方向高频保护

4.3.4　方向高频保护

1）高频闭锁方向保护的基本原理

目前广泛应用的高频闭锁方向保护，是以高频通道经常无电流而在外部故障时发出闭锁信号的方式构成的。此闭锁信号由短路功率方向为负的一端发出，这个信号被两端的收信机所接收，而把保护闭锁，故称为高频闭锁方向保护。

现利用图4.6所示的故障情况来说明保护装置的作用原理。设故障发生于线路BC的范围以内，则短路功率S_d的方向如图所示。此时安装在线路BC两端的方向高频保护3和4的功率方向为正，保护应动作于跳闸。故保护3、4都不发出高频闭锁信号，因而，在保护启动后，即可瞬时动作，跳开两端的断路器。但对非故障线路AB和CD，其靠近故障点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发出高频闭锁信号。此信号一方面被自己的收信机接收，同时经过高频通道把信号送到对端的保护1和6，使得保护装置1、2和5、6都被高频信号闭锁，保护不会将线路AB和CD错误地切除。

图4.6　高频闭锁方向保护的作用原理

这种保护的工作原理是利用非故障线路的一端发出闭锁该线路两端的保护高频信号，而对于故障线路两端外侧则不需要发出高频信号使保护器动作跳闸。这样就可以保证在内部故障并伴随有通道的破坏时（例如通道所在的一相接地或是断线），保护装置仍然能够正确地动作，这是它的主要优点，也是这种高频信号工作方式得到广泛应用的主要原因之一。

图4.7所示为接于被保护线路一端的半套高频闭锁方向保护的原理接线。另一端的半套保护与此接线完全相同，故略。保护装置由以下主要元件组成：启动元件1和2，其灵敏度有选择地不同，灵敏度较高的启动元件1只用来启动高频发信机以发出闭锁信号，而灵敏度较低的启动元件2则准备好跳闸的回路，功率方向元件3用以判别短路功率的方向；中间继电器4ZJ只用于内部故障时停止发出高频信号；带有工作线圈和制动线圈的极化继电器5ZJ只用以控制保护的跳闸回路。在正方向短路时，5ZJ的工作线圈由线路本端的保护动作后供电，制动线圈在收信机收到高频信号时由高频电流整流后供电。继电器做成只当工作线圈中有电流时才动作，而当制动线圈或两组线圈同时有电流时均不动作。这样，就只有在内部故障，两端均不发送高频闭锁信号的情况下，5ZJ才能动作。现将发生各种故障时，保护的工作情况分述如下。

图4.7　高频闭锁方向保护的原理接线示意图

（1）外部故障。如图4.6所示保护点1和点2的情况，在A端的保护点1功率方向为正，在B端的保护点2功率方向为负。此时，两侧的启动元件1均动作，经过4ZJ的常闭触点将启动发信机的命令加于发信机上。发信机发出的闭锁信号，一方面为自己的收信机所接收，一方面经过高频通道，被对端的收信机接收。当收到信号后，5ZJ的制动线圈中就有电流，即把保护闭锁。此外，启动元件2也同时动作闭合其触点，准备了跳闸回路。在短路功率方向为正的一端（保护点1），其方向元件3动作，于是使4ZJ启动，停止发信，同时给5ZJ的工作线圈中加入电流。在方向为负的一端（保护点2），方向元件不启动。因此，发信机继续发送闭锁信号。在这种情况下，保护点1的5ZJ中是两个线圈均有电流，而保护点2的5ZJ中只有制动线圈有电流。如上所述，两个继电器均不能动作，保护就一直被闭锁。待外部故障切除，启动元件返回以后，保护即复归原状。

（2）两端供电线路内部故障。两端供电的线路内部故障时，两端的启动元件1和2均动作，其作用同上。之后两端的方向元件3和4ZJ也动作，即停止了发信机的工作。这样5ZJ中就只有工作线圈中有电流。因此，它们能立即动作分别使两端的断路器跳闸。

（3）单端供电线路内部故障。当只从一端供电的线路内部故障时，在受电端的半套保护不启动，也不发送高频闭锁信号，而在电源端的保护动作情况则和上述分析相同，此时能够立即动作使电源端的断路器跳闸。

（4）系统振荡。对接于相电流和相电压（或线电压）上的功率方向元件，当系统发生振荡且振荡中心位于保护范围以内时，由于两端的功率方向均为正，保护将要误动，这是一个严重的缺点。而对于反应负序或零序的功率方向元件，则不受振荡的影响。

由以上分析可以看出，在外部故障时，距故障点较远一端的保护所感觉到的情况，和内部故障时完全一样，此时主要是利用靠近故障点一端的保护发出高频闭锁信号，来防止远端保护的误动作。因此，在外部故障时保护正确动作的必要条件是靠近故障点一端的高频发信机必须启动，而如果两端启动元件的灵敏度不相配合时，就可能发生误动作。

4.8　启动元件灵敏度不相配合时可能误动作的情况

例如，在图4.8中，线路AB每端只有一个启动元件，其整定值为I_dz＝100A，由于电流互感器和继电器存在误差，因此，两端启动元件的实际启动电流可能不同。一般允许的误差范围是±5%，故A端的实际启动电流可能是95A，B端的则可能是105A。当保护范围外部故障且短路电流又恰为95A＜I_d＜105A时，则A端的保护点1启动，而B端的保护2不能启动，由于B端启动，由于B端不能发生高频闭锁信号，因此，保护1在启动之后就会出现误动作。为防止这种误动作的发生，如上面所述，在各端都采用两个灵敏度不同的启动元件，一般选择I_dzJ2＝（1.6～2）I_dzJ1，使灵敏的启动元件1动作后，只启动高频发信机，而不灵敏的启动元件2动作后才能够去跳闸。这样，当有上述情况发生时，保护就不可能误动作了。

由于采用了两个灵敏度不同的启动元件，在内部故障时，必须启动元件2动作后才能跳闸，因而降低了整套保护的灵敏度，同时也使接线复杂化。

此外，对于这种工作方式，当外部故障点发生在远离保护装置的一端时，为了等待对端发来的高频闭锁信号，还必须要求启动元件2的动作时间大于启动元件1的动作时间，这就降低了整套保护装置的动作速度。以上就是这种保护的主要缺点。

2）高频闭锁负序方向保护的构成原理

利用负序功率的高频闭锁方向保护，可以反应于各种不对称短路，又由于三相短路的开始瞬间总有一个不对称的过程，因此，如果负序方向元件能够在这个过程中来得及启动，并采取措施把它们的动作固定下来，则对三相短路也是可以反应的，否则将可能拒绝动作。

图4.9为这种保护（半套）的原理接线图，主要组成元件包括：双方向动作的负序功率方向元件GJ₂、具有工作线圈和制动线圈的极化继电器2ZJ、串接于启动发信机回路中带延时返回的中间继电器1ZJ以及出口跳闸继电器3ZJ。

图4.9　高频闭锁负序方向保护的原理接线图

构成保护的基本原则和保护的动作情况与图4.7的接线相似，不同之点在于：当内部故障时，两端GJ₂的触点均向下闭合，使2ZJ工作线圈带电，同时两端的发信机均不能启动，由于发信机不能启动，收信机收不到闭锁信号，因此，2ZJ即可动作于跳闸；而当外部故障时，靠近故障点一端的GJ₂触点向上闭合，即经1ZJ的电流线圈而启动发信机。1ZJ的触点闭合以后，又经电阻R实现对发信机的附加启动，发出闭锁信号，从而把两端的保护器闭锁。为了保证这个闭锁作用的可靠实现，就必须要求负序方向元件GJ₂向上闭合触点，启动发信机时的灵敏度较高，时间较快，而向下闭合触点启动极化继电器时的灵敏度较低，时间较慢，以便在灵敏度和动作时间方面都能配合。

3）高频闭锁距离保护和高频闭锁零序方向保护的基本原理

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，但却不能作为变电所母线和下一条线路的后备。至于距离保护，正如以前所讲的，它只能在线路中间60%～70%长度的范围内瞬时切除故障，而在其余的30%～40%长度的范围内要以一端带有第Ⅱ段的时限来切除。由于在距离保护中所用的主要继电器（如启动元件、方向阻抗元件等）都是实现高频闭锁方向保护所必需的，因此，在某些情况下，把两者结合起来，做成高频闭锁的距离保护，使得内部故障时能够瞬时动作，而在外部故障时具有不同的时限特性，起到后备保护的作用，就可以兼有两种保护的优点，并且能简化整个保护的接线。

图4.10所示为高频闭锁距离保护的原理说明图。假设线路两侧均采用三段式距离元件，Ⅰ段能保护线路全长的85%，Ⅱ段能保护线路的全长并具有足够的灵敏度，Ⅲ段作为启动元件并可作为后备保护。距离部分和高频部分配合的关系是：Ⅲ段启动元件Z_Ⅲ动作时，经1ZJ的常闭触点启动发信机发出高频闭锁信号，Ⅱ段距离元件Z_Ⅱ动作时则启动1ZJ，停止高频发信机。距离Ⅱ段动作后一方面启动时间元件t_Ⅱ，可经一定延时后跳闸，同时还可经过一收信闭锁继电器2ZJ的闭锁触点瞬时跳闸。当保护范围内部故障时（如d₁点），两端的启动元件动作，启动发信机，但两端的距离Ⅱ段也动作，又停止了发信机。当收信机收不到高频信号时，2ZJ触点闭合，使距离Ⅱ段可瞬时动作于跳闸。而当保护范围外部故障时（如d₂点），靠近故障点的B端距离Ⅱ段不动作，不停止发信，A端Ⅱ段动作停止发信，但A端收信机可收到B端送来的高频信号使闭锁继电器动作，2ZJ触点打开，因而断开了Ⅱ段的瞬时跳闸回路，使它只能经过Ⅱ段时间元件去跳闸，从而保证了动作的选择性。

图4.10　高频闭锁距离保护的原理说明图

高频闭锁零序保护的工作原理与高频闭锁距离保护相同，只需用三段式零序电流方向元件代替上述三段式距离元件，并和高频部分相配合即可实现。

这两种保护方式的主要缺点是使主保护（高频保护）和后备保护（距离或零序保护）的接线互相连在一起，不便于运行和检修，例如当距离保护需要作定期检验而退出运行时，则高频保护根本不能独立工作，因而灵活性较差。