一种输电线路的线路保护方法

本发明涉及一种电力供配电保护的技术领域，具体的来说，是一种输电线路的线路保护方法。

随着电力系统容量迅速增加，输电线路日益增多。输电线路往往一端联系着一个大电厂，另一端联系 着一个负荷中心：或者两端各联系着一个大电力系统。由于线路长、输送功率大，所以维持输电线路的安 全稳定运行是一个十分重要的问题。为确保超高压输电线路安全稳定运行，要求输电线路主保护能够可靠 快速的切除线路首次发生的故障，输电线路保护的动作时间不得大于1-2个周波。在系统故障时保护的拒 动或非故障设备的误跳闸将切除2条甚至2条以上的线路，造成大面积的停电，甚至导致系统瓦解，后果极 其严重。

针对现有技术的不足，本发明提出一种输电线路的线路保护方法，所述线路保护的内容包括：过电流 保护、距离保护、零序电流保护、电网振荡检测/闭锁、自动重合闸、跳闸保护、纵联方向保护、突变保 护。根据保护内容设置相应的通用模块，即过电流模块、距离保护模块、零序电流保护模块、振荡闭锁模 块、自动重合闸模块、跳闸模块、纵联方向保护模块、高频保护模块、断路器失灵保护模块、突变量启动 模块、过负荷保护模块以及差动保护模块。

电流的突变量启动模块作为距离保护、零序保护等许多保护的开启元件，该模块在每个采样点到来时 运行，取三点电流采样瞬时值数据，计算电流突变量。当检测到电流突变量时，该模块将此结果告知需要 突变量启动的保护或功能模块，如距离保护模块组、零序保护模块组等。这些保护模块在系统正常运行时 将不工作，直到突变量启动信号到达。

当电流突变量Δi大于突变量整定值时，突变量启动。其中：

Δi＝||i-iT|-|iT-i2T||

式中，iT为当前时刻一周期前的采样值，i2T为两周期前的采样值。

突变量启动模块为通用模块，提供开放的外部接口，输入不同的数据量则该模块提供用于不同保护功 能的突变量启动信息。根据需要设置输入的电流量及整定信息，突变量模块进行通用启动判定后输出判定 结果。

距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离或阻抗，并根据距离的远近，即阻抗的大小而确定 动作时间的一种保护。距离保护主要与振荡闭锁、重合闸等相配合，保护出口为三相全跳。当系统发生振 荡时，可以及时正确地区分出系统故障与振荡，保证不拒动且不误动。

距离保护模块包括故障相选相模块、方向判别模块、四边形保护模块以及重合闸加速模块。

当突变量启动后，故障相选相模块进行选相以判断故障的相别，根据电流突变量进行选相，即通过比 较三个相间电流ΔIAB、ΔIBC、ΔIAC的大小，来判断故障相别。

方向判别模块主要用于判断出口处短路的短路发生处位于保护装置的正向还是反向。以故障发生前两 周波的电压，与故障后的电流进行相比来判断故障方向。将方向判别的结果告知四边形保护模块。四边形 保护模块根据阻抗特性设置四边形保护区域范围，当测量到的故障相阻抗在四边形区域内，且同时满足方 向判别处于正方向时，保护启动。

如果自动重合闸装置动作，线路重新运行，此时如果再次发生故障，重合闸后加速模块将采取加速保 护，选取一种预先设定的加速策略后，不经延时或经过短时间延时后动作。重合闸后加速模块接收重合闸 成功的信息，以及四边形保护模块的启动信息，及线路阻抗值是否已经进入故障阻抗区间，若任意段四边 形保护模块启动，则快速跳闸。

振荡闭锁模块在当系统发生振荡时，电压电流量周期性变化，将出现阻抗进入距离保护范围的情况， 对距离保护影响较大，会使距离保护出现误动作。所以，当系统出现不正常运行时，应判断出是振荡还是 短路故障，进而进行正确的操作。振荡闭锁模块当系统发生振荡时，可以可靠地将保护闭锁，直到振荡停 息才解除闭锁；系统发生故障时，振荡闭锁不动作，使保护快速可靠地动作；当振荡过程中发生故障，保 护能快速识别故障并动作；而对于先发生故障而后发生的振荡，保护不至于无选择性地动作。

振荡和短路故障的判定依据为：

振荡时系统各点电压值和电流值均做往复性摆动，而短路时电流电压值是突变的；

振荡时电流电压值的变化速度较慢，而短路时电流电压值的突变量较大；

振荡时系统任何一点电流与电压之间的相位角都随功角的变化而改变，而短路时，电流与电压之间的 相位角是基本不变的；

振荡时，三相完全对称，电力系统中没有负序分量出现，而当短路时，将长期(在不对称短路过程中) 或瞬间(在三相短路开始时)出现负序分量。

过电流保护是线路保护中最简单基本的一种，通常用于线路后备保护或主保护等。通过监测电流值的 变化量判断系统故障，当满足过电流中的反时限保护、短延时保护或瞬动保护中的任一整定值或达到整定 动作时间时，保护开关或保护断路器动作，切断电路。

零序电流保护模块基于线路采用中性点直接接地方式，当发生接地短路故障时，将产生零序电流、零 序电压和零序功率，零序保护正是利用这些电气量的变化判断短路故障。

突变量启动模块将突变量启动信息告知各个零序电流模块及方向判别模块，发送相关电气量信息。方 向判别模块利用零序电流和零序电压之间的夹角来判定正、反方向，可以根据需要配置零序的某段保护带 有方向信息或不带方向信息。零序电流模块内部进行零序电流与整定值的比较，当零序电流值大于相应的 整定值，则该段保护启动。

跳闸保护模块基于对于故障线路，可能多种保护会同时给出动作信号，因而需要将动作信号进行整合， 管理线路的跳闸，形成最终的跳闸指令再发送给断路器或开关进行工作。该模块与输出跳闸信号的所有模 块相关联，包括距离保护模块、零序电路保护、过电流保护等，当接收到跳闸指令后，将进行跳闸信号的 汇总处理，并发出跳闸指令，再发出最终的跳闸指令后，将跳闸信息发送给重合闸模块，作为重合闸模块 的启动信号。

重合闸模块基于故障发生后，保护正确动作将线路跳开，故障电弧熄灭，绝缘恢复，故障点消失，线 路是可以恢复到正常运行状态的。自动重合闸的作用就在于保护动作跳闸之后等待瞬时性故障消失，线路 绝缘恢复，自动将线路投入正常运行。如果线路上的故障是永久性故障，利用重合闸后加速功能，即重合 于故障后不加延时或小延时跳闸，并于此时闭锁重合闸，不再重合，减少短路对电气设备造成的损害。重 合闸模块从跳闸模块接收最后的跳令信息，重合闸成功后通知重合闸后加速保护模块。

纵联方向保护模块是由线路两侧的方向元件分别对故障的方向作出判断，然后通过高频信号作出综合 的判断，即对两侧的故障方向进行比较以决定是否跳闸。从母线指向线路的方向为正方向，从线路指向母 线的方向为反方向。纵联方向保护的工作方式是当任一侧方向元件判断为反方向时，不仅本侧保护不跳闸， 而且由发信机发出高频电流，对侧收信机接收后就输出脉冲闭锁该侧保护。在外部故障时是近故障侧的方 向元件判断为反方向故障，所以是近故障侧闭锁远离故障侧；在内部故障时两侧方向元件都判断为正方向， 都不发送高频电流，两侧收信机接收不到高频电流，也就没有输出脉冲去闭锁保护，于是两侧方向元件均 作用于跳闸。通过纵联方向保护防止故障发生时，断路器大面积动作，导致未受故障影响的线路在遇到短 时过载电流的误动作。

高频保护模块在高压输电线路上，为保证电力系统并列运行的稳定性和提高输送功率，要求继电保护 装置无时限快速动作，切除线路上任一点发生的短路故障。采用高频载波通信技术，在电力线路上输送载 波高频信号的高频通道或微波通道来代替辅助导线，构成高频保护或微波保护。高频保护是将线路两端的 电流相位或功率方向转变为高频信号，然后利用输电线路本身构成高频电流的通道将此信号传送到另一 端，在线路两端保护装置中进行电流相位或功率方向比较。

断路器失灵保护模块是当系统发生故障时，故障元件的保护动作，而且断路器操作机构失灵拒绝跳闸 时，通过故障元件的保护作用于同一变电所相邻元件断路器使之跳闸切除故障的接线。这种保护能以较短 的时限切除同一发电厂或变电所其他有关的断路器，以便尽快地把停电范围限制到最小。由于断路器失灵 保护动作时要切除一段母线上所有连接元件的断路器，而且保护接线中是将所有断路器的操作回路连接在 一起，因此，保护的接线必须保证动作的可靠性，以免保护误动作造成严重事故。其动作判定条件为：

①故障元件保护动作未发生；即断路器元件发生故障，导致无法完成跳闸动作。

②在故障元件的被保护范围内仍存在故障，即确保故障判断的准确性，如该断路器并未故障，只是还 未达到整定的延时时间，从而引起其他断路器的误跳闸。

差动保护模块是线路中的电流在同一部位产生了一定值的突变量或在同一段线路中的不同部位(即之 间无负载接入)的电流差值达到了一定值时进行线路保护动作。

差动保护的判定依据为：

ΔICD＞KΔIZD

ΔICD＞Iset

其中ΔICD为差动电流，K为制动系数，取0.8-1，ΔIZD为制动电流，Iset为整定电流值

差动保护的两个判定依据满足其一即进行线路保护动作。

其中，

式中，Im为线路一端测得的电流值，In为线路另一端测得的电流值，θ为Im与In的相位夹角。

过负荷保护模块是因为输电线路过负荷是一种比较常见的异常运行状态，主要分为正常过负荷与事故 性过负荷：

正常过负荷：线路超过规定的正常运行的最大负荷，可能是超稳定极限运行、可能是大机组失磁等， 正常过负荷一般远小于严重的事故过负荷。

事故过负荷：当一个输电截面一回或多回线路，事故或无事故跳闸，负荷转移造成剩余运行线路严重 事故过负荷。

通过过负荷保护继电器，分别设置接地、相间负荷限制，通过定值的整定，将可能出现的过负荷情况 限制在动作区之外。

过负荷保护继电器的动作值为

式中表示向量与向量之间的夹角，α为电压向量与电流向量之间的夹角，
为线路的电压向量，为线路的电流向量，R_set为电阻整定值。

由上式可以看出，通过对Rset进行整定即可，该定值需要保证在事故性过负荷情况下测量阻抗不会进 入到动作区。

本发明的输电线路保护方法通过过电流模块、距离保护模块、零序电流保护模块、振荡闭锁模块、自 动重合闸模块、跳闸模块、纵联方向保护模块、高频保护模块、断路器失灵保护模块、突变量启动模块、 过负荷保护模块以及差动保护模块实现对输电线路的各项故障进行保护，从而保证线路的正常运行。

图1是本发明的一种输电线路的线路保护方法的结构组成图。

一种输电线路的线路保护方法，所述线路保护的内容包括：过电流保护、距离保护、零序电流保护、 电网振荡检测/闭锁、自动重合闸、跳闸保护、纵联方向保护、突变保护。根据保护内容设置相应的通用 模块，即过电流模块、距离保护模块、零序电流保护模块、振荡闭锁模块、自动重合闸模块、跳闸模块、 纵联方向保护模块、高频保护模块、断路器失灵保护模块、突变量启动模块、过负荷保护模块以及差动保 护模块。

电流的突变量启动模块作为距离保护、零序保护等许多保护的开启元件，该模块在每个采样点到来时 运行，取三点电流采样瞬时值数据，计算电流突变量。当检测到电流突变量时，该模块将此结果告知需要 突变量启动的保护或功能模块，如距离保护模块组、零序保护模块组等。这些保护模块在系统正常运行时 将不工作，直到突变量启动信号到达。

当电流突变量Δi大于突变量整定值时，突变量启动。其中：

Δi＝||i-iT|-|iT-i2T||

式中，iT为当前时刻一周期前的采样值，i2T为两周期前的采样值。

突变量启动模块为通用模块，提供开放的外部接口，输入不同的数据量则该模块提供用于不同保护功 能的突变量启动信息。根据需要设置输入的电流量及整定信息，突变量模块进行通用启动判定后输出判定 结果。

距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离或阻抗，并根据距离的远近，即阻抗的大小而确定 动作时间的一种保护。距离保护主要与振荡闭锁、重合闸等相配合，保护出口为三相全跳。当系统发生振 荡时，可以及时正确地区分出系统故障与振荡，保证不拒动且不误动。

距离保护模块包括故障相选相模块、方向判别模块、四边形保护模块以及重合闸加速模块。

当突变量启动后，故障相选相模块进行选相以判断故障的相别，根据电流突变量进行选相，即通过比 较三个相间电流ΔIAB、ΔIBC、ΔIAC的大小，来判断故障相别。

方向判别模块主要用于判断出口处短路的短路发生处位于保护装置的正向还是反向。以故障发生前两 周波的电压，与故障后的电流进行相比来判断故障方向。将方向判别的结果告知四边形保护模块。四边形 保护模块根据阻抗特性设置四边形保护区域范围，当测量到的故障相阻抗在四边形区域内，且同时满足方 向判别处于正方向时，保护启动。

如果自动重合闸装置动作，线路重新运行，此时如果再次发生故障，重合闸后加速模块将采取加速保 护，选取一种预先设定的加速策略后，不经延时或经过短时间延时后动作。重合闸后加速模块接收重合闸 成功的信息，以及四边形保护模块的启动信息，及线路阻抗值是否已经进入故障阻抗区间，若任意段四边 形保护模块启动，则快速跳闸。

振荡闭锁模块在当系统发生振荡时，电压电流量周期性变化，将出现阻抗进入距离保护范围的情况， 对距离保护影响较大，会使距离保护出现误动作。所以，当系统出现不正常运行时，应判断出是振荡还是 短路故障，进而进行正确的操作。振荡闭锁模块当系统发生振荡时，可以可靠地将保护闭锁，直到振荡停 息才解除闭锁；系统发生故障时，振荡闭锁不动作，使保护快速可靠地动作；当振荡过程中发生故障，保 护能快速识别故障并动作；而对于先发生故障而后发生的振荡，保护不至于无选择性地动作。

振荡和短路故障的判定依据为：

振荡时系统各点电压值和电流值均做往复性摆动，而短路时电流电压值是突变的；

振荡时电流电压值的变化速度较慢，而短路时电流电压值的突变量较大；

振荡时系统任何一点电流与电压之间的相位角都随功角的变化而改变，而短路时，电流与电压之间的 相位角是基本不变的；

振荡时，三相完全对称，电力系统中没有负序分量出现，而当短路时，将长期(在不对称短路过程中) 或瞬间(在三相短路开始时)出现负序分量。

过电流保护是线路保护中最简单基本的一种，通常用于线路后备保护或主保护等。通过监测电流值的 变化量判断系统故障，当满足过电流中的反时限保护、短延时保护或瞬动保护中的任一整定值或达到整定 动作时间时，保护开关或保护断路器动作，切断电路。

零序电流保护模块基于线路采用中性点直接接地方式，当发生接地短路故障时，将产生零序电流、零 序电压和零序功率，零序保护正是利用这些电气量的变化判断短路故障。

突变量启动模块将突变量启动信息告知各个零序电流模块及方向判别模块，发送相关电气量信息。方 向判别模块利用零序电流和零序电压之间的夹角来判定正、反方向，可以根据需要配置零序的某段保护带 有方向信息或不带方向信息。零序电流模块内部进行零序电流与整定值的比较，当零序电流值大于相应的 整定值，则该段保护启动。

跳闸保护模块基于对于故障线路，可能多种保护会同时给出动作信号，因而需要将动作信号进行整合， 管理线路的跳闸，形成最终的跳闸指令再发送给断路器或开关进行工作。该模块与输出跳闸信号的所有模 块相关联，包括距离保护模块、零序电路保护、过电流保护等，当接收到跳闸指令后，将进行跳闸信号的 汇总处理，并发出跳闸指令，再发出最终的跳闸指令后，将跳闸信息发送给重合闸模块，作为重合闸模块 的启动信号。

重合闸模块基于故障发生后，保护正确动作将线路跳开，故障电弧熄灭，绝缘恢复，故障点消失，线 路是可以恢复到正常运行状态的。自动重合闸的作用就在于保护动作跳闸之后等待瞬时性故障消失，线路 绝缘恢复，自动将线路投入正常运行。如果线路上的故障是永久性故障，利用重合闸后加速功能，即重合 于故障后不加延时或小延时跳闸，并于此时闭锁重合闸，不再重合，减少短路对电气设备造成的损害。重 合闸模块从跳闸模块接收最后的跳令信息，重合闸成功后通知重合闸后加速保护模块。

纵联方向保护模块是由线路两侧的方向元件分别对故障的方向作出判断，然后通过高频信号作出综合 的判断，即对两侧的故障方向进行比较以决定是否跳闸。从母线指向线路的方向为正方向，从线路指向母 线的方向为反方向。纵联方向保护的工作方式是当任一侧方向元件判断为反方向时，不仅本侧保护不跳闸， 而且由发信机发出高频电流，对侧收信机接收后就输出脉冲闭锁该侧保护。在外部故障时是近故障侧的方 向元件判断为反方向故障，所以是近故障侧闭锁远离故障侧；在内部故障时两侧方向元件都判断为正方向， 都不发送高频电流，两侧收信机接收不到高频电流，也就没有输出脉冲去闭锁保护，于是两侧方向元件均 作用于跳闸。通过纵联方向保护防止故障发生时，断路器大面积动作，导致未受故障影响的线路在遇到短 时过载电流的误动作。

高频保护模块在高压输电线路上，为保证电力系统并列运行的稳定性和提高输送功率，要求继电保护 装置无时限快速动作，切除线路上任一点发生的短路故障。采用高频载波通信技术，在电力线路上输送载 波高频信号的高频通道或微波通道来代替辅助导线，构成高频保护或微波保护。高频保护是将线路两端的 电流相位或功率方向转变为高频信号，然后利用输电线路本身构成高频电流的通道将此信号传送到另一 端，在线路两端保护装置中进行电流相位或功率方向比较

断路器失灵保护模块是当系统发生故障时，故障元件的保护动作，而且断路器操作机构失灵拒绝跳闸 时，通过故障元件的保护作用于同一变电所相邻元件断路器使之跳闸切除故障的接线。这种保护能以较短 的时限切除同一发电厂或变电所其他有关的断路器，以便尽快地把停电范围限制到最小。由于断路器失灵 保护动作时要切除一段母线上所有连接元件的断路器，而且保护接线中是将所有断路器的操作回路连接在 一起，因此，保护的接线必须保证动作的可靠性，以免保护误动作造成严重事故。其动作判定条件为：

①故障元件保护动作未发生；即断路器元件发生故障，导致无法完成跳闸动作。

②在故障元件的被保护范围内仍存在故障，即确保故障判断的准确性，如该断路器并未故障，只是还 未达到整定的延时时间，从而引起其他断路器的误跳闸。

差动保护模块是线路中的电流在同一部位产生了一定值的突变量或在同一段线路中的不同部位(即之 间无负载接入)的电流差值达到了一定值时进行线路保护动作。

差动保护的判定依据为：

ΔICD＞KΔIZD

ΔICD＞Iset

其中ΔICD为差动电流，K为制动系数，取0.8-1，ΔIZD为制动电流，Iset为整定电流值

差动保护的两个判定依据满足其一即进行线路保护动作。

其中，

式中，Im为线路一端测得的电流值，In为线路另一端测得的电流值，θ为Im与In的相位夹角。

过负荷保护模块是因为输电线路过负荷是一种比较常见的异常运行状态，主要分为正常过负荷与事故 性过负荷：

正常过负荷：线路超过规定的正常运行的最大负荷，可能是超稳定极限运行、可能是大机组失磁等， 正常过负荷一般远小于严重的事故过负荷。

事故过负荷：当一个输电截面一回或多回线路，事故或无事故跳闸，负荷转移造成剩余运行线路严重 事故过负荷。

通过过负荷保护继电器，分别设置接地、相间负荷限制，通过定值的整定，将可能出现的过负荷情况 限制在动作区之外。

过负荷保护继电器的动作值为

式中表示向量与向量之间的夹角，α为电压向量与电流向量之间的夹角，
为线路的电压向量，为线路的电流向量，R_set为电阻整定值。

由上式可以看出，通过对Rset进行整定即可，该定值需要保证在事故性过负荷情况下测量阻抗不会进 入到动作区。

本发明的输电线路保护方法通过过电流模块、距离保护模块、零序电流保护模块、振荡闭锁模块、自 动重合闸模块、跳闸模块、纵联方向保护模块、高频保护模块、断路器失灵保护模块、突变量启动模块、 过负荷保护模块以及差动保护模块实现对输电线路的各项故障进行保护，从而保证线路的正常运行。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改 动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等 同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。