復(fù)式比率母差保護(hù)原理及試驗(yàn)方法分析

孟清波

摘要：母線是變電站中非常重要的部分， 母線在電力的傳輸過程中起到了匯聚以及分配的功能。如果變電站中的母線上出現(xiàn)了故障， 將給點(diǎn)了系統(tǒng)帶來非常嚴(yán)重的故障， 給與母線相連的設(shè)備造成損壞以及停運(yùn)， 將導(dǎo)致大面積的停電事故。

母線保護(hù)要求很高的快速性、靈敏性、選擇性以及靈敏性， 對(duì)于220 k V變電站的母線保護(hù)， 一般采用差動(dòng)保護(hù)的原理， 為保證保護(hù)動(dòng)作的可靠性， 采取了TA斷線閉鎖以及復(fù)壓閉鎖兩種方式[1，2]。母線保護(hù)通過電流互感器檢測(cè)電流， 確認(rèn)是否發(fā)生母線故障并定位故障點(diǎn)的位置， 使故障母線上的所有線路上的斷路器斷開， 使得停電范圍得以最大程度的減少， 降低負(fù)荷損失。

1 微機(jī)母線保護(hù)的原理

微機(jī)母線保護(hù)能夠利用整定調(diào)整系數(shù)對(duì)TA系數(shù)進(jìn)行設(shè)置， 構(gòu)成母線保護(hù)中與TA相關(guān)的判據(jù)。微機(jī)母線保護(hù)具有多種接口， 能夠使用不同的通信方式與變電站的后臺(tái)相連接， 使后臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)母線相關(guān)的遙控與遙信。微機(jī)保護(hù)將電流的瞬時(shí)值精心精確測(cè)量以及計(jì)算， 實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)的比率差動(dòng)制動(dòng)特性。

根據(jù)差動(dòng)保護(hù)原理， 在正常情況下， 流入母線的電流與流出母線的電流的向量和為零， 若母線上發(fā)生了短路故障， 該向量和等于故障電流[3，4]。保護(hù)裝置檢測(cè)到故障電流后， 選擇性地將故障切除， 其保護(hù)范圍包括母線上連接的所有電力設(shè)備。

現(xiàn)有110 k V及以上電壓等級(jí)的系統(tǒng)通常采用雙母線方式， 其相應(yīng)的母線保護(hù)采用大差回路以及小差回路共同組成母線保護(hù)， 能夠反映母線的單向故障以及相間故障。母線的差動(dòng)判據(jù)一般包括大差判據(jù)以及小差判據(jù)。大差判據(jù)是通過檢測(cè)母線上除母聯(lián)斷路器和分段斷路器之外的所有線路的電流之和， 小差判據(jù)是通過檢測(cè)母線上包括母聯(lián)斷路器和分段斷路器在內(nèi)的所有支路電流之和。大差判據(jù)能夠區(qū)別故障的范圍是區(qū)內(nèi)還是區(qū)外， 通常被用于作為啟動(dòng)元件;小差判據(jù)能夠判斷故障具體是出現(xiàn)在哪條母線上， 通常被用于作為選擇元件。

如果是小差保護(hù)動(dòng)作， 則保護(hù)最先斷開母聯(lián)斷路器， 隨后將與故障相連的母線上所有線路的斷路器全部斷開。如果是大差保護(hù)動(dòng)作， 則是在第一時(shí)間將母線上所有的斷路器全部跳開， 而不去判斷故障是出在哪條母線上。因此從減小停電范圍的角度出發(fā)， 母線保護(hù)通常是將小差保護(hù)投入， 利用小差保護(hù)作出故障母線的選擇。而只有在倒母的時(shí)候才將母差保護(hù)設(shè)置為大差保護(hù)， 用以防止刀閘并列的時(shí)候出現(xiàn)環(huán)流導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。

母線保護(hù)裝置通常包括邏輯處理部分、復(fù)壓閉鎖部分以及管理部分。邏輯處理部分通過采集系統(tǒng)中母線相關(guān)的開關(guān)量以及模擬量， 通過相關(guān)數(shù)據(jù)的邏輯處理后做出判斷， 再輸出相應(yīng)信號(hào)以斷開故障點(diǎn)。復(fù)壓閉鎖部分通過檢測(cè)母線的電壓信號(hào)， 根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)判斷是否滿足閉鎖母線保護(hù)的條件， 并相應(yīng)控制母線保護(hù)閉鎖繼電器。管理部分則完成人機(jī)交互、數(shù)據(jù)記錄、與后臺(tái)的通訊等功能。

2 母線差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)方法

根據(jù)基爾霍夫定律， 正常狀況下母線上所有支路的電流向量和為零， 當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)， 電流的向量和不為零[5，6]。以BP-2B母線保護(hù)裝置為例， 為防止電流互感器飽和時(shí)出現(xiàn)的不平衡電流導(dǎo)致誤動(dòng)作， 采取了復(fù)式比率差動(dòng)原理， 通過引入差電流， 使得在發(fā)生母線外故障時(shí)具有較強(qiáng)的制動(dòng)特性。BP-2B母線保護(hù)裝置的復(fù)式比率差動(dòng)判據(jù)如下式所示。

式中， Idset為差電流整定值， Kr為比率系數(shù)， Ir為母線上所有支路電流的絕對(duì)值之和， Id為母線上所有支路的電流向量和的絕對(duì)值。

在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)?zāi)妇€保護(hù)裝置時(shí)， 選擇接入保護(hù)裝置中的幾組間隔進(jìn)行試驗(yàn)。在現(xiàn)場(chǎng)做好安全措施后， 根據(jù)圖紙確定出各個(gè)線路對(duì)應(yīng)的電流回路。通過查看相關(guān)資料確定各個(gè)間隔相應(yīng)母差保護(hù)所用的CT變比， 得出CT調(diào)整系數(shù)K， 再根據(jù)定值單找到差流門檻值Idser、小差制動(dòng)系數(shù)Kr1以及大差制動(dòng)系數(shù)Kr2。再利用繼保儀向保護(hù)裝置輸入相應(yīng)電流量， 使得大差、小差電流為零。之后逐步加大某條支路 （如I母上間隔1） 的電流， 直到保護(hù)動(dòng)作， 記錄各個(gè)輸入保護(hù)裝置的電流大小以及相位， 驗(yàn)證保護(hù)裝置的選擇性以及制動(dòng)系數(shù)的正確性。

3? 復(fù)式比率制動(dòng)系數(shù)試驗(yàn)

以圖 1 的模擬主接線為例，其中支路 1、支路 2、支路 3 及母聯(lián) CT 變比一致，保護(hù)裝置為 BP-2C 型，復(fù)式比率制動(dòng)系數(shù)試驗(yàn)方法如下。

3.1驗(yàn)證大差 Kr 高值

盡可能降低復(fù)式比率母差保護(hù)啟動(dòng)電流定值（假設(shè)啟動(dòng)電流定值為 0.2In）并開放復(fù)壓閉鎖條件，模擬支路 1 的Ⅰ M 刀閘合位接點(diǎn)、支路 3 的Ⅰ M 刀閘合位接點(diǎn)、支路 2 的Ⅱ M 刀閘合位接點(diǎn)和母聯(lián)開關(guān)合位接點(diǎn)在閉合狀態(tài)。在支路 1、支路 3 分別加入大小相同、方向相反的 A 相電流 I1（大于 0.2In），在支路 2 加入A 相電流 I2（小于 0.2In）。將支路 1、支路 3 電流 I1 固定，緩慢增大支路 2 電流 I2，使Ⅱ M 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，記下保護(hù)剛好動(dòng)作時(shí)的兩個(gè)電流值，計(jì)算此時(shí) Id 與的 Ir 值，由復(fù)式比率母差保護(hù)動(dòng)作判據(jù)可驗(yàn)證大差 Kr 高值。

3.2驗(yàn)證大差 Kr 低值

盡可能降低復(fù)式比率母差保護(hù)啟動(dòng)電流定值（假設(shè)啟動(dòng)電流定值為 0.2In）并開放復(fù)壓閉鎖條件，模擬支路 1 的Ⅰ M 刀閘合位接點(diǎn)、支路 3 的Ⅰ M 刀閘合位接點(diǎn)、支路 2 的Ⅱ M 刀閘合位接點(diǎn)和母聯(lián)開關(guān)分位接點(diǎn)在閉合狀態(tài)。在支路 1、支路 3 分別加入大小相同、方向相反的 A 相電流 I1（大于 0.2In），在支路 2 加入A 相電流 I2（小于 0.2In）。將支路 1、支路 3 電流 I1 固定，緩慢增大支路 2 電流 I2，使Ⅱ M 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，記下保護(hù)剛好動(dòng)作時(shí)的兩個(gè)電流值，計(jì)算此時(shí)Id與Ir值，由復(fù)式比率母差保護(hù)動(dòng)作判據(jù)可驗(yàn)證大差 Kr 低值。

3.3 驗(yàn)證小差 Kr 值

盡可能降低復(fù)式比率母差保護(hù)啟動(dòng)電流定值（假設(shè)啟動(dòng)電流定值為 0.2In）并開放復(fù)壓閉鎖條件，模擬支路 1 的Ⅰ M 刀閘合位接點(diǎn)和支路 3 的Ⅰ M 刀閘合位接點(diǎn)在閉合狀態(tài)。在支路1加入A相電流I（大于 1 0.2In），在支路 3 加入 A 相電流 I2，注意 I1 與 I2 方向相反，大小相同。將支路 1 電流 I1 固定，緩慢增大支路 3 電流I2，使Ⅰ M 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，記下保護(hù)剛好動(dòng)作時(shí)的兩個(gè)電流值，計(jì)算此時(shí) Id 與 Ir 值，由復(fù)式比率母差保護(hù)動(dòng)作判據(jù)可驗(yàn)證小差 Kr 值。

4 結(jié)論

母線故障是變電站內(nèi)最嚴(yán)重的故障之一， 對(duì)變電站的安全運(yùn)行具有重要影響。為了降低電力設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重后果的概率， 220 k V及以上電壓等級(jí)的變電站通產(chǎn)采用了母線保護(hù)裝置。在母線保護(hù)裝置的運(yùn)行維護(hù)過程中， 相關(guān)專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)熟悉母線保護(hù)的根本原理， 并正確調(diào)試母線保護(hù)裝置， 才能使母線保護(hù)裝置的作用得以發(fā)揮， 提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

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