繼電保護講義-線路的縱聯保護

第六章線路的縱聯保護

第一節(jié)縱聯保護的基本原理

根據電流、電壓和阻抗原理構成的系統(tǒng)保護，都是從線路靠近電源的一側測量各科狀態(tài)

下的電氣量，由于測量誤差等原因，它們不能準確判斷發(fā)生在本線路末端和下一線路出口的

故障，為了保證選擇性，只能縮小保護范圍，在此范圍內，保護可?以瞬時動作，如電流和距

離I段。為了切除全線范圍內的故障，必須另外增設保護，如電流和距離n段，同梯由于誤

差的原因，保護范圍必然延伸到下一線路，與下一線路保護的保護范圍交叉重疊，為了保證

選擇性，只有延時保護動作，使切除全線路范圍內故障的時間延長。對「電力系統(tǒng)的重要線

路和大容量高電壓以及超高壓線路，為了保證系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性和減小故障的損害程度,

對保護的速動性提出了更高的要求，必須瞬時切除全線路范圍內的故障。線路的縱聯保護可

以滿足要求。

縱聯保護是同時比較線路兩側電氣量的變化而進行工作的。因此，在被保護范圍內任何

地點發(fā)生短路時，縱聯保護都能瞬時動作。

根據兩側電氣量傳輸方式的不同,縱聯保護主要分為導引線縱聯保護（簡稱導引線保護）、

電力線載波保護（簡稱高頻保護）、微波縱聯保護（簡稱微波保護）、光纖縱聯保護（簡稱光

纖保護）。

第二節(jié)線路的導引線保護

一、導引線保護的基本原理

導引線保護是通過比較被保護線路始端和末端電流幅值、相位進行工作的。為此，應在

線路兩側裝設變比、特性完全相同的差動保護專用電流互感器TA,將兩側電流互感器二次

繞組的同極性端子用輔助導引線縱向相連構成導引線保尹的電流回路，差動繼電器并接

在電流互感器的二次端子上，使正常運行時電流互感器二次側電流在該歸I路中環(huán)流，根據基

爾霍夫電流定律，流入差動繼電器K/）的電流等于零，如圖6-1（a）所示。通常稱此連

接方法為環(huán)流法，將環(huán)流法接線構成的保護稱為導引線保護。

根據以上接線原理，對圖6-1所示導引線保護原理進行分析。

當線路正常運行或外部k點短路時，通過差動繼電器KO的電流為

=A.2-A,2=-^----工=0（6-1）

圖6-1導引線保護原理說明

（a）正常運行、外部短路時；（b＞內部短路時

當線路內部任意一點2短路時，分以卜.兩種情況分析。

（1）線路為兩側電源供電，若兩側電源向短路點Ar提供的短路電流分別為心和

兀，短路點的總電流為ik=兒+,則流入繼電器KD的電流

4D=4+4=—+—=—（6-2）

22%%%

當晨達到差動繼電器K。的動作電流時，差動繼電器力瞬時動作，斷開線路兩電源

側斷路器Q口

（2）線路為單側電源供電，且設/以=0,若電源向短路點人提供的短路電流為A,,

則流入繼電器K。的電流

心=電=雇（6-3）

%

當晨達到差動繼電器KD的動作電流時，差動繼電器KD瞬時動作，斷開線路電源側

斷路器QF.

由以上分析可見，線路兩側電流互感器以之間所包括的范圍，就是導引線保護的保護

范圍。

導引線保護按環(huán)流法接線的三相原理如圖6-2（a）所示，

實際導引線保護為了減少所需導線的根數，通常采用電流綜合器X7,將三相電流綜合

成一單相電流，然后傳送到線路對側進行比較。

2

線路兩側的電流綜合器27合成的單相電流，和/；經隔離變壓器7V后變成電壓，'和

圖6-2導引線保護三相原理圖

(a)導引線保護原理接線圖：(b)一次三相電流相處用：(c)2./磁流相量圖

U1,再由導引線03連接起來。隔離變壓器7V的作用是將保護裝置回路與導引線叵路隔

離，防止導引線回路被高電壓線路或雷電感應產生的過口壓損壞保護裝置，同時還可以監(jiān)視

導引線的完好性。另外，通過隔離變壓器7V提高電壓，減小長期正常運行狀態(tài)下導引線中

的電流和功率消耗。

圖6-2(a)所示的綜合器Z7的A相匝數為n+2,B相匝數為n+1,C相匝數為n,正

常運行時系統(tǒng)的一次電流如圖6-2(b)所示，則綜合器Z7的磁流相量如圖6-2(c)所示。

可見，正常運行時，綜合需Z7有一不平衡輸出，但對側的綜合器￡/也有不平衡輸出，而

且方向相反，因此，理想情況下，差動繼電器K。的輸入量為零，不會動作。用環(huán)流法分析，

結果相同。

正常運行或2側外部短路時，八方向與圖&2(a)所示方向相反，且等于人，即

i2=—i\=—i'(6-4)

理想情況下，流入差動繼電器KD的電流為

lKn=/；+/；=0(6-5)

繼電器K。不動作。

內部欠點短路時，如圖6-2(a)所示，流入繼電器KQ的電流/血=/；+/：=(),繼電

器將動作。

實際上，外部短路時，由于各種誤差的影響以及線路兩側電流互感器小的特性不可能

3

為了保持一定的準確度，導引線保護使用的電流互感器以應按10%誤差曲線選取負

載，則可保證變比誤差不超過10%，角度誤差不超過7°。當保護范圍外部短路時，通過電

流互感器以一次側的最大電流為/匕皿，若一側電流互感器小的誤差為零，另一側誤差為

10%,即/=()/，外部短路時的不平衡電流/“汕達到最大，為乙加陽OL由于導引線保護采

用型號和特性完全相同、誤差接近的。級電流互感器以，故在不平衡電流乙成〃心中引入同

型系數Kss，Kss在兩側電流互感器以型號相同時取0.5,不同時取1,因此，流入差動繼

電器K。的最大不平衡電流為

(6-8)

2.暫態(tài)過程中的不平衡電流

由「導引線保護的動作是瞬時性的，因此…必須考慮在保護范圍外部短路時的罰態(tài)過

程中，流入差動繼電器KD的不平衡電流擊。此時，流過電流互感器以一次側的短路電流

4中，包含有周期分量和非周期分量，如圖6-4所示。i,中由于非周期分量對時間的變化率

孑)遠小于周期分量的變化率(3)，因而很難

傳變到二次側，大部分作為勵磁電流進入勵磁

回路而使電流互感器TA的鐵芯嚴重飽和。此外,

電流互感器TA勵磁回路以及二次回路的電感

中的磁通不能突變，將在二次回路中引起自由

非周期分晟電流，因此，暫態(tài)過程中的勵磁電

流將大大超過其穩(wěn)態(tài)值，其中包含大量緩慢衰

(b)

減的非周期分量電流，使勵磁電流曲線偏于時

圖6-4外部短路暫態(tài)過程中的

間軸的一側。由于勵磁回路具有很大的電感，短路電流和不平衡電流

(a)一次側短路電流；(b)不平衡電流

勵磁電流不能很快上升，因此在短路后的幾個

周波才出現最大不平衡電流。

考慮到非周期分量電流i*的影響，在式(6-8)中應引入非周期分量影響系數Kw，取

1.5-2,當采取措施消除其影響時，取為1,則最大不平衡電流幅值的計算式為

unb.max(6-9)

5

為了保證導引線保護在外部短路時的選擇性，其動作電流必須躲過最大不平衡電流

/依2來整定；為了提高導引線保護在內部故障時的靈敏度，應采取措施減小不平衡日流。

三、減小導引線保護不平衡電流的主要措施

（1）減小穩(wěn)態(tài)情況下的不平衡電流的措施是導引線保護采用型號和特性完全相的D

級電流互感器7人，并按10%誤差曲線進行校

驗、選擇負載。減小暫態(tài)過程中不平衡電流

的主要措施通常是在差動網路中接入具有快

速飽和特性的中間變流器TA,如圖6-5（a）

所示。也可以采用在二次回路和差動繼電器

KD之間串入電阻的方法,如圖6-5（b）所示。

接入電阻可以減小差動繼電器TA中的不平（a）（b）

衡電流并便其加速衰減,但效果不甚顯著.圖6-5防止非周期分量影響的措施

（a）接入速飽和變流器：（b）接入電阻

一般用于小容量的變壓器和發(fā)電機上。

四、導引線保護的整定計算

1.導引線保護動作電流的整定按以下兩種情況計算

（1）躲過外部短路時的最大不平衡電流L&M

I°P=K"x=-/KssK““心（6-10）

nTA

式中----可靠系數，一般取1.2-1.3：

Klip——非周期分量影響系數，當保護采用帶有速飽和變流器的差動繼電器時取1。

（2）躲過甩流互感器二次回路斷線時流入差動繼電器KD的最大負荷電流/,z

fop=^rel-（6-11）

nTA

取式（6-9）和式（6-10）中較大者作為差動繼電器的整定值。為了防止斷線時又發(fā)生

外部短路而引起導引線保護誤動作，還應裝設斷線監(jiān)視裝置，二次I川路斷線時，在發(fā)出信號

的同時將保護自動退出工作。

2.導引線保護靈敏度的校驗

導引線保護的靈敏度應按單側電源供電線路保護范圍末端短路時，流過保護的最小短

路電流校驗，要求靈敏系數要521.5~2,即

6

sen(6-12)

第三節(jié)線路的高頻保護

一、高頻保護的基本原理

線路的導引線保護單從動作的速度來講，可以滿足系統(tǒng)的要求，但是，它必須敷設與被

保護線路長度相同的輔助導引線，對于較長線路而言，從經濟和技術的角度是難以實現的,

因此，導引線保護只能作為5~7km短線路的保護，在國外也只用于長度為30km左右的線

路。為了從高電壓距離輸也線路兩側瞬時切除全線路任一點的故障，可以采用基于線路導引

線保護原理基礎上構成的高頻保護。

高頻保護是將測量的線路兩側電氣量的變化轉化為高頻信號，并利用輸電線路構成的

高頻通道送到對側，比較兩側電氣量的變化，然后根據特定關系，判定內部或外部故障，以

達到瞬時切除全線路范圍內故障的目的.

高頻保護根據構成原理來分，主要有相差高頻保護、方向高頻保護和高頻閉鎖距離保

護以及高頻閉鎖零序電流保護

FI前，我國220kv及以上的面壓或超高壓線路中廣泛采用方向高頻保護和高頻I矛鎖距

離保護以及高頻閉鎖零序電流保護。

高頻保護主要由故障判別元件和高頻通道以及高頻收、發(fā)信機組成，如圖6-6所示。

電氣量

圖6-6高頻保護的組成方框圖

故障判別元件即繼電保護裝置，利用輸入電氣量的變化，根據特定關系來區(qū)分正常運

行、外部故隙以及內部故障。高頻收、發(fā)信機的作用是接收、發(fā)送高頻信號。發(fā)信機必須對

所發(fā)信號進行調制，以使通過高頻通道傳輸到被保護線路對側的信號荷載保護所需要論信息,

收信機收到被保護線路兩側的信號后進行解調，然后提供給保護，作為故障判別的依據。高

頻通道的作用是將被保護線路?側反應其運行特征的高頻信號，傳輸的被保護線路的另?側。

在電力系統(tǒng)中，通常利用輸電線路間作高頻通道，同時傳輸工頻電流和保護所需信號，為了

便于區(qū)分，繼電保護所需要的信號一般采用高頻信號。由于高頻信號荷載保護所需信息，因

此，高頻信號被稱為載波，高頻保護乂被稱為載波保護＜載波信號一般采用40kHz~500kHz

的高頻電流，若頻率低于40kHz,受工頻電流的干擾太大，且通道設備構成困難，同時載波

7

信號衰耗大為增加，頻率過高，將與中波廣播相互干擾。

二、高頻通道

(■)高頻通道的構成原理

電力系統(tǒng)中工頻輸電線路同時兼作高頻通道。因此，需要對輸電線路進行加工，即把

高頻設備與工頻高壓線路隔離，以保證二次設備和人身安全。為了防止相鄰保護間高頻信號

的的干擾，影響保證保護動作的選擇性，還需要對通道中的高頻信號進行阻波，將其限制在

本保護范圍內。通常將經高頻加工的輸電線路稱為高頻信號的載波通道,乂稱為'高頻通道”

或簡稱“通道”。

高頻信號是由載波機(收、發(fā)信機)將其送入通道的。目前載波機與高頻通道的連接，

通常采用“相一地”制，或“相一相制兩種連接方式。所謂“相一地”制，就是通過結合設

備把載波機接入輸電線路的一相與大地之間，構成高頻信號的“相一地”通道，如圖6-7(a)

(a)<b>

圖6"利用輸電線路傳輸高頻信號的方式

(a)“栩-地制”：(b)“相川”制

I一庖頻用波器：2—耦合電容器：3—結合泄波器：4一高將收'發(fā)信機

所示。所謂“相一相”制，就是通過結合設備把載波機接入輸電線路的兩相之間，構成高頻

信號的“相一相”通道，如圖6-7(b)所示。兩種接線方式特點各異，“相一地”制傳輸效

率低、高頻信號衰減大、受干擾也大，但高頻加工設備少、造價低，?般能夠滿足保護裝置

的要求，而“相一相”制則相反。

目前，我國的高頻保護大多采用

“相一地”高頻通道，并逐漸采用

“相一相”高頻通道。

圖6-8所示為“相一地”高

頻通道的原理接線圖，其中，高頻

加工設備包括高頻阻波器、耦合電

圖6-8“相-地”制高頻通道原理接線圖

容器、結合濾波器、高頻電纜等。1一輸電線路：2—高頻阻波器：3—福合電容器：4一結合波波器:

5—高頻電纜：6—保護間隙：7—接地開關；8—高頻收、發(fā)信機:

1.高頻阻波器9-保護：10一中.容器

8

高頻阻波器串接在輸電線路的工作相中。高頻阻波器有

單頻阻波器、雙頻阻波器、帶頻阻波器和寬帶阻波器等c在電

力系統(tǒng)高頻保護中，廣泛采用專用的單頻阻波器。

高頻阻波器電感繞組和調諧電容構成并聯諧振回路，調

諧于高頻通道上的T.作頻率。此時，高頻阻波器呈現最大的阻

抗，約1000。左右，如圖6-9所示，因而高頻信號限制在被保

護線路以內。對工頻電流而言，高頻阻波器的阻抗很小，只有約0.040,因而不會影響工頻

電流在輸電線路上的正常傳輸。

2.耦合電容器

耦合電容器的電容量很小，對工頻電流呈現出很大的容抗，將工頻線路的載波機進行

有效的絕緣隔離。同時它與結合濾波器組成帶通濾波器，只允許此通帶頻率范圍內的高頻信

號通過，防止工頻干擾等對高頻保護的影響,并再次通過電磁隔離防止耦合電容器被擊穿后

工頻高壓侵入二次系統(tǒng).

3.結合濾波器

結合濾波器是由一個可調的空心變壓器、高頻電纜和電容器組成。它與耦合電容器組

成的帶通濾波器除上述作用外，還可以進行阻抗匹配。對于“相?地”制高頻通道，輸電線

路的輸入阻抗約為4000,高頻電纜的輸入阻抗約為1000,為了阻抗的匹配，空心變壓器

的變比應取為2,這樣，就可以避免高頻信號在傳輸過程中產生反射，減小高頻能量的附加

衰耗，使高頻收信機收到的高頻功率最大。

4.高頻電纜

高頻電纜是將主控室的高頻收、發(fā)信機與戶外變電所的帶通濾波器連接起來的導線，

以最小的衰耗傳送高頻信號。雖然電纜的長度只有幾百米，但其傳送信號的頻率很高，若采

用普通電纜，衰耗很大，因此，應采用單芯同軸電纜。同軸電纜就是中心的內導體為銅芯,

其外包有一層絕緣物，絕緣物的外面是一層銅絲網外導體。由丁內導體同軸且為單芯，所以

稱為單芯同軸電纜。在外導體的外面在包以絕緣層和保乎層，其波阻抗一般為1000。

另外，高頻加工設備還包括輔助設備，如保護間隙和接地刀閘，分別用來保護高頻加

工設備免遭危險過電壓和調試、檢修高頻設備時安全接地，保證人身及設備安全。

(-)高頻通道的工作方式

繼電保護高頻通道的工作方式可分為三類，即“長時發(fā)信”、“短時發(fā)信”和“移頻”

方式。

9

“長時發(fā)信”方式是指在正常運行情況下，收、發(fā)信機一直處于工作狀態(tài)，通道中始

終有高頻信號通過。因此，又稱為正常時有高頻信號方式。它可以在正常時連續(xù)檢查收、發(fā)

信機和通道的完好性，當故障時停止發(fā)信，通道中高頻信號停止，這也是?種信號?！伴L時

發(fā)信”方式對收、發(fā)信機的要求較高，但不需要發(fā)信機起動元件，因而保護結構簡單、動作

速度快且靈敏度高，應用前景十分廣闊，在我國正逐步投入使用。

“短時發(fā)信”方式指在正常運行情況下，收、發(fā)信機一直處于不工作狀態(tài)，通道中始

終沒有高頻信號通過。只有在系統(tǒng)發(fā)生故障時，起動發(fā)信機發(fā)信，通道中才出現高頻信號。

故障切除后，經延時發(fā)信機自動停信，通道中高頻信號隨之中斷。因而又稱為正常無應頻信

號方式?！岸虝r發(fā)信”方式能夠延長收、發(fā)信機的壽命和減少對相鄰通道中其它信號的干擾，

但要求保護有快速的起信元件。此外，對高頻設備完好性的檢查，需要人工起信。目前，我

國生產的高頻保護多采用“短時發(fā)信”方式。

“移頻”方式指在正常情況下，發(fā)信機長期發(fā)送一個頻率為/的高頻信號，用來閉鎖

保護和連續(xù)檢查通道，當發(fā)生故障時，保護控制發(fā)信機移頻，停發(fā)力的高頻信號而改發(fā)頻率

為力的高頻信號，力和力的頻率相近，僅占用一個頻道。這種方式同樣可以經常監(jiān)視通道的

工作情況，提高其可靠性，與單頻發(fā)信方式比較，抗干擾能力較強。

（三）高頻信號的分類和作用

高頻信號按比較方式可分為直接比較和間接比較兩種方式。

直接比較是將被保護線路兩側交流電氣量轉化為高頻信號，直接傳送至對側，每側保

護裝置直接比較兩側的電氣量，然后根據特定條件，判定保護是否動作于跳閘0直接比較方

式使通道兩側的電氣量直接關聯，故乂稱為交流信號比較。它要求傳送反應兩側交流量的信

號，因而對高頻通道的要求很高。

間接比較方式是兩側的保護只反應本側的交流電氣量，然后根據特定條件將本側判定

結果以高頻信號傳送至對側，每側保護再間接比較兩側保護的判定結果，最后決定保護是否

動作丁跳閘。此比較方式使通道兩側的直流回路直接關聯，因此也稱為直流信號比較，它僅

僅是對被保護線路內部和外部故障的的判定，以高頻信號的有無即可進行反應，因此對高頻

通道的要求比較簡單。

相差高頻保護即采用直接比較方式，而方向高頻保護和高頻閉鎖距離保護以及高頻閉

鎖零序電流保護則采用間接比較方式。

高頻信號按所起的作用還可分為跳閘信號、允許信號、和閉鎖信號，它們均為間接比

較信號。

10

<a)<b)(c)

圖6-10高頻保護信號邏輯圖

(a)跳閘信號：(b)允許信號：(c)閉鎖信號

跳閘信號是指收到高頻信號是高頻保護動作于跳閘的充分而必要條件，即在被保護線

路兩側裝設速動保護，當保護范圍內短路，保護動作的同時向對側保護發(fā)出跳閘信號，使對

側保護不經任何元件直接跳閘，如圖6-10(a)所示。為了保證選擇性和快速切除全線路任

一點的故障，要求每側發(fā)送跳閘信號保護的保護范圍小于線路的全長，而兩側保護范圍之和

必須大于線路全長。遠方跳閘式保護就是利用跳閘信號.

允許信號是指收到允許信號是高頻保護動作于跳閘的必要條件。當內部短路時，兩側

保護同時向對側發(fā)出允許信號，使兩側保護動作于跳閘，如圖6-10(b)所示。當外部短路

四，近故障側保護不發(fā)允許信號，對側保護不動作。近故障側保護則因判別故障方向的元件

不動作，因而不論對側是否發(fā)出允許信號，保護均不動作于跳閘。

閉鎖信號是指收不到閉鎖信號是高頻保護的動作于跳閘的必要條件，即被保護線路外

部短路時其中一側保護發(fā)出閉鎖信號，閉鎖兩側保護。內部短路使，兩側保護都不發(fā)出閉鎖

信號，因而兩側保護收不到閉鎖信號，能夠動作于跳閘，如圖6-1()(c)所示。

目前，我國生產的高頻保護主要采用“短時發(fā)信”方式下的高頻閉鎖信號。

三、方向高頻保護

(-)高頻閉鎖方向保護

1.高頻閉鎖方向保護的工作原理

高頻閉鎖方向保護利用間接比較的方式來比較被保護線路兩側短路功率的方向，以判

別是保護范圍內部還是外部短路。一般規(guī)定短路功率由母線指向線路為正方向，短路功率由

線路指向母線為負方向,保護采用短時發(fā)信方式，在被架護線路兩側均裝設功率方向元件。

當保護范圍外部短路時，近短路點一側的短路功率方向是由線路指向母線，則該側保護的方

向元件感受為負方向而不動作于跳閘，且發(fā)出高頻閉鎖信號，送至本側及對側的收信機；對

側的短路功率方向則由母線指向線路，方向元件雖反應為正方向，但由于收信機收到r近短

路點側保護發(fā)來的高頻閉鎖信號，這?側的保護也不會動作于跳閘。因此，稱為高頻玩鎖方

向保護。在保護范圍內短路時，兩側短路功率方向都是由母線指向線路，方向元件均感受為

正方向，兩側保護都不發(fā)閉鎖信號，保護動作使兩側斷路器立即跳閘。

11

圖6-11所示系統(tǒng)中，當BC線路上的k點發(fā)生短路時，保護3、4的方向元件均反應

圖6-11高頻閉鎖信號方向保護原理說明圖

為止方向短路，兩側都不發(fā)高頻閉鎖信號，因此，保護動作于斷路器3、4瞬時跳閘，切除

短路故障。對于線路和C。而言，火點短路屬于外部故障，因此，保護2、5的短路功率

方向都是由線路指向母線，保護發(fā)出的高頻閉鎖信號分別送至保護1、6,使保護1、2、5、

6都不會使斷路器動作于跳閘。

這種按信號原理構成的保護只在非故障線路上傳送高頻信號，而故障線路上無高頻信

號，因此，由于各種原因使故障線路上的高頻通道遭到破壞時，保護仍能正確動作。

2.高頻閉鎖方向保護的原理接線

圖6-12所示為高頻閉鎖方向保護的原理接線圖，線路兩側各裝半套保護，它們完全對

稱，故以一側保護說明其工作原理。保護裝置主要由起動元件I、2,功率方向元件3組成。

起動元件有不同的靈敏度，起動元件1的靈敏度較高，用來起動高頻發(fā)信機以發(fā)出高

圖6-12高頻閉鎖方向保護原理接線圖

頻閉鎖信號，而靈敏度較低的起動元件2則用來準備好斷路器的跳閘網路。

功率方向元件3用于判別短路功率的方向。當短路功率的方向是母線指向線路時，判

別為內部故障，它動作；反之，判別為外部故障而不動作。

此外，中間繼電器4用于內部故障時停止高頻發(fā)信機發(fā)出高頻閉鎖信號。中間繼電器5

是具有工作繞組和制動繞組的極化繼電器，用于控制保護的跳閘回路。中間繼電器5的工作

繞組在本端方向元件動作后供電，制動繞組則在收信機收到高頻信號時由高頻電流整流后供

電，其動作條件是制動繞組無制動作用，即收信機收不到高頻閉鎖信號，工作繞組有電流時

12

才能動作。這樣，只有內部故障時，兩側保護都不發(fā)高頻閉鎖信號的情況下，中間繼電器5

才能動作，并經信號繼電器6發(fā)出跳閘信號，同時將本側斷路器跳開。

下面將保護裝置的工作過程給以說明。

（1）正常運行或過負荷運行時，兩側保護的起動元件都不動作，因此保護裝置不會動作。

（2）外部故障時，如期6-11所示，線路8c上的々點短路時，對保護1、2與保護5、6

而言，均屬于外部故障。以保護1、2為例，保護1的短路功率方向是由母線指向線路，其

功率方向元件感受的功率方向為正，保護2反應的功率方向元件為負。此時，圖6-12兩側

保護的起動元件1、1'都動作，經中間繼電器4、4'的常閉觸點起動發(fā)信機，發(fā)信機發(fā)出

的高頻閉鎖信號一方面為自己的收信機接收，另一方面送到通道被對側保護的收信機接收,

兩側收信機收到高頻閉鎖信號后，中間繼電器5、5'的制動繞組中有電流，立即將兩側保

護閉鎖。此時，起動元件2、2,也動作閉合其觸點經已動作的功率方向元件3的觸點使中

間繼電器4動作,本側保護的發(fā)信機停信，同時給中間緋電器5的T作繞絹充電，準備好了

跳閘回路；由于通過保護2的短路功率為負，其功率方向元件,不動作，發(fā)信機不停信，

兩側保護收信機持續(xù)收到高頻閉鎖信號，兩側的中間繼電器5、5'制動繞組中總有電流，

達不到動作條件，因此，保護一直處于閉鎖狀態(tài)。在外部故障切除、起動元件返回后，保護

復歸。

（3）雙側電源供電線珞內部短路時，兩側保護的起動元件1、2和V、2,都動作，兩

側的發(fā)信機發(fā)信，首先閉鎖保護，與此同時，兩側保護的功率方向元件3、3,動作，在中

間繼電器4、4f動作后，兩側發(fā)信機停信，開放保護，中間繼電器5、5,達到動作條件，

將兩側斷路器跳開。

（4）單側電源供電線路內部短路時，受電側的半套保護不工作，而電源側保護的工作情

況與在雙側電源供電線路內部短路時的工作過程相同，立即將電源側的斷路器跳閘。

（5）系統(tǒng)振蕩時，在雙側電源振蕩電流的作用下，兩側保護的起動元件可能動作，若功

率方向元件接在相電流和相電壓或線電壓上，且振蕩中心位丁保護范圍內時，則兩側的功率

方向均為正，保護將會誤動作。考慮到振蕩時，系統(tǒng)的電氣量是對稱變化的，因此，在保護

中可以采用負序或零序功率方向元件，即可躲過系統(tǒng)振蕩的影響。

由上述分析可知，在保護范圍外部短路時，遠離短路點一側的保護感受的情況和內部故

障完全相同，此時，主要利用近短路點一側的保護發(fā)出高頻閉鎖信號，來防止遠離短路點側

保護誤動作，因此，外部短路時，保護正確工作的必要條件是近短路點一側的保護必筑發(fā)出

高頻閉鎖信號。為了確保遠離短路點的保護在動作前能可靠收到對側保護發(fā)出的高頻近鎖信

13

號，就要求兩側保護起動元件的靈敏度相互配合，否則，保護就有可能誤動作。

線路兩側保護采用兩個不同靈敏度的起動元件相互配合，在保護范圍外部短路時即可保

證兩側保護不誤動作。假如兩側保護都采用?個起動元件，則在保護范圍外部短路時，可能

出現近短路點i側保護的起動元件不能動作，不發(fā)高頻閉鎖信號，而遠離短路點i側保護的

起動元件動作而造成保護誤動作。如圖6-13所示，假如線路A4每端只有一個起動元件,

其整定值為/OP=100/1,由于電

流互感器和繼電器都存在誤

差，因此，兩側保護起動元件

的實際動作電流可能不同，一圖&I3起動元件以敏度不相配合時

保護可能誤動作說明

般規(guī)定動作值的誤差為±5%。

若A側保護起動元件的動作電流為95A,B側保護起動元件的動作電流為105A,當保護范

闈外部k點短路時，流過線路人8的短路電流為人正好滿H95人＜（＜105人時,人側保護起

動，B側保護起動元件不動作，不能發(fā)高頻閉鎖信號，導致A側保護誤動作。為此，線路兩

側保護都采用高、低定值的兩個起動元件，如圖6-12所示，以動作電流較小的起動元件1

起動發(fā)信機發(fā)高頻閉鎖信號，用動作較大的起動元件2準備跳閘，當保護范圍外部短路時,

遠離短路點一側保護的起動元件2動作，近短路點一側保護的起動元件1也一定動作，確保

發(fā)出高頻閉鎖信號，閉鎖兩側保護。

保護起動元件2和I的動作電流/OP2與/OP.之比應按最不利的情況考慮，即一側電流互

感器誤差為零，另一側誤差為10%；一側保護起動元件的離散誤差為+5%,另一側為-5%,

則有

1+0.05

1.23(6-13)

考慮一定裕度，保護高定值電流元件的動作值/OP2一般采用

/OP2=（L6~2〃O*（6-14）

式中，保護低定值電流起動元件的動作值/OP.應按躲過正常運行時的最大負荷電流/5.整

定，即

K

IOPI=廿L.2（6-15）

Al

式中Krd—可靠系數，取1.

14

Kr一返回系數，取0.85。

在遠距離重負荷輸電線路上，保護低動作起動元件按上述方法整定的動作電流值，往

往不能滿足靈敏度要求，在此情況下，保護應采用負序電流起動元件，其動作電流值/2.OP1

應按躲過最大負荷電流/L.max情況下的最大負序不平衡電流Z2.unb.nm整定,即

^2.O/?l=01/(6-16)

2.unh.max°L./nav

通常，兩側保護的起動元件按相同的動作電流值整定。

高頻閉鎖方向保護采用了兩個靈敏度不同的起動元件，通過配合、整定，可以保證保

護范圍外部短路時可靠不誤動作，但在內部短路時必須起動元件2動作后才能跳閘，區(qū)而降

低了整套保護的靈敏度，同時也使接線復雜化。此外，在外部短路時，遠離故障點小!的保

護，為了等待對側發(fā)來的高頻信號，必須要求起動元件2的動作時限大于起動元件1的動作

時限，從而降低了整套保護的動作速度。

高頻閉鎖方向保護也可以由方向元件起動，還可以進行遠方起動。

3.遠方起動高頻閉鎖方向保護

遠方起動是指能收到對側信號本側未能起動發(fā)信機時，由收信機起動本次發(fā)信機。由

于發(fā)信機起動是收信機收到對側發(fā)信機信號，因而稱遠方起動。遠方起動可以防止縱聯保護

單側工作，還可以方便短忖發(fā)信方式時高頻通道的手動檢查。

如圖4-M所示為遠方起動的高頻閉鎖方向保護原理框圖。只有一個電流起動元件KA,

KA起動后，起動本側發(fā)信機,

發(fā)信機發(fā)出的高頻信號傳送至

對側收信機后輸出，經時間元

件小或門。、禁止門Ai將對

側發(fā)信機遠方起動。

保護工作情況分析如下：

圖4-14遠方起動的高頻閉鎖方向保護原理框圖

（1）在雙側電源供電線路

發(fā)生內部故障時，線路兩側的電流起動元件KA和正方向負序功率方向元件5+均動作。KA

經時間元件心或門0、禁止門Ai起動發(fā)信機。收信機收到高頻信號后，閉鎖禁止門王并

使發(fā)信機繼續(xù)發(fā)信。由于兩側S+均動作，經與門小使時間元件門延時后，兩側禁止門4

閉鎖將發(fā)信機停信。兩側收信機收不到高頻信號，4門開放使兩側斷路器Q尸跳閘。

在單側電源供電線路發(fā)生內部故障時，電源側發(fā)信機發(fā)信，對側收信機收到品頻信號

15

后起動發(fā)信機發(fā)信，兩側小門兩側閉鎖保護。若受電側。尸已跳開，則該側QF輔助常閉觸

點QR將Ai門閉鎖，發(fā)信機不能遠方起動，電源側保護△延時后跳閘。

（2）外部故障時，近故障側的KA起動，S+不動作，A3門不會使4門禁止，發(fā)信機持

續(xù)發(fā)信，兩側收信機收到高頻信號后閉鎖兩側保護。為了防止外部故障時靠近故障側的KA

不動作，遠離故障側的心和S+起動而引起保護誤動作，在△延時內必須收到遠方起動后對

側發(fā)回的高頻閉鎖信號。為延時應大于高頻信號在高頻通道往返一次的時間，即

t3=2td+

式中41一高頻信號沿通道單程傳輸一次的時間；

△%一欲度時間。

通常取f3=20ms。

外部故障切除后，兩側KA及遠故障側均返回。人延時返回，發(fā)信機停信，保護復歸。

為了使發(fā)信機固定起動?段時間，如圖4/4所小時間兀件力應瞬時起動，延時返回。延時

時間即發(fā)信機固定發(fā)信時間，應大于外部故障可能持續(xù)的時間，通常取t3=5~7s。n延時后，

遠方起動回路即可斷開。

（二）負序方向元件和工頻變化量方向元件構成的高頻閉鎖保護

在高頻閉鎖方向保護中，不論采用哪種起動方式，方向元件總是整個保護的核心，它

的性能對整個保護的速動性、靈敏性和可靠性起著決定性的作用。

在高壓和超高壓輸電線路的高頻閉鎖方向保護中，對方向元件提出了很高的要求：①

能反應所有類型的故障；②在保護范圍內和鄰近線路上發(fā)生故障時，沒有死區(qū)；③電力系統(tǒng)

振蕩時不會誤動作；④在正常運行狀態(tài)下不動作。

方向元件的種類很多，主要有反應相間故障的方向元件、反應接地故障的方向元件、

同時反應相間和接地故障的方向元件，以及反應各種不對稱故障的方向元件等。由負序功率

方向繼電器構成以反應不對稱故隙的方向元件和工頻變叱量（突變量）原理的方向元件，能

夠滿足上述要求。

1、負序功率方向繼電器構成的方向高頻保護

由負序功率方向繼電器構成以反應不對稱故障的方向元件是比較理想的元件之一，能

夠滿足上述各種要求，對于三相對稱故障，在其發(fā)生的初瞬總有一個不對稱過程，在負序功

率方向繼電器上增加一個坦時記憶回路，就能反應三相故障，即使是完全對稱的三相故障,

采用三相濾序器式負序功率方向繼電器，其5?7ms的不平衡輸出即可把短時動作記憶下來。

16

目前'用微機實現的保護，記憶功能更加理想。

高頻閉鎖負序功率方向保護的原理接線如圖6-14所示，它由以下元件組成：具有雙向

動作的負序功率方向繼電器KWN；帶有延時返回等中間繼電器1；具有工作繞組和制動繞

組的極化繼電器2以及出口繼電器3。

當被保護線路處于正常運行狀態(tài)時，沒有負序短路功率存在，僅有負序濾過器的不平

衡輸出，通過動作值的整定，

即可使負序功率方向繼電器

不動作，因而保護也不會動作。

當保護范圍外部發(fā)生故

障時，近故障點?側的負序短

路功率為負，保護的負序功率

方向亓件KWN的觸點向上閉

合，經中間繼電器1的電流繞

圖6-14高頻閉鎖負序方向保護原理接線圖

組去起動高頻發(fā)信機，中間繼

電器1的觸點閉合后又經電阻R實現對高頻發(fā)信機附加起動，發(fā)出高頻閉鎖信號，將兩側

保護閉鎖。由于近故障點一側的負序電壓高，故保護負序功率方向元件KWN的靈敏度較高、

向上閉合觸點的動作速度較快，因此能快速起動發(fā)信機發(fā)出高頻閉鎖信號。而遠離故障點一

側的短路負序功率雖然為正，但負序電壓低，保護負序功率方向元件KWN的靈敏度較低、

向下閉合觸點去起動出口繼電器3的動作速度也較慢，這樣，保證出口繼電器3制動電流的

出現先于工作電流，保證了閉鎖作用的可靠實現。

當保護范圍內部故障時，兩側的負序短路功率為正，保護的負序功率方向繼電器KWN

的觸點均向下閉合，兩側保護的極化繼電器2僅工作繞組有電流，滿足動作條件，其觸點閉

合后起動中間繼電器3去挑閘，切除故障。

當各種原因導致靜穩(wěn)定遭到破壞引起系統(tǒng)振蕩時，由丁沒有負序功率，因此，負序功

率方向繼電器及整套保護均不會誤動作。而外部故障使動穩(wěn)定遭到破壞引起系統(tǒng)振蕩時，靠

近故障點一側的負序短路功率方向為負，負序功率方向繼電器能快速起動發(fā)信機發(fā)出高頻閉

鎖信號，閉鎖兩側保護。

2、工頻變化量方向元件

目前，高壓線路微機保護中廣泛采用工頻變化量（突變量）原理的方向元件。以工頻

正序和負序電壓、電流變化量作為判據的方向元件，具有動作速度快、不受負荷電流和故障

17

類型影響的特點。

(1)工作原理

如圖4-16所示，當電網發(fā)生故障時，根據疊加原理，其狀態(tài)由正常運行狀態(tài)和故障附

加狀態(tài)疊加。如圖4-16(c)所示，保護安裝處工頻變化量方向元件反應故障附加狀態(tài)電壓、

電流△)的變化量，因此不受系統(tǒng)振蕩和負荷電流以及過渡電阻的影響，有很高的靈敏度。

圖4-16故障狀態(tài)疊加原理

(a)故障狀態(tài)：(b)正常運行狀態(tài)：(c)故障附加狀態(tài)

根據對稱分晟法，故障附加狀態(tài)的正序故障附加狀態(tài)如圖4-17所示。通常系統(tǒng)正序阻

抗角和線路正序阻抗角取80°,則

如圖4-17(a)所示，正方向故障時

arg^X=-110°(4-17)

△k

如圖4-17(b)所示，反方向故障時

卜口、

arg—=80°(4-18)

可知，正序工頻變化量功率方向元件正方向動作方程為

-110°<arg^X<-10°(4-19)

的

(2)正、反方向故障工頻變化量方向元件和

如圖4-17(a)所示，在大電源長線路末端故障時，由于Zsi較小，△么也較小，方向

元件的靈敏度可能不夠。因此實際的工頻變化量功率方向繼電器將電壓量補償到線路佗某一

點o

18

MN

——-

-

r1uI

L

~<-

<Af

^^

A

——

_

—1-I

AI\

(a)(b)

圖4-17正序故障附加狀態(tài)

(a)正向故障附加狀態(tài)：(b)反向故障附加狀態(tài)

此外，系統(tǒng)和線路的負序阻抗角與正序近似相等，同時采用負序工頻變化量可以進一

步提高繼電器的靈敏度。

綜上所述，工頻變化量功率方向繼電器正方向元件測量相角應取為

6=arg;<4-20)

正方向故障時°+*180。，功率方向繼電器正方向元件動作：反方向故障時9+0°,

功率方向繼電器正方向元件不動作。

反方向元件△￡測量相先應取為

-△爆

(p_=arg—：―7^(4-21)

△10

正方向故障時8.^0°,功率方向繼電器反方向元件不動作；反方向故障時

以x180°,功率方向繼電器反方向元件動作。

式中\(zhòng)U[2=A"%-A42Zcw一經過補償的正序、負序電壓變化量綜合分量，其中

Z網為補償阻抗，當系統(tǒng)最大運行方式下

ZsZ>0.5時取0,其他情況取工頻變化量阻抗

整定值的一半；

Z〃一模值為1的模擬阻抗，角度為系統(tǒng)阻抗先；

19

△乙=△〃】+心入一正序、負序電壓變化置綜合分量：

△/12=AA+處6一正序、負序電流變化量綜合分量，其中M為轉換因子，根

據不同故障選擇相應的值以提高靈敏度。

如圖4-18(a)所示，Z*為系統(tǒng)正序阻抗，假設系統(tǒng)負序阻抗角與正序阻抗角相同，則

正方向故障時工頻變化量正序、負序電壓為

s、(4-22)

△〃2=(4-23)

△(J=△〃]+柩〃2=-(△7]+=—AZI2Z51(4-24)

補償正序、負序電壓變化量綜合分量

△”=一=-(A/Z+A/Z)

1251126W(4-25)

=-A，2(Zsi+Z皈)

正方向元件△入測量相角

A必

內二arg'；

△I\?ZD

=arg-"i2(Zsi+Z皈)_一(Zs[+Z9)

(4-26)

△iaDz0

=180°

功率方向繼電器正方向元件△/：可■靠動作。

反方向元件△尺測量相角

—△〃oiZc]

(P-=argj=arg?1=arg_1

y(4-27)

=0°

功率方向繼電器反方向元件可靠不動作。

如圖4-18(b)所示，Z1為線路至對側系統(tǒng)正序阻抗，則正方向故障時工頻變化量正

序、負序電壓為

AZ/.=A//；,(4-28)

△〃2=(4-29)

20

△U=1wAZ/'11+.，媯〃<26=bi1*21(4-30)

補償正序、負序電壓變化量綜合分量

△"12=A〃12—\?Z(僦=bi\?Zs\-\i{2ZC0M

(4-31)

~+Z砌)

正方向元件△4測量相角

。+=arg

△'i2(Zi-Zcoy)_Ch-2陰)

=arg(4-32)

△i娘D

=0°

功率方向繼電器正方向元件可靠不動作。

反方向元件△尺測最相角

—AU12——Z；］

9-=arg=arg=arg——

(4-33)

=180°

功率方向繼電器反方向元件△尺可靠動作。

以上分析未規(guī)定故隙類型，因此工頻變化量原理的方向元件在系統(tǒng)發(fā)生各種短路故障

時均能正確