第五章全线速动保护

?与⊿I?角度分析： 工频变化量⊿U设系统如图5-7所示。由于工频变化量方向元件反应故障分量中的工频成分，产生工频变化量的

?，工频变化量电源仅是故障点的附加电源。在图中的K1点故障时，相当于K1点投入一新电源⊿E即由此新电源产生。

由对称分量法可得

???I???I???I???IU120??2?????IV???I1???I2??I0 （5-5）

2???I????W???I1???I2??I0式中，?为算子，?＝ej120＝—由式（5-6）可得

013＋j。 22??(1??2)?I??(1??)?I???IUV12??2??(???2)?I? （5-6） ??IVW?(???)?I122??I??(??1)?I??(??1)?I?WU12?同理可得

??(1??2)?U??(1??)?U???UUV12??2??(???2)?U? （5-7） ??UVW?(???)?U12??U??(??1)?U??(?2?1)?U?WU12?输电线路正序阻抗Z1m与负序阻抗Z2m相等，即Z1m=Z2m。在正方向短路时

?1???I?Z??U11m? （5-8） ???U????2???I2Z2m???I2Z1m取UV相间方向元件为分析对象，说明工频变化量方向元件的工作原理。 正方向故障（图2-17中K1点故障）正方向元件的测量角φ? 为

???I?CZ?UUVUVset （5-9） φ?＝arg??IUVZset式中 Zse——整定阻抗（故障点到保护范围末端的阻抗，取； Zset的阻抗角等于Zm的阻抗角）tC——补偿系数，一般取C＝0.35～0.45。

则

??(1??)?U???I?CZ(1??2)?U12UVsetφ?＝arg

??IUVZset?Z?(1??)?I?Z??I?CZ(1??2)?I11m22mUVset＝arg

?Z?IUVset?(Z?CZ)??IUV1mset＝arg＝180° （5-10）

??IUVZset工频变化量方向元件设有正方向元件和反方向元件。正方向元件动作后开放保护；反方向元件

动作后闭锁保护。为此，在分析工频变化量方向元件的工作原理时，应同时分析正、反方向元件的工作特性。

正方向故障，反方向元件的测量角φ?为

??UZUVφ?＝arg?arg1m?0? （5-11）

?ZZset??IUVset反方向故障，正、反方向元件的测量角分别是

φ??argZ1m?CZset?0

ZsetZ1m?180 (5-12) ?Zsetφ?= arg综上所述：当正方向故障时，正方向元件的测量角为180°；反方向元件的测量角为0°。当反方向故障时，正方向元件的测量角为0°；反方向元件的测量角为180°。

方向元件的动作条件可规定为180°，正方向元件动作后开放保护，反方向元件动作后闭锁保护。

?与⊿I?异极性的时间来实现对φ 、φ的检测。对正方向元件，在实际装置中，可通过判别⊿U???与⊿I?异极性的时间大于4ms时动作；对反方向元件，当⊿U?与⊿I?异极性的时间大于3ms当⊿U时动作。动作条件并非180°（工频180°对应10ms）。经调整后，既增强了装置的抗干扰能力，也提高了装置动作的可靠性。

在正方向元件比较式（2-30）中，引入CZset是为提高反应正方向故障的灵敏度。因为

∠φset=∠φm

式中 φset——整定阻抗角；

φm——测量阻抗角。

uU-u0带通滤波记忆减ΔU+-A1&A3&t1t2ΔIZm(IU-I0)Zm带通记忆减+-A2& 图5-8 工频变化量方向元件原理框图 所以，引入后不会改变方程原有的性质。

工频变化量方向元件的原理框图如图5-8所示。

图5-8中，首先由带通滤波器滤出输入电压中的工频分量，工频分量输送给记忆和减法器。记忆

?与⊿I?Z。将电压、电流输入到回路记忆故障前的工频电压与当前电压相减后形成工频变化量⊿Um减输出，称为工频变化量形成器。工频变化量形成后，分别由极性形成回路形成“+”、“-”极性信

号，然后由与门电路A1、A2、A3进行比较，经t1积分（判断异极性的时间），t2展宽（记忆），到40ms输出。

工频变化量方向元件有许多优点，有极广泛的适用性，较少受系统结构、运行方式、故障方式、故障点过渡电阻、非全相运行以及交流暂态过程等影响，原理构成简单，易于实现，动作速度快，是目前线路快速保护的主流方向元件。

2. 能量积分方向元件

根据叠加原理，系统发生故障后可分解成正常系统和故障分量系统。图5-9表示线路正方向短路时的故障分量系统。F为故障点， Pm、Pn为系统等效无源网络。Δi、 Δu为线路故障电流分量和故障电压分量。

（a） （b）

图5-9 接地故障附加网络图

（a）正方向故障；（b）反方向故障

由图5-9可知故障分量系统是一个单激励网络，故障前系统初始值为零，故障时(t=0)在故障点

上突然加上一个假想电源?uF(t)令

Sm (t)＝

??u?idt （5-13）

??t显然Sm(t)为?uF(t)向Pm提供的能量，设SPm(t)为Pm在故障后所吸收的能量。考虑到Δi的参考方向有

Sm (t)＝?SPm(t) （5-14）

由于Pm是初始值为零的无源网络，它只能吸收能量，故有

SPm(t)>0 （5-15）

故 Sm (t)< 0 （5-16）

综上所述能量函数有如下性质： （1） Sm (t)＝ 0无故障 （2） Sm (t) < 0正向故障 （3） Sm (t) > 0反向故障

能量方向元件是根据故障附加网络的能量来判别故障方向从理论上解决了传统的故障分量超高速保护不能长期保持正确方向的缺点保护的动作快速性与安全性之间的矛盾得到了完美解决。

?|+、|ΔI?|_为相间电压突变量、图5-10示出了能量积分方向元件的功能逻辑图，其中|ΔU????相间电流突变量反向短路故障时能量积分方向元件的起动量；SS+（j）、SS_（j）为能量积分方向元

件的输出。正向短路故障时，SS+（j）为“1”，反向短路时，SS_（j）为“1”。

图5-10 能量积分元件功能逻辑图

第四节 高频保护的基本原理

（一）高频闭锁方向保护的基本原理

高频闭锁方向保护是由线路两侧的方向元件分别对故障的方向做出判断，然后通过高频信号做出综合的判断，即对两侧的故障方向进行比较以决定是否跳闸。在继电保护中规定，从母线流向线路的短路功率为正方向，从线路指向母线的短路功率为负功率方向。闭锁式方向高频保护的工作方式是当任一侧方向元件判断为反方向时，本侧保护不跳闸，同时由发信机发出闭锁高频信号，对侧收信机收到信号后输出脉冲闭锁该侧保护，故称为高频闭锁方向保护，见图5-11。

如图5-12所示，高频闭锁方向保护的继电保护部分由起动元件和方向元件组成，。起动元件主要用于故障时起动发信机，发出高频信号；方

PMNQ向元件主要测量故障方向，在保护的正方向闭锁信号闭锁信号故障时准备好跳闸回路。高频闭锁方向保护按起动元件的不同可以分为三种：电流元件123456 起动、方向元件起动、远方起动。

5-11 高频闭锁方向保护原理图 １．电流元件起动的高频闭锁方向保护 电流元件起动的高频闭锁方向保护如图

所示，被保护线路两侧各有一套高频保护，起动元件由两部分组成：高灵敏度工频变化量电流元件和低灵敏度工频电流变化量电流元件。高灵敏度工频变化量电流元件ΔI1用以起动发信机；低灵敏度工频电流变化量电流元件ΔI2起动保护。

（1）高频通道采用故障发信工作方式，当正常运行时起动元件不起动，发信机不发信，保护不动作。

（2）保护区外部故障时，起动元件起动，起动发信机发信，但靠近故障点的高频保护功率方向是负方向，方向元件S不动作，发信机持续发信，两侧收信机均能收到闭锁信号，保护被闭锁。

（3）保护线路内部故障时，两侧保护的

起动元件均起动。ΔI1起动发信，ΔI2起动

5-12 电流元件起动的高频闭锁方向保护原理图

保护，由于两侧均为功率正方向，方向元件

动作，经t2延时后闭锁发信机，使两侧发信机停信，此时两侧收信机均收不到闭锁信号，两侧禁止门J2均开放，发出跳闸命令。

时间元件是t1是瞬时动作、延时返回的电路，它的作用是在起元件返回后，使接受反向功率一侧的发信机持续发出闭锁信号。以防止外部故障切除后，正功率侧保护在未返回时，因闭锁信号消失而误动作。

时间元件是t2是延时动作、瞬时返回的时间电路，它的作用是推迟停信和接通跳闸回路的时间，以等待对侧闭锁信号的到来。在保护区外故障时，让远故障点侧的保护收到对侧送来的高频闭锁信号，从而防止保护误动作。

2．方向元件起动的高频闭锁保护

（a） 原理逻辑图如5-13（a）所示，负功率元件起动发信机，正功率元件起动保护跳闸。高频通道仍然采用故障起动发讯发信工作方式，负功率时，S-有输出；正功率时S+有输

停讯出。

（1）当正常运行时起动元件不起动，发信机不发信，正功率保护不动作。

负功率跳闸（2）保护区外部故障时，远故障点保护为正功率，

保护元件起动，发信机不发信，但靠近故障点的高频保收讯护功率方向是负方向，发信机发出高频闭锁信号，方向

（b） 元件S+不动作，发信机持续发信，两侧收信机均能收到

MN闭锁信号，保护被闭锁。

负功率正功率（3）被保护的双电源线路发生内部故障时，两侧保

护的S-起动元件均不起动。发信机不发信。由于两侧均线路为功率正方向，S+方向元件动作，经t2延时后闭锁发信

负功率机，使两侧发信机停信，此时两侧收信机均收不到闭锁正功率 信号，两侧禁止门J2均开放，发出跳闸命令。

（c） 时间元件是t1是瞬时动作、延时返回的电路，它的

5-13 方向元件起动的高频闭锁方向保护 作用是在起元件返回后，使接受反向功率一侧的发信机

（a）原理逻辑图；（b）保护实际逻辑图；（c）方向元持续发出闭锁信号。以防止外部故障切除后，正功率侧

件保护区 保护在未返回时，因闭锁信号消失而误动作。

时间元件是t2是延时动作、瞬时返回的时间电路，

它的作用是推迟停信和接通跳闸回路的时间，以等待对侧闭锁信号的到来。在保护区外故障时，让远故障点侧的保护收到对侧送来的高频闭锁信号，从而防止保护误动作。

由于起动元件仅判别方向，没有定值，所以具有很高的灵敏度。 t1J1O0在微机保护的纵联差动保护中，其实际逻ΔI1≥1发信机通t1辑图如5-13（b）所示，保护不再使用方向元道收信机t3件来起动保护，而是采用专门的起动元件，跳

J2t3闸和停信使用正功率元件与负方向元件的非0逻辑，方向元件更可靠。 At2t23．远方起动的高频闭锁保护

S&跳闸0如图5-14所示，远方起动的高频闭锁保

护，只有一个起动元件I，发信机既可由起动

5-14 远方起动的高频闭锁方向保护原理图 元件起动，也可以由收信机收到对侧高频信号后经延时元件t3、或门O、禁止门J1负功率元

件起动发信机，这种起动方式称为远方起动。在外部短路时，任何一侧起动元件起后，不仅起动本

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