[科普中國(guó)]-母差保護(hù)

母差保護(hù)是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要系統(tǒng)設(shè)備，它的安全性、可靠性、靈敏性和快速性對(duì)保證整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的安全具有決定性的意義。迄今為止，在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用過(guò)的母聯(lián)電流比相式差動(dòng)保護(hù)、電流相位比較式差動(dòng)保護(hù)、比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)，經(jīng)各發(fā)、供電單位多年電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，普遍認(rèn)為就適應(yīng)母線運(yùn)行方式、故障類型、過(guò)渡電阻等方面而言，無(wú)疑是按分相電流差動(dòng)原理構(gòu)成的比率制動(dòng)式母差保護(hù)效果最佳。

簡(jiǎn)介隨著電網(wǎng)微機(jī)保護(hù)技術(shù)的普及和微機(jī)型母差保護(hù)的不斷完善，以中阻抗比率差動(dòng)保護(hù)為代表的傳統(tǒng)型母差保護(hù)的局限性逐漸體現(xiàn)出來(lái)。從電流回路、出口選擇的抗飽和能力等多方面，傳統(tǒng)型的母差保護(hù)與微機(jī)母差保護(hù)相比已不可同日而語(yǔ)。尤其是隨著變電站自動(dòng)化程度的提高，各種設(shè)備的信息需上傳到監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控，使傳統(tǒng)型的母差保護(hù)無(wú)法滿足現(xiàn)代變電站運(yùn)行維護(hù)的需要。

通過(guò)對(duì)微機(jī)母差保護(hù)在500 kV及以下系統(tǒng)應(yīng)用的了解，依據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試各類保護(hù)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)微機(jī)母差保護(hù)與以中阻抗比率差動(dòng)保護(hù)為代表的傳統(tǒng)型母差保護(hù)的原理和二次回路進(jìn)行對(duì)比分析1。

微機(jī)母差保護(hù)與比率制動(dòng)母差保護(hù)的比較微機(jī)母差保護(hù)特點(diǎn)a. 數(shù)字采樣，并用數(shù)學(xué)模型分析構(gòu)成自適應(yīng)阻抗加權(quán)抗TA飽和判據(jù)。

b. 允許TA變比不同，具備調(diào)整系數(shù)可以整定，可適應(yīng)以后擴(kuò)建時(shí)的任何變比情況。

c. 適應(yīng)不同的母線運(yùn)行方式。

d. TA回路和跳閘出口回路無(wú)觸點(diǎn)切換，增加動(dòng)作的可靠性，避免因觸點(diǎn)接觸不可靠帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

e. 同一裝置內(nèi)用軟件邏輯可實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)、充電保護(hù)、死區(qū)保護(hù)、失靈保護(hù)等，結(jié)構(gòu)緊湊，回路簡(jiǎn)單。

f. 可進(jìn)行不同的配置，滿足主接線形式不同的需要。

g. 人機(jī)對(duì)話友善，后臺(tái)接口通訊方式靈活，與監(jiān)控系統(tǒng)通信具備完善的裝置狀態(tài)報(bào)文。

h. 支持電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC 608705103規(guī)約，兼容COMTRADE輸出的故障錄波數(shù)據(jù)格式。

基本原理的比較傳統(tǒng)比率制動(dòng)式母差保護(hù)的原理是采用被保護(hù)母線各支路(含母聯(lián))電流的矢量和作為動(dòng)作量，以各分路電流的絕對(duì)值之和附以小于1的制動(dòng)系數(shù)作為制動(dòng)量。在區(qū)外故障時(shí)可靠不動(dòng)，區(qū)內(nèi)故障時(shí)則具有相當(dāng)?shù)撵`敏度。算法簡(jiǎn)單但自適應(yīng)能力差，二次負(fù)載大，易受回路的復(fù)雜程度的影響。

但微機(jī)型母線差動(dòng)保護(hù)由能夠反映單相故障和相間故障的分相式比率差動(dòng)元件構(gòu)成。雙母線接線差動(dòng)回路包括母線大差回路和各段母線小差回路。大差是除母聯(lián)開(kāi)關(guān)和分段開(kāi)關(guān)外所有支路電流所構(gòu)成的差回路，某段母線的小差指該段所連接的包括母聯(lián)和分段斷路器的所有支路電流構(gòu)成的差動(dòng)回路。大差用于判別母線區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，小差用于故障母線的選擇。

這兩種原理在使用中最大的不同是微機(jī)母差引入大差的概念作為故障判據(jù)，反映出系統(tǒng)中母線節(jié)點(diǎn)和電流狀態(tài)，用以判斷是否真正發(fā)生母線故障，較傳統(tǒng)比率制動(dòng)式母差保護(hù)更可靠，可以最大限度地減少刀閘輔助接點(diǎn)位置不對(duì)應(yīng)而造成的母差保護(hù)誤動(dòng)作2。

對(duì)刀閘切換使用和監(jiān)測(cè)的比較傳統(tǒng)比率制動(dòng)式母差保護(hù)用開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)的刀閘輔助接點(diǎn)，控制切換繼電器的動(dòng)作與返回，電流回路和出口跳閘回路都依賴于刀閘輔助接點(diǎn)和切換繼電器接點(diǎn)的可靠性，刀閘輔助接點(diǎn)和切換繼電器的位置監(jiān)測(cè)是保護(hù)屏上的位置指示燈，至于繼電器接點(diǎn)好壞，在元件輕載的情況下無(wú)法知道。

微機(jī)保護(hù)裝置引入刀閘輔助觸點(diǎn)只是用于判別母線上各元件的連接位置，母線上各元件的電流回路和出口跳閘回路都是通過(guò)電流變換器輸入到裝置中變成數(shù)字量，各回路的電流切換用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，避免了因接點(diǎn)不可靠引起電流回路開(kāi)路的可能。

另外，微機(jī)母差保護(hù)裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)視和自檢刀閘輔助觸點(diǎn)，如各支路元件TA中有電流而無(wú)刀閘位置；兩母線刀閘并列；刀閘位置錯(cuò)位造成大差的差電流小于TA斷線定值但小差的差電流大于TA斷線定值時(shí)，均可以延時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。微機(jī)母差保護(hù)裝置是通過(guò)電流校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視和自檢刀閘輔助觸點(diǎn)，并自動(dòng)糾正刀閘輔助觸點(diǎn)的錯(cuò)誤的。運(yùn)行人員如果發(fā)現(xiàn)刀閘輔助觸點(diǎn)不可靠而影響母差保護(hù)運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)保護(hù)屏上附加的刀閘模擬盤(pán)，用手動(dòng)強(qiáng)制開(kāi)關(guān)指定刀閘的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。

對(duì)TA抗飽和能力的對(duì)比母線保護(hù)經(jīng)常承受穿越性故障的考驗(yàn)，而且在嚴(yán)重故障情況下必定造成部分TA飽和，因此抗飽和能力對(duì)母線保護(hù)是一個(gè)重要的參數(shù)。

1、傳統(tǒng)型母差保護(hù)

a. 對(duì)于外部故障，完全飽和TA的二次回路可以只用它的全部直流回路的電阻等值表示，即忽略電抗。某一支路TA飽和后，大部分不平衡電流被飽和TA的二次阻抗所旁路，差動(dòng)繼電器可靠不動(dòng)作。

b. 對(duì)于內(nèi)部故障，TA至少過(guò)1/4周波才會(huì)出現(xiàn)飽和，差動(dòng)繼電器可快速動(dòng)作并保持。

2、微機(jī)型母差保護(hù)

微機(jī)母差保護(hù)拋開(kāi)了TA電抗的變化判據(jù)，使用數(shù)學(xué)模型判據(jù)來(lái)檢測(cè)TA的飽和，效果更可靠。并且在TA飽和時(shí)自動(dòng)降低制動(dòng)的門(mén)檻值，保證差動(dòng)元件的正確動(dòng)作。TA飽和的檢測(cè)元件有兩個(gè)：

a. 采用新型的自適應(yīng)阻抗加權(quán)抗飽和方法，即利用電壓工頻變化量差動(dòng)元件和工頻變化量阻抗元件（前者）與工頻變化量電壓元件（后者）相對(duì)動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行比較，區(qū)內(nèi)故障時(shí)，同時(shí)動(dòng)作，區(qū)外故障時(shí)，前者滯后于后者。根據(jù)此動(dòng)作的特點(diǎn)，組成了自適應(yīng)的阻抗加權(quán)判據(jù)。由于此判據(jù)充分利用了區(qū)外故障發(fā)生TA飽和時(shí)差流不同于區(qū)內(nèi)故障時(shí)差流的特點(diǎn)，具有極強(qiáng)的抗TA飽和能力，而且區(qū)內(nèi)故障和一般轉(zhuǎn)換型故障(故障由母線區(qū)外轉(zhuǎn)至區(qū)內(nèi))時(shí)的動(dòng)作速度很快。

b. 用諧波制動(dòng)原理檢測(cè)TA飽和。這種原理利用了TA飽和時(shí)差流波形畸變和每周波存在線性傳變區(qū)等特點(diǎn)，根據(jù)差流中諧波分量的波形特征檢測(cè)TA飽和。該元件抗飽和能力很強(qiáng)，而且在區(qū)外故障TA飽和后發(fā)生同名相轉(zhuǎn)換性故障的極端情況下仍能快速切除故障母線。

從原理上分析，微機(jī)型母差保護(hù)的先進(jìn)性是顯而易見(jiàn)的。傳統(tǒng)型的母差判據(jù)受元件質(zhì)量影響很大，在元件老化的情況下，存在誤動(dòng)的可能。微機(jī)母差的軟件算法判據(jù)具備完善的裝置自檢功能，大大降低了裝置誤動(dòng)的可能。

TA二次負(fù)擔(dān)方面的比較比率制動(dòng)母差保護(hù)和微機(jī)母差保護(hù)都是將TA二次直接用電纜引到控制室母差保護(hù)屏端子排上，二者在電纜的使用上沒(méi)有差別，但因?yàn)閮烧叩碾娎|末端所帶設(shè)備不同，微機(jī)母差是電流變換器，電流變換器二次帶的小電阻，經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)；而傳統(tǒng)中阻抗的比率制動(dòng)式母差保護(hù)，變流器二次接的是165～301 Ω的電阻，因此這兩種母差保護(hù)二次所帶的負(fù)載有很大的不同，對(duì)于微機(jī)母差保護(hù)而言，一次TA的母差保護(hù)線圈所帶負(fù)擔(dān)很小，這極大地改善了TA的工況。

差動(dòng)元件動(dòng)作特性分析與對(duì)比比率差動(dòng)元件工作原理的對(duì)比常規(guī)比率差動(dòng)元件與微機(jī)母差保護(hù)工作原理上沒(méi)有本質(zhì)的不同，只是兩者的制動(dòng)電流不同。前者由本母線上各元件(含母聯(lián))的電流絕對(duì)值的和作為制動(dòng)量，后者將母線上除母聯(lián)、分段電流以外的各元件電流絕對(duì)值的和作為制動(dòng)量，差動(dòng)元件動(dòng)作量都是本母線上各元件電流矢量和絕對(duì)值。

常規(guī)比率差動(dòng)元件的動(dòng)作判據(jù)為：（如下圖）

式中Id——母線上各支路二次電流的矢量；

Idset——差電流定值；

K、Kr——比率制動(dòng)系數(shù)。

比較上述兩判據(jù)，當(dāng)K=Kr/(1+Kr)，亦即Kr=K/(1－K) 時(shí)，常規(guī)比率差動(dòng)和微機(jī)母差的復(fù)式比率差動(dòng)特性是一致的。

區(qū)內(nèi)故障的靈敏性考慮區(qū)內(nèi)故障，假設(shè)總故障電流為1，流出母線電流的百分比為Ext，即流入母線的電流為1+Ext。則Id=1,Ir=1+2Ext。對(duì)于常規(guī)比率差動(dòng)元件，由Id≥KIr得：1≥K（1+2Ext）。

綜上所述，母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，即使有故障電流流出母線，汲出電流滿足的條件，常規(guī)比率差動(dòng)元件和微機(jī)母差的復(fù)式比率差動(dòng)元件仍能可靠動(dòng)作。

區(qū)外故障的穩(wěn)定性假設(shè)穿越故障電流為I，故障支路的TA誤差達(dá)到δ，則Id=δ，Ir=2±δ。

對(duì)于常規(guī)比率差動(dòng)元件：

由Id