几种型号的分相电流差动保护的异同

几种常见型号的分相电流差动保护的比较

本文将对目前工区范围内常见的几种分相电流差动的保护原理，装置结构、日常运行操作等方面做一个简要的介绍和比较，从而找出其共性和不同之处，为日常运行工作提供参考。

1. 分相电流差动的基本原理

1) 基本原理

保护通过通讯通道把一端的带有时标的电流信息数据传送到另一端，各侧保护利用本地和对侧电流数据按相将同一时刻的电流值进行差动电流计算，比较两端的电流的大小与相位，以此判断出是正常运行、区内故障还是区外故障。

以母线指向线路为正方向，根据基尔霍夫电流定律，在不考虑电容电流和CT 采样误差的情况下：正常运行或区外故障时一侧电流由母线流向线路，为正值，另一侧电流由线路流向母线，为负值，两电流大小相同，方向相反，所以0M N I I +=

，差流元件不动作。区内故障时两侧实际短路电流都是由母线流向线路，和参考方向一致，都是正值，差动电流会很大，满足差动方程，差流元件动作。

2) 与相差高频在原理上的区别

相差高频保护是比较被保护线路两侧电流相位的高频保护。当两侧故障电流相位相同时保护被闭锁，两侧电流相位相反时保护动作跳闸。

两者区别在于相差高频不比较电流值只比较相位，分相电流差动同时比较两侧的电流幅值和相位。

3) 保护的通道

分相电流差动保护需要将线路两端的电流信息进行比较，应此要有专门的通道来传输这些电流信息，目前保护通道主要有载波通道与光纤通道。由于光纤通道具有可靠性好，传输信息量大的优点，因此分相电流差动保护均使用光纤通道。

光纤通道分为两种：一种为复用通道，另一种为专用通道。

专用光纤通道：专用纤芯方式相对比较简单，运行的可靠性也比较高 ，220kV 及以下线路光纤保护多采用专用纤芯方式

复用光纤通道：两地之间通过通信网通信。由于通信网是复用的，所以需要用通信设备进行信号的复接。多用于500kV 长距离输电线路。

2. 分相电流差动保护的优势

与高频距离、相差高频等纵联保护相比分相电流差动主要有以下优点： A. 分相电流的差动保护中只要引入电流量就能实现故障判别，而无需引入电压量。因

而在原理上得到了很大的简化。

B. 分相电流差动保护中只对电流值进行测量计算，不对故障距离阻抗进行计算，因此

提高了耐过渡电阻的能力。

C. 分相电流差动保护中只要对两端电流差值和相位进行测量计算就能明确选出故障

相，故障选相变得非常容易，而这在其它保护方法中是难点。

D. 分相电流差动保护不受系统振荡影响。在系统振荡时两端电流方向与正常时相同，

相位的摆动完全一致，即使在系统振荡时发生故障，保护装置也能根据两端电流相位变化正确动作。

3.220kV、500kV线路保护配置原则

根据《华东电网继电保护应用技术原则》规定，对于具有光纤通道的输电线路，优先配置光纤纵联差动保护。同杆并架线路应尽量采用分相电流差动保护作为线路主保护。

目前工区内220kV、500kV的线路保护陆续升级改造为双重化配置的分相电流差动保护。常见型号有南自的PSL-603，南瑞的PCS-931、四方的CSC-103和ABB的REL-561等。典型的双重化配置方式为：PCS-931+ PSL-603、PCS-931+ CSC-103、PCS-931+REL-561。

4.常见型号的保护软件原理介绍

以上保护虽然都是基于基尔霍夫电流定律，但是在具体的实现手段、装置结构上还是有很大区别的。

首先将各保护的基本信息列表如下：

1)各保护的基本配置

保护型号保护配置

PCS-931G 分相电流差动（包含了变化量差动，稳态差动Ⅰ段、Ⅱ段），零序电流差动，工频变化量距离快速Ⅰ段，三段式相间、接地距离，零序方向过流

PSL-603U 分相电流差动，零序电流差动，快速距离，三段相间、接地距离保护，零序方向过流保护，零序反时限

CSC-103A 纵联电流差动，三段式相间和接地距离，四段式零序及零序反时限

REL-561 分相电流差动，三段式距离，零序方向过流

2)各保护的基本参数

保护型号保护动作时间整定范围

PCS-931G 工频变化量：近端3～10ms末端

<20ms

差动保护全线路跳闸时间：<25ms

距离Ⅰ段：≈20ms

距离Ⅱ段、Ⅲ段：0～10s

后备段零序跳闸延迟时间：0～10s 电流变化量启动元件0.1～0.5 I n 零序过流启动元件0.1～0.5 I n

距离保护0.01～25Ω/0.05～125Ω

PSL-603U 快速距离：近端3～10ms

纵联保护全线速动不大于25ms

距离Ⅰ段：<20ms

距离方向元件：最小动作时间10ms

零序方向元件：最小动作时间10ms 电流突变量启动元件：0.05A～2.5A 零序电流辅助气动元件：0.05A～2.5A 最小阻抗值为0.01Ω

CSC-103A 差动元件：2倍整定时<20ms

距离元件Ⅰ段：近处故障<15ms

零序电流Ⅰ段：差动元件0.1～2I n

距离元件0.01～40Ω/0.05～200Ω零序过流元件0.1～20 I n

3)各保护的实现原理

A.装置启动方式的差别

国外分相电流差动和国内分相电流差动保护在保护启动方式上存在根本不同。国外保护只要满足线路两侧差流高于门槛启动电流和制动电流即可选项动作，而国内保护均设置了装置总启动元件，在装置总启动元件动作后才开放出口正电源或负电源（PSL-603U开放出口负电源）。

启动元件动作之后才开放出口继电器正电源，主要起到了在系统正常运行时闭锁保护，而在系统发生异常时，使微机保护进入故障处理程序的作用，从而提高了装置工作的可靠性。

REL-561保护同样考虑到了保护动作安全性的问题，为了保证安全性，跳闸回路采用4取2或4取3逻辑，即连续进行4次测量，如果其中有2或3次满足跳闸条件方可跳闸。以

江都变为例，REL-561的定值中Evaluate 整定项，整定为3 of 4，即为4取3逻辑。

国内保护的动作方式如图1：

图1

国外保护的动作方式如图2：

跳闸

图2

下表列出了国内几种型号保护的起动元件 保护型号 启动元件

PCS-931G 反应相间工频变化量的过流继电器、零序过流继电器、远跳启动、位置不对应启动

PSL-603U 电流突变量启动、零序电流启动、静稳破坏启动、弱馈启动、TWJ 辅助启动元件

CSC-103A

电流突变量启动、零序电流启动、静稳破坏启动、弱馈低电压启动元件

各型号保护的启动元件各有特点，如PCS-931G 的反应相间工频变化量的启动元件采用浮动门坎，正常运行及系统振荡时变化量的不平衡输出均自动构成自适应式的门坎，浮动门坎始终略高于不平衡输出，在正常运行时由于不平衡分量很小，而装置有很高的灵敏度。当系统振荡时，自动降低灵敏度，不需要设置专门的振荡闭锁回路。因此，装置有很高的安全性，起动元件有很高的灵敏度而又不会频繁起动，测量元件则不会误测量。

三种保护为了防止弱电源侧在故障时可能不启动的情况设置了弱馈启动和远跳启动元件，当弱电源侧收到对侧保护允许信号则判别电压量，若小于设定值时，本侧保护启动。

B. 差动保护判据的比较

下表列出了几种型号保护的差动保护判据 保护型号 差动保护判据

PCS-931G 电流差动保护、变化量差动保护、零序差动保护 PSL-603U 电流差动保护、变化量差动保护、零序差动保护 CSC-103A 电流差动保护、变化量差动保护、零序差动保护 REL-561

电流差动保护

下面对这几种判据进行一下详细介绍：

i. 以全电流构成的电流差动保护判据常用的有2种，

2

M N d M N c I I I I I I ⎧

=+⎪⎪

⎨

+⎪⎪=⎩ 公式1

M N d M N

c I I I I I I ⎧

=+⎪⎪

⎨⎪=-⎪⎩

公式2 式中M I

、N I

为线路两端电流矢量，正方向为母线指向线路。

公式1为REL-561差动保护的判据，公式2是国产差动保护的判据。两者的差别就在于保护的制动量c I 的构成方式。对于公式1而言，其制动量是线路两侧电流向量模值的和；而国内判据的制动量则是由线路两侧电流向量差的模值所构成。公式2的优点在于内部故障时它有着足够的灵敏度，而外部故障时，又有着较强的制动性。但是，国产保护判据耐受电容电流的能力不如REL-561保护的强。而REL-561保护的判据的缺点在于内部故障和外部故障时具有相同的制动量，因此适应性不如国内的判据。

d

I c

I min op

I 1

K 2

K cross

图3

图3为电流差动保护动作特性， 1K 、2K 为比率制动系数，min op I 为最小动作电流 线路正常运行和区外故障时d I 均为0，保护不动作。当发生区内故障，d I 大于最小动作电流min op I 和制动电流c K I 时，保护动作。

目前各种保护的差动保护均使用双斜率动特性，其目的就在于保证小电流时有较高的灵敏度，和在区外故障时因CT 饱和产生传变误差时采用较高斜率的制动特性得到较高的可靠性。各厂家的不同处除了制动量表达式的不同，还有比率制动系数和cross （交叉点）的不同。

两者的共同缺陷，就是都无法摆脱负荷电流的影响。因此在全电流差动的基础之上，PCS-931G 、PSL-603U 以及CSC-103A 均增加了变化量差动保护作为补充。

ii. 变化量差动保护

图4

min M N

d M N c d op d

c

I I I I I I I I I K I ⎧∆=∆+∆⎪⎪⎪∆=∆-∆⎨⎪∆>⎪⎪∆>∆⎩

公式3 公式3中K 为比率制动系数，d I ∆为故障分量电流差动量，c I ∆为故障分量电流制动量 变化量差动保护最大的特点就是不受负荷电流的影响；理论上讲，只要故障点过渡电阻不是无穷大，线路内部故障时两侧故障分量的相位关系就不会发生改变；被保护线路发生外部故障时，线路两侧的故障分量电流为穿越电流，保护不会误动。由于故障分量无法直接获得，实际应用时采用故障后的电流减去故障前的电流所得的变化量来代替故障分量。故障分量只能在故障后1-2个周波内准确提取，超出这个时间变化量差动保护就无法正确动作。所以，故障分量判据和全电流判据之间不是相互替代的关系，故障分量判据是对全电流判据的补充。

国内保护所采用的方法相同，仅仅在系数的选择上有所区别。 iii. 零序差动保护

00

00min M N d M N c d op d

c

I I I I I I I I I K I ⎧∆=+⎪⎪⎪∆=-⎨⎪∆>⎪⎪∆>∆⎩

公式4 对于高过渡电阻接地故障，国内厂家均采用公式4的判据，为了躲过不同期合闸的不平衡电流，保护会有一个延时，如PSL-603U 、CSC-103A 均延时100ms ，PCS-931G 延时40ms 。因此零序差动保护只能作为全电流差动的后备。

下表是几种保护判据的优缺点比较 保护判据 优点 缺点

电流差动保护 无延时

受负荷电流影响大

变化量差动保护 不受负荷电流的影响 采样时间较短，只有1-2个周波 零序差动保护

能反映高阻抗接地故障

有100ms 的延时

C. 保护对CT 饱和的处理

i. PSL-603U 在CT 饱和时，为了不降低区内故障时的保护灵敏度，又能躲过区外故障CT 饱时的不利影响，保护装置利用输电线路故障时刻电流流向以及CT 饱和时波形畸变的特点，能够可靠检测出区外故障CT 饱和，从而使电流差动继电器可以根据上述判断结果进行相对应的处理。

ii. PCS-931G 当发生区外故障时，CT 可能会暂态饱和，装置中由于采用异步法思想的抗CT 饱和判据和自适应浮动制动门槛，从而保证了在较严重的暂态饱和情况下不会误动。

iii. CSC-103A 采用模糊识别法对CT 饱和进行检测，当判别处CT 饱和后，自动抬高差动保护制动系数 iv. REL-561

保护对CT 饱和采取的对应办法是装设一个专用的CT 饱和检测器，用本侧的电流进行判别。通过三个连续的电流采样值检测出，一旦检测到CT 饱和，保护自动抬高制动斜率，将保护动作特性切换到3K （如图5所示），从而提高了动作门槛，避免保护误动。这样做的后果是牺牲了保护动作的灵敏度。

d

I c

I min op

I 1

K 2

K cross

3

K

图5

D. 电容电流补偿方式

超高压长线路由于采用了分裂导线，线路感抗的减少使得分布电容增大。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。为了提高经过度电阻故障时保护的灵敏度，均要进行电容电流补偿。补偿方式一般分为全补偿和半补偿。全补偿就是将由等效电路计算所得的电容电流完全补偿在一侧的电流中。半补偿则是对线路两端的电流值进行补偿。

CSC-103A 、PSL-603U 均使用了稳态半补偿法（包括RCS-931A 、D ）。稳态补偿的缺点很明显，即无法补偿暂态电容电流，暂态电容电流必须通过差动定值躲过，因此使得保护灵敏度降低。

由于C I U j C ω= ，因此公式2即变为M CM N CN d M CM N CN c

I I I I I I I I I I ⎧⎛⎫⎛⎫

=-+-

⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎪

⎨⎛⎫⎛⎫

⎪=--- ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎩

公式5

而PCS-931G 、REL-561则采用了暂态电容电流补偿法，每一个电容电流则是由c du

i C

dt

=公式6得出，这是一个和时间t 有关的变化的值。因此按照公式6计算的电容电流对于正常运行、空载合闸、区外故障切除等情况下的电容电流稳态分量和暂态分量都能给予较好的补偿，提高了差动保护的灵敏度。

E. CT 断线时保护的动作逻辑

发生CT 断线时几种保护均采取了相同的措施，即：未断线侧的起动元件不动作，不会向本侧发差动保护动作信号，从而保证差动不会误动。但是判断方法上还是有所区别，如下所列：

i. PSL-603U 对侧不启动且本侧相差流大于0.1额定电流；本侧相电流减小幅值大于0.1额定电流且

相电流幅值小于0.05倍的额定电流；上述两个条件都满足时置CT 断线。

ii. PCS-931G 自产零序电流小于0.75倍的外接零序电流或外接零序电流小于0.75倍的自产零序电流，

延时200mS 发CT 断线异常信号.

iii. REL-561 将一个CT 的三相电流和与另一个CT 的零序电流参考量相比较。当其差值大于设定值时，

该功能发出一个输出信号。

iv. CSA-103A

断线侧的自产03I 值连续12s 大于4O I 定值而断线相电流小于0.06N I 或者计算出正常两侧的差电流连续12S 大于0.25N I 而断线相电流小于0.06N I 。

F.

两侧保护“主从”关系 i. 国产保护

国产保护在电流采样同步方式上均采用了“主-从”方式。即一侧为主机（同步端），另一侧为从机（参考端）。

从机发一帧同步请求命令，其中包括采样标号，主机在收到从机发来的命令后返回一帧数据，其中包括主机的采样标号及该采样相对应的时间等信息，从机收到主机的相应数据报文后，计算出通信传输延时和两侧采样时间差t ∆，从机根据这个采样时刻的偏差，确定调整次数，经过保护对采样时间的数次微调，直到0t ∆=，两侧装置的采样完全同步。

ii. REL-561

两侧保护均为“主”端，都对两侧电流量信息进行同步比较。

5. 常见型号的保护硬件装置介绍

这部分主要将各型号保护的不同之处罗列出来，使大家有一个相对清晰的认识。 1) 国外和国内保护装置的区别

以REL-561和PCS-931G 保护为例。装置内部主要区别在于，REL-561使用了试验开关，PCS-931G 使用了中间继电器箱（注意与断路器操作继电器箱的区别）和跳闸压板。

REL-561保护一共有3个试验开关，两个24孔试验开关，一个18孔闭锁开关，保护动作后通过24孔试验开关的启动A 、B 、C 相出口继电器，由18孔闭锁开关中的相应接点跳开两个开关。当保护装置24孔试验开关插入插把后，会将整个装置的电流回路短接，电压回路断开，同时闭锁保护的A 、B 、C 相总出口。

根据REL-561的跳闸逻辑，跳闸出口继电器动作后，如开关在合闸位置，开关常开接点

闭后，保护将自保持，直到开关跳开。当REL561保护停下来做试验时，如果开关在合闸位置，保护动作后自保持，当保护试验结束后，拔出U15单元试验开关内试验插把，保护出口，就会使运行中的开关误动。所以正确的处理方式应将保护屏直流电源断开，再拔出插把，防止开关误跳。需要注意的是在日常工作中长插把和短插把的使用。正常跳闸出口和功能回路采用短插把，而电压、电流回路采用长插把，如果使用错误会有无法断开回路的可能。

断路器操作箱柜

图6为REL-561跳闸回路

下表列出了24孔试验开关和18孔闭锁开关的主要内容：

插孔种类插孔内容

24孔试验开关启动A、B、C相出口继电器

直流电源

A、B、C、N交流电流

18孔闭锁开关启动中、边开关A、B、C相第一组跳圈

启动中、边开关重合闸

闭锁中、边开关重合闸

启动中、边开关失灵

PCS-931G保护动作后，启动保护中间继电器箱（注意与操作继电器箱的区别）的跳闸继电器，再通过跳闸压板去跳线路开关。

+

图7为PCS-931G跳闸回路

下表列出了PCS-931G保护的主要功能和出口压板

功能压板A、B通道差动保护

距离保护压板

零序保护压板

出口压板启动中、边开关A、B、C相第一组跳圈

启动中、边开关重合闸

闭锁中、边开关重合闸

启动中、边开关失灵

A.两种保护操作异同

i.保护改无通道跳闸

REL-561：将保护的定值区切至相应的定值区。

PCS-931G：将相应的差动保护压板退出。

ii.保护由运行改信号

REL-561：将跳闸闭锁插把或插孔插入插把相应保护的跳闸出口闭锁试验开关内。

PCS-931G：将所有的出口压板退出（包括跳闸出口、启动重合闸、启动失灵、闭锁重合闸压板）。

通过以上对比可以看出，两种保护由于在回路设计上的不同导致了操作方式上的区别，但是本质是一样的。但是需要注意的是，REL-561保护在操作试验开关时，是用小插把，由于没有明显的双重名称，所以需要特别注意，不能将小插把插错。

其他如，分差保护启动开关保护的失灵重合闸、闭锁重合闸；远方跳闸通道复用分差保护通道等回路设计在这两种保护上也是具有相类似的原理。这里不做详细说明。

B.保护动作逻辑上的细节

REL-561保护在判定线路故障后会发出一个展宽150mS的固定跳闸脉冲命令，一般国产开关保护如仪征变的RCS-921重合闸计时均是从跳闸脉冲消失开始计时。因而REL-561保护同国产开关保护配合时，会比国产线路保护于国产开关保护配合情况下的重合闸动作时间上有一个150mS的延时。

2)国产“非六统一”和“六统一”保护的区别

最新的PCS-931G和PSL-603U保护均按照“六统一”标准设计，在端子排布置、功能配置、回路设计、屏柜压板、保护定值、接口标准等六方面做了统一规范，相比于之前的“非六统一”的PSL-603G和RCS-931A有了很多不同。

A.压板的设置

“六统一”标准下，保护压板进行了统一规定，将出口压板和功能压板严格的区分开来，做到了分区分块排列，并将一些不常操作的压板取消，改为软压板。由以下两表，可以看出两者的区别。

PCS-931G 六统一

功能压板（名称LP*）投主保护压板

停用重合闸压板

投检修压板

出口压板（名称CLP*）A、B、C相跳闸出口

A、B、C相启动失灵

重合闸出口

第一、二组三跳启动失灵

RCS-931A 非六统一

功能压板（名称LP*）投主保护压板

投距离压板

投零序压板

至重合闸压板

投检修压板

出口压板（名称LP*）A、B、C相跳闸出口

A、B、C相启动失灵

沟通三跳

第一、二组三跳启动失灵

B.220kV线路保护重合闸的配置

采用“六统一”标准后，220kV 线路保护中每套保护的重合闸均投入，并且两套重合闸时间一致，两套重合闸之间的配合可以通过检有电流或跳位返回而不再重合，确保不会二次重合闸。每套保护设置有“重合闸”出口压板和“停用重合闸”压板。当需要停用其中一套重合闸时，只要将对应保护上的“重合闸”出口压板退出即可。特别需要注意的是，停用其中一套重合闸时，其中的“停用重合闸”压板不可投入，一旦投入，所有故障本保护均三跳闭重。另一套保护发单跳命令时则直接三跳，重合闸不动作。

而“非六统一”的220kV 线路保护只用其中一套线路保护的重合闸功能，未使用重合闸功能的线路保护上设有“沟通三跳”压板、方式切换开关。另一套保护设有“重合闸出口”压板、方式切换开关。因此在停用和启用重合闸时，要注意顺序和步骤。以仪征变征古4H10线综合重合闸停用为例，步骤为：

1．将征古4H10线931保护屏上沟通三跳压板1LP21投入

2．将征古4H10线931保护屏上综合重合闸切换开关1QK 切至停用位置 3．将征古4H10线603保护屏上综合重合闸切换开关1QK 切至停用位置 4．将征古4H10线603保护屏上重合闸出口压板1LP6退出 步骤不正确有可能导致线路故障后非全相运行。

同时“六统一”标准下重合闸方式不再由方式切换开关切换，而是直接通过装置的软压板改变重合闸方式。

C. 220kV 线路开关失灵保护的配置 “非六统一”的220kV 开关失灵保护是相互独立的开关保护装置，共用母线保护的出口。

}

失灵重跳ABC 相跳圈1

失灵重跳ABC 相跳圈2

失灵启动（至母差）

}

图8开关失灵保护联系图

而“六统一”标准下线路保护直接提供失灵保护的跳闸接点，启动微机型母线保护装置中的断路器失灵保护并采用母线保护中的失灵电流判别功能。

PCS-931G

}

至第一套母差

图9 PCS-931G 启动母差失灵回路

由对比可以看出，不采用专用的开关保护，省去一个环节，简化了回路，带来几点好处：

1．判别断路器是否断开的元件放在最后一级，提高了安全性。

2．便于集中整定，从而简化了整定。

3．只接入三个分相跳闸信号，三相不一致保护不起动失灵。

因此在操作上断路器保护不设失灵保护退压板，需要投（退）线路保护的失灵启动回路时，通过投（退）线路保护屏上各自的启动失灵压板实现。

6.结语

以上通过对分相电流差动基本原理的介绍，并结合目前工区内运行的几个主要的分相电流差动保护，对这些保护的软件原理，硬件装置特点、日常运行操作等方面作了详细的对比、介绍。希望通过对比与总结可以使大家对这些在投的保护有个相对清晰的了解，以便于日常的运行维护管理。