BP-2B微机型母线差动保护校验

2011-05-31邹三红张青立

电子与封装 2011年12期

邹三红，刘敦，张青立，方晓

（1. 广东电网公司广州供电局，广州 510180；2.苏州供电公司，苏州 215000；3. 广州地下铁道总公司，广州 510310）

1 前言

作为电力系统中的一个重要组成元件，母线是电能集中和供应的枢纽。在电力系统枢纽变电站的母线上发生故障时，故障处理不当或不及时将会引起事故的扩大，破坏电力系统安全稳定运行。母线保护装置能及时检测到母线故障，并快速有选择性地切除故障母线，将故障点从系统隔离，装置运行的可靠性关系到系统运行的稳定性，因此，对装置进行正确有效的校验工作具有重要的意义。BP-2B微机母线保护装置，适用于500kV及以下电压等级，包括单母线、单母分段、双母线、双母分段以及3/2接线在内的各种主接线方式，是国内应用较多的微机母线保护产品。它采用首创的复式比率差动原理，整组动作时间小于12ms，允许TA型号及变比不同，母线运行方式自适应，可靠性高，运行稳定。由于母线所连接的电气元件较多，对母线保护装置进行现场校验的方法相对比较复杂。本文从BP-2B微机母线保护装置的复式比率差动判据出发，通过推导分析，提出了一种新的复式比率差动校验在线运行时的校验方法，并通过现场验证，能有效提高现场工作效率。

2 微机母线保护常用原理

为满足速动性、选择性的要求，母线保护从实现原理来说，包含电流差动原理、电流相位比较原理以及母联电流相位比较等。随着计算机技术和通讯技术的快速发展，微机母线保护也得到快速发展。目前应用广泛的微机母线差动保护主要采用电流差动保护原理，主要原因在于由电流差动原理构成的母线保护，在不同的母线接线方式、发生故障的类型、故障点过渡电阻等方面都具有较强的适应性，区外故障时能可靠不动作，区内故障时能可靠动作。

根据基尔霍夫电流定律，把母线视为一个节点，如图1所示，系统正常运行或母线外部（如k2点）发生故障时，流入母线电流之和为0，即=0，当母线内部（如k1点）发生故障时，母线上所有连接支路的电流相量和应等于短路点的电流相量，即

。实际运行中，由于电流互感器存在误差，在系统正常运行或外部短路时都会存在不平衡电流，因此差动保护的启动电流必须多过最大不平衡电流。

图1 母线区内区外故障示意图

对于双母线或单母线分段接线形式的系统，分为大差和小差。大差是将Ⅰ、Ⅱ母线上所有连接支路（不包括母联和分段）电流相量相加，根据其是否为零，可判断Ⅰ、Ⅱ母线范围内（包括母联和分段）是否有故障发生。Ⅰ段小差是将Ⅰ母上所有连接支路电流相量相加，判断Ⅰ母上是否有故障发生。Ⅱ段小差是将Ⅱ母上所有连接支路电流相量相加，判断Ⅱ母上是否有故障发生。微机母线保护中，通过对刀闸辅助接点的判断来确定本单元的电流处于哪一差动回路及支路是否处在故障母线。在双母线中，母联是特殊单元，需要通过约定母联电流互感器的极性来实际计算小差。

双母线接线的母线保护一旦动作，切断支路多，影响范围大，为了提高母线保护动作的可靠性，防止由于差动保护或开关失灵保护出口回路被误碰或出口继电器损坏等导致母线保护误动作，双母线接线的母差保护一般应经复合电压闭锁。

双母线或单母线分段的母线差动保护逻辑框图如图2所示。

图2 双母或单母分段母线差动保护动作逻辑框图

当母线大差动作，某段母线小差动作，相应段母线的复合电压闭锁元件开放，且无电流互感器TA饱和判定的条件下跳相应段母线的各支路断路器。当母线大差动作，且母线任一小差元件动作，以及任一母线段的复合电压闭锁元件开放时，跳开母联断路器。

微机型母线差动保护将母线上所有单元的三相电流，通过电流互感器变成数值较小的模拟量，再通过微机保护模块中的数据采集单元及A/D变换单元形成相应的数字量，再按程序中实现的逻辑计算方法进行判断，实现分相式微机母线差动保护。各支路电流互感器变比如不一致，可在微机程序中通过TA调整系数进行调整，系统运行方式也可由装置进行自动识别。微机型母线保护装置在制动特性、电流互感器饱和检测等方面表现出优良性能。

3 南瑞BP-2B母线复式比率差动元件

能否有效地克服区外故障时由于电流互感器误差产生的差动回路不平衡电流，特别是区外故障时流过最大短路电流的TA发生饱和而产生的最大不平衡电流是差动保护性能的决定因素。普通比率制动特性的母线差动保护采用一次穿越电流作为制动电流，以克服差流回路不平衡电流的影响，防止在外部短路时差动保护误动作。但是在母线区外故障时，若电流互感器饱和，产生较大的不平衡电流，保护仍难免要失去选择性；在母线内部故障时，若有电流流出母线，保护的灵敏度会降低。

BP-2B母线复式比率差动元件在制动量的计算中引入了差电流，这是其与普通比率制动特性母差保护的明显不同之处。这一特性使其在母线区外故障时具有极强的制动特性，在母线区内故障时无制动，能更明确地区分区内故障和区外故障，且在区内故障时若有电流流出母线，保护的灵敏度较高。复式比率差动判据如下：

其中，Idset为差电流门槛定值，Kr为复式比率系数，Id为差电流，等于母线上所有连接元件的电流相量和的绝对值，计算公式为：

Ir为和电流，等于母线上所有连接元件的电流绝对值的和，计算公式为：

Ii为连接在母线上的第i个元件的电流，m为母线上连接的元件数目。由于BP-2B微机母线保护装置采用分相计算、分相判别的方法，以上各公式中都是分相判据。为叙述及分析方便，如无特别说明，以下各数据及判据采用的都是a相数据，分析过程和结果同样适用于b、c相。

对于单母线分段或双母线的情况，为保证母线保护的选择性，BP-2B母线复式比率差动包括母线大差和各段母线小差，母线大差用于判别母线区内和区外故障，母线小差用于故障母线的选择。BP-2B母线差动保护具有复合电压闭锁功能，只有在复式比率差动和复合电压同时满足的条件下，才能出口跳闸。

对于双母线接线形式的系统，根据系统运行方式的需要，经常需要将各连接支路在两条母线间切换，正确识别母线运行方式是母线保护装置正确、可靠运行的基础。BP-2B母线保护装置引入所有连接支路的隔离开关辅助触点的位置信号，并结合内部判据逻辑，来判别母线运行方式，自适应系统运行方式的变换。

4 南瑞BP-2B母差保护校验理论分析

对母差保护进行现场校验时，为了校验装置在系统发生故障时动作的正确性，需要对实际运行的线路进行试验。但由于实际条件限制，并出于对系统运行稳定性和安全性的考虑，将母线上所接的所有母线全部停电对装置进行校验是不合实际的。为此，可以考虑选取接入母差装置的运行间隔中的几组或备用间隔进行试验，即每次选取一组间隔（设为间隔G）作为试验间隔，保持母线上其他连接元件电流接入回路不变，对装置的动作正确性进行检验。

设用仪器加入的L间隔a相电流为，在实际过程中，根据公式（3）、（4）知，随着L间隔电流的改变，差电流Id与和电流Ir都在实时变化，要使装置动作，加入的电流须满足公式（1）、（2），计算比较麻烦，影响现场工作效率。如下对应加入电流需满足的条件在理论上做进一步推导。

设短接G间隔接入保护装置的CT回路且未用试验仪加入电流前，大差差电流相量、和电流分别为

、Ir大，G间隔所在母线小差差电流相量、和电流分别为IrI、，G间隔电流互感器（简称CT）TA调整系数为KCTG，由公式（3）、（4），有：

试验仪加入的电流为时，大差差电流相量和电流分别为、I’r大，G间隔所在母线小差差电流相量、和电流分别为、I’rI，由公式（3）、（4）及以上分析，有：

要使差动动作，需大差和G间隔所在母线小差同时满足式（1）、（2），结合（5）、（6）对于大差判据有：

对于G间隔所在母线小差判据，应有：

其中，Kr大、KrI分别为大差、小差的制动系数。

综合（9）～（10），有

（11）式即为要使差动动作所加入电流需满足的条件，且该条件适用于选取备用间隔或运行间隔或装置单独调试的情况。式中，Idset、Kr大、KrI可由定值单得到，KCTG及其他各支路的TA调整系数可分别由对应间隔的CT变比除以母线上所接间隔中最大的CT变比得到。Ir大由试验仪加电流前母线上接入的所有间隔（母联、间隔G除外）的电流读数的标量和得到，如（12）式所示。IrI由试验仪加电流前I母母线上接入的所有间隔（包括母联，间隔G除外）的电流读数的标量和得到，如（13）式所示。由这些已知的数据，结合式（11），可以计算出使I母母差动作时的的大小。

Ir大为接在I、II母上各间隔（不包括母联和间隔G）的a相电流标量和，KCTj为间隔j的TA调整系数。

IrI为接在G间隔所在母线上各间隔（包括母联，不包括间隔G）的a相电流标量和。

5 应用注意事项

（一）当对变电站运行中母差保护装置进行校验时：

（1）如果选取备用间隔，保持其他运行间隔接入装置的电流回路不变的情况下，则（11）式中、都为0，该式变为：

（2）如果选取运行中间隔G进行校验，将所选取的间隔接入装置的实际电流回路短接，取代用仪器加入电流，设所选取间隔实际电流（11）式中的该式变为：

除上式外，还需满足所加电流与相角相同的条件。可见，母差动作所需要的输入电流值随着选取间隔及系统实际运行方式、潮流状态的不同而不同。

实际进行校验过程中，为了满足复压闭锁的条件，一般将保护屏上二次电压空开拉掉。此时支路电流失去参考相量，因此从装置中可以看到，各支路电流相角一直处于变化的状态，且变化很大。这种情况下需注意：直接用加电流的方式，虽然所加电流值满足（15）式，但差动也可能不动，是因为相角无法满足要求，而差流是各支路电流的相量和的绝对值。这种情况下，需用仪器模拟装置二次电压的方法来保证相角要求。

以上一、二种情况下，实际使差动动作所需的电流可能不严格满足式（14）、（15），而是有因为系统实际运行过程中，支路电流变化可能引起和电流变化。

（二）当对装置进行单独调试时，直接运用（11）式计算即可。

（三）现场校验步骤如下所述：

（1）试验前准备工作，根据系统实际运行情况做好安全措施；

（2）根据现场接线及图纸，找出各间隔相应的电流回路；

（3）查看参数，确定各间隔的母差保护所用的CT变比，计算出各间隔的TA调整系数KCTj；根据定值单，确定差流门槛定值Idset、小差制动系数KrI，结合母联运行方式，确定大差制动系数Kr大。

（4）记录各间隔接入BP-2B装置的电流大小及相角，任意选取一条母线上的间隔（如I母上的间隔G）或备用间隔，计算不包括间隔G时的大差、I母小差的和电流Ir大、IrI。由式子（7）～（8）计算间隔G应加入的电流的大小，相角与间隔G正常运行时一致。

（5）将试验仪输出电流输出到所选间隔对应的电流端子排，试验仪输出电流使大差、小差差电流均应为零，验证接线正确性。

（6）步骤四中计算出的为基础，逐步增大所加电流，直到保护动作，记录数值，验证制动系数及装置运行的正确性。