基于電磁耦合原理快速低耗多間隔中低壓母差保護的設計

浙江浙能電力股份有限公司蕭山發電廠 呂力行

現代工業的發展，對電力供應的可靠性、安全性要求越來越高。繼電保護在保護電氣設備的安全可靠運行方面起著極其重要的作用。目前，在中國電力系統繼電保護的傳統設計中，110千伏及以上系統均裝設母線差動保護裝置，但35千伏及以下中低壓系統未裝設母線差動保護。中低壓系統未裝設母線差動保護，有的是受傳統習慣的影響，有的是因為間隔多不易實現等原因。

資料顯示，我國中低壓配電母線約有10萬段，規模龐大。中低壓母線短路電流水平高、操作頻繁，易發生短路故障。一旦發生母線故障，極易引發嚴重的設備事故，影響范圍廣，修復時間長。因此，中低壓母線快速保護設計具有重要意義和市場應用價值。

傳統中低壓母線保護的主要類型

方式1：電流閉鎖式中低壓母線快速保護方案

電流閉鎖式中低壓母線快速保護方案，主要是將饋線保護的啟動信號作為閉鎖母線進線開關保護的開關量輸入信號。采用該設計可避免由于多級饋線造成的母線速斷保護時間過長的問題，有效地解決了單純靠保護動作時間保證速斷保護選擇性的問題，每一級母線速斷保護均引入下級保護的啟動信號作為閉鎖信號，保證保護動作時間的級差配合最多只有兩級配合。但該保護對饋線保護故障判別元件要求比較高，更為重要的是為了保證保護裝置的選擇性，不能實現保護的快速動作，一般故障切除時間為0.3～0.4秒。

方式2：復合電壓閉鎖過電流式中低壓母線快速保護

復合電壓閉鎖過電流保護是在電流閉鎖式的基礎上增加了復合電壓判據。根據故障類型不同，發生短路故障時，除了電流增加外，同時會伴隨著電壓降低或者負序電壓的出現。根據這些特征，采用復合電壓閉鎖過電流式保護可進一步降低過流保護定值，提高保護的靈敏度。雖然采用復合電壓輔助判據提高了保護的靈敏度，但是為了保證保護的選擇性，仍然需要靠時間配合來保證選擇性。其缺點與方式1一樣，不能實現保護的快速動作，一般故障切除時間為0.3～0.4秒。

方式3：電弧光快速保護

中低壓母線電弧光保護系統動作，主要是依據弧光、過電流兩種信號共同判別故障，采用該保護綜合了電氣量和非電氣量兩種信號的優勢。主要邏輯為當同時檢測到弧光和過電流信號后，發出跳閘指令，快速可靠切除母線故障，一般切除時間在0.05秒左右，主要為開關的動作時間。電弧光保護以快速性、可擴展性等多種優勢在2005年左右興起一段時間的弧光熱。但隨著時間的推移，弧光保護誤動的案例越來越多，主要是因為弧光保護對母線倉的嚴密性有非常高的要求。隨著服役時間增加，設備的密封性逐漸變差，弧光保護誤動的概率越來越高。因此，采用電弧光快速保護解決了快速性的問題，但同時又帶來了可靠性不高的問題。

基于電磁耦合原理的快速母差保護設計方案

基于電磁耦合原理的快速母線差動保護系統主要包括4部分：差動保護CT專用繞組、支路電流采集單元、CT回路監控選判單元、高靈敏度差動保護單元。主要原理及設計思路為利用差動保護CT專用繞組采集進線及所有負荷電流，所有負荷電流利用電磁耦合方式在支路電流采集單元進行整合，整合后電流送入高靈敏度差動保護裝置以便識別故障。同時為了保證保護動作的可靠性，增加了CT回路監控選判單元，以保證當CT回路異常時可有效閉鎖，保證保護動作的正確性。其原理如圖1所示。

圖1 基于電磁耦合原理的快速母線差動保護系統設計原理示意圖

差動保護專用CT的選擇

CT變比選擇要以母線進線開關為基礎，進線開關CT變比為最小負荷開關CT的整數倍。各類負荷開關CT變比為最小負荷開關CT變比的整數倍。以此原則選取CT變比有利于支路電流采取單元中的電磁耦合計算。

支路電流采集單元

將若干支路負荷專用CT二次側按照同極性接入支路電流采集單元進行電磁耦合，然后將耦合后電流送至高靈敏度母差保護裝置，作為所有負荷電流的總電流。支路電流采集單元原理如圖2所示。

圖2 支路電流采集單元原理圖

例如：若進線開關CT變比為4000/1A

負載1CT變比選擇為400/1A

負載2CT變比選擇為800/1A

負載3CT變比選擇為1200/1A

負載4CT變比選擇為1600/1A

則在支路電流采集單元中將負載1同極性繞1匝，負載2同極性繞2匝，負載3同極性繞3匝，負載4同極性繞4匝，直流電流采集單元變比為10/1A，耦合后總電流接入高靈敏度差動保護裝置。

CT回路監控選判單元

為了提高保護動作的可靠性，防止由于CT二次回路斷線引起的保護誤動，引入CT回路監控選判單元。其主要原理及實現方案如下：所有支路電流經過支路電流采集單元后，物理求和形成各負荷支路的3I0，將所有負荷支路3I0接入CT回路監控選判單元，同時引入母線電壓以低電壓和負序電壓作為輔助判據，確保CT回路監控功能更加可靠，一旦判斷為CT斷線就及時閉鎖保護，同時可以具備支路識別準確定位功能。

高靈敏度差動保護單元

進線開關CT與負荷電流采集單元耦合后總電流分別接入母差保護單元，通過保護單元設置CT變比及定值等參數，實現母線故障判別。為了提高差動保護性能，在傳統差動保護基礎上引入以下輔助判別方法：

（1）將所有負荷正常運行下最大瞬時電流（例如最小輔機設備的啟動電流）的90%作為一個標志量，當耦合后總電流突變量大于該電流時，適當提高差動保護定值，以提高差動保護可靠性。正常運行時，差動保護按低定值執行，可有效提高保護靈敏性。

（2）引入CT斷線監測信號，當檢測到CT斷線后閉鎖瞬時低定值段差動保護。考慮到所有負荷側不會同時斷線，開放高定值段差動保護，以保證保護動作的靈敏性。當檢測到負荷側有電流，進線開關側無電流，定義為進線開關CT斷線，由于進線開關CT變比大，一旦發生斷線危險性大，此時自動開放高定值段差動保護，允許跳閘。母差保護單元示意見圖3。

圖3 母差保護單元示意圖

基于電磁耦合原理的快速母差保護設計的優點

采用該設計理論可實現中低壓母線間隔的無限擴展。并能實現保護范圍內快速動作，考慮保護裝置及開關的動作時間，最長動作時間不大于0.1秒。

基于電磁耦合原理，將原來多路復雜的電流計算轉化為前端預處理。靠電磁耦合方式進行預處理，方法簡單，可靠性高，同時能保證電流真實反映。采用該設計可有效降低差動保護裝置信息處理量，將更多的資源用于提高設備靈敏性、可靠性，并有效降低設備運行功耗。

引入CT斷線判別，負荷電流監測等多種有效手段，并將電源特性、負荷特性等多重因素作為輔助判別手段，進一步提高了保護的靈敏性和可靠性。

結語

采用該設計一舉解決了中低壓母線快速保護的問題，為中低壓母線快速保護提供了一個全新的解決方案，為中低壓母線的可靠運行提供了更加可靠的保證。同時該設計也給繼電保護工作提供了一種新的思路，以前的繼電保護工作一直都在向集成方向發展，不停地加重繼電保護裝置的負擔。采用信號前段處理可有效解放繼電保護裝置的資源，提高保護裝置的可靠性。

該設計在實際使用過程中還有進一步優化的空間。例如：可以根據不同用能設備的性能，對前段耦合處理進行分類，這樣可以在保護邏輯中進行更加精細的優化；可以在CT回路監控選判單元中引入功率方向元件，對故障類型有更加明確的指向性；對前段耦合設備深入研究，保證耦合設備測量的準確性和可靠性等。