基于低、中阻抗的母線差動保護原理與計算

封園 周新剛 郝銘 金秋 劉愛明

中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院

隨著海上油氣平臺電力系統擴容，平臺用電負荷逐年加大，網架結構日趨復雜。母線作為電能集輸的關鍵元件，一旦發生線路故障，掛接在該母線下的所有支路將全部失電，若線路故障發生在海上電站中心平臺，則周邊依托該中心平臺供電的井口平臺將大面積停電，嚴重時甚至造成電力系統崩潰，直接影響到平臺的正常生產運營，因此設置母線保護至關重要[1-6]。作為主要電氣元件的主保護，差動保護具有動作迅速、可靠性高的特點，因此被廣泛應用。

1 母線差動保護的基本原則

母線差動保護一般要滿足三個基本要求，即可靠性、選擇性、速動性。

（1）可靠性。當母線發生區內故障時，母線保護要及時動作，避免拒動；當母線正常運行或發生區外故障時，母線保護要不誤動。

（2）選擇性。母線差動保護要能準確辨別是區內故障還是區外故障，做到對故障點的精準識別。

（3）速動性。當母線發生故障時，差動保護要能迅速切除故障元器件，最大程度保障非故障區域的正常運行，減少停電面積。

海上平臺電力系統母線保護通常采用集中式母線保護，根據保護裝置的不同輸入阻抗值，可將其分為高阻抗、中阻抗及低阻抗母線差動保護。高阻抗母線差動保護要求一次側各CT（電流互感器）的變比必須保持一致，且勵磁曲線要高度重合。其雖能有效避開區外故障引起的不平衡電流，但因設備工藝要求較高，故未得到廣泛的應用。因此，著重討論關于中、低阻抗的母線差動保護。

2 母線差動保護的原理

母線差動保護裝置是基于基爾霍夫電流定律的基本原理研發制造的[7-8]。綜合考慮選擇性及速動性要求，按差動原理設置母線保護[9-10]，圖1所示為單母線差動保護原理。

圖1 中母線有n條支路，d為故障點，I1，I2，I3，…，In為一次電流，i1，i2，i3，…，in為二次電流。

圖1 單母線差動保護原理Fig.1 Principle of single-bus differential protection

（1）由基爾霍夫電流定律可知，當電站平臺母線正常運行或者平臺母線發生區外故障時，流入母線連接元件的電流等于流出該元件的電流。

（2）當電站平臺母線發生短路故障時，原本由電源供電的元件迅速通過故障點釋放短路電流，流過元件自身的電流為零，此時關聯設備失電。

（3）從電流相位角度分析，當電站平臺母線正常運行或者平臺母線發生區外故障時，至少有一個元件的相位與其他剩余元件的相位相反；當電站平臺母線發生短路故障時，元件中電流均為同相位（流入元件電流為零的元件除外）。

3 低阻抗母線差動保護

低阻抗母線差動保護，其電流繼電器阻抗較小，通常僅有數歐姆。因此，掛接在平臺母線上的各支路CT 二次負荷低、電壓低、CT 飽和度也低。當發生母線區內短路時，由于電流繼電器阻抗較小，全部故障電流在差流回路中產生的壓降較小，對CT 飽和誤差影響較小。當發生母線區外短路故障時，所有故障電流通過故障支路釋放，而此時差流回路的阻抗小，故會產生較大的不平衡電流，使得CT 趨于飽和，進而有可能發生誤動。因此，有必要通過定值判別、CT 飽和判別、復雜的制動措施等手段，避免母線差動保護誤動。

3.1 低阻抗母線差動保護裝置系統

低阻抗母線差動保護裝置系統框圖如圖2所示。

圖2 低阻抗母線差動保護裝置系統Fig.2 Low impedance bus differential protection device system

圖2中：①為前置數字濾波器，用來濾掉衰減直流分量以及其他奇變信號；②為電流互感器輸入電流比例匹配器，它能使輸入電流轉換成互感器的一次測電流，以滿足電流互感器變比不一致的要求；③為確定輸入電流的相位；④為差動電流計算器；⑤為制動電流計算器；⑥為差動電流回路；⑦和⑧分別為低制動和高制動動作特性生成器；⑨為CT 電流互感飽和監視器，它能依據電流互感器飽和后的飽和電壓及由此在差動回路中產生的電流來判斷電流互感器是否飽和，輸出一個電流互感器飽和標志；⑩為輸入電流方向判斷器，用以判斷發生區內故障還是區外故障；⑩為輸出邏輯單元，它綜合了差動、方向及飽和標志綜合判斷是否快速、可靠的發出跳閘脈沖。

3.2 低阻抗母線差動保護區內、外故障判別

理想情況下，當電站平臺發生區內故障時，流入差動回路的電流為同相位，當發生區外故障時，流入差動回路的電流為反相位（故障回路的電流與其他流入差回路的方向相反）。以故障回路電流Ip為基準的電流相位比較動作與制動特性如圖3所示。

圖3 區內、外部故障時電流方向判別原理Fig.3 Principle of current direction discrimination when fault occurs inside and outside the area

由圖3 可知，當電站平臺母線發生區外故障時，流入差動回路的電流相位接近180°，當發生區內故障時，流入差回路的電流相位接近于0°。

3.3 低阻抗母線差動保護的整定計算

制動特性曲線將平面分成動作區和制動區，啟動電流門檻=制動電流×tngθ，tngθ為25%～60%。

整定計算：啟動電流按躲開正常運行時最大不平衡電流進行整定，正常運行不平衡電流的值不大于最大負荷電流的10%。

圖4為啟動電流與制動電流的關系。

圖4 低阻抗母差保護制動特性曲線Fig.4 Protective braking characteristics curve of low impedance bus difference

低拐點（第一拐點）為電流互感器起始飽和點，一般為電流互感器額定電流的8～9 倍，斜率一般為tngθ1=25%。高拐點（第二拐點）為電流互感器飽和點，一般為電流互感器額定電流20 倍，其斜率一般為tngθ2=60%。兩個斜率的延長線大致通過坐標原點。

通常情況下啟動電流按照最大負荷電流的20%進行核算。表1所示為電流互感器的基礎資料；表2 所示為電流互感器現行的運行限定；表3 所示為低阻抗母線差動保護的整定。

表1 電流互感器基礎資料Tab.1 Basic data of current transformer

表2 電流互感器現行運行限定Tab.2 Current operating limit of current transformer

表3 低阻抗母線差動保護整定Tab.3 Low impedance bus differential protection setting

4 中阻抗母線差動保護

一般在差動回路中串接300～600 Ω 的中阻抗進行的保護稱為中阻抗母線差動保護。與低阻抗母線差動保護相比，中阻抗母線差動保護結合比例制動特性，具有故障時動作速度快、靈敏度高、抗飽和能力強、受區外故障CT 飽和的影響小等特性，因此被廣泛應用于電站平臺母線保護中。

4.1 中阻抗母線差動保護原理

中阻抗母線差動保護原理接線（圖5）。

圖5 中阻抗母線差動保護原理接線圖Fig.5 Medium impedance bus differential protection principle wiring diagram

圖5中：K1及K2為故障點；TAa 及TAb 為電流互感器一次側A 相及B 相；Tma 及Tmb 為電流互感器二次側A 相及B 相；各進出線同一相的全波整流器D1、D2為差動電路，D3、D4、D5、D6為制動電路；TMD為中間變流器；DL為啟動電路；CLJ為啟動繼電器；CDJ為差動繼電器；R 為分流電阻；RS/2 為制動電阻；Rcd為差動回路電阻；IT為循環臂中的制動電流；Icd為差動回路中的電流；Idz為流經差動繼電器中的電流。

4.2 中阻抗母線差動保護區內外故障

中阻抗母線差動保護的靈敏度高，通常采用比率制動原理，以差動電流為動作量，以母線上電流絕對值之和為制動量，綜合判斷后動作。當電站平臺母線發生區內故障時，中阻抗母線差動保護能在故障發生5 ms 以內（CT 尚未出現飽和之前）可靠動作；當發生區外故障時，只要由差動保護端子看向CT 側的二次回路總電阻小于此電阻，母線差動保護能在發生區外故障時可靠動作。如故障CT 出現飽和，其勵磁電抗下降，由于差動回路電阻的作用，隨著CT 飽和加深而增加的不平衡電流也隨著飽和CT 的勵磁電抗的下降而更多地流向出現飽和的CT，并更多地成為制動電流。因此，中阻抗母線差動保護有著很好的抗CT飽和能力。

4.3 中阻抗母線差動保護的整定計算

由于電流互感器是恒流源，啟動繼電器中的電流與制動回路無關，所以中阻抗母線差動保護的整定計算按照躲開外部短路最大不平衡電流及電流互感器飽和時流入差動回路中的電流進行核算。

（1）按照躲開區外故障最大不平衡電流進行整定，啟動繼電器的一次動作電流為

靈敏度校驗：

式中：Idz為啟動繼電器一次動作電流；Kk為可靠系數；Kunb為差動回路不平衡電流系數；m為中間變流器TMD的變比；IT.outside.max為區外故障最大不平衡電流；Ksen為靈敏度系數；IT.inside.min為區內故障最小不平衡電流。

（2）差動繼電器啟動電流的計算，按照躲開區外短路電流流入差回路的電流進行整定。

靈敏度校驗：

式中：ICDJ.dz為差動繼電器起動電流；tana1為制動系數；tana2為動作系數；IT.min為區外故障最小不平衡電流。

差動保護的一次動作電流應考慮CT 的中間變流器TMD的變比，由于制動回路的作用，當電站平臺母線發生區外故障時，流入差動繼電器的電流比差動回路中的電流小；當電站平臺母線發生區內故障時，流入差動繼電器的電流比差動回路中的電流大，因此，可以通過調節制動電阻改變保護裝置的靈敏度。

5 結束語

隨著海上油氣平臺電網規模的逐漸擴容，遠距離、大容量、超高壓交流以及直流設備的大量投運，使得平臺電網運行狀態和動態特性漸趨復雜化，同時電力系統運行中的安全隱患也趨于多樣化。母線作為電能集輸的關鍵元件，其安全、穩定運行至關重要，一旦發生線路故障，將對平臺的正常生產運營帶來較大影響。若線路故障發生在井口平臺，單個井口平臺失電，停電面積小，影響范圍有限；若線路故障發生在電站中心平臺，則周邊依托該平臺供電的井口平臺將大面積停電，直接影響到多個平臺的安全、穩定運行，同時平臺停產還會造成較大的經濟損失。母線差動保護具有結構簡單、動作迅速、可靠性高、穩定性好等特點，在海上平臺生產實踐中被廣泛應用。