4华北电力大学精品课程电力系统继电保护黄少锋教授纵联4

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1、输电线路纵联保护4.1.1输电线纵联保护概述仅利用线路一侧的电气量所构成的继电保护（单 端电气量），无法区分本线路末端与相邻线路（或 元件）的出口故障，如：电流保护、阻抗保护。为此，设法将被保护元件两端（或多端）的电气量 进行同时比较，以便判断故障在区内？还是区外?将两端保护装置的信号纵向联结起来，构成纵联 保护。与横向故障的称谓进行对应比较（后面 再用图例说明“纵、横”的区别）O单端电气量保护：仅利用被保护元件的一侧电气量，无法区分线路 末端和相邻线路的出口短路，可以作为后备保护或 出口故障的第二种保护。（通常设计为：三段式）O纵联保护:利用被保护元件的各侧电气量，可以识别：内部 和外部的故

2、障，但是，不能作为后备保护。在设备的“纵向”之间，进行信号交 换TA乩横向关系（如：横向故障）5T厶|通信设备k 彳通信设备输电线路纵联保护结构框图纵联保护有多种分类方法，可以按照通道类型或ax-动作原理进行分类。1）通道类型:2）动作原理:I电力线载波 微波、光纤比较方向 比较相位I基尔霍夫电流定律（差电流）还可以将通道类型与动作原理结合起来英i亍称呼 如：光纬竜金差动（简称：光差），高癱e厲。V 4通道（信号交换手段）4.1.2两侧电气量的特征分析、讨论特征的目的:寻找内部故障与其他工况（正常运行、外部故障 ）的特征区别和差异 提取判据，构成继电保 护原理。当然，构成原理后，再分析影响因素

3、；并研究消 除影响因素的对策、措施（需要权衡利弊）。一、两侧电流相量和（瞬时值和）的故障特征基尔霍夫电流定律:在一个节点中,流入的电流等于流出的电流。7/91#/91按照继电保护规定的正方向:指向被保护元件。那么，基尔霍夫电流定律可以修改为：在任何一个节点中，流入的电流之和等于0。下面，用例说明。9/91流入：ij+149流出：乙+右+厶基尔霍夫电流定律:改写为：/1+/4-/2-/3-/5=0此式表明：流入节点的电流之和等于0；;： 按照继电保护规定的芷芳裔I得：1，：.A2简写为：Dj=o更一般为：口j(t)=o8/91* ziset 动作门槛 厶施考虑误差、分布电容等因素影响。反映了 U

4、4.1.3纵联保护的基本原理一、纵联电流差动保护依据两侧电流相量和（瞬时值和）的故障特征, 即，基尔霍夫电流定律。动作门槛由工厶=0,得：化+山 厶施考虑误差、分布电容等因素影响。M Tj Nnaflll发电机、变匡器、母线务基本思路仍然适用n.R反映了 UftI21/91分相电流差动保护的优点:1）具有选择性好、可靠、灵敏、快速的优点；2）具有明确区分内部和外部故障的能力；3）具有自然选相的功能；4）不受运行方式、非全相、串补电容、转换性故 障、同杆并架线路的跨线故障、振荡及振荡中再故障等因素的影响（受振荡的影响很小）;5)内部短路电流通常都大于差动电流的启动值。原理最好的保护缺点:1)增加

5、两侧信息交换的通道增加了复杂性。23/912）几乎不反映纵向短路。仍然存在im+ino3）采用导线实现线路两侧的信号交换时，导线（导引线）太长，更容易出现故障，容易烧毁（一 次短路后，感应电流太大）O4）不能作为后备（所有纵联保护的缺点）o因此，主要应用于：发电机、变压器、母线、电 抗器等就近连接TA的保护中。反映a+厶）=IK漏电保安器原理类似于差动保护（供了解）O 被反应出来漏电保安器、11火线零线2/7+/2| 30mA时,漏电保安器动僭闸）安全电流的标准： 两侧无延时跳闸33/91二、距离纵联保护（方向比较式纵联保护）M侧保护N侧保护/2）区外故障：简述信号交换与逻辑的过程/至少一侧的

6、Z不动两侧均不跳闸?6/91上述方式利用了距离II段（或III段等全线路有灵 敏度）的测量元件，实现短路位置、方向的判别构成：距离纵联保护。也可以将Z元件更换为方向元件构成：方向纵联保护。距离纵联、方向纵联保护中，对方向元件的要求.1）具有明确的单一方向性；2）能覆盖线路全长。跳闸还可以利用这样的特征:区外短路时，至少有一侧为负（或不动）。跳闸f1 &住昙纯卜“右1屮1”7开路M侧保护J并闭锁两侧保护n侧保护 上述结构称为:闭锁式。仅传输一个信号。区外短路时，至少有一册欢（或不动）。-1)跳点信号线上“有1出1”，刎N、并闭锁两侧保按71）上图所示的区亦故障/ 闭锁两狈渝护！（3因集电极开路N

7、侧Z动也无效M侧Z不动，持续发闭锁信号，两侧均不跳。41/91区外短路时，至少有一侧为负（或不动）。跳闸信号线上“有1出1”,跳闸并闭锁两侧保护2）区内故障43/91区外短路时，至少有一侧为负（或不动）。2）区内故障停本侧信号跳闸、；跳闸区外短路时，至少有一侧为负（或不动）。MNeI Qi pii L/ 乂信專线上“有伽眾二 、 并闭锁两例葆护停本侧信号2）区内故障、/通道上，两侧均满足跳闸条件无闭锁信号三、电流相位比较式纵联保护J正常运行或区外故障：一与匚的相位桓反 区内故障：几与i “的相位接近桓凰8 = 180 正常运行乎可以设计为: 动作区域-S = 0区内故障三、电流相位比较式纵联保

8、护j正常运行或区外故障：几与匚的相位担反； 区内故障：6与匚的相位接近担回考虑到册变化以及信号传输贰影响，确定如下特性A S = o 区内故障不动作区域（闭锁角）47/91称为：相差保护#/9149/914.2输电线路纵联保护两侧信息的交换信号交换的途径（通道）: 导引线通信。 电力线载波。微波通信。 光纤通信。1、2、3、4、T.JLT.#/911)导引线方式主要应用于：发电机、母线、变压 器、电抗器等保护中。仅应用于就近的TA连接方式。2)电力线载波仅传输“有”、“无”高频信号。3)主要应用于传输：方向或相位信息。 光纤通信可以传输较多的数字信息。如：传输三相电流、电压的采样值、相量、 跳

9、闸信息、断路器状态信息等，并且有 校验码，可靠性很高。将光纤安置在架空地线中，构成：地线复合光缆OPGWo36/914）微波通信也可以传输数字信息。但衰减受气候影响较大，且属于“视距传输”，传输距离受限制。视距I = 2、（r + 方$ -r2 a 22rh设h=100m 时，I 2/2x6360x0.1 = 71.3km53/91微波通信、光纤通信部分自学（重点:基本原理、特点）光纤与电流差动原理的结合，构成了目前最好的 保护方式光纤差动保护（简称：光差）。其优 缺点在前面已经说明了。下面，简单地说明：在电力线载波方式中，各主 要模块的功能或作用。#/91电力线载波输电线 （刚隔信号）qpT

10、I2保护匸|Wrwi1发信18 85T 3 4 id 4“相-地”制高频通道示意图55/91电力线载波#/91电力线载波对高频呈现小阻抗, 对工频呈现开路57/91电力线载波收信 发信8“相-地”制高频通道示意图59/91电力线载波“相-地”制高频通道示意图#/91电力线载波2 =3 4t eL r id1 :% %f6：3L :hJjrn :咼频电缆保护匸|WdLrwi1发信1Is85542“相-地”制高频通道示意图#/91电力线载波“相-地”制高频通道示意图61/91电力线载波“相-地”制高频通道示意图#/91电力线载波“相-地”制高频通道示意图#/91电力线载波“相-地”制高频通道示意图

11、#/91电力线载波“相-地”制高频通道示意图63/91高频载波只能体现“有高频”和“无高频” 2个 信息2、高频通道工作方式1）长期发信方式正常有高频电流方式平时故障时1是信号，0也是信号!2.高频通道工作方式2）故障启动发信方式正常无高频电流方式/信号件口 糊 *65/913、高频信号的应用(1)跳闸信号(3)闭锁信号收不到高频信号高频信号是跳闸的充分条件是跳闸的必要条件(2)允许信号高频信号是跳闸的必要条件，但不是充分条件#/914. 3闭锁式距离纵联保护方向判别:1）超范围的方向阻抗元件。称为：闭锁式纵联距离。2）超范围的功率方向元件。称为:闭锁式纵联方向。重点介绍常用的闭锁式纵联距离。

12、67/910 卩1 1一一瞬时（立即）动作，延时g返输入?wik1,?|!（1 A延时4动作，瞬时（立即腿输入时间元件的表示方法:输出1输出输入时间T无输出69/911#/911#/911启动元件与阻抗之间的灵敏度配合:inM侧阻抗动作范围要求：Z末端短路时，/有2倍的灵敏度。保证：Z动作时，两侧的启动元件Z都已经动作。M侧正方向范围/启动，Z没有动作T没有影响般t2为416ms三个时间的作用（等对侧信号发过来）高频闭锁距离保 元件返回后,才撤销鬲频）高频闭锁距离的逻辑工作过程以M侧为例说明工作过程，适当地方 再指出N侧的不同之处。红色表示：动作，或逻辑为1。M 1 ）区外故障N以M侧为例说明

13、工作过程55/911）区外故障#/911）区外故障#/911）区外故障跳闸先闭锁，防 误动；同时， 测试收信回路 的完好性。MN跳闸阻抗动作 t2后N侧为反方向， 阻抗不动作， 继续发高频 闭锁两侧11也2J短时开放150 ms信信信号交扌奂结合电I屠亜以M侧为例饥明丄作过程77/91M 1 ）区外故障N跳闸Cz发 冋庐结合电容器信号交换以M侧为例说明工作过程收 信对侧为反方向， 阻抗不动作，继 续发高频一一闭 锁两侧。有闭锁信号， 两侧均不跳1 ）区外故障仏的作用）N#/911 ）区外故障仏的作用）N#/911 ）区外故障仏的作用）N信号父换re?IHI信o信L=U/ II停本侧咼频I ru

14、HC j） 辱闸如果对侧高 频信号没有传 过来，会出现 无闭锁信号。81/91M 1 ）区外故障（2的作用）N信号父换停本侧咼频如果对侧高 频信号没有传 过来，会出现 无闭锁信号。没有t2延时 ,则立即满足 动作条件。61/91M 2）区内故障N区外故障逻辑过程的简单归纳：1）故障时，两侧先启动，并且都发信。2）正方向元件动作仅停止本侧发信。3）反方向侧继续发信一闭锁两侧保护。利用的特征：任一侧为负，就闭锁保护。跳闸以M侧为例说明工作过程85/91M 2）区内故障N以M侧为例说明工作过程#/91M 2）区内故障Nnrll4r短时开放II亠亠 结合电容器 倍号父换启动和发信 的过程与前 面是一致

15、的以M侧为例说明工作过程#/91M 2）反內故瞳N#/91M 2）反內故瞳N跳闸-停M侧咼频信号父换#/91M2）区内故障N跳闸八-厂M侧阻抗动作发收信信N侧阻抗也动作，停发“侧高频信号交扌奂结合电鶴凹-一以M侧为例饥明丄作过程M2）区内故障N信号交扌奂结合电鶴凹-一以M侧为例饥明丄作过程M2）区内故障N两侧都停发高频65/91信号交扌奂结合电鶴凹-一以M侧为例饥明丄作过程M 2）区内故障N/、结合电容器0 hZ跳闸收信1信满足条件信号交换两侧都是 如图标识的 逻辑以M侧为例说明工作过程89/91区内故障逻辑过程的简单归纳：1）故障时，两侧先启动，并且都发信。2）正方向元件动作仅停止本侧发信。

16、3）两侧都停信一两侧保护立即跳闸。利用的特征：两侧阻抗均动作，就发跳令。#/913）需要防止“功率倒向”的影响 如果先跳开M“功率倒向”L二非故障线#1为负逐延色为#2为负再如果保护渝产由正变负（功率倒向厂过程慢一些， 就可能短时出现：两侧均为正的情况导致误动。故障30ms以后，才可能出现“功率倒向”。解决办法: 故障30ms以后，如果再满足动作条件，需要延时觑。0-1I 、确认40ms丿150咖后,高频信号跳闸防功率倒向影响的对策30ms后，Z由02 150ms 内，=1 无高频信号一4）防振荡影响的对策与距离I、II段类似，短时开放150mso相差高频保护利用高频载波信号传输两侧电流的半周

17、信号O目前，基本上不采用了。其优点几乎都被光纤电流 差动保护所涵盖，另外，光差还有其他更多的优点。相差高频有一个优点优于光差：不必同步采样。介绍的目的：了解特征的利用。调制过程可以理解为（仅作为理解）:95/91出现断续（大于闭锁角）的高频信号，满足动作条件 * 区内故障时出现断续（大于闭锁角）的高频信号，满足动作条件 * 出现断续（大于闭锁角）的高频信号，满足动作条件 * 将正半周方波调 制成高频i言号高频信号与电 流幅值无关。如图，红色的 高频信号（对侧发 过来）是经过了传 输的衰减所致。出现断续（大于闭锁角）的高频信号，满足动作条件 * 外部故障时两侧高频信号衔接起来（高频信号是连续 的

18、），无高频间断，不满足动作条件。73/914.4纵联电流差动保护由 Uj=O,得：i m + i “ A I setIset动作门槛。考虑TA误差、分布电容等影响因素，并躲不平衡电流、非周期分量。最大不平衡电流:unp .maxsfK pl k.max101/91#/91外部短路最大电流（二次值）I非周期分量系数TA同型系数10%误差（同型取0. 5,不同型取1）#/91#/91fc.max#/91最大不平衡电流:103/91#/91unp .maxsfK pl k.max#/91#/911）不同型时，最 大误差：10%2）同型时，考虑都 有误差，最大为： 0.5X10% =5%外部短路最大电

19、流（二次值） 非周期分量系数TA同型系数10%误差fc.max（同型取0. 5,不同型取1）这样，最安全的动作方呈为：It+tnI Iunb.max动作量制动量考虑到：电流互感器的传变误差是随着电流的大 小而变化的。为此，更科学的方案是：制动量为浮动的。在所有电流差动保护中，研究内容之一：制动量如何选择？常用的制动量为:Kres制动系数。考虑各种因素后，般取：0.50.8105/91mn107/91常用动作方程修改为:进一步考虑到：电流较小时，误差会使得上式误动。因此，再加入一个最小电流的限定:f1 +1n k I -I两个条件合并后：mn resmnI人+ In10Pi m + A 【OPm

20、n#/914.4.2两侧异地电流的同步测量1、基于数据通道（光纤通信）的同步方法M tt NmnFT齐1.9rlI I1 (假设M侧为主站（基准侧）、N侧为从站（需要调整同步）J4.4.2两侧异地电流的同步测量1、基于数据通道（光纤通信）的同步方法M tt NmnFT齐1.9rlI I1 (假设M侧为主站（基准侧）、N侧为从站（需要调整同步）s#/91在来回路径（路由）一样的条件下，有：td=td于是t =“4 - -匚）2113/91s#/91#/91两侧同步的步骤：a亿J1）从站将（卩一乙）发给主站；td =22）主站利用已知的（一人），求出匚，再发给从站；3）从站根据乙进行采用时刻的跳整

21、，实现同步。3）从站根据进行采样时刻的调整T实现同步。上述方案是光纤差动保护中最常用的同步方法。应用的前提是：来回路由一样（路径一致）O如果来回路由不一致，那么，光纤差动保护在正常运行时将出现差电流，这是最大的担忧。解决措施之差电流与电流启动同时出现才开放保护。1）仅有差电流一失步或其他原因一告警。2）差电流与电流启动同时出现故障或TA断线。差电流与两侧电流均启动故障特征o 差电流与一侧电流启动、另一侧电压低 也是故障的特征。下面用实例说明：思考、对策和演变过程。, 跳闸I差电流I如果不同步，会误动。2007年7月1日，河南西部较大范围的停电。跳闸差电流I电流启动I措施仁增加差流与启动元件同时

22、动作的条件。这样，不同步时，误动的概率降低了很多。但是，在一定负荷电流情况下，TA断线时，还可 能会满足“既有启动，又有差流”的条件，从而导 致误动。于是，考虑采用两侧电流均启动的逻辑:-1延时报餐跳闸I 差电流 I| M侧电流启疝 & | N侧电流启动/还有问题：有一侧为负荷侧，又出现轻载会出现拒动。T延时报警跳闸仅用电压, 又不安全 （PT断线）无流时，、一 |n侧电流启迹卜-电压也会降低N侧电压启动卜| 差电流 | | M侧电流启苏! T n侧电流启动H比较完善的逻辑:延时报警I 差电流 I|“侧电流启湖一|m侧电压启动|1、跳闸& I_1|n侧电流启动| | N侧电压启动|另一种同步方

23、法：GPS同步法（了解）。GPS能够提供：秒脉冲，以及标准时间代码（年、月、日、时、分、秒）o平时的同步误差10但是，应当注意到：GPS是美国的设备，在特殊 情况下，可能无法准确使用。我国也在完善“北斗星”系统。影响电流差动保护的因素及其对策:影响因素主要对策同步问题设法同步（修正）不平衡电流定值考虑互感器误差定值考虑分布电容补偿（利用电压）负荷电流的制动增加故障电流差动饱和识别129/91电容电流的补偿方法:IcC,IM.C22TiiNC.C2 +，MCONM-C0JTT+ g 寸岁 S.MrrjcoU0J-ja)U0M2I2另一侧类似92/91线路纵联保护的重点:1）何种保护利用何种特征？区内故障什么特征？其他情况又是什么特征?2)信号交换的通道方式。3）逻辑关系、信号方式（跳闸、允许、闭锁）。4）闭锁式高频距离保护中，两个时间元件的作用? 大约是多少？5）影响因素及其对策。6）电流差动保护中，不平衡电流、动作特性。7）各模块或器件的作用。133/91