单侧电源供电线路光纤纵联差动保护

崔亚琼

根据规程规定，输电线路必须设置满足规程要求的继电保护装置。光纤纵联差动保护装置常用于110kV及以下电压等级的输电线路保护中，作为输电线路的主保护，线路出现故障时，该装置能够迅速切断故障电流，以免烧坏设备、造成事故，进而确保供电系统安全可靠。

1. 纵联差动保护原理

纵联差动保护是比较被保护设备两侧电流的大小和相位而构成的一种保护装置，图1显示了其接线原理。在线路两侧均装有电流互感器，电流继电器接在差流回路内。当正常运行和外部短路时，流入继电器的电流I˙J为：

如果忽略被保护线路的电容电流，则流经线路两侧的一次电流相等，即I˙1.1=I˙II.1，于是 I˙1.2=I˙II.2，故流入继电器的电流I˙J=0，继电器不动作。

当被保护线路内部短路时，如图2，两侧电源分别向短路点供给短路电流 I˙1.1和 I˙II.1， 流入继电器的电流为

当流入继电器的电流I˙J大于继电器的动作电流时，继电器动作，将故障元件自两侧同时切除。

纵联差动保护的保护范围，就是两侧电流互感器所包含的范围。在保护范围外故障时，差动保护装置不动作。因此，此保护装置不需要与相邻元件保护相配合，故可构成瞬动保护。

上述情况为理想状态。实际上，输电线路存在电容电流、线路两侧电流互感器误差等等，所以，正常运行和外部短路时流过线路两侧的电流并不相等，差动继电器的动作电流需要按照躲过外部短路时的最大不平衡电流整定，外部短路电流越大，此不平衡电流越大，保护装置的灵敏度越低。为了进一步降低差动保护动作电流，提高装置的灵敏度，实际的差动保护装置均具有比率制动特性。

2. 具有比率制动特性纵联差动保护原理

图1 差动保护外部短路原理接线图

图2 差动保护内部短路原理接线图

具有比率制动特性差动保护装置的接线原理见图3。继电器以线路两侧电流差值作为动作量，同时引入外部短路电流作为制动量，此制动电流随着外部短路电流的增大而加强制动作用，使得继电器的动作电流相应增大。图4是比率制动差动继电器的制动特性，其中Izd为制动电流，与外部短路电流成比率；Icd为差动电流，即继电器的动作电流；Ibp为正常负荷下的不平衡电流，并随外部短路时电流互感器误差的增大而增大。

假设对应于最大外部短路的最大不平衡电流为DB，对于没有制动作用的差动继电器，其动作电流至少应大于DB。当继电器具有制动特性GEA时，OG表示对应于某一制动特性的最小动作电流Idz0（Idz0通常取2.5倍线路电容电流）。在正常负荷电流下，电流继电器的误差很小，不平衡电流很小，Idz0＞Ibp，即使没有制动作用，继电器也不会误动。当外部短路时，Ibp随短路电流的增大而增大，Izd也随之增大，因而使继电器动作的动作电流也必须增大，故不管外部短路电流多大，继电器总不会误动作。在内部故障时，Icd为两侧电流之和，而Izd为两侧电流之差，Icd＞＞Izd，因此继电器具有很高的灵敏性。

图3 比率式差动继电器接线原理

图4 比率式差动继电器制动特性

3. 差动保护灵敏度

在制造厂提供的比率制动特性曲线的制动轴上取一点对应于Izd=Id.min（即线路内部短路时的最小短路电流）的T′点，再从动作轴上取一点相应于Id.min值的点，即可求得R点（参见图4）。连接RT与所选用的制动特性曲线 （例如GEA）交于S点，则灵敏度Km=Id.min/Idz=RT/ST。

根据规程要求，灵敏度要求大于2。

4. 光纤纵联差动保护装置的应用

过去，差动保护装置广泛地应用于发电机、变压器等设备继电保护中，在输电线路上只用在小于4km的短线路上，原因是差动保护用于线路保护需要很长的辅助导线来传送两侧电流等信息，造价较高，同时线路较长时，信息削弱较多，误差增大。近年来，随着信息传输技术的飞速发展，差动保护装置越来越多地应用于线路保护中，并利用传输距离长的光缆作为辅助导线，传送信息。尤其是110kV电压等级的单侧电源链式输电网络，利用常用的电流电压保护，无法满足供电可靠性和继电保护动作选择性的要求，而利用光纤纵联差动保护可以较好地满足各方面的要求。

5. 单侧电源光纤纵联差动保护

由上述介绍可知，纵联差动保护装置用于双侧电源线路有很高的灵敏度，且不会误动作。然而，对于单侧电源链式供电线路，由于继电保护动作选择性和可靠性的要求，采用一般的电流电压保护很难满足要求，需要采用光纤纵联差动保护装置，此时，上述情况将发生较大的变化。对于外部短路和正常运行时，短路电流、负荷电流的流向和制动作用，与双侧电源供电时没有区别；而线路内部短路时，Icd和Izd都是电源侧供给的同一个短路电流，装置的制动作用很大，此时，如果比率制动系数取值较大，RT与ST则相差较小，不满足灵敏度要求，所以要求必须选用较小的制动系数。

目前，各生产厂光纤纵联纵差保护装置主要是针对双侧电源线路开发的，其给出的比率制动系数均较大，一般为0.6~0.8，显然不满足灵敏度要求，因此，设计单位必须与生产厂充分沟通协商，在保证装置不会误动的情况下，尽量降低比率制动系数，以满足装置用于单侧电源线路的灵敏度要求，可靠保护线路和用电设备安全。

6. 光纤纵联差动保护设计注意事项

一是单侧电源线路纵联差动保护装置的制动系数必须按照单侧电源供电线路的特点选择，不能按照现状厂家给定值整定，以满足保护装置灵敏度要求。二是虽然现在的差动保护装置均为微机型，对于线路两侧电流互感器变比不同引起的不平衡电流有补偿作用，但是单侧电源线路由于线路内部短路时，只有一侧提供短路电流，需要选用较小的制动系数来满足灵敏度要求，因而区外故障时更容易误动，所以对数据的精确性要求更加严格，因此，建议线路两侧选用同类型、同变比、同准确级的电流互感器。尤其是线路较长，线路两侧为不同设计单位设计时，更应注意协调一致。三是线路长度超过装置厂家给出的光纤传输距离时，应在设备订货或采购时提出特殊要求，以确保数据和信息传输距离满足工程实际情况。