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。
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