基于突變量的光纖比相差動保護原理及實現

馬 燕 唐仁權 朱海清 曹 禎 鐘家鎮

（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）

兩端或多端縱聯線路保護經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，距離保護的保護區域門檻值無法設定成至很小的值。

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端外發生區外故障，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端區外故障時兩端電流的相角

在理想狀況下，對區內故障，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 區內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分區內故障，區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，若發生區內故障，無源側電流為零，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，以區分區內外故障。

圖4、圖5將以區內故障為例，分析單端電源和雙端電源線路兩端突變量的符號關系。

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

圖4 雙端電源線路發生區內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，若發生內部故障，線路兩端電流的突變量符號也相同，比相保護動作。

圖5 單端電源線路發生區內故障的兩端電流突變量符號

對于正常運行狀態，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用中的優越性

在實際應用中，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被抵消，所以無需考慮此電流的影響。

2）重負荷情況下發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

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

4）CT飽和的影響

當線路發生區外故障時，一側 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，兩側的電流將會產生相角偏移。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，導致保護誤動作。當線路發生故障時，電流中會出現逐漸衰減的直流分量。此直流分量和基波分量疊加，也會導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

倘若系統的頻率發生變化，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。考慮到保護的靈敏度，突變量的門檻值會設置為一個很小的值，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，而是實際的系統頻率。若基于系統頻率采樣，保護便不會由于系統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生影響，所以保護須實時監視通信狀態和報文質量。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內故障能可靠動作，于區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側跳閘和N側跳閘。

1）區內金屬性故障

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

圖6 區內金屬性故障時的故障錄波

2）區內故障引起CT飽和

如圖7所示，區內故障，CT飽和，比相差動保護能可靠動作。

圖7 區內故障引起CT飽和時的故障錄波

3）區外故障引起CT飽和

如圖8所示，區外故障，CT飽和，比相差動保護能可靠不動作。

圖8 區內外故障引起CT飽和時的故障錄波

6 結論

基于突變量的比相差動保護除了滿足于區內故障靈敏動作，于區外故障可靠不動作外，還具有如下優點：

1）不受分布式電容的影響。

2）靈敏度高，無論系統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].電力系統保護與控制, 2010, 38(10):141-144.

[2]熊信銀, 張步涵.電力系統工程基礎[M].武漢:華中科技大學出版社,2003.

[3]叢偉,張琳琳,姚翔,等.基于統一縱聯原理的抗電流互感器飽和保護算法[J].電力系統自動化,2011, 35(11):82-86.

[4]胡家為,葛容尚,尹明鉉,等.CT過飽和特性及對過流速斷保護的影響[J].電力系統保護與控制,2013,41(16):133- 138.

[5]孔祥鵬,從貴斌,吳克勝.保護用電流互感器相關問題討論[J].青海電力,2010,29(1):53-55.

[6]尹項根,曾克娥.電力系統繼電保護原理與應用[M].武漢:華中科技大學出版社，2001.