高频相差动保护的相位特性和相继动作区划分

在电力系统的运行中，由于线路两侧电势的相位差、系统阻抗角的不同、电流互感器和保护装置的误差以及高频信号从一端送到对端的时间延迟等因素的影响，在内部故障时，收信机所收到的两个高频信号并不能完全重叠，而在外部故障时，也不会正好互相填满。因此，需要从下述几个方面作进一步的分析。

（1）在最不利的情况下保护范围内部故障

在内部对称短路时，复合过滤器输出的只有正序电流I1，即三相短路电流。如图3.23所示，在短路前两侧电势和具有相角差δ。根据系统稳定运行的要求，δ一般不超过70°。在此，取滞后于的角度δ=70°。设短路点靠近于N侧，则电流IM滞后于的角度由发电机、变压器以及线路的总阻抗决定，一般取阻抗角φK=60°。在N侧，电流的角度则决定于发电机和变压器的阻抗，一般由于它们的电阻很小，故取阻抗角φ′K=90°；这样两侧电流和相差的角度总共可达到100°。

当一次侧电流经过电流互感器转换到二次侧时还可能产生角度误差，如果互感器的负载是按照10%误差曲线选择的，则最大的误差角是δTA=7°；此外，根据试验结果，现有常用保护装置本身的误差角可达δbh=15°。考虑到上述各个因素的影响，则M侧和N侧高频信号之间的相位差最大可达100°+7°+15°=122°。此外，对M侧而言，N侧发出的信号经输电线路传送时，还要有一个时间的延迟。如以50 Hz交流为基准，则每100千米的延时等于6°，如果线路长度为1 km，则总的延迟角度为δl=1/100×6°，从M侧高频收信机中所收到的信号就可能具有（122°+δl）的相位差；但对N侧而言，由于它本身滞后于M侧，因此，这个传送信号的延迟，反而能使收信机所收高频信号的相位差变小，其值最大可能（122°-δl）。

在上述诸因素影响下，收信机中高频信号间断的时间将要缩短，这对保护的工作是不利的，而以电势超前的M侧保护工作的情况最为严重。由于故障是在保护范围以内，因此，希望保护装置即使在两端高频信号不完全重叠，而是具有（122°+δl）的相位差时，也应该正确地动作。

在内部不对称短路时，利用K倍分量，只要K取得足够大，就可以保证两端电流的相位接近于同相。这是因为两端的是由短路点的同一负序电压所产生，除了电流互感器和保护装置本身的相位误差外，其相位的差别就仅由两侧阻抗角的不同所引起。故当内部不对称短路时，由于利用了负序分量的电流，就可以大大改善保护的工作条件，提高保护的灵敏性。因此，在选择系数K时，应使I2分量在过滤器输出中占主要地位，一般取为6～8。由于在高压网络中发生三相短路的可能性是很少的，因此，实际上保护工作的条件要比上述最不利的情况好得多。

图3.23　电力系统短路的相量图

（2）保护范围外部的故障

当保护范围外部故障时，从一次侧来看，如果暂不考虑线路分布电容电流所引起的两端电流的相位差，则电流IM和IN相差180°。同于以上的分析，考虑到电流互感器和保护装置的误差δTA以及传送信号的时间延迟，则两侧高频信号也不会相差正好180°，在最不利的情况下可能达到180°±（37°+δl）。因此，收信机所收到的高频信号就不是连续的，在相位比较回路中将有短时间的输出，由于是保护范围外部的故障，因此，在此最不利情况下也要求保护装置可靠地不动作。

（3）闭锁角的整定

综上所述，在内部故障时，由于各种原因使两端高频信号的相位差增大时，则使相位比较元件的输出脉冲变窄。一般而言，这将使保护装置动作的灵敏度降低。在外部故障时，高频信号的相位偏移出现间断，可能引起保护误动作。为了使保护装置在这两种故障情况下都能可靠地工作，并首先保证外部故障时的选择性，必须对相位比较回路进行合理整定。

设在最不利情况下的外部故障时，两侧高频信号的相位偏移可能产生的最大间断角为φidmax，选取这个角度为保护的闭锁角。φb=φidmax。

此时，两侧高频信号的相位差为φ=180°±φb即180°-φb＜φ＜180°+φb时，保护不应动作，此范围之外，保护可以动作。动作范围为φ≥180°+φb或φ≤180°-φb，这样就可以保证外部故障时不会误动作。而在内部故障时，保护易于满足φ≥180°+φb或φ≤180°-φb的动作条件。φb一般在60°左右。(www.xing528.com)

由于间断角φid随输电线的长度而变化，所以闭锁角也应随之变化。

确定保护闭锁角的原则是必须在外部故障时保证保护动作的选择性。因此，当外部故障时，须将一切不利因素考虑在内，此时两端高频信号的相位差可达：

φ=180°±(δTA+δbh+δl)=180°±(l/100×6°+22°)

因为此时保护不应动作，所以必须选择保护的闭锁角φb＞22°+（l/100）×6°，即

φb=22°+(l/100)×6°+φy

式中　φy——裕度角，可取为15°。

上式表明，线路越长，闭锁角的整定值就越大。

当按照上述原则确定闭锁角之后，还需要校验保护装置在内部故障时动作的灵敏性。此时，根据以前的分析，以三相短路为例，在最不利的情况下，对位于电势相位超前的一端（例如M端），相位差可达φM=122°+（l/100）×6°；对位于落后的一端（例如N端），则φN=122°-（l/100）×6°，为保证保护装置可靠动作，则要求φM和φN均应小于保护装置的动作角φop，并且要有一定的裕度。

（4）保护的相继动作区

由以上分析可知，当线路长度增加以后，闭锁角的整定值必然加大，因此，动作角φop就要随之减小；当保护范围内部故障时，M端高频信号的相位差φM也要随线路长度而增大。因此，当输电线路的长度超过一定距离以后，就可能出现φM＞φop的情况，此时，M端的保护将不能动作。

但在上述情况下，由于N端所收到的相位差φN是随着线路长度的增加而减小的，因此，N端的相位差必然小于φop，N端的保护仍然能够可靠动作。

为了解决M端保护在内部故障时不能跳闸的问题，在保护的接线中采用了当N端保护动作跳闸的同时，也使它停止了自己发信机所发送的高频信号，在N端停信以后，M端的收信机就只收到它自己所发的信号。由于这个信号是间断的，间断角接近180°，因此，M端的保护即可立即动作跳闸。保护装置的这种工作情况——必须一端的保护先动作跳闸以后，另一端的保护才能再动作跳闸，称之为“相继动作”。