相差高频保护的构成和运行优化方法

1.相差高频保护的基本原理

图4−2−7所示的MN 线路，假定电流的正方向由母线指向线路，当线路内部k1 点故障时，两端电流 IM 、 IN相位相同，它们之间的相角差φ = 0°，当线路外部k2 点故障时，靠近故障点一侧的电流由线路指向母线，远故障点侧的电流由母线指向线路， IM 与 IN的相角差φ =180°，因此相差高频保护可以根据线路两侧电流之间的相位角φ 的不同来判别线路故障是发生在内部还是外部。

图4−2−7　相差高频保护的基本原理

（a）内部故障；（b）外部故障

相差高频保护那点儿事

2.相差高频保护的构成

我国广泛采用故障起动发信的相差高频保护，其构成如图4−2−8所示。保护主要由继电部分，收、发信机和高频载波通道3 部分组成。继电部分由起动元件、操作元件和比相元件组成。下面介绍继电部分的工作原理。

图4−2−8　相差高频保护的基本构成

1）起动元件

起动元件的作用是判断系统是否发生故障，只有发生故障，起动元件才起动发信并开放比相。

2）操作元件

操作元件的作用是将被保护线路的工频三相电流变换成单相的操作电压，控制发信机在工频电流正半周发信，在工频电流负半周停信，故发信机发出的载波信号的宽度约为工频电角度180°，而这种载波信号的宽度变化就代表工频电流的相位变化。操作元件对发信机的这种控制作用，在继电保护技术中称为“操作”，相当于通信技术中的“调制”。

本侧收信机既能接收对侧发信机发来的载波信号，也能接收本侧发信机发出的载波信号，收信机收到的是两侧载波信号的综合。

3）比相元件

（1）比相元件是用来测量收信机输出的载波信号宽度的。被保护线路内部故障时，比相元件动作，作用于跳闸；外部故障时，比相元件不动作，保护不跳闸。

相差高频保护的工作原理如图4−2−9所示。当内部故障时，线路两侧电流都从母线流向线路，两侧电流 IM 、 IN同相，相位差φ = 0。。在起动元件与操作元件的作用下，两侧发信机于工频电流正半周同时发信，于工频电流负半周停信。 i h.M与 ih.N分别为M 侧与N 侧发送的载波信号。收信机收到的两侧综合载波信号 ih.MN是间断的高频电流，间断角度为180°（对应于工频电流，下同），比相元件动作，从而使保护跳闸。

图4−2−9　相差高频保护的工作原理

（a）内部故障时；（b）外部故障时

当线路外部故障时，如图4−2−9（b）所示，被保护线路两侧工频电流 IM 、 IN相位差为180°。两侧发信机在正半周发信，在负半周不发信，故 ih.M与 ih.N的相位仍相差180°，两侧收信机接收的高频电流 ih.MN则为连续的载波信号，间断的角度为0°。比相元件无输出，两侧保护不动作。收信机收到的对侧信号在传输时有衰减，故 ih.MN信号中本侧信号幅值大于所收到的对侧信号。显然，当内部故障时，每侧保护不需要通道传送对侧的高频电流，保护就能正确动作。而当外部故障时，每侧保护必须接收对侧发出的高频电流，收信机收到连续的高频电流，保护才被闭锁，因此，高频载波通道传送的是闭锁信号。

（2）比相元件的闭锁角。比相元件是相差高频保护的重要元件，当外部故障时它不应动作，而当内部故障时，则应可靠动作。为此，必须保证在外部故障时比相元件不误动作，线路内部故障时能可靠动作。

如前所述，在理想情况下，外部故障时，线路两侧操作电流的相位差是180°。

由于各种因素的影响，两侧操作电流的相位差并不是180°。影响因素有：

①　两侧电流互感器的角度误差（一般为7°）。

②　保护装置本身的相位误差，包括操作滤过器和操作回路的角误差（一般为15°）。

③　高频电流从线路的对侧以光速传送到本侧所需要的时间t 产生的延迟角α ，为(www.xing528.com)

式中 l——线路长度（km）。

④　为保证动作的选择性，考虑一个裕度角，一般取15°，则闭锁角为

如图4−2−10所示，以线路M 侧电流 IM 为基准，两侧电流 IM 与 IN的相位差为φ，则电流 IN落在由闭锁角规定的区域内（阴影区域）时，比相元件不动作，故比相元件的动作条件为

在110～220 kV 线路上，通常选择β = 60°。对于工频电流，电角度60°对应的时间为3.3 ms。

3.相差高频保护的评价

相差高频保护适用于200 km 以内的110~220 kV 输电线路，特别是在装有单相重合闸或综合重合闸的线路上更为有利。在220 kV 以上的长距离重负载线路上，则不宜采用此种保护装置。

相差高频保护的主要优点如下：

（1）相差高频保护不反应系统振荡。这是因为系统振荡时流过线路两端的电流是同一个电流，与外部故障时的情况相似。同时，系统振荡过程中无负序电流，起动元件不动作，因此保护装置中不需要振荡闭锁装置，使保护的构成较为简单，同时也相应地提高了保护工作的可靠性。

（2）相差高频保护在非全相运行时不会误动作。这是由于此时线路两端通过同一个负序电流，相位差为180°。在使用单相重合闸或综合重合闸的超高压输电线路上，相差高频保护的这一优点对系统安全运行有很大好处，保护无须加非全相闭锁装置，简化了接线。同时在系统振荡过程中被保护线路发生内部故障，或在线路单相跳闸后非全相运行过程中线路发生内部故障，相差高频保护能瞬时切除故障。

（3）相差高频保护的工作状态不受电压回路断线的影响。相差高频保护测量元件均反应电流量，无电压回路，因此，其工作状态不受电压回路断线的影响。

相差高频保护的主要缺点如下：

（1）受负载电流的影响。在线路重负载的情况下，发生内部故障时两侧电流相位差较大，因此不能保证相差高频保护正确动作。

（2）在线路较长的情况下，保护范围内部故障时，相差高频保护可能工作在相继动作状态，延长了一侧故障切除的时间。

图4−2−10　比相元件的闭锁角β

习题

高频保护的原理和分类

高频载波通道的构成

高频闭锁方向保护的工作原理

高频闭锁方向保护的起动方式