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前言 输电线路纵联保护，就是用某种通信手段将输电线两端的保护装置纵向联系起来，将各端的信息传送到对端进行比较判别，以确定故障是在区内还是保护区外，将被保护线路故障有选择性地无时限切除。 继电人 纵联保护按使用通道分类 为了交换线路两侧的信息，需要利用通道。纵联保护按照所利用通道的不同类型分为四种，通常纵联保护也以此命名，即： （1）导引线纵联保护（简称导引线保护）； （2）电力线载波纵联保护（简称高频保护）； （3）微波纵联保护（简称微波保护）； （4）光纤纵联保护（简称光纤保护）。 继电人 纵联保护按动作原理分类 输电线路纵联保护按照动作原理的不同可分为两种： （1）方向纵联保护与距离纵联保护 两侧保护装置仅反应本侧的电气量，利用通道将继电器对故障方向的判别结果传送到对侧，每侧保护根据两侧保护继电器的动作情况进行逻辑判断，区分是区内还是区外故障。可见这类保护是间接比较线路两侧的电气量，在通道中传送的是逻辑信号。按照保护判别方向所用的继电器又可分为方向纵联保护和距离纵联保护。这类纵联保护一般采用电力线载波通道，并可分为专用通道和复用通道两种。 （2）纵联差动保护 这类保护利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧，每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位进行比较的结果，来区分是区内还是区外故障。可见这类保护在每侧都直接比较两侧的电气量，与差动保护相类似，因此称为纵联差动保护。这类纵联保护一般采用光纤通道，也可分为专用和复用两种。 继电人 纵联保护按传送信号分类 任何纵联保护都是依靠通信通道传送的某种信号来判断故障的位置是否在被保护线路内，因此信号的性质和功能在很大程度上决定了保护的性能。信号按照其性质可分为三种：闭锁信号、允许信号、跳闸信号，如下图1所示。相应的纵联保护也可分为以下三种： 图1信号性质的逻辑关系图 （a）闭锁信号；（b）允许信号；（c）跳闸信号 （1）闭锁式纵联保护 以两端线路为例，所谓闭锁式就是指：“收不到闭锁信号是保护动作跳闸的必要条件”。当发生外部故障时，由判定为外部故障的一端保护装置发出闭锁信号，将两端的保护闭锁，而当发生内部故障时，两端均不发闭锁信号，因而也收不到闭锁信号，保护即可动作于跳闸。 （2）允许式纵联保护 允许式是指：“收到允许信号是保护动作跳闸的必要条件”。因此，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，则因接近故障点的一端判断出故障在反方向而不发允许信号，对端保护不能跳闸，本端也因判断故障在反方向不能跳闸。对于允许式纵联保护一般都应用于500kV线路中较多。 （3）直跳式纵联保护 直跳式是指：“收到直接跳闸信号是保护动作于跳闸的充要条件”。实现这种保护时，实际上是利用装设在每一端的瞬时电流速断、距离I段或零序电流瞬时速断等保护，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，可以不经过其他监控元件而直接使对端的断路器跳闸。采用这种工作方式时，两端保护的构成比较简单，无需互相配合，但是必须要求各端发送跳闸信号保护的动作范围小于线路全长，而两端保护动作范围之和应大于线路全长。前者是为了保证动作的选择性，后者则是为了保证两端保护动作范围有交叉，在全线上任一点故障时总有一端能发出跳闸信号。 高频微波及载波通道目前正在逐年的淘汰中，因此我们主要介绍主流的光纤通道，光纤通道传送的信号频率在1014左右。光纤通信的原理是在发送端首先要把传送的信息变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。光纤通信原理图如图2所示。 图2 光纤通信原理图 1.光纤的基本型式 光纤有三种基本型式： （1）多模（折射率）阶跃式，简称多模阶跃式，数据传输速率较低，只能用于短距离数据传输，优点是直径较大，机械强度大，光源和光纤的对准比较容易； （2）多模（折射率）渐变式，简称多模渐变式，可用于中等距离、中等信号速率的数据传输； （3）单模（折射率）阶跃式，简称单模阶跃式，有效地消除了色散现象，可用于远距离高数据速率的传输，缺点是光纤太细，机械强度较小，需要非常精密的光源与光纤对准工具。 所谓阶跃式是指光纤芯中和包层中光的折射率都是均匀分布的，而渐变式是指在光纤芯中从轴线沿着径向方向折射率逐渐减少。多模是指可传送多束光线，单模则指沿轴线传送一束光线。 2.五种光缆敷设的方法 （1）包在架空地线的铝绞线内，称为架空地线复合光缆OPGW； （2）用金属丝捆在架空地线上； （3）埋在沿线路的电缆沟中； （4）用挂环挂在输电线导线或架空地线导线上； （5）专门敷设平行于输电线的架空光缆线路。 以上五种光缆敷设方法中，第一种方法最好，在我国都已得到大量应用。光纤通道用于50-70km以下的短距离输电线时，不需要中继站，而且没有过电压、电磁干扰等问题。对于其他长距离的输电线路，只需要每经过50-70km设立一个中继站。同时，光纤通信是单方向的，发送和接受各用一根光纤。因光纤通信容量大，也可与其他通信部门复用。 输电线的纵联差动保护是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向连接起来，将各端的电气量(电流、功率的方向等)传送到对端，比较两端的电气量，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否跳闸。因此，从理论上讲这种纵联差动保护有绝对的选择性。比较不同的电气量构成不同原理的纵联保护。目前，光纤纵联电流差动保护得到了广泛的应用。 光纤纵联电流差动保护工作原理：在图3 (a)所示的系统图中，设流过两侧保护的电流为 该电流有时也称作差动电流，另以两侧电流的相量差作为继电器的制动电流 图3 纵联电流差动保护原理图 (a)系统图；(b)动作特性图；(c)内部短路；(d)外部短路 纵联电流差动继电器的动作特性一般如图3 (b)所示，阴影区为动作区。这种动作特性称作比率制动特性。图中
当线路内部短路时，如图3 (c)所示，两侧电流的方向与规定的正方向相同。根据基尔霍夫电流定理 故
此时动作电流等于短路点的电流
制动电流较小，小于短路点的电流
因而，动作电流
制动电流
此时动作电流是零，制动电流是2倍的短路电流，制动电流很大，因此差动继电器不动作。所以这样的差动继电器可以区分线路外部短路(含正常运行)和线路内部短路。继电器的保护范围是两侧TA之间的范围。 输电线路纵联电流差动保护中所用的差动继电器的动作特性如图3 (b)所示的比率制动特性。输电线路纵联差动保护的原理接线图如图4 所示。
图4 输电线路纵联差动保护的原理接线图 （a）区内故障时的情况；（b）正常运行或区外故障时的情况 利用输电线路两端功率方向相同或相反的特征可以构成方向比较式纵联保护。如大家熟悉的南瑞RCS-901保护装置，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，闭锁两端的保护，称为闭锁式方向纵联保护；或者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。 纵联方向保护原理：比较输电线路两端四个方向元件的动作行为，满足故障线路特征时保护就发跳闸命令，否则就把保护闭锁。核心元件是方向元件的纵联保护就称作纵联方向保护。 输电线路每一端都装有两个方向元件：一个是正方向方向元件F+，保护方向正方向，反方向短路时不动作，一个是反方向方向元件F-，保护方向反方向，正方向短路时不动作。 如图5中NP为故障线路，MN为非故障线路。√表示方向元件动作，×表示方向元件不动作。 图5 线路配置有闭锁式距离纵联保护的电力系统图 如图5所示电力系统，线路全部配置闭锁式距离纵联保护，当在K1点(线路BC出口处)和K2点(线路CB出口处)短路时，线路AB和线路BC上保护的工作过程如下。需要注意的是，闭锁式距离纵联保护的工作过程需要考虑距离保护的动作情况，尤其是距离I段。闭锁式距离纵联保护的原理接线图如图6所示。
图6 闭锁式距离纵联保护的工作逻辑图 启动元件：现在一般都采用两相电流差的突变量启动元件和零序电流启动元件。动作过程以图5的N端保护为例进行分析： 故障线路NP的N端：低定值启动，与门1有输出立即发信；同时高定值启动，F+元件启动，与门2有输出，给与门5一个动作条件；与此同时发信机一直发信，收信机一直收到信号，一方面将与门7闭锁，闭锁跳闸回路，另一方面延时元件T1计延时，计满8ms后T1有输出，或门4有输出给与门5另一个动作条件，与门5有输出给与门6一个动作条件；由于F-元件不动作，与门3没有输出，与门6没有被闭锁；与门6有输出后，一方面闭锁与门1，与门1没有输出发信机停信，另一方面给与门7一个动作条件；本端信号停了以后要看对端的发信情况，对端保护的动作情况与本端一样，所以对端在收信机收到8ms信号以后也停信，两端都停信解除了对与门7的闭锁；于是与门7有输出，经T2的8ms延时发跳闸命令。 非故障线路MN的N端：低定值启动，与门1有输出立即发信；同时高定值启动，F+元件不动作，与门2没有有输出，所以与门5没有输出，与门6没有动作条件；F-元件如果动作，与门3有输出，闭锁与门6，与门6也不会有输出，就不会去闭锁与门1，与门1一直有输出，所以N端保护一直发信、不停信。与门6没有输出，与门7就没有动作条件，收信机一直收到本端信号，闭锁与门7，所以与门7一定没输出，N段保护一定不会发跳闸信号。 远方起信功能：由于某种原因N侧的两个启动元件都未启动（如启动定值输错），M侧方向元件的动作行为是F-元件不动，F+元件如果动作，8ms后停信，N侧由于启动元件未启动而根本未发过信，于是M侧收不到闭锁信号而造成保护误动，为避免这种误动可设置远方起信功能。 远方起信条件：1）低定值启动元件未启动；2）收信机收到对侧的高频信号。 远方起信动作情况：收发信机发信10s，闭锁对侧保护。 综上所述，高频闭锁方向保护能发跳闸命令一定要满足以下条件： 1）高定值启动元件动作；只有高定值启动元件动作后才能进入方向元件及各个逻辑功能的计算判断； 2）F-元件不动作； 3）曾经连续收到过8ms的高频信号； 4）F+元件动作；（同时满足上述四个条件时去停信） 5）收信机收不到信号。（同时满足上述五个条件8ms后即可起动出口继电器，发跳闸命令。） 纵联距离保护的构成原理和方向比较式纵联保护相似，只是用阻抗元件替代功率方向元件。如大家熟悉的南瑞RCS-902保护装置，它较方向比较式纵联保护的优点在于：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，当故障发生在距离保护Ⅱ段以外时相应的方向阻抗元件不启动，减少了方向元件的启动次数从而提高了保护的可靠性。 图7 线路配置有闭锁式距离纵联保护的电力系统图 如图7所示电力系统，线路全部配置闭锁式距离纵联保护，当在K1点(线路BC出口处)和K2点(线路CB出口处)短路时，线路AB和线路BC上保护的工作过程如下。需要注意的是，闭锁式距离纵联保护的工作过程需要考虑距离保护的动作情况，尤其是距离I段。闭锁式距离纵联保护的原理接线图如图8所示。
图8 闭锁式距离纵联保护的工作逻辑图 (1)K1点短路时： 1)线路AB上的保护l和保护2：距离保护Ⅲ段启动发信机发出闭锁信号；保护1的距离保护Ⅱ段动作停信，但保护2的距离保护Ⅱ段不动作(由于是反方向故障)、不停信；保护1和保护2均不动作。 2)线路BC上的保护3和保护4：距离保护Ⅲ段启动发信机发出闭锁信号；K1点在距离保护3的Ⅰ段动作范围内，距离保护3的Ⅰ段和Ⅱ段均启动，且Ⅰ段瞬时跳闸、Ⅱ段动作停信； K1点在距离保护4的Ⅱ段动作范围内，Ⅱ段启动停信；保护4经延时跳闸。 (2)K2点短路时： 1)线路AB上的保护l和保护2：距离保护Ⅲ段启动发信机发出闭锁信号；K2点超出了保护1的距离保护Ⅱ段的保护范围，Ⅱ段不动作、不停信；保护2的距离保护Ⅱ段也不动作、不停信；保护1和保护2均不动作。 2)线路BC上的保护3和保护4：距离保护Ⅲ段启动发信机发出闭锁信号；K2点在距离保护4的Ⅰ段动作范围内，距离保护4的Ⅰ段和Ⅱ段均启动，且Ⅰ段瞬时跳闸、Ⅱ段动作停信；K2点在距离保护3的Ⅱ段动作范围内，Ⅱ段启动停信；保护3经延时跳闸。 图7所示电力系统故障线路与非故障线路两端都装有具有方向性的阻抗继电器，只要短路点在保护范围内阻抗继电器都能动作。 故障线路特征：两端的阻抗继电器均动作； 非故障线路特征：两端至少有一端阻抗继电器不动作。 对纵联距离保护的核心元件阻抗继电器的要求：1）良好的方向性；2）阻抗继电器应在本线路全长范围内都有足够的灵敏度。 对距离纵联保护的评价：距离元件不仅带有方向性，而且动作范围基本上是固定的，很少受系统运行方式、网络结构和负荷变化的影响。故用距离元件构成方向比较式纵联保护可以实现多种不同的保护逻辑，用户可根据通道的情况进行选择，因此具有很大的优越性，在欧美各国得到了广泛应用，几乎成为高压、超高压输电线的基本保护方式。距离纵联保护的缺点主要是受系统振荡的影响、电压回路故障的影响、用于有串补电容线路上整定困难以及接地距离元件受零序互感的影响等。对于这些问题，各国继电保护工作者做了大量的研究工作，也取得了巨大成果，在一般情况下，这些问题都得到解决，但都将使保护接线复杂化。 距离纵联保护的另一优点是可以兼作本线路和相邻线路的后备保护，对于常规（非微机）保护，这种优点又带来主保护和后备保护彼此牵制，造成维护、检修、调试等方面的困难。但对于微机保护，主保护和后备保护可装设在独立的插件上，这个缺点并不严重。尤其是高压、超高压输电线路一般要求主保护双重化，也即必然还要有另一套保护与此装置互为备用，则调试维护、检修可以分别进行，不会有什么困难。因此，距离纵联保护应是高压、超高压和特高压输电线基本的主保护和后备保护原理。 本文作者：刘洋。欢迎转载，请注明转自“变电站继电保护相关专业咨询' 微信公众号平台,我们注重分享，版权归原作者。如有异议请告知，我们会及时删除。 |
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