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1、第八章 电网高频保护,主要内容：高频保护的基本概念高频闭锁方向保护高频闭锁距离保护相差高频保护,第一节 高频保护的工作原理及分类,一、概述,在高压输电线路上，要求无延时地从线路两端切除被保护线路内部的故障。此时，电流保护和距离保护都不能满足要求。纵联差动保护可以瞬时动作切除保护范围内部任何地点的故障。但纵联差动保护需敷设与被保护线路等长的辅助导线，这在经济上、技术上都有难以实现。,解决办法：,采用高频保护,1、高频保护：,是用高频载波代替二次导线，传送线路两侧电信号，所以高频保护的原理是反应被保护线路首末两端电流的差或功率方向信号，用高频载波将信号传输到对侧加以比较而决定保护是否动作。,高频保
2、护与线路的纵联差动保护类似，正常运行及区外故障时，保护不动，区内故障全线速动。,高频保护的构成,2.高频保护的分类,(1)方向高频保护。利用高频信号间接比较线路两侧的短路功率方向构成的全线速动保护(2)高频距离保护。以方向阻抗作为测量元件结合高频信号构成的全线速动保护(3)相差高频保护。通过高频信号比较被保护线路两侧电流的相位,3、高频通道的构成方式,高频信号与高压输电线路的耦合方式：（1）“相-相”制通道。高频信号耦合在两相导线之间（2）“相-地”制通道。高频信号耦合在输电线一相导线和大地之间,“相-地”制高频通道的组成,输电线路,二、载波通道的构成,目前应用比较广泛的载波通道是“导线一大地
3、”制。,1.高频阻波器 2结合电容器 3连接滤波器 4高频电缆 5保护间隙 6接地刀闸 7高频收、发信机,组成：,“相-地”制高频通道示意图,结合电容器 对工频电流具有很大的阻抗，可防止工频高压侵入高频收信机。对高频电流则阻抗很小，高频电流可顺利通过。结合电容器与连接滤波器共同组成带通滤波器，只允许通带内的高频电流通过,“相-地”制高频通道示意图,“相-地”制高频通道示意图,连接滤波器 连接滤波器是一个可调节的空心变压器。在其连接至高频电缆一侧的线圈中串接有电容器。 连接滤波器与结合电容器共同组成带通滤波器，使所需频带的高频电流能够通过,高频电缆 高频电缆的作用是将位于主控室的高频收、发信机与
4、户外变电站的带通滤波器连接起来,“相-地”制高频通道示意图,“相-地”制高频通道示意图,保护间隙 保护间隙是高频通道的辅助设备，用它保护高频收发信机和高频电缆免受过电压的袭击,接地刀闸 接地刀闸也是高频通道的辅助设备。在调整或维修高频收发信机和连接滤波器时，将它接地，以保证人身安全,“相-地”制高频通道示意图,高频收发信机 用来发出和接收高频信号,“相-地”制高频通道示意图,7高频收、发信机,高频收发信机的作用是发送和接收高频信号。发信机部分是由继电保护来控制。高频收信机接收到由本端和对端所发送的高频信号。经过比较判断之后，再动作于跳闸或将它闭锁。,三、高频通道工作方式及高频信号的应用,1.
5、高频通道的工作方式,（1）长时发信方式（2）短时发信方式（3）移频方式,（1）长时发信方式。正常运行情况下，收、发信机一直处于工作状态，高频通道中始终有高频电流通过,信号,无高频电流为有信号,（2）短时发信方式。正常情况下，发信机的功率放大部分不工作，不向通道中发送信号，高频通道中没有高频电流。当系统中发生故障时，发信机向高频通道发出高频信号,有高频电流为有信号,（3）移频发信方式。正常情况下，发信机发送一个频率为 的高频信号，在被保护线路发生故障时，保护控制发信机移频，改为发送频率为 的高频信号,2.高频信号的应用,(1) 跳闸信号,高频信号是保护跳闸的充分条件,(2) 允许信号,高频信号是
6、跳闸的必要条件，但不是充分条件,(3) 闭锁信号,收不到高频信号是跳闸的必要条件,跳闸,BH,GSX,&,第二节 高频闭锁方向保护,高频闭锁方向保护是通过高频通道间接比较被保护线路两侧的功率方向，以判别是被保护范围内部故障还是外部故障。,一、高频闭锁方向保护的基本原理,当区外故障时，被保护线路近短路点一侧为负短路功率，向输电线路发高频波，两侧收信机收到高频波后将各自保护闭锁。,当区内故障时，线路两端的短路功率方向为正，发信机不向线路发送高频波，保护的起动元件不被闭锁，瞬时跳开两侧断路器。,高频闭锁方向保护的工作原理,高频闭锁方向保护：故障时启动发信，正方向元件动作停止发信。保护装置跳闸的条件是
7、：正方向元件动作；收不到闭锁信号,k点故障，对BC线路为区内：保护3和4的正方向功率方向元件动作，两侧都不发信，两侧保护均满足跳闸条件，QF3、QF4动作于跳闸。,高频闭锁信号,按闭锁信号构成的保护，高频信号只在非故障线路上传送，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,对AB、CD线路均为区外故障。近故障点侧的QF2、QF5处保护感受功率方向为负，发出高频闭锁信号，同时将两侧保护闭锁。所以，AB线路的保护不跳闸。CD线路的保护也不跳闸,二、高频闭锁方向保护的原理接线图,起动发信继电器1：,灵敏度较高，用来起动高频发信机,起动
8、跳闸继电器2：,灵敏度较低，用来起动跳闸回路,功率方向继电器3：,判断短路功率的方向,停信继电器4：,在内部故障时停止发出高频信号,闭锁继电器5：,用以控制保护的跳闸回路。,带有工作线圈和制动线圈,只有当工作线圈有电流时继电器才动作；而当制动线圈或两组线圈同时有电流时继电器均不动作。,1区外故障,如在d1点短路，被保护线路AB两侧的起动发信机电流继电器1动作，接通发信机的功放级电源，向高频通道发信，并将方向高频保护闭锁。对AB线路来说，近短路点B侧的短路功率是负的，功率方向继电器不动作，不去停信。输电线路AB两侧方向高频保护的收信机收到高频信号，将各自的保护闭锁，不发出跳闸脉冲。,2区内故障,
9、被保护线路AB区内故障如在d2点短路，两侧起动发信机继电器1及起动跳闸继电器2动作，继电器1起动，向高频通道发信，两侧收信机收到高频信号后，立刻将保护闭锁，但两侧方向继电器3承受正方向短路功率而起动。首先停信，解除闭锁，与此同时闭锁继电器起动，发出跳闸脉冲。,3、启动方式,3、高频闭锁方向保护的组成框图,t1,t2,t3,t1,t2,t3,t1,t2,t3,t1,t2,t3,t1,t2,t3,t1,t2,t3,t1,t2,t3,t1,t2,t3,远方起信解环时间,t1,t2,t3,保护跳闸条件（1）高定值起动元件动作（2）正方向元件动作（3）收到57ms信号（4）收不到高频信号,系统振荡,当系
10、统振荡，且振荡中心在保护区内时，保护会不会动作？,二、 整定计算：,起动保护继电器的动作电流应大于IOP.max，以保证先发信，防止保护误动，其动作电流为,灵敏度校验 :,起动发信机电流继电器的动作电流，按继电器的返回电流大于输电线路的最大负载电流的二次值整定为,IOP.unsen =（142）IOP.sen,三、高频闭锁负序方向保护,方向高频保护在系统振荡时可能误动，如何防止系统振荡的影响?,解决方法：,采用高频闭锁负序方向保护。反应负序功率方向元件不受系统振荡的影响，它可以反应各种不对称短路。三相短路一般在短路开始瞬间总有一个不对称过程，如采用瞬时固定措施，则对三相短路也能反应。,高频闭锁
11、负序方向保护组成: 双向动作的负序功率方向继电器KPD2 起动发信机继电器1K 闭锁保护继电器2KL 出口继电器3KOM,1 区内故障,负序功率方向继电器KPD2触点向下闭合、停信，起动闭锁继电器2KL发出跳闸脉冲。,2区外故障,靠近短路点的一侧负序功率继电器KPD2的接点向上闭合，起动发信机继电器向高频通道发信，两侧收信机收到高频信号将各自保护闭锁。,3整定计算,灵敏元件的动作电流，按躲开最大负载情况下最大负序不平衡电流Iunb.max 整定为 I2OP.sen=0.1IL.max,不灵敏元件的动作电流与灵敏元件相配，即 I2OP.unsen =（1.52）I2OP.sen,第三节 高频闭锁
12、距离保护,高频闭锁方向保护的优点、缺点 距离保护的优点、缺点能不能把两者结合起来，取两者的优点,屏弃其缺点?,答案:,可以。做成高频闭锁的距离保护，使得内部故障时能够瞬时动作，而在外部故障时具有不同的时限特性，起到后备保护的作用。,下图为高频闭锁距离保护的原理说明，假设线路两侧均采用三段式距离元件，I段能保护线路全长的85， II 段能保护线路的全长并具有足够的灵敏度，III段作为起动元件并可作为后备保护。,第三节 高频闭锁距离保护,距离部分和高频部分配合的关系是： III段起动元件ZIII动作时，经1KM的常闭触点起动发信机发出高频闭锁信号， II段距离元件ZII动作时则起动1KM停止高频发
13、信机。距离II段动作后一方面起动时间元件tII，可经一定延时后跳闸，同时还可经过一收信闭锁继电器2KL的闭锁触点瞬时跳闸。,第三节 高频闭锁距离保护,当保护范围内部故障时(如d1点)，两端的起动元件动作，起动发信机，但两端的距离II段也动作，又停止了发信机。当收信机收不到高频信号时，2KL触点闭合，使距离II段可瞬时动作于跳闸。,第三节 高频闭锁距离保护,当保护范围外部故障时(如d2点)，靠近故障点的B端距离II段不动作，不停止发信，A端II段动作停止发信，但A端收信机可收到B端送来的高频信号使闭锁继电器动作，2KL触点打开，因而断开了II段的瞬时跳闸回路，使它只能经过II段时间元件去跳闸，从
14、而保证了动作的选择性。,第三节 高频闭锁距离保护,缺点：,高频闭锁距离保护的评价：,主保护(高频保护)和后备保护(距离保护)的接线互相连在一起，不便于运行和检修。,优点：,内部故障时可瞬时切除故障，在外部故障时可起到后备保护的作用。,第三节 高频闭锁距离保护,第四节 相差高频保护,一、相差高频保护的工作原理,比较被保护线路两侧电流的相位，即利用高频信号将电流的相位传送到对侧去进行比较而决定跳闸与否。,区内故障：两侧电流同相位，发出跳闸脉冲； 区外故障：两侧电流相位相差180，保护不动作 。,一、相差高频保护的工作原理,为了满足以上要求，采用高频通道正常时无信号，而在外部故障时发出闭锁信号的方式
15、来构成保护。,实际上，当短路电流为正半周，高频发信机发出信号；而在负半周，高频发信机不发出信号。,一、相差高频保护的工作原理,当被保护范围内部故障时。由于两侧电流相位相同，两侧高频发信机同时工作，发出高频信号，也同时停止发信。这样，在两侧收信机收到的高频信号是间断的，即正半周有高频信号，负半周无高频信号。,一、相差高频保护的工作原理,当被保护范围外部故障时，由于两侧电流相位相差180，线路两侧的发信机交替工作，收信机收到的高频信号是连续的高频信号。由于信号在传输过程中幅值有衰耗，因此送到对侧的信号幅值就要小一些。经检波限幅倒相处理后，电流为直流。,一、相差高频保护的工作原理,由以上的分析可见，
16、相位比较实际上是通过收信机所收到的高频信号来进行的。在被保护范围内部发生故障时，两侧收信机收到的高频信号重叠约10ms，于是保护瞬时的动作，立即跳闸。在被保护范围外部故障时，两侧的收信机收到的高频信号是连续的，线路两侧的高频信号互为闭锁，使两侧保护不能跳闸。,一、相差高频保护的工作原理,相差动高频保护的基本原理,区外故障收信机收到连续的高频信号,区内故障收信机收到间断的高频信号,如果内部故障时高频通道遭破坏，会不会影响保护跳闸？,一、相差高频保护的工作原理,反应不对称短路的灵敏元件I3和不灵敏元件I4反应对称短路的灵敏元件I1和不灵敏元件I2负序电流滤过器综合电流I1+KI2滤过器比相闭锁继电
17、器KDS比相输出变压器CT操作互感器T收发信机,相差高频保护的组成：,二、相差高频保护的组成,正常时: 发信机没有电源，所以不能向高频通道发送信号。,灵敏元件首先起动，给发信机的提供电源，发信机立刻向通道发送出故障电流调制的断续高频波。,系统发生故障时:,不灵敏元件起动后，准备好保护跳闸出口回路电源。,收信机收到断续波时，CT有输出，KDS动作，发出跳闸脉冲。若收信机收到连续高频波，说明是区外故障，经检波限幅倒相处理后，CT输出电流为零， KDS不动作，闭锁了保护出口回路。,二、相差动高频保护的组成,操作元件,复合电流过滤器,转换为方波控制发信机，正半周发信，负半周停信,起动元件,不对称故障起
18、动元件,对称故障起动元件,低定值,高定值,阻抗元件,高定值（记忆）,比相元件判断高频信号的间断时间,起动元件的作用是故障时起动发信机和开放比相回路，并且要求起动发信机要比开放比相回路更灵敏，动作更快。 操作元件的作用是将输电线路上的50Hz电流转变为一个50Hz的方波电流，然后以此工频方波电流对发信机中的高频电流进行调制。 比相元件的作用是比较被保护线路两侧操作电流的相位。,相差高频保护的逻辑框图,三、相差高频保护的相位特性和相继动作区,相差高频保护是通过测定通道上高频信号是否间断，来判断是保护范围内部还是外部故障的。当间断角大于闭锁角时，为保护范围内部故障，保护动作。反之，当间断角小于闭锁角
19、时，为保护范围外部故障，保护不动作。,在电力系统的实际运行中，在被保护范围内部故障时，两侧高频信号不会完全重叠；在外部故障时，两侧的高频信号也不会是连续的。所以，就需要进一步分析相差高频保护的相位特性。,相位特性：是指相位比较继电器中的电流Ir和高频信号的相位角关系曲线，亦即Ir=f（）的曲线，称为相位特性曲线。,三、相差高频保护的相位特性和相继动作区,1相差高频保护在线路两侧操作电流的相位关系,(1)外部三相短路:,总误差角为,为了保证保护的选择性，应考虑一定的裕度，令y15,电流互感器约有TA7角误差，复合滤过器及保护约有bh15角误差。高频信号在输电线路上传输需要时间，以光速V3.010
20、8 m/s传送至对侧所需时间t产生的延迟角误差,三、相差高频保护的相位特性和相继动作区,外部故障：两侧操作电流的相位差不是180，收到的两侧断续高频波不是连续的，而是180+，即出现间断角为,三、相差高频保护的相位特性和相继动作区,(2)内部故障: 双侧电源系统在d点发生三相短路时，线路两侧电势EM和EN之间的相角差为o ，角一般不超过70 。,M侧电流IM落后于EMdM60, N侧到短路点dN=90。两侧电流的相位差将达到100。电流互感器的最大误差角TA=7，保护装置的角误差bh=15，高频信号沿输电线路传输需要时间，造成的延迟误差角=0.06l。,三、相差高频保护的相位特性和相继动作区,
21、N侧收到两侧高频载波信号的最大角相差为,M侧为,三、相差高频保护的相位特性和相继动作区,内部故障时，理论上接收两侧断续高频波的间断角为180，由于两侧电源电势的相位差、电流互感器和保护装置的角误差，所以间断角仅为,三、相差高频保护的相位特性和相继动作区,2. 保护的相继动作区收信机收到两调频信号的相位差与线路的长度有关，保护范围之外故障时，间断角为 要求保护不动作，保护范围内故障时，M侧的间断角为 要求保护动作, 线路的临界长度为 l =175km,即当线路长度175km时，被保护线路内部故障M侧的保护将不动作，但N侧保护间断角增大，保护动作，当N侧断路器跳开以后，M侧收发信机自发自收，其间断
22、角为180，则M侧保护动作。,3保护闭锁角在理想情况，相位特性曲线Ir=f（）是如下图所示的直线（虚线1所示）。但实际上不是直线而是曲线，如下图中实线2所示。,三、相差高频保护的相位特性和相继动作区,现根据该曲线来确定继电器KDS的动作电流和闭锁角，如右图所示。设继电器KDS的动作电流为IOP，则它与相位特性曲有两个交点，对应于横坐标的角度为OP和b。在交点上部，IrIop，继电器的动作。交点下部，Ir Iop，继电器不会动作。图中的角b称为保护的闭锁角，op角称为保护的动作角。,三、相差高频保护的相位特性和相继动作区,闭锁角b的选定，必须满足；外部故障时保证保护不动作，内部故障时保证保护能正确动作。因此，b应整定为 式中 l线路长度（km）; y裕度角，一般为l5上式表明，线路越长,闭锁角越大，而闭锁角越大，对保护动作的灵敏度的影响就越不利。,三、相差高频保护的相位特性和相继动作区,复习思考题：,5-1 什么是高频通道的经常无高频电流方式和长期发信方式？5-2 高频通道是由哪几部分组成的？各部分有什么作用？5-3 简述高频闭锁方向保护的工作原理。5-4 简述相差高频保护的工作原理。5-5 什么是相差高频保护的闭锁角？,
