220kV线路光纤分相电流差动保护的研究

黄震闪

摘要：随着我国高压电网的迅速发展，长距离、重负荷线路及同杆并架双回线等新情况

屡屡出现，这些均对继电保护的可靠运行提出了更新、更高的要求。虽然我国目

前的微机线路保护的研究与实际运行水平已经达到了一个较高的层次，但仍有一

些难点问题有待进一步解决与完善，本文对光纤分相电流差动保护的基本概念，其在高压线路中实际运行时存在的问题和影响因素进行了分析，并提出了可行性方案，希望能够带动相关技术的不断发展。

关键词： 电流差动保护光纤通信 影响因素

TM41

一、概述

1. 电流差动保护的发展历史和现状

基于基尔霍夫电流定律的分相电流差动保护是一种原理简单、工作可靠、可使用在任何形式输电线路的保护方式，与其他种类的输电线路保护相比较，具有以下显著优点：

（1）有绝对的选择性，灵敏度高；

（2）差动电流几乎不受负荷电流的影响；

（3）振荡时不会误动，振荡中发生故障时仍然能灵敏的、有选择性的动作；

（4）有天然的选相能力；

（5）在线路二相运行时也能正确动作；

（6）不受串补电容器的影响，在串联补偿线路上仍能正确发挥保护作用；

（8）短线路距离保护问题很多，所以短线路以采用电流差动保护为最佳选择；

（9）能反应单相经高阻接地故障，需要时可选跳单相。

我国于80年代末，开始研制数字式的微波电流差动保护，WXH-14型高压线路微机微波电流差动保护装置于1994年完成、通过鉴定。由于当时我国光纤通信在电力通信系统使用较少，需要为光纤电流差动保护配设专用光缆，所以，光纤电流差动保护通常被设计用于短距离输电线路。而高压输电线路的主保护仍然是传统的高频保护占主导地位，微波、光纤电流差动保护在我国电力系统中的实际应用一直非常少。投入运行的电流差动保护装置基本上是国外公司如日本东芝公司、英国GEC公司和ABB公司的数字电流差动保护装置。在国外，数字式电流差动保护的应用较多，尤其在日本和英国，数字式电流差动保护是输电线路主保护中应用最多的保护方式。

进入九十年代中期，随着我国通信技术的迅速发展和光纤等通信设备的成本下降，我国光纤电力通信系统也在加速发展，与此同时国内关于数字光纤电流差动保护技术的研究也达到了高潮，研究热点主要集中在应用故障分量、采样值差动和长距离线路差动保护三个方面。

2. 光纤通信现状

电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行应运而生的。近些年来，随着计算机技术和通信技术的迅猛发展，通信设备的成本急剧下降，我国电力通信也在加速发展，尤其是光纤通讯系统的发展也是前所未有的。目前我国电力光缆设计制造技术已经成熟，并在国内已开始普遍应用。国家以建立骨干传输速率不低于10GBps的骨干网为主，它是由核心层、骨干层和接入层三层组成的技术先进、较为实用的高速信息传输平台，满足电力的生产、经营、管理的信息化需要。如三峡——北京采用24芯15制式光纤通讯，三峡—武汉—上海采用双同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy,SDH)自愈式微波通道，为分相式电流差动保护提供所需的通道已无困难，因此，分相式电流差动保护一定会在电力系统中得到日益广泛的应用。

事实上，IEEE电力系统继电保护委员会，早在1995年就发表过一份调查报告：多路传输不同用途的信号将是未来光纤通道的一种发展趋势，继电保护、数据传输、声频信息以及其他设备之间将共享一条光纤，这种通信方式将是最为经济实效的。

二、光纤保护的基本原理

光纤保护是将线路两侧的电气量调制后转化为光信号，以光缆作为通道传输到对侧，解调后直接比较两侧电气量的变化，然后根据特定关系，判定内部或外部故障的一种保护方式。光纤保护主要由故障判别元件和信号传输系统(PCM端机、光端机以及光缆通道)组成，其组成情况如下图1【1】所示：

如上图所示，故障判别元件即继电保护装置，利用线路两侧输入电气量的变化，根据特定关系来区分正常运行、外部故障及内部故障。光端机的作用是接收、发送光信号。光端机的光发部分通过PCM端机的调制器将发送电气量的模拟信号调制成数字信号进行发送，经光缆通道传输到线路对侧：光端机的光收部分收到被保护线路对侧的数字光信号后，通过PCM端机的解调器还原成电气量模拟信号，然后提供给保护，作为故障判别的依据。PCM端机调制器的作用是将各路模拟信号进行采样和模数转换、编码，与键控信号的并行编码一同转换成适合光缆传输的串行码；PCM端机解调器的作用是将接收到的PCM串行码转换成并行码，并将这些并行码型经数模转换和键控解码，解调出各路的模拟信号和键控信号。光缆通道的作用是将被保护线路一侧反应电气量的光信号，传输到被保护线路的另一侧。

三、高压线路分相电流差动保护需解决的问题

在高压线路分相光纤电流保护的实施过程中，操作人员需要特别注意一些问题。

（1）高压长线采用分裂导线线路的感抗减小，分布电容大，线路较长时．分布电容产生的电容电流不可忽略，对于单电源空载线路会出现稳态过电压。

（2）因线路参数的分布性及线路串联补偿电容和并联电抗器的影响，在短路故障的暂态过程中将出现各种频率分量，并且非周期分量和自由分量的衰减较缓慢。

（3）单相接地故障可能有较大的接地电阻，当故障发生时，在长线路末端时短路电流可能小于负荷电流，直接影响保护的灵敏度【2】；

（4）线路配置单相自动重合闸或综合自动重合闸，在保护跳单相重合不成功时会出现非全相运行状态或复故障。

（5）超高压长线多为重负荷线路，线路两边功角较大．易诱发系统震荡；存在电流和电压互感器的暂态过程。

上述问题，电流差动保护都可以很好地进行解决。特别是电流差动保护无需采取特别措施即可用于电力系统震荡、非全相运行、复故障和跨线故障等特殊情况，还可方便地用于诸如电缆、架空线复接线路，多分支线路，同杆并架线路和超短线等特殊网络结构的保护。另外，差动保护与目前厂泛用于高压线路的方向和距离保护在原理上截然不同，故在高压线路主保护的配置上有更多的选择优势，能更好地提高多重保护的可靠性。在通道上，相对电力载波通道，微波通道和光纤通道有高可靠、大容量、不受电磁干扰的特点，并大大提高了光纤电流差动保护的可靠性。

四、电流差动保护的有效性

1. 电流差动保护的影响因素

对于分相式电流差动保护的向量动作判据，在不计电容电流时，当系统正常运行或区外故障时，线路两侧电流大小相等，方向相反，差流为零，这是差动保护的基础。但在高压长距离输电线路上，分布电容电流不能忽略，正常运行或区外故障时，线路两侧电流和为该线路上的电容电流。电容电流的存在使线路两端的测量电流不再满足大小相等方向相反的条件，从而影响了保护的灵敏度与可靠性【3】。

当超、特高压长距离输电线路空载合闸或者稳态运行时，由于电容电流为接地电流，使线路两端电流的相位差不再为180度。此时，差动保护装置感受到的电流差不再为零，若不采用任何制动措施，差动保护极有可能会误动作。

通过一定的计算，同时，结合EMTDC进行仿真，可以很容易的得到在不同的负载情况下，线路两侧电流的相位差，具体如下表所示。

由上表不难看出，线路轻载时，分布电容电流对两侧电流相角差的影响比较严重。

2. 提高电流差动保护灵敏度的方法

目前，提高电流差动保护灵敏度的方法一般有两种：一是减小不平衡电流的数值；二是改善差动保护的特性，如采用变制动特性比例差動原理等。

在减小不平衡电流方面可以在线路两端选取同一厂家同一批次的相同型号的CT，使两侧CT特性尽可能一致。为了减小饱和的影响可以采用带气隙的电流互感器；或根据电流互感器饱和的特点在频域和时域内采取有效对策。但最根本的办法是采用光电流互感器。其中，光电式电流互感器是一种新型的电流互感器，同时包含了众多的优点：

（1）光纤具有很强的绝缘能力，使一、二次侧之间实现了完全的电隔离；

（2）光纤具有极强的抗干扰能力，使得数据的传输不受任何电磁干扰；

（3）一次传感器不含铁芯，不存在磁饱和的问题。

光电式电流互感器集光纤、通信、微机技术于一体，既吸取了传统采样线圈的分段采样技术，又集成了先进的光纤通信技术和DSP技术，还结合复杂可编程逻辑芯片CPLD的接口功能成功满足了光电式电流互感器所需的数据采集、处理及控制的要求，使系统具有高准确度、高可靠性和智能化的优势，它必将取代传统的电流互感器。

五、总结

电流差动保护的原理是在本世纪初提出的，迄今为止，已约有90年的历史。基于基尔霍夫电流定律的光纤分相电流差动保护具有保护灵敏度高，保护动作迅速、选相能力突出等优点；并且不受系统振荡，线路串补电容、平行互感、系统非全相运行和单侧电源运行方式的影响。相信光纤电流差动保护能够在未来高压电网的建设中为电网安全运行保驾护航。

六、参考文献

[1] 陈霞.浅析高压线路差动线路的保护[A].科技资讯,2009(15).

[2] 张利刚.数字式光纤分相电流差动保护应用[A].山西电力,2005，(6).

[3] 刘万顺.电力系统故障分析[A].水利电力出版社,1999.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。