光纤纵差保护在防止矿井供电短路时越级跳闸的研究

总第１４１期　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２７９８．２０１　１．０６．００９　光纤纵差保护在防止矿井供电短路时　越级跳闸的研究　

何立新　（潞安环能股份公司常村煤矿，山西长治０４６１０２）　

摘　要：提出了一种适用于中低压短线路的电流综合量差动保护原理的光纤纵差保护，重点分析了电流综　合量常规线路保护与普通常规线路保护在各种短路情况下的灵敏度，研究了纵差保护原理和纵差保护系　统主要功能。阐明采用光纤纵差保护不仅可以提高灵敏度，而且可以减少光纤纵差保护两侧需要交换的　数据量，可实现用两侧电流综合量取代传统的分相电流差动，解决煤矿因短路事故而发生越级跳闸。　关键词：光纤纵差保护；防止；短路；越级跳闸　中图分类号：ＴＤ６１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５．２７９８（２０１１）０６—００２５．０３　

Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｐｒｅｖｅｎｔ　Ｓｈｏｒｔ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　Ｍｉｎｅ　Ｓｕｐｐｌｙ　ｏｆ　Ｇｒａｄｅ　Ｔｒｉｐ　

ＨＥ　Ｌｉ－ｘｉｎ　（Ｃｈａｎｇｃｕｎ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｚｈｉ　０４６１０２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｓｈｏｒｔ　ｗａｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｅｉ—　ｐｌｅ．ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｌｉｎｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｄｉｆｆｅｒ・　ｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｃｌａｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｂｏｔｈ　ｓｉｄｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｂｏｔｈ　ｓｉｄｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｏｌ－　ｉｄａｔｅｄ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｏ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ，ａｄｄｒｅｓｓ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｏｃｃｕｒｒｅｄ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｇｒａｄｅ　ｔｒｉｐ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ；ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ｇｒａｄｅ　ｔｒｉｐ　

１纵差保护的基本原理　纵差保护又叫纵联差动保护，就是利用某种通　信手段将输电线路各端的保护装置纵向连接起来，　将输电线各端的电气量传送到对端进行比较，以判　断是本输电线路内部故障还是外部故障，从而决定　是否动作切除本线路。纵差保护主要比较的电气量　为电流。　电流纵联差动保护就是将被保护线路各端电流　的大小和相位送至对端并进行比较，从而判定本线　路范围内是否发生短路故障的保护方法，原理接线　图如图１所示。　在线路两端装设相同型号和变比的电流互感　

器，他们的二次绕组用电缆（称二次辅助线）连接起　来，按环流式接线，差动继电器（电流测控单元）接　在差流回路内。　

（ａ）　（ｂ）　图１纵差保护原理接线　设电流互感器的变比为ｎ。，在正常运行时线路　始末端电流相等，即，Ｉ＝，Ⅱ，流入继电器（或电流测　

收稿日期：２０１０．１０．１９　作者简介：何立新（１９７３一），男，甘肃灵台人，工程师，从事机电技术工作。　

２５　２０１１年６月　何立新：光纤纵差保护在防止矿井供电短路时越级跳闸的研究　弟２０卷弟６　控单元）的电流　为两个互感器二次电流的相量差，　即：　＝１／ｎ　（Ｉｆ—Ｉｘ）＝０　当在保护区外短路时，如图１（ａ）的ｄ。点，流经　线路两端的短路电流是一样的，因此继电器中的电　流　＝０。在这种情况下，继电器都不动作。　当在保护区内短路时，如图１（ｂ）的ｄ　点，流经　线路两端的短路电流大小和相位都不一样，因此继　电器中的电流为：　，ｊｄ＝１／ｎｉ（，Ｉ＋，Ⅱ）＝１／ｎｉ　ｌａ　式中：　为流过电流继电器的故障电流；　为　故障点的短路电流。　如果整定继电器的动作电流　＜　，则继电器　便动作，可瞬时的将故障线路在两侧同时切除。　由于这种保护无须与相邻线路的保护在动作参　数上进行配合，因而可以实现全线速动。　２光纤纵差保护与普通电流保护的灵敏度　分析　２．１三相短路故障　故障时以Ａ相作为参考，则有Ｌ＝吐＝　；　式中：　＝ｅ　，　＝ｅｔ７．４０。。　对于普通的电流继电器：，＝　＝１ｏ＝ｏｄｂ＝　，ｃ。　对于电流综合量继电器则有：，∑Ⅳ＝，。＋６１２（　为正　序电流、，２为负序电流）。　ｌ　＝０Ｉ　＋　ｈ＋　ｌ　ｃ、）／３　根据对称分量法：Ｉ，２＝（，。＋　＋　，ｃ）／３　Ｌｔｏ＝（Ｉｑ＋ｌ　＋Ｉｅ）／３　可以得到：ｌｌ：Ｌ，　＝ｔｏ；Ｉｚ　＝　十６，２。　因此，在三相故障时，使用电流综合量的继电器　和普通常规线路保护具有同等的灵敏度。　２．２　ＢＣ两相短路故障　由于故障电流往往远大于负荷电流，故可以忽　略故障时的负荷电流，以Ａ相作为参考。则有Ｉｂ＝　一，ｃ，，ｄ：０。对于普通的常规线路保护：，＝　＝厶：　一　，，ｎ＝０。对于普通的电流继电器：Ｉ：　＝厶＝　一，ｃ，对于电流综合量继电器则有：，　＝一，２＝１／３ａ　（１一　）厶，ＩｚＪｖ＝ｌｌ＋６Ｉ２＝２．８８７　ｅｉｌ２０￣［ｎ。　因此，使用综合电流继电器灵敏度要高约１．８８７　倍。　２．３　ＣＡ两相短路故障　忽略故障时的负荷电流，以Ａ相作为参考。则　有：，ｃ＝一，４，Ｉｂ＝０。对于普通的常规线路保护：，＝　＝，ｃ＝一Ｌ。对于光纤纵差保护：，。＝（１＋　），２，　，∑Ⅳ＝，１＋６１２＝３．８７５　ｅ　。　。　因此，使用光纤纵差保护灵敏度可提高约２．７８５　２６　倍。　２．４对于ＡＢ两相短路故障　忽略故障时的负荷电流，以Ａ相作为参考。则　有：Ｌ＝一厶，　＝０。对于普通的常规线路保护：Ｉ＝　＝Ｉａ＝一，６。对于电流综合量继电器：，　：１／（１＋　），２，，∑Ⅳ＝，ｌ＋６／２＝，ｌ（７＋６ａ）＝３．８７５　ｉ２，２。，ｎ。　因此，使用光纤纵差保护灵敏度可提高约２．７８５倍。　对于中低压小电流接地系统的短线路保护，常　规线路保护可能采用Ａ、ｃ两相星形接线方式，因此　对于在ＡＢ和ＢＣ相间短路时，普通的电流保护只能　有一个常规线路保护动作。而对于光纤纵差保护却　无影响，由于小电流接地系统中电流互感器一般仅　装在Ａ、Ｃ两相，小电流接地系统中的正、负序量的　算法，可以简述如下：　在仅有正序情况下，　＋　ｅ　＝０，由图２可以　得出：　，２＝（　＋　ｅ啪。）／１．７３２　

‘　Ｉｅ　

（ａ）正序　（ｂ）负序　图２小电流接地系统正负序分量算法的向量　总体来说，对于两相短路故障，使用光纤纵差保　护比普通常规线路保护灵敏度提高较多。　２．５对于单相接地短路故障　对于中性点不接地系统或小电流接地系统，单　相接地故障电流因不构成回路，不会产生短路电流，　仅为电容电流，差动保护不动作，考虑到煤矿的供电　系统一般为小电流接地系统，需要配置小电流接地　选线装置来判别单相接地选线故障。但是对于大电　流接地系统的单相接地故障，采用上述同样的分析　方法，可以得出对于Ａ相接地故障、　相接地故障和　Ｃ相接地故障时，光纤纵差保护的灵敏度分别提高　到２．３３３倍、１．８５６倍和Ｉ．８５６倍。　综上所述，在单相接地短路（仅对大电流接地系　统，小电流接地系统需要依靠小电流接地选线装置）　和两相短路故障中，使用电流综合量可以大大提高　常规线路保护的灵敏度。对于三相故障，灵敏度没　有提高。在电力系统中，绝大部分的线路故障都是　单相（仅对大电流接地系统）和两相故障，约占所有　故障的９０％以上。因此，使用电流综合量可以较大　地提高常规线路保护的灵敏度。　

３光纤纵差保护系统　光纤纵差保护系统首先需要在各采区变电所高　何立新：光纤纵差保护在防止矿井供电短路时越级跳闸的研究　第２０卷第６期　开柜内安装智能终端实现模拟量（包括电流量，电压　量）、开人量的数字化，通过点对点光纤上送至安装　于变电所内的数据服务器，同时能接收数据服务器　下发的出口命令，实现开关的跳闸、合闸；数据服务　器将各智能终端上送的数据合并后通过高速光纤以　太网上送位于地面高压开闭所控制室的保护主机；　保护主机根据上送的数据进行保护逻辑运算，并通　过数据服务器向智能终端下发控制命令，实现保护　跳闸（原理见图３）。　光纤差动保护系统，是基于数字化变电站系统　的点对点光纤通讯网络，实现在保护主机内全站数　据共享。由于差动保护的动作区是由ＣＴ位置确定，　与保护定值无关。　当采区变电所某一高压馈电开关出线发生短路　故障时，该馈电开关所在母线配置的母线差动保护　和本母线进线（地面高压开闭所馈出的出线）线路　光纤差动保护均无差动电流，因此母线差动保护和　线路光纤差动保护能可靠不误动，由该采区发生短　路故障的馈出线高爆开关速断保护动作切除故障，　确保不出现“越级跳闸”。　图３光纤差动保护系统原理　４光纤纵差保护系统主要功能　１）　光纤纵差保护。根据故障差流进行无时限　跳闸，实现线路全线速动，能有效区分故障范围，断　开故障点，避免采用常规保护的越级跳闸现象。　２）　差流越限报警保护。当线路出现差流越限　时，能及时告警，有效的发现故障隐患点，防止故障　发生。　３）　定时限过流保护。根据设定的过电流值、　过电流时限，故障时跳闸。　４）过载保护。对变压器、电机或其它负载在　其出现过载时，施行反时限保护。反时限曲线可根　据实际的负荷特性决定。　５）　漏电保护。检测电缆对地漏电。根据　３　、３，０和零序功率方向等判别接地状况。根据定　值实现接地告警或接地跳闸。　６）　低电压保护。根据低电压定值及低电压时　限判别，在系统低电压时给出告警或直接跳闸。　７）失压延时。当电网短时间失压时，本装置　能正常工作至少３　ｓ时间，有效地解决了以往因电网　失电保护即不能正常工作的缺点。　８）　失压保护。根据失压定值及失压时限判　别，在系统失压时给出告警或直接跳闸。　９）　过压保护。根据过电压定值及过电压判别　时限，在系统过电压时给出告警或直接跳闸。　１０）　绝　回路监视保护。对双屏蔽电缆的回　路电阻、绝缘电阻进行监视，在被监测电阻值超过设　定的范围时给出告警信号或直接跳闸。