中、低壓母線微機的不完全電流差動保護分析

張澄宇，楊國泉

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

發電廠和變電站的母線是電力系統中的重要設備，在母線上連接著發電機、變壓器、線路、調相設備等重要元件，母線在變電站中處于中樞地位，一旦母線上發生故障，需要及時將故障元件從系統中切除。本文比較了完全差動保護和不完全差動保護2種保護方案，提出了中低壓系統中母線保護的解決方案。

1 完全差動保護和不完全差動保護的比較

對于35 kV及以上電力系統而言，現在一般都裝設完全電流差動保護。母線完全差動保護是將母線上所有連接元件的電流互感器按同名相、同極性連接到差動回路，電流互感器的特性與變比應相同，若變比不能相同時，可進行補償，滿足ΣI=0。差動繼電器的動作電流按下述條件計算、整定，取其最大值。

(1)躲開外部短路時產生的不平衡電流;

(2)躲開母線連接元件中最大負荷支路的最大負荷電流，以防止電流二次回路斷線時誤動。

這種母線保護具備零秒切除故障的特點，但要求接入母線上所有的電流回路。在電力系統中，35 kV以下電壓等級由于沒有系統穩定問題，可以不裝設專門的母線保護，但對于發電廠和主要變電所的3～10 kV母線而言，在下列情況下應裝設專用母線保護:

(1)必須快速而有選擇地切除1段或1組母線上的故障，才能保證發電廠及電力網安全運行和重要負荷的可靠供電;

(2)當線路斷路器不允許切除線路電抗器前的短路時。

在電力系統中，35 kV及以下電壓等級的母線上連接的元件一般比較多，在這種情況下，采用完全電流差動保護差電流回路較復雜，成本較高，可靠性不高，在這種情況下，可以考慮裝設專用的不完全差動保護。母線不完全差動保護連接母線電源元件上的電流互感器(包括發電機、變壓器、母聯、分段、有源線路等)，從而可以簡化差動保護的電流回路。這種回路設計會導致在無電源元件上發生故障，致使母線保護動作。電流互感器不接入差動回路的無電源元件是電抗器或變壓器。考慮到故障時同步電動機的反電勢作用，將裝有同步電動機的回路電流也接入母線差動保護，將這些回路接入差動回路的另一個目的是降低保護電流整定值，以滿足靈敏度的要求。裝設限流電抗器的斷路器，其電流互感器不接入母線差動保護回路。差動保護要求所有單元的電流互感器極性一致，對于母聯(分段)單元，可統一約定以一母聯上的1個普通單元來考慮，即母聯(分段)單元參與差動電流計算時，對于一母聯而言，該電流按正極性考慮，“+”入一母聯差電流計算，對于二母聯，該電流按負極性考慮，“－”入一母聯差電流計算。

總之，中、低壓母線不完全差動保護與完全差動保護的原理不同，這2種母線保護要求接入保護裝置的電流回路不同，完全電流差動保護要求接入母線上連接的所有元件的電流回路，而不完全差動保護只需接入有電源支路的電流。

2 保護的配置和算法選擇

保護裝置接入母線，需接入(含母聯或分段)的三相電流(也可以是兩相電流)，通過各自的模擬通道、數據采集變換，形成相應的數字量后按各相別分別計算差電流。對于每相的差動判據，取各單元電流之和的絕對值作為差動電流

式中:Ij為第j單元的電流;N為參與差動計算的單元數;Iop為差動動作電流。

當任一相的差動判據同時滿足判據時，差動保護動作于出口。差動保護判別到動作后，若差動電流不返回，則差動出口跳閘命令也不返回，出口跳閘命令需要至少保持40 ms，以確保母線所有連接單元斷路器可靠出口跳閘。上述差動判據必須確保所有單元電流的總傳變變比相同。當主電流互感器(TA)變比不一致時，在差流計算中，必須將各單元電流乘以各自相應的通道平衡系數，使所有單元電流的總傳變變比(即“主TA變比與通道平衡系數之積”)相同。

保護裝置可以配置三段差動過流，第1段采用無時限的電流速斷，該段保護作為母線保護的主保護，考慮在母線區內故障和限流電抗器內部故障時零秒切除故障。為防止母線保護出口接點誤粘連造成母線保護誤出口，考慮在母線保護第1段的電流速斷保護設置由低電壓、負序電壓、零序電壓或門條件組成的復合電壓閉鎖元件。第2段采用定時限過電流保護，作為母線速斷保護和限流電抗器過電流保護的后備保護。當靈敏系數不符合要求時，將一部分負荷較大的配電線路接入差動回路，可直接接入差動回路的出線回路。當出線上發生故障且開關拒動時，母差保護起不到后備作用。為了解決此問題，可在母線保護中增加1套公用附加定時限過流保護(以下簡稱附加過流)，該保護專門計算母線上接入差動回路的出線上的差動電流，動作于接入本段母線上差動回路的所有斷路器。母線保護第2段的定時限過流保護、附加過流保護都可作為饋線過電流保護的后備保護，在饋線故障時，母線電壓變化不一定顯著，為保證母線保護動作的靈敏度，2種保護都不設置復合電壓閉鎖。

3 保護定值的整定計算

電流速斷段的整定。此段保護的主要任務是保護母線，當限流電抗器內部發生短路時，也按母線故障處理，不要求有選擇性。電流速段定值按滿足下列條件整定:

(1)按躲開保護范圍外部故障的最大不平衡電流來考慮整定

式中:Kk為可靠系數，取1.30;Klh為電流互感器變比誤差，取0.1;Kfzq為非周期分量系數，取1.0 ～1.3;Id.max為母線差動保護外部短路時流過保護的最大短路電流。

(2)在限流電抗器后發生短路時:流過差動保護的差電流等于故障點的總故障電流。由于電抗器的阻抗較大，母線上的殘余電壓比較高，會導致其他健全單元存在一定的負荷電流。電流的動作值為

式中:Kk為可靠系數，取 1.25 ～1.30;Id.max為某一出線電抗器后短路時流過保護的最大短路電流;Kfh為考慮電動機因電壓降低引起的電流增大系數，取1.2～1.3;Ifh為除故障出線以外所有未接入差動保護的出線總負荷電流。

保護動作不帶延時。靈敏度按母線短路校驗，最低不應小于1.5。

過電流段保護的整定。此段保護作為母線故障和限流電抗器故障的后備保護，按滿足以下條件整定:

(1)按躲開未接入差動保護的出線總負荷電流整定，即

式中:Kk為可靠系數，取1.25～1.30;Ifh為本母線上未接入差動保護的出線總負荷電流;I'fh為其他母線轉移至該母線的負荷電流;Kzqd為電動機負荷自啟動系數，取 1.5～2.5，也可按實際自啟動條件進行計算。

(2)若按該母線的出線電抗器后面短路來考慮，則按在切除短路后母線差動保護能可靠返回的條件來整定，即

式中:Kk為可靠系數，取1.20～1.30;Kf為返回系數，按實際繼電器類型選取;Ifh為本母線上未接入差動保護的出線總負荷電流;I'fh為其他母線轉移至本母線的負荷電流;Kfh為考慮電動機因電壓降低引起的電流增大系數，取1.2～1.3;保護動作時間按大于未接入母線差動保護的各出線中過電流保護最長動作時間整定。

附加定時限過流保護。該段保護用于接入差動回路的負荷回路開關拒動的后備保護，按滿足以下條件整定。

(1)按躲開接入差動保護的出線總負荷電流整定，即

式中:Kk為可靠系數，取1.25～1.30;Ifh為本母線上接入差動保護的出線總負荷電流;I'fh為其他母線轉移至本母線的負荷電流;Kzqd為電動機負荷自啟動系數，取1.5 ～2.5，也可按實際自啟動條件進行計算。

(2)按該母線的出線電抗器后面短路，而在切除短路后母線差動保護能可靠返回的條件整定，即

式中:Kk為可靠系數，取1.20～1.30;Kf為返回系數，按實際繼電器類型選取;Ifh為該母線上未接入差動保護的出線總負荷電流;I'fh為其他母線轉移至該母線的負荷電流;Kfh為考慮電動機因電壓降低引起的電流增大系數，取1.2～1.3;保護動作時間按大于未接入母線差動保護的各出線中過電流保護最長動作時間整定。

4 結束語

本文根據中、低壓電力系統中母線保護的特殊性，提出了不完全差動保護的解決方案，詳細討論了不完全差動保護的回路、算法、配置、整定等問題，供設計和現場維護人員參考。

［1］王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用［M］.北京:中國電力出版社，1996.

［2］孫國凱，翟利民，柴玉華.電力系統繼電保護原理［M］.北京:中國水利水電出版社，2002.