一種鏈式差動保護的研究

楊長存

(淮浙煤電有限責任公司鳳臺發電分公司，安徽 淮南 232131)

0 引言

當電力系統發生故障時，技術人員往往是根據保護裝置所報故障類型去尋找故障點。如若故障點較隱蔽，則很難發現故障點，導致工作效率降低，故障處理延誤甚至有可能引發系統穩定性問題導致機組停機，系統解列事故。

某大型煤電一體化項目采用4×660 MW 燃煤機組，其廠用電系統故障類型主要有單相接地故障、相間短路故障，而兩相短路接地、三相短路故障大多為轉移性故障，較少出現。進一步分析發現，故障點主要集中在外圍設備上，這些地方由于維護質量及地理位置的特殊性，有可能會發生上述故障，且由于線路距離較長，查找故障點較困難，故障處理效率較低。

以廠內光伏電站為例，光伏并網出線要接至數公里遠的變電站，當該電纜發生絕緣問題引起的故障時，傳統的中壓保護如差動保護、過流保護雖然能準確地判斷出故障相別，但不能判斷出故障點的大致區位。查找故障點較為費時費力，加上處理電纜的時間，總共往往需要一天的時間，影響了光伏電站的功率輸出。同理，在發電廠廠用電系統中也存在類似的問題，如循環水泵房、補給水泵房、輔助廠房、脫硫小室等，距離其主廠房內電源開關距離較遠，這些設備的動力電纜如果存在故障的話，要查找故障點極其不容易，影響了機組的安全穩定運行。

傳統的中壓開關保護即便是配備了帶測距功能，由于廠內電纜對地電容電流較大且呈現多分散性的問題而無法實現故障位置的準確判斷。

1 鏈式差動保護介紹

針對發電廠中壓系統提出一種鏈式差動保護，該保護具備故障點位置區間的判斷以及聲光報警功能，可縮短檢修維護人員處理故障的時間，保障機組和電網的安全穩定運行。該鏈式差動保護采用了多段式差動保護原理，實現大區差動和小區差動，大區判斷故障，小區判斷范圍，兩者同時動作時差動保護跳閘，并發出故障區間范圍報文。由于該差動保護不受電纜對地電容電流的影響，故靈敏度較高。該鏈式差動保護具備以下特點：

(1) 故障時通過大區差動加小區差動的方式能夠準確獲取故障點范圍。

(2) 故障時能夠通過保護裝置輸出光信號驅動就地電流采集器上的聲光報警，便于維護人員查找故障點。

(3) 采用大區差動加小區差動實現的多段式差動保護，能夠有效避免人為誤操作或者裝置本身故障引起的保護裝置誤動作，提高保護裝置運行的可靠性。

2 鏈式差動保護實施方式

2.1 鏈式差動保護主要元器件

鏈式差動保護由鏈式差動保護裝置、電流信號采集裝置、電流互感器、特制CT 取能線圈、大容量鋰電池組、太陽能電池板以及相關附屬設備構成。

鏈式保護裝置具備接收模擬量信號、電流光信號輸入口，電源側電流互感器CT1 二次電流采用電纜接線方式接入到保護裝置，輸電線路及系統側電流互感器CT2 ～CT4 二次電流由電流采集終端進行采集，并輸出光信號至差動保護電流采集終端。電流采集裝置采用低功耗設備，且輸入電源為寬幅電源。通信方式為異步通信，光纖接頭方式采用FC 型，光纖類型采用單模，傳輸速率為150 kbit/s。

CT2，CT3 二次電流采集終端配套的電流互感器以及CT 取能線圈均采用開口式設計，方便現場的安裝。由于電纜較長，一般會存在多個電纜接頭，且在運行環境較差的接頭位置會加裝配電箱，箱子里面可以直接看到A，B，C 三相電纜。所以，電流信號采集裝置及其配套設備可安裝在電纜接頭配電箱內，只需選擇好合適的安裝位置即可。

2.2 鏈式差動保護CT 二次電流采集終端電源選取

CT2，CT3 差動保護電流采集終端由于距離電源端較遠，就地無固定電源可取。本項目提出使用CT 取能線圈和蓄電池相結合的方式給CT 采集裝置供電。通過特制CT 取能線圈從一次回路上感應交流電壓，然后經過整流、濾波、穩壓等環節后輸出能量，該CT 取能線圈鐵芯采用飽和磁導率高的無取向硅鋼片制成，同時具備一定的空氣氣隙，鐵芯的損耗較小且磁阻較高，可以使鐵芯線圈在一次回路電流較大時不會過早地進入飽和狀態，因此可以為差動電流采集裝置輸入穩定可靠的5 V 直流電源。通過多次的試驗證明匝數在300 匝為最佳，此匝數可以在一次回路電流為30～10 000 A 范圍內為負載提供穩定的5 V 的輸出電壓，滿足實際的供能要求。當CT 取能線圈二次側感應到的電壓過大時，由配備的過壓保護繼電器切至旁路運行，該旁路由大容量的鋰電池組成，作為備用。正常狀態時鋰電池通過太陽能電池板進行充電，電池組處于浮充狀態。當取能線圈輸出電壓異常時，會自動無擾動切至蓄電池供電，整流器交流側電壓監視繼電器動作，經過一定的延時后將繼電器動作信號開入電流信號采集裝置，差動保護裝置會發出對應信號采集裝置異常報警信號。如果電流信號采集裝置失電或者電流信號采集裝置本身故障引起通信異常，差動保護裝置則發出通信異常告警，并自動退出小差，保留大差保護功能。正常運行時，取能線圈的輸出電壓略高于蓄電池。CT4 差動保護采集終端的電源采用常規直流110 V 設備。鏈式差動保護電源切換如圖1 所示。

圖1 鏈式差動保護電源切換

2.3 保護邏輯說明

鏈式差動保護邏輯如圖2 所示。

圖2 鏈式差動保護邏輯

(1) CT1，CT4 輸入至大區差動模塊，構成大區差動判別元件；CT1，CT2 輸入至小區差動模塊1，構成小區差動判別元件1；CT2，CT3 輸入至小區差動模塊2，構成小區差動判別元件2；CT3，CT4 輸入至小區差動模塊3，構成小區差動判別元件3。

(2) 當大區差動保護元件動作同時小區差動判別元件1 動作時，出口跳兩側開關并發出報警信號，報文為：“鏈式差動保護動作”“差動保護動作區間12”，同時驅動電流采集終端2 的聲光報警。

(3) 當大區差動保護元件動作同時小區差動判別元件2 動作時，出口跳兩側開關并發出報警信號，報文為：“鏈式差動保護動作”“差動保護動作區間23”，同時驅動電流采集終端2、電流采集終端3的聲光報警。

(4) 當大區差動保護元件動作同時小區差動判別元件3 動作時，出口跳兩側開關并發出報警信號，報文為：“鏈式差動保護動作”“差動保護動作區間34”，同時驅動電流采集終端3、電流采集終端4的聲光報警。

(5) 當小區差動判別元件1，2，3 其中之一動作而大區差動判別元件未動作時，發出鏈式差動保護異常報警信號。同理，當小區差動判別元件1，2，3 均不動作而大區差動判別元件動作時，發出鏈式差動保護異常報警信號。

(6) 當鏈式差動保護功能壓板退出時，鏈式差動切換成普通差動保護，當大區差動判別元件動作時即發出跳閘信號。

(7) CT1，CT4 構成的大區差動保護判別元件配置高比率制動系數，如取0.5；其余CT 構成的小區差動保護判別元件配置低比率制動系數，如取0.3。

(8) 該鏈式差動保護具備CT 斷線閉鎖功能，可由保護控制字進行投退，當該功能退出時，不判斷CT1 至CT4 的二次回路斷線，滿足差動動作條件即可出口。

3 應用前景

以該廠光伏電站并網出線為例，該并網出線采用電纜敷設方式送至附近變電站，整個電纜長度約5 km，途經省道、工業區、居民區，在該路段經常發生由于施工問題導致電纜絕緣破損引起的故障以及自身電纜絕緣降低引起發的故障。檢修維護人員以前一般采取以下兩種方式查找故障點。

(1) 采用巡線的方式查找故障點。該方法較為傳統，需要檢修維護人員從并網出線電纜的一端向另一端逐步查找，如果故障點較為隱蔽的話，查找起來較為困難。

(2) 采用故障點測試儀查找故障點。由于該故障測試儀使用的是外加高電壓的方式進行檢查，進一步惡化了電纜的絕緣性能，且架設儀器較為費事費力，往往起到事倍功半的效果。

在該廠光伏電站并網出線采用此鏈式差動保護，能夠迅速準確地判斷出電纜相間故障點的大致區位，且該保護配備電纜故障區間聲光報警功能，可極大地方便維護人員對故障點的排查，提高消缺工作的效率，保障光伏電站的功率輸出。由于該鏈式差動保護采用的是雙判據，即“大區”加“小區”的方式，能夠有效地避免檢修維護人員在日常維護保養過程中誤操作造成的繼電保護事故以及差動保護模塊故障引起的保護誤出口。

4 結束語

傳統的發電廠中壓開關保護雖然能判斷出故障相別，但不具備故障測距功能，無法判斷出故障點的大致位置所在。以上介紹的一種鏈式差動保護，當保護范圍內發生故障時，此保護裝置能夠準確獲取故障點范圍，并通過保護裝置輸出光信號驅動就地電流采集器上的聲光報警，便于維護人員查找故障點，縮短消缺的時間。由于其采用大區差動加小區差動實現的多段式差動保護原理，能夠有效避免人為誤操作或者裝置本身故障引起的保護裝置誤動作，提高保護裝置運行的可靠性。

此鏈式差動保護解決了輸電線路或電纜CT 二次電流采集終端電源供電問題，通過采用特制的CT 取能線圈和高性能鋰電池兩者結合給采集器終端進行供電。正常運行時采用CT 取能線圈供電，電池組由太陽能電池板進行充電，當CT 取能線圈輸出電壓異常時，通過切換裝置切至電池組進行無擾動供電，保障CT 二次輸出電流的穩定性。因此，此鏈式差動保護可供同類型電廠借鑒。