高频闭锁方向保护及其工作原理分析

1.高频闭锁方向保护的基本原理

现以图4−2−2所示作用原理为例来说明保护装置的工作原理。设在线路BC 上发生故障，则短路功率的方向如图4−2−2所示。安装在线路BC 两端的高频闭锁方向保护3 和4 的功率方向为正，故保护3、4 都不发出高频闭锁信号，保护动作，瞬时跳开两端的断路器。但对非故障线路AB 和CD，其靠近故障线路一端的功率方向为由线路流向母线，即功率方向为负，则该端的保护2 和5 发出载波信号，此信号一方面被自己的收信机接收，另一方面经过高频载波通道分别被送到对端保护1 和6，使保护装置1、2 和5、6 都被载波信号闭锁，保护不动作。利用非故障线路功率为负的一端发送载波信号，闭锁非故障线路的保护，防止其误动作，这样可以保证在内部故障并伴随有通道的破坏时，故障线路的保护装置仍然能够正确地动作。这是它的主要优点，这也是闭锁信号工作方式得到广泛应用的主要原因之一。

高频闭锁方向保护的构成（微课）

2.高频闭锁方向保护的起动方式

高频闭锁方向保护的继电部分由两种主要元件组成，一是起动元件，主要用于故障时起动收、发信机，发出闭锁信号；二是方向元件，主要用于测量故障方向，在保护的正方向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3 种。下面分别介绍这3 种起动方式的高频闭锁方向保护的工作原理。

1）电流起动方式

电流起动方式的高频闭锁方向保护原理如图4−2−3所示，被保护线路两侧装有相同的半套保护，I1、I2 为电流起动元件，故障时起动收、发信机和跳闸回路。I1 的灵敏度高（整定值小），用于起动发信；I2 的灵敏度较低（整定值较高），用于起动跳闸。S 为方向元件，只有测得正方向故障时才动作。

图4−2−3　电流起动方式的高频闭锁方向保护原理

图4−2−3所示保护的工作原理如下：

（1）正常运行时，起动元件不动作，发信机不发信，保护不动作。

（2）区外故障时，起动元件动作，起动发信机发信，但靠近故障点的那套保护接受的是反方向电流，方向元件S 不动作，两侧收信机均能收到对侧收发信机发出的高频信号，保护被闭锁，有选择地动作。

（3）内部故障时，两侧保护的起动元件起动。I1 起动发信，I2 起动跳闸回路，两侧方向元件均测得正方向故障，保护动作，经 2t 延时后，将控制门JZ1 闭锁，使两侧收、发信机均停信，此时两侧收信机收不到信号，两侧控制门JZ2 均开放，故两侧保护都动作于跳闸。

采用两个灵敏度不同的电流起动元件，是考虑到被保护线路两侧电流互感器误差的不同和两侧电流起动元件动作值的误差。如果只用一个电流起动元件，在被保护线路外部短路而短路电流接近起动元件动作值时，则近短路点侧的电流起动元件可能拒绝动作，导致该侧发信机不发信；而远离短路侧的电流起动元件可能动作，导致该侧收信机收不到载波信号，从而引起该侧断路器误跳闸。采用两个动作电流不等的电流起动元件，就可以防止这种无选择性动作。用动作电流较小的电流起动元件I1 去起动发信机，用动作电流较大的起动元件Ⅱ2 起动跳闸回路，这样被保护线路任一侧的起动元件Ⅱ2 动作之前，两侧的起动元件I1 都已先动作，从而保证了在外部短路时发信机能可靠发信，避免了上述误动作。

时间元件 t1 是瞬时动作、延时返回的时间电路，它的作用是在起动元件返回后，使接受反向功率侧的发信机继续发闭锁信号。这是为了在外部短路被切除后，防止非故障线路接受正向功率侧的方向元件在闭锁信号消失后来不及返回而发生误动作。

时间元件 t 2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。在区外故障时，让远故障点侧的保护收到对侧发送的闭锁信号，从而防止保护误动作。

时间元件的作用

2）远方起动方式

图4−2−4所示为远方起动方式的高频闭锁方向保护原理。这种起动方式只有一个起动元件Ⅱ，发信机既可由起动元件起动，也可由收信机收到对侧载波信号后，经延时元件 t 3、或门H、禁止门JZ1 起动发信，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动后，不仅起动本侧发信机，而且通过高频载波通道用本侧发信机发出的载波信号起

图4−2−4 远方起动方式的高频闭锁方向保护原理 动对侧发信机。在两侧相互远方起信后，为了使发信机固定起动一段时间，设置时间元件，该元件瞬时起动，经 t 3固定时间返回，时间 t 3就是发信机固定起动时间。在收信机收到对侧发来的高频信号时，时间元件立即发出一个持续时间为 t 3的脉冲，经或门H、禁止门JZ1 使发信机发信。经过时间 t 3后，远方起动回路被自动切断。 t 3时间应大于外部短路可能持续的时间，一般取5～8 s。

在外部短路时，如果近故障侧起动元件不动作，远离故障侧的起动元件起动，则近故障点侧的保护可由远方起动，将对侧保护闭锁，防止远短路点侧的保护误动作。为此在 t 2延时内，一定要收到对侧发回的载波信号，以保证JZ2 一直闭锁。因此， t 3的延时应大于载波信号在高频载波通道上往返一次所需的时间。

远方起动方式的主要缺点是在单侧电源内部短路时，受电侧被远方起动后不能停信，这样就会造成电源侧保护拒绝动作。因此，单侧电源输电线路的高频保护不采用远方起动方式。

3）功率方向元件起动方式(www.xing528.com)

功率方向元件起动的高频闭锁方向保护原理如图4−2−5所示。它的工作原理与图4−2−3所示的工作原理基本相同，所不同的是将起动元件换成了S_。线路两侧装设完全相同的两个半套保护，采用故障时发信并使用闭锁信号的方式。S_为反方向短路动作的方向元件，即反方向短路时，S_有输出，用以起动发信。S+为正方向短路动作的方向元件，即正方向故障时，S+有输出，起动跳闸回路。为区分正常运行和故障，方向元件一般采用负序功率方向元件。保护装置的动作过程如下：

图4−2−5　功率方向元件起动的高频闭锁方向保护原理

正常运行时，两侧保护的方向元件均不动作，既不起动发信，也不开放跳闸回路。区外（如k 点）故障时，远故障点M 侧的正方向元件 S M+有输出，准备跳闸；近故障点N 侧的反方向元件 S N−有输出，起动发信机发出闭锁信号。两侧收信机均收到闭锁信号后，将控制门JZ2 关闭，两侧保护均被闭锁。

双侧电源线路区内故障时，两侧反方向短路方向元件 S M+、 S N−都无输出，两侧的发信机都不发信，收信机收不到信号，控制门JZ2 开放，同时两侧正方向短路方向元件均有输出，经 t 2延时后，两侧断路器同时跳闸。单侧电源线路区内故障时，受电侧肯定不发信，不会造成保护拒绝动作。

设置 t 2延时电路的目的与图4−2−3所示 t 2的设置目的相同。 t 2延时动作后将控制门JZ1 关闭，这可防止区外故障的暂态过程中保护误动作。

设置 t1 延时返回电路的目的是，在区外故障被切除后的一段时间继续发信，避免远故障点侧的保护因闭锁信号过早消失及本侧的方向元件延迟返回而造成误动作。

由于起动元件被换成了方向元件，仅判别方向，没有定值，所以灵敏度高。

允许式高频保护

3.高频闭锁距离保护

高频闭锁方向保护可以快速地切除保护范围内部的各种故障，但不能作为下一条线路的后备保护。对于高频闭锁距离保护，当内部故障时，利用高频闭锁保护的特点，能瞬时切除线路任一点的故障；而当外部故障时，利用距离保护的特点，起到后备保护的作用。高频闭锁距离保护兼有高频闭锁方向保护和距离保护的优点，并能简化保护的接线。

高频闭锁距离保护原理如图4−2−6所示。它由距离保护和高频闭锁保护两部分组成。距离保护为三段式，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段都采用独立的方向阻抗继电器作为测量元件。高频闭锁方向保护部分与距离保护部分共用同一个负序电流起动元件 I 2，方向判别元件与距离保护Ⅱ段（也可用Ⅲ段）共用方向阻抗继电器ZⅡ。

图4−2−6　高频闭锁距离保护原理

（a）距离保护部分；（b）高频闭锁方向保护部分

当被保护线路发生区内故障时，两侧保护的负序电流起动元件 I 2和测量元件ZⅡ都起动，经 t1 延时，分别跳开两侧断路器。其高频闭锁方向保护部分工作情况与前述基本相同。此时线路一侧或两侧［故障发生在线路中间（60%～70%）长度以内时］的距离保护Ⅰ段（ I 2、 Z1 、出口跳闸继电器KOM）也可动作于跳闸，但要受振荡闭锁回路的控制。

若发生区外故障时，则近故障点侧保护的测量元件ZⅡ不起动，跳闸回路不起动，近故障点侧的负序电流起动元件 I 2起动发信，两侧收信机收到信号，闭锁两侧跳闸回路。此时，远故障点侧距离保护的Ⅱ或Ⅲ段可以经出口跳闸继电器KOM 跳闸，作相邻线路保护的后备。

高频闭锁距离保护能正确反映并快速切除各种对称和不对称短路故障，且有足够的灵敏度。高频闭锁距离保护中的距离保护可兼作相邻线路和元件的远后备保护。当高频闭锁方向保护部分故障时，距离保护仍可继续工作，对线路进行保护。

图4−2−6所示的1 和2 端子如果与零序电流方向保护的有关部分相连，则可构成高频闭锁零序电流方向保护。

4.高频闭锁零序电流方向保护

高频闭锁零序电流方向保护对接地故障反应灵敏、延时短，零序功率方向元件无死区，电压互感器二次回路断线不会误动作，接线简单、可靠，系统振荡时也不会误动作，所以不需要采取防止振荡闭锁措施，实现高频闭锁方案时距离保护更方便。

高频闭锁零序电流方向保护用零序电流保护Ⅲ段测量元件即零序电流继电器KAZ1（I0(Ⅲ)）启动发信，用Ⅱ段测量元件KAZ2（I0(Ⅱ)）和零序功率方向元件KWD（P0）共同启动跳闸回路。当内部故障时，两端保护测量元件KAZ1 起动发信，两端保护的测量元件KAZ2 和功率方向元件零序功率继电器KWD 起动后停止发信，并起动跳闸回路，两端断路器跳闸。

当外部故障时，近故障点端保护的测量元件KAZ1 起动发信，而零序功率方向继电器KWD 不起动，故跳闸回路不起动。远故障点端保护的测量元件KAZ1 和功率元件KWD 均起动，收到对端送来的高频信号将保护闭锁。