马 燕 唐仁权 朱海清 曹 祯 钟家镇

（1.西门子电力自动化有限公司，南京 211100；2.南京供电公司，南京 210001）

两端或多端纵联线路保护经过光纤通道交换保护信息称为光纤差动保护。一般按保护装置间所交换信息的不同可以分为光纤差动保护、光纤距离保护、光纤方向保护，按光纤通道占用方式的不同又可以分为专用光纤保护和复用光纤保护。

本文介绍的是基于突变量的比相光纤差动保护，保护装置基于线路两侧电流突变量的符号判断故障。

比相差动保护适用于保护电缆和架空线的短路故障，尤其适用于短线路，因为线路短，距离保护的保护区域门槛值无法设定成至很小的值。

1 比相差动保护基本原理

比相差动保护的基本原理是：比较流入线路两端电流的相角。因为在正常运行以及各种故障时，线路两端电流的相角关系不一样，具体如图1所示。

在理想状况下，即不考虑线路电压的相角差，线路阻抗等因素，对于正常的负载电流，线路两端电流的相角如图1所示，两端的相角差为180°，符号相反。

在理想状况下，对于区外故障或者穿越性故障，线路两端电流的相角如图2所示。图2中，B端外发生区外故障，两端电流的相角差为180°，符号相反。

图1 正常运行时两端电流的相角

图2 B端区外故障时两端电流的相角

在理想状况下，对区内故障，线路两端电流的相角如图3所示，两端的相角差为0°，符号相同。

图3 区内故障时的两端电流相角

基于以上原理，比相保护将通过比较线路两端的电流符号来区分区内故障，区外故障和正常运行状况。如果线路两端电流符号相同，比相保护将会发出跳闸令切除故障；如果线路两端电流符号相反，比相保护不动作。

2 基于突变量的比相差动保护

对于单电源供电的输电线，若发生区内故障，无源侧电流为零，所以无法比较线路两端的电流符号。为解决此问题，比相保护不直接选用相电流，而选用每相电流的突变量作符号比较，以区分区内外故障。

图4、图5将以区内故障为例，分析单端电源和双端电源线路两端突变量的符号关系。

如图4所示，对于双端供电的输电线路，若发生内部故障，线路两端电流的突变量符号相同，比相保护动作。

图4 双端电源线路发生区内故障的两端电流突变量符号

如图5所示，对于单端供电的输电线路，若发生内部故障，线路两端电流的突变量符号也相同，比相保护动作。

图5 单端电源线路发生区内故障的两端电流突变量符号

对于正常运行状态，由于负载电流基本不变，所以突变量为零，比相保护不动作。

3 比相差动保护在实际应用中的优越性

在实际应用中，差动保护会遇到分布式电容，高阻接地，弱馈和CT饱和等问题[1]。对于比相差动保护，由于算法本身的特点，这些问题无需特别处理，保护能可靠动作，这是比相差动保护具有的优越性。

1）分布式电容的影响

由于输电线路存在对地的分布式电容，尤其对于分裂导线或者较长的输电线路，分布电容较大[2]，此时的电容电流也比较大，它的影响不能不被差动保护考虑。

矢量差动保护会采取提高动作门槛值的方法避开分布式电容电流，这样会牺牲灵敏性。

比相差动保护由于采用突变量作为特征量，线路的对地电容电流在突变量的计算中已经被抵消，所以无需考虑此电流的影响。

2）重负荷情况下发生高阻接地故障的影响

在重负荷下，差动保护制动电流很大,为负荷电流的2 倍。这种情况下发生高阻接地的故障，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，保护可能会拒动。

矢量差动保护会用零序差动保护，并经100 ms延时动作，来解决高阻接地故障保护灵敏度不足的问题。

由于比相差动保护采用突变量作为特征量，在系统正常运行时，突变量为零，所以保护定值可整定为一小值，保护的灵敏性好，能可靠识别高阻接地故障。

3）弱馈问题的影响

弱馈即一侧为电源，另一侧为负荷或者弱电源。此时，若发生区内故障，负荷侧电流降为 0。由于比相保护采用突变量作为特征量，负荷侧保护依然能计算出突变量，且两侧突变量符号相同，保护可靠动作。

4）CT饱和的影响

当线路发生区外故障时，一侧 CT将会流过很大的短路电流，此短路电流中含有非周期分量，而CT的励磁特性是按工频设计的，在传变非周期分量时，铁心磁通（即励磁电流）大大增加，可能会造成CT 暂态饱和，使得CT 传变特性恶化[3-4]。

矢量差动保护为了克服 CT 饱和的影响，需要采用较高的制动系数和变化的制动门槛，避免在较严重的饱和情况下不误动，这种做法牺牲了保护的选择性[5]。

对于比相差动保护，无需牺牲保护的灵敏度和快速型，保护的算法本身将会保证在 CT饱和时不会误动。CT饱和会使基波电流的幅值减小，相位增大，这时，两侧的电流将会产生相角偏移。偏移的幅度取决于CT的饱和程度，但总体而言，CT饱和对相位的影响是有限的。经过仿真计算，此相角最大偏移量为30°。由于比相保护会判断1/4周期长度的电流符号，所以即使在极端情况下，保护也不会误动。

4 实现时遇到的问题及解决方案

1）谐波及直流分量的影响

当线路中带有非线性负载，或者线路合闸时，电流中会出现谐波分量[6]。此谐波分量和基波叠加，会影响电流突变量符号的计算，导致保护误动作。当线路发生故障时，电流中会出现逐渐衰减的直流分量。此直流分量和基波分量叠加，也会导致电流突变量符号的错误计算。综上，在计算电流突变量的符号前，需要先滤除采样点中包含的谐波和直流分量。

2）频率变化的影响

倘若系统的频率发生变化，不是工频50Hz，而保护依然基于50Hz采样，那么即使线路正常运行，保护也会计算出电流的突变量。考虑到保护的灵敏度，突变量的门槛值会设置为一个很小的值，所以需要消除频率偏移带来的影响。

消除频率偏移的方法是采样跟踪，即保护的采样频率不固定为工频50Hz，而是实际的系统频率。若基于系统频率采样，保护便不会由于系统频率变化而误算出电流突变量。

3）通信异常的影响

两台装置的通信也会对保护产生影响，所以保护须实时监视通信状态和报文质量。若通信中断一定时间，保护会被闭锁，否则会引起误动作；若偶尔丢失一帧报文，不会影响保护逻辑判断，但是会延长保护动作时间。当保护接收到对侧报文，需要检测报文是否有效，只有有效报文才能用于保护逻辑判断。

5 比相差动保护在各种故障情况下的工程实例

比相差动保护能于区内故障能可靠动作，于区外故障能可靠不动作，并且保护不受CT饱和影响。下面将给出各种情况下的故障录波实例， 图中MT和NT表示M侧跳闸和N侧跳闸。

1）区内金属性故障

如图6所示，对于金属性接地的区内故障，比相差动保护灵敏动作，并且故障切除时间在 25ms以内，满足保护快速性要求。

图6 区内金属性故障时的故障录波

2）区内故障引起CT饱和

如图7所示，区内故障，CT饱和，比相差动保护能可靠动作。

图7 区内故障引起CT饱和时的故障录波

3）区外故障引起CT饱和

如图8所示，区外故障，CT饱和，比相差动保护能可靠不动作。

图8 区内外故障引起CT饱和时的故障录波

6 结论

基于突变量的比相差动保护除了满足于区内故障灵敏动作，于区外故障可靠不动作外，还具有如下优点：

1）不受分布式电容的影响。

2）灵敏度高，无论系统处于弱馈或重负荷运行工况，均能保持很高的灵敏度。

3）CT饱和时不会误动。

[1]夏建矿.关于输电线路光纤电流差动保护的若干问题讨论[J].电力系统保护与控制, 2010, 38(10):141-144.

[2]熊信银, 张步涵.电力系统工程基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2003.

[3]丛伟,张琳琳,姚翔,等.基于统一纵联原理的抗电流互感器饱和保护算法[J].电力系统自动化,2011, 35(11):82-86.

[4]胡家为,葛容尚,尹明铉,等.CT过饱和特性及对过流速断保护的影响[J].电力系统保护与控制,2013,41(16):133- 138.

[5]孔祥鹏,从贵斌,吴克胜.保护用电流互感器相关问题讨论[J].青海电力,2010,29(1):53-55.

[6]尹项根,曾克娥.电力系统继电保护原理与应用[M].武汉:华中科技大学出版社，2001.