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纵联保护基础知识
纵联保护的基础知识
一、输电线的纵联保护（PilotProtection）
仅反应线路一侧的电气量不可能区分本线末端和对侧母线（或相邻线始端）故障，只有反应线路两侧的电气量才可能区分上述两点故障，达到有选择性地快速切除全线故障的目的。
为此需要将线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，也就是说在线路两侧之间发生纵向的联系。
这种保护称为输电线的纵联保护（PilotProtection）。
二、按使用通道分类
为了交换信息，需要利用通道。
纵联保护按照所利用通道的不同类型可以分为4种，通常纵联保护也按此命名，它们是：
（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（简称载波保护）；
（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）。
三、各种传送信息通道的特点
通道虽然只是传送信息的手段，但纵联保护采用的原理往往受到通道的制约。
纵联保护在应用以下4种通道时应注意以下的特点：
（1）导引线通道。
这种通道需要铺设电缆，其投资随线路长度而增加。
当线路较长（超过十余公里）时就不经济了。
导引线越长，安全性越低。
导引线中传输的是电信号。
在中性点接地系统中，除了雷击外，在接地故障时地中电流会引起地电位升高，也会产生感应电压，对保护装置和人身安全构成威胁，也会造成保护不正确动作。
所以导引线的电缆必须有足够的绝缘水平，例如15KV的绝缘水平，从而使投资增大。
导引线直接传输交流电量，故导引线保护广泛采用差动保护原理，但导引线的参数（电阻和分布电容）直接影响保护性能，从而在技术上也限制了导线保护用于较长的线路。
（2）电力线载波通道。
这种通道在保护中应用最广。
载波保护是纵联保护中应用最广的一种。
载波通道由高压输电线及其加工和连接设备（阻波器、结合电容器及高频收发信机）等组成。
高压输电线机械强度大，十分安全可靠。
但正是在线路发生故障时通道可能遭到破坏（高频信号衰减增大），为此需考虑在此情况下高频信号是否能有效传输的问题。
当载波通道采用“相—地”制，在线路中点发生单相短路接地故障时衰减与正常时基本相同，但在线路两端故障时衰减显著增大。
当载波通道采用“相—相”制，在单相短路接地故障时高频信号能够传输，但在三相短路时仍然不能。
为此载波保护在利用高频信号时应使保护在本线路故障信号中断的情况下仍能正确动作。
（3）微波通道。
微波通道与输电线没有直接的联系，输电线发生故障时不会对微波通信系统产生任何影响，因而保护利用微波保护的方式不受限制。
微波通信是一种多路通信系统，可以提供足够的通道，彻底解决了通道拥挤的问题。
微波通信具有很宽的频带，线路故障时信号不会中断，可以传送交流电的波形。
采用脉冲编码调制（PCM）方式可以进一步扩大信息传输量，提高抗干扰能力，也更适合于数字保护。
微波通信是理想的通信系统，但是保护专用微波通信设备是不经济的，应当与通信、远动等共用，这就要求在设计时把两方面兼顾起来。
同时还要考虑信号衰落的问题。
（4）光纤通道。
光纤通道与微波通道有相同的优点。
光纤通信也广泛采用PCM调制方式。
当被保护线路很短时，可以通过光缆直接将光信号送到对侧、在每半套保护装置中都将电信号变成光信号送出，又将所接收之光信号变为电信号供保护使用。
由于光与电之间互不干扰，所以光纤保护没有导引线保护的那些问题，在经济上也是可以与导引线保护竞争的。
最近发展的在架空输电线的接地线中铺设光纤的方法既经济又安全，很有发展前途。
当被保护线路很长时，应与通信、远动等复用。
四、按保护动作原理分类：
按照保护动作原理纵联保护可分为两类：
（1）方向纵联保护与距离纵联保护。
两侧保护“继电器”仅反应本侧的电气量，利用通道将继电器对故障方向判别的结果传送到对侧，每侧保护根据两侧保护‘继电器’的动作经过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与距离纵联保护。
（2）差动纵联保护。
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比较的结果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。
类似于差动保护，因此称为差动纵联保护。
如果将两侧保护的原理图绘在一张图上（实际每侧只是整个单元保护的半套），那么前一种保护的通道是在逻辑图中将两侧保护联系起来，而后一种保护的通道是将两侧的交流回路联系起来。
五、方向纵联保护的工作方式
4.2.1闭锁式
4.2.1.1闭锁式的基本原理
方向纵联保护是由线路两侧的方向元件分别对故障的方向作出判断，然后通过高频信号作出综合的判断，即对两侧的故障方向进行比较以决定是否跳闸。
一般规定从母线指向线路的方向为正方向，从线路指向母线的方向为反方向。
闭锁式方向纵联保护的工作方式是当任一侧方向元件判断为反方向时，不仅本侧保护不跳闸，而且由发信机发出高频电流，对侧收信机接收后就输出脉冲闭锁该侧保护。
在外部故障时是近故障侧的方向元件判断为反方向故障，所以是近故障侧闭锁远离故障侧；在内部故障时两侧方向元件都判断为正方向，都不发送高频电流，两侧收信机接收不到高频电流，也就没有输出脉冲去闭锁保护，于是两侧方向元件均作用于跳闸。
这就是故障时发信闭锁式方向纵联保护，其基本逻辑图如图4.2.1.1所示。
图4.2.1.1闭锁式保护
a）闭锁信号示意图b）方向元件配置图c）逻辑图
4.2.1.2先收讯后停讯的原则
区外故障，为防止起动元件（发讯）与正方向元件动作时间的不配合而误动作，特别是远端保护，需要近端的发讯信号闭锁，总结了多年运行经验，规定必须先收到信号10ms才允许正方向停讯，逻辑示意图见图4.2.1.2。
图4.2.1.2
（1）起动元件动作首先发讯，此时门7未动作，可经门9发讯。
（2）停讯必须满足2个条件：
a.反方向元件D-不动，正方向元件D+动作，与门3有输出，表示正方向故障
b.收信10ms后，即或门2起动时间t2（10ms），与门4有输出。
两条件满足，与门7有输出，经反向器闭锁门9，停止发讯。
（3）区内故障
a.D-，D+动作，正方向故障
b.先收讯10ms后，无闭锁信号，与门5有输出
满足这2条件，判为区内故障，与门8有输出，可以跳闸。
4.2.1.3远方起动
图4.2.1.2中的T1及与门1为远方起动示意图。
在区外故障，由于某种原因，靠近故障侧的起动元件万一不能动作（如元器件损坏），为了防止正方向误动作，发信机除了由起动元件启动外，还可由收信机的输出来启动。
这样在外部故障时即使只有一侧的起动元件启动，另一侧接收到远方传来的信号后也可将发信机启动起来，故称为远方启动。
发信机由收信机启动形成闭环。
为了解环，图4.2.2中设置了时间电路“T1”，经过延时t1后就将“与1”关闭，解除远方启动回路。
时间t1应大于外部故障可能持续的最长时间，一般取t1≈10s。
有了远方启动回路后，便利于一侧的值班员单独进行通道检查。
带来的问题是在单侧电源线路发生内部故障时若受电侧被远方启动可能不能停信，保护会拒动。
在LFP-900系列保护中，当收到对侧讯号后，
（1）本侧TWJ未动作即立即发讯
（2）本侧TWJ在跳闸状态，则延时100ms发讯（由对侧充电时）（3）当用于单端电源的受电侧且“RD”控制字投入时，判断任一相电压低于0.6UN，延时100ms发讯，给出对侧跳闸窗口。
保证在线路轻负荷下发生故障，起动元件包括零序起动元件不能起动时，由对侧快速切除故障。
4.2.1.4功率倒方向
在环网中发生外部故障时，短路功率的方向可能发生转换（简称功率倒向），在倒向过程中不应失去闭锁信号。
图4.2.1.4a示出这种情况。
图中假设故障发生在线路LⅡ上靠近M侧的F点，断路器3Q先于断路器4Q跳闸。
在断路器3Q跳闸前，线路LⅠ中的短路功率由N侧流向M侧，线路LI，M侧的方向元件不动作，向N侧发闭锁信号，在断路器3Q跳闸后，线路LⅠ中的短路功率倒向，M侧的方向元件动作，停止发信并准备跳闸，此时N侧的方向元件将返回向M侧发闭锁信号。
但是可能M侧的方向元件动作快，N侧的方向元件返回慢，于是有一段时间两侧方向元件均处于动作状态，造成线路LⅠ的保护误动。
解决的办法是启动元件动作或收信机收信后经过一段时间（大于本保护的动作时间，小于相邻线断路器的跳闸时间）后尚未判为内部故障，就认为是外部故障，于是将保护闭锁一段时间，以避开两侧方向元件可能都处于动作状态的时间，见图4.2.1.4b。
此方法的缺点是如果紧接着发生内部故障则保护的动作稍有延迟，不过延时很短，是可容忍的。
图4.2.1.4a功率倒向图4.2.1.4b功率倒向判别回路
图中判内部故障接图4.2.2的与8输出，起动元件动作，起动T1，如果T1时间（35ms）内无判内部故障信号来，则T3动作，闭锁保护，在T1消失后延时20ms返回，取消闭锁。
4.2.2允许式
4.2.2.1允许式保护的基本原理
如图4.2.2.1（a）所示，在功率方向为正的一端向对端发送允许信号，此时每端的收信机只能接收对端的信号而不能接收自身的信号。
每端的保护必须在方向元件动作，同时又收到对端的允许信号之后，才能动作于跳闸，显然只有故障线路的保护符合这个条件。
对非故障线路而言，一端是方向元件动作，收不到允许信号，而另一端是收到了允许信号但方向元件不动作，因此都不能跳闸。
图4.2.2.1允许式方向纵联保护工作原理
（a）网络接线及允许信号的传送；（b）基本框图
构成允许式方向纵联保护的基本框图见图4.2.2.1（b），起动元件（QD）动作后，正方向元件动作，反方向元件不动作，与2门起动发信机，向对端发允许信号，同时准备起动与3门。
当收到对端发来的允许信号时，与3门即可经抗干扰延时动作于跳闸。
用距离继电器作方向元件时，一般无反方向元件，距离元件的方向性必需可靠。
通常采用复用载波机构成允许式保护，一般都采用键控移频的方式。
正常运行时，收信机经常收到对端发送的频率为fG的监频信号，其功率较小，用以监视高频通道的完好性。
当正向区内发生故障时，对端方向元件动作，键控发信机停发fＧ的信号而改发频率为fＴ的跳频（或称移频）信号，其功率提升，收信机收到此信号后即允许本端保护跳闸。
允许式保护在区内故障时，必须要求收到对端的信号才能动作，因此就会遇到高频信号通过故障点时衰耗增大的问题，这是它的一个主要缺点。
最严重的情况是区内故障伴随有通道破坏，例如发生三相接地短路等，造成允许信号衰减过大甚至完全送不过去，它将引起保护的拒动。
通常通道按相—相耦合方式，对于不对称短路，一般信号都可通道，只有三相接地短路，难于通过。
4.2.2.2超范围（POTT）和欠范围（PUTT）允许式
当方向元件由距离元件承担时，其构成方式有两种：
由距离保护Ⅰ段动作键控发讯的叫欠范围允许式（PUTT），由距离保护Ⅱ或Ⅲ段键控发讯的叫超范围允许式（POTT），其原理示意图见图4.2.2.2。
图4.2.2.2POTT，PUTT示意图
图中ZⅠ为距离元件Ⅰ段，ZⅡ，ZⅢ为距离Ⅱ、Ⅲ段，当连接片1-3合上2-4打开，由ZⅡ（或ZⅢ）通过或门5键控发讯，称为POTT方式。
当连接片，2-4合上1-3打开，由ZⅠ通过或3或5键控发讯，称为（PUTT）方式。
PUTT方式：
ZⅠ动作，通过或2，或3，与门4无时限直接跳本端。
通过或3，或5键控发讯。
在跳闸的同时起动T1，在本端跳闸，ZⅠ返回后，T1延时50ms返回，即继续键控50ms，保证对端能可靠跳闸。
对端收到允许信号后，与ZⅡ（或ZⅢ），起动与门1，经过抗通道干扰时间T1的1-8ms，跳闸。
POTT方式：
由ZⅡ（或ZⅢ）键控发讯，收到允许信号后，与ZⅡ（或ZⅢ），起动于门1，经或2，或3，与4跳闸。
PUTT只在区内故障ZⅠ动作，才键控，加速对端ZⅡ，具有很高的安全性。
应当特别指出，以往的成套距离保护，附加适当的逻辑就构成纵联保护，在微机保护中，由单独的CPU构成独立的完整的纵联保护。
欠范围（PUTT）允许式多用于长线。
超范围（POTT）允许式多用于短线。
4.2.3闭锁式，允许式比较
序号
项目
闭锁式
允许式
1
元件
正方向测量元件加反方向闭锁元件
一般只装正方向测量元件
2
信号的作用
信号作为闭锁保护
反方向故障发讯，正方向故障停讯
信号作为允许保护跳闸
反方向故障不发允许信号，正方向故障发允许信号
3
通道
采用快速通道（3-5ms），调幅（AM）式（on/off），正常无信号，无监视，安全性差
采用中速通道（～15ms），移频FSK式，正常发监频（fG），即正常通道有监视，较安全。
正向故障时，fＧ→fT（跳频）
Δf≈250-500Hz·Δf=fＧ-fT
4
通道耦合方式
采用相—地耦合，信号在完好线路上传输
采用相—相耦合，fT有可能要通过故障点。
除三相短路又接地外，一般其他故障皆能通过。
5
安全性及可靠性
通道坏，外故障将误动，安全性差
内部故障，仍然正常动作，可靠性高
通道坏，外部故障，不误动作，安全性高，内部故障，将拒动，可靠性低
其他还有混合式，解除闭锁式，由于国内用得少就不一一赘述了。
4.3纵联保护载波通道
4.3.1载波通道
利用电力线作为传输媒介：
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，其基本结构如下，专用通道用相—地耦合，复用一般为允许式，采用相—相耦合。
图4.3.1中：
（1）阻波器——对于载波信号为高阻抗（大于800欧），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，特别是防止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，畅通无阻。
常见故障有电容器击穿、引线焊接不良、连接螺丝松动或避雷器击穿后不能恢复：
这些都会引起阻波器失调，将在区外故障时引起保护误动。
图4.3.1通道结构
（2）结合电容器——与阻波器相反，对载波信号为低阻抗，畅通无阻，对
图4.3.1通道结构
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。
（2）结合电容器——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）结合滤波器
它的作用，主要是阻抗匹配，220KV高压输电线的波阻抗约为400Ω左右，330KV、500KV线路，沿阻抗约为300Ω左右。
系统中用的高频电缆一般有75Ω，100Ω等，需要进行匹配，防止反射，以减少衰耗。
（4）高频电缆
高频电缆采用同轴电缆，早期阻抗为100Ω，近年按通信标准采用75Ω，一是减少衰耗，二是减少干扰。
4.3.2专用收发讯机
4.3.2.1常用收发讯机方框图
专用发讯机一般为闭锁式方向纵联保护用，目前常用的方框图如图4.3.2：
图4.3.2.1
（1）输入接口：
接收发讯，不发讯为停讯。
输出控制频率合成器及前置放大的控制门关闭或开放，以及控制收信滤波器的门控电路。
（2）频率合成器：
按（42+4n）KHz,n=0,1……114，组合成发送频率f0=40-50KHz及载供信号频率f0+12KHz。
（3）前置放大：
放大f0信号，以推动功放；在本机发讯时，收讯门控电路关闭，收信滤波器只接收来自本机前置放大的f0信号，自发自收，以避免通道上的差拍。
（4）功放：
将f0的功率放大到额定值，例如10W/40dBm。
（5）输出滤波器：
使占用带宽B=4KHz；使允许并机间隔同相≥3B,邻相≥OB，分流衰耗不大于1dB；满功率发信时，外线谐波电平：
≤-26dBm；外线输出阻抗75Ω，使回波衰耗≥10dB。
（6）收讯滤波器：
一般使用收信通频带2KHz（f0±1KHz），带外衰耗满足35dB。
（7）高频解调：
将收讯频率（f0）与载供信号频率f0+12KHz，混频后解调出12KHz。
同时输出通道监视。
（8）输出接口：
将收讯情况传给保护装置。
正常运行时，没有发信起动命令输入，输入接口的发信控制为“0”态。
该控制信号使频率合成器和前置放大器中的控制门关闭，从而使高频信号（f0）不能送出。
同时，该控制信号还送到收信滤波器，使它的控制门开放，保证本机收信支路处于准备接收对侧高频信号（f0）的状态。
这时，如果收到对侧送来的高频信号（f0），经收信高频带通滤波器输出，该信号送入高频解调器，经放大器后分成两路：
一路高频信号送到解调器，因载供信号频率为f0+12KHz，故混频输出信号中含有12KHz的中频成分，经12KHz中频带通滤波器选出后送到输出接口，经处理后产生收信输出。
另一路高频信号直接送到输出接口，用作通道衰减的监视，送到通道衰减增大3dB告警电路和收信输入电平指示电路。
当线路发生故障时，保护装置相应继电器的接点闭合，输出发信起动命令，发信控制输出“1”态。
该控制信号开放频率合成器及前置放大中的控制门，频率合成器发出高频信号（f0），并经前置放大、功率放大和输出滤波器送到外线端，并经过高频通道传输到对侧。
同时，该控制信号使收讯滤波器内的控制门A1关闭。
这时，无论是本机发出的信号，还是对侧送来的信号，都不能通过收信滤波器控制门A1，即本机收信支路拒绝接收这两种信号，而在本机前置放大的输出端，高频信号经衰减后送到收讯滤波器第2放大器A2的输入端，收信支路处于自发自收状态。
可得到与收对侧信号时同样的收信输出。
根据现场运行反应，近年来，保护误动作，收发信机引起的占的份额不小，专用收发信机普遍存在的问题是，抗干扰性能差；直流电源容易损坏；短线收讯电平较高时，产生倒灌现象，使直流功率输出增大，过负荷保护动作，造成功放无直流电源而不发讯，结果区外故障误动；差拍缺口；元器件损坏，工艺质量差；调试复杂，现场变频率困难等等，这些问题，引起了各方面的重视。
4.3.2.2LFX-912型保护专用机方框图
本公司96年推出了LFX-912型继电保护专用收发讯机，试图消除上述的所有缺点。
装置框图如下
LFX-912型装置采用单频载频直接键控信号调制方式。
与常规的闭锁式保护收发讯机一样，正常时，通道中不传送任何信号；电力系统出现故障时，由保护装置送来起动或停止发信信号。
装置的收信频率和发信频率相同，可自发自收，见图4-9。
该装置由“电源”、“接口”、“发信”、“功率放大”、“线路滤波”、“收信”六个插件构成。
图4.3.2.2装置功能框图
与目前国内常规的收发信机相比有如下特点：
·体积小，重量轻，仅一层19英寸4U机箱。
·采用新颖的信号合成和收信检测方法，改频方便。
整个装置只有“线路滤波”插件与频率有关，在40～400KHz的标准频段内，只需改变“线路滤波”插件中有关频率切换跳线，就可方便易频。
此外，装置还有如下特点：
·采用专业制造的逆变开关电源，体积小，逆变转换效率高，裕度高，输出电压稳定。
·背板接线采用印刷板（PCB）母板方式，输出端子采用PCB安装端子，接线无差错。
机箱全金属封闭，并且接地措施完善，抗干扰性能强。
·采用新颖的频率合成和加权式正弦波波形合成技术，直接产生频率可以整定的正弦信号，从而省去了常规收发信机所采用变方波为正弦波的前置放大滤波器。
发信频率f0由“发信”插件内部的数码小开关，按工作频率直接整定。
·接收采用频率向上外差解调方式，与其他收发信机所不同的是，接收外差后频谱向上搬移，即收信输入的f0信号与本振fL（1MHz-f0）信号进行外差，用高Q值的1HMZ固定频率滤波器取出fL+f0=1MHz的频谱分量进行检测。
从而省去了其他收发信机采用的、频率按不同线路改变的、主高频f0滤波器。
·功率放大器采用先进的器件及电路设计，安全可靠。
功能放大器大环路反馈，从而避免了通道入口高频信号有严重差拍时，影响前置放大器和收信回路的工作状态。
功放管及工放电路不设保护措施，工作于“赤膊”状态；当系统及通道出现异常时，不会因功放的保护措施而导致发不出高频信号。
·收信裕度指示直观，以3dB为级差，指示范围为6dB～＋１８dB；收信电平低落3dB告警整定采用跳线方式，直观方便。
·收信工作范围宽，收信裕度从+3dB至+36dB（即无衰耗并机）均能正常工作。
4.3.3音频接口
当采用允许式纵联保护时，收发信机要采用移频制（FSK）。
为了节约通道，一般与调度载波机复用。
保护通过音频接口装置与载波机联系，在同一音频通道内，有话音通道和保护信号。
正常作话音通道，当保护工作时，话音被闭锁，称为交替复用。
在一个4KHz音频通道上，也可与远动信号共享，远动占用上音频（3KHz）以上。
当执行保护功能时，可以（或不）闭锁远动。
保护通道占用下音频（2.5KHz以下），一般采用多命令（3-4个）式，但同一时间只传送一个命令，其频率分配如图4.3.3-1所示。
图4.3.3-1
其功能示意方框图如图4.3.3-2所示：
图4.3.3-2音频接口功能示意图
正常保护不动作时，通道发送监视频率fＧ，通道为保护专用时，监视频率由音频接口装置产生，通道交替复用时，由载波机产生。
此时音频接口装置收到fＧ，此信号也作为收信监视通道是否正常之用。
当区内故障（或正方向故障时），保护送出键控信号（T1、T2或T1+T2）时，键控逻辑使频率合成器从监视频率fＧ变为跳闸频率fT（f1，f2或f３），同时切断载波机的话音回路，专发fT并提升发讯功率。
此时收讯机监视频率fＧ消失，收到跳闸频率fT，则向继电保护传送允许跳闸信号T1（或T2，或T1+T2）。
区内故障，例如三相短路接地，通道衰耗过大，监频消失收不到跳频，则可送出一个XSuhb信号，开放保护100ms也可以称为解除闭锁信号。
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