相差动高频保护

4.3.5　相差动高频保护

1）相差动高频保护的基本原理

其基本原理在于比较被保护线路段两端的短路电流的相位。在此仍采用电流的给定正方向是由母线流向线路。因此，装于线路两端的电流互感器的极性将应如图4.11（a）所示。当保护范围内部的d₁点故障时，在理想情况下，两端电流相位相同，如图4.11（b）所示，两端保护装置应动作，使两端的断路器跳闸。当保护范围外部的d₂点故障时，两端电流相位相差180°，如图4.11（c）所示，保护装置则不应动作。

图4.11　相差动高频保护工作的基本原理

为了满足以上要求，当采用高频通道经常无电流，而在外部故障时发出高频电流（即闭锁信号）的方式来构成保护时，在实际上可以做成当短路电流为正半周，使它操作高频发信机发出高频电流，而在负半周则不发，如此不断地交替进行。

这样当保护范围内部故障时，由于两端的电流同相位，如图4.12中的（a′）和（b′），它们将同时发出闭锁信号也同时停止闭锁信号，如图4.12（c′）和（d′）所示，因此，从两端收信机所收到的高频电流就是间断的如图4.12（e′）所示。

当保护范围外部故障时，由于两端电流的相位相反，如图4.12中的（a）和（b），两个电流仍然在它自己的正半周发出高频信号。因此，两个高频电流发出的时间就相差180°，如图（c）和（d）所示。这样从两端收信机中所收到的总信号就是一个连续不断的高频电流如图4.12（e）所示。由于信号在传输中有衰耗，因此，送到对端的信号幅值要小一些。

图4.12　相差动高频保护动作原理的说明

（a）、（a′）—A端滤过器的输出电流I_A；（b）、（b′）—B端滤过器的输出电流I_B；

（c）、（c′）—由I_A操作发出的高频信号；（d）、（d′）—由I_B操作发出的高频信号；

（e）、（e′）—收信机所接受的信号；（f）、（f′）—收信机的输出信号

由以上分析可以看出，对于相差动高频保护，在外部故障时，由对端送来的高频脉冲电流信号正好填满本端高频脉冲的空隙，使本端的保护闭锁。填满本端高频脉冲空隙的对端高频脉冲就是一种闭锁信号，而在内部故障时，没有这种填满空隙的脉冲，就构成了保护动作跳闸的必要条件。因此相差动高频保护也是一种传送闭锁信号的保护，也具有闭锁式保护所具有的缺点，需要两套启动元件。

2）比相回路

用来鉴别高频电流是连续的、还是有间断的、以及间断角度大小的回路称为相位比较回路。图4.13（a）为其框图，（b）则为用晶体管实现的原理图。在发生故障时，灵敏度不同的两套启动元件都应动作。灵敏度低的高定值启动元件动作后，使比相和出口回路开放图4.13（a），当收信机收到高频电流，输出为正时，“否”元件无输出。因此在外部故障时，收信机收到连续的高频电流，比相回路无输出。在内部故障时，收信机收到间断的高频电流，在高频电流间断期间，收信机输出为负，“否”元件有输出。当间断时间大于一定的角度（防止外部故障时，由于各种误差是保护误动而设置的闭锁角）时，延时t₁的元件有输出，此输出脉冲被展宽元件展宽t₂后，作用于出口跳闸。从原理图4.13（b）可见，正常无故障时，高定值启动元件不动作，a点为负电位，使PNP型三极管T₁开放，将延时元件的电容C短接。外部故障时，a点电位变正，但收信机收到连续高频电流，使b点变负，T₁保持开放。在内部故障时，在高频电流的间断期间，b点电位也变正，使T₁截止，C通过R₃充电。如果高频电流间断角度等于或大于闭锁角，则C上的充电电压将达到使稳管W击穿的值。W击穿后使T₂导通，T₃截止，点3输出负电位，使保护动作。据此，相位比较回路也可用NPN型晶体管或其他原理构成。

图4.13　比相回路

为保证外部故障时，比相元件不动作，即高频收信机输出间断时间小于t₁，必须使外部故障时两端操作电流的相位差φ满足：

｜φ｜≥180°－β或β≤180°－｜φ｜　　　（4.2）

其中β称为闭锁角，即能使保护闭锁的高频电流最大间断角。间断角越小，对保护的闭锁越可靠。理论上外部故障时，间断角为0°，内部故障时，间断角为180°。另外，把（180°－β）又称为相差保护的动作角。保证内部故障时比相元件能够动作的条件为：

｜φ｜≤180°－β　　　（4.3）

如果两端电流相位差满足｜φ｜≤180°－β，则高频电流间断角一定大于β。

而影响闭锁角的因素主要有以下几个：

（1）两端电流互感器误差φ_th≤7°

（2）两端操作元件的角度误差φ_c＝15°

（3）高频电流传输延时相位差

（4）其他误差因素，裕度角φ_yd＝15°。因此有

所以β一般整定为45°～60°。

3）相差动高频保护原理接线

相差动高频保护中继电路的构成如图4.14所示，它包括启动元件、操作元件和电流相位比较元件。

图4.14　相差动高频保护原理接线图

启动元件由I₁～I₄组成，其中I₁和I₂接于相电流，作为三相短路的启动元件，I₃和I₄接于负序电流过滤器，作为不对称短路的启动元件。I₁和I₃的整定比较灵敏，动作后去启动发信机，I₂和I₄则较不灵敏，动作后开放相位比较回路并准备好经过JJ的触点去跳闸。采用两个启动元件的原因与高频闭锁方向保护相同。此外，当相电流启动元件的灵敏度不能满足要求时，也可以采用低电压或低阻抗继电器来实现启动。

操作元件由的复合过滤器和操作互感器CH组成，复合过滤器将三相电流复合成一个单相电流，它能够正确地反应各种故障。过滤器输出的电流经过CH变成电压去操作发信机，使它在正半周时发出高频信号，负半周时不发信号。因此，实际上在高频保护中进行相位比较的就是这个复合以后的

在内部对称短路时，由于利用一相的作为操作电流。在内部不对称短路时，利用K倍的分量，只要K取得足够大，就可以保证两端电流接近于同相，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，其相差仅由两侧阻抗角的不同所引起，由于利用了负序分量的电流就可改变保护的工作条件、提高灵敏性，故在选择系数K时，应使分量在过滤器中占主要地位，一般K取6～8。

电流相位比较元件用XB表示，其工作原理已如上述。当启动元件I₂（或I₄）和JJ同时动作时，保护装置即可瞬时动作跳闸。