纵联保护就是指纵联电流差动保护「纵联保护和差动保护」

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一、纵联电流差动保护概述

电流差动保护是较为理想的一种保护原理，曾被誉为有绝对选择性的保护原理，因为其选择性不是靠延时，不是靠方向，也不是靠定值，而是靠基尔霍夫电流定律，即流向一个节点的电流之和等于零。它已被广泛地应用于发电机、变压器、母线等诸多重要电力系统的元件保护中。它具有良好的选择性，能灵敏、快速地切除保护区内的故障。可以说，凡是有条件实现的地方，均毫无例外地使用了这种原理的保护，而且都是主保护。

将电流差动保护的原理应用于输电线时需要解决将线路一侧电流的波形完整地传送到线路对侧的问题，为此必须占用两个通道。微波通信是一种多路通信系统，可以提供足够的通道，曾经是电流差动保护较理想的通道。随着光纤通信技术的飞速发展和广泛应用，光纤纵差保护得到大量应用，成为电流纵差保护的主要保护方式。光纤作为高压线路的保护通道比导引线更安全。现在保护专用光纤通道实现双向传输共两根缆芯，投资不大。只有在线路长度较短时（3km以内），导引线保护才能得到一些应用。我国已开始大量使用光纤纵联电流差动保护。

纵联电流差动保护和纵联方向（距离）保护相比具有如下优点∶

（1）原理简单，基于基尔霍夫定律。

（2）整定简单，只有分相差动电流、零序差动电流等定值。

（3）用分相电流计算差电流，具有天然的选相功能。

（4）不需要振荡闭锁，任何时候故障都能较快速地切除。

（5）不需要考虑功率倒向，其他纵联保护都要考虑功率倒向时不误动。

（6）不受TV断线影响，但所有的方向保护都受TV断线影响。

（7）耐受过渡电阻能力强，受零序电压影响小。

（8）特别适用于短线路、串补线路和T形接线。

（9）自带弱馈保护，自适应于系统运行方式的变化。

（10）一侧先重合于永久性故障，两侧同时跳闸，可以做到后合侧不再重合，对电网和断路器有好处。

（11）复用光纤通道，在通信回路上有后备复用通道。

（12）通道抗干扰能力强，保护时刻在收发数据、检查通道，可靠性高，远远优于载波通道。

二、纵联电流差动保护元件

线路差动保护利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧，每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位比较的结果区分是区内还是区外故障。因此，保护在每侧都直接比较两侧的电气量。

对一条线路而言，在正常运行情况下差动电流为0。线路内部故障时，差动电流为故障点短路电流。区外短路时，TA特性误差及饱和都将产生不平衡电流，为了防止这个不平衡电流引起差动保护误动作，线路纵差保护广泛采用带制动特性的电流差动特性。制动特性可以由若干条直线组成，如图5-18所示。直线的斜率反映差动电流与制动电流的比值，该特性称为比率制动的电流差动保护动作特性，简称比率差动特性。

电流差动保护的动作判据大致分为全电流差动保护和相电流突变量差动保护。

1.分相电流差动保护元件

分相电流差动保护的常用判据为

|ÌφM ÌφN|＞Iop.min

|ÌφM ÌφN|＞K1|ÌφM-ÌφN|

式（5-21）是电流差动判据，ÌφM、ÌφN为本侧（M）和对侧（N）分相（A、B、C）电流相量，电流的方向均为指向线路。Iop.min为分相差动启动电流定值，必须躲过在正常运行时的最大的不平衡电流。式（5-21b）是主判据，也称比率差动判据，K1为比率制动特性斜率。两式同时满足时跳闸。

在实际应用时，可以选取三线段比率差动特性，如图5-18所示，其动作方程为

|ÌφM ÌφN|＞Iop.min

|ÌφM ÌφN|>K1||ÌφM-ÌφN| （当|ÌφM ÌφN|≤IINT）

|ÌφM ÌφN|>K2||ÌφM-ÌφN|-Ir|（当|ÌφM ÌφN|>IINT）

式中∶IINT为两段比率差动特性曲线交点处的差动电流值，取为 TA额定电流的4倍，即4IN;K1、K2为两段比率制动率，取为0.5、0.7。

Ir=IINT(K2-K1)/K2K1

Ir为常数，即Ir=2.28IN。

由于两侧电流互感器的误差影响，考虑外部短路时两侧TA的相对误差为10%;两侧装置中的互感器和数据的采集、传输也会有误差，按15%考虑，则外部短路时的误差为0.25。所以比率差动特性的斜率应满足0.25<K<1，由保护装置自动选取，不需整定。

2.零序电流差动保护元件

一般情况下分相电流差动保护可以满足灵敏度的要求，为进一步提高内部单相接地时的灵敏度，可采用零序电流差动元件。

|Ì0M Ì0N|＞Iop.min

|Ì0M Ì0N|＞K|Ì0M-Ì0N|

其中，Ì0M、Ì0N为本侧（M）和对侧（N）零序电流相量，Iop.min应躲过正常运你时的最大不平衡零序电流。

3.工频突变量电流差动保护元件

工频突变量电流也满足基尔霍夫电流定律，也可用于差动保护。

|ΔÌφM ΔÌφN|＞ΔIop.min

|ΔÌφM ΔÌφN|＞K|ΔÌφM-ΔÌφN|

式中∶△ÌφM、△ÌφN为本侧（M）和对侧（N）分相（A、B、C）工频突变量电流相量ΔIop.min为分相差动突变量电流定值。K为比率制动系数。

工频突变量电流差动保护和零序电流差动保护均不受负载电流的影响，从而可参耐保护反应过渡电阻的能力，提高保护的灵敏度。

光纤纵差保护的特点是零秒动作的保护范围为整条线路，不存在上下级线路保护的配合问题，且原理简单;保护的选择性、快速性、准确性、灵敏性和可靠性都很好。相对于距离保护而言经济性要差一些。

三、光纤纵差保护的特殊问题

1.电流数据同步处理

纵联电流差动保护所比较的是线路两端的电流相量或采样值，两侧的采样时刻必须严格同时刻和使用两侧在同一时刻的采样点进行计算。而线路两端保护装置的电流采样是各自独立进行的。为了保证差动保护算法的正确性，保护必须比较同一时刻两端的电流值，这就要求线路两端对各电流数据进行同步化处理。然而两端相距上百千米，如何保证两个异地时钟时间的统一和采样时刻的严格同步，成为输电线路纵联电流差动保护应用必须解决的技术问题。常见的同步方法有基于数据通道的同步方法和基于全球定位系统（Global Positioning System，GPS）同步时钟的同步方法。只有达到两侧同步采样后，计算才能真正反映基尔霍夫定律。以下介绍两种方法的基本原理。

（1）基于数据通道的同步方法。基于数据通道的同步方法目前国内常用的有两种∶电流相量修正法和采样时刻调整法。电流相量修正法和采样时刻调整法都是基于乒乓技术的数据同步技术。乒乓技术要求线路两端保护收发数据在通道中双向传输延时相同。

电流相量修正法（也称为矢量同步法）的简单同步原理如图5-19所示，M为本侧，N为对侧，数据发送周期为T，Tm1、Tm2、Tn1、Tn2为两侧数据采样时刻，△t1、△t2分别为两侧收到对侧数据距本侧量最近一次数据发送时刻的时间差，Td为数据从本侧发送到对侧所需时间。对侧传来本侧上次序号m1和对侧上次时间间隔△t1，本侧最新一组数据的序号为m2，收到对侧数据时刻距本侧最近一次数据发送时刻的时间间隔△t2。假定两侧发往对侧的延时相等，则可求得Ta=[△t2 △t1]/2，Ta是N侧Tn2数据对应M侧的时间，但M侧的数据采样时刻在Tm2时刻，两侧时差△ts=[Ta-（Tm2一Tm1）]，△ts所对应的角度为△θ，将N侧的Tm2时刻的电流相量的角度减小△θ，即可与 M侧 Tm时刻的电流相量计算差流。通道延时Td =[△t2一△t1]/2。

电流相量修正法允许各端保护装置独立采样，而且对每次采样数据都进行通道延时Ta的计算和同步修正，故当通信干扰或通信中断时，基本不会影响采样同步。只要通信回复正常，保护根据新接收到的电流数据，可立即进行差动保护的计算。这对于差动保护的快速动作较为有利。

采样时刻调整法保持主站采样的相对独立，其从站根据主站的采样时刻进行实时调整，能保持两侧较高精度的同步采样。但由于从站采样完全受主站的控制，当通道传输延时发生变化时，会影响同步精度，甚至造成数据丢失或拒动，其可靠性受通道影响较大。

（2）基于具有统一时钟的同步方法。全球定位系统GPS是美国于1993年全面建成的新一代卫星导航和定位系统。由24颗卫星组成，具有全球覆盖、全天候工作、24h连续实时地为地面上无限个用户提供高精度位置和时间信息的能力。GPS传递的时间能在全球范围内与国际标准时钟（UTC）保持高精度同步，是迄今为止最为理想的全球共享无线电时钟信号源。

基于GPS时钟的输电线路纵联电流差动保护同步方法要用专用定时型GPS接收机。接收机在任意时刻能同时接收其视野范围里4～8颗卫星的信息，通过对接收到的信息进行解码、运算和处理，能从中提取并输出两种时间信号∶一是秒脉冲信号lpps（1 pulse per sec-ond），该脉冲信号上升沿与标准时钟 UTC的同步误差不超过1us;二是经串行口输出与lpps 对应的标准时间（年、月、日、时、分、秒）代码。在线路两端的保护装置中由高稳定性晶振体构成的采样时钟每过1s被lpps信号同步一次（相位锁定），能保证晶振体产生的脉冲前沿与UTC具有lus的同步精度，在线路两端采样时钟给出的采样脉冲之间具有不超过2μs的相对误差，实现了两端采样的严格同步。接收机输出的时间码可直接送给保护装置，用来实现两端相同时标。

2.影响差动保护的性能因素及其解决办法

影响纵联电流差动保护动作性能因素主要有以下5个方面。

（1）电流互感器的误差和不平衡电流。同型号的电流互感器性能也不能保证完全一致，电流互感器之间存在误差，电流互感器励磁电流的影响也会带来误差;如保护装置采样回路的误差、保护装置同步造成的误差。以上误差都会引起不平衡电流，不平衡电流增大会影响差动保护的灵敏度。

区外短路故障时，电流互感器传变的幅值误差和相位误差使其两侧的二次电流大小不相等、相位不相反（电流方向为母线指向线路），保护有可能误动作，将线路跳开。产生不平衡电流的原因之一是由于两端电流互感器的磁化特性不一致。电流互感器的误差可以通过选取同一厂家同一批次的相同型号电流互感器来尽量减小，而对于保护装置采样回路的误差、保护装置同步造成的误差都会引起的不平衡电流，则要求保护厂家采取措施尽量减小它的影响。

（2）长距离超高压输电线路的电容性电流。由于超高压线路一般均采用了分裂导线，线路的感抗减少，分布电容增大，线路较长则更使分布电容的等值容抗大大减少。对于超高压长线，由于电容电流的存在，必然会使无内部故障时有差流存在。分布电容不仅影响故障暂态过程中计算出的电流相量精度，更主要的是电容电流的存在使线路两端的测量电流不再满足基尔霍夫电流定律，从而直接影响了保护的灵敏度和可靠性。

电流差动保护原理简单可靠，是因为它认为输电线路只有两端或者三端，它应满足最基本的基尔霍夫电流定律。但是对于超高压长距离输电线路，线路分布电容将破坏这一假设，使保护性能下降。为了消除分布电容的影响，可采取电容电流处理措施。通常电容电流处理措施有三种∶

1）差动电流整定值躲过电容电流的影响。

2）保护实测电容电流。电容电流是正常运行时的差流的重要组成部分。

3）采用电压测量来补偿电容电流。

（3）电流互感器饱和的影响。保护用电流互感器要求在规定的一次电流范围内，二次电流的综合误差不超出规定值。对于有铁芯的电流互感器，形成误差的最主要因素是铁芯的非线性励磁特性及饱和程度。区外故障时，电流互感器发生饱和会影响差动保护的正确动作。电流互感器的饱和可分为两类;

1）大容量短路稳态对称电流引起的饱和（称为稳态饱和）。当电流互感器通过的稳态对称短路电流产生的二次电动势超过一定值时，互感器铁芯将开始出现饱和。这种饱和特点是畸变的二次电流呈脉冲形，正负半波大体对称，畸变开始时间较短，二次电流有效值将低于未饱和情况。

2）短路电流中含有非周期分量和铁芯存在剩磁而引起的暂态饱和（称为暂态饱和）。短路电流一般含有非周期分量，这将使电流互感器的传变特性严重恶化。原因是电流互感器的励磁特性是按工频设计的，在传变非周期分量时，铁芯磁通（即励磁电流）需要大大增加。非周期分量导致互感器暂态饱和时二次电流波形是不对称的，开始饱和的时间较长。但铁芯有剩磁时，将加重饱和程度且缩短开始饱和的时间。克服电流互感器饱和的措施有以下两方面。

1）选用合适的电流互感器。对于稳态饱和，可以通过选用合适的电流互感器来避免。而考虑到暂态饱和，则宜尽量选用有剩磁限值的互感器。除TPY外，P类互感器中有剩磁限值的 PR型也可以应用。

2）保护装置本身采取措施减缓互感器暂态饱和的影响，比如采用变制动特性比率差动原理。

（4）电流互感器二次回路断线。对于线路保护来讲，线路一侧的电流互感器二次回路发生断线虽然不会导致差动保护误动，遇区外故障时，差动保护可能会误动。可以根据实际需要采取闭锁措施，防止差动保护误动。

（5）光纤通道的可靠性。光纤差动保护对光纤通道的依赖性强，要求通信不中断，误码率要低，通道不能自环或交叉，双向传输延时要相等，复用光纤要与通信部门配合，需进一步加强配合和管理。

四、光纤电流差动保护动作逻辑

光纤分相电流差动保护每侧各装有一个保护装置，各侧的保护装置分别检测当地电流，同时将本侧的电流通过光纤传送到其他侧以便与各侧电流进行比较。

两侧保护通过对本侧电流分别进行采样处理将电流信号变换形成每相电流的正弦、余弦电流分量系数。三相电流经变换后得到6个系数（每相两个），通过光纤每隔5ms保护向对侧发送一帧信息。对侧保护在收到信息帧后，按相将所收到的电流采样值与本侧对应电流进行实时同步比较，计算出差流的幅值和相角及制动电流的大小。光纤分相电流差动保护动作逻辑框框图如图5-20所示。说明如下。

（1）三相断路器在跳闸位置（M1）或经保护启动控制的差动元件动作，均向对侧发差动动作允许信号（M3）（一侧断路器跳闸后，对侧跳闸前，本侧差动元件处动作状态）。

（2）A相差动元件、B相差动元件、C相差动元件包括变化量差动、稳态量差动，零序差动。

（3）收到对侧发来的差动动作允许信号（即对侧差动信号）及本侧保护启动同时差动元件动作时（M19），本侧保护才动作。所以两侧保护启动、两侧差动元件同时动作，两侧保护才动作。

（4）通道异常时，两侧保护闭锁（M6）。

（5）TA断线期间。本侧的启动元件、差动元件可能动作，但对侧启动元件不动作，不向本侧发差动保护动作信号。故差动保护不会误动作。但是当TA断线时再发生故障或系统扰动导致启动元件动作，就可能误动，故设TA断线闭锁。

（6）若"TA断线闭锁差动"置"1"投入，则在断线期间M4输出为"0"，或门 M5输出为"0"，闭锁电流差动保护;若"TA 断线闭锁差动"置"0"退出，且该相差流大于"TA断线差流定值"为"1"，在断线期间，M4 输入全"1"输出为"1"，M5输出为"1"，仍开放电流差动保护。

（7）保护启动、收到对侧差动信号时，零序差动动作跳三相断路器（M10）。零序差动动作后带有延时。

（8）装置用于弱电源侧时，区内发生短路故障，差动元件动作，但启动元件有可能不动作。此时若收到对侧的差动保护动作允许信号（对侧启动元件动作、对侧差动保护动作），则通过判断本侧差动元件动作的相关相电压、相关相间电压，如小于60%额定电压，则启动元件动作，进入故障测量程序，允许对侧跳闸，本侧也能选相跳闸。

五、多端线路光纤纵差保护的应用

目前光纤纵差保护在电力系统的应用十分广泛，不但在高压、超高压线路上普遍使用，而且在10～110kV的线路上也有使用。电流纵差保护在电力系统保护中的重要性越来越大。但是随着电力系统的发展，电网的接线越来越复杂，要求线路电流纵差保护除了上述的对单一线路进行保护外，还要求在以下的条件下也能使用。

（1）线路中带有变压器。

（2）线路两侧TA的变比不相同，特性不一致，电流相位不一致。

（3）在复杂的电网中存在T、Ⅱ形接线以及更为复杂的一条线路有多条分支（大于三个分支）的接线。

（4）两侧TA的饱和情况不一样∶一侧严重饱和并畸变，另外一侧能反应故障时的电流。

因此，光纤纵差保护应能实现多段线路差动保护，特别是在我国应用较多的T形接线的方式可以用三侧差动实现，通道配置如图5-21所示。

图中一侧为主机，作为参考端，另两侧分别为从机1、从机 2，作为同步端。主从机由装置自动形成，不需整定（装置正常运行时的主画面中有主从机的状态显示）。三侧以同步方式交换信息，参考端采样间隔固定，并在每一采样间隔中固定向对侧发送一帧信息。两个同步端随时调整采样间隔，与参考端保持同步，如果满足同步条件，就向两个对侧传输三相电流采样值;否则，启动同步过程，直到满足同步条件为止。

运行过程中，若从机1与从机2之间通道发生故障，同时线路上发生故障，分相差动保护仍然能动作;若主机与任一从机之间通道发生故障，自动切换主从机，如主机与从机1之间的通道发生故障，主机自动切换为从机1，从机1切换为从机2，原来的从机2切换为主机，此时形成从机1与从机2之间通道故障的状态，差动保护仍起作用。故在"T"接线路上，任一通道故障，差动保护不会退出。当"T"接线路中有一侧停运或其他原因要转入两侧运行时，仅需改变连接片（压板）的投退状态就能适应两侧运行方式。

与差动保护相关的连接片共有两个，屏上有"投三侧差动""投两侧差动"硬压板;连接片定值中有与硬压板对应的"投三侧差动连接片"""投两侧差动连接片"软压板;保护定值控制字中有"投三侧差动""投两侧差动"控制字。将"投三侧差动"硬压板、"投三侧差动连接片"软压板和"投三侧差动"控制字与起来为"投三侧差动"综合连接片;将"投两侧差动"硬压板、"投两侧差动连接片"软压板和"投两侧差动"控制字与起来为"投两侧差动"综合连接片。若"投三侧差动""投两侧差动"的软硬压板均不投入的话，综合连接片的形成由内部控制字决定。