第1页：输电线路纵联保护目录
输电线路纵联保护
- 第1节 输电线路纵联保护概述
- 第2节 输电线路纵联保护两侧信息的交换
- 第3节 方向比较式纵联保护
- 第4节 纵联电流差动保护
第2页：第1节 纵联保护概述
第1节 输电线路纵联保护概述
- 仅反映线路一侧的电气量不可能快速区分本线路末端和对侧母线（或相邻线始端）故障，因此采用电流、距离保护等阶段式保护的配合，对于线路末端故障需要采取这些保护的 II 段延时切除；
- 这在 220 kV 及以上电压等级的电力系统中难于满足系统稳定性对快速切除故障的要求；
- 实践表明，反映线路两侧的电气量可以快速、可靠地区分本线路内部任意点短路与外部短路，达到有选择、快速切除全线任意点短路的目的。
第3页：纵联保护的定义与分类
- 输电线路纵联保护
- 将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧电气量同时比较、联合工作，在线路两侧之间发生纵向联系，以这种方式构成的保护。
比较的电气量可以是流过两端的电流、两端电流的相位和两端功率的方向等，不同电气量的差别构成不同原理的纵联保护。一套完整的纵联保护包括两端的保护装置、通信设备和通信通道，按所利用信息通道的不同可分为导引线保护、载波保护、微波保护和光纤保护。
第4页：导引线与载波通道
纵联保护在应用下列通道时应考虑的特点：
- 导引线通道：需要铺设导引线电缆，投资随线路长度增加，线路较长时不经济；导引线越长自身运行安全性越低，分布参数直接影响保护性能，限制其在较长线路中的应用。
- 电力线载波通道：利用输电线路构成通道，不需架设专门通道，应用广泛；输电线路机械强度大，运行安全可靠，但在线路故障时通道可能遭到破坏。
- 微波通道：是一种多路通信通道，频带很宽，可以传送交流电的波形，是理想通道，但保护专用微波通道及设备不经济，需综合考虑。
第5页：光纤通道与保护分类
（4）光纤通道：与微波通道具有相同优点，近年来成为短线路纵联保护的主要通道形式。
按照保护动作原理，纵联保护可以分为两类：
- 方向比较式纵联保护：两侧保护装置将本侧功率方向、测量阻抗是否在规定方向、区段内的判断结果送到对侧，每侧根据两侧判别结果区分区内、区外故障；传送逻辑信号，信息量少，可靠性要求高。
- 纵联电流差动保护：利用通道将本侧电流的波形送到对侧，每侧利用两侧电流幅值和相位比较结果区分区内、区外故障；信息传输量大，要求同步采集，实现技术要求较高。
第6页：两端电流相量和特征
输电线路短路时两侧电气量的故障特征分析：纵联保护利用线路两端电气量在故障与非故障时的特征量差异构成保护，当线路发生区内、区外故障时，两端电流波形、功率方向、电流相位以及两端测量阻抗都有明显差异。
1. 两端电流相量和的故障特征：根据基尔霍夫电流定律，正常运行或外部故障的输电线路，在不考虑分布电容和电导影响时，任何时刻其两端电流相量和等于零；故障时故障点有短路电流流出，两端电流相量和等于流入故障点的电流。
第7页：两侧功率方向特征
2. 两侧功率方向的故障特征：
- 发生区内故障时，两端功率方向为母线流向线路，两侧功率方向相同，同为正方向；
- 发生区外故障时，远故障点端功率由母线流向线路，功率方向为正，近故障点端功率由线路流向母线，功率方向为负，两侧功率方向相反。
第8页：电流相位与测量阻抗特征
- 3. 两端电流相位特征：发生区内短路时两侧电流同相位；正常运行和区外短路时两侧电流相位差 180°。
- 4. 两端测量阻抗的特征：区内短路时两端测量阻抗都是短路阻抗，一定位于距离 II 段动作区内，两侧 II 段同时启动；正常运行时为负荷阻抗，II 段不启动；区外短路时两侧阻抗也是短路阻抗，但一侧为反方向，至少有一侧的距离 II 段不启动。
第9页：纵联电流差动原理
纵联保护的基本原理：根据输电线两侧电气量在正常运行、区外故障和区内短路时的特征差异，可以构成不同原理的输电线路纵联保护。
1. 纵联电流差动保护：利用输电线路两端电流波形和或电流相量和的特征构成。
- 发生区内短路时，电流相量和为短路电流；
- 正常运行和外部短路时，由于受 TA 误差、线路分布电容等因素影响，实际上不为零，电流相量和应大于一门槛值。
第10页：方向比较式纵联原理
2. 方向比较式纵联保护：利用输电线路两端功率方向相同或相反的特征构成。当系统中发生故障时，两端保护的功率方向元件判别流过本端的功率方向：
- 功率方向为负者发出闭锁信号，闭锁两端保护，称为闭锁式方向纵联保护；
- 功率方向为正者发出允许信号，允许两端保护跳闸，称为允许式方向纵联保护。
第11页：电流相位比较式纵联
3. 电流相位比较式纵联保护：利用两端电流相位的差异比较相位关系构成。两端保护将本侧电流正负半波信息转换为表示电流相位的信号送往对端，同时接收对端送来的电流相位信号与本侧相位信号比较。
- 输电线路内部短路时，两端电流相角差为零，保护动作，跳开本端断路器；
- 正常运行或区外故障时，两端电流相角差为 180°，保护不动作；
- 考虑互感器误差等影响，实际区外故障两端电流相角差近似为 180°，区内故障两侧电流也不完全同相位。
第12页：距离纵联保护
4. 距离纵联保护：构成原理和方向比较式纵联保护相似，只是用阻抗元件代替功率方向元件。
- 当故障发生在保护 II 段范围内时相应的方向阻抗元件才启动，故障发生在距离保护 II 段以外时阻抗元件不启动，减少了方向元件的启动次数，提高了保护的可靠性；
- 一般高压线路配备距离保护作为后备，距离保护 II 段作为方向元件，简化了纵联保护（主保护），但导致后备保护检修时主保护被迫停运的不足。
第13页：第2节 导引线通信
第2节 输电线路纵联保护两侧信息的交换：输电线路保护目前常用的通信方式有导引线通信、电力线载波通信、微波通信、光纤通信等。
- 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线路各侧信息的通信方式，以此构成的保护称为导引线纵联保护。
- 优点：不受电力系统振荡的影响、不受非全相运行的影响、简单可靠、技术成熟；
- 缺点：保护性能和投资受导引线长度影响，线路越长安全可靠性越低、投资越大。
第14页：电力线载波通信
电力线载波通信：输电线路用作载波通道时，必须装设专用加工设备，将同时在输电线路上传送的工频和高频电流分开，并将高频收、发信机与高压设备隔离，以保证二次设备和人身安全。
- 「相—相」制：高频收、发信机通过结合电容器连接在输电线路两相导线之间，通道衰耗小，但所需加工设备多、投资大；
- 「相—地」制：高频收、发信机通过结合电容器连接在输电线一相导线与大地之间，传输效率低，但所需加工设备少、投资较小，目前国内外一般都采用这种方式。
第15页：载波通道构成图
图示电力线载波通道各加工设备（高频阻波器、耦合电容器、连接滤波器、高频电缆、保护间隙、高频收发信机）在变电站与输电线路之间的连接关系。
说明：本页源文件主要为通道构成图，文字版给出图示说明，具体接线请对照原课件图片。
第16页：高频阻波器与耦合电容器
电力线载波通信的构成：
- 1. 高频阻波器
- 由电感和电容组成的 50 Hz 并联谐振回路，串接在输电线工作相中，对工频阻抗很小（一般小于 0.04 Ω），对高频载波电流阻抗很高（约大于 1000 Ω），使高频信号被限制在被保护线路范围内，不会穿越到相邻线路上去。
- 2. 耦合电容器
- 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；对工频电流呈现极大阻抗，工频泄漏电流极小。
第17页：连接滤波器与高频电缆
- 3. 连接滤波器
- 与耦合电容器构成一个带通滤波器，连接于高压输电线路与高频电缆之间：带通范围内的高频信号通过时衰耗最小，工频电流通过时衰耗尽可能大，从而使工频电流截止。
- 4. 高频电缆
- 将位于主控制室的高频收、发信机与户外变电站的带通滤波器连接起来的导线，以便用最小的衰耗传送高频信号。
第18页：保护间隙与收发信机
- 5. 保护间隙
- 高频通道的辅助设备，作为过电压保护用，当线路上遭受雷击产生过电压时通过放电间隙击穿接地，保护收、发信机不致被击毁。
- 6. 高频收、发信机
- 发信机部分由继电保护控制，通常在电力系统发生故障、保护启动之后才发出信号，也有采用长期发信方式；发出的高频信号通过高频通道送到对端收信机，也可被本端收信机接收。收信机接收到本端和对端信号后经比较判断，决定继电保护动作跳闸或闭锁。
第19页：载波通道的特点
电力线载波通道的特点：通道传输信号的频率范围一般为 50～400 kHz（载频过低受工频干扰太大，过高将对中波广播等产生严重干扰且能量损耗大增）。优点：
- 无中继通信距离长：载波通信距离可达几百公里，中间不需要信号的中继设备；
- 经济、使用方便：装置与载波机距离很近，都在同一变电所内，投资省；
- 工程施工比较简单：工作都在变电所内，基本不需另外进行基建工程。
缺点：高压输电线上的干扰直接进入载波通道；通信速率低，难以满足实时性要求。
第20页：载波通道工作方式
电力线载波通道的工作方式分为三大类：正常无高频、正常有高频和移频方式，我国常用正常无高频方式。
- 正常无高频方式：正常工作条件下不发信，故障期间由保护启动元件启动发信，采用手动和自动定期检查的方法检查通道；
- 正常有高频方式：正常工作条件下处于发信状态，通道处于监视状态，但增加了对其他通信设备的干扰，抗干扰能力要求高；
- 移频方式：正常工作和故障条件下分别发不同频率的高频电流，能监视通道工作情况、抗干扰能力强，但占用频带宽、通道利用率低。
第21页：闭锁、允许与跳闸信号
电力线载波信号的种类：根据高频通道传送的信号在保护中所起的作用不同，可以分为闭锁信号、允许信号和跳闸信号。
- 闭锁信号
- 出现高频信号构成不跳闸的充分条件，没有高频信号仅是跳闸的必要条件，与保护装置动作行为组成「与」门构成跳闸的充分条件。
- 允许信号
- 出现高频信号仅构成跳闸的必要条件，必须与保护装置动作行为组成「与」门才构成跳闸的充分条件，没有高频信号则构成不跳闸的充分条件。
- 跳闸信号
- 出现高频信号就构成跳闸的充分条件，不论保护装置是否动作，与继电保护动作信号之间是「或」的逻辑关系。
第22页：信号方式的优缺点
- 采用闭锁信号的优点是可靠性高，线路故障对传送闭锁信号无影响，在以输电线路作高频通道时广泛采用；缺点是要求两端保护元件动作时间和灵敏系数很好配合，保护结构复杂、动作速度慢。
- 采用允许信号的主要优点是动作速度快，在主保护双重化的情况下可以一套用闭锁信号、另一套用允许信号。
- 采用跳闸信号的优点是能从一端判定内部故障，缺点是抗干扰能力差，多用于线路变压器组上。
第23页：间接比较与直接比较
按照高频信号的比较方式，高频信号可分为间接比较方式和直接比较方式两种：
- 间接比较方式：高频信号仅将本侧交流继电器对故障的判断结果传送到对侧，两侧保护根据两侧判断结果作出最终判断，高频信号间接代表交流电气量，可用高频电流的有或无代表逻辑信号的「是」或「非」，对通道要求简单，被广泛采用。
- 直接比较方式：高频信号直接将两侧交流电气量传送到对侧，在两侧继电器中直接比较交流电气量后作出判断，比较复杂，实际使用的高频保护中一般只传送代表电流相位的高频信号。
第24页：高频信号与高频电流
应注意将「高频信号」与「高频电流」两个概念区分开来。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：
- 在经常无高频电流（故障时发信方式）的通道中，故障时发出高频电流的出现就是一种信号；
- 在经常有高频电流（长期发信方式）的通道中，故障时将高频电流停止或改变其频率也代表一种信号。
第25页：微波通信
微波通信：从 20 世纪 50 年代开始在电力系统中得到应用。与电力线载波相比，微波通信频带要宽得多，信息传输容量要大得多。微波通信纵联保护使用的频段属于超短波无线，传输距离不超过 40～60 km，若两个变电站之间的距离超出这个范围就要装设微波中继站。
微波通道的建设往往根据电力系统通信的总体需要统一安排，微波纵联保护的信息传递只使用微波通道容量的一小部分。
第26页：微波通信的特点
微波通信纵联保护的特点：
- 有一条独立于输电线路的通信通道，输电线路上的干扰对通信没有影响，通道检修不影响输电线路运行；
- 扩展了通信频段，可以传递的信息容量增加、速率加快；
- 受外界干扰小，通信误码率低，可靠性高；
- 输电线路的任何故障都不会使通道工作破坏。
微波只能在视线距离内传播的特点决定了通信距离较远时必须架设中继站，通道价格较贵。
第27页：光纤通信
光纤通信：以光纤作为信号传递媒介的通信，光纤通信网正成为电力通信网的骨干网，在电力系统通信中得到越来越多的应用。特点如下：
- 通信容量大；
- 可以节约大量金属材料，经济效果可观；
- 保密性好，不怕雷击，不受外界电磁干扰；
- 具有无感应性能，极为可靠。
光纤通信的主要缺点是通信距离还不够长，在长距离通信时需要中继器及其附加设备。
第28页：第3节 闭锁式方向纵联保护
第3节 方向比较式纵联保护——闭锁式方向纵联保护的工作原理：目前电力系统中广泛使用由电力线载波通道实现的闭锁式方向纵联保护，采用正常无高频、区外故障发闭锁信号的方式工作。此闭锁信号由功率为负的一侧发出，被两端的收信机接收，闭锁两端的保护，故称为闭锁式方向纵联保护。
第29页：闭锁式方向纵联的特点
闭锁式方向纵联保护的特点：这种按闭锁信号构成的保护只在非故障线路上才传送高频信号，而在故障线路上并不传送高频信号。因此在故障线路上，由于短路使高频通道可能遭到破坏时，并不会影响保护的正确动作，这是它的主要优点，也是这种高频信号工作方式得到广泛应用的主要原因之一。
第30页：闭锁式距离纵联保护
- 方向比较式纵联保护可以快速切除保护范围内的各种故障，但却不能作为变电所母线和下级线路的后备；
- 距离保护可以作为变电所母线和下级线路的后备，因此经常把两者结合起来构成闭锁式距离纵联保护，使区内故障能瞬时动作，而区外故障时具有不同的时限特性，起到后备保护的作用；
- 实际上是由两端完整的三段式距离保护附加高频通信部分组成，共用距离保护中的主要元件，因此后备保护检修时主保护被迫停运，运行检修灵活性不足。
第31页：功率倒向的影响
功率倒向对方向比较式纵联保护的影响：K 点故障，1QF 先于 2QF 跳闸。1QF 跳闸前线路 II 中短路功率由 B 侧流向 A 侧，B 侧功率方向为正、方向元件动作并准备跳闸，A 侧功率方向为负、向 B 侧发出闭锁信号，因此线路两端保护不动作。
1QF 跳闸后、2QF 跳闸前，线路 II 中短路功率突然倒向，由 A 侧流向 B 侧，方向元件在短路功率倒向时如果动作不协调就会出现误动作。
第32页：功率倒向的对策
- 1QF 跳闸后，A 侧功率方向由负变正，方向元件动作，停止发信并准备跳闸；此时 B 侧功率方向由正变负，方向元件应立即返回并向 A 侧发闭锁信号；
- 但若 A 侧方向元件动作快、B 侧方向元件返回慢，就会有一段时间两侧方向元件均处于动作状态，造成线路 II 保护误动。
- 解决方法是增加延时返回元件，发信元件动作后延时返回。
第33页：第4节 纵联电流差动保护
第4节 纵联电流差动保护——工作原理：电流差动保护原理建立在基尔霍夫电流定律的基础之上，具有良好的选择性，能灵敏、快速地切除保护区内的故障，被广泛应用于能方便取得被保护元件两端电流的发电机保护、变压器保护中。
第34页：纵联差动原理框图
图示纵联电流差动保护由线路两端电流互感器二次侧与差动继电器构成的差动回路。
说明：本页源文件主要为原理图，文字版给出图示说明，具体接线请对照原课件图片。
第35页：外部短路的不平衡电流
流入差动继电器（差动回路）的电流为两端二次电流之差。当线路外部发生短路时，电流互感器一次和二次电流的方向与正常工作情况相同，流入差动继电器的电流仍为不平衡电流，但短路时一次侧电流为短路电流，比正常时的负荷电流大得多，所以短路时的不平衡电流要大得多。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
第36页：内部短路的差动电流
当线路内部发生短路时，流入差动继电器的电流为故障点总电流的二次值，且远大于正常运行和外部短路时流入差动继电器的不平衡电流。当差动继电器为反映电流过量动作时，线路内部短路它就动作，向被保护线路两侧送出跳闸信号。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
第37页：比率制动特性
在保证外部短路不误动的前提下，为提高内部故障时保护动作的灵敏度，通常用实际短路电流 Ik 产生的不平衡电流代替最大短路电流产生的不平衡电流进行计算。
在差动继电器设计中，Ires 起制动作用称为制动电流，差动电流 Ir 起动作作用称为动作电流，电流差动保护动作方程可表示为 Ir > Kres Ires 的形式。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材动作方程给出文字表述。
第38页：三种制动方式
制动电流采用不同形式时，区外故障时都能可靠不动作，区内故障时灵敏度不同：
- 式 1、式 2 分别为线路两端二次电流的向量差和标量和，统称为比率制动方式；
- 式 3 为标量积，称为标积制动方式。
区外故障和正常运行时，式 1 和式 2 效果相同；但在双侧电源内部短路时，式 1 有更高的灵敏度。对于标积制动方式，单电源内部短路时两个电流量有一为零，此时灵敏度最高。
第39页：带制动特性的差动继电器
纵联电流差动保护特性分析：
- 不带制动特性的差动继电器：动作电流整定值通常按躲过外部短路时的最大不平衡电流、躲过最大负荷电流两个条件选取。
- 带制动特性的差动继电器：有两组线圈，制动线圈流过两端电流之差，在正常运行和外部短路时制动作用增强；动作线圈流过两端电流之和，在内部短路时制动作用减弱、动作作用极强，提高了内部短路时的灵敏性和外部短路时不动作的可靠性。
第40页：纵联电流相位差动
纵联电流相位差动保护：纵联电流差动保护既比较线路两侧电流的大小又比较相位，要求进行相量比较，两端数据比较严格同步，对传输设备的容量和速率有较高要求，主要用于发电机、变压器等集中参数元件上；近年来随着微波、光纤等通信技术的发展，才在远距离输电线路上得到广泛应用。
仅利用输电线路两端电流相位在区外短路时相差 180°、区内故障时相差为零，也可以区分区内区外短路，这就是纵联电流相位差动保护原理，此时只需两端传递各自的相位信息，在远距离输电线路的载波保护中获得广泛应用。
第41页：纵联保护的闭锁角
为保证在任何外部短路条件下保护都不误动，需要分析区外短路时两侧收到的高频电流之间不连续的最大时间间隔，即对应的工频相角差：
- 外部短路时两侧相差 180°；经过电流互感器后，两侧二次电流最大误差不超过 7°；
- 经过保护装置中滤序器及收发信操作回路误差，两侧不超过 15°；
- 高频信号在输电线路上传播，工频角延迟为 L × 6°/100 km。
因而保护闭锁角 φb = 7° + 15° + L × 6°/100 + φy；线路两侧电流相角差在 180° ± φb 范围内时保护不动作。
第42页：互感器误差与电容电流
影响纵联电流差动保护正确动作的因素：
- 电流互感器的误差和不平衡电流：外部短路时由于 TA 传变的幅值误差和相位误差，使二次电流和不再等于零，不平衡电流由两侧 TA 磁化特性不一致造成。为减少不平衡电流，线路两端应采用型号相同、磁化特性一致、铁芯截面较大的高精度电流互感器。
- 输电线路的分布电容电流及其补偿措施：线路具有分布电容，正常运行时两端电流之和为电容电流，电流较小时可用不平衡电流门限值躲过；对于高压长距离架空输电线或电缆线路，充电电容电流很大，通常采用电压测量来补偿电容电流。
第43页：负荷电流的影响
3. 负荷电流对纵联电流差动保护的影响：传统纵联电流保护比较线路两侧的全电流，全电流是故障分量电流和非故障状态下负荷电流的叠加。当区内发生经大过渡电阻短路时，故障分量较小，故障电流与负荷电流相差不是很大，负荷电流为穿越电流，对两侧全电流大小和相位有影响，降低了保护的动作灵敏度。
为消除负荷电流的影响，采用电流的故障分量构成差动保护判据。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据给出文字表述。
第44页：思考题（一）
思考题：
- 纵联保护最基本的原理是什么？
- 纵联保护与阶段式保护的根本区别是什么？试述纵联保护的优、缺点。
- 输电线路纵联保护中通道的作用是什么？通道的种类及优缺点、适用范围有哪些？
- 实现输电线路纵联保护的主要困难是什么？这些困难在集中参数的元件（如发电机、变压器、电动机等）上是否存在？
- 试分析纵联保护中差动回路出现不平衡电流的原因有哪些。
第45页：思考题（二）
思考题（续）：
- 在纵联保护中动作电流的整定计算要考虑哪些因素？为什么？
- 带制动特性的纵联保护与不带制动特性的纵联保护有何不同？
- 高频保护的基本工作原理是什么？
- 输电线路纵联保护中通道的作用是什么？有哪些工作方式？说明其优缺点及适用范围。
