高压输电线路是电网的骨干,承担着传输电能的重任。在输电线路发生故障后,保护装置应快速可靠动作,缩短故障切除时间,以保证电网的暂态稳定。传统基于工频量的保护受原理限制其动作速度较慢,不满足快速切除故障的要求。基于暂态量的保护因其可以实现超高速保护动作而受到人们的广泛关注,但现有的超高速保护普遍存在可靠性不高的问题,阻碍了其实用化进程。为此,本文围绕高压输电线路超高速纵联保护、快速故障选相和故障定位开展相关研究,着重解决行波方向元件受弱故障、电容式电压互感器(Capacitor Voltage Transformer, CVT)暂态传变特性影响和固有频率差动保护存在盲区等问题。论文的主要工作有：(1)在解决行波方向元件受弱故障影响方面,论文提出基于S变换能量相对熵的极性比较式方向元件和幅值比较式方向元件。其中,极性比较式方向元件利用故障电压和电流行波的S变换能量相对熵的大小来表征二者间的极性关系,进而判断故障方向；幅值比较式方向元件利用电压前行波和反行波的S变换能量相对熵的大小来表征二者的幅值关系,进而判断故障方向。两种方向元件通过引入S变换能量相对熵来定量描述故障电压与故障电流之间的极性和幅值差异,避免了对行波波头极性或幅值的直接提取,在小初始角故障、高阻故障等弱故障情况下依然有良好的动作特性。(2)在解决行波方向元件受CVT暂态特性影响方面,论文分别引入故障前电压和故障前电流作为极性比较参考量,提出了两种基于工频分量极性比较的方向元件。第一种方向元件利用故障前电压和工频故障分量电流的极性关系判断故障方向,第二种方向元件利用故障前电流和工频故障分量电流的极性关系判断故障方向。两种方向元件均不依赖故障后的暂态电压分量,从原理上避免了CVT暂态传变特性的影响。同时,两种方向元件利用信号间的夹角关系表征极性,与信号幅值无关,更能适应弱故障的情况。(3)在消除行波固有频率差动保护的盲区方面,论文分析了不同系统阻抗下盲区在线路上的分布,在此基础上,提出了一种基于电流行波固有频率的输电线路纵联保护方法。该方法通过分析输电线路故障时的电流频谱特征,用多信号分类算法得到固有频率后,利用线路两端固有频率主频差构成保护主判据来判断区内、外故障,利用固有频率的二次成分在盲区故障和区外故障时的显著差异构成辅助判据,以区分盲区故障与区外故障。仿真结果表明,该保护方法仅利用电流的固有频率信息即可准确识别区内、外故障,有效解决了频率差动保护的盲区问题。(4)在快速故障选相方面,论文提出了一种基于电流模故障分量能量特征的故障选相方法。该方法利用小波分解表征组合模量电流的能量,并通过比较不同组合模量电流的能量相对关系识别故障相。大量的PSCAD/EMTDC仿真试验结果证明：论文提出的故障选相方法在不同的故障条件下均能快速、正确地选出故障相,不会发生误判,且具有较强的耐过渡电阻和噪声干扰的能力。(5)在故障定位方面,论文考虑将行波固有频率定位方法拓展至含串联电容补偿的输电线路故障定位中,在分析串补电容及其保护装置对固有频率提取和边界条件的影响的基础上,提出了基于固有频率的串补线路定位方法。该方法首先利用单端电流频率信息判断故障点与串联电容的相对位置,对于发生在串联电容后的故障,需要考虑串联电容处的折反射对定位算法的影响,然后依据故障距离与固有频率、边界条件间的数学关系进行精确定位。仿真结果表明该方法不受故障距离、故障类型和过渡电阻的影响,具有良好的定位精度和适应性。论文所做的理论研究和仿真结果表明,本文形成了一个包括高压输电线路区内外故障判别、故障类型识别以及故障定位的保护理论体系,切实提高了高压输电线路超高速纵联保护的可靠性。