相差高频保护构成原理分析

图3.21所示为线路故障时发信的单频率相差高频保护的原理方框图。由图可见，其主要由高频收、发信机、操作元件、启动元件、比相元件等组成，现分别说明如下。

（1）高频收、发信机

相差高频保护的发信机输出功率为20～50 W，为了抑制谐波以减少对相邻通道的影响，发信机回路中有多级与载频谐振的谐振回路。

相差高频保护中的收信机在保护投入运行后一直是工作的。其任务是将从高频通道接收过来的高频信号中反映两侧电流相位的矩形波检出，送入比相元件中比相。对收信机的主要要求是能较准确地反映出矩形波的宽度，要求矩形波的波形不要失真。在收信机中，滤波回路是关键部分。此外，为了提高收信机的抗干扰能力，除滤波回路应具有良好的特性外，对接收到的高频信号还要进行限幅整形。

（2）操作元件

图3.21　相差高频保护原理方框图

操作元件的作用是将输电线路上的50 Hz电流转变为一个50 Hz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（继电保护称为操作）。此工频方波电流称为操作电流。

对操作电流的要求是：首先，能反映所有类型的故障；其次，当线路内部发生故障时，两侧操作电流的相位差为0°或接近0°；当线路外部故障时，两侧电流的相位差为180°或接近180°。经过理论上的论证，认为采用作为操作电流基本上可以满足上述要求。目前，比较广泛采用的操作电流是，其中K取6～8。

在图3.21中，当为正半周时，允许发高频信号，而负半周时不发高频信号。

（3）启动元件

相差高频保护中的启动元件的任务是故障时启动发信机和开放比相回路，而且要求启动发信机要比开放比相回路更为灵敏，动作更为迅速。所以，相差高频保护采用两个灵敏度不同的过量电流继电器作为不对称故障时的启动元件。

低定值电流启动元件I2（低）动作后，经H1启动发信机并通过延时返回的时间元件t1，保证在t1时间内发信机一直发信。一般t1的时间值为5～7 ms。(www.xing528.com)

启动比相回路由两部分构成，即高定值负序电流元件和阻抗元件。高定值负序电流元件（高）作为不对称故障的启动元件，阻抗元件作为对称故障时的启动元件。阻抗启动元件应具有偏移特性，以消除出口三相故障时的动作死区。由于偏移特性方向阻抗继电器在电压回路断线时要误动，故由高定值负序电流元件通过Y3实现断线闭锁。当电压回路断线时，阻抗元件虽误动，但负序电流元件不动作，因而实现了闭锁。在三相对称故障情况下，负序电流在滤过器暂态不平衡电压下短时动作，这一动作状态由瞬时动作延时返回的时间元件t4记忆一段时间，这一段时间为10 ms左右，从而保证了比相回路可靠动作。

在相差高频保护中，比相回路正常工作时，不但要等待本侧发信机先发信，而且还要等待对侧所发出的信号。故比相回路要有一定的延时。在不对称故障时，这一延时由时间元件t3提供。t3值一般取为10 ms左右，完全能满足要求。在对称故障时，因阻抗元件动作较慢，故不需要延时量。

为了防止外部故障时，有一侧发信机不发信而造成保护装置误跳闸，所以，在实际保护装置中，除利用高、低值的差别优先启动发信机外，还可以采用远方启动方式启动发信机。在图3.21中，收信机输出经H1，启动发信机，这样就进一步提高了启动发信机的可靠性。

（4）比相元件

比相元件用于比较被保护线路两侧操作电流的相位。收信机同时接收到线路两侧发信机发出的高频信号。

图3.22　晶体管式高频相差动保护比相部分原理图

比相一般是用积分时间元件构成的。图3.22是相差高频保护比相元件的原理方框图，图中延时动作瞬时返回的时间元件tφ，即为图3.21中的比相器。tφ是用于比相的，若Y1门有输出且持续时间大于或等于tφ，则比相回路输出Uφ，Uφ为一矩形波。它经瞬时动作延时返回的时间元件门加以展宽；若t2略大于工频周期（20 ms），则只要Uφ有短暂输出就可以取得可靠的连续输出信号。总之，当内部故障时，收信机收到两侧的高频方波信号是同相位的间断方波信号，非门F1的输出就是间断的方波信号，而此时启动信号总是有输入的，于是，Y1便有输出。该输出经比相回路、脉冲展宽回路后，其输出也是连续的，加上启动信号一直有输入，因此，Y2动作，发跳闸信号。当外部故障时，收信机收到的方波信号是连续的，因此，非门F1的输出为零，虽然启动信号一直有输入，但Y1闭锁，Y2也闭锁，故不会发出跳闸信号。

在比相输入回路和输出回路中（图3.22），分别设有由保护启动元件来启动的Y1和Y2。这个逻辑安排是十分必要的，当系统正常运行时，保护不启动，两侧发信机不发信，此时，收信机收不到高频信号，如不对比相输入回路进行闭锁，则比相回路将进行错误比相而错误地发动作信号，Y1在逻辑上实现了这个闭锁。

当合上直流电源时，脉冲展宽回路要发一次展宽脉冲，如不加闭锁，则会导致保护误跳闸，为此，在比相回路出口装设由启动元件启动的Y2。由于合上直流时，保护启动元件不会启动，Y2也就不会开放，因此，可以达到闭锁的目的。

应该指出，上面的分析是在理想条件下进行的，实际上，输电线路两侧的电势绝大多数是不同相的，系统中各元件的阻抗角不可能完全相同，高频信号在传输过程中是需要时间的；另外，两侧电流互感器、滤过器、继电器等都有误差。因此，在外部故障时，两侧电流的相位差不可能恰好为180°，在内部故障时，两侧电流的相位差也不可能恰好为0°，这种情况将在下面进行讨论。