不足：v电流保护：段保护范围有限v距离保护：段保护范围为线路全长的8085%v其余线路故障（1520%），只能由第II段的延时切除（0.5s）v电力系统稳定运行：重要线路不允许v为实现全线速动，采用输电线路纵联保护输电线路纵联保护4.1输电线路纵联保护概述输电线路纵
2、联保护概述输电线路纵联保护输电线路纵联保护基本原理：基本原理： 用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将一侧的电气量（电流、功率的方联结起来，将一侧的电气量（电流、功率的方向、测量阻抗等）传送到对端，将两端的电气向、测量阻抗等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。路范围外，从而决定是否切断被保护线路。4.1输电线路纵联保护概述输电线路纵联保护概述输电线路纵联保护的基本原理：输电线路纵联保护的基本原理： 用某种通信通道将输电线两端的保护装置
3、纵向联结起来，将一侧的用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将一侧的电气量（电流、功率的方向、测量阻抗等）传送到对端，将两端的电气量（电流、功率的方向、测量阻抗等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。决定是否切断被保护线路。输电线路纵联保护的结构：输电线路纵联保护的结构：4.1输电线路纵联保护概述输电线路纵联保护概述输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析：输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析：（1）电流相量和）电流相量和 区内故障：区内故障： 区外故障：区外
4、故障： 正常运行：正常运行：MNk1MNMN00IIIIIIIIII4.1输电线路纵联保护概述输电线路纵联保护概述输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析：输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析：（2）两端功率方向）两端功率方向 区内故障：两侧功率方向为正区内故障：两侧功率方向为正 区外故障：两侧功率方向一正一负（靠近短路点端为负）区外故障：两侧功率方向一正一负（靠近短路点端为负） 正常运行：两侧功率方向一正一负正常运行：两侧功率方向一正一负4.1输电线路纵联保护概述输电线路纵联保护概述输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析：输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析：（3）两端电流相位）两端电流相
5、位 区内故障：两侧电流相位差为区内故障：两侧电流相位差为0。 区外故障：两侧电流相位差为区外故障：两侧电流相位差为180。 正常运行：两侧电流相位差为正常运行：两侧电流相位差为180。4.1输电线路纵联保护概述输电线路纵联保护概述输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析：输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析：（4）两侧的测量阻抗）两侧的测量阻抗 区内故障：测量阻抗均为短路阻抗，两侧距离保护区内故障：测量阻抗均为短路阻抗，两侧距离保护II段同时段同时启动；启动； 区外故障：两侧的测量阻抗也是短路阻抗，但一侧为反向，区外故障：两侧的测量阻抗也是短路阻抗，但一侧为反向，至少一侧的距离保护至少一侧的距
6、离保护II段不启动；段不启动； 正常运行：两侧的测量阻抗均为负荷阻抗，距离保护正常运行：两侧的测量阻抗均为负荷阻抗，距离保护II段不段不启动。启动。4.1输电线路纵联保护概述输电线路纵联保护概述输电线路纵联保护的分类输电线路纵联保护的分类动作原理：方向比较式纵联保护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结果，区分是区内故障还是区外故障。根据保护判别方向所用的原理可分为方向纵联保护方向纵联保护和距离纵联保护距离纵联保护。纵联电流差动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，
7、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故障还是区外故障。通信方式： 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、光纤纵联保护保护4.1输电线路纵联保护概述输电线路纵联保护概述输电线路纵联保护的分类输电线路纵联保护的分类通信方式：v （1）导引线）导引线通道通道 ：导引线导引线纵联保护纵联保护v （2）电力线载波）电力线载波通道通道：电力线载波纵联保护（载波保护电力线载波纵联保护（载波保护/高频保护高频保护）v （3）微波）微波通道通道：微波纵联保护（微波纵联保护（微波保护微波保护 ）v （4）光纤）光纤通道通道：光
8、纤纵联保护（光纤纵联保护（光纤保护光纤保护）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两侧信息的交换v 导引线导引线通信：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。线路各侧信息的通信方式。v 采用电流差动原理，分为环流式和均压式采用电流差动原理，分为环流式和均压式 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两侧信息的交换v电力线载波电力线载波通信通信：v高频保护高频保护将线路两端的电流相位（或功率方向）信息转变为高频信号，经过高频将线路两端的电流相位（或功率方向）信息转变为高频信
9、号，经过高频耦合设备将高频信号加载到输电线路上，输电线路本身作为高频信号的通道将高频耦合设备将高频信号加载到输电线路上，输电线路本身作为高频信号的通道将高频载波信号传输到对侧，对端再经过高频耦合设备将高频信号接收，以实现各端电流载波信号传输到对侧，对端再经过高频耦合设备将高频信号接收，以实现各端电流相位（或功率方向）的比较。包括相相位（或功率方向）的比较。包括相-相式和相相式和相-地式。地式。电力线载波通信示意图1阻波器；2耦合电容器；3连接滤波器；4电缆；5载波收发信机；6接地开关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两侧信息的交换v 电力线载波电力线载波通信通信：v 阻波器
10、：阻波器：阻波器是由一个电感线圈与可变电容器并联组成的回路。 v 耦合电容器：耦合电容器：结合电容器与连接滤过器共同配合将载波信号传递至输电线路，同时使高频收发信机与工频高压线路绝缘。 v 连接滤波器：连接滤波器：连接滤波器由一个可调节的空心变压器及连接至高频电缆一侧的电容器组成。 v 高频收、发信机：高频收、发信机：发信机部分系由继电保护装置控制，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。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两侧信息的交换v 电力线载波电力线载波通信通信：通道传输的信号频率范围通道传输的信号频率范围50-400kHzv 电力线载波通道的工作方式
11、：正常无高频电流方式、正常有高频电流方式电力线载波通道的工作方式：正常无高频电流方式、正常有高频电流方式、移频方式、移频方式v 正常无高频电流方式正常无高频电流方式在电力系统正常工作条件下发信机不发信，沿通道在电力系统正常工作条件下发信机不发信，沿通道不传送高频电流，发信机只在电力系统发生故障期间才由保护的启动元件不传送高频电流，发信机只在电力系统发生故障期间才由保护的启动元件启动发信，又称为故障启动发信的方式。该方式在我国电力系统应用广泛启动发信，又称为故障启动发信的方式。该方式在我国电力系统应用广泛。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两侧信息的交换v 电力线载波电力线载
12、波通信通信：通道传输的信号频率范围通道传输的信号频率范围50-400kHzv 工作方式：正常无高频电流方式、正常有高频电流方式、移频方式工作方式：正常无高频电流方式、正常有高频电流方式、移频方式v 正常有高频电流方式正常有高频电流方式在电力系统正常工作条件下发信机处于发信状态，在电力系统正常工作条件下发信机处于发信状态，沿高频通道传送高频电流，又称为长期发信方式。沿高频通道传送高频电流，又称为长期发信方式。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两侧信息的交换v 电力线载波电力线载波通信通信：通道传输的信号频率范围通道传输的信号频率范围50-400kHzv 工作方式：正常无高频电
13、流方式、正常有高频电流方式、移频方式工作方式：正常无高频电流方式、正常有高频电流方式、移频方式v 移频方式移频方式在电力系统正常工作条件下，发信机处在发信状态，向在电力系统正常工作条件下，发信机处在发信状态，向对端送出频率为对端送出频率为f1的高频电流，这一高频电流可作为通道的连续检的高频电流，这一高频电流可作为通道的连续检查或闭锁保护之用。在线路发生故障时，保护装置控制发信机停止查或闭锁保护之用。在线路发生故障时，保护装置控制发信机停止发送频率为发送频率为f1的高频电流，改发频率为的高频电流，改发频率为f2的高频电流。在国外应用的高频电流。在国外应用广泛。广泛。4.2 输电线路纵联保护两侧信
14、息的交换输电线路纵联保护两侧信息的交换v电力线电力线载波信号的种类：载波信号的种类：v按照信号的性质或作用，可以将其分为闭锁信号、允许信号和跳闸信号。这三种信号可用以上任一中种通信通道产生和传送。v1闭锁信号闭锁信号。即无闭锁信号是保护作用于跳闸的必要条件，或者说闭锁信号是阻止保护动作于跳闸的信号。只有同时满足以下条件时保护才动作于跳闸：v本端保护元件动作；无闭锁信号本端保护元件动作；无闭锁信号v2允许信号允许信号。允许信号是允许保护作用于跳闸的信号，或者说有允许信号是保护动作于跳闸的必要条件。只有同时满足以下条件时保护才动作于跳闸：v本端保护元件动作；有允许信号本端保护元件动作；有允许信号v
15、3跳闸信号跳闸信号。跳闸信号是直接引起跳闸的信号，或者说收到跳闸信号是跳闸的充要条件。跳闸的条件为本端保护元件动作，或者对端传来跳闸信号。要求本侧和对侧要求本侧和对侧的保护元件必须具有直接区分区内故障和区外故障的能力的保护元件必须具有直接区分区内故障和区外故障的能力，如距离I段等 高频保护信号逻辑图(a)闭锁信号；(b)允许信号；(c)跳闸信号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两侧信息的交换v 电力线载波电力线载波通信通信：通道传输的信号频率范围通道传输的信号频率范围50-400kHzv 微波微波通信通信：微波通信频率段属于超短波的无线电波，在微波通信频率段属于超短波的无线
16、电波，在300-30000MHz之间，频带更宽，传输距离超过之间，频带更宽，传输距离超过40-60km时，需装时，需装设微波中继站，以增强和传递微波信号设微波中继站，以增强和传递微波信号v 光纤光纤通信通信：以光纤作为信号传递媒介的通信，通常由光发射机、光以光纤作为信号传递媒介的通信，通常由光发射机、光纤、中继器和光接收机组成。光发射机作用为把电信号转变为光信纤、中继器和光接收机组成。光发射机作用为把电信号转变为光信号，由电调制器和光调制器组成；光接收机作用为把光信号转变为号，由电调制器和光调制器组成；光接收机作用为把光信号转变为电信号，由光探测器和电解调器组成。电信号，由光探测器和电解调器组
17、成。4.3 方向比较式纵联保护方向比较式纵联保护v 方向元件应满足如下要求：方向元件应满足如下要求：v （1）正确反映所有类型故障时故障点的方向且无死区；）正确反映所有类型故障时故障点的方向且无死区；v （2）不受负荷的影响，在正常负荷状态下不启动；）不受负荷的影响，在正常负荷状态下不启动；v （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）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的方向；时仍能正确判定故障点的方向；v （4）不受非全相运行的影响，在两相运行中又发生短路时仍能正）不受非全相运行的影响，在两相运行中又发生短路时仍能正确判定故障点的方向确
18、判定故障点的方向v 通常采用通常采用工频电压、电流的故障分量工频电压、电流的故障分量构成方向元件。构成方向元件。4.3 方向比较式纵联保护方向比较式纵联保护v 工频故障分量工频故障分量v 当电力系统在某种非故障状态（如正常运行、两相运行等）下运行当电力系统在某种非故障状态（如正常运行、两相运行等）下运行时，在时，在k点发生金属性短路，故障点电压降为点发生金属性短路，故障点电压降为0，这时，这时4.3 方向比较式纵联保护方向比较式纵联保护v 工频故障分量工频故障分量v 对于双端电源的输电线路，在保护的正方向短路时，保护安装处的对于双端电源的输电线路，在保护的正方向短路时，保护安装处的电压、电流关
19、系为电压、电流关系为v 在保护反方向短路时，在保护反方向短路时，保护安装处电压、电流关系为保护安装处电压、电流关系为4.3 方向比较式纵联保护方向比较式纵联保护v 工频故障分量工频故障分量v 为便于实现电压、电流相位关系的判定，实际的方向元件比较的是为便于实现电压、电流相位关系的判定，实际的方向元件比较的是故障分量电压和故障分量电流在模拟阻抗故障分量电压和故障分量电流在模拟阻抗Zr上产生的电压之间相位上产生的电压之间相位关系，正方向故障时，功率方向为正关系，正方向故障时，功率方向为正v 考虑各种因素影响，正方向故障时功率方向为正的判据为考虑各种因素影响，正方向故障时功率方向为正的判据为4.3
20、方向比较式纵联保护方向比较式纵联保护v 工频故障分量工频故障分量v 为便于实现电压、电流相位关系的判定，实际的方向元件比较的是为便于实现电压、电流相位关系的判定，实际的方向元件比较的是故障分量电压和故障分量电流在模拟阻抗故障分量电压和故障分量电流在模拟阻抗Zr上产生的电压之间相位上产生的电压之间相位关系，反方向故障时，功率方向为负关系，反方向故障时，功率方向为负v 考虑各种因素影响，反方向故障时功率方向为负的判据为考虑各种因素影响，反方向故障时功率方向为负的判据为4.3 方向比较式纵联保护方向比较式纵联保护v 闭锁式方向纵联保护闭锁式方向纵联保护v 工作原理工作原理v 目前广泛使用由电力线载波
21、通道实现的闭锁式方向纵联保护。正常目前广泛使用由电力线载波通道实现的闭锁式方向纵联保护。正常时无高频电流，在区外故障时发闭锁信号。时无高频电流，在区外故障时发闭锁信号。v 故障时，闭锁信号由功率方向为负的一侧发出，被两端的收信机接故障时，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。收，闭锁两端的保护。4.3 方向比较式纵联保护方向比较式纵联保护v 闭锁式距离纵联保护闭锁式距离纵联保护v 由两端由两端III段式距离保护段式距离保护+高频通信组成高频通信组成v 工作原理工作原理v 以两端的距离保护以两端的距离保护III段继电器作为故障启动发信元件；段继电器作为故障启动发信
22、元件；v 以两端的距离保护以两端的距离保护II段为方向判别元件和停信原件；段为方向判别元件和停信原件；v 以距离保护以距离保护I段作为两端各自独立跳闸段段作为两端各自独立跳闸段v 其中，三段式距离保护核心变化为距离保护其中，三段式距离保护核心变化为距离保护II段的跳闸时间元件增段的跳闸时间元件增加了瞬时动作的与门元件，该元件动作条件是本侧加了瞬时动作的与门元件，该元件动作条件是本侧II段动作且收不段动作且收不到闭锁信号，表明故障在两端保护的到闭锁信号，表明故障在两端保护的II内即本线路内，立即跳闸，内即本线路内，立即跳闸，从而构成了纵联保护瞬时切除全线任意点短路的速动功能。从而构成了纵联保护瞬
23、时切除全线任意点短路的速动功能。4.4 纵联电流差动保护纵联电流差动保护v 用于发电机保护、变压器保护、大型电动机保护和输电线路保护中用于发电机保护、变压器保护、大型电动机保护和输电线路保护中v 分类：电流差动、电流相位差动分类：电流差动、电流相位差动v 工作原理：工作原理：v 正常运行、区外故障时：正常运行、区外故障时： 反相位反相位v 区内故障时：区内故障时： 同相位同相位MNMNk10IIIIIII4.4 纵联电流差动保护纵联电流差动保护v 工作原理：工作原理：v 二次侧二次侧v 正常运行和外部故障时，流过差动继电器的电流不等于正常运行和外部故障时，流过差动继电器的电流不等于0不不平衡电
24、流平衡电流 v 理论上不平衡电流的稳态值采用电流互感器的理论上不平衡电流的稳态值采用电流互感器的10%的误差曲的误差曲线，计算式为线，计算式为v 动作电流动作电流v 实际差动继电器设计：制动电流、动作电流实际差动继电器设计：制动电流、动作电流4.4 纵联电流差动保护纵联电流差动保护v 输电线路纵联电流差动保护特性分析输电线路纵联电流差动保护特性分析 v （1）不带制动特性的差动继电器特性）不带制动特性的差动继电器特性v 动作方程为动作方程为v 整定方法：整定方法：v 躲过外部短路时的最大不平衡电流躲过外部短路时的最大不平衡电流v 躲过最大负荷电流，考虑正常运行时一侧电流互感器二次侧躲过最大负荷电流，考虑正常运行时一侧电流互感器二次侧断线时差动继电器在流过线路的最大负荷电流时保护不动作断线时差动继电器在流过线路的最大负荷电流时保护不动作v 校验灵敏度：应满足线路在单侧电源运行发生内部短路时有校验灵敏度：应满足线路在单侧电源运行发生内部短路时有足够的灵敏度足够的灵敏度4.4 纵联电流差动保护纵联电流差动保护v 输电线路纵联电流差动保护特性分析输电线路纵联电流差动保护特性分析 v （1）带有制动线圈的差动继电器特性）带有制动线圈的差动继电器特性v 制动线圈制动线圈v 动作线圈动作线圈v 动作方程：动作方程：