第三讲：分相电流差动保护

第一节光纤及光纤通道
随着光纤通信技术的快速发展，并由于光纤通信容量大、具有电不敏感性，传输中不受电磁干扰的影响，抗干扰能力极强，用光纤作为继电保护通道得到了快速发展。

在国电公司制定的《“防止电力生产重大事故的二十五项重点要求”继电保护实施细则》中明确提出应积极推广使用光纤通道做为纵联保护的通道方式。

由于光纤通信容量大因此可以利用它构成输电线路的分相纵联保护，例如分相纵联电流差动保护、分相纵联距离、方向保护等。

光纤通信一般采用脉冲编码调制（PCM）方式可以进一步提高通信容量，信号以编码形式传送，其传输速率一般为64KB/S，按目前做出的装置传输距离可以达到100km。

如果用2MB/S的传输速率，由于衰耗较大传输距离只能在70km以下。

光缆结构如图2.1.4 所示。

图2.2.1 光缆结构图
光缆基本上都由缆芯、加强元件和护层三部分组成。

缆芯是由单根或多根光纤芯线组成，其作用是传输光波。

加强元件一般有金属丝和非金属纤维，其作用是增强光缆敷设时可承受的拉伸负荷。

光缆的护层主要是对已形成缆的光纤芯线器保护作用，避免受外界的损伤。

图 2.2.3 基本光纤通信系统
一个基本的光纤通信系统包含图2.2.2所示的几个部分：①发送调制。

它将所需传送的保护信号（模拟电流信号或逻辑命令信号）变换成能够采用光纤通道传输的脉冲信号。

常用的调制方式有脉冲编码调制（PCM）、脉宽调制（PWM）、移频键控（FSK）等。

②光源。

光源一般采用发光二极管（LED）、激光二极管（LD）或激光器组件。

③光纤连接器。

完成光纤接口端机与外界光缆的连接。

④光纤接收器。

⑤接收解调。

它的作用是将光纤接收器输出的脉冲方式的电信号还原成相应的保护信号（模拟电流信号或逻辑命令信号）。

⑥光纤通道。

由光纤完成。

上述①、②两部分合称光发送机，④、⑤两部分合称光接收机。

光发送机、光接收机简称光端机，目前微机光纤电流保护装置中都内置了光端机。

继电保护所采用的光纤通道主要有两种方式：一种是为保护敷设的专用光纤通道。

另一种是复用已有的数字通信网络。

相应的连接方式有专用通道方式和复用通道方式，复用通道方式分为64Kbit/sPCM复用和2M口复用两种。

由于各种保护装置原理的不同，不同的保护装置在利用通道的方式上也各有不同。

纵联方向保护和纵联距离保护装置均需要利用通道传递“允许”或者“闭锁”信号构成“允许式”保护或者“闭锁式”保护，因此纵联方向保护和纵联距离保护在利用光纤通道时通常会增加一个信号转换及传输装置，将纵联方向保护和纵联距离保护装置输出的“允许”或者“闭锁”信号转换成光信号再传输到对侧，光端机放置在信号传输装置的内部。

而纵联电流差动保护装置则需要利用通道传输两侧的模拟量经数字采样处理后的数字信息，一般来讲，不需要再增加独立的信号转换及传输装置，光端机内置在纵联电流差动保护装置的内部。

专用通道方式
专用方式需为继电保护敷设专用的独立光纤通道，在专用光纤通道中只传输继电保护的信息。

专用方式的优点是不需附加其它设备，可靠性高而且由于不涉及通信调度，管理比较方便。

但由于光发收功率和光纤衰耗的限制，专用方式的通信距离一般在100km以内。

目前，专用方式主要应用于短距离的输电线路保护。

图2.2.6 线路纵联保护装置专用光纤连接示意图
图2.2.7线路光纤电流差动保护装置专用光纤连接示意图
继电保护装置利用复用通道方式传输数据信息时，一般在保护控制室保护装置光纤出口通过光缆连接到通信室内的数字复用接口设备，然后通过复用接口设备再和数字复用设备相连接。

一、分相电流差动保护的优越性和存在的问题
电流差动保护原理，是最为理想的一种保护原理。

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，而是靠克希霍夫基本的电流定理：流向一个节点的电流之和等于零。

它已被广泛地应用于电力系统的发电机、变压器、母线等诸多重要电气设备的保护。

可以说，凡是有条件实现的地方，均毫无例外的使用了这种原理的保护，而且都是主保护。

这主要是因为这种保护原理具有灵敏度高，简单可靠和动作速度快，能适应电力系统振荡、非全相运行、双回线跨线故障等各种复杂的故障和不正常运行状态，具有天然的选相功能可反应各种类型的故障，不受PT断线的影响，适应短线路、弱馈线路、串补线路，耐过渡电阻能力强等。

这些突出的优点是目前输电线路上所采用的其它各种原理的保护均无法比拟的。

差动保护的构成与高频距离、零序保护或方向高频保护相比要简单得多。

目前，基于距离测量或相位比较等原理构成的各种快速主保护方案，当用于多端或多回输电线路时，均有弱点，它们无论在动作速度、选择性，还是灵敏度等方面，都不能很好地满足输电系统的要求。

复杂的情况还有平行双回线路之间的互感耦合。

此外，当在靠近线路末端发生跨线异名相故障时，也会造成单相重合闸方式下的误选相。

比较而言，分相电流差动保护能更好适应任何型式的同杆并架双回输电线、串补电容线路以及T接线路等的保护配置和城网中短线路保护整定困难的场合，还能很好地适应架空线路与地下电缆混合输电系统等等。

这些优点对于以提高电力系统的安全稳定性和供电的灵活性为目标的复杂（城市）电网的建设，具有重要的意义。

影响电流差动保护动作性能的主要有以下几个方面的问题：
电流互感器的误差和不平衡电流。

电流互感器由于制造时不能保证做到所有的电流互感器完全一致，所以电流互感器之间存在误差，另外，电流互感器励磁电流的影响也会带来误差。

不平衡电流除了电流互感器的原因造成之外，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不平衡电流输出，不平衡电流增大会影响差动保护的灵敏度。

长距离超高压输电线路的电容性电流。

近年来随着电力系统的不断发展，超高压长线路逐渐增多，由于超高压一般均采用了分裂导线，线路的感抗减少，分布电容增大。

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。

电流互感器饱和。

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。

对于有铁心的电流互感器，形成误差的最主要因素是铁心的非线性励磁特性及饱和。

电流互感器的饱和可分为两类：一类是大容量短路稳态对称电流引起的饱和（以下称为稳态饱和），另一类是短路电流中含有非周期分量和铁心存在剩磁而引起的暂态饱和（以下称为暂态饱和）。

区外故障时，电流互感器发生饱和会影响差动保护继电器的正确动作。

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不会导致差动保护误动，但是断线后会如果发生区外故障时，差动保护可能会误动。

近年来，随着计算机和通信技术的迅速发展，通信设备的费用急剧下降，我国的电力通信系统尤其是光纤通信系统在加速发展。

光纤通信与输电线路无直接的联系，不受电磁干扰的影响，可靠性高，通信容量大。

随着光纤成本的下降，它将是电力系统通信的重要发展方向。

因此光纤分相纵差保护必是超高压和高压输电线路继电保护发展的重要方向。

二、电流差动保护元件
相电流差动保护元件
电流纵差保护的常用判据为： )1(　⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯>+CD
N M I I I φφ )2(⋯⋯⋯->+N M BL
N M I I I I k φφφφ 式（1）是称做电流差动判据，Icd 必须躲过在外部短路及正常运行时的最大的不平衡电流。

式（2）是主判据，也称做比率差动判据，两式同时满足时跳闸。

三、一侧开关断开时的保护
线路一侧手合开关时，对侧的开关在分位时，对侧保护电流量不能启动会导致保护不能动作出口。

需要增加对侧启动加本侧三相开关位跳位的启动条件，确保此时保护能够跳闸。

图2.4.2 跳位启动方式
四、电流数据采样同步
对于数字式电流纵差保护来说，它所比较的是线路两端的电流采样值。

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，保护也必须比较同一时刻两端的电流值。

这就要求线路两端对各自的电流采样数据进行同步化处理。

目前，国内常用的电流采样同步方法有两种：采样数据修正法和采样时刻调整法。

采样数据修正法和采样时刻调整法都是基于乒乓技术的采样调整技术。

乒乓技术要求线路两端保护装置，以相同的采样频率，独立地进行采样，而且两端的收发的数据在通道中传输时间完全相同。

采样数据修正法（也称为矢量同步法）简单的同步原理：如图2.4.3所示，M 为本侧，
N 为对侧，数据发送周期为T, Pm1、Pm2、Pn1、Pn2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，Tdelay 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△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 正是N 侧Pn2数据对应M 侧的时间，但M 侧的数据采样时刻在Pm2时刻，两侧时差[Ta-（T Pm2-T Pm1）]所对应的角度为△θ。

通道延时
tdelay=[△t2-△t1]/2。

采样数据修正法允许两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Td 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。

其缺点就是每次的差动保护算法处理，均要进行数据修正处理。

此外，它只能用在传送电流向量的方式，不能用于传送电流采样瞬时值的方式。

图2.4.3 采样数据修正法数据传输示意图
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，当通道传输时延发生变化时，会影响同步精度，甚至造成数据丢失，其可靠性受通道影响较大。

另外比较理想的同步方法有基于GPS 的同步方法，基于GPS 的同步方法精度高，不需通道联系，不受电网频率变化影响，效果最好。

通道误码率的计算方法，数字信号在信道传输过程中不可避免地要受到各种噪声地干扰，从而在接收端判决时产生误码，误码是随机的。

在接收判决时刻，噪声是叠加在信号上的，当噪声超过门限时，就产生误差，误码率：
发送总的码元素发生误码个数∞
→=n e P lim 光纤差动保护中通信可靠性是影响保护性能至关重要的因素，因此对通信进行了严密细致的监视，每帧数据进行CRC 校验，错误舍弃，错误帧数大于一定值时，报通道失效；通信为恒速率，每秒钟收到的帧数为恒定，如果丢失帧数大于某给定值，报通道中断，以上两种情况发生后，闭锁保护，一旦通信恢复，自动恢复保护。

正常时显示误码率方便通道监视
关于弱馈保护的说明
线路弱馈侧的范围定义：定性的说是线路弱电源端或者无电源端，定量的说是，当发生区内故障时，某一端纵联保护的所有正方向元件灵敏度都不够时，线路的该端可称为弱馈侧。

M
N
△ts
系统
图一
如图所示，在AB线靠近A变电所对称故障时，A侧保护能正常启动，且能判断出正方向故障。

但由于故障电流小B侧保护不能启动，如果保护没有弱馈功能，快速保护不能动作跳闸。

为此保护厂家引入低电压判据和弱馈概念，以期解决保护不能正确动作问题，下面就不同类型保护进行分析：
光纤差动保护
在线路AB故障，A侧保护能够启动，B侧保护不能启动情况下：
① A侧保护启动
② A侧有差流
满足以上两个条件，A侧向B侧发跳闸允许信号。

① B侧电压U<90% Un（南自厂90%；南瑞60％）
② B侧有差流
满足以上两个条件，B侧向A侧发跳闸允许信号
A侧B侧分别收到对侧允许信号且差流满足条件时，分别跳开A侧和B侧开关。

光纤差动保护较高频保护有所进步，不需要整定弱馈侧，但线路故障弱馈侧电压不符合要求时，光纤保护同样不能正确动作。