220kV输电线路保护方案的分析与设计 电力工程毕业论文.doc

I 220kV 输电线路保护方案的分析与设计 摘要 在电力系统中保护装置是系统中的一个关键环节，它直接影响着整个输配电网的运 行稳定及安全，任何的电力设备没有保护是不能进网运行的。现在新投入使用的高中压 等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。对于 220kV 输电线路的微机保护方案，有多 种配置选择，其中包括高频保护、电流差动保护、距离保护、零序电流保护等等，高频 保护和电流差动保护常被用作输电线路的主保护，距离保护和零序电流保护则是后备保 护。在 220kV 电压等级的输电线路上，一般要求装设全线速动的保护装置，对重要的 220KV 输电线路，一般应选择两套原理不同的保护作为主保护。本文对微机保护的起动 元件、选相元件以及采用闭锁信号和允许信号的高频保护、电流差动保护等主要保护类 型的原理和分类做了介绍，并根据 220kV 输电线路保护配置的原则，初步选择了一套 220kV 输电线路的微机保护配置方案。 关键词：微机保护； 高频保护；电流差动保护； 距离保护 II THE ANALYSIS AND DESIGN OF 220KV TRANSMISSION LINES RELAY PROTECTION SCHEME Abstract Protection devices is a key part of power system ，which directly impact on the operation stability and security of the entire transmission and distribution grid. Any electrical equipment without protection can not run in the system. Relay devices of high and medium voltage grade which put into action recently are almost microprocessor-based protection products. For protection scheme of 220kV transmission lines, there are a variety of configuration options, including pilot protection, current differential protection, distance protection, and zero-sequence current protection, etc. Pilot protection and current differential protection is often used as the main protection. Distance protection and zero-sequence current protection are used as the back- up protection. To the transmission line of 220kV voltage levels, non- time over fast protection devices need installing. Generally, to important 220kV transmission line, two sets of different principle protection are as main protection at the same time. In this paper, the pick-up elements, fault selection elements, pilot protection with block-signal and allow-signal, current differential protection principle and classification are introduced. According to the protection configuration principle of 220kV transmission lines, design a digital protection configuration scheme of 220kV transmission line. Keyword：Microprocessor-based protection；Pilot Protection；Current Differential Protection；Distance Protection 目 录 220KV 输电线路保护方案的分析与设计 .I ABSTRACTII 1 绪论 .1 1.1 课题背景 .1 1.2 研究现状 .1 1.3 论文的主要工作 3 2 常用微机保护主保护原理分析 .4 2.1 常用选相元件原理 .4 2.1.1 相电流差突变量选相 4 2.1.2 序分量选相 5 2.1.3 其它选相元件 8 2.2 微机保护常用起动元件 .8 2.3 高频保护原理分析 9 2.3.1 高频保护通道及收发信机 10 2.3.2 采用闭锁信号的高频保护 10 2.3.3 采用允许信号的高频保护 14 2.4 差动保护工作原理 16 2.4.1 电流纵差保护基本原理 16 2.4.2 差动保护制动特性及其元件 17 2.4.3 电流差动保护分类 18 3 微机后备保护原理分析 .19 3.1 距离保护原理分析 .19 3.1.1 距离保护的构成及其原理 19 3.1.2 距离保护的阻抗元件 19 3.1.3 距离保护流程图及逻辑框图 21 3.2 零序电流保护原理分析 23 3.2.1 零序电流保护的配置及原理 23 3.2.2 零序保护中的零序功率方向元件 24 4 220KV 输电线路保护方案设计 26 4.1 220KV 输电线路保护选择原则 .26 4.2 主保护、后备保护的选择 26 4.3 综合重合闸的选择原则 26 4.4 保护方案 .27 5 结论 .28 参考文献 .29 致谢 .31 56 1 绪论 1.1 课题背景 输电线路是电力系统中的重要组成部分，而输电线路的保护也成为了电力系统保护 中的重中之重。随着微机保护的研究、应用、推广与实践，现在新投入使用的高中压等 级继电保护设备几乎均为微机保护产品 1。 在地区电网中，220kV 系统是电力输送主网架，220kV 线路多数都是环网运行，经过 近几年大规模的电网改造，220kV 变电站布点日趋紧密，造成 220 kV 线路越来越短， 220kV 系统电网结构进一步加强，电能潮流分布更加合理，但这对电网继电保护性能带来 新的问题，继电保护的不正确动作会严重破坏原本合理、坚强的电网结构，甚至使电网 瓦解，因此对继电保护配置与运行方案进行深入分析，合理地安排继电保护设备的运行 方式，对电网的安全稳定运行有重要意义 2。 1.2 研究现状 由于 220kV 及其以上的高压、超高压电网的系统稳定的要求，在 220kV 电压等级的 输电线路上，一般要求装设全线速动的保护装置。对于中长距离的 220kV 线路，一般采 用高频保护作为主保护。对重要的 220kV 输电线路，一般应选择两套原理不同的高频保 护作为主保护。对 220kV 的短线路（例如 5km 及以下的输电线路），可选择线路纵联差 动保护作为全线速动的主保护。对于接地短路故障，零序电流保护的、段或接地距离 保护的 、 段作为接地故障的主保护。距离保护、段、零序电流保护段以及对本线路 末端有足够灵敏度的段为近后备保护。距离段及零序电流保护段为远后备保护。重 合闸一般选用综合重合闸装置 4-5。 文献6指出按照获得对侧电量方法的不同，纵联保护可以分为四类：导引线纵联差 动保护、输电线路载波保护（高频保护）、微波保护和光纤纵差保护。按照实现纵联保 护的原理划分，纵联保护可以分为：纵联方向保护和差动纵联保护。 在现代输电线路中（超）高压输电占据了绝大部分，而微机保护的研究也是从高压 输电线路开始的，微机保护已在全国电力系统中得到了广泛的应用。在微机型输电线路 的高频保护中，目前应用最广泛的是方向高频保护。方向高频保护的构成原理主要有闭 锁信号和允许信号两种方式。在环网或双回线路上，当一回线发生故障时，由于故障线 路两侧的断路器相继动作造成非故障线路的短路功率改变方向，从而有可能使得非故障 线路的方向高频保护误动 6。 随着微机保护与网络通信等技术的结合，变电站自动化系统、配网自动化系统也已 经在全国电力系统中得到了广泛的应用，进一步提高了电力系统的安全、稳定、可靠和 经济运行，为电网高质量的电能传输和供电提供了更好的技术保障，也为变电站无人或 少人值班创造了必要的条件。文献7根据目前电力通信系统状况和线路保护的设备水平， 56 阐明了用于超高压线路纵联保护传输信号的通信方式，例如载波、光纤及微波通道等， 针对这些不同的通信方式的保护形式进行选择分析后认为，在考虑 220kV 及以上电压等 级的线路纵联保护方案时，保护信号传输通道应首选复用数字通信电路，逐渐淘汰载波 通道，保护形式应首选分相电流差动保护；允许式方向或距离保护复用通信通道，经 RS 232 串行口与通信终端连接，其起止式异步传输方式值得借鉴。 距离保护是利用短路时电压，电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，反映 故障点到保护安装处的距离而工作的保护。通过判断故障方向，测量并比较故障距离， 判断出故障位于保护区内还是保护区外，从而决定是否需要跳闸，实现保护。通常情况 下，距离保护可以通过测量短路阻抗的方法来间接的测量和判断故障距离 8。 在中性点直接接地系统中发生接地故障（包括单相接地和两相接地）时，出现零序 的分量电压、零序电流及零序功率。而在系统正常运行和相间短路等情况下，理论上均 不存在零序分量。因此，利用零序分量构成输电线路的接地故障保护具有明显的优点 9。 在采用单相重合闸的线路中（220kV 及以上电压等级的输电线路中），零序保护应分 为两部分，一部分是全相运行运行条件下的零序保护，通常由三段或四段组成，另一部 分是非全相运行条件下的零序保护，通常由两段组成 6。 在我国超高压输电系统中，由于选相跳闸的需要，选相元件成为超高压输电线路保 护装置中的重要元件。在常规的保护装置中，选相元件的作用是单相接地故障时准确的 选出故障相实现单相重合闸功能，在两相和三相故障时实现三相跳闸。近年来。随着数 字式微机保护装置在系统中的广泛应用，要求选相元件不仅要准确判别出单相故障的故 障相，还要准确判别相间故障的相别。因为此时选相元件不仅为自动重合闸服务，同时 也是保护装置的测量元件（如距离元件）的正确动作和提供打印出故障故障类型所必需 的数据。此外，选相也是精确故障测距的重要一环 9。 文献9指出, 早期的传统保护通常采用相电流选相元件、低电压选相元件和阻抗选相 元件。相电流和低电压选相元件虽然实现简单，但前者仅适用于电源侧且灵敏度较低， 容易受负荷电流和系统运行方式的影响，因此只作为辅助选相之用。后者仅适用于电源 较小的受电侧或线路很短的送电侧,应用场合受到限制。阻抗选相元件受负荷电流和过渡 电阻的影响较大，现在也不单独使用，往往作为辅助判据。在数字式微机保护中，选相 元件通常由软件实现，这给选相元件的实现带来了很大的灵活性。目前主要采用工频相 电流差突变量选相和序分量相结合的选相元件。并对突变量选相、序分量选相、基于故 障暂态量选相、基于人工智能的选相元件、同杆并架双回线故障选相进行了很好的归纳 总结。 文献11对目前实用的突变量及稳态量选相元件进行了比较，指出了其特点和存在的 不足。重点分析了目前选相方案的弱馈侧选相、灵敏度配合以及在系统振荡条件下存在 的阻抗识别失配等问题，提出了改进的实用选相方案。 56 1.3 论文的主要工作 超高压输电线路的保护是现代电力系统中的一个关键环节，它直接影响着整个输配 电网的运行稳定及安全。对于 220kV 输电线路的微机保护方案，有多种配置选择，而每 一种配置都有着各自的特点。本文着重介绍了其中的主要原理，首先分析微机保护的起 动元件和选相元件的原理及各种形式分类；然后重点介绍了采用闭锁式信号和允许式信 号的高频保护，并对其中出现的问题进行了分析；之后介绍了差动保护的工作原理；对 于微机保护常用的后备保护，本文也作了详细的介绍，通过对距离保护和零序电流保护 的原理分析，进一步了解了后备保护的配置；本文在最后根据 220kV 输电线路保护配置 的原则，初步选择了一套保护方案。 56 2 常用微机保护主保护原理分析 2.1 常用选相元件原理 在我国(超) 高压输电系统中，选相元件已经成为(超)高压输电线路保护装置中的重要 元件。在传统常规保护装置中，选相元件的作用是单相接地故障时准确判断出故障相实 现单相重合闸功能，在两相和三相故障时实现三相跳闸。随着微机保护装置在现代电力 系统中的广泛应用，要求选相元件不仅要准确判别出单相故障的故障相，还要准确判别 相间故障的相别。因为此时选相元件不仅为自动重合闸服务，同时也是保护装置中的测 量元件( 如距离元件) 的正确动作和提供打印出故障类型所必需的数据。此外，选相也是精 确测量故障距离的重要一环。 选相元件可由电流元件和电压元件来实现。电流元件可作为辅助元件，零序电压元 件可作为接地故障与相间故障的识别元件。但应用最广泛的选相元件为阻抗选相元件。 就是用接地阻抗元件担任选择故障相别的任务。随着微机保护装置的不断更新，为采用 新型选相元件提供了条件。因为，在微机保护装置中选相元件只不过是一段程序。 2.1.1 相电流差突变量选相 在数字式微机保护中，利用其记忆功能，可以很容易的获得电流或电压的突变量(即 故障分量) 。目前广泛采用的相电流差突变量选相是利用不同故障时两相工频电流差的变 化量的幅值特征选相，附加鉴别有无零序分量区分两相短路和两相短路接地 。该元件在 故障初期灵敏度高，不受负荷电流和过渡电阻影响 9。 相电流差突变量选相有如下的结论： 当发生单相接地故障时，非故障的两相电流差为零，与故障相有关的两个差电流绝 对值相等；当发生两相或两相接地故障时，故障两相的差电流最大，而包含非故障相的 两个差电流相等；对于三相电路，三个相电流差相等 6。 根据以上我们分析得出的结果，在微机保护中实现选相元件的做法是： 故障后首计算出 、 、 ，将 、 、 进行比较排队，可分为大、abIcaIabIcaI 中、小量。 当满足条件 1：大量小量，且中量小量，则为单相故障，小量所对应的相别为非 故障相。当不满足上述条件时，为相间故障。按以下条件判别故障相别。 当满足条件 2：(大量一中量) (中量一小量)时，大量所对应的相别为故障相别。 例如:当发生 A 相单相接地故障时，必有 又由于 几接近于零，caIbcIbcI 故可满足条件 1，判为 A 相故障。 当发生 BC 两相故障或 BC 两相接地故障时，必有： 或 。cabcabcbI 理论分析表明，发生 BC 两相故障或 BC 两相接地故障时有 ，所以(中量一小量)aI 56 的理论值为零，故可满足条件 2。如要区分两相故障和两相接地故障，可加人零序电流的 判断条件。 对于三相故障，由于三相对称，故 、 、 三个量的大、中、小排队顺序可abIcaI 能有三种情况，由于三个相电流差值相等，不可能满足条件 1。因此，三相故障可判为 AB 或 BC 或 CA 故障。而对于距离保护来说，对称短路时，取任意相间的电压、电流的 阻抗计算结果完全一样。图 2-1 是相电流差突变量选相元件部分流程图。入 口 A相 接 地 AB两 相 接 地 或 AB两 相 短 路 至 其 他 选 相 程 序 段ABBCII ？CABCII ？ -ABCACABCIIII（ ） （ ） ？YYY N ,ABBCCAIII比 较 ， 的 大 小,ABBCCAIII计 算 ，ABCABCIII N 图 2-1 相电流差突变量选相元件流程图 2.1.2 序分量选相 系统故障时，可分为正常网络和故障附加网络的叠加。对故障附加网络运用对称分 量法进行分析，可得到各序电流或电压分量在不同故障下的相位和幅值特征。 利用故障分量的正序和负序电流比较相位可构成选相元件。图 2-2 是发生各种不对称 故障时正序电流 与负序电流 的相位关系图。1AI 2AI 由图2- 2的电流向量图可以看出： 1) A相接地时， 与 同相位。1 2 2) B相接地时， 超前 。AI1I 0o 3) C相接地时， 滞后 。2 4) BC两相接地和 BC两相短路时， 与 相位相反。2AI 1 56 5) CA两相接地和CA两相短路时， 滞后 。2AI 1I60o 6) AB两相接地和AB两相短路时， 超前 60°。 图2-2 各种不对称短路 与 的相位关系1AI 2 根据以上分析，针对单相接地故障，我们可以将平面划分为三个动作区。如图2-3所 示。每个动作区为120° 。 针对两相接地和两相故障，我们也可以将平面划分为三个动作区。如图2-4所示。每 个动作区为120° 。 由图2-3 和图2-4 的选相元件动作区我们可以看出，单相故障与相间故障的动作区有重 叠部分;两相短路与两相接地短路的动作区相同。为此，我们需要另加判断条件。 （1）为区别单相接地故障和两相接地故障，可比较正序电流与负序电流的绝对值的 差，注意到图2-4，单相接地时，正序电流与负序电流的绝对值相等，因此，其差值为零； 而两相接地短路时，正序电流的绝对值大于负序电流的绝对值，其差值为某一值。合理 设值门槛值 ，当正序故障电流和负序故障电流的绝对值的差值大于门槛值时时，则为2mkI 两相接地故障，否则，为单相故障。 （2）判断零序电流是否大于某一门槛值 来区别是否为接地故障，若大于门槛值，1mkI 则为接地故障，否则就是相间故障。 56 图2-3 单相故障选相元件动作区 图2-4 相间故障选相元件动作区 在考虑上述附加判别条件后，可以得到选相元件的判别方程，列写如下： A相单相接地 oAoI60arg21 B相单相接地 oAoI60arg18021 C相单相接地 oAoI180arg602 AB两相和AB两相接地故障 oAoI0arg1221 BC两相和 BC两相接地故障 oAoI240arg101 CA两相和CA两相接地故障 56 oAoI120arg0 2.1.3 其它选相元件 由故障分析的基本概念可知，当系统中发生任何类型的故障时，都可以看成是正常 运行状态与故障状态的叠加。在微机保护中，获得故障分量是比较容易实现。采用克拉 克变换法，可将故障分量分解为模 1 分量、模 2 分量和零模分量。模分量选相在微机保 护中也是非常重要的，通过故障时获取的模分量的数据，经过数学处理，可以清晰地反 映出相间故障，两相故障以及两相接地故障。 提高电力系统暂态稳定性，对保护的动作速度提出了更高标准。传统的单纯依靠工 频量的保护原理不易满足为快速切除故障而带来的对系统稳定性的要求。因此，新型的 基于故障暂态量的超高速保护引起了人们的注意。由于暂态保护的动作速度大为提高， 作为继电保护重要环节的选相元件的选相随着电力系统规模的日益扩大，大容量机组和 超高压输电线路的增多，为了增大输电线路传输速度和容量也提出了更高的要求。为适 应发展需要，展开了基于故障暂态量的选相元件研究。 人工神经网络(ANN) 是模拟人类神经系统传输、处理信息过程的一种人工智能技术。 它包括分布式存储知识的结构，不仅可以存储大量信息，而且连接的权和连接结构都可 通过学习和训练得到，具有自适应和自组织能力。不管输电线路发生何种故障，只要利 用仿真结果对神经网络进行训练，使其产生所需要的响应，即可将其应用于故障选相。 2.2 微机保护常用起动元件 所有微机继电保护装置中都设有起动元件。起动元件的动作表示故障的开始；只有 起动元件动作以后，保护才能出口；保护逻辑回路中一些时序回路的时间是由起动元件 起动后开始计时的；主要测量元件的延时是由测量元件本身起动后才开始计时的。有些 测量元件也可以在起动元件起动后才开始测量，这样该测量元件可以完全不受故障影响， 但这将给测量元件的动作增加了起动元件的起动时间。因此，起动元件对所有各种类型 的故障都应能快速、灵敏地反映。加速起动元件的动作速度，将有利于提高整组保护装 置的动作速度。对于微机型继电保护装置，一般是在起动元件起动后才转入故障处理程 序的。 文献13保护起动元件用于开放保护跳闸出口电源，并使程序转入故障处理程序。各 保护采用的的起动元件原理相同，只是有的起动元件某些保护不采用。包括以下几种起 动元件： （1）相电流差突变量起动元件： 该元件在大部分故障情况下均能灵敏起动，是主起动元件。其判据为： 56 或iIQD30iI 其中： ，()()()(2)kkNkNkNI 指 AB、BC、CA 三种相别， 为零序电流突变量， IQD 为突变量起动定值。i 当任一相电流差突变量连续 4 次超过起动门槛时，保护起动。 （2）两健全相电流差突变量起动元件 发展性故障靠反映两个健全相相电流差突变量的元件起动。 电流差突变量起动元件动作后，投入监视发展性故障的两健全相电流差突变量起动 元件。该元件投入的条件除了电流差突变量起动元件动作，还有另一个条件为故障处理 程序判为单相故障或其它保护动作跳开单相。 该元件采用模糊控制方法实现，具有自适应功能，不需用户整定。振荡周期越短元 件动作门槛值越大，可以防止振荡中元件误起动；门槛值还可以自适应地随第一次故障 短路电流水平的提高而提高。 （3）零序电流辅助起动元件： 作为在单相经大电阻接地(220kV 考虑 100 , 500kV 考虑 300 )或零序四段范围内故 障而按照木线路末端故障整定的电流差突变量起动元件灵敏度不够时的起动元件，它可 以整定的比较灵敏，是辅助起动元件，带 150ms 延时动作。其判据为： 304I 其中： 为 3 倍的零序电流， 为零序电流辅助启动定值。0I 2.3 高频保护原理分析 现代电力系统大多是多电源系统，这就为输电线路的保护提出了更高的要求。例如 一个双侧电源系统，在输电线路两侧都装设了三段式距离保护。每侧距离保护的第一段 的保护范围为线路全长的 85%。当线路发生故障时，当故障点位于靠近线路两侧的各 15%范 围时，总有一侧要以距离保护二段的时间切除故障。这样长的故障切除时间对于 220kV 及其以上的高压、超高压电网不能满足系统稳定的要求。因此在 220kV 及以上电压等级 的输电线路上，必须装设全线路故障都能快速动作的保护。 所谓高频保护， 即是应用载波技术，以输电线路本身作为通道，将线路两侧工频 电气量( 或两侧阶段式保护中测量元件的判别结果) 调制在频率为40500 kHz 的高频电 波上，沿通道互相传送；两侧保护收到此高频电波后，再将其还原为工频电气量( 或判别 结果) 并在各自的保护中比较这些数据量，以判断是区内故障还是区外故障，并达到保护 线路的目的。而要构成能反应两端电气量的保护，必须具有能反应两端电气量的信号和 传输这个信号的通道。实现全线速动的保护必须反映线路两侧的电量，由于线路两侧在 地理上是两个不同位置的变电站，这就有一个如何获得对侧电量方法的问题。根据获得 对侧电量方法上的不同，纵联保护可以分为：导引线纵联差动保护，输电线路载波保护 （高频保护），微波保护和光纤纵差保护。 56 由于输电线路正常传送 50Hz 的工频信号，传送对侧电量的载波信号必须与工频信号 在频率上有很大差别。通常工程上采用 40500 kHz 的信号作为载波信号，所以采用这种 通道的保护又称为高频保护。由于利用输电线路作为信号传送的通道，它的可靠性较高。 但在线路发生内部故障时有可能造成通道损坏，信号不能及时传送到对端，这对于采用 允许信号的高频保护会造成拒动发生的情况。由于其它原因造成的通道破坏对采用闭锁 信号的高频保护在区外故障时会产生误动情况的发生。 2.3.1 高频保护通道及收发信机 在高频保护系统组成中，高频通道占有非常重要的地位，同时也发挥着至关重要作 用。高频保护运行的好坏，不仅取决于高频保护装置本身很大程度上也取决于高频通道 的工作状况。因此，高频保护通道的工作好坏是高频保护正确动作的重要前提。输电线 路的高频保护是利用线路作为信号的传送通道，所以在保护装置的运行中要对输电线路 进行高频加工。 (1) 相地制高频保护通道的组成 1）阻波器。由电感线圈与电容器并联组成。其参数对该线路上的高频信号呈现很大 的阻抗，阻止高频信号向母线分流。对工频信号阻波器的电感线圈仅呈现很低的阻抗 （约为 0.04 ），因此，对工频信号的传送没有影响。 2）结合电容器。对高频信号呈现低阻抗对工频信号呈现高阻抗。保证高频信号顺利 传送到输电线上，防止高电压侵入收发信机。 3）接地刀闸。4）高频电缆。5）放电间隙。6）收发信机。7）保护设备。8）结合 滤波器。 (2) 相相制高频保护通道 主要应用到采用允许信号的高频保护中。详见本文对允许式高频保护的原理分析。 (3) 高频保护中的收发信机 在高频保护中，都装设发出和接受高频信号的装置，即高频收发信机。目前在高频 保护中应用的收发信机主要有两种形式，一种是专用发信机，另一种复用载波机。采用 闭锁信号时为专用收发信机方式，而采用允许信号时为复用载波机方式。 专用收发信机一般为单频率、调辐式。正常时发信机不向高频通道发出高频信号， 故障时由保护的起动元件(突变量电流元件或反方向元件)起动发信，当正方向元件动作后 控制发信机停信。 微机保护中的收发信机有以下几大部分： 1）频率合成电路 2）输入接口 3）功率放大电路 4）输出滤波电路 5）收信滤波器 6）解调电路 7）收信输出 8）前置放大电路 2.3.2 采用闭锁信号的高频保护 56 在微机型输电线路的高频保护中，应用最为广泛的是方向高频保护。方向高频保护 的构成原理主要有闭锁信号和允许信号两种方式。 (1) 闭锁式高频保护原理 设如图 2-5 所示双侧电源系统。在 MN 线路上发生故障时，对于故障线路 MN，流过 M 侧和 N 侧的电流均为母线向线路的方向；对于非故障的线路 NP，流过 N 侧的电流为 由线路向母线，而流过 P 侧的电流为由母线向线路。 在微机保护装置中，设有突变电流 起动元件，当故障时，该起动元件可靠动作，控制发信机发出高频信号，当故障电流为 由母线流向线路时，正方向元件动作，控制发信机使其停止发信；当故障电流为由线路 流向母线时，正方向元件不动作，发信机受起动元件控制，仍处于发信状态；保护的跳 闸条件为：正方向元件动作，且收不到高频闭锁信号。因此对于内部故障的 MN 线路来 说，线路两侧的正方向元件都动作，两侧的发信机均停止发信，于是，两侧的方向高频 保护都满足跳闸条件，使断路器跳闸。对于感受为区外故障的 NP 线路来说，线路 N 侧 的正方向元件不动作，N 侧发信机一直处在发信状态。所以， N 侧保护不满足跳闸条件。 线路 P 侧的正方向元件动作，但是，由于收到 N 侧发来的高频闭锁信号，所以，P 侧保 护也不满足跳闸条件，从而非故障线路上的高频保护不动作。 图 2- 5 双侧电源系统图 可见，采用闭锁信号时，高频信号是在无故障的输电线路上传送，而在发生故障的 线路上并不传送高频信号。这样，区内故障时，由于故障造成高频信号传送通道破坏， 高频信号无法传送时，不会造成保护拒动，这是采用闭锁信号的优点。 (2) 闭锁式高频保护几个注意问题 在实际的线路保护运行过程中，随时会有各种复杂的故障，其中包括发生的区外故 障，这时应考虑如何保证保护不误动。由图 2-5 看出，在区外故障时，应由近故障点侧的 保护(3QF)发出闭锁信号，将远故障点侧的保护(4QF)闭锁。一旦闭锁信号消失，而远故障 点侧的正方向元件处于动作状态，必将造成远故障点侧保护误动。以下分析区外故障可 能发生误动的几种情况。 1) 采用启动元件带来的问题。当高频闭锁保护中启动元件启动发信时，在区外故障 的某一点故障时，如故障电流刚好等于起动元件的定值，由于电流互感器的误差和起动 元件动作值的离散性，可能造成近故障点侧的起动元件不动作不能发出闭锁信号，从而 造成远故障点侧保护误动。解决方法是采用两个灵敏度不同的起动元件。其中低定值的 起动元件灵敏度高，用于起动发信；高定值的起动元件灵敏度较低，用于开放跳闸回路； 56 高定值起动元件的定值为低定值起动元件定值的 1. 62. 0 倍。这样保证只要有一侧的高 定值起动元件动作，两侧的低定值起动元件必然都动作。在微机保护中也可采用正、反 两个方向元件，正方向元件用于停信，反方向元件用于发信。要求反方向元件的灵敏度 高于正方向元件的灵敏度，或采取反方向元件优先的原则，即反方向元件动作后闭锁正 方向元件。 2）区外故障时，如果近故障点侧的起动发信元件拒动而不能起动发信时，则造成远 故障点侧保护误动。如图 2-5 中 D 点故障时，3QF 处的起动发信元件有问题而不能起动 发信，就会造成远离故障点侧的方向高频保护误动。解决这一问题的方法是在发信机的 起动发信回路中增设远方起动发信回路，即收到对侧的高频信号后也可以起动发信。区 外故障为保证通过远方起信回路可靠发信应在停信回路中略带延时，即故障时，即使故 障电流为正方向，也要短时发信。这样，如果区外故障时近故障点侧的起动元件拒动而 不能发信，可由远故障点侧的起动元件起动后短时发信，该信号经高频通道传送到对侧， 通过远方起动发信回路使发信机发信。此延时应大于高频信号在输电线路上传送一个来 回所需的时间。采用远方起信回路的高频保护应设有解环时间，一般为 10ms。 当然，在发生了区内故障时，线路两侧均感受为正方向，也会短时发信。由于两侧 均为正方向，经短延时后会停止发信。综合以上分析，采样闭锁信号的方向高频保护的 跳闸条件可归纳为： a 相电流差突变量电流起动元件动作。 b 正方向元件动作。 c 先收到 l0ms 高频信号。 d 然后收不到闭锁信号。 采用故障时起动发信、闭锁信号构成高频保护时，在正常运行条件下，高频通道上 不传送高频信号，因此，对高频通道的完好性无法监视，一旦通道破坏而又发生区外故 障，就会造成保护的误动。所以，应由值班员定时对高频通道进行检查，以监视高频通 道的状态。 3）区外故障切除由于近故障点侧的启动发信元件先返回，而远故障点侧的正方向元 件后返回造成的误动。解决的方法是在发信回路增加延时措施，一般延时返回时间取 0.25s 即可。 4）采用闭锁信号且设有远方起动发信回路后，在单侧电源发生内部故障时，电源侧 保护会拒动。为解决这一问题，通常采取的措施是在发信控制回路加入断路器跳闸停信 回路。由于增加了跳闸停信回路，使起动元件不动作的一侧的发信机就不发闭锁信号， 从而使保护正确动作。 (3) 闭锁式高频保护逻辑框图 56 图 2-6 闭锁式高频保护逻辑框图 56 2.3.3 采用允许信号的高频保护 (1) 允许式高频保护工作原理 如图 2-6，在 MN 和 NP 线路上都装设了允许信号的高频保护。在 MN 线路上发生故 障时，故障线路 MN ，流过 M 侧和 N 侧的电流都是母线向线路的方向；对于非故障的线 路 NP，流过 N 侧的电流为由线路向母线，而流过 P 侧的电流为由母线向线路。文献6中 采用允许信号时，当某一侧的正方向元件动作后，立即向对侧发出允许信号。保护跳闸 的条件是： 1）相电流差突变量起动元件动作。 2）本侧正方向元件动作。 3）收到对侧发来的允许信号。 这样，对于故障线路 MN，每侧的正方向元件都可靠动作，因而可向对侧发送允许信 号，两侧的高频保护均满足跳闸条件，可靠动作。而对于非故障的 NP 线路，N 侧正方位 元件不动作，因而，不能向对侧发送允许信号。P 侧正方向元件动作，可向 N 侧发送允 许信号，但由于 N 侧正方向元件不动作，故保护不能跳闸。 P 侧虽然正方向元件动作， 但由于收不到 N 侧发来的允许信号，也不满足跳闸条件。 图 2-8 为允许式高频保护逻辑 框图。 (2) 允许式高频保护运行中出现的问题及解决方案 采用允许信号时，区内故障时，高频通道上有高频信号传送。这样就会造成通道破 坏会引起保护拒动。为此，采用允许信号的高频保护的收发信机一般为复用载波机。收 发信机为长期发信方式，采用移频键控式工作方式。故障时，立即停发监频信号，改发 跳频( 即允许信号) 信号。监频信号与跳频信号的频率不同。而每侧的收信机只能接收对侧 的导频或跳频信号。不像闭锁信号的高频保护，收发信机采用单频率调幅工作方式，每 侧的收信机既可接收本侧高频信号，也可接收对侧的高频信号。 另外，采用允许信号时，高频通道多采用相一相制工作方式，即高频信号主要在两 加工相传送。这样，在区内发生相间故障时，由于故障可能造成允许信号无法传送到对 侧，从而使保护被闭锁，不能跳闸。为此，在微机型高频保护中，应设有解除闭锁式。 解除闭锁式就是针对区内相间故障通道破坏保护拒动而采取的一种措施。解除闭锁式跳 闸的条件是：起动前收到的导频信号正常；起动后收不到导频信号，同时也收不到跳频 信号； 故障为相间故障；本侧正方向元件连续动作一段时间（20ms）。 当满足以上条件时，保护可发出跳闸命令。 56 图 2-7 允许式高频保护逻辑框图 56 2.4 差动保护工作原理 差动保护是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。高压输电线路电流差动保护由于其原理简单，性能可靠， 是保护高压线路的可行方案。 2.4.1 电流纵差保护基本原理 电流纵联差动保护就是将被保护线路各端电流的大小和相位送至对端并进行比较， 从而判定本线路范围内是否发生短路故障的保护方法。由于这种保护无须与相邻线路的 保护在动作参数上进行配合，因而可以实现全线速动。 M N I M I N I G I D 图 2-8 电流纵联差动保护原理图 图中输电线两侧装设性能和变比完全相同的电流互感器。M.N 分别为线路两端母线。 和 分别为两端电流向量，正方向为由母线指向线路。忽略线路电容电流及其它不平MI N 衡电流，当输电线外部短路(如图中 D 点所示)时， M 侧电流为正，N 侧电流为负，线路 两侧电流大小相等，方向相反： 0 BAdII 保护不动作。 当输电线内部出现短路故障(如图中 G 点所示)时，流经输电线两侧断路器的故障电流 均从母线流向线路，即线路两侧电流同相。G 点流过的短路电流为 IG，此时两端差动电 流： 0 BAdII 所以可以根据 IG 的值来判定 MN 段线路内是否发生了短路故障，保护速动。 用于高压输电线路的电流差动保护原理的基本动作判据可表示 为： 021)(IFKI 式中：I1 为线路各端电流的相量和，F(I2)为各端电流的函数，K 为制动系数，I0 为 差动保护的整定值。 56 式中左边的第一、二项为动作量和制动量。可以看出，该判据的动作量完全消除了 被保护线路非故障状态下的电流，无论线路非故障状态下的电流如何变化，它都具有分 辨故障分量的能力，适应电力系统的振荡、非全相等各种复杂的运行状态 23。 2.4.2 差动保护制动特性及其元件 (1) CSL-103B 数字式输电线路纵联电流差动