输电线路高频保护方案

继电保护和安全自动化装置技术规程要求，在110～220 kV中性点直接接地电网的线路保护中，应装设全线速动的保护装置，由其在220 kV及以上线路中应设置两套完整、独立的全线速动主保护。纵联保护是目前在电网中广泛使用的全线速动主保护。

图3.1　线路保护故障示意图

首先，反映一侧电气量变化的保护存在一个致命的缺陷，系统M侧的只反映M侧电气量变化的线路保护（如距离保护、零序保护等），无法区分本线路末端K1和下一线路首端K2（或N侧母线）的故障。另外，对于多段式的单侧电气量保护，其瞬时第Ⅰ段为保证保护动作的选择性，通常整定都要避开本线路末端故障，无法做到瞬时切除本线路全长范围内的故障。

因此，仅反映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，只有反映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联系。这种保护，称为输电线的纵联保护。

要在线路两侧发生纵向的联系，即需要线路两侧交换各自的信息，在中间就存在交换信息的通道问题。目前，在电网中纵联保护所选用的通道类型有导引线通道、载波通道、微波通道和光纤通道。

（1）导引线通道

导引线通道需要铺设电缆，其投资随线路长度增加。当线路较长（超过10 km）时就不经济了。导引线越长，安全性越低。导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，将威胁保护装置和人身安全，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，如15 kV的绝缘水平，从而使投资增大。导引线直接传输交流电量，故导引线保护采用差动保护原理，其导引线参数（如电阻和分布电容）直接影响保护性能，从而在技术上也限制了导引线保护用于较长的线路。

（2）电力线载波通道

电力线载波通道在保护中应用最广。载波保护是纵联保护中应用较广的一种。载波通道由高压输电线及其加工和连接设备（如阻波器、结合电容器和高频收发信机）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（高频通道衰减增大），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，和发生单相短路接地故障时能够传输高频信号，但在三相短路时不能。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。微波通道具有很宽的频带，线路故障时信号不会中断，可以传输交流电的波形。采用脉冲编码调制（PCM）方式可以进一步扩大信息传送量，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这两方面兼顾起来，同时还要考虑信号衰减的问题。

（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和在每半套保护装置中将电信号变成光信号送出，又将所接收的光信号变为电信号供保护使用。因光与电之间互不干扰，所以光纤保护没有导引线保护的问题，在经济上也可与导引线保护竞争。在架空输电线的接地线中铺设光纤的方法（OPGW），既经济又安全，很有发展前途，当其被保护线路很长时，应与通信等复用。

对应的纵联保护按照所利用通道的不同类型可以分为以下4种：

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），习惯上也称为高频保护。

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）。(www.xing528.com)

其中，导引线保护已被光纤保护所取代。随着光纤通信技术的发展，光纤保护也成为输电线路最主要的保护方式。

从保护原理考虑，最重要的是在被保护线路发生故障时通道是否畅通，即通道与电力线是否相互独立的问题。电力线载波通道在电力线路发生故障时通道也可能遭到破坏，使高频信号的衰减将增大。当载波通道采用“相—地”制并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将显著增大。当载波通道采用“相—相”制并在发生单相短路接地故障时，高频电流能够传输，但在三相短路时仍然不能传输。微波通道和光纤通道均独立于电力线路，在本线路故障时信号的传输不会受到影响。因此，微波保护和光纤保护在本线路故障时，不论要求传输信号或不要求传输信号都能满足要求。

讨论完纵联保护的通道类型，接下来就是讨论纵联保护的两侧所交换的各自信息内容，按照其内容可以分为下述3种。

（1）闭锁信号

顾名思义，闭锁信号是阻止保护动作于跳闸的信号。换言之，无闭锁信号是保护作用于跳闸的必要条件。只有同时满足本端保护元件动作和无闭锁信号两个条件时，保护能作用于跳闸，其逻辑框图如图3.2（a）所示。从保护逻辑框图中可以看出，收不到高频信号是保护动作的必要条件，另外闭锁信号通常在非故障线路上传输。

（2）允许信号

顾名思义，允许信号是允许保护动作于跳闸的信号。换言之，有允许信号是保护动作于跳闸的必要条件。只有同时满足本端保护元件动作和有允许信号两个条件时，保护才动作于跳闸，其逻辑框图如图3.2（b）所示。从保护逻辑框图中可以看出，收到高频信号是保护动作的必要条件，允许信号通常在故障线路上传输。

（3）跳闸信号

跳闸信号是直接引起跳闸的信号。此时与保护元件是否动作无关，只要收到跳闸信号，保护就作用于跳闸，如图3.2（c）所示。远方跳闸式保护就是利用跳闸信号。其中，收到高频信号是保护跳闸的必要且充分条件。另外，在载波或微波纵联保护的实际应用中，为降低由于通道干扰引起的误跳闸信号，往往增加就地判别回路。

图3.2　纵联差动保护信号逻辑框图

按照保护的动作原理，电力线路纵联保护可分为下述3类。

①纵联方向保护。

②纵联距离保护。

③纵联差动保护。

两侧保护继电器仅反映本侧的电气量，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故障还是区外故障。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纵联方向保护与纵联距离保护两种。

电力线路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来区分是区内故障还是区外故障。可见，这类保护在每一侧都直接比较两侧的电气量，类似于差动保护，因此成为纵联差动保护。

本章从（纵联差动保护入手）重点讨论闭锁式纵联方向保护的原理，并对允许式纵联方向保护、纵联距离保护作一简单介绍，同时对纵联保护中较常使用的高频（载波）通道部分也予以简要说明。然后，结合目前电网中使用较多的两套利用高频（载波）作为通道的纵联保护，也就是高频保护进行介绍。