纵联保护及保护通道原理讲义

纵联纵联保护的基本原理保护的基本原理 南宁供电局南宁供电局 杨富刚杨富刚纵联保护的概念 输电线路的纵联保护就是用某种通信通道将输电线路两端的保护装置纵向连接起来，将两端的电气量（电流、电流相位和故障方向）传送到对侧，将两端的电气量比较，以判断故障是在本线路范围内还是本线路范围外，从而决定是否切除被保护线路 对于反映单侧电气量变化的M侧保护来说，它无法区分是本侧线路末端故障还是下级线路始端故障。所以在保护整定上要将它瞬时段的保护范围限制在全线的70%80%左右，也即反映单侧电气量变化的保护不能瞬时切除本线路全长内的故障。因此，引入了纵联保护，纵联保护是综合反映线路两侧电气量变化的保护，对本线路全长范围内的故障均能瞬时切除。纵联保护的分类纵联保护的分类 按通道分为：导引线纵联保护、电力载波纵联保护、微波纵联保护、光纤纵联保护 按构成原理分为：纵联方向保护（比较两端逻辑量）、纵联距离保护（比较两端逻辑量）、纵联差动保护（比较两端电流量）M侧保护正方向和N侧保护正方向重迭部分为区内，其它为区外。正方向F+：母线指向线路，反方向F-：线路指向母线。I段一般为线路长度的80%II段一般为线路长度的120%150%III段一般为线路长度的200%NMIUMENEIIIIIIF+F+高频保护的实现方式 1、闭锁式：也就是说收不到高频信号是保护动作和跳闸的必要条件。一般应用于超范围式纵联保护（所谓超范围即两侧保护的正方向保护范围均超出本线路全长）；高频信号采用收发同频，即单频制。2、允许式：也就是说收到高频信号是保护动作和跳闸的必要条件。一般应用于超范围式纵联保护（所谓欠范围即两侧保护的正方向保护范围均超过本线路全长的50%以上，但没有超出本线路全长）；高频信号采用收发不同频率，即双频制 3、直跳式：也就是说收到高频信号是保护跳闸的充分必要条件。一般应用于欠范围式纵联保护。闭锁式纵联距离保护 闭锁式纵联保护的基本工作原理是利用闭锁信号来比较线路两侧正方向测量元件的动作情况，以综合判断故障是发生在被保护线路内部还是外部。当装置收到闭锁信号时，就判断为被保护线路无故障或发生区外故障，本侧保护不跳闸；当收不到闭锁信号，且本侧正方向测量元件又动作时，就判断为区内故障，允许发跳闸出口命令。纵联距离方向元件 1、阻抗方向元件 按回路分为ZAB、ZBC、ZCA三个相间阻抗元件和ZA、ZB、ZC三个接地阻抗元件。每个回路的阻抗方向元件又分为正向元件和反向元件。国内纵联距离保护使用的阻抗方向元件主要由多边形阻抗元件和圆形特性阻抗元件两种方式。2、零序方向元件 零序方向元件设正、反两个方向元件，反向元件的灵敏度高于正向元件，零序方向元件主要是作为高阻接地故障时阻抗方向元件灵敏度不足时的后备元件，以提高纵联保护在高阻接地故障时的灵敏度。纵联保护对方向元件的要求 1、要有明确的方向性 2、正方向元件要确保在本线路全长范围内发生各种故障都能可靠动作 3、反方向元件要闭锁正方向元件，任何时候只要反方向元件动作，说明发生反方向故障，要立即闭锁保护。4、要求线路本侧的反方向元件比本侧的正方向元件更灵敏、动作更快。起动发信元件 闭锁式纵联距离保护起动发信元件有三：1、保护起动发信元件 2、远方起动发信元件（作用有二：a、提高两侧保护装置配合工作的可靠性，防止在发生区外故障时，近故障侧的起动发信元件不能起动发信时；b、方便通道检查）3、通道检查起动发信元件。线路每侧都能进行通道检查；通道检查时应能分别检查对侧单独发信、两侧同时发信及本侧单独发信时的通道工作状态；通道检查应能在线路正常运行、单侧断开或双侧断开时都可进行；通道检查过程中如果发生系统故障应能立即转入保护起动发信和保护停信，停止通道检查。通道检查应能手动进行也能由保护按定时自动进行。停信元件 闭锁式纵联保护停信元件包括：1、正方向元件动作停信 2、其他保护动作停信（母差保护动）3、本保护动作停信 4、断路器位置停信（三跳位置停信，作用是在断路器断开的情况下使收发信机处于停信状态，解除远方起动发信元件的作用）5、弱馈保护停信闭锁式纵联方向保护 闭锁式纵联方向保护和闭锁式纵联距离保护的基本原理、绝大多数逻辑是相同的，只是方向元件的不同，纵联方向保护方向元件有二：1、能量积分方向元件 2、工频变化量方向元件允许式纵联保护 允许式纵联保护包括允许式纵联距离保护和允许式纵联方向保护。允许式纵联保护工作方式是当任一侧判断故障在保护正方向时，向对侧发允许信号，同时接收对侧可能发来的允许信号（一定不能接收本侧自己发出的允许信号）；本侧正方向元件动作，并且接收到对侧发来的允许信号，就可以跳闸；允许式纵联保护 在区外故障时近故障侧的方向元件判断为反方向故障，近故障侧不发允许信号，则远故障侧收不到允许信号，所以两侧保护不动作；在区内故障时两侧方向元件都判为正方向，两侧都向对侧发送允许信号，两侧都收到对侧的允许信号，于是两侧保护跳闸允许式纵联保护发信元件 正方向元件动作发信 其他保护动作发信（母差保护发信）本保护动作发信 断路器位置发信 弱馈保护发信闭锁式与允许式 闭锁式纵联保护区外故障时容易误动 允许式纵联保护区内故障时容易拒动高频通道接线图高频保护通道1、高频通道包括如下几个部分:（1）输电线路 将高频信号从线路一端传送至另一端。（2）高频阻波器 L-C组成并联谐振回路（单频、宽频等）a)高频信号呈很大的阻抗，使高频信号被限制在所保护的输电线路之内传输。b)工频电流：呈很小的阻抗，使其畅通无阻。（3）耦合电容器 a)工频电流：呈很大的阻抗，防止其侵入高频收发信机。b)高频信号：呈很小的阻抗。c)与结合滤波器共同组成带通或高通滤波器，只允许此通带频率之内的高频信号通过。（4）结合滤波器 a)与耦合电容器组成带通或高通滤波器。b)起阻抗匹配作用，减小高频信号的衰耗。c)使电力线载波机或高频收发信机与高压线路隔离（5）高频电缆 连接电力线载波机或收发信机与结合滤波器。（6）保护间隙 保护电力线载波机或收发信机和高频电缆免受过电压的袭击。（7）接地刀闸 在调整或检修电力线载波机收发信机和结合滤波器时，将它接地，以保护人身安全。（8）高频收发信机 接收和发送高频信号 高频通道的构成方式 1、相一相制通道：利用输电线路的两相导线作为高频通道。虽然采用这种构成方式高 频电流哀耗较小，但由于需要两套构成高频通道的设备因而投资大、不经济，所以运用较少采用。2、相一地制通道：即在输电线路的同一相两端装设高频幅音和分离设备，待高频收发信机接在该相导线和大地之间，利用输电线路的“相(该相称加工相)和大地作为高频通道.这种接线方式的缺点是高频电流的衰减和受到的干扰都比较大，但由于只需装设一套构成高 频通道的设备，比较经济，因此在我国得到广泛的应用。故障时允许式信号、闭锁式信号的特点 故障时允许式信号、闭锁式信号的特点闭锁式信号主要在非故障线路上传输允许式信号主要在故障线路上传输所以说，对于闭锁信号可以利用电力线路相-地通道构成闭锁式保护；而允许信号由于主要在故障线路上传输，则只能采用相-相通道或者是复用载波、复用微波、专用光纤通道。高频保护通道的运行方式 目前，我国电力系统中的广泛采用短时发信方式。该方式是正常运行情况下发信机不发信，载波通道中无高频电流通过，只有系统故障时，保护的起动元件才起动发信机发信，通道中才有高频电流传输。其优点是可以减少对通道中其它信号的干扰和延长发信机寿命，但保护中应有快速反应故障的起动元件。为了确知高频通道是否完好，需要定期起动发信机来检查通道的完好性。因此，对运行部门来说，高频通道的日常巡视检查就显得特别重要。闭锁式高频保护动作逻辑闭锁式高频保护跳闸的必要条件：通过上述分析，我们可以得到闭锁式纵联保护跳闸的必要条件：1、启动元件高定值动作2、反方向元件不动作3、至少收到过8ms闭锁信号4、正方向元件动作同时满足上述四个条件，保护停止发信5、收不到闭锁信号同时满足上述五个条件，保护动作跳闸设置高、低两个启动元件的原因 主要是防止区外故障保护误动。低定值用于启动发信；高定值启动故障计算。假如只设一个启动元件，两侧保护的整定值相同，若因某种原因（如：保护采样误差）反方向侧保护不能启动发信，那么将造成正方向侧保护误动跳闸。所以要设置两个启动元件。设置正、反两个方向元件的原因 主要是防止功率倒向保护误动。功率倒向问题 假如只设一个正方向元件，当在保护4出口发生短路，故障电流方向如上图示，当4DL开关先跳开后，I回线电流将由N侧流向M侧再流向故障点。那现在我们来分析一下：当故障开始时，保护1正方向元件动作，停止发信；保护2正方向元件不动，向保护1发闭锁信号。当4DL跳开后，故障电流反向，则保护2正方向元件动作，停止发信。此时保护1正方向元件可能还没来得及返回，那么就有可能造成非故障线路“I回线”两侧保护误动。但如果再设一个灵敏度更高的反方向元件，且反方向元件一动作立即闭锁正方向元件，则可有利于防止功率倒向问题。至少收到过8ms闭锁信号的原因 主要是考虑区外故障时可靠收到对侧的闭锁信号，防止本侧保护误动。因为高频信号沿通道传输需要时间，最严重的情况是反方向侧保护启动元件损坏（或因某种原因没有启动），依靠远方启信使对侧收发信机启动，此时通道信号将往返一次，并考虑一定的裕度，所以取8ms。收发信机收发信机 保护专用收发信机，自发必须自收保护专用收发信机，自发必须自收 平时不工作平时不工作 定时交换信息定时交换信息自动（定时），观察功率表。自动（定时），观察功率表。手动（交接班时），观察功率表。手动（交接班时），观察功率表。故障时发信故障时发信正方向故障时，发正方向故障时，发10ms10ms，然后停信。，然后停信。反方向故障时，发信后不停信，闭锁两反方向故障时，发信后不停信，闭锁两侧保护。侧保护。N侧M侧200ms10s5s10sN侧发M侧发两侧发有差拍，电平表会摆动收发信机定时交换信息时间格式收发信机定时交换信息时间格式线路故障时收发信机发信格式线路故障时收发信机发信格式N侧M侧10ms10ms如果是正方向故障，则发信10ms后停信N侧M侧如果是反方向故障，则发信后不停信10ms光纤电流差动保护 光纤 结构结构:一般光纤是由纤芯、包层和涂层三部分构造组成的。纤芯区位于光纤的中心，其折射率为Nk；包层包围着纤芯，其折射率为Nm。Nk略大于Nm，使得光能够通过在纤芯区与包层区之间界面上连续全反射被约束在纤芯区。因此，纤芯区是光的传输通道，而包层的作用是保证光只能在纤芯区内传输而跑不出来。涂层被涂在包层表面，一般是由若干层塑料组成。光纤分类 多模光纤多模阶跃型光纤多模梯度型（渐变型）光纤=G651单模光纤标准通用阶跃型单模光纤（主要是1310单模光纤）=G652色散位移型单模光纤（包括1550零色散单模光纤）=G653色散平坦型单模光纤G652光纤是目前广泛使用的单模光纤,这种光纤通常用于1310nm波长,但有时也可用于1550nm波长.G653光纤又称色散位移光纤,它在1550nm波长处不仅衰减较小,通过色散位移将零色散波长也移至1550nm处,可用于大容量长距离系统,但价格较贵.G654光纤又称1550nm最小衰减光纤,它主要用于需要超长距离系统.保护用光纤通道的构成一、保护与通道的接口 专用通道：专用通道：保护的尾纤与光缆的保护专用芯直接熔接或通过光纤分配屏连接。复用通道复用通道：分为64kbit/sPCM复用和2M接口复用两种。保护的尾纤直接与接口装置连接，通过接口装置转换为电信号与PCM机或E1接口连接，与PCM连接使用屏蔽双绞线，与E1接口采用同轴电缆连接。各种接口设备 常用的接口设备有：MUX-64C：传输速率为64kbit/S的保护数字信息与PCM机复接的装置。MUX-2MC：传输速率为2Mbit/S的保护数字信息与SDH设备的E1接口复接的装置。FOX40F/FOX41A：把保护命令编码成能在光纤上传输的数字信息的装置。纵联方向或距离保护通过此装置可在光纤上传输，还能通过上述两种装置构成复用通道。光纤优点：光纤优点：通信容量大；传输介质损耗小；体积小重量轻；介质材料取之不尽；无漏信号与串音，安全可靠，保密性强，抗腐蚀抗酸碱，可以深埋地下。专用光纤的连接形式专用光纤的连接形式（电流差动）（电流差动）RCS-931RCS-931保护机房保护机房光缆光缆的一根纤芯复用通道的连接方式复用通道的连接方式 （电流差动）（电流差动）RCS-931MUX-64C(MUX-2MC)P C M交换机(SDH)RCS-931MUX-64C(MUX-2MC)P C M交换机(SDH)保护机房通信机房通信机房保护机房SDH网保护用光纤通道的构成二、2M速率与64K速率的区别1.2M速率省去两侧PCM交换机设备，通信链路上减少 了中间环节，减少了传输时延。2 2.2M速率增加了传输带宽，可以传输更多保护信息。同后备保护一样，差动保护也采用24点计算，动作速度快且安全稳定由于在传输采样值的同时也传输了相量值，通道误码时稳态量差动不受数据窗的影响，动作速度几乎不受影响输电线路电流纵差保护原理输电线路电流纵差保护原理MINIKIMN线路内部短路线路内部短路 动作电流动作电流 制动电流制动电流 因为因为 继电器动作。继电器动作。凡是在线路内部有流出的凡是在线路内部有流出的电流电流，都成为动作电流。，都成为动作电流。KNMCDIIIINMRIIIRCDII输电线路电流纵差保护原理输电线路电流纵差保护原理MINIKIMN线路外部短路线路外部短路 动作电流动作电流 制动电流制动电流 因为因为 继电器不动继电器不动。凡是穿越性的电流不产生凡是穿越性的电流不产生动作电流动作电流，只产生制动电，只产生制动电流。流。0KKNMCDIIIIIKKKNMRIIIIII2RCDII差动保护动作特性CNCHXUI4,4I,max 差动电流高定值输电线路电流纵差保护的主要问题输电线路电流纵差保护的主要问题MINICIMN 电容电流的影响电容电流的影响 电容电流是从线路内部流出的电容电流是从线路内部流出的电流，因此它构成动作电流。电流，因此它构成动作电流。由于负荷电流是穿越性的电流，由于负荷电流是穿越性的电流，它只产生制动电流。所以在空它只产生制动电流。所以在空载或轻载下电容电流最容易造载或轻载下电容电流最容易造成保护误动。成保护误动。解决方法：解决方法：提高起动电流定值提高起动电流定值 必要时进行电容电流补偿必要时进行电容电流补偿输电线路电流纵差保护的主要问题输电线路电流纵差保护的主要问题MINIKIMN 重负荷情况下线路内部经高重负荷情况下线路内部经高电阻接地短路，灵敏度可能不电阻接地短路，灵敏度可能不够。够。负荷电流是穿越性的电流，负荷电流是穿越性的电流，它只产生制动电流而不产生动它只产生制动电流而不产生动作电流。作电流。经高电阻短路，短路电流经高电阻短路，短路电流 很小，因此动作电流很小很小，因此动作电流很小 因而灵敏度可能不够。因而灵敏度可能不够。解决方法：解决方法：采用工频变化量比率差动继采用工频变化量比率差动继电器和零序差动继电器电器和零序差动继电器KI输电线路电流纵差保护的主要问题输电线路电流纵差保护的主要问题 TA断线，差动保护会误动。断线，差动保护会误动。为了在单侧电源线路内部短路时电流为了在单侧电源线路内部短路时电流纵差保护能够动作，因此差动继电器在纵差保护能够动作，因此差动继电器在动作电流等于制动电流时应能保证动作。动作电流等于制动电流时应能保证动作。这样在一侧这样在一侧TA断线时差动保护会误动。断线时差动保护会误动。解决方法：解决方法：采取措施防止采取措施防止TA断线时差动继电器误断线时差动继电器误动。动。输电线路电流纵差保护的主要问题输电线路电流纵差保护的主要问题 由于两侧由于两侧TA暂态特性和饱和程度暂态特性和饱和程度的差异、二次回路时间常数的差异的差异、二次回路时间常数的差异在区外故障或区外故障切除时出现在区外故障或区外故障切除时出现差动电流（动作电流），容易造成差动电流（动作电流），容易造成差动继电器误动。差动继电器误动。解决方法：解决方法：提高比率制动特性的起动电流和提高比率制动特性的起动电流和制动系数。在制动量上增加浮动门制动系数。在制动量上增加浮动门槛。槛。输电线路电流纵差保护的主要问题输电线路电流纵差保护的主要问题 两侧采样不同步，造成不平衡电流的加大。两侧采样不同步，造成不平衡电流的加大。线路纵差保护与元件保护中用的纵差保护线路纵差保护与元件保护中用的纵差保护不同，线路纵差保护两侧电流是由不同装置采不同，线路纵差保护两侧电流是由不同装置采样的。两侧电流采样时间不一致，使动作电流样的。两侧电流采样时间不一致，使动作电流不是同一时刻的两侧电流的相量和，最大的误不是同一时刻的两侧电流的相量和，最大的误差是相隔一个采样周期（差是相隔一个采样周期（931保护是保护是0.833ms,折折合工频电角度为合工频电角度为 ）。这将加大区外故障时）。这将加大区外故障时的不平衡电流。的不平衡电流。解决方法：解决方法：使两侧采样同步，或进行相位补偿。使两侧采样同步，或进行相位补偿。015 在在N侧断路器处于三相跳侧断路器处于三相跳闸状态下线路上发生短路闸状态下线路上发生短路。N侧所有起动元件都不会侧所有起动元件都不会起动，故而起动，故而N侧无法向侧无法向M侧发允许信号，导致侧发允许信号，导致M侧侧电流纵差保护拒动。电流纵差保护拒动。为此采取当三相为此采取当三相 时发允许信号的措施。这时发允许信号的措施。这样当线路上发生短路时，样当线路上发生短路时，对侧电流纵差保护就可以对侧电流纵差保护就可以动作。动作。三相三相 发允许信号的作用发允许信号的作用1TWJMN1TWJ开关量的传送远跳、远传1、远传2 保护装置采样得到远跳开入为高电平时，经过专门的互补校验处理，作为开关量，连同电流采样数据及CRC校验码等，打包为完整的一帧信息，通过数字通道，传送给对侧保护装置。对侧装置每收到一帧信息，都要进行CRC校验，经过CRC校验后再单独对开关量进行互补校验。只有通过上述校验后，并且经过连续三次确认后，才认为收到的远跳信号是可靠的。收到经校验确认的远跳信号后，若整定控制字“远跳受起动控制”整定为“0”，则无条件置三跳出口，起动A、B、C三相出口跳闸继电器，同时闭锁重合闸；若整定为“1”，则需本装置起动才出口。