220kV线路保护原理

模块4 线路微机保护装置原理（ZY1900201004）

【模块描述】本模块包含了线路保护的配置及原理，通过对零序电流保护，距离保护，纵联保护，重合闸等原理的讲解，掌握线路保护装置的原理。

【正文】

一、220kV线路保护的配置

220kV线路保护一般分为四个部分，即纵联主保护、距离后备保护、零序后备保护及自动重合闸装置；而110kV输电线路保护一般只包括三个部分，即距离保护、零序保护和自动重合闸装置。两个电压等级的输电线路保护都包含了距离和零序保护，其原理基本相同，只是保护段的配置稍有不同，其最大的区别体现在三个部分：一是采用的保护后备方式不同，220kV线路保护一般采用近后备方式，通过双重化配置实现，而110kV线路保护一般采用远后备方式，只配置一套保护；二是220kV线路保护比110kV线路保护多配置了纵联主保护，可以实现全线速动；三是220kV线路保护自动重合闸装置一般采用单相重合闸功能，而110kV线路保护一般采用三相重合闸功能。

二、220kV线路保护原理

1．典型220kV线路微机保护装置原理

目前220kV线路微机保护装置配置的一般为：主保护为能实现全线速动的纵联保护，后备保护为阶段式相间距离和接地距离保护、阶段式零序保护（方向可投退，目前省内220kV线路的零序保护已将Ⅰ至Ⅲ段都退出，只投入了Ⅳ段），还有重合闸装置。纵联保护根据原理分类主要是分相差动、纵联方向和纵联距离，按纵联通道分为光纤通道和载波通道。目前省内系统220kV线路纵联保护载波通道主要采用专用高频收发信机构成所谓的高频保护，并按其工作方式又分为闭锁式和允许式两种，当然，也有少部分220kV线路纵联保护采用载波机通信构成载波保护，一般采用允许式工作方式。

例如，目前典型使用的产品中，光纤分相差动保护的典型产品为RCS-931、PSL-603、CSC-103（CSC-103）、WXH-803等，高频保护的典型产品为RCS-901（902）、PSL-601（602）、CSC-101（102）、WXH-801（802）等，RCS-901（902）、PSL-601（602）、CSC-101（102）、WXH-801（802）一般采用高频通道的闭锁式工作方式。

2．典型220kV线路微机保护装置保护原理比较

2.1南瑞公司的RCS900系列保护原理介绍

RCS-901A (B、D) 包括以纵联变化量方向和零序方向元件为主体的快速主保护，由工频变化量距离元件构成的快速Ⅰ段保护，其中，RCS-901A 由三段式相间和接地距离及二个延时段零序方向过流构成全套后备保护；RCS-901B 由三段式相间和接地距离及四个延时段零序方向过流构成全套后备保护； RCS-901D 以RCS-901A为基础，仅将零序Ⅲ段方向过流保护改为零序反时限方向过流保护。RCS-901A (B、D) 保护有分相出口，配有自动重合闸功能，对单或双母线结线的开关实现单相重合、三相重合和综合重合闸。

RCS-902A（B、C、D）包括以纵联距离和零序方向元件为主体的快速主保护，由工频变化量距离元件构成的快速Ⅰ段保护。其中，RCS-902A 由三段式相间和接地距离及二个延时段零序方向过流构成全套后备保护；RCS-902B 由三段式相间和接地距离及四个延时段零序方向过流构成全套后备保护；RCS-902C 设有分相命令，纵联保护的方向按相比较，适用于同杆并架双回线，后备保护配置同RCS-902A；RCS-902D 以RCS-902A 为基础，仅将零序Ⅲ段方向过流保护改为零序反时限方

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向过流保护。RCS-902A（B、C、D）保护有分相出口，配有自动重合闸功能, 对单或双母线接线的开关实现单相重合、三相重合和综合重合闸。

RCS-931A（B、D）包括以分相电流差动和零序电流差动为主体的快速主保护，由工频变化量距离元件构成的快速Ⅰ段保护，RCS-931A 由三段式相间和接地距离及二个延时段零序方向过流构成的全套后备保护，RCS-931B由三段式相间和接地距离及四个延时段零序方向过流构成全套后备保护，RCS-931D 以 RCS-931A 为基础，仅将零序Ⅲ段方向过流保护改为零序反时限方向过流保护。 RCS-931A/B/D保护有分相出口，配有自动重合闸功能, 对单或双母线接线的开关实现单相重合、三相重合和综合重合闸。

2.2．南自公司的PSL600系列保护原理介绍

PSL-601系列数字式线路保护装置以能量积分方向为主，阻抗方向、零序方向为辅的综合性方向元件组成的纵联保护作为全线速动主保护。

PSL-602系列保护以纵联距离和纵联零序作为全线速动主保护。纵联零序方向保护零序电压采用浮动门坎技术，最小门坎为0.5V，既可防止正常运行时如果有零序电压导致零序电方向元件的误动，也提高了高阻接地时零序方向元件的灵敏度。

PSL-603系列保护采用分相电流差动继电器和零序电流差动继电器作为线路全线速动保护；具备优异的抗CT饱和和CT断线能力；差动保护的光纤通道可以提供专用光纤、复用64kPCM和复用2M这三种通讯接口方式以供选择；先进的数值同步技术，保证两侧数据的一致性，可适用两侧CT变比不一致的情况；自动检测通道故障，实时显示差流、通道误码率，通道故障时自动闭锁差动保护，通道恢复时自动恢复差动保护。

PSL-601、602和603型保护都以距离保护和零方向电流保护作为后备保护，重合闸功能可选。可用作220kV及以上电压等级输电线路的主保护和后备保护。

2.3．四方公司的CSC100（CSL100）系列保护原理介绍

CSC-101A/B 纵联距离保护装置配置有纵联方向距离元件、纵联零序方向元件及负序方向元件，纵联方向距离保护包括接地方向距离元件和相间方向距离元件，负序方向元件主要用于在振荡闭锁中与纵联方向距离元件配合，以快速切除各种多相故障和单相接地故障。纵联零序方向元件灵敏度较高，可作为高阻接地故障时对纵联方向距离保护在灵敏度上的补充。

CSC-102A/B 纵联方向保护装置配置有纵联突变量方向元件和纵联零序方向元件，纵联突变量方向元件具有灵敏度高、方向性好的特点，可快速切除多相故障和单相接地故障。纵联零序方向元件灵敏度高，可作为高阻接地故障时对纵联方向保护在灵敏度上的补充。

（第三代产品CSL-100系列保护补充：CSL101、102为适用于220kV-500kV输电线路的成套数字式保护装置，整套装置基本配置包括高频保护、距离保护、零序保护、故障录波器四个部分，以高频保护作为线路全线速动主保护，以距离、零序方向保护作为后备保护。高频、距离、零序方向保护功能由三个独立的CPU插件分别完成。

CSL101与CSL102的区别主要在高频保护部分，前者高频保护为高频相间距离、高频接地距离、高频零序方向和高频负序方向，后者则配置了突变量方向高频、高频零序方向、高频负序方向，两者的后备保护完全相同。）

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CSC-103A/B 电流差动保护配有分相式电流差动保护和零序电流差动保护，用于快速切除各种类型故障，具有电容电流补偿功能，利用线路两侧电压对电容电流进行精确补偿，以提高差动保护的灵敏度。

2.4．许继公司的WXH800系列保护原理介绍

WXH-801保护配置的主保护为纵联方向保护，后备为距离保护、零序保护，可选择自动重合闸功能。其纵联方向保护采用带补偿的正序故障分量的纵联方向保护和零序方向保护构成全线速动的主保护。以负序分量及反映三相对称故障的判别元件（UcosФ）构成快速后备纵联保护。主保护根据不同故障时限，投入不同的方向元件，使主保护完整、独立且全过程投入。非全相运行主保护投入并由反映健全相的工频变化量方向元件实现。设有可供用户选用的弱馈功能 (弱馈回授功能、弱馈跳闸功能，弱馈端可以正确选相跳闸)。方向元件设有正、反两个方向元件，反方向元件不需整定，灵敏度较正方向灵敏。任一反方向元件闭锁正方向元件。在手合于故障或重合于永久故障时，设置了具有偏移特性的阻抗元件瞬时加速切除故障的功能。

WXH-802保护配置为纵联距离保护、距离保护、零序保护、自动重合闸功能。纵联距离保护采用综合距离方向保护和零序方向保护构成全线速动的主保护，以负序分量及反映三相对称故障的判别元件（UcosФ）构成快速后备纵联保护。非全相运行主保护投入并由反映健全相的工频变化量方向元件实现。本保护的综合阻抗继电器的动作特性为带偏移的多边形。其余部分均与WXH-801相同。

WXH-803分相差动保护采用故障分量差动保护、稳态量差动保护和零序差动保护构成全线速动的主保护。正常时每隔5ms向对侧传送一帧信息，包括模拟量、保护投退情况、模拟量监视逻辑、远跳及远传信息等。

WXH-800系列距离保护设置了三段式相间距离及三段式接地距离。相间距离保护采用耐过负荷能力强的圆特性阻抗继电器，接地距离保护采用四边形特性阻抗继电器。本保护在启动后循环计算六种阻抗，并行对距离Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段区内判别，距离元件动作后，根据自适应选相元件的选相结果，选相跳闸。本保护具有振荡闭锁功能，对于振荡中的故障还可以自适应的采用不同的开放元件快速开放距离保护。本保护在手合于故障时设置了具有偏移特性的Ⅲ段加速阻抗元件,对于重合后加速设置了可投退的加速Ⅱ或Ⅲ段阻抗及延时加速Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。本保护具有自适应的故障测距功能。

WXH-800系列保护设置了六段零序方向电流保护即零序电流Ⅰ-Ⅳ段及零序不灵敏Ⅰ、Ⅱ段。另含有可选用的零序反时限保护。全相运行及非全相运行时各段保护的投退由压板控制，每段都各由控制字选择经方向或不经方向元件闭锁。此外，还设置了带延时的过流保护Ⅰ段及过流保护Ⅱ段，仅在TV断线时由控制字选择投退。

重合闸方面可实现单相重合闸、三相重合闸、综合重合闸及停用。重合闸充电时间为15s,重合在充满电后才执行。重合闸的启动回路可以由保护跳闸启动及断路器位置启动。可选择的检无压、检同期及无检定方式重合。由于重合闸的原因不允许保护选相跳闸时，重合闸将输出沟通三跳接点，连至各保护开入以实现三跳。

三、RCS-901A微机保护装置的原理介绍

RCS-901A包括以纵联变化量方向和零序方向元件为主体的快速主保护，由工频变化量距离元件构成的快速Ⅰ段保护，由三段式相间和接地距离及多个延时段或反时限零序方向过流构成全套后备保护。RCS-901A保护有分相出口，配有自动重合闸功能, 对单或双母线结线的开关实现单相重合、

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三相重合和综合重合闸。其启动原理有：电流变化量启动元件、零序过流启动元件、位置不对应启动、远跳启动。其测量元件有工频变化量距离测量元件、纵联工频变化量方向测量元件、纵联零序功率方向测量元件、零序方向测量元件、距离测量元件，同时具备负荷限制、振荡闭锁功能。采用的选相元件有：相电流差变化量选相元件和

I0与I2A比相的选相元件。

RCS-901A保护装置的特点就是工频变化量阻抗继电器和纵联工频变化量方向继电器。 1．纵联保护

RCS-901A配置的纵联保护包括纵联工频变化量方向保护和纵联零序方向保护。 （1）纵联工频变化量方向保护

UUI()，当正方向故障时，121212故障分量（－）和电流故障分量的夹角

180,0时，反方向故障时，0,180。和定值固定，可在程序中

采用工频变化量的概念，变化量方向继电器测量保护线路电压和电流的故障分量，并计算电压

固化，因此在RCS-901A的定值中没有该保护的整定值。

纵联工频变化量方向继电器的特点：有良好的方向性；不反应过渡电阻大小；不反应负荷电流；不反应系统振荡；利用接在三个相间的工频变化量方向继电器可反应任何故障类型；可适合有串联补偿电容的系统使用；非全相运行中工频变化量方向继电器不会误动；不反应零序分量，可在同杆平行线路或多回线路使用。

（2）纵联零序方向保护

纵联零序方向保护正反方向元件（乘积获得（作；

F0、

F0IN）由零序功率=1A）时

P0决定，

P0由

3U0和

3I0ZD>0时

的动

3U0、

3I0IN为自产零序电压电流，ZD是幅值为1相角为78°的相量），

P0F0P0<-1伏安（=5A）或

P0<-0.2伏安（

F0动作。纵联零序保护的正方向元件由

零序方向比较过流元件和

F0的与门输出，而纵联零序保护的反方向元件由零序起动过流元件和

F0的与门输出。

显然，纵联零序方向保护的动作值门槛值是固定的，在程序中固化，因此，RCS-901A的定值单

中不需要给出其定值。

纵联零序方向保护的特点是：有良好的方向性；不反应负荷电流；不反应过渡电阻；不反应系统振荡；在非全相运行期间的有可能误动；在有串补电容的线路上有可能误动；同杆并架的两条线路上由于线路之间互感较大，如果两条线路之间电气联系又较弱，在一条线路上发生接地短路时，可造成非故障线路的纵联零序方向保护误动。

（3）闭锁式纵联保护逻辑

闭锁式纵联保护动作出口的条件是：a、保护启动元件动作，b、正方向元件动作（纵联工频变化量方向或纵联零序方向），c、曾连续收到8ms高频闭锁信号，即启动元件动作8ms以后，才允许正方向元件投入工作（通道检测作用） d、反方向元件不动作，e、收信机收不到信号，再经过8ms，（这个8ms是用来防止线路区外故障时，若远故障点判为内部故障立即停信，将收不到对侧近故障点经过通道传输时延后到达的闭锁信号而误动）发跳闸命令。

为了防止功率倒向时纵联保护误动，当纵联保护启动后40ms内不动作，这40ms包括同杆并架的故障线路保护动作10ms和断路器机构动作时间30ms，若此时本线路转而判为内部故障，纵联保护再要动作需延时25ms。

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保护起动　00&&400250&纵联保护出口收信　00>=18ms0&000M48ms00M3M5M10M20零序反方向元件　变化量反方向元件　任一相跳闸　零序正方向元件　投纵联零序保护投纵联变化量保护0>=10&0&&0M600M70&投纵联零序保护0>=1M8零序方向过流元件　变化量正方向元件　0M90投纵联变化量保护M1000&00&>=1>=100发信任一相跳闸　其他保护动作　三相TWJ均为1　001500M110M14M12>=10M13>=1015000&三相跳闸固定　三相无流　0M1500M16M17

图ZY1900201004-1 闭锁式纵联保护起动后方框图

当本装置其它保护（如工频变化量阻抗、零序延时段、距离保护）动作，或外部保护（如母线差动保护）动作跳闸时，立即停止发信，并在跳闸信号返回后，停信展宽150ms，但在展宽期间若反方向元件动作，立即返回，继续发信。本装置保护停信，这主要是防止保护出口故障时，工频变化量保护或距离I段保护先动作，而没有返回，本侧高频信号一直发信，使对侧快速保护不能动作。外保护停信对于220kV线路主要是指母差停信，当发生死区故障时，母差动作，故障仍在，母差保护使本侧纵联保护停信150ms，为了使线路对侧纵联保护立刻动作。

三相跳闸固定回路动作或三相跳闸位置继电器均动作且无流时，始终停止发信。这主要是防止充电线路发生故障时，对侧纵联保护能动作。

弱馈的运行方式时，采用超范围变化量阻抗继电器，该继电器动作判为正方向故障。 2．工频变化量距离保护

工频变化量距离元件是充分体现了微机保护的优越性，它利用算法，把当前工频量的采样值与前几个周期的工频量的采样值比较，获取变化量，根据变化量的大小来决定动作，从而构成快速保护，由于稳态时几乎没有工频变化量，因此该保护是快速保护，但不能作为稳态保护。

工频变化量阻抗继电器的特点：有很强的保护过渡电阻的能力，而且该能力有很强的自适应功能；区外短路不会超越；正方向出口短路没有死区，近处故障不会拒动；正向出口短路时动作速度很快；不受系统振荡影响；也适合于单侧电源线路上作为受电侧的保护；可应用于串联补偿电容的线路上，在电容器后面短路不会拒动；由于工频变化量只存在于短路初始一段时间内，所以只能用于构成快速保护，还需要与反应稳态量的保护配合使用。

3．相间距离和接地距离保护 （1）三段式相间和接地距离继电器 4．零序保护

RCS-901A设置了零序II、III段过流保护，其中III段的方向可经控制字投退方向。同时还有

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零序加速段，单相重合闸合于故障时，零序过流加速经60ms跳闸，手合时加速时间为100ms。

5．TV断线保护

（1）三相电压向量和大于 8 伏，保护不起动，延时 1.25 秒发 TV 断线异常信号； （2）三相电压向量和小于 8 伏，但正序电压小于 1/2 额定电压时，若采用母线 TV 则延时 1.25 秒发 TV 断线异常信号；若采用线路TV，则当任一相有流元件动作或 TWJ 不动作时, 延时 1.25 秒发 TV 断线异常信号。

（3）TV 断线时，将纵联变化量补偿阻抗和纵联零序退出，保留非断线相的变化量方向元件及工频变化量阻抗元件，将其门坎抬高至 1.5UN，退出距离保护，自动投入TV 断线相过流和TV 断线零序过流保护，两保护元件动作延时一致。

（4）三相电压正常后, 经 10 秒延时 TV 断线信号复归。

6．选相元件

选相元件分变化量选相元件和稳态量选相元件，所有反映变化量的保护（如变化量方向、工频变化量阻抗）用变化量选相元件，所有反映稳态量的保护（如阶段式距离保护）用稳态量选相元件。

（1）本装置采用相电流差变化量选相元件和I0与I2A比相的选相元件进行选相

选相元件 故障类型 AO BO CO ABO,BCO,CAO,AB,BC,CA,ABC 表中+动作，-不动作 2）I0与I2A比相的选相元件

选相程序首先根据I0与I2A之间的相位关系，确定三个选相区之一，如图1.1.3.8。 当 60Arg0IAB + + - + IBC- + + + ICA+ - + + 选相 选A跳 选B跳 选C跳 选三跳 1800ArgI03000 时选Ｃ区。 I2AI0I600 时选Ａ区，600Arg01800 时选Ｂ区，I2AI2AI2AA区600600B区C区1800

图ZY1900201004-9 选相区域

7．重合闸

RCS-901A 保护重合闸为一次重合闸方式, 可实现单相重合闸、三相重合闸或综合重合闸；可根据故障的严重程度引入闭锁重合闸的方式。重合闸的起动方式可以由保护动作起动或断路器位置

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不对应起动方式；当与RCS-900系列其它线路保护一起使用有二套重合闸时，二套装置的重合闸可以同时投入，不会出现二次重合，与其它厂家的重合闸配合时，可考虑用压板仅投入一套重合闸。

三相重合时，可采用检线路无压重合闸或检同期重合闸，也可采用快速直接重合闸方式，检无压时，检查线路电压或母线电压小于 30V；检同期时，检查线路电压和母线电压大于 40V，且线路和母线电压间相位差在整定范围内。

目前省内系统中220kV线路一般采用单相重合闸方式。

四、220kV线路保护的典型组屏方式

220kV系统线路保护装置应双重化，即配置两套完全独立的全线速动的数字式保护，宜由不同的保护动作原理、不同厂家的硬件结构构成。220kV线路两侧对应的保护装置应采用同型号（系列）、同原理的保护。线路纵联保护应优先采用光纤通道。每套保护除了全线速动的纵联保护外，还应具有完整阶段式相间距离、接地距离保护及必需的方向零序后备保护。

目前，省内的220kV线路保护中，主要是根据保护通道的安排情况来配置两套保护装置，比较常见的组屏方式有：

1、双光纤保护：一般采用RCS-931、PSL-603G、WXH-803、CSC-103四种国产保护中两种组合； 2、双高频保护：一般采用RCS-901、RCS-902、PSL-601、PSL-602、CSC-101、CSC-102、WXH-801、WXH-802这八种高频保护中的两两组合；

3、一套光纤保护与一套高频保护：一般采用以上四种光纤保护中一种与以上八种高频保护中一种组合；

4、其它装置配置：除两套线路保护外，220kV线路完整的保护配置还包括一套断路器控制单元（重合闸、非全相、失灵电流判别元件等）、一套操作箱（带电压切换功能）及电压切换箱（实现电压切换的双重化配置）。

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