输电线路纵差保护动作的影响因素及补救措施

李金珏，穆科磊，曹艳艳，孟 波

(1.华北水利水电大学，河南 郑州450045;2.济南一建集团总公司，山东 济南250100)

随着生产生活对电能质量的要求越来越高，继电器成了电力系统必不可少的一个重要部件，在输电线路中电流差动保护具有良好的选择性，能灵敏、快速地切除保护区内的故障，实现安全供电.因而电流差动保护得到了广泛的应用.

1 纵联电流差动保护原理

电流差动保护原理建立在基尔霍夫电流定律的基础之上，具有良好的选择性，能灵敏、快速地切除保护区内的故障［1］. 被广泛应用于发电机保护、变压器保护、大型电动机保护中.输电线路纵联电流差动保护是该原理应用的一个特例. 纵联电流差动保护的原理如图1所示.

图1 纵联电流差动保护区内、外短路电路图

当线路AB 正常运行及被保护线路外部(k2)故障时，按规定的正方向来看，两侧电流大小相等，方向相反，也就是当保护线路内部故障(k1)时，两侧电流均为正，也就是为k1 点短路电流).可以利用保护元件两侧电流在区内和区外时，短路电流一个几乎为零、一个很大的特点构成电流差动保护.

在输电线路的两侧安装变比和特性都相同的电流互感器(TA)，电流互感器的连线如图1所示. 图中KD 是差动继电器. 流过KD 的电流是电流互感器的二次侧电流之差. 由于电流互感器总有励磁电流，且励磁特性不会完全相同，所以当线路正常运行及外部故障时，流过差动继电器的电流不为零，这个电流为不平衡电流.电流互感器二次侧的电流为

差动继电器正确动作时的电流Ir为应该躲过线路正常运行和AB 线路以外故障时的不平衡电流，即

不平衡电流的稳态值采用电流互感器的10%误差曲线来计算，

式中:Kst为电流互感器的同型系数，当型号、容量都相同时为0.5，不同时为1;Knp为非周期分量系数;Ik.max为外部短路时穿过2 个电流互感器的最大短路电流.

在保证外部短路不误动的前提下，为了提高继电器在内部故障时保护动作的灵敏度，通常采用短路电流Ik产生的不平衡电流来代替最大短路电流Ik.max产生的不平衡电流.可以通过式(5)—(7)来计算外部故障时穿过电流互感器的实际短路电流Ik产生的不平衡电流Ires，

式中θab为两端电流间的相角差.

差动继电器中的Ires起制动作用，所以为制动电流;差动电流Ir起动作作用，所以为动作电流;因此电流差动保护的动作方程为

式中Kres为制动系数. 根据差动保护的原理，对线路、变压器、发电机等不同被保护元件选取不同的值［2］.

2 输电线路纵差保护特性分析

输电线路纵联电流差动保护常有不带制动作用和带制动作用的两种动作特性.

不带制动作用的差动继电器的动作方程为

式中Iset为差动继电器的动作整定值，通常按照躲过外部短路时的最大不平衡电流和最大负荷电流来选取.

躲过外部短路时的最大不平衡电流为

式中:Krel为可靠系数，取值范围为1.2 ～1.3;Knp为非周期分量系数，当差动回路采用速饱和变流器时为1，差动回路采用串联电阻降低不平衡电流时为1.5 ～2.0.

躲过外部短路时的最大不平衡电流可写为

式中IL.max为线路正常运行时的最大负荷电流的二次值.

继电器的整定值Iset取上面2 种计算结果较大的一个，同时保护还应该满足线路在单电源运行和内部故障时应有足够的灵敏度，

式中Ik.min为单侧最小电源作用且被保护线路末端短路时流过继电器的最小短路电流.

当纵联电流差动保护满足不了灵敏度要求时，可以采用带制动特性的纵联电流差动保护. 带制动作用的差动继电器原理如图2所示.

图2 带制动作用的差动继电器原理图

带制动作用的差动继电器的动作方程为

带制动作用的差动继电器不仅提高了内部故障时的灵敏度，而且提高了外部故障时不会误动作的可靠性，因此得到了广泛的应用.

3 影响纵差保护正确动作的因素

3.1 电流互感器的误差和不平衡电流

3.1.1 出现不平衡电流的原因

线路正常运行及被保护线路外部故障时，两侧电流大小相等、方向相反，其和为零. 但是由于电流互感器励磁电流的存在，使得乘以匝数比后的二次电流不仅数值与一次电流不等，而且相位也产生了差异，产生了不平衡电流，使其和不再为零，保护可能误动切断线路.两侧电流互感器磁化特性的不一致，不等的励磁电流导致不平衡电流产生，在正常运行时，不平衡电流很小，在线路短路时，短路电流很大，这时电流互感器铁芯严重饱和，可能产生很大的不平衡电流.

3.1.2 减小不平衡电流的措施

为了提高差动保护在这种情况下的选择性，继电器的启动电流必须躲开这个最大不平衡电流. 最大不平衡电流越小，继电器的灵敏度越高，因此输电线路两端应采用型号相同、磁化特性一致、铁芯截面较大的高精度的电流互感器［4］.

3.2 输电线路的分布电容电流及补救措施

3.2.1 输电线路的分布电容电流

差动保护应用基尔霍夫定理，正常运行和外部短路时两端电流之和为零，但是高压长距离架空输电线路和电缆线路，线路的分布电容致使该电流不再为零，流过保护的将是线路中的电容电流，这就使保护的性能大大下降. 因此必须消除电容电流的影响.

3.2.2 分布电容电流的补偿

通常采用电压测量来补偿电容电流，按照π 型等效电路来分析，如图3所示.在正常运行和外部短路时两端电流之和不再为零，而电流仍然为零.

图3 输电线路π型等效电路图

每端各相的电容电流实时计算式为

式中下标1，2，0 分别为正、负、零序参数.

因为Xc1=Xc2，所以

A 侧补偿后向B 侧传送的电流为

B 侧补偿后向A 侧传送的电流为

3.3 负荷电流对纵差保护的影响及消除措施

3.3.1 负荷电流对纵差保护的影响

一般情况下纵联电流差动保护都能满足区内故障的灵敏度要求，但是线路重负荷区内故障是由大过渡电阻短路导致，此时电流的故障分量很小，线路两端流过保护的电流和正常运行时变化不大，因而降低了纵联电流差动保护的灵敏度.

线路重负荷区内故障是由大过渡电阻短路导致时，系统接线如图4所示.

图4 负荷电流对纵差电流保护的影响图

图4中按照规定的正方向，两侧流过保护的全电流为

动作量为

制动量为

可见，当线路重负荷区内故障时，大过渡电阻短路，由于Ir很小而IL很大，可能导致保护的拒动.

为了提高线路重负荷情况下纵差动保护耐受过渡电阻的能力，需减小制动系数K 的值，同时减小纵差动保护对区外故障的防卫能力.

3.3.2 负荷电流的消除措施

为了消除负荷电流对纵差动保护的影响，增强纵差动保护耐受过渡电阻的能力，提高纵差动保护的灵敏度，可以把电流的故障分量作为纵差动保护的判据，

式(21)是辅助判据，式(22)是主判据，两式同时满足时纵差动保护动作，当线路发生区内故障时，上面两式的制动量和动作量都与负荷电流无关，从而提高了纵差动保护的灵敏度. 线路正常运行时和全为零时，保护可靠不动作;当线路发生区外故障时和大小相等，相位相反，保护可靠不动作.

4 结 语

输电线路纵联差动保护主要受到电流互感器误差所引起的不平衡电流、输电线路分布电容电流、负荷电流等因素的影响，通过选择型号相同、磁化特性一致、截面较大、精度较高的电流互感器，采取输电线路的分布电容电流补偿、把电流的故障分量作为纵差动保护的判据等措施，可以在很大程度上消除其影响，提高继电保护的可靠性和灵敏度，保障电力系统安全、稳定运行.

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