光纤纵联电流差动保护

上一期我们讨论了使用高频通道的闭锁式纵联方向保护。但鉴于光纤通道的优越性，高频保护正在逐渐被光纤纵联电流差动保护（以下简称纵差保护）所取代。光差保护的主要原理是将输电线路两端的电流信号转换成光信号，经光纤通道传送到对侧。保护装置收到后再转换成电信号与本端电流比较，通过计算差流决定保护是否动作。当然，通过光纤我们不仅可以传送电流信号，也可以像高频保护一样传送逻辑信号。这样就可以构成基于光纤通道的光纤纵联方向保护等。由于传送逻辑信号对光纤通道的要求比较低，此类保护以后可能会得到更广泛的运用。

言归正传，今天我们和大家一起讨论一下光纤纵联电流差动保护的相关问题。

1、基本原理

如图，规定以母线流向被保护线路为正方向。流过两端保护的电流为IM、IN。以两端电流相量和作为差动继电器动作电流Id，以两端电流相量差作为制动电流Ir。

差动继电器的动作特性一般如下图所示。蓝色区域为非动作区，红色区域为动作区。这种动作特性称作比率制动特性。动作逻辑的数学表达式也在图中给出。

当线路内部短路时，动作电流等于短路电流Ik，很大。制动电流较小，甚至为零。因此工作点落在动作区内，差动继电器动作。

当线路外部短路时，流过本线路的电流是穿越性短路电流，因此动作电流为零，制动电流是两倍的穿越电流。制动电流很大，不满足上面的方程，落在非动作区。差动继电器不动作。

因此，差动继电器只会在内部故障时动作。这就是光差保护的基本原理。我们可以总结两个结论：

（1）线路内部只要有流出电流，都将成为动作电流，如内部短路电流、线路电容电流；

（2）只要是穿越性电流，都只会形成制动电流，不会形成动作电流，如负荷电流、外部短路电流。制动电流是穿越电流的两倍；

2、产生不平衡电流的因素

我们说线路外部短路故障时，差动动作电流为零。但是实际上在外部故障或正常运行时，动作电流往往并不等于零。我们把这种差流称为不平衡电流。

产生不平衡电流的原因有很多，比较主要的有以下几种。

（1）线路电容电流的影响

本线路的电容电流是从线路内部流出的电流，它同样可以构成差动继电器的动作电流。在线路正常运行时，制动电流为穿越性的负荷电流。在空载或轻载时，负荷电流较小，很可能满足差动继电器的动作条件，会造成差动保护误动。

除了工频分量电容电流之外，在外部故障或线路空冲时，还会有大于50Hz的高频分量电容电流。所以电容电流的瞬时值可能会很大，所以动作电流也很大，很容易造成保护误动。所以解决电容电流的影响是线路纵差保护要解决的最重要的课题。目前采取的主要防范措施有：

A.提高起动电流Iqd的定值，躲开电容电流影响；（会使保护灵敏度降低）

B.加一个短延时，等高频分量电容电流衰减；（降低保护的快速性）

C.对电容电流进行补偿；

（2）CT变比误差及暂停特性不一致

理论上，两端CT的变比是应该完全相同的。但在现实中，由于制造工艺的差别，难免会存在误差。而且CT在短路暂态过程中，饱和程度也存在差异。因此变比不会完全相同，从而产生不平衡电流。这应该从制动系数的整定上考虑这一影响。

（3）采样时间不一致

线路的纵差保护和母差、变压器差动保护不同。线路两端电流的采样是由两套装置分别完成的。如果两端装置不在同一时刻采样的话，得到的两端电流的瞬时值不相等，相量和也就不为零，从而产生不平衡电流。

3、CT断线的问题

既然纵差保护是依靠计算差流工作的，那么如果一侧CT断线，会对保护造成什么影响呢？正常运行的线路，如果一侧CT断线，那么差动继电器的差动电流Id和制动电流Ir就都等于CT未断线端测得的负荷电流，Id=Ir。由于Kr通常小于1，启动电流Iqd的值有比较小，因此将很容易造成差动保护误动作。

为了防止CT断线造成差动保护误动，最基本的方法就是在差动保护中设置起动元件，并通过通道两端相互传输其起动信号。只有两侧起动元件都启动，差动保护才能出口跳闸。

起动元件主要包含4个部分：电流变化量起动元件、零序过流起动元件、相过流起动元件、电压辅助起动元件。只要其中一个元件动作，就认为起动元件起动。

对于CT断线侧，CT断线后电流变化量起动元件、零序过流起动元件都有可能动作，起动元件起动；而CT未断线侧，电流电压基本没有变化，所以起动元件不会启动。这样就避免了CT断线造成的误动作。

所以，每一端差动保护出口跳闸必须满足以下条件：

（1） 本端起动元件起动；

（2） 本端差动继电器动作；（同时满足（1）（2）向对端发“差动动作”允许信号）

（3） 收到对端“差动动作”允许信号；（说明对端也同时满足（1）（2））

此时本端允许保护出口跳闸。

若发生CT断线，装置发告警信号。若“CT断线闭锁差动”控制字置1，则闭锁差动保护；若“CT断线闭锁差动”控制字置0，不闭锁差动保护，但将差动继电器的启动电流Iqd抬高。

4、母线、失灵保护启动“远跳”的问题

和闭锁式纵连方向保护一样，光纤纵联差动电流保护也涉及和母线、失灵保护的配合问题。由于纵差保护相对端发送的是允许信号，所以涉及到“远跳”的问题。

如图，两侧均有电源，假设故障发生在断路器与CT之间，比如K点。K点在M端母线保护范围内，故母线保护动作跳开M母上所有开关，包括开关1。但是开关跳开后，故障点仍然没有切除。对于MN线路的纵差保护而言是外部故障，纵差保护仍然不能动作。N端开关只能由后备保护带延时切除。

为了保证N端能快速切除故障，可将M端母线保护的动作接点接在纵差保护装置的“远跳”端子上，母线保护动作后，立即向N端发送“远跳”信号。N端接收到该信号后发三相跳闸命令，并闭锁重合闸。即使真的故障点在M母线上，那我们停信跳开N侧开关也没有什么不良后果。

同样的原理，但对于3/2接线方式，情况则不同。

3/2接线方式下，如果故障点真的在M母线上，那么母线保护动作后不能发“远跳”信号。因为此时边开关1跳开，故障点切除。而线路1、2仍然可以由N侧电源供电继续运行。如果母线保护停信，会使这两条线路停运。所以母差保护动作接点不能接到“远跳”端子上。应该将失灵保护的动作接点接到“远跳”端子上。K点故障，母差动作条边开关1，故障点未切除，故障电流仍然存在。此时失灵保护动作跳中开关2，依靠失灵保护向线路1对端发送“远跳”信号，跳线路1对侧开关。

5、光纤纵联差动保护调试

工作中，对光纤纵联差动保护的校验通常采用自环的方式。

首先，用光功率计检测保护装置发出（Tx）、接收（Rx）的光功率电平是否满足要求，以确定光纤通道是否良好。（通常Tx在-16dBm左右，Rx在-40dBm左右。具体更具线路长度判断）若不满足要求，应检查光纤端口是否连接良好，光纤头是否清洁。

其次，确定光纤通道良好后，用光纤将Tx端口与Rx端口相连自环。有些装置自带“通道自环实验”压板的直接将压板投上即可。查看装置面板上是否报“通道异常”告警。

如果没有“通道异常”告警信号，则可以通过保护校验仪向装置模拟单相故障电流I，此时由于是自环实验，装置计算得到的差动电流实际为Id=2I，因此通入的故障电流应略大于为定值的1/2。满足动作条件后，装置迅速动作。校验完毕后，将光纤通道及控制字、压板恢复。