中、低压母线微机的不完全电流差动保护分析

2011-09-04张澄宇杨国泉

综合智慧能源 2011年7期

张澄宇，杨国泉

(国电南京自动化股份有限公司，江苏南京 211100)

0 引言

发电厂和变电站的母线是电力系统中的重要设备，在母线上连接着发电机、变压器、线路、调相设备等重要元件，母线在变电站中处于中枢地位，一旦母线上发生故障，需要及时将故障元件从系统中切除。本文比较了完全差动保护和不完全差动保护2种保护方案，提出了中低压系统中母线保护的解决方案。

1 完全差动保护和不完全差动保护的比较

对于35 kV及以上电力系统而言，现在一般都装设完全电流差动保护。母线完全差动保护是将母线上所有连接元件的电流互感器按同名相、同极性连接到差动回路，电流互感器的特性与变比应相同，若变比不能相同时，可进行补偿，满足ΣI=0。差动继电器的动作电流按下述条件计算、整定，取其最大值。

(1)躲开外部短路时产生的不平衡电流;

(2)躲开母线连接元件中最大负荷支路的最大负荷电流，以防止电流二次回路断线时误动。

这种母线保护具备零秒切除故障的特点，但要求接入母线上所有的电流回路。在电力系统中，35 kV以下电压等级由于没有系统稳定问题，可以不装设专门的母线保护，但对于发电厂和主要变电所的3～10 kV母线而言，在下列情况下应装设专用母线保护:

(1)必须快速而有选择地切除1段或1组母线上的故障，才能保证发电厂及电力网安全运行和重要负荷的可靠供电;

(2)当线路断路器不允许切除线路电抗器前的短路时。

在电力系统中，35 kV及以下电压等级的母线上连接的元件一般比较多，在这种情况下，采用完全电流差动保护差电流回路较复杂，成本较高，可靠性不高，在这种情况下，可以考虑装设专用的不完全差动保护。母线不完全差动保护连接母线电源元件上的电流互感器(包括发电机、变压器、母联、分段、有源线路等)，从而可以简化差动保护的电流回路。这种回路设计会导致在无电源元件上发生故障，致使母线保护动作。电流互感器不接入差动回路的无电源元件是电抗器或变压器。考虑到故障时同步电动机的反电势作用，将装有同步电动机的回路电流也接入母线差动保护，将这些回路接入差动回路的另一个目的是降低保护电流整定值，以满足灵敏度的要求。装设限流电抗器的断路器，其电流互感器不接入母线差动保护回路。差动保护要求所有单元的电流互感器极性一致，对于母联(分段)单元，可统一约定以一母联上的1个普通单元来考虑，即母联(分段)单元参与差动电流计算时，对于一母联而言，该电流按正极性考虑，“+”入一母联差电流计算，对于二母联，该电流按负极性考虑，“－”入一母联差电流计算。

总之，中、低压母线不完全差动保护与完全差动保护的原理不同，这2种母线保护要求接入保护装置的电流回路不同，完全电流差动保护要求接入母线上连接的所有元件的电流回路，而不完全差动保护只需接入有电源支路的电流。

2 保护的配置和算法选择

保护装置接入母线，需接入(含母联或分段)的三相电流(也可以是两相电流)，通过各自的模拟通道、数据采集变换，形成相应的数字量后按各相别分别计算差电流。对于每相的差动判据，取各单元电流之和的绝对值作为差动电流

式中:Ij为第j单元的电流;N为参与差动计算的单元数;Iop为差动动作电流。

当任一相的差动判据同时满足判据时，差动保护动作于出口。差动保护判别到动作后，若差动电流不返回，则差动出口跳闸命令也不返回，出口跳闸命令需要至少保持40 ms，以确保母线所有连接单元断路器可靠出口跳闸。上述差动判据必须确保所有单元电流的总传变变比相同。当主电流互感器(TA)变比不一致时，在差流计算中，必须将各单元电流乘以各自相应的通道平衡系数，使所有单元电流的总传变变比(即“主TA变比与通道平衡系数之积”)相同。

保护装置可以配置三段差动过流，第1段采用无时限的电流速断，该段保护作为母线保护的主保护，考虑在母线区内故障和限流电抗器内部故障时零秒切除故障。为防止母线保护出口接点误粘连造成母线保护误出口，考虑在母线保护第1段的电流速断保护设置由低电压、负序电压、零序电压或门条件组成的复合电压闭锁元件。第2段采用定时限过电流保护，作为母线速断保护和限流电抗器过电流保护的后备保护。当灵敏系数不符合要求时，将一部分负荷较大的配电线路接入差动回路，可直接接入差动回路的出线回路。当出线上发生故障且开关拒动时，母差保护起不到后备作用。为了解决此问题，可在母线保护中增加1套公用附加定时限过流保护(以下简称附加过流)，该保护专门计算母线上接入差动回路的出线上的差动电流，动作于接入本段母线上差动回路的所有断路器。母线保护第2段的定时限过流保护、附加过流保护都可作为馈线过电流保护的后备保护，在馈线故障时，母线电压变化不一定显著，为保证母线保护动作的灵敏度，2种保护都不设置复合电压闭锁。

3 保护定值的整定计算

电流速断段的整定。此段保护的主要任务是保护母线，当限流电抗器内部发生短路时，也按母线故障处理，不要求有选择性。电流速段定值按满足下列条件整定:

(1)按躲开保护范围外部故障的最大不平衡电流来考虑整定

式中:Kk为可靠系数，取1.30;Klh为电流互感器变比误差，取0.1;Kfzq为非周期分量系数，取1.0 ～1.3;Id.max为母线差动保护外部短路时流过保护的最大短路电流。

(2)在限流电抗器后发生短路时:流过差动保护的差电流等于故障点的总故障电流。由于电抗器的阻抗较大，母线上的残余电压比较高，会导致其他健全单元存在一定的负荷电流。电流的动作值为

式中:Kk为可靠系数，取 1.25 ～1.30;Id.max为某一出线电抗器后短路时流过保护的最大短路电流;Kfh为考虑电动机因电压降低引起的电流增大系数，取1.2～1.3;Ifh为除故障出线以外所有未接入差动保护的出线总负荷电流。

保护动作不带延时。灵敏度按母线短路校验，最低不应小于1.5。

过电流段保护的整定。此段保护作为母线故障和限流电抗器故障的后备保护，按满足以下条件整定:

(1)按躲开未接入差动保护的出线总负荷电流整定，即

式中:Kk为可靠系数，取1.25～1.30;Ifh为本母线上未接入差动保护的出线总负荷电流;I'fh为其他母线转移至该母线的负荷电流;Kzqd为电动机负荷自启动系数，取 1.5～2.5，也可按实际自启动条件进行计算。

(2)若按该母线的出线电抗器后面短路来考虑，则按在切除短路后母线差动保护能可靠返回的条件来整定，即

式中:Kk为可靠系数，取1.20～1.30;Kf为返回系数，按实际继电器类型选取;Ifh为本母线上未接入差动保护的出线总负荷电流;I'fh为其他母线转移至本母线的负荷电流;Kfh为考虑电动机因电压降低引起的电流增大系数，取1.2～1.3;保护动作时间按大于未接入母线差动保护的各出线中过电流保护最长动作时间整定。

附加定时限过流保护。该段保护用于接入差动回路的负荷回路开关拒动的后备保护，按满足以下条件整定。

(1)按躲开接入差动保护的出线总负荷电流整定，即

式中:Kk为可靠系数，取1.25～1.30;Ifh为本母线上接入差动保护的出线总负荷电流;I'fh为其他母线转移至本母线的负荷电流;Kzqd为电动机负荷自启动系数，取1.5 ～2.5，也可按实际自启动条件进行计算。

(2)按该母线的出线电抗器后面短路，而在切除短路后母线差动保护能可靠返回的条件整定，即

式中:Kk为可靠系数，取1.20～1.30;Kf为返回系数，按实际继电器类型选取;Ifh为该母线上未接入差动保护的出线总负荷电流;I'fh为其他母线转移至该母线的负荷电流;Kfh为考虑电动机因电压降低引起的电流增大系数，取1.2～1.3;保护动作时间按大于未接入母线差动保护的各出线中过电流保护最长动作时间整定。