淺析數字化變電站繼電保護技術的改進方法

摘 要:本文作者通過對數字化變電站一、二次設備與傳統的變電站設備的對比分析，主要就數字化變電站的繼電保護改進方法進行了研究。

關鍵詞:數字化變電站繼電保護改進方法

中圖分類號:TM7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0100-02

在數字化變電站中，它涵蓋了的范圍有:一次設備中的互感器、斷路器、變壓器，二次設備中的保護、控制、通信等。數字化變電站的光學互感器和智能斷路器的應用，對傳統繼電保護帶來重大影響。因此，本文通過對數字化變電站一、二次設備與傳統的變電站設備的對比分析，主要就數字化變電站的繼電保護改進方法進行了研究。

1 數字化變電站主要設備

1.1 光學互感器

光學互感器分為光學電流互感器和光學電壓互感器。光學電流互感器是基于法拉第效應，通過晶體中光的偏振角測量導線周圍空間磁場大小，從而測量導線電流。光學電壓互感器基于波克爾效應，通過晶體中光的入射角與出射角之差測量導線周圍空間電場的大小，從而測量導線電壓。光學互感器具有不受電磁干擾、不飽和、測量范圍大、響應頻帶寬、體積小、重量輕等優點。

1.2 智能斷路器

智能斷路器的主要特征:數字化的接口取代硬接線，完成對斷路器的控制和狀態監視;能夠給出斷路器的健康狀況及檢修建議。

2 數字化變電站繼電保護改進方法

2.1 母線保護

母線保護的主保護為母差保護。傳統變電站母差保護的保護邏輯中母差保護受復合電壓元件閉鎖(如圖1所示)，目的是防止差動元件出口繼電器由于振動或人員誤碰出口回路造成誤跳斷路器。數字化變電站由于采用智能斷路器，取消了保護出口繼電器及母差保護中的復壓閉鎖元件，簡化了母差保護邏輯。(如圖1）

傳統變電站母線區外故障時，由于故障支路TA飽和，而其余支路不飽和，造成母差保護誤動。母線區內故障時，由于TA飽和，降低母差保護的靈敏度。母差保護專門設置了TA飽和判別元件閉鎖母差保護(見圖1)，而TA飽和判別元件判別TA飽和需要時間(軟件算法數據窗時間)，延長了母差保護動作時間。數字化變電站采用光學互感器，具有無TA飽和、測量范圍大、響應頻帶寬等特點，數字化變電站中母差保護可以取消TA飽和判別元件，縮短了母差保護的動作時間。改進的母差保護邏輯如圖2所示。

傳統變電站母差保護的差動元件分為啟動元件和比率制動元件，整定原則如下。

a.啟動元件按躲過穩態運行時最大不平衡電流:

IDZO=Krel(Ker+K2+K3)IN

式中Krel—— 可靠系數;

Ker—— TA的相對誤差;

K2—— 保護裝置的通道傳輸及調整誤差;

K3—— TA暫態特性不同引起的誤差。

b.比率制動元件按躲過區外故障時最大不平衡電流:

Ium bmax=(Ker+K2+K3)Ikmax

數字化變電站采用光纖等數字量傳輸通道傳輸電流電壓值，沒有二次電纜傳輸、微機保護采樣等環節產生的調整誤差，而且光學互感器的暫態特性一致，因此，上述整定原則可以變為

啟動元件:IDZ.O=KrelKer IN比率制動元件:Ium bmax=KerIkmax經過改進的整定原則與傳統整定原則相比，提高了母差保護的靈敏度。

2.2 線路保護

2.2.1 微機保護同桿并架雙回線

為方便運行管理、調試和維護，對同桿并架雙回線的微機線路保護按線路配套，每套線路保護只采樣線路電氣量，只對本線路的斷路器發跳閘、合閘命令。同樣，接地阻抗繼電器接線方式中的電流忽略了2回線之間的互感，不采用另一回線的零序電流進行補償。

由于忽略2回線互感，一回線掛地線檢修時，發生接地故障會使接地阻抗繼電器測量阻抗減小，保護范圍伸長，引起誤動;2回線不同電壓等級具有“強磁弱電”特征，一回線發生接地時會造成另一回線誤動。而且發生跨線故障時(見圖3)，對于M側Ⅰ線保護，發生N側出口ⅠB和ⅡC跨線接地故障特征與N側出口的Ⅰ線BC接地故障特征一致，此時在單相重合閘方式下2條線路均將三跳不重合，造成重合閘動作不正確。（如圖3）

2.2.2 同桿并架線路保護及重合閘改進

由于數字化變電站的信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數字化，可以對同桿并架雙回線保護進行改進，保護同時接收雙回線六相電流，對2條線路的斷路器發跳閘、合閘命令。這樣接地阻抗繼電器接線方式中的電流可以采用另一回線的零序電流補償，使測量阻抗更準確。

如圖3所示，原有的微機保護Ⅰ回線的B相阻抗繼電器由于沒有采用另一回線零序電流進行補償，其測量阻抗為

改進后Ⅰ回線B相阻抗繼電器電壓為UMB，電流為IIM +K3I0Ⅰ+K′3I0Ⅱ，測量阻抗為ZmMB=ZIK(其中K′=Zm

ZIK，Zm為在ZIK范圍內2回線間互感)。

由于引入另一回線電氣量，可以準確判斷出故障線路，切除故障線路后，重合故障線路。如果為永久性故障，則判斷剩余健全相是否包括完整的三相，如果是則切除故障相，使雙回線都非全相運行，但整體上是三相運行，保證了系統的穩定性。

2.3 變壓器保護

變壓器主保護為差動保護，在變壓器空投和變壓器區外短路切除時，會產生很大的勵磁涌流，使差動保護誤動。為此設置了涌流閉鎖元件。當變壓器內部嚴重故障時，短路電流很大，TA飽和，TA二次電流的波形將發生畸變，并含有大量的諧波分量，從而使涌流判別誤動，導致變壓器差動保護拒動。為此差動保護設置了差流速斷元件。數字化變電站采用了光學互感器，TA不會飽和，且響應頻帶寬，因此，可將差流速斷元件取消，簡化了變壓器差動保護邏輯。

微機變壓器縱差保護主要受勵磁涌流的影響。如果考慮電源回路電阻、變壓器繞組的電阻和漏電感帶來的時間常數影響，則磁通ф為

ф=-фm cos(ωt+α)+фm cosαeτT+ψs

式中фm—— 電源電壓產生的恒定磁通;

T—— 時間常數(與電源回路的電阻、變壓器繞組的電阻和漏電感有關);

α—— 合閘角;

ψs—— 變壓器剩磁。

在變壓器空投瞬間，鐵心中的磁通由強迫分量磁通фmcos(ωt+α)、決定于合閘角α的自有分量磁通фmcosα及剩磁通ψs組成。如果在電壓瞬時值為0時空投變壓器，合閘角α=0，在忽略變壓器及合閘回路電阻時，時間常數T為無窮大，磁通中的自由分量不衰減。假如剩磁ψs的方向與合閘之后фmcosα的方向相同，變壓器鐵心中的綜合磁通如圖5所示。由圖4可知，鐵心中的最大磁通可達到2

由于數字化變電站采用智能斷路器，分合瞬間可對電壓角度進行精確控制，通過控制斷路器分合閘角度，達到抑制變壓器勵磁涌流的目的。在變壓器正常停電時，首先確認負荷已停，變壓器處于空載，此時負荷電流為空載電流(可近似為0)，在電壓瞬時為峰值、磁通最小時分閘，可以保證剩磁通ψs最小。此時的分閘與故障時刻分閘不同，不需在電流過0時分閘，因為電流很小，斷路器可以可靠分閘。下一次空投變壓器時，控制斷路器在電壓峰值、磁通最小時合閘，勵磁涌流中的自由分量最小。變壓器空投時涌流判別元件不易啟動，從而提高了變壓器差動保護的靈敏度。

3 結語

由于線路保護及重合閘改進方法中對同桿并架回路同時接收2回線電氣量，對2回線斷路器進行控制，減少了由于零序互感的存在造成保護誤動，而且提高了系統的穩定性。

由于變壓器保護改進取消了差流速斷保護元件，簡化了保護邏輯。并通過智能斷路器的精確控制分合閘，可以最大限度減小勵磁涌流，使涌流判別元件在變壓器正常空投時不易啟動，提高了變壓器差動保護的靈敏度。

參考文獻

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