差動保護及比率差動保護

1、差動保護主要是內(nèi)部短路的保護，但當外部故障時有不平衡電流可能穿越差動保護電流互感器，造成差動保護誤動作。因此為了躲過外部故障時不平衡電流引起差動保護動作，采用了制動電流來平衡穿越電流引起差動保護的啟動電流。7 m' _! n) ' p5 s5 n發(fā)電機采用機端電流作為制動電流，能在外部短路時取得足夠的制動電流，又能在內(nèi)部短路時減少中性點電流的制動作用。變壓器采用二次諧波作為勵磁涌流閉鎖判據(jù)。7 . M  5 F- t# g' ! U& z+ Q) _6 p    一般設(shè)有CT斷線閉鎖保護。如下圖：3 2 5 _2 I+ S

2、0 z圖中Ie為額定電流，7 |% z. U2 M* M3 M3 KIcdqd為啟動電流，( ( o1 * H0 M4 lIr為制動電流，1 l$ V" j* j" BKb1為比率制動系數(shù)。( j0 A% K0 O6 7 |. N. e# a陰影部分為動作區(qū)      差動保護靈敏度與啟動電流、制動系數(shù)和原理之間的關(guān)系摘要：分析了差動保護的有關(guān)整定原則，明確提出了差動保護的靈敏度與許多因素有關(guān)，如定值、原理和實現(xiàn)方式等。不能僅改變某一個因素(如定值)來提高靈敏度，而需要綜合考慮各個因素的影響，否則適得其反。. _! a7 p; f2

3、) s4 ?0 o$ H0  引言- Y$ P! % 3 P/ I! T2 b+ S4 o    隨著繼電保護技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，技術(shù)人員對保護的認識越來越深刻，對許多繼電保護約定俗成的做法開始了反思。如規(guī)程上對差動保護規(guī)定：使用比率制動原理的差動保護，不要校核靈敏度，其靈敏度自然滿足。那么這個“自然滿足”的靈敏度是什么靈敏度呢?其實對發(fā)電機差動保護而言，就是在發(fā)電機機端發(fā)生兩相短路，該差動繼電器的靈敏度校驗結(jié)果肯定能夠滿足要求；在現(xiàn)場運行過程中，經(jīng)常有人將保護中的比率制動系數(shù)和比率制動斜率混淆，究竟這兩個概念有什么區(qū)別，又有什么聯(lián)系?標積制動原理對提

4、高差動保護的靈敏度有什么有利的地方，它和比率制動之間又有什么關(guān)系，它們之間從根本上是否一致呢?本文就這些用戶所關(guān)心的問題展開深入的分析和討論，并闡明作者自己的觀點1,2 。 $ D- Q  n7 b3 c1  差動保護靈敏度系數(shù)的定義與校驗 6 y% K( X* $ S" e9       設(shè)流入發(fā)電機的電流為正方向，取繼電電器差動電流Id為：, Z; G- L" H% ' a1 U% G           

5、0;            5 K, i! m) y( |7 j5 V6 e式中：Iop為當時動作電流的整定值。+ c! 0 O2 ?$ Y5 u" v" D# H    發(fā)電機差動保護的靈敏度是指在發(fā)電機機端兩相金屬性短路情況下差動電流和動作電流的比值。此情況下，在(Iz,Id)平面上兩相金屬性短路的故障點應(yīng)該在斜率為2的內(nèi)部故障特性線的上方，而一般動作邊界的制動系數(shù)不會超過1，所以按照規(guī)程中整定出來的動作邊界肯定能夠滿足靈敏度系數(shù) Klm2的要求。而實際上，真正靈敏度的校

6、驗應(yīng)該是在發(fā)電機中性點側(cè)發(fā)生輕微相間故障的時候，差動電流和此時動作電流的比值，故長期以來用機端兩相短路的情況來校驗差動保護的靈敏度，是否合理，有待進一步討論。從物理概念上看，故障點與動作邊界離得越遠，該保護原理的靈敏度越高。校驗發(fā)電機差動保護靈敏度應(yīng)該是在發(fā)電機發(fā)生各種內(nèi)部故障的情況下差動保護的反應(yīng)能力，所以要解決的根本問題是發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生短路故障時精確的理論分析，國內(nèi)已經(jīng)有許多高校正在開展這方面的研究。同時，靈敏度還與多種因素有關(guān)，如定值、原理和實現(xiàn)方法等。 ; l( h: p6 h, W0 s9 d' W9 2  具有制動特性的差動保護原理 - M9 Q3 t*

7、 F& f4 8 O21  制動特性曲線原理0 m& K2 Q0 k  F1 t    制動特性曲線可以分為過原點和不過原點2種不同的原理，其中過原點的通用特性為：0 e  ?1 1 ( J" u                           3 k0 h' X7 / r5 K式中：Iq為啟動電流；

8、Ig為拐點是電流；Kz為制動系數(shù)。; G+ e9 n1 r& X    同時，由于Id和Iz的取法各有不同，差動保護的特性亦是有差別的，將目前常用的取值方法歸納如表1所示。                                              

9、;   . X) 2 d! + v8 V0 F5 B6 & S# _" Y( I/ |0 ?2     不同的原理可以得到不同特性，根據(jù)元件保護的要求可選擇適合它們的不同的保護原理。對差動保護而盲，即使采用相同的原理，但如果整定值不同，性能也有很大差別，以下針對這些問題展開分析。/ A! G1 e+    D3 g/ |) T22  制動系數(shù)和斜率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系4 ' * q+ o) h2 ?5 N# R    制動系數(shù)和曲線斜率是兩個不同的物理概念，在傳統(tǒng)保護中經(jīng)常用到的制動系

10、數(shù)Kz的概念定義為：/ u& m; C; G1 e  7 t                                                   3 e; j! V+ F# : 式中：Iz'為動作電流整定值。

11、: r) Z( ' L0 n1 k    最大制動系數(shù)等于最大動作電流整定值和對應(yīng)的制動電流之比。因為制動曲線一般不過原點，所以制動系數(shù)和制動曲線的斜率Ks一般不相等，不要把兩者混為一談。" 6 J- R0 g2 T) Q    圖1給出了制動系數(shù)和制動曲線斜率之間關(guān)系的幾何說明。7 Y, e6 e* h, w                          

12、0;            ( m8 s4 L' m% y# Z( K5 K                                     - _- Y2 Y' N1 7 G) O    當區(qū)外發(fā)生最嚴重故障的時候，Kz取得最大值，將

13、Iz=Iz,max代人式(6)就可以得到制動系數(shù)的最大值Kz,max。3 x& A! 9 ; N/ ?* T$ W! c    從上面可以看出，比率制動系數(shù)實際上是一個變數(shù)，它隨制動電流的大小而變化，廠家給出的制動系數(shù)通常是指制動特性曲線上制動段的斜率而不是整定計算中的制動系數(shù)，實用制動特性曲線上的制動系數(shù)隨制動電流的變化而改變。$ f9 _  U7 V; t5 y    表2說明了最大比率制動系數(shù)和比率制動斜率之間的關(guān)系。假定Iq08 A；Ig=5 A；Iz,max= 30 A。, j7 I* b% o  

14、;z, O6 w                        ) x  i" W4 ' l$ q& g5 1     從表中可看出，Kz,max和Ks的關(guān)系是一條不過原點的直線關(guān)系，實際工程中Ks一般大于Kz,max。 6 i- o" k9 - h' d' u23  制動曲線斜率與靈敏度的關(guān)系2 n$ W5 P0 2 |+

15、x  s( g% R7 Q0     過原點的比率制動特性和不過原點的比率制動特性如圖2所示。9 I9 N: G% m' a1 T7 : x                               . " E6 K( _* _, b0 P    過原點的動作邊界認為不管電流互感器(TA)二次電流大于或小于額定電流，對

16、應(yīng)的誤差都相同，不平衡電流隨制動電流的變化基本上是線性的，所以對應(yīng)的制動曲線是一條過原點的直線。不過原點的制動曲線考慮到TA在它的額定電流以下誤差很小，所以對應(yīng)的不平衡電流就很小，可以認為是一個很小的常量；而在TA電流大于二次額定電流時，誤差很大，對應(yīng)的不平衡電流是非線性變化的，這樣考慮更加符合實際情況。在動作區(qū)域平面圖上我們可以看出兩者的區(qū)別。過原點的比率制動特性動作區(qū)是在ADCE以上。而不過原點的比率制動動作區(qū)為ABCE以上。從幾何上可明顯看出，雖然過原點的制動曲線的斜率比不過原點的制動曲線的斜率小，但是過原點的比率制動原理卻沒有不過原點的比率制動原理靈敏。因此，差動保護的靈敏度不僅與斜率

17、有關(guān)，還與啟動電流和拐點電流的大小的選取有密切的關(guān)系，不能一味地靠降低斜率來提高差動保護的靈敏度。   q+ g- T/ 4 1 p% Y4 p! d+ b9 l3  標積制動原理與比率制動原理之間的對應(yīng)關(guān)系 1 T6 _1 b- Y$ S* a# k  ?31  標積制動原理和比率制動原理' 8 z* 1 Y. U7 ' n3 |$ 2 I    為提高差動保護的靈敏度，提出了標積制動式微機差動保護原理，該原理的最大優(yōu)點就是在不降，低差動保護可靠性的前提下，大大地提高了差動保護

18、的靈敏度。目前采用的標積制動原理，一般將動作電流和制動電流變換到和比率制動原理相同的尺度下來判斷，所以工程上現(xiàn)在用得最多的也是開平方式的標積制動原理，如表l所示。比率制動原理和標積制動原理的區(qū)別在于制動電流和動作電流的取法不同，但它們在數(shù)學(xué)上是可以相互推導(dǎo)的。下面根據(jù)該公式來探討一下標積制動原理與比率制動原理之間的關(guān)系。6 Y6 a; h  + W$ % G- w+     設(shè)Id,Iz為比率制動原理的動作量和制動量， Idb，Izb為標積制動原理的動作量和制動量，有          

19、;                                         4 v1 H1 m8 E# L) d0 n0 u5 l 3 F" k! w; q7 A( E) B- * Z    從上面可以看出，標積制動量和動作量可以從比率制動的動作量和制動量獲得。從本質(zhì)上看，差動保護原理可由兩

20、個部分組成，一部分是動作電流和制動電流的獲取方法如表1所示；另一部分是動作邊界的確定。相同的差動電流和制動電流的取法，但動作邊界不同，特性是不同的；同樣的動作邊界，若差動電流和動作電流的取法不同，特性也是不同的。圖 3為標積制動原理與比率制動原理之間的對應(yīng)關(guān)系。4 R1 h# , j* L3 X. T                             2 k; C' j& V

21、2 # 5 h    我們根據(jù)以上的取值方法來討論標積制動原理與比率制動原理之間動作邊界的映射關(guān)系。首先討論比率制動原理中的IdKIz直線對應(yīng)到標積制動原理中的直線的映射關(guān)系。   / r9 D" ) g/ I" H                        1 3 N# _! h: a9 R5 d" v0 ; - S    區(qū)內(nèi)故障時，機端電

22、流和中性點電流的夾角范圍一般在一90°，90°區(qū)間，理想情況下夾角為0°，比率制動原理反應(yīng)出的量Iz0，為Id軸，斜率為正無窮大，差動保護可靠動作；如此時發(fā)電機沒有接人系統(tǒng)，即ITo，則反應(yīng)到比率制動平面上是斜率為 2的故障特性曲線，保護也能夠可靠動作，此時，標積制動原理計算出來的動作量和制動量在動作平面上是Id，軸。即使考慮到區(qū)內(nèi)故障時相位差為90°，那么對應(yīng)于比率制動原理來說，故障點為圖4中K=2的直線OM，對應(yīng)于標積制動原理，相應(yīng)的動作量不變，制動量變?yōu)?，故障點水平映射為Id軸。由此可見，標積制動原理將比率制動原理中的直線在內(nèi)部故障的時候向逆時針

23、旋轉(zhuǎn)了，即離開動作邊界更遠，所以保護在區(qū)內(nèi)故障的時候?qū)⒏`敏。4 a* 2 q& " I/ v    區(qū)外故障時，理想情況下，比率制動原理對應(yīng)于Iz正軸，標積制動原理也是對應(yīng)于Iz正軸，可見它不影響區(qū)外故障的可靠性。5 f3 Q. N# o) v) F. m, $ S% b    一般情況下，發(fā)電機在內(nèi)部故障時，比率制動原理動作點落在動作區(qū)內(nèi)，而外部故障時保護落在制' J# t! A) E- J  I2 t0 z9            &

24、#160;                       7 X  z1 B: Z* Z6 w9 |動區(qū)內(nèi)，也就是落在TA的誤差曲線以下。但也有這種情況出現(xiàn)，即在內(nèi)部故障時，發(fā)電機還具有穿越性電流，動作點落在過渡動作區(qū)內(nèi)，此時，標積制動原理能夠?qū)幼鼽c往逆時針旋轉(zhuǎn)，離開動作邊界較比率制動更遠，所以具有更高的靈敏度：在區(qū)外故障時，由于TA變比誤差，TA飽和暫態(tài)過程中有衰減的直流分量等原因，動作點可能向保護過渡動作區(qū)域移動

25、，使保護在區(qū)外故障時誤動。標積制動原理將比率制動原理中I dKIz直線逆時針旋轉(zhuǎn)了一個角度，所以如要取得和比率制動相同的特性，相應(yīng)的動作邊界也要抬高一點。 " Q( a6 o' P; h- C& ! + 32  比率制動斜率與標積制動斜率之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系9 H6 h5 g! G2 X; q2 ( P. U                    , j7 r2 y7 F" 變化。下面推導(dǎo)比率制動系數(shù)和

26、標積制動系數(shù)之間的關(guān)系，它只適用于動作邊界過原點的情況。在此情況下比率制動和標積制動原理可以相互推導(dǎo)等效。3 7 ! m6 n" E3 r    如果動作邊界是一條不過原點的直線，要用標積制動原理來實現(xiàn)和比率制動原理相同的特性，那么相應(yīng)地在標積制動空間中，動作邊界就不能再為一條直線。圖5反映了這種區(qū)別。" o8 b* $ W5 x9 e% _; c                        &

27、#160;                 $ Q: # . M+ N' T. 7 P    圖5右面的直線反映的是比率制動原理中的一個動作邊界，要實現(xiàn)同樣的特性，那么標積制動的動作邊界就是一條曲線。因為一般工程上制動系數(shù)很小，這時映射的曲線近似為一條直線，所以工程上用上述方法來近似是可以接受的。標積制動原理提高了區(qū)內(nèi)短路的靈敏度，如果把整定值對應(yīng)起來，同樣對區(qū)外故障的可靠性也不會有影響。 . O/ r- I9 e1 K4  制動特性曲線

28、原理(各種抗飽和措施)4 e! T: k; _  e  H! % o    采用一條制動直線來實現(xiàn)差動保護，雖然相對說來整定比較容易，由于二次側(cè)的誤差電流從本質(zhì)上看是非線性的，即隨著外部短路電流的增加而增加，所以實際上制動曲線也應(yīng)該取成非線性曲線，但是實現(xiàn)起來比較困難，因此工程上通常采用分段折線的制動曲線來完成保護原理。這樣可以提高差動保護的可靠性和靈敏性，如圖6所示。6 k, D$ T3 & h# j  c$ F# D          

29、;                             ) U% ) T9 s; S    隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，短路容量增大，同時相應(yīng)的短路時間常數(shù)也增大，使得在外部短路過程中 TA容易飽和，導(dǎo)致差動保護誤動，所以國內(nèi)外采用了不同的手段來檢測TA飽和。1 ' v8 P1 D5 Z3 m! v    西門子公司的差動保護采用的抗飽和措施是增加了一個附加制動區(qū)

30、，采用飽和檢測器檢測TA飽和，作為一個附加的制動措施。飽和檢測器是動態(tài)運行的，它在故障發(fā)生后的半個周期內(nèi)做出決定。在外部故障時TA飽和使制動電流初始值很大，移動到附加制動區(qū)域，而在區(qū)內(nèi)故障時運行點沿著故障特性曲線移動。當檢測到外部故障時，差動保護在一個選定的時間內(nèi)閉鎖(8個周期)，只要運行點沿著故障特性曲線移動(2個周期)，這種閉鎖就可解除。用這種方法可以避免外部故障TA飽和的情況下差動保護誤動。 0 r% V* 5 H$ g5  Y變壓器差動保護TA全Y接入的啟動電流和拐點電流的合理性  % P. 0 z) % D% U$     以有名值整定時，應(yīng)以軟件電流的歸算側(cè)作為整定依據(jù)：若歸算側(cè)為主變壓器的Y側(cè)TA，則在算出的定值基礎(chǔ)上應(yīng)乘以3(1/2) 。原因是：從軟件方面看，為了校