第五章 输电线路保护的全线速动保护
《电力系统继电保护及安全自动装置技术规程》规定
一、110～220kV中性点直接接地电力网中的线路保护，符合下列条件之一时，应装设一套全线速动保护
1．根据系统稳定要求有必要时；
2．线路发生三相短路，如使发电厂厂用母线电压低于允许值(一般约为70%额定电压)，且其他保护不能无时限和有选择地切除短路时；
3．如电力网的某些主要线路采用全线速动保护后，不仅改善本线路保护性能，而且能够改善整个电网保护的性能。
二、对220kV线路，符合下列条件之一时，可装设二套全线速动保护。 （一）根据系统稳定要求；
（二）复杂网络中，后备保护整定配合有困难时。
对于220kV以上电压等级线路，应按下列原则实现主保护双重化： 1．设置两套完整、独立的全线速动主保护；
2．两套主保护的交流电流、电压回路和直流电源彼此独立；
3．每一套主保护对全线路内发生的各种类型故障（包括单相接地、相间短路、两相接地、三相短路、非全相运行故障及转移故障等），均能无时限动作切除故障；
4．每套主保护应有独立选相功能，实现分相跳闸和三相跳闸； 5．断路器有两组跳闸线圈，每套主保护分别起动一组跳闸线圈；
6．两套主保护分别使用独立的远方信号传输设备。若保护采用专用收发信机，其中至少有一个通道完全独立，另一个可与通信复用。如采用复用载波机，两套主保护应分别采用两台不同的载波机。
三、对于330~500kV线路，应装设两套完整、独立的全线速动保护。接地短路后备保护可装设阶段式或反时限零序电流保护，亦可采用接地距离保护并辅之以阶段式或反时限零序电流保护。相间短路后备保护可装设阶段式距离保护。
500kV线路的后备保护应按下列原则配置 1．线路保护采用近后备方式。
2．每条线路都应配置能反应线路各种类型故障的后备保护。当双重化的每套主保护都有完善的后备保护时，可不再另设后备保护。只要其中一套主保护无后备，则应再设一套完整的独立的后备保护。
3．对相间短路，后备保护宜采用阶段式距离保护。
4．对接地短路，应装设接地距离保护并辅以阶段式或反时限零序电流保护；对中长线路，若零序电流保护能满足要求时，也可只装设阶段式零序电流保护。接地后备保护应保证在接地电阻不大于300Ω时，能可靠地有选择性地切除故障。
5．正常运行方式下，保护安装处短路，电流速断保护的灵敏系数在1．2以上时，还可装设电流速断保护作为辅助保护。
第一节 输电线路的纵联差动保护
一、概述
超高压输电电网要求继电保护快速动作。继电保护的快速动作可以减轻故障元件的损坏程度，提高线路故障后自动重合闸的成功率，特别是有利于故障后电力系统的稳定性。在近几十年，我国继电保护工作者为提高保护的动作速度作了很大努力，取得显著成效，其中对电力系统影响最大的是反映故障分量的超高速继电保护原理的应用。
输电线路保护的全线速动保护是指利用输电线路两端的电气量信号进行比较，来判断故障点是否在线路内部，以决定是否动作的一种保护。线路两端的电气量信号的传输通道从纵联差动保护的角度上讲有四种方式，即导引线、输电线路、微波和光纤。利用这四种通道可以构成纵差动保护（导引线保护）、高频保护（载波保护）、微波保护和光纤保护。这四种传递信号的方式虽然不同，但结果却是相同的，即能快速切除全线范围内的故障，没有后备保护作用。
II输电线路的纵联差动保护是用辅助导线将被
II1II1保护线路两侧的电气量连接起来，通过比较被保
I1I1护线路的始端与末端电流的大小及相位构成的保护，因此又叫导引线纵联保护（又称导引线保护）。
k2二、基本工作原理 Ik2Ik2在线路两侧装设性能和变比完全相同的电流
I2I2互感器，两侧电流互感器一次回路的正极性均置III2III2于靠近母线侧，二次回路用电缆将同极性端相连，IIIIk1差动保护的线圈则并于电流互感器二次回路的闭
环回路上，如图5-1所示。
（a） (b) 当线路正常运行或外部故障时，差动保护线圈
5-1 线路纵差保护原理图 中流入的电流为两侧电流互感器二次电流之和，
（a）外部短路；（b）内部短路 而两侧电流的相位却相反，它们相互抵消，即相
当于差动保护线圈中没有电流流过。如图5-1（a）所示，短路电流为：
Ik2?II1?III2?1(I1?I2)＝0 （5-1） nTA保护不动作，实际上由于两侧电流互感器的性能不可能完全相同，因而会有一个不平衡电流Iunb流入差动保护的差动线圈。
假设线路内部发生故障时：
（1）若输电线路为单侧电源，流入保护的电流为：
Ik2?III1?1I1 （5-2） nTA当流入保护中的电流大于保护的整定电流时，保护动作，断开电源侧断路器。
（2）若线路两侧电源，流入保护的电流为：
Ik2?II2?II2?I1（5-3） (II??II??)?KnTAnTA
当电流大于保护动作电流时，保护动作，瞬时跳开线路两侧的断路器。
三、纵联差动保护的不平衡电流
由于电流互感器总是有励磁电流，且励磁特性不完全相同，即使是同一制造厂生产的相同型号、相同变比的电流互感器也是如此。因此，正常运行和外部故障时，差动线圈中流入的电流不为0。
Ik2?II1?III2?11[(I1?IIE1)?(I2?IIE2)]?(IIE1?IIE2)?Iunb （5-4） nTAnTA电流Iunb称为不平衡电流。它等于两侧电流互感器的励磁电流相量差。外部短路时，短路电流使
铁芯严重饱和，励磁电流急剧增大，从而使Iunb比正常运行时大很多。
四、纵联差动保护的特点
纵联差动保护是测量两侧电气量的保护，能快速切除被保护全线范围内故障，不受负荷及系统振荡的影响，灵敏度高，动作速度快，构成原理简单。但存在两个缺陷：一是必须装设与一次线路等长的二次线路来构成保护回路，极易造成二次线路的断线和短路，从而造成保护的误动、拒动。二是没有后备保护，一旦保护拒动可能造成严重的后果，必须装设专门的后备保护。
为了充分利用纵联差动保护的优点避免缺陷构成危害，输电线路的纵联差动保护通常应用于线路较短的重要线路上，以及发电机、变压器、母线、电动机等元件保护上。
第二节 输电线路高频保护概述
对于超高压、远距离输电线路，为了能满足系统的稳定性，线路上任何地方发生故障，继电保护都应该无时限动作于跳闸。高频保护克服了输电线路纵联差动保护的缺点，充当了超高压输电线路的主保护。所谓高频保护是将线路两端的电气量转化为高频电流信号（一般为50~300KHz），然后利用输电线路构成的高频通道将此信号送至对端进行比较，决定保护是否动作的一种保护。目前广泛采用的高频保护有：高频闭锁方向保护、高频闭锁距离保护、高频闭零序保护等。从严格意义上讲，利用微波通道构成的微波保护和利用光纤通道构成的光纤保护都属于高频保护。
一、高频保护基本知识 （一）高频通道的构成
高频通道从广意上讲有载波通道、微波通道和光纤通道，在此讲述的是输电线路构成的高频通道。输电线路高频通道是利用输电线路作为传输媒介：具有高安全性和可靠性，是我国电力调度和继电保护最普遍使用的通道。对继电保护来说分专用和复用通道两种，其基本结构如图5-2，专用通
道用相——地耦合
A图5-2（a），复用通AB道一般为允许式图1BC5-2（b），常采用相—12—相耦合。 C3相——地耦合的223通道是由阻波器、耦结合滤波器4合电容器、连接滤波
4器、高频电缆、高频565收、发信机组成。 保护专用收发讯机保护音频接口载波机 （1）阻波器：由
(a) (b) 电感线圈和可变电
图5-2 高频通道的构成 容并联组成，并联谐振时，对于载波信号
电流呈现为高阻抗（大于800Ω），阻止载波信号向母线分流，使载波信号电流沿高压线路向对端传送，特别是该上当母线或其他出线发生故障时，将信息短路。对工频电流为低阻抗（约为0. 4Ω），畅通无阻。
（2）耦合电容器：与阻波器相反，对载波信号为低阻抗，畅通无阻，对工频电流为高阻抗，阻止分流，防止高电压对通信设备的危害。
（3）连接滤波器：耦合电容器与连接滤波器共同组成一个“带通滤波器”。主要是阻抗匹配作用，由于220KV输电线路的波阻抗约为400Ω左右，330KV、500 KV线路，沿线路阻抗约为300Ω左右。系统中用的高频电缆一般有75Ω，100Ω等，需要进行阻抗匹配，防止电磁波在传送过程中产生反射，以减少高频信号的衰耗，提高传输效率。
（4）高频电缆：用来连接高频收发信机和连接滤波器。高频电缆采用同轴电缆，早期阻抗为100
Ω，近年按通信标准采用75Ω，一是减少高频信号的衰耗，二是减少外部信号对高频信号的干扰。
（5）高频收、发信机
高频收、发信机是专门用于发送和接收高频信号的设备。高频发信机将保护信号进行调制后，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，高频收信机收到本端和对端发送的高频信号后进行解调，变为保护所需要的信号，作用于继电保护，使之跳闸或闭锁。
维护电话入接口回路逻辑回路晶振合成前置放大功率放大f0线路滤波至通道操作电源起信停信保护故障收信输出（开头位置）收信起动电平低落12kHz高频解调f0收信高滤-40V-15V+15V+24V逆变电源220V，DC110V，DC维护电话出
图5-3 高频收发信机原理方框图
高频收发信机的型号有很多，现以按“四统一”原则设计的高频收发信机为例，介绍其工作原理。原理图见5-3所示。正常运行时，没有保护命令输入，装置不向通道发送高频信号。当线路发生故障时，继电保护动作“起动发信机”，触点闭合，经“接口回路”、“逻辑回路”，控制“晶振合成”发出f0高频信号。该信号经“前置放大”、“功率放大”放大后，通过“线路滤波”送往通道。当继电保护送来“停信”信号时，发信回路由“接口回路”控制立即停止发f0高频信号。
收信机回路由收信滤波器、高频解调、收信起动、接口回路组成。发信回路发信时由逻辑回路送出一直流电位，控制收信滤波器中的开关门，使其关闭，拒绝接收功率放大器来的高频大功率信号及对侧送来的高频信号。而本侧的高频信号直接从“前置放大”引入小功率信号至收信机滤波器。本侧停信时，开关门打开，以接收对侧传来的高频信号。被接收的信号经过高频解调，被解调成12Kz的中频信号，再经中频滤波和放大后输出两路信号，一路经“接口回路”作为收信输出信号送至继电保护，另一路作为通道衰减增加超过3bB的告警指示信号。
“保护故障”是保护设备发生故障时送出的报警，该触点闭合后经“接口回路”去起动发信回路发高频信号，以闭锁两侧的保护设备，防止误跳闸。 本侧发该收发信机具有通道检查和远方起动功能。当按动本侧对侧发“逻辑回路”面板上的试验按钮，发信机回路瞬时起信将高频信号送至对侧，对侧收信回路收到信号，通过逻辑回路使对侧发信机发信，这就是远方起动功能。通道检查过程是本侧先发t200ms，然后本侧停信5s，再发10 s，本侧输出端信号波形如图5-4所示。本侧信号与对侧信号电平不同，以便于区别。 200ms5s5s5s 高频收发信机装置中的逆变电源是向整个装置提供直流图5-4 通道检查时高频信号示意图 的自稳压电源。它的基本原理框图如图5-5所示。逆变电源首先将直流变为交流（逆变），再经降压、整
-40V逆变电源降压整流稳压1流、自稳压到所需电压值。对高频收发信
机有-40V、+24V、+15V、-15V四组电压±15V220V，DC稳压1（110V，DC）输出。无论哪一组电压失压，都能输出一
+24V稳压1个电源故障信号。
（二）高频信号 图5-5 逆变电源原理框图 高频信号是在电力系统故障时，线路
两端保护用来传递信息的。对于故障时发信方式，有高频电流即有信号。对于长期发信方式，无高频电流就是有信号，对于移频方式，故障时发出的某一频率的高频电流为有信号。
收发信号按高频信号的作用，高频信号可分为闭锁信号、允许信号和跳闸信号三种。
（1）闭锁信号如图5-6（c）所示：闭锁信号是防止保护动作将保护闭锁的信号。当线路内部故障时，两端保护不发出闭锁信号，通道中无闭锁信号，保护跳闸跳闸保护保护跳闸保护&&≥1作用于跳闸。因此，无闭锁信
允许信号闭锁信号号保护动作于跳闸的必要条跳闸信号件。当线路外部故障时，通道
（a） （b） （c） 中有高频闭锁信号，两端保护
图5-6 高频信号逻辑图 不动作。由于这一方式只要求
（a）跳闸信号；（b）允许信号；（c）闭锁信号 外部故障时通道才传送信号，
而内部故障时则不传递高频信号。因此，线路故障对传送信号无影响，通道可靠性高。广泛采用故障起动发信机。
（2）允许信号如图5-6（b）所示：允许信号是允许保护动作于跳闸的高频信号。收到高频允许信号是保护动作于跳闸的必要条件。
（3）跳闸信号如图5-6（a）所示：跳闸信号是线路对端发来的直接使保护动作于跳闸的信号。只要收到对端发来的跳闸信号，保护直接作用于断路器跳闸，而不管本端保护是否起动。
（三）高频通道的工作方式 （1）正常时无高频电流方式
正常运行时，高频通道中无高频电流通过，当电力系统故障时，发信机由起动元件起动发信，通道中才有高频电流出现。这种方式称为故障时发信方式。其优点是可以减少对通道中其他信号的干扰，可延长收发信机制寿命。其缺点是要有起动元件，延长了保护的动作时间，需要定期起动发信机来检查通道是否良好。这是目前广泛采用的一种方式。
（2）正常时有高频电流方式
正常运行时，发信机发信，通道中有高频电流通过。故这种方式又称长期发信方式。其优点是使高频通道经常处于监视状态下，可靠性较高。保护装置中无需设置收发信机的起动元件，使保护简化，并可提高保护的灵敏度。其缺点是收发信机的使用年限减少，通道间的干扰增加。
（3）移频方式
正常运行时，发信机发出f1的高频电流，用以监视通道及闭锁高频保护。当线路发生短路故障时，高频保护控制发信机移频，发出f2的高频电流。移频方式能经常监视通道情况，提高通道的可靠性，加强了保护的抗干扰的能力。
＊第三节 高频保护中的方向元件
不同线路保护装置所采用的方向元件原理是不同的，RCS—901型装置采用工频变化量方向元件和零序方向元件、RCS—902型装置采用复合式距离方向元件和零序方向元件、
ΔEM=0MΔIk1NΔEN=0k2PSL601型装置则是能量积分方向元件。本
节主要以工频变化量方向元件为主。
1. 工频变化量方向元件
ΔU工频变化量方向元件是近些年来开发ΔE出的新保护原理的方向元件，具有可靠性高；动作速度快；易于获取分量等优点。
Z1MZ1N是当前微机保护中首选方向元件，广泛应
Z2MZ2N用于方向电流保护、零序方向电流保护、Z0MZ0N 高频方向保护等。
图5-7 工频变化量等效电路图 工频变化量方向元件判别故障分量中
?与⊿I?之间的相角。 ⊿U
第五章全线速动保护
