影響線路光纖電流差動保護的若干因素

摘 要：目前電力系統實際運行中光纖電流差動保護使用越來越普及，[1]它依靠光纖通道傳輸線路兩端的數據，以基爾霍夫電流定律為依據，能夠簡單可靠地判斷出區內、區外故障。對線路保護來說，光纖電流差動保護天然的選相能力和簡單、可靠的動作原理使其具有良好的選相和快速切除故障的能力，[2]常作為110kV以及上電壓等級線路的主保護。針對光纖電流差動保護本身的基本原理以及特定運行方式分析，探討研究線路電容電流、CT飽和、CT特性不一致、兩側信息采樣不同步等因素對光纖電流差動保護造成的影響，針對性提出具體措施，盡可能避免異常情況發生，保證光纖電流差動保護安全、穩定運行。

關鍵詞：光纖電流差動保護;線路電容電流;高阻接地故障;CT特性

隨著光纖通信技術的快速發展，我國光纖通信在許多領域都得到了應用，其中，以光纖通訊位主干網的電力通信網絡得到了迅猛的發展和普及。相較于電力線路和微波通道，光纖通道具有誤碼率低、頻帶寬以及傳輸質量高且容量大、不受電磁干擾等優點。光纖電流差動保護靈敏度高、動作簡單可靠快速，在電力系統的主變壓器、線路、母線上大量應用，本文具體闡述、分析光纖電流差動保護的基本原理、特點以及影響其性能因素等相關問題。

1 光纖電流差動保護的基本原理

光纖電流差動保護的基本原理是以基爾霍夫電流第一定律為依據，“在任一時刻，流入節點的電流之和等于流出節點的電流之和”，簡單的說就是通過對比線路兩端的電流量來判斷被保護線路是否有故障，內部是否有差流。流進電流與流出電流相等，差流為零;流進電流與流出電流不相等，差流不為零。光纖電流差動保護是通過直接比較兩側的電氣量來進行判斷故障的，通過光纖通道將本端電流的波形等信息傳輸到對端，兩端保護裝置直接對比兩端電流的幅值和相位來判斷區內、區外故障。

系統簡化圖

如上圖所示，流過兩側保護的電流以母線流向線路方向規定為正方向，則動作電流為：

Id=I·M+I·N（1）

制動電流為：

Ir=I·M-I·N（2）

Id>Iqd（3）

Id>KrIr（4）

式中，Iqd為差動繼電器的啟動電流;Kr為比率制動系數。上述兩個條件同時滿足時，差動保護動作。

當線路發生內部故障時，

Id=I·M+I·N=IK（5）

可以看出動作電流Id很大，制動電流Ir很小，工作點落在動作區內，差動繼電器動作。

當線路發生外部故障時，

Id=I·M+I·N=I·K-I·K=0（6）

Ir=I·M-I·N=I·K+I·K=2IK（7）

由于IdIr，工作點落在非動作區內，繼電器不動作。

綜上分析，有兩個結論：①動作電流是線路內部流出的電流，如線路內部故障電流、線路電容電流;②穿越性的電流只形成制動電流，如負荷電流和外部故障通過線路的故障電流。

2 線路光纖差動保護的特點

2.1 光纖電流差動保護的優點

光纖電流差動保護即利用了分相電流差動的良好判據，又克服了傳統引線方式的種種缺陷，在實際運用中具有其他保護無以比擬的優勢，光纖電流差動保護有如下的優點[3]：

（1）以基爾霍夫電流定律為依據，能簡單、可靠地判斷出區內、區外故障;

（2）不受線路運行方式影響;

（3）本身有天然的選相功能，哪一相保護動作那一相就是故障相;

（4）光纖通信與輸電線路本身相互獨立，互不干擾，所以可靠性高，且通信容量大;

（5）可以反映出各種類型的故障。

2.2 光纖電流差動保護的缺點

光纖電流差動保護也存在自身的缺點：

（1）要求保護裝置通過光纖通道所傳送的信息具有同步性;

（2）在重負荷線路發生高阻接地故障時，動作電流小，制動電流大，保護靈敏度不夠，若短路點兩側系統不對稱會極大加劇這種缺陷;

（3）需要兩側保護是同樣型號才能構成整套主保護，在線路斷路器檢修旁路代路時難以配合，經常要退出差動保護;

（4）對于超高壓長距離輸電線路，需要考慮電容電流的影響。

3 影響光差保護性能的因素

3.1 線路電容電流的影響

架空電流線路中，導線之間以及導線與大地之間以空氣為介質形成一個電容，這個電容會在線路中產生電容電流，它將構成保護的動作電流，所以在實際運用過程中必須考慮電容電流的影響，否則可能造成保護誤動。在電壓等級高，輸電線路長的情況下，實際多采用的是分裂導線，這將進一步導致線路電容電流增大，那么對光纖電流差動保護的影響就越大。簡單說就是電容電流會從線路的內部流出，構成動作電流，較大的數值電容電流可能造成光纖差動保護誤動。

對此，為消除電容電流對差動保護的影響，一般采用提高啟動電流定值、加短延時、進行電容電流補償的措施。

3.2 CT飽和的影響

正常運行時系統發生短路故障電流急劇突變，而且故障電流中包含大的直流分量和豐富的各次諧波分量，這種暫態過程在故障初期最為嚴重。若電流互感器沒有比較好的暫態特性，就會導致無法準確的傳變信號，當這種情況嚴重時就會發生電流互感器飽和，使得CT傳變特性變差，會造成保護裝置的拒動或誤動。為了克服CT飽和的影響，針對不同的電壓等級系統要采用具有不同暫態特性的電流互感器，目前暫態電流互感器有四個等級：TPS、TPX、TPY、TPZ。

3.3 線路兩側CT特性不一致的影響

線路兩側CT特性不一致會導致電流暫態傳變特性不一致，例如在變壓器空充電時，線路兩側CT電流非周期分量在衰減過程中將產生差動電流甚至使電流相位發生變化，若此差流超過動作值，則會引起差動保護誤動。

為解決這一問題，在配置線路兩側電流互感器時，盡量選取同一廠家同一批次的同一型號的電流互感器，以確保兩側電流互感器的特性盡可能一致，避免引起保護誤動的情況。

3.4 CT斷線的影響

正常運行時當輸電線路一端的CT斷線時，差動繼電器的動作電流和制動電流都等于未斷線一端的負荷電流，故工作點在動作區內造成保護動作。為了避免保護出現誤動，需要找出CT一端斷線和區內故障這兩種情況下保護動作行為的區別?？梢圆扇”Ｗo跳閘出口要滿足以下3個與關系條件：①本端起動元件起動，②本端差動動作，滿足上兩個條件向對側端發允許信號。③收到對端允許信號。

采取措施后，本端CT斷線電流突變時，本端起動元件起動，但是由于對側端CT沒有斷線，對端電流正常，所以對側端起動元件不會起動。也就不會給本端發允許信號，也就是說本端保護不會誤動，對側端由于起動元件不起動，都不會出口跳閘。

3.5 兩側采樣不同步的影響

線路兩端保護裝置是獨立采樣的，采樣在不加調整的情況下基本是不相同的。由此在區外發生故障時，會有不平衡電流產生，所以要做到同步采樣，消除這種不平衡電流。要知道電流差動保護在算法上要求參加比較的各端電流量必須同步采樣或采樣同步化處理得到，這是實現差動保護的關鍵所在。時間同步和誤碼校驗是光纖電流差動保護面臨的關鍵技術問題。

目前，同步采樣的方法主要運用基于數據通道的同步方法，又細分為3種具體調整方法：①采樣時刻調整法;②采樣數據修正法;③時鐘校正法。目前國內各大廠家都以采樣時刻調整法為主要的調整方法。

3.6 重載情況下高阻接地故障的影響

負荷電流具有穿越性，是制動電流。在線路重載的情況下，差動保護制動電流很大。在這種情況下，如果發生高阻抗接地故障，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，保護可能拒動。目前解決這一問題的方法是采用工頻變化量的分相差動繼電器和零序差動繼電器，工頻變化量的分相差動繼電器的特點有：①不反應負荷電流，②受過渡電阻的影響小。零序差動繼電器的特點有：①起動電流可以取與整套保護零序起動定值一致，②對它來說負荷電流不構成制動電流，③零序電流受過渡電阻影響小。

4 總結

線路光纖電流差動保護簡單、可靠，而且不受線路運行方式的影響，具有天然的選相能力，同時又不受非全相運行、系統震蕩的影響，可以反映出各類故障，是理想的線路主保護，目前大量應用在110kV及以上的高壓輸電線路保護中。本文闡述、分析了光纖電流差動保護的基本原理、特點以及探討總結了影響線路光纖電流差動保護性能的幾個因素，并對其中的問題提出了相關解決措施，進一步保證光纖電流差動保護的穩定、可靠運行。

參考文獻：

[1]張學虹.光纖電流差動保護通道及其試驗[J].四川電力技術，2008，31（增刊）：59-62.

[2]劉桂霞.光纖電流差動保護的原理及應用[J].電氣技術，2008，（10）：77-80.

[3]李寧.輸電線路光纖電流差動保護研究[D].西安：西安科技大學，2007.

作者簡介：陸運全（1992-），男，海南萬寧人，研究方向為電力系統及及其自動化。