输电线路纵联电流差动保护原理与应用

1.导引线保护

1）基本工作原理

纵联电流差动保护又称导引线保护，是用辅助导线（或称导引线）将被保护线路两侧的电量连接起来，通过比较被保护的线路始端与末端电流的大小及相位构成的保护。在线路两端安装型号相同且电流比一致的电流互感器，两侧电流互感器一次回路的正极性均置于靠近母线的一侧，它们的二次回路用电缆将同极性端相连，其连接方式应使正常运行或外部短路故障时继电器中没有电流，而在被保护线路内部发生短路故障时，其电流等于短路点的短路电流。在正常运行情况下，若导引线中形成环流，则称其为环流法纵联电流差动保护。

图4−1−5所示为纵联电流差动保护接线原理示意，将线路两端电流互感器二次侧带“· ”号的同极性端子连接在一起，将不带“· ”号的同极性端子连接在一起，将差动继电器接在差流回路上。

电流互感器TA 对其二次侧负载而言可等效为电流源，所以在分析纵联电流差动保护的工作原理时，可将电流互感器的二次等效阻抗看成无穷大，即 ZTA =∞；将差动继电器线圈的等效阻抗看作零，即 ZKD = 0。

图4-1-5　纵联电流差动保护接线原理示意

（a）区外故障电流分布；（b）区内故障电流分布

线路外部k1 点短路时电流分布如图4−1−5（a）所示（正常运行时电流分布与它相同）。按照图4−1−5（a）所示的电流方向，线路正常运行或外部故障时，流入继电器线圈的电流为

式中 I2I ， II2I ——线路首、末端电流互感器二次绕组电流；

II ， II′——线路首、末端电流互感器一次绕组电流，即线路两侧的电流。

线路正常运行或外部故障时，流经线路两侧的电流相等，即 I I =II′ ，若不计电流互感器的误差，则 II2=III2，流入继电器的电流I =0，继电器不动作。

当线路保护范围内发生短路故障，即两电流互感器之间的线路上发生故障（如k2 点短路）时，电流分布如图4−1−5（b）所示。线路两侧电流都流入故障点，电流互感器二次侧流入差动继电器中的电流为故障点总的短路电流的二次值，即

式中 Ik——故障点短路电流。

当流入继电器的电流I大于继电器整定的动作电流时，差动继电器动作，瞬时跳开线路两侧的断路器。

巧虎带你认识纵联电流差动保护（微课）

纵联电流差动保护测量线路两侧的电流并进行比较，它的保护范围是线路两端电流互感器之间的距离。在内部故障时，保护瞬时动作，快速切除故障。在保护范围外短路时，保护不能动作。其不需要与相邻元件在保护动作值和动作时限上配合，因此可以实现全线路瞬时切除故障。

2）不平衡电流

在纵联电流差动保护中，在正常运行或外部故障时，由于线路两侧的电流互感器的励磁特性不完全相同，流入继电器的电流称为不平衡电流。在上述保护原理的分析中，线路正常运行或区外故障时不计电流互感器的误差，流入差动继电器的电流0I =，这是理想的情况。实际上电流互感器中存在励磁电流，并且两侧电流互感器的励磁特性不完全一致，则线路在正常运行或外部故障时流入差动继电器的电流为

式中 II.E′ ， II.E ——线路两侧电流互感器的励磁电流。

此时流入继电器的不平衡电流用Iunb 表示，它等于两侧电流互感器的励磁电流相量差。线路外部故障时，短路电流使铁芯严重饱和，励磁电流急剧增大，从而使 Iunb 比正常运行时大很多。

由于纵联电流差动保护是瞬时动作的，故还需要研究在保护区外部短路时暂态过程对不平衡电流的影响。在暂态过程中，一次短路电流包含按 指数规律衰减的非周期分量，由于它对时间的变化率远小于周期分量的 变化率，故很难转变到二次侧，而大部分成为励磁电流。转变到二次回路的一部分称为强制的非周期分量。又由于电流互感器励磁回路电感中的电流不能突变，从而引起非周期自由分量。而二次回路和负载中也有电感，故短路电流中的周期分量也将在二次回路中引起非周期自由分量。此外，非周期分量偏向时间轴一侧，使电流峰值增大，铁芯饱和，进一步增加励磁电流。所以，在暂态过程中，励磁电流将大大超过其稳态值，并含有大量缓 慢衰减的非周期分量，这将使不平衡电流 Iunb 大大增加。图4−1−6（a）所示为外部短路时一次电流 kI 随时间t 变化的曲线，图4−1−6（b）所示为暂态过程中的不平衡电流波形，暂态不平衡电流可能为稳态不平衡电流的几倍，而且两个电流互感器的励磁电流含有很大的非周期分量，从而使不平衡电流也含有很大的非周期分量，不平衡电流全偏向时间轴一侧。最大不平衡电流发生在暂态过程中段，这是因为暂态过程起始段短路电流直流分量大、铁芯饱和程度高，一次侧的交流分量不能转变到二次侧，由于励磁回路具有很大的电感，励磁电流不能突变，所以不平衡电流不大；在暂态过程结束后，铁芯饱和消失，电流互感器转入正常工作状态，平衡电流又减小，所以最大不平衡电流发生在暂态过程的中段。

为了避免在不平衡电流作用下差动保护误动作，需要提高差动保护的整定值，躲开最大不平衡电流，但这样就降低了保护的灵敏度。因此，必须采取措施减小不平衡电流及其影响。在纵联电流差动保护中可采用速饱和变流器或带制动特性的差动继电器。

图4−1−6　外部短路暂态过程

（a）外部短路电流；（b）不平衡电流

3）对纵联电流差动保护的评价

纵联电流差动保护是测量线路两端电气量的保护，能快速切除被保护线路全线范围内的故障，不受过负荷及系统振荡的影响，灵敏度较高。它的主要缺点是需要装设与被保护线路一样长的导引线，增加了投资成本。同时为了增强保护装置的可靠性，要装设专门的监视导引线是否完好的装置，以防当辅助导线发生断线或短路时纵联电流差动保护误动作或拒绝动作。

由于存在上述问题，只有当其他保护不能满足要求，且输电线路的长度小于10 km 时才考虑采用纵联电流差动保护，所以纵联电流差动保护只用于小容量的发电机和变压器的差动保护。

4）影响输电线纵联电流差动保护正确动作的因素

（1）电流互感器的误差和不平衡电流；

（2）导引线的阻抗和分布电容；

（3）导引线的故障和感应过电压。

对于电流互感器的误差和平衡电流的影响，在纵联电流差动保护整定计算时要给予考虑。另外，对于暂态不平衡电流的影响，可以在差动回路中通过接入速饱剧变流器或串联电阻来减小影响。对于导引线的分布电容和阻抗的影响，可以采用带有制动特性的差动继电器，这种继电器可以减小动作电流，提高差动保护的灵敏度。对于环流法接线，导引线断线将造成保护误动作，导引线短路将造成保护拒绝动作，因此要保持导引线的完好性。对于导引线的故障和过电压保护，可采用监视回路监视导引线的完好性，在导引线故障时将纵联电流差动保护闭锁并发出信号。为防止雷电在导引线中感应产生过电压，应采取相应的防雷电过电压保护措施，并将电力电缆和导引线电缆分开，不要敷设在同一个电缆沟内，如果必须敷设在一个电缆沟内，则必须使两电缆之间留有足够的安全距离。

2.纵联保护通道

1）导引线通道

所谓导引线通道，就是用一对低压电缆把对侧的电气量传送过来。为了节省投资，一对电缆要同时承担相互传递电气量的任务。由于导引线能够把线路对侧的电流幅值信息与相位信息传送过来，一般以导引线为通道的纵联保护，称为纵联差动保护。这种保护方式投资大，维护工作量大，广泛应用于长度在10 km 以下的短线路保护、变压器保护与发电机保护。

2）无线电通道(www.xing528.com)

无线电通道利用无线电发信机与收信机实现信息的传递。由于无线电是在空间中传递的，不需要专门的通信线路，因此，无线电通道传送方式简单、容易实现。但无线电在传送过程中衰耗较大，且周围环境极大地影响着信息传递的质量，所以，无线电通道易受干扰、可靠性差，很少有实际应用。以无线电通道构成的纵联保护，可作为某些特殊要求的低压线路保护的辅助保护，以加速保护跳闸。

3）高频载波通道

高频载波通道是利用电力线路，结合加工设备和收、发信机构成的一种有线通信通道，以高频载波通道构成的线路纵联保护也称高频保护。

为了实现高频保护，首先必须解决高频载波通道问题。目前广泛采用输电线路本身作为一个通道，即输电线路在传输50 Hz 工频电流的同时，还叠加传输一个高频信号，称为载波信号，以进行线路两端电气量的比较。为了与传输线路中的工频电流相区别，载波信号一般采用50～300 kHz 的高频电流，这是因为频率低于50 kHz 时不仅受工频电压干扰大，且各加工设备构成较困难；而频率高于300 kHz 时高频能量衰减大为增加，也易与广播电台信号互相干扰。

为了使输电线路既传输工频电流又传输高频电流，必须对输电线路进行必要的改造，即在线路两端装设高频耦合设备和分离设备。

输电线路高频载波通道广泛采用的线路连接方式有两种：一种是“相−地”制高频载波通道，即将高频收、发信机连接在一相导线与大地之间；另一种是“相−相”制高频载波通道，即将高频收、发信机连接在两相导线之间。“相−相”制高频载波通道的衰耗小，但所需的加工设备多，投资大；“相−地”制高频载波通道传输效率低，但所需的加工设备少，投资小，是一种比较经济的方案，因此，在国内外得到广泛应用。

“相−地”制高频载波通道构成接线如图4−1−7所示。高频载波通道应能有效地区分高频与工频电流，并使高压一次设备与二次回路隔离，限制高频电流只限于在本线路内流通，不能传递到外线路。为了使载波信号在传输中的衰耗应最小，应在高频载波通道中装设下列设备：

图4−1−7　“相-地”制高频载波通道构成接线

1—输电线一相导线；2—高频阻波器；3—耦合电容器；4—连接滤波器； 5—高频电缆；6—离频收、发信机；7—放电间隙、接地刀闸

（1）高频阻波器。

高频阻波器的电感线圈和可调电容器组成并联谐振回路，当其谐振频率为选用的载波频率时，对载波电流呈现很大的阻抗（在1 000 Ω以上），从而使高频电流限制在被保护线路的输电线路以内（即两侧高频阻波器内），而不致流到相邻线路上去。对50 Hz 工频电流而言，高频阻波器的阻抗仅是电感线圈的阻抗，其值约为0.04 Ω，因此工频电流可以畅通无阻。

（2）耦合电容器。

耦合电容器又称为结合电容器，其电容量很小，对工频电流具有很大的阻抗，可防止工频高压侵入高频收、发信机。对高频电流则阻抗很小，高频电流可顺利通过。耦合电容器与连接滤波器（结合滤波器）共同组成带通滤波器，只允许此带通频率内的电流通过。

（3）连接滤波器。

连接滤波器又称结合滤波器，由一个可调电感的空心变压器及连接至高频电缆一端的电容器组成。由于电力线路的波阻抗约为400 Ω，电力电缆的波阻抗约为100 Ω或75 Ω，因此利用结合滤波器与它们起阻抗匹配作用，以减小载波信号的衰耗，使高频收信机收到的高频功率最大，同时利用连接滤波器进一步使高频收、发信机与高压线路隔离，以保证高频收发信机及人身安全。

（4）高频电缆。

高频电缆是把户外的带通滤波器和户内保护屏上的收、发信机连接起来，并屏蔽干扰信号。

（5）保护间隙。

保护间隙作为高频载波通道的辅助设备，起过电压保护的作用，当线路遭受雷击过电压时，通过保护间隙被击穿而接地，保护高频收、发信机不被击毁。

（6）接地刀闸。

接地隔离开关是高频载波通道的辅助设备。在检查、调试高频保护时，将接地刀闸合上，可防止高压窜入，确保保护设备和人身安全。

（7）高频收、发信机

高频发信机由继电保护来控制发出预定频率（可设定）的高频信号，通常都是在电力系统发生故障时，保护部分起动之后它才发出信号，但有时也采用长期发信、故障起动后停信或改变信号频率的工作方式。由发信机发出的载波信号通过高频载波通道传送到对端，被对端和本端的收信机所接收，两端的收信机既接收来自本侧的载波信号，又接收来自对侧的载波信号，两个信号经比较判断后，作用于继电保护的输出部分，使之跳闸或将它闭锁。

4）微波通道

由于电力系统载波通信和系统运行的发展，现有电力输电线路的载波频率已经不够分配。为了解决这个问题，在电力系统中还可采用微波通道。微波指超短波中的分米波、厘米波和毫米波，继电保护的微波通道所用的微波频段为300～30 000 MHz，我国继电保护用的微波通道所用微波频率一般为2 000 MHz。

微波通道示意如图4−1−8所示。它由定向天线，连接电缆和收、发信机组成。微波信号由一端的发信机发出，经连接电缆送到天线发射，再经过空间的传播，送到对端的天线，被接收后，由电缆送到收信机中。微波信号是直线传播的，由于地球是一个球体，微波的直线传送距离受到限制，微波信号的传送距离一般不超过40～60 km，若超过这个距离，就要增设微波中继站来转送。

微波通道与电力输电线路没有直接的联系，这样线路上任何故障都不会破坏微波通道的工作，所以不论是内部或外部短路故障时，微波通道都可以传送信号，而且不存在工频高压对人身和二次设备构成的不安全问题。微波通道的主要问题是投资大，只有在结合通信、保护、远动、自动化技术等进行综合利用时，经济上才是合理的。

图4−1−8　微波通道示意

1—定向天线；2—连接电缆；3—收、发信机；4—继电部分

利用微波通道构成的继电保护称为微波保护。

5）光纤通道

光纤通道已在继电保护中应用。光纤通道传送的信号频率为1014 Hz左右。由光纤通道构成的继电保护称为光纤继电保护。图4−1−9所示为光纤通道示意。它由光发送器、光纤和光接收器等部分组成。

（1）光发送器。

光发送器的作用是将电信号转换为光信号输出，一般由砷化镓或砷镓铝发光二极管或钕铝石榴石激光器构成。发光二极管的寿命可达数百万小时，它是一种简单而又可靠的电光转换元件。

（2）光接收器。

光接收器用来将接收的光信号转换为电信号输出，通常采用光敏二极管构成。

（3）光纤。

光纤用来传递光信号，它是一种很细的空心石英丝或玻璃丝，直径仅为100～200 μm。光纤通道的通信容量大，可以节约大量有色金属材料，敷设方便，抗腐蚀，不易受潮，不受外界电磁干扰，但用于长距离线路时，需采用中继器及附加设备。

图4−1−9　光纤通道示意