馬 燕 唐仁權(quán) 朱海清 曹 禎 鐘家鎮(zhèn)

（1.西門子電力自動化有限公司，南京 211100；2.南京供電公司，南京 210001）

兩端或多端縱聯(lián)線路保護經(jīng)過光纖通道交換保護信息稱為光纖差動保護。一般按保護裝置間所交換信息的不同可以分為光纖差動保護、光纖距離保護、光纖方向保護，按光纖通道占用方式的不同又可以分為專用光纖保護和復(fù)用光纖保護。

本文介紹的是基于突變量的比相光纖差動保護，保護裝置基于線路兩側(cè)電流突變量的符號判斷故障。

比相差動保護適用于保護電纜和架空線的短路故障，尤其適用于短線路，因為線路短，距離保護的保護區(qū)域門檻值無法設(shè)定成至很小的值。

1 比相差動保護基本原理

比相差動保護的基本原理是：比較流入線路兩端電流的相角。因為在正常運行以及各種故障時，線路兩端電流的相角關(guān)系不一樣，具體如圖1所示。

在理想狀況下，即不考慮線路電壓的相角差，線路阻抗等因素，對于正常的負載電流，線路兩端電流的相角如圖1所示，兩端的相角差為180°，符號相反。

在理想狀況下，對于區(qū)外故障或者穿越性故障，線路兩端電流的相角如圖2所示。圖2中，B端外發(fā)生區(qū)外故障，兩端電流的相角差為180°，符號相反。

圖1 正常運行時兩端電流的相角

圖2 B端區(qū)外故障時兩端電流的相角

在理想狀況下，對區(qū)內(nèi)故障，線路兩端電流的相角如圖3所示，兩端的相角差為0°，符號相同。

圖3 區(qū)內(nèi)故障時的兩端電流相角

基于以上原理，比相保護將通過比較線路兩端的電流符號來區(qū)分區(qū)內(nèi)故障，區(qū)外故障和正常運行狀況。如果線路兩端電流符號相同，比相保護將會發(fā)出跳閘令切除故障；如果線路兩端電流符號相反，比相保護不動作。

2 基于突變量的比相差動保護

對于單電源供電的輸電線，若發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，無源側(cè)電流為零，所以無法比較線路兩端的電流符號。為解決此問題，比相保護不直接選用相電流，而選用每相電流的突變量作符號比較，以區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障。

圖4、圖5將以區(qū)內(nèi)故障為例，分析單端電源和雙端電源線路兩端突變量的符號關(guān)系。

如圖4所示，對于雙端供電的輸電線路，若發(fā)生內(nèi)部故障，線路兩端電流的突變量符號相同，比相保護動作。

圖4 雙端電源線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障的兩端電流突變量符號

如圖5所示，對于單端供電的輸電線路，若發(fā)生內(nèi)部故障，線路兩端電流的突變量符號也相同，比相保護動作。

圖5 單端電源線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障的兩端電流突變量符號

對于正常運行狀態(tài)，由于負載電流基本不變，所以突變量為零，比相保護不動作。

3 比相差動保護在實際應(yīng)用中的優(yōu)越性

在實際應(yīng)用中，差動保護會遇到分布式電容，高阻接地，弱饋和CT飽和等問題[1]。對于比相差動保護，由于算法本身的特點，這些問題無需特別處理，保護能可靠動作，這是比相差動保護具有的優(yōu)越性。

1）分布式電容的影響

由于輸電線路存在對地的分布式電容，尤其對于分裂導(dǎo)線或者較長的輸電線路，分布電容較大[2]，此時的電容電流也比較大，它的影響不能不被差動保護考慮。

矢量差動保護會采取提高動作門檻值的方法避開分布式電容電流，這樣會犧牲靈敏性。

比相差動保護由于采用突變量作為特征量，線路的對地電容電流在突變量的計算中已經(jīng)被抵消，所以無需考慮此電流的影響。

2）重負荷情況下發(fā)生高阻接地故障的影響

在重負荷下，差動保護制動電流很大,為負荷電流的2 倍。這種情況下發(fā)生高阻接地的故障，短路點的短路電流并不大，動作電流不大，保護的靈敏度會不足，保護可能會拒動。

矢量差動保護會用零序差動保護，并經(jīng)100 ms延時動作，來解決高阻接地故障保護靈敏度不足的問題。

由于比相差動保護采用突變量作為特征量，在系統(tǒng)正常運行時，突變量為零，所以保護定值可整定為一小值，保護的靈敏性好，能可靠識別高阻接地故障。

3）弱饋問題的影響

弱饋即一側(cè)為電源，另一側(cè)為負荷或者弱電源。此時，若發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，負荷側(cè)電流降為 0。由于比相保護采用突變量作為特征量，負荷側(cè)保護依然能計算出突變量，且兩側(cè)突變量符號相同，保護可靠動作。

4）CT飽和的影響

當線路發(fā)生區(qū)外故障時，一側(cè) CT將會流過很大的短路電流，此短路電流中含有非周期分量，而CT的勵磁特性是按工頻設(shè)計的，在傳變非周期分量時，鐵心磁通（即勵磁電流）大大增加，可能會造成CT 暫態(tài)飽和，使得CT 傳變特性惡化[3-4]。

矢量差動保護為了克服 CT 飽和的影響，需要采用較高的制動系數(shù)和變化的制動門檻，避免在較嚴重的飽和情況下不誤動，這種做法犧牲了保護的選擇性[5]。

對于比相差動保護，無需犧牲保護的靈敏度和快速型，保護的算法本身將會保證在 CT飽和時不會誤動。CT飽和會使基波電流的幅值減小，相位增大，這時，兩側(cè)的電流將會產(chǎn)生相角偏移。偏移的幅度取決于CT的飽和程度，但總體而言，CT飽和對相位的影響是有限的。經(jīng)過仿真計算，此相角最大偏移量為30°。由于比相保護會判斷1/4周期長度的電流符號，所以即使在極端情況下，保護也不會誤動。

4 實現(xiàn)時遇到的問題及解決方案

1）諧波及直流分量的影響

當線路中帶有非線性負載，或者線路合閘時，電流中會出現(xiàn)諧波分量[6]。此諧波分量和基波疊加，會影響電流突變量符號的計算，導(dǎo)致保護誤動作。當線路發(fā)生故障時，電流中會出現(xiàn)逐漸衰減的直流分量。此直流分量和基波分量疊加，也會導(dǎo)致電流突變量符號的錯誤計算。綜上，在計算電流突變量的符號前，需要先濾除采樣點中包含的諧波和直流分量。

2）頻率變化的影響

倘若系統(tǒng)的頻率發(fā)生變化，不是工頻50Hz，而保護依然基于50Hz采樣，那么即使線路正常運行，保護也會計算出電流的突變量?？紤]到保護的靈敏度，突變量的門檻值會設(shè)置為一個很小的值，所以需要消除頻率偏移帶來的影響。

消除頻率偏移的方法是采樣跟蹤，即保護的采樣頻率不固定為工頻50Hz，而是實際的系統(tǒng)頻率。若基于系統(tǒng)頻率采樣，保護便不會由于系統(tǒng)頻率變化而誤算出電流突變量。

3）通信異常的影響

兩臺裝置的通信也會對保護產(chǎn)生影響，所以保護須實時監(jiān)視通信狀態(tài)和報文質(zhì)量。若通信中斷一定時間，保護會被閉鎖，否則會引起誤動作；若偶爾丟失一幀報文，不會影響保護邏輯判斷，但是會延長保護動作時間。當保護接收到對側(cè)報文，需要檢測報文是否有效，只有有效報文才能用于保護邏輯判斷。

5 比相差動保護在各種故障情況下的工程實例

比相差動保護能于區(qū)內(nèi)故障能可靠動作，于區(qū)外故障能可靠不動作，并且保護不受CT飽和影響。下面將給出各種情況下的故障錄波實例， 圖中MT和NT表示M側(cè)跳閘和N側(cè)跳閘。

1）區(qū)內(nèi)金屬性故障

如圖6所示，對于金屬性接地的區(qū)內(nèi)故障，比相差動保護靈敏動作，并且故障切除時間在 25ms以內(nèi)，滿足保護快速性要求。

圖6 區(qū)內(nèi)金屬性故障時的故障錄波

2）區(qū)內(nèi)故障引起CT飽和

如圖7所示，區(qū)內(nèi)故障，CT飽和，比相差動保護能可靠動作。

圖7 區(qū)內(nèi)故障引起CT飽和時的故障錄波

3）區(qū)外故障引起CT飽和

如圖8所示，區(qū)外故障，CT飽和，比相差動保護能可靠不動作。

圖8 區(qū)內(nèi)外故障引起CT飽和時的故障錄波

6 結(jié)論

基于突變量的比相差動保護除了滿足于區(qū)內(nèi)故障靈敏動作，于區(qū)外故障可靠不動作外，還具有如下優(yōu)點：

1）不受分布式電容的影響。

2）靈敏度高，無論系統(tǒng)處于弱饋或重負荷運行工況，均能保持很高的靈敏度。

3）CT飽和時不會誤動。

[1]夏建礦.關(guān)于輸電線路光纖電流差動保護的若干問題討論[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2010, 38(10):141-144.

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[6]尹項根,曾克娥.電力系統(tǒng)繼電保護原理與應(yīng)用[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2001.