浅论输电线路电流纵联差动保护的优缺点及存在问题的解决方法

周美娣

（国网宜昌供电公司，湖北 宜昌 443005）

0 引言

随着社会的快速发展，电力系统在人们生活中所占的地位已经越来越重要，因此，维护输电线路的安全稳定运行，就成为了一个对当前所以电力从业人员来说都十分重要的问题。在输电线路的保护中，距离保护及电流电压保护只需将其中一端线路的电流电压引入继电保护装置，但是由于多种原因，这种保护装置可能将区外故障误判为区内故障，因此，只有将保护的无时限保护范围缩短至小于线路的全长。例如，保护I段的定值一般设定为线路全长的80%到85%，在被保护线路其余部分发生故障时，都只能由II段来切除。但对于某些重要的线路来说，是不允许出现此类情况的，所以从为了实现能够无时限切除被保护线路的全长的目标出发，现阶段许多输电线路都采用了纵联保护的原理。

1 电流纵联差动保护的原理及优点

所谓输电线路的纵联保护，就是用某种通信通道将输电线路两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率的方向等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围之外，从而决定是否切断被保护线路。因此，理论上这种纵联保护具有绝对的选择性[1]。

而电流纵联差动保护的原理，是基于基尔霍夫电流定律的。其判据为：

式中∑I为流入差动继电器的总电流，IZD为保护动作整定值。

图1-1 输电线路电流纵联差动保护原理图

在图1-1中，KD为差动继电器，设电流的正方向为母线流向被保护线路的方向。当线路内部故障时（如k1点短路），流经输电线路两侧的故障电流均朝正方向，且M+N=k，式中k为 k1 点的短路电流；当线路正常运行或被保护线路外部短路时（如k2点短路），输电线路两侧的电流大小相等且方向相反，M+N=0。即在内部短路时，短路电流很大，差动继电器动作；而外部短路时，短路电流几乎为0，差动继电器不动作。

从上述原理的叙述中，可以看出，电流纵联差动保护具有如下诸多优点：能正确地判别内部故障和外部故障，灵敏度高，简单可靠，全线速动，流入继电器的总电流不受系统运行方式、非全相运行和系统振荡等影响，本身具有选相功能，这些优点都是距离保护及电流电压保护所没有的，故如今电流差动保护已经成为输电线路主保护的首选原理之一，全国各地长期的运行经验也证明了其优越性。

2 电流纵联差动保护存在的问题及解决方法

2.1 电流互感器饱和的影响及解决方法

在电流纵联差动保护中，电流互感器的饱和是一个不容忽视的问题，尤其是在短距离或超短距离输电线路的短路电流越来越大，线路故障的大短路电流引起的电流互感器饱和会对差动保护性能产生巨大影响。

短路电流引起的电流互感器饱和会导致互感器二次电流的畸变，同时由于线路各端电流互感器的暂态响应有差异，因此在保护区外故障时会使差流增大，可能导致差动保护的误动作[2]。因此，对于电流差动保护的研究应注意如下原则：①当线路发生外部故障时，即使电流互感器饱和，也应可靠不动作；②当线路发生内部故障时，即使电流互感器饱和时也应可靠动作。

由此，本文提出了以下4个抗电流互感器饱和的措施：

①提高保护定值和在饱和时闭锁差动保护；

②比率制动特性对于抑制电流互感器饱和引起的差动保护误动，可以产生积极的作用，也是目前使用最广泛的防差动误动的措施。但是在电流互感器深度饱和时，采用比率制动特性的电流差动保护可能会误动作；

③降低电流互感器的二次负载，这种方法需要缩短二次电缆长度以避免电流互感器的饱和，例如将继电保护装置就地安装，但是这种方法在实际中通常难以实现；

④配置抗饱和能力强的继电保护装置。

2.2 输电线路电容电流对纵联差动保护的影响及解决方法

输电线路的电压等级越高，线路的分布电容就越大，它对纵联电流差动保护的影响也就越大。本文以图2-1中的两端输电线路为例，来考虑线路的分布电容对差动保护的影响。

图2-1 两端输电线路

如向量图2-2所示，当发生区内故障时（k1点），由于存在电容电流mc和nc， 使得线路电流ml=mc+m和nl=nc+n的相位与幅值均发生变化。 当ml和nl的相位差大于 90°时，差动保护即会发生拒动作。

图2-2 区内故障时电流电压向量图

如向量图2-3所示，当发生区外故障时（k2点），由于存在电容电流mc和nc， 同样使得线路电流ml=mc+m和nl=nc+n的相位与幅值均发生变化。 当ml和nl的相位差小于 90°时，差动保护即会发生误动作。

图2-3 区外故障时电流电压向量图

对于电容电流造成误动的情况，本文提出以下几种防误动措施：

①提高差动继电器比率制动特性曲线中的启动电流定值，以躲过电容电流的影响，如取启动电流定值为正常运行情况下本线路电容电流值的4到6倍，但是此方法是会降低内部短路的灵敏度；

②在保护中增加一个短延时，在经过短延时的时间之后，电容电流中的高频分量已经被极大衰减，然后再将启动电流定值降低，如取正常情况下本线路电容电流值的1.5倍。将措施①和措施②结合使用，可躲过电容电流的影响，但此措施降低了保护动作的速动性；

③进行电容电流的补偿。通常情况下，在超高压远距离输电线路上分布电容很大，往往在线路上安装并联电抗器，以补偿部分电容电流。所以，如果线路上没有安装并联电抗器的话，需要补偿的电容电流就是本线路的电容电流。但是如果线路上安装了并联电抗器的话，需要补偿的电容电流应该是并联电抗器补偿了部分本线路的电容电流以后剩余的电容电流[3]。

一般来说，常用的有电容电流补偿方法有三种：稳态电容电流的补偿、基于时域的电容电流补偿以及利用贝瑞隆模型构成的线路差动保护。其中稳态电容电流的补偿无法求得高频分量的电容电流，故无法补偿高频分量的电容电流，只能求得外部故障时需要补偿的本线路稳态电容电流；基于时域的电容电流补偿方法可以补偿暂态电容电流；而贝瑞隆模型是基于分布参数理论的，根据贝瑞隆方程构成的差动保护在原理上不受电容电流的影响。

2.3 在弱馈情况对纵联差动保护的影响及解决方法

所谓“弱馈”，指的是线路一侧为弱电源甚至无电源的情况。在弱馈的情况下，如果发生区内故障，弱馈端由于三相电流都为零，且无电流的突变，所以启动元件无法启动[4]。

针对此情形，可以利用发生故障后线路电压降会下降这一特点，在弱馈侧设置一个低压差流启动元件，当收到非弱馈侧差动动作的信号，且差流元件动作，同时差流元件的动作相或相间电压小于0.6倍的额定电压时，该低压差流启动元件便会启动。这样，当非弱馈侧的保护收到该启动信号后，就会驱动电流差动保护出口，从而迅速切除故障。

2.4 两侧采样不同步对纵联差动保护的影响及解决方法

输电线路的纵联差动保护是由两端的两套独立采样的装置共同完成的，若它们的采样时刻不加以调整，则一般情况下是不相同的，因此便会产生不平衡电流。为了避免产生不平衡电流，就需要两端的保护装置做到同步采样。同步采样的方法有：GPS同步法、参考相量同步法和数据通道同步法。其中，GPS同步法需要相应的硬件支持，且受到外界环境因素的制约，应用并不广泛；参考相量法由于线路参数和电气量测量的误差，其精度不能得到保证；数据通道同步法是基于光纤通道收发延时相等的“等腰梯形算法”。

目前，国内常用的方法是采样时刻调整法，它是数据通道同步法的中一种，如许继公司的光纤纵差保护装置WXH-803。装置通在电后，从机以主机装置的相对时钟为基准，向主机发送延时时间和命令码，主机按自己装置的相对时钟为基准，计算出通道延时。然后，主机再将包括通道延时和采样调整开始命令在内的信息发送给从机。从机接收到采样调整命令后，首先根据接到的报文计算两端采样时间差，再从下一采样时刻起，自适应设定调整步数，直至将采样时间差调整为零。此方法要求通道收发路由必须一致。

3 结束语

本文针对输电线路纵联差动保护进行了原理介绍，说明了电流差动保护不受系统运行法师的变化、振荡及非全相运行的影响，并结合实际列举了输电线路纵联差动保护的优缺点，且对纵联差动保护应注意的问题提出了解决方案，解决了一部分实际生产中遇到的问题。

［1］贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理[M].2版.北京:中国电力出版社,2004,9.

［2］张方军.基于瞬时采样值的线路光纤纵联差动保护研究[D].河海大学，2004,3.

［3］张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005,5.

［4］国家电力调度中心.国家电网公司继电保护培训教材[M].北京：中国电力出版社，2009，4.