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摘要：由于电网技术正朝着闭环甚至多电源供电拓扑结构发展，常规的过电流保护已无法充分保护电缆和架空线网络。为了解决这一问题，提出采用分相线路差动保护来保护配电网中的线路。详细介绍了纵差保护的构成、特点、保护原理，并以ABB公司的分相线路差动继电器RED615为例，分析了分相线路差动的保护功能及应用。
关键词：配电网；分相；线路差动保护；继电器
作者简介：张桂珠（1966-），女，上海人，上海市奉贤供电公司，工程师。（上海 201400）何琰（1978-），男，上海人，上海市南供电设计有限公司，助理工程师。（上海 200070）
中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）21-0104-02
现代城市配电网络由径向型拓扑结构逐渐向闭环多电源供电拓扑结构发展，这一发展的背后有诸多推动因素，其中一个重要因素就是提高网络可靠性和可用性的需要。从电网保护的角度看，持续的发展给当今的主要保护理念及继电保护带来了新的挑战。改变故障电流条件、电流量以及若干故障电流源的故障电流影响因素会引起难以通过传统过电流继电保护来解决的问题。如果不能很好地解决这一问题，就难以维持保护内部及保护之间的充分选择性，将导致电网故障的影响扩大，电网的发展也会受到危害。
从保护技术的角度看，有多种应对上述情况的方法，这些解决方案都融入了以下原理：方向过流保护、距离继电器保护、通过继电器间通信信道实现的线路差动保护。所有解决方案的目标都是实现单元保护，也就是都为电网规定部分提供绝对选择性保护，同时保持其稳定并不受保护区域外故障的影响。本文提出一种利用差动电流保护原理的单元线路纵联保护方案：分相线路差动保护。分相线路差动保护可提供基本的区域内单元保护、近后备以及远后备过电流保护，并可为测定接地故障敏感度的增强型线路提供专用接地保护。
一、线路纵联差动保护的构成与特点
输电线路的纵联保护是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向连接起来，将两端的电气量（电流、电流相位和故障方向等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障是在本线路范围内还是在本线路范围之外，从而决定是否切除被保护线路。因此理论上这种纵联保护具有绝对的选择性。纵联保护按构成原理可以分为纵联方向保护、纵联距离保护和纵联差动保护。
基于环流原理或平衡电压原理的导引线纵联差动保护方案使用已有几十年的历史，逐渐被一种现代通信数字分相多功能差动保护所代替。[1]分相线路差动保护具有如下特点：新安装设备中需要通信信道，主要是专用光纤；包括过电流后备保护；包括灵敏性接地保护；高级的保护信道监视是一项标准功能；快速的动作时间。
二、分相线路差动保护的原理
线路保护接线如图1所示，在不考虑线路电容电流和两侧TA的采样误差的情况下，根据基尔霍夫定律，线路正常运行或者区外故障时线路区内故障时。影响满足基尔霍夫定律的因素有以下几个方面：
（1）正常运行时的不平衡电流，包括线路电容电流。
（2）线路区外故障时，TA饱和引起两侧采样电流的不一致。
（3）TA断线（电流回路断线）。当发生M侧线路TA断线时，M侧差动元件启动，差动继电器动作，发差动动作允许信号给N侧，因N侧线路TA正常，N侧无差流，保护不启动，M侧接收不到对侧的差动动作允许信号，同时M侧保护装置检测到的电压不会发生变化，则证明M侧发生TA断线而非区内故障，此时保护不应该动作。
分相差动投入应满足以下条件：
（1）TA断线瞬间，本侧装置判断不出TA断线，本侧即使满足所有差动动作条件，由于需要收到对侧的差动允许标志分相差动才能动作，因此断线瞬间保护装置能可靠不动作。
（2）本侧装置判定TA断线后，能可靠闭锁差动保护。
根据上述条件可以得到差动允许的标志：
（1）l0qd＋dlqd：线路正常运行时能保证两侧差动保护可靠开放。
（2）TWJ：能保证线路合闸于故障时差动保护可靠开放。
（3）Up<65％Un：能保证线路三相故障时弱馈侧装置可靠启动，并发送允许差动信号，确保两侧保护可靠动作。
（4）PT断线时，Ir>4IL经30ms延时发送差动，允许标志是Up<65％Un的有效补充。
三、分相线路差动保护功能
分相线路差动保护可提供区域内单元保护、近后备以及远后备过电流保护，并可为测定接地故障敏感度的增强型线路提供专用接地保护。线路差动保护功能包括比率制动段和速动段。比率制动段可快速清除故障，同时能可靠躲过线路正常运行时的不平衡电流。二次谐波抑制防止了因投入变压器时产生励磁涌流，避免保护误动。速动段可非常快速切除严重故障时的最大差电流，不考虑其谐波。比率制动段的动作时间特性可以选择为定时限或反时限。直接内部跳闸功能确保了两端始终同时跳闸，不受故障电流的影响。[2]以ABB公司的分相差动保护继电器RED615为例，通过图2来展示线路差动保护继电器的保护功能。
由图3可以看出RED615对线路进行保护时，是通过本侧和对侧方向接地保护段之间的开关量信号传输（BST），接地保护的选择性得以确保。最低的方向接地保护不用于跳闸，而是设置为检测反向上的接地故障。检测到区域外接地故障后，闭锁信号被发送到对侧方向接地保护段，防止断路器跳闸。如果接地故障在保护区域内，则不会发出闭锁信号，且内部故障通过方向接地保护的跳闸段进行清除。为确保本侧和对侧断路器同时跳闸，BST也用于在保护区域内出现接地故障时将联锁跳闸信号发送到对侧。
现代线路差动保护继电器具有两段保护特性，如图3所示，其中低定值段（LS）为带有若干可调部分的制动段，高定值段（HS）为快速瞬动段。低定值段还具有定时限和反时限的动作时间特性。将这两段结合在一起能够让继电器更灵活，同时可以增加继电器对各种保护应用的适应性。
线路差动保护继电器的高定值段具有快速运行单元保护功能，用于防范带有低故障阻抗和高故障电流的重大内部（区域内）故障。制动低定值段对带有高故障阻抗和低故障电流的内部故障具有更高的灵敏度。在灵活特性曲线方面，可以考虑因电流电平增加和可能出现的电流互感器饱和问题而引起电流测量误差增加。特性曲线的第一个部分，即水平部分，涉及对内部故障的保护灵敏度要求。第二个部分，即第一段斜率，根据计算的制动电流自动增加所需的差动电流电平，从而提供附加的外部（区域外）故障安全防范。第三个部分，即第二段斜率，考虑了因电流互感器饱和而大大增加的电流测量误差，因此其斜率更高。近距离区外故障所产生的大穿越电流可能导致变压器两侧TA严重饱和，从而产生相当大的差流，在两侧TA饱和程度不同时此差流更为明显。虽然动作特性曲线的上扬，大多数情况已可以躲过这种情况，但严重区外故障时差动电流和制动电流构成的坐标点仍可能位于图3中的动作区，保护仍可能误动。当典型内部故障时，制动电流大于差动电流的可能性极小，因而不会进入非动作区。
若在外部故障时差动保护在由附加制动附加差动闭锁的情况下，变压器又发生内部故障，此种原理构成的差动保护仍能可靠动作，见图4。由于正确的电流测量值对于线路差动保护继电器的可靠运行非常重要，继电器同时具有CT断线监视功能。这种监视功能将检测电流互感器二次电路中是否存在断路、松路或短路引线，检测到这类故障时差动保护功能会被立即退出。因此，检测到电流互感器（CT）二次电路中存在故障还将禁用负序电流保护功能，激活相应的事件及报警。
四、分相线路差动保护在配电网中的应用
线路差动保护系统的保护范围是根据本侧或对侧变电站中电流互感器的位置定义的，可在需要绝对选择性的单元保护系统的多种应用场合使用，如闭合环网中的馈线、变电站扩建项目等。
1.用于保护闭合环网中的馈线
在正常运行条件下，馈线回路是闭合的。闭合环路目的是确保终端用户的电力可用性。由于闭合环路配置，系统中的任何故障点都将由两个方向流入故障电流。如果使用传统过电流保护，无论是有方向还是无方向，都很难获得快速而有选择性的短路保护。如果装有线路差动保护继电器，网络的故障部分就可以被选择性地隔离起来，因而保证了对网络的正常部分供电。以RED615为例，保护配置图见图5。
2.变电站项目扩建
在某些运行情况下，如维护一次设备或变电站扩建项目，需要将通常分离开来的网络部分互联起来。为了避免网络拓扑改变时网络保护装置的大量的重新配置，线路差动保护继电器可用于实现回路网络中绝对选择性的馈线保护，如图6所示。
五、结束语
由于配电网线路复杂、短线路较多，采用一般的电流、电压和距离保护往往保护范围很小，在整定值与动作时间上难以配合，无法保证保护的选择性。针对这一问题，本文提出采用分相线路差动来解决，并详细介绍了纵差保护的构成、特点、保护原理、功能及应用，指出带制动低定值段的两段线路差动保护具有定时限和反时限动作时间特性。无制动高定值段具有更高的灵活性，可以在配电网线路中广泛采用。
参考文献：
[1]刘建国,高波.LFCB-102型微波分相差动保护的应用[J].职业技术,2008,(12).
[2]葛耀中.电流差动保护动作判据的分析和研究[J].西安交通大学学报,1980,(2).
（责任编辑：王祝萍）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：配电网；分相；线路差动保护；继电器
作者简介：张桂珠（1966-），女，上海人，上海市奉贤供电公司，工程师。（上海 201400）何琰（1978-），男，上海人，上海市南供电设计有限公司，助理工程师。（上海 200070）
中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）21-0104-02
现代城市配电网络由径向型拓扑结构逐渐向闭环多电源供电拓扑结构发展，这一发展的背后有诸多推动因素，其中一个重要因素就是提高网络可靠性和可用性的需要。从电网保护的角度看，持续的发展给当今的主要保护理念及继电保护带来了新的挑战。改变故障电流条件、电流量以及若干故障电流源的故障电流影响因素会引起难以通过传统过电流继电保护来解决的问题。如果不能很好地解决这一问题，就难以维持保护内部及保护之间的充分选择性，将导致电网故障的影响扩大，电网的发展也会受到危害。
从保护技术的角度看，有多种应对上述情况的方法，这些解决方案都融入了以下原理：方向过流保护、距离继电器保护、通过继电器间通信信道实现的线路差动保护。所有解决方案的目标都是实现单元保护，也就是都为电网规定部分提供绝对选择性保护，同时保持其稳定并不受保护区域外故障的影响。本文提出一种利用差动电流保护原理的单元线路纵联保护方案：分相线路差动保护。分相线路差动保护可提供基本的区域内单元保护、近后备以及远后备过电流保护，并可为测定接地故障敏感度的增强型线路提供专用接地保护。
一、线路纵联差动保护的构成与特点
输电线路的纵联保护是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向连接起来，将两端的电气量（电流、电流相位和故障方向等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障是在本线路范围内还是在本线路范围之外，从而决定是否切除被保护线路。因此理论上这种纵联保护具有绝对的选择性。纵联保护按构成原理可以分为纵联方向保护、纵联距离保护和纵联差动保护。
基于环流原理或平衡电压原理的导引线纵联差动保护方案使用已有几十年的历史，逐渐被一种现代通信数字分相多功能差动保护所代替。[1]分相线路差动保护具有如下特点：新安装设备中需要通信信道，主要是专用光纤；包括过电流后备保护；包括灵敏性接地保护；高级的保护信道监视是一项标准功能；快速的动作时间。
二、分相线路差动保护的原理
线路保护接线如图1所示，在不考虑线路电容电流和两侧TA的采样误差的情况下，根据基尔霍夫定律，线路正常运行或者区外故障时线路区内故障时。影响满足基尔霍夫定律的因素有以下几个方面：
（1）正常运行时的不平衡电流，包括线路电容电流。
（2）线路区外故障时，TA饱和引起两侧采样电流的不一致。
（3）TA断线（电流回路断线）。当发生M侧线路TA断线时，M侧差动元件启动，差动继电器动作，发差动动作允许信号给N侧，因N侧线路TA正常，N侧无差流，保护不启动，M侧接收不到对侧的差动动作允许信号，同时M侧保护装置检测到的电压不会发生变化，则证明M侧发生TA断线而非区内故障，此时保护不应该动作。
分相差动投入应满足以下条件：
（1）TA断线瞬间，本侧装置判断不出TA断线，本侧即使满足所有差动动作条件，由于需要收到对侧的差动允许标志分相差动才能动作，因此断线瞬间保护装置能可靠不动作。
（2）本侧装置判定TA断线后，能可靠闭锁差动保护。
根据上述条件可以得到差动允许的标志：
（1）l0qd＋dlqd：线路正常运行时能保证两侧差动保护可靠开放。
（2）TWJ：能保证线路合闸于故障时差动保护可靠开放。
（3）Up<65％Un：能保证线路三相故障时弱馈侧装置可靠启动，并发送允许差动信号，确保两侧保护可靠动作。
（4）PT断线时，Ir>4IL经30ms延时发送差动，允许标志是Up<65％Un的有效补充。
三、分相线路差动保护功能
分相线路差动保护可提供区域内单元保护、近后备以及远后备过电流保护，并可为测定接地故障敏感度的增强型线路提供专用接地保护。线路差动保护功能包括比率制动段和速动段。比率制动段可快速清除故障，同时能可靠躲过线路正常运行时的不平衡电流。二次谐波抑制防止了因投入变压器时产生励磁涌流，避免保护误动。速动段可非常快速切除严重故障时的最大差电流，不考虑其谐波。比率制动段的动作时间特性可以选择为定时限或反时限。直接内部跳闸功能确保了两端始终同时跳闸，不受故障电流的影响。[2]以ABB公司的分相差动保护继电器RED615为例，通过图2来展示线路差动保护继电器的保护功能。
由图3可以看出RED615对线路进行保护时，是通过本侧和对侧方向接地保护段之间的开关量信号传输（BST），接地保护的选择性得以确保。最低的方向接地保护不用于跳闸，而是设置为检测反向上的接地故障。检测到区域外接地故障后，闭锁信号被发送到对侧方向接地保护段，防止断路器跳闸。如果接地故障在保护区域内，则不会发出闭锁信号，且内部故障通过方向接地保护的跳闸段进行清除。为确保本侧和对侧断路器同时跳闸，BST也用于在保护区域内出现接地故障时将联锁跳闸信号发送到对侧。
现代线路差动保护继电器具有两段保护特性，如图3所示，其中低定值段（LS）为带有若干可调部分的制动段，高定值段（HS）为快速瞬动段。低定值段还具有定时限和反时限的动作时间特性。将这两段结合在一起能够让继电器更灵活，同时可以增加继电器对各种保护应用的适应性。
线路差动保护继电器的高定值段具有快速运行单元保护功能，用于防范带有低故障阻抗和高故障电流的重大内部（区域内）故障。制动低定值段对带有高故障阻抗和低故障电流的内部故障具有更高的灵敏度。在灵活特性曲线方面，可以考虑因电流电平增加和可能出现的电流互感器饱和问题而引起电流测量误差增加。特性曲线的第一个部分，即水平部分，涉及对内部故障的保护灵敏度要求。第二个部分，即第一段斜率，根据计算的制动电流自动增加所需的差动电流电平，从而提供附加的外部（区域外）故障安全防范。第三个部分，即第二段斜率，考虑了因电流互感器饱和而大大增加的电流测量误差，因此其斜率更高。近距离区外故障所产生的大穿越电流可能导致变压器两侧TA严重饱和，从而产生相当大的差流，在两侧TA饱和程度不同时此差流更为明显。虽然动作特性曲线的上扬，大多数情况已可以躲过这种情况，但严重区外故障时差动电流和制动电流构成的坐标点仍可能位于图3中的动作区，保护仍可能误动。当典型内部故障时，制动电流大于差动电流的可能性极小，因而不会进入非动作区。
若在外部故障时差动保护在由附加制动附加差动闭锁的情况下，变压器又发生内部故障，此种原理构成的差动保护仍能可靠动作，见图4。由于正确的电流测量值对于线路差动保护继电器的可靠运行非常重要，继电器同时具有CT断线监视功能。这种监视功能将检测电流互感器二次电路中是否存在断路、松路或短路引线，检测到这类故障时差动保护功能会被立即退出。因此，检测到电流互感器（CT）二次电路中存在故障还将禁用负序电流保护功能，激活相应的事件及报警。
四、分相线路差动保护在配电网中的应用
线路差动保护系统的保护范围是根据本侧或对侧变电站中电流互感器的位置定义的，可在需要绝对选择性的单元保护系统的多种应用场合使用，如闭合环网中的馈线、变电站扩建项目等。
1.用于保护闭合环网中的馈线
在正常运行条件下，馈线回路是闭合的。闭合环路目的是确保终端用户的电力可用性。由于闭合环路配置，系统中的任何故障点都将由两个方向流入故障电流。如果使用传统过电流保护，无论是有方向还是无方向，都很难获得快速而有选择性的短路保护。如果装有线路差动保护继电器，网络的故障部分就可以被选择性地隔离起来，因而保证了对网络的正常部分供电。以RED615为例，保护配置图见图5。
2.变电站项目扩建
在某些运行情况下，如维护一次设备或变电站扩建项目，需要将通常分离开来的网络部分互联起来。为了避免网络拓扑改变时网络保护装置的大量的重新配置，线路差动保护继电器可用于实现回路网络中绝对选择性的馈线保护，如图6所示。
五、结束语
由于配电网线路复杂、短线路较多，采用一般的电流、电压和距离保护往往保护范围很小，在整定值与动作时间上难以配合，无法保证保护的选择性。针对这一问题，本文提出采用分相线路差动来解决，并详细介绍了纵差保护的构成、特点、保护原理、功能及应用，指出带制动低定值段的两段线路差动保护具有定时限和反时限动作时间特性。无制动高定值段具有更高的灵活性，可以在配电网线路中广泛采用。
参考文献：
[1]刘建国,高波.LFCB-102型微波分相差动保护的应用[J].职业技术,2008,(12).
[2]葛耀中.电流差动保护动作判据的分析和研究[J].西安交通大学学报,1980,(2).
（责任编辑：王祝萍）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文