輸電線路縱差保護動作的影響因素及補救措施

李金玨，穆科磊，曹艷艷，孟 波

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州450045;2.濟南一建集團總公司，山東 濟南250100)

隨著生產生活對電能質量的要求越來越高，繼電器成了電力系統必不可少的一個重要部件，在輸電線路中電流差動保護具有良好的選擇性，能靈敏、快速地切除保護區內的故障，實現安全供電.因而電流差動保護得到了廣泛的應用.

1 縱聯電流差動保護原理

電流差動保護原理建立在基爾霍夫電流定律的基礎之上，具有良好的選擇性，能靈敏、快速地切除保護區內的故障［1］. 被廣泛應用于發電機保護、變壓器保護、大型電動機保護中.輸電線路縱聯電流差動保護是該原理應用的一個特例. 縱聯電流差動保護的原理如圖1所示.

圖1 縱聯電流差動保護區內、外短路電路圖

當線路AB 正常運行及被保護線路外部(k2)故障時，按規定的正方向來看，兩側電流大小相等，方向相反，也就是當保護線路內部故障(k1)時，兩側電流均為正，也就是為k1 點短路電流).可以利用保護元件兩側電流在區內和區外時，短路電流一個幾乎為零、一個很大的特點構成電流差動保護.

在輸電線路的兩側安裝變比和特性都相同的電流互感器(TA)，電流互感器的連線如圖1所示. 圖中KD 是差動繼電器. 流過KD 的電流是電流互感器的二次側電流之差. 由于電流互感器總有勵磁電流，且勵磁特性不會完全相同，所以當線路正常運行及外部故障時，流過差動繼電器的電流不為零，這個電流為不平衡電流.電流互感器二次側的電流為

差動繼電器正確動作時的電流Ir為應該躲過線路正常運行和AB 線路以外故障時的不平衡電流，即

不平衡電流的穩態值采用電流互感器的10%誤差曲線來計算，

式中:Kst為電流互感器的同型系數，當型號、容量都相同時為0.5，不同時為1;Knp為非周期分量系數;Ik.max為外部短路時穿過2 個電流互感器的最大短路電流.

在保證外部短路不誤動的前提下，為了提高繼電器在內部故障時保護動作的靈敏度，通常采用短路電流Ik產生的不平衡電流來代替最大短路電流Ik.max產生的不平衡電流.可以通過式(5)—(7)來計算外部故障時穿過電流互感器的實際短路電流Ik產生的不平衡電流Ires，

式中θab為兩端電流間的相角差.

差動繼電器中的Ires起制動作用，所以為制動電流;差動電流Ir起動作作用，所以為動作電流;因此電流差動保護的動作方程為

式中Kres為制動系數. 根據差動保護的原理，對線路、變壓器、發電機等不同被保護元件選取不同的值［2］.

2 輸電線路縱差保護特性分析

輸電線路縱聯電流差動保護常有不帶制動作用和帶制動作用的兩種動作特性.

不帶制動作用的差動繼電器的動作方程為

式中Iset為差動繼電器的動作整定值，通常按照躲過外部短路時的最大不平衡電流和最大負荷電流來選取.

躲過外部短路時的最大不平衡電流為

式中:Krel為可靠系數，取值范圍為1.2 ～1.3;Knp為非周期分量系數，當差動回路采用速飽和變流器時為1，差動回路采用串聯電阻降低不平衡電流時為1.5 ～2.0.

躲過外部短路時的最大不平衡電流可寫為

式中IL.max為線路正常運行時的最大負荷電流的二次值.

繼電器的整定值Iset取上面2 種計算結果較大的一個，同時保護還應該滿足線路在單電源運行和內部故障時應有足夠的靈敏度，

式中Ik.min為單側最小電源作用且被保護線路末端短路時流過繼電器的最小短路電流.

當縱聯電流差動保護滿足不了靈敏度要求時，可以采用帶制動特性的縱聯電流差動保護. 帶制動作用的差動繼電器原理如圖2所示.

圖2 帶制動作用的差動繼電器原理圖

帶制動作用的差動繼電器的動作方程為

帶制動作用的差動繼電器不僅提高了內部故障時的靈敏度，而且提高了外部故障時不會誤動作的可靠性，因此得到了廣泛的應用.

3 影響縱差保護正確動作的因素

3.1 電流互感器的誤差和不平衡電流

3.1.1 出現不平衡電流的原因

線路正常運行及被保護線路外部故障時，兩側電流大小相等、方向相反，其和為零. 但是由于電流互感器勵磁電流的存在，使得乘以匝數比后的二次電流不僅數值與一次電流不等，而且相位也產生了差異，產生了不平衡電流，使其和不再為零，保護可能誤動切斷線路.兩側電流互感器磁化特性的不一致，不等的勵磁電流導致不平衡電流產生，在正常運行時，不平衡電流很小，在線路短路時，短路電流很大，這時電流互感器鐵芯嚴重飽和，可能產生很大的不平衡電流.

3.1.2 減小不平衡電流的措施

為了提高差動保護在這種情況下的選擇性，繼電器的啟動電流必須躲開這個最大不平衡電流. 最大不平衡電流越小，繼電器的靈敏度越高，因此輸電線路兩端應采用型號相同、磁化特性一致、鐵芯截面較大的高精度的電流互感器［4］.

3.2 輸電線路的分布電容電流及補救措施

3.2.1 輸電線路的分布電容電流

差動保護應用基爾霍夫定理，正常運行和外部短路時兩端電流之和為零，但是高壓長距離架空輸電線路和電纜線路，線路的分布電容致使該電流不再為零，流過保護的將是線路中的電容電流，這就使保護的性能大大下降. 因此必須消除電容電流的影響.

3.2.2 分布電容電流的補償

通常采用電壓測量來補償電容電流，按照π 型等效電路來分析，如圖3所示.在正常運行和外部短路時兩端電流之和不再為零，而電流仍然為零.

圖3 輸電線路π型等效電路圖

每端各相的電容電流實時計算式為

式中下標1，2，0 分別為正、負、零序參數.

因為Xc1=Xc2，所以

A 側補償后向B 側傳送的電流為

B 側補償后向A 側傳送的電流為

3.3 負荷電流對縱差保護的影響及消除措施

3.3.1 負荷電流對縱差保護的影響

一般情況下縱聯電流差動保護都能滿足區內故障的靈敏度要求，但是線路重負荷區內故障是由大過渡電阻短路導致，此時電流的故障分量很小，線路兩端流過保護的電流和正常運行時變化不大，因而降低了縱聯電流差動保護的靈敏度.

線路重負荷區內故障是由大過渡電阻短路導致時，系統接線如圖4所示.

圖4 負荷電流對縱差電流保護的影響圖

圖4中按照規定的正方向，兩側流過保護的全電流為

動作量為

制動量為

可見，當線路重負荷區內故障時，大過渡電阻短路，由于Ir很小而IL很大，可能導致保護的拒動.

為了提高線路重負荷情況下縱差動保護耐受過渡電阻的能力，需減小制動系數K 的值，同時減小縱差動保護對區外故障的防衛能力.

3.3.2 負荷電流的消除措施

為了消除負荷電流對縱差動保護的影響，增強縱差動保護耐受過渡電阻的能力，提高縱差動保護的靈敏度，可以把電流的故障分量作為縱差動保護的判據，

式(21)是輔助判據，式(22)是主判據，兩式同時滿足時縱差動保護動作，當線路發生區內故障時，上面兩式的制動量和動作量都與負荷電流無關，從而提高了縱差動保護的靈敏度. 線路正常運行時和全為零時，保護可靠不動作;當線路發生區外故障時和大小相等，相位相反，保護可靠不動作.

4 結 語

輸電線路縱聯差動保護主要受到電流互感器誤差所引起的不平衡電流、輸電線路分布電容電流、負荷電流等因素的影響，通過選擇型號相同、磁化特性一致、截面較大、精度較高的電流互感器，采取輸電線路的分布電容電流補償、把電流的故障分量作為縱差動保護的判據等措施，可以在很大程度上消除其影響，提高繼電保護的可靠性和靈敏度，保障電力系統安全、穩定運行.

［1］張保會，尹項根.電力系統繼電保護［M］.北京:中國電力出版社，2005:146－150.

［2］都洪基，陳倫瓊，康明才.電力系統機電保護原理［M］.南京:東南大學出版社，2007:113－116.

［3］江蘇省電力公司. 電力系統繼電保護原理與實用技術［M］.北京:中國電力出版社，2006:245－249.

［4］曾克娥.電力系統繼電保護技術［M］. 北京:中國電力出版社，2007:129－134.

［5］李瑞生，路光輝，王強. 用于線路差動保護的電流互感器飽和判據［J］. 電力自動化設備，2004，24(4):70－73.

［6］伍葉凱，鄒東霞.電容電流對差動保護的影響及補償方案［J］.繼電器，1997(4):4－9.

［7］葛耀中.電流差動保護動作判據的分析和研究［J］. 西安交通大學學報，1980，14(2):93－108.

［8］蘭海燕，王雙文，敬玢. 變壓器縱差保護電流互感器二次接線方式分析［J］. 科技創新導報，2010，3(9):112－115.

［9］張曉明.變壓器縱差保護原理及不平衡電流分析［J］.黑龍江科技信息，2009，21(4):7－11.

［10］廖婉婷.變壓器縱差保護原理及不平衡電流分析［J］.廣西電業，2007，7(4):19－21.