影响线路光纤电流差动保护的若干因素
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作者:陆运全
摘 要：目前电力系统实际运行中光纤电流差动保护使用越来越普及，[1]它依靠光纤通道传输线路两端的数据，以基尔霍夫电流定律为依据，能够简单可靠地判断出区内、区外故障。对线路保护来说，光纤电流差动保护天然的选相能力和简单、可靠的动作原理使其具有良好的选相和快速切除故障的能力，[2]常作为110kV以及上电压等级线路的主保护。针对光纤电流差动保护本身的基本原理以及特定运行方式分析，探讨研究线路电容电流、CT饱和、CT特性不一致、两侧信息采样不同步等因素对光纤电流差动保护造成的影响，针对性提出具体措施，尽可能避免异常情况发生，保证光纤电流差动保护安全、稳定运行。
关键词：光纤电流差动保护;线路电容电流;高阻接地故障;CT特性
随着光纤通信技术的快速发展，我国光纤通信在许多领域都得到了应用，其中，以光纤通讯位主干网的电力通信网络得到了迅猛的发展和普及。相较于电力线路和微波通道，光纤通道具有误码率低、频带宽以及传输质量高且容量大、不受电磁干扰等优点。光纤电流差动保护灵敏度高、动作简单可靠快速，在电力系统的主变压器、线路、母线上大量应用，本文具体阐述、分析光纤电流差动保护的基本原理、特点以及影响其性能因素等相关问题。
1 光纤电流差动保护的基本原理
光纤电流差动保护的基本原理是以基尔霍夫电流第一定律为依据，“在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和”，简单的说就是通过对比线路两端的电流量来判断被保护线路是否有故障，内部是否有差流。流进电流与流出电流相等，差流为零;流进电流与流出电流不相等，差流不为零。光纤电流差动保护是通过直接比较两侧的电气量来进行判断故障的，通过光纤通道将本端电流的波形等信息传输到对端，两端保护装置直接对比两端电流的幅值和相位来判断区内、区外故障。
系统简化图
如上图所示，流过两侧保护的电流以母线流向线路方向规定为正方向，则动作电流为：
Id=I·M+I·N（1）
制动电流为：
Ir=I·M-I·N（2）
Id>Iqd（3）
Id>KrIr（4）
式中，Iqd为差动继电器的启动电流;Kr为比率制动系数。上述两个条件同时满足时，差动保护动作。
当线路发生内部故障时，
Id=I·M+I·N=IK（5）
可以看出动作电流Id很大，制动电流Ir很小，工作点落在动作区内，差动继电器动作。
当线路发生外部故障时，
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，工作点落在非动作区内，继电器不动作。
综上分析，有两个结论：①动作电流是线路内部流出的电流，如线路内部故障电流、线路电容电流;②穿越性的电流只形成制动电流，如负荷电流和外部故障通过线路的故障电流。
2 线路光纤差动保护的特点
2.1 光纤电流差动保护的优点
光纤电流差动保护即利用了分相电流差动的良好判据，又克服了传统引线方式的种种缺陷，在实际运用中具有其他保护无以比拟的优势，光纤电流差动保护有如下的优点[3]：
（1）以基尔霍夫电流定律为依据，能简单、可靠地判断出区内、区外故障;
（2）不受线路运行方式影响;
（3）本身有天然的选相功能，哪一相保护动作那一相就是故障相;
（4）光纤通信与输电线路本身相互独立，互不干扰，所以可靠性高，且通信容量大;
（5）可以反映出各种类型的故障。
2.2 光纤电流差动保护的缺点
光纤电流差动保护也存在自身的缺点：
（1）要求保护装置通过光纤通道所传送的信息具有同步性;
（2）在重负荷线路发生高阻接地故障时，动作电流小，制动电流大，保护灵敏度不够，若短路点两侧系统不对称会极大加剧这种缺陷;
（3）需要两侧保护是同样型号才能构成整套主保护，在线路断路器檢修旁路代路时难以配合，经常要退出差动保护;
（4）对于超高压长距离输电线路，需要考虑电容电流的影响。
3 影响光差保护性能的因素
3.1 线路电容电流的影响
架空电流线路中，导线之间以及导线与大地之间以空气为介质形成一个电容，这个电容会在线路中产生电容电流，它将构成保护的动作电流，所以在实际运用过程中必须考虑电容电流的影响，否则可能造成保护误动。在电压等级高，输电线路长的情况下，实际多采用的是分裂导线，这将进一步导致线路电容电流增大，那么对光纤电流差动保护的影响就越大。简单说就是电容电流会从线路的内部流出，构成动作电流，较大的数值电容电流可能造成光纤差动保护误动。
对此，为消除电容电流对差动保护的影响，一般采用提高启动电流定值、加短延时、进行电容电流补偿的措施。
3.2 CT饱和的影响
正常运行时系统发生短路故障电流急剧突变，而且故障电流中包含大的直流分量和丰富的各次谐波分量，这种暂态过程在故障初期最为严重。若电流互感器没有比较好的暂态特性，就会导致无法准确的传变信号，当这种情况严重时就会发生电流互感器饱和，使得CT传变特性变差，会造成保护装置的拒动或误动。为了克服CT饱和的影响，针对不同的电压等级系统要采用具有不同暂态特性的电流互感器，目前暂态电流互感器有四个等级：TPS、TPX、TPY、TPZ。 3.3 线路两侧CT特性不一致的影响
线路两侧CT特性不一致会导致电流暂态传变特性不一致，例如在变压器空充电时，线路两侧CT电流非周期分量在衰减过程中将产生差动电流甚至使电流相位发生变化，若此差流超过动作值，则会引起差动保护误动。
为解决这一问题，在配置线路两侧电流互感器时，尽量选取同一厂家同一批次的同一型号的电流互感器，以确保两侧电流互感器的特性尽可能一致，避免引起保护误动的情况。
3.4 CT断线的影响
正常运行时当输电线路一端的CT断线时，差动继电器的动作电流和制动电流都等于未断线一端的负荷电流，故工作点在动作区内造成保护动作。为了避免保护出现误动，需要找出CT一端断线和区内故障这两种情况下保护动作行为的区别。可以采取保护跳闸出口要满足以下3个与关系条件：①本端起动元件起动，②本端差动动作，满足上两个条件向对侧端发允许信号。③收到对端允许信号。
采取措施后，本端CT断线电流突变时，本端起动元件起动，但是由于对侧端CT没有断线，对端电流正常，所以对侧端起动元件不会起动。也就不会给本端发允许信号，也就是说本端保护不会误动，对侧端由于起动元件不起动，都不会出口跳闸。
3.5 两侧采样不同步的影响
线路两端保护装置是独立采样的，采样在不加调整的情况下基本是不相同的。由此在区外发生故障时，会有不平衡电流产生，所以要做到同步采样，消除这种不平衡电流。要知道电流差动保护在算法上要求参加比较的各端电流量必须同步采样或采样同步化处理得到，这是实现差动保护的关键所在。时间同步和误码校验是光纤电流差动保护面临的关键技术问题。
目前，同步采样的方法主要运用基于数据通道的同步方法，又细分为3种具体调整方法：①采样时刻调整法;②采样数据修正法;③时钟校正法。目前国内各大厂家都以采样时刻调整法为主要的调整方法。
3.6 重载情况下高阻接地故障的影响
负荷电流具有穿越性，是制动电流。在线路重载的情况下，差动保护制动电流很大。在这种情况下，如果发生高阻抗接地故障，短路点的短路电流并不大，动作电流不大，保护的灵敏度会不足，保护可能拒动。目前解决这一问题的方法是采用工频变化量的分相差动继电器和零序差动继电器，工频变化量的分相差动继电器的特点有：①不反应负荷电流，②受过渡电阻的影响小。零序差动继电器的特点有：①起动电流可以取与整套保护零序起动定值一致，②对它来说负荷电流不构成制动电流，③零序电流受过渡电阻影响小。
4 总结
线路光纤电流差动保护简单、可靠，而且不受线路运行方式的影响，具有天然的选相能力，同时又不受非全相运行、系统震荡的影响，可以反映出各类故障，是理想的线路主保护，目前大量应用在110kV及以上的高压输电线路保护中。本文阐述、分析了光纤电流差动保护的基本原理、特点以及探讨总结了影响线路光纤电流差动保护性能的几个因素，并对其中的问题提出了相关解决措施，进一步保证光纤电流差动保护的稳定、可靠运行。
参考文献：
[1]张学虹.光纤电流差动保护通道及其试验[J].四川电力技术，2008，31（增刊）：59-62.
[2]刘桂霞.光纤電流差动保护的原理及应用[J].电气技术，2008，（10）：77-80.
[3]李宁.输电线路光纤电流差动保护研究[D].西安：西安科技大学，2007.
作者简介：陆运全（1992-），男，海南万宁人，研究方向为电力系统及及其自动化。
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