第5章 输电线路的高频保护

第5章输电线路的高频保护第一节高频保护的基本原理高频保护的作用原理高频通道的工作方式和高频信号的作用第二节高频闭锁方向保护工作原理高频闭锁方向保护的启动方式第三节高频闭锁负序方向保护第四节高频闭锁距离保护和零序保护高频闭锁距离保护的构成高频闭锁距离保护的工作情况高频闭锁零序方向保护第五节高频相差动保护工作原理相差高频保护的构成高频相差动保护的相位特性和相继动作区5、1高频保护基本原理5.1.1高频保护的作用原理图5.1输电线路内外短路示意图如图5.2所示。当被保护线路M——N外部短路或正常运行时如（图5.2a)),IM=IN，流入继电器的电流为：''1()0(5.1)rMNMNTAIIIIIn式中：nTA——电流互感器的变比。电流继电器不会动作跳1QF和2QF。而当被保护线路M——N内部短路时（图5.2(b))，In反向，流入继电器的电流为：'''1()(5.2)rMNMNKTAIIIIIIn式中：——归算到电流互感器TA副方的总短路电流。'KI电流纵差动保护图5.2电流纵差动保护的示意图如果（电流继电器的动作电流），则保护能无延时地跳1QF和2QF，由于引入继电器的电流是被保护线路两端电流之差，故这种保护称为电流纵差动保护。电流纵差动保护的优缺点：无延时切除被保护线路任何点的故障，需要用与输电线路同样长的辅助导线来传送电流和，因此，用于长线路，在经济上是不合算的，在技术上也有一定的困难。一般只应用在5—7km以下的线路上。国外有用于长达30km线路上的此种保护方式。但将它用于电机、变压器及母线却是相当方便的。为在长线上应用电流纵差动保护原理，需要解决通道问题。'KopII'MI'NI高频保护的分类：按其工作原理的不同可以分为两大类：即方向高频保护和相差高频保护。方向高频保护的基本原理是比较被保护线路两端的功率方向。相差高频保护的基本原理是比较两端电流的相位。在实现以上两类保护的过程中，都需要解决一个如何将功率方向或电流相位转化为高频信号，以及如何进行比较的问题。实现高频保护，同时也必须解决利用输电线路作为高频通道的问题。利用“导线一大地”作为高频通道是最经济的方案，因为它只需要在一相线路上装设构成通道的设备，缺点是高频信号的衰耗和受到的干扰都比较大。高频保护是以输电线载波通道作为通信通道的纵联差动保护。高频保护广泛应用于高压和超高压输电线路，是比较成熟和完善的一种无时限快速保护。输电线路高频保护所用的载波通道主要元件及作用：图5.3高频通道构成示意图1—阻波器；2—结合电容器；3—连接滤波器；4—电缆；5—高频收、发信机；6—刀闸图5.4阻波器阻抗与频率的关系(1)阻波器阻波器是由一电感线圈与可变电容器并联组成的回路。其并联后的阻抗Z与频率的关系如图5.4所示，当并联谐振时，它所呈现的阻抗最大。利用这一特性做成的阻波器，需使其谐振频率为所用的载波频率。这样的高频信号就被限制在被保护输电线路的范围以内，而不能穿越到相邻线路上去。但对50周的工频电流而言，阻波器仅呈现电感线圈的阻抗，数值很小（约为0.04左右），并不影响它的传输。(2)结合电容器结合电容器与连接滤波器共同配合，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。由于结合电容器对于工频电流呈现极大的阻抗，故由它所导致的工频泄漏电流极小。(4)高频收、发信机发信机部分系由继电保护来控制，通常都是在电力系统发生故障时，保护部分启动之后它才发出信号，但有时也可以采用长期发信、故障时停信或改变信号频率的方式。由发信机发出的信号，通过高频通道送到对端的收信机中，也可为自己的收信机所接收，高频收信机接收本端和对端所发送的高频信号，经过比较判断之后，再动作于继电保护，使之跳闸或将它闭锁。(3）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。结合电容器与连接滤波器共同组成一个四端网络的“带通滤波器”，使所需频带的高频电流能够通过。带通滤波器从线路侧看入的阻抗与输电线路的波阻抗（约为400）相匹配，而从电缆一侧看入的阻抗，则应与高频电缆的波阻抗（约为100）相匹配，这样就可以避免电磁波在传送过程中发生反射，因而减小高频能量的附加衰耗。对于并联在连接滤波器两侧的接地刀闸6，当检修连接滤波器时，作为结合电容器的下面一极接地之用。高频通道的工作方式可以分为经常无高频电流（即所谓故障时发信）和经常有高频电流（即所谓长期发信）两种方式。在这两种工作方式中，以其传送的信号性质为准，又可以分为传送闭锁信号、允许信号和跳闸信号三种类型。“高频信号”和“高频电流”的区别：所谓高频信号是指线路一端的高频保护在故障时向线路另一端的高频保护所发出的信息或命令。因此，在经常无高频电流的通道中，当故障时发出高频电流固然代表一种信号，但在经常有高频电流的通道中，当故障时将高频电流停止或改变其频率也代表一种信号，这一情况就表明了“信号”和“电流”的区别。图5.5列出了故障时发信的三种信号与保护（PH）的逻辑关系。5.1.2高频通道的工作方式和高频信号的作用图5.5在故障时发信方式下三种信号与保护的逻辑关系(a）跳闸信号；(b）允许信号；(C）闭锁信号闭锁信号所谓闭锁信号是指：“收不到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件”。当外部故障时，由一端的保护发出高频闭锁信号，将两端的保护闭锁；而当内部故障时，两端均不发信因而也收不到闭锁信号，保护即可动作于跳闸。允许信号所谓允许信号是指：“收到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件”。当内部故障时，两端保护应同时向对端发出允许信号，使保护装置能够动作于跳闸；而当外部故障时，则因近故障点端不发允许信号，故对端保护不能跳闸。近故障点的一端则因判别故障方向的元件不动作，也不能跳闸。跳闸信号传送跳闸信号的方式是指：“收到这种信号是保护动作于跳闸的充分而必要的条件”。保护实质是利用装设在每一端的电流速断、距离Ⅰ段或零序I段等保护，当其保护范围内部故障而动作于跳闸的同时，还向对端发出跳闸信号，可以不经过其他控制元件而直接使对端的断路器跳闸。特点：两端保护的构成比较简单，无需互相配合。必须要求每端发送跳闸信号保护的动作范围小于线路的全长，以保证动作的选择性；而两端保护动作范围之和应大于线路的全长，以保证全线上任一点故障的快速切除。被保护线路故障时，高频通道可能遭到破坏。因此，对于短路时发信的方式，常利用高频电流的出现作为闭锁信号。在外部短路时，要求靠近短路点一侧的发信机启动并发出高频闭锁信号，经输电线路传送至线路对侧，使该侧保护不跳闸（闭锁）。内部短路时，线路两侧发信机均不启动，不发高频闭锁信号，输电线路不传送高频信号，保护可以跳闸。长期发信方式下三种信号与保护的逻辑关系图5.6长期发信方式下三种信号与保护的逻辑关系(a）跳闸信号；(b）允许信号；(c)闭锁信号5、2高频闭锁方向保护工作原理利用非故障线路的一端发出闭锁该线路两端保护的高频信号，而对于故障线路两端则不需要发出高频信号使保护动作于跳闸，这样就可以保证在内部故障并伴随有通道的破坏时保护装置仍然能够正确地动作。5.2.1工作原理高频闭锁方向保护以高频通道经常无电流而在外部故障时发出闭锁信号的方式构成，由短路功率方向为负的一端发出，这个信号被两端的收信机所接收，而把保护闭锁，故称为高频闭锁方向保护。保护装置的作用原理:设故障发生于线路B—C的范围以内，则短路功率SK、的方向如图所示。此时，安装在线路B—C两端的方向高频保护3和4的功率方向为正，保护应动作于跳闸。故保护3、4都不发出高频闭锁信号，因而，在保护启动后，即可瞬时动作，跳开两端的断路器。但对非故障线路A—B和C—D，其靠近故障点一端的功率方向为由线路流向母线，即功率方向为负，则该端的保护2和5发出高频闭锁信号。此信号一方面被自己的收信机接收，同时，经过高频通道把信号送到对端的保护1和6，使得保护装置1、2和5、6都被高频信号闭锁，保护不会将线路A—B和C—D错误地切除。图5.7高频闭锁力向保护的作用原理图5.8（a）为电流启动高频闭锁方向保护的方框原理图，图5.8（b)为功率方向元件S+的保护区。图中的I和I′为电流启动元件。I较I′灵敏，即I的动作电流较小，I动作后，经t1，否4去启动发信机。S+为短路功率为正时动作的功率方向元件。I′、S+动作后,经与5.2.2高频闭锁方向保护的启动方式（1）电流启动方式2、t3准备跳闸，并将否4闭锁，使发信机停信；内部短路时，被保护线路两侧的I、I′和S+均动作，发信机开始发信；经t3延时后，又将发信机停信。两侧收信机均收不到高频闭锁信号，于是，否5开放，两侧断路器跳闸。外部短路时，近短路侧的S+不动作，与2、t3不开放，否4不闭锁，发信机一直发信。两侧收信机收到高频信号，否5不开放，两侧的断路器均不会跳闸。图5.8电流启动高频闭锁方向保护的力框原理图(a）方框原理图；(b)S+的保护区由于被保护线路两侧的TA有误差（最大达10%）和两侧电流启动元件的动作电流可能有士5％的误差。如果只用一个电流启动元件，则在外部短路时，可能出现近短路侧的电流元件拒动、而远离短路侧的启动元件动作的情况。于是，近短路侧的发信机不发信，远离短路侧的发信机仅t3时间内发信，t3延时后，收信机收不到高频闭锁信号远离短路侧的SK为正方向，S+动作，从而会使该侧断路器误跳闸。采用两个灵敏度不同的电流启动元件的原因可采用两个动作电流IOP不等的电流启动元件；用IOP较小的电流启动元件I去启动发信机，IOP较大的I′准备跳闸。这样就可保证在外部短路一侧的I′动作时，对侧的I也一定动作，从而可保证发信机发信，避免上述的误动作。问题的解决I和I′的动作电流比的选择按最不利情况进行，即按线路一侧TA无误差，电流启动元件的Iop有＋5％的误差；另一侧TA有-10％误差，电流启动元件的Iop有-5％的误差。因而两个电流启动元件的动作电流比为：''(10)(10.5)1.23(5.3)(10.1)(10.05)(1.5~2)(5.4)OPOPOPOPIIII实用上采用:.max(5.5)relOPLrerelreKIIKKK式中:可靠系数,取为1.11.2;返回系数,取为0.85如果采用接相电流的启动元件，则IOP按躲过最大负荷电流IL.max整定，即远距离重负荷的输电线路上，这种电流启动元件往往不能满足灵敏度的要求，在此情况下应采用负序电流元件。较灵敏的负序电流元件的动作电流IOP.2按躲过最大负荷情况下的最大不平衡电流Iunb.max整定，即2maxmax0.1(5.6)relOPunbLreKIIIK由于外部短路时，远离短路侧的发信机能在t3时间内发信，否5闭锁使保护不误跳闸。如t3不延时动作，则本侧的收信机将来不及收到对侧送来的高频闭锁信号，保护就会误动作跳闸，所以t3的延时动作是必要的。t3的大小按下式计算：t3延时动作的原因33(416)(5.6):pdypdytttttmsttt取式中高频信号沿通道传送的时间;两侧保护和高频发信机动作时间之差值;裕度时间t1延时返回的原因外部短路切除后，线路两侧的I、I‘和S+均返回，近短路侧延时t1返回，发信机在t1时间内继续发信。从而保证了远离故障侧的发信机能继续收到高频闭锁信号，使否5不开放，保护不致误跳闸。否则，当近短路侧的I先返回而远离短路侧的I‘、S+后返回时，该侧否5可能开放使断路器误跳闸。通常取t1=0.5s。在环形网络或双回线的某一线路（如图5.9中的线路I)高频保护退出工作时，如果在该线路的相继动作区内发生故障（K点故障）,1QF跳闸前，线路Ⅱ的短路功率SK是从变电站B流向变电站A。1QF跳闸后，2QF跳闸前，SK将反向，从变电站A流向变电站B。在此功率换向过程中，线路Ⅱ的高频闭锁方向保护是不会误动作的。因为3QF侧的保护在IQF跳闸后，S+才动作，与2开放，经t3延时后，才能停信，在t3时间内将保护闭锁。4QF侧的发信机在1QF功率换向时，保护的工作情况跳闸后