電力系統(tǒng)中的數(shù)量差動保護

0高電力系統(tǒng)運行可靠性分析隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和日益復雜，輸入失敗的短路電流也在增加。高速輸入誤差的快速保護可以減少輸入誤差造成的設備損壞，提高電氣系統(tǒng)運行的可靠性。各種類型的母線差動保護按照其對母線接線方式、電網(wǎng)運行方式、故障類型以及故障點過渡電阻等方面的適應性來說,仍以按電流差動原理構成的母線差動保護為最佳。按電流差動原理構成的帶制動特性的差動繼電器,采用一次穿越電流作為制動電流,克服了區(qū)外故障時由于電流互感器誤差而產生的差動不平衡電流,在電網(wǎng)中得到了廣泛應用,目前使用較多的是BP-2B與RCS-915AB母線差動保護裝置。1啟動對象1.1和電流的和電流BP-2B母線差動保護的起動元件由“和電流突變量”和“差電流越限”兩個判據(jù)組成,“和電流”是指母線上所有連接元件電流的絕對值之和Ir;“差電流”是指所有連接元件電流和的絕對值Id。(1)相撞擊元件動作當任一相的和電流突變量大于突變量門坎時,該相起動元件動作,表達式如下:Δir>ΔIset(1)式中:Δir為和電流瞬時值比前一周波的突變量;ΔIset為突變量門檻值。(2)id/代身份證法當任一相的差電流大于差電流門坎定值時,該相起動元件動作,表達式如下:Id>Id,set(2)式中:Id為分相大差動電流;Id,set為差電流門檻值。BP-2B的起動元件為分相起動,分相返回;任一起動判據(jù)滿足條件時差動起動條件就滿足,另一起動判據(jù)不再進行判斷。1.2rcs-915ab的啟動RCS-915AB母線差動保護的起動元件由電壓工頻變化量元件與差流元件兩個判據(jù)組成。(1)元件動作判據(jù)當兩段母線任一相電壓工頻變化量大于門坎時電壓工頻變化量元件動作,判據(jù)為:ΔU>ΔUT+0.05UN(3)式中:ΔU為相電壓工頻變化量瞬時值;0.05UN為固定門檻;ΔUT為浮動門檻,隨著變化量輸出變化而逐步自動調整。(2)差動電流拉動定值Id>Icdzd(4)式中:Id為大差動相電流;Icdzd為差動電流起動定值。RCS-915AB母線差動保護電壓工頻變化量元件或差流元件起動后展寬500ms。1.3試驗和新算法的介紹由兩者起動元件的判據(jù)來看,BP-2B的差電流越限判據(jù)和RCS-915AB的差流元件原理是相同的,均是判斷母線大差動相電流是否大于整定值,從而起動差動保護。BP-2B的和電流突變量起動元件從根本意義上說,和目前的微機線路保護、變壓器保護等的突變量起動定值是相同原理的,電流突變量起動元件在國內得到了廣泛應用,現(xiàn)場使用效果良好。RCS-915AB的電壓工頻變化量元件采用浮動門坎與固定門坎相結合的算法,對電壓工頻變化量的瞬時值進行分析,該判據(jù)在系統(tǒng)發(fā)生任何故障時,均會自適應地開放。采用故障時的電壓量作為母線保護的起動判據(jù),打破了以電流量來進行起動判別的常規(guī)做法,筆者認為是一個值得推廣的思路,有利于母線保護的可靠起動。2差異處理2.1差電流制動分析BP-2B母線差動保護是以分相瞬時值復式比率差動元件為主的電流差動保護,其判據(jù)的動作方程如下:Id>Idset(5)Id>Kr×(Ir-Id)(6)式中:Idset為差電流門坎定值;Kr為復式比率制動系數(shù)。該差動原理比率制動斜率過原點,在式(5)和式(6)兩個判據(jù)同時滿足時認為動作條件滿足。復式比率差動相對于傳統(tǒng)的比率制動判據(jù),由于在制動量的計算中引入了差電流,使其在母線區(qū)外故障時有極強的制動特性,在母線區(qū)內故障時無制動,因此更易區(qū)分區(qū)外故障和區(qū)內故障。其動作特性如圖1所示。2.2現(xiàn)代機械壓動中的復雜模型RCS-915AB母線差動保護是由兩種判據(jù)組成,一種是常規(guī)的比率差動元件;一種是工頻變化量比例差動元件,工頻變化量比例差動元件是為了提高保護抗過渡電阻能力而設置的。(1)國際通用動作條件|m∑j=1Ιj|＞Ιcdzd(7)|m∑j=1Ιj|＞Κm∑j=1|Ιj|(8)∣∣∣∣∑j=1mIj∣∣∣∣＞Icdzd(7)∣∣∣∣∑j=1mIj∣∣∣∣＞K∑j=1m|Ij|(8)式中:K為比率制動系數(shù);Ij為第j個連接元件的電流;Icdzd為差動電流起動定值。在(7)式和(8)式兩個判據(jù)同時滿足時認為動作條件滿足。其動作特性如圖2所示。(2)工藝參數(shù)選取及計算{|Δm∑j=1Ιj|＞ΔDΙΤ+DΙcdzd|Δm∑j=1Ιj|＞Κ′Δm∑j=1|ΔΙj|(9)???????????????∣∣∣∣Δ∑j=1mIj∣∣∣∣＞ΔDIT+DIcdzd∣∣∣∣Δ∑j=1mIj∣∣∣∣＞K′Δ∑j=1m|ΔIj|(9)式中:K′為工頻變化量比率制動系數(shù),母聯(lián)開關處于合閘位置以及投單母或刀閘雙跨時K′取0.75,而當母線分列運行時則自動轉用比率制定系數(shù)低值,小差則固定取0.75;ΔIj為第j個連接元件的工頻變化量電流;ΔDIT為差動電流起動浮動門坎;DIcdzd為差流起動的固定門坎。2.3bp-2m視頻線路與rcs-295ab的動作判據(jù)RCS-915AB的工頻變化量比例差動元件是該裝置特有的,是為了提高保護抗過渡電阻的能力,減少保護性能受故障前系統(tǒng)功角關系的影響而設置的差動保護,在此不做分析,只分析BP-2B以復式比率差動元件為主的電流差動保護和RCS-915AB的常規(guī)比率差動元件的原理區(qū)別。從BP-2B母線差動保護的動作判據(jù)說明中可以看出,其動作判據(jù)(5)式中的Id定義為“差電流”,是指所有連接元件電流和的絕對值,因此BP-2B動作判據(jù)的(5)式和RCS-915AB的(7)式判據(jù)是相同的,均是指差動電流大于門坎值后進行起動。將BP-2B母線差動保護動作判據(jù)(6)式中的Id進行合并,得出(10)式,如下:Ιd＞Κr1+ΚrΙr(10)Id＞Kr1+KrIr(10)同樣從BP-2B母線差動保護的動作判據(jù)說明中可以看出,其動作判據(jù)(6)式中的Ir定義為“和電流”,是指母線上所有連接元件電流的絕對值之和,因此,可以根據(jù)Id和Ir的定義,將(10)式等同表示為(11)式:|m∑j=1Ιj|＞Κr1+Κrm∑j=1|Ιj|(11)∣∣∣∣∑j=1mIj∣∣∣∣＞Kr1+Kr∑j=1m|Ij|(11)因此,BP-2B母線差動保護的動作判據(jù)(6)式實際就是(11)式,和RCS-915AB的動作判據(jù)(8)式是一致的。從上述分析中可以看出,BP-2B母線差動保護的動作判據(jù)和RCS-915AB母線差動保護的常規(guī)比率差動元件的動作判據(jù)是完全相同的,(11)式中的Κr1+ΚrKr1+Kr等同于(8)式中的比率制動系數(shù)K。2.4rcs-295ab中的損害賠償算法為了防止母線差動保護在母線近端發(fā)生區(qū)外故障時,由于TA嚴重飽和出現(xiàn)差電流而引起誤動作,目前的母線差動保護裝置均設置有TA飽和的檢測元件,用來判斷差電流是否是由區(qū)外故障TA飽和引起的。但在差動保護的動作判據(jù)中仍然要考慮TA飽和這種情況。在BP-2B和RCS-915AB母線差動保護裝置中比率制動系數(shù)的正確整定就能夠可靠地躲過因區(qū)外故障同時TA飽和這種情況時的差電流。在此采用BP-2B母線差動保護裝置來分析比率制動系數(shù)Kr與TA飽和時差動回路不平衡電流的關系。若令總流入電流為1,考慮到區(qū)外故障時故障支路的TA飽和引起的傳變誤差為δ(%),而其余支路的TA誤差忽略不計,則計算出Id和Ir值見式(12)、(13),最終結果見式(14):Id=|1-δ-1|=δ(12)Ir=|1-δ|+|1|=2-δ(13)ΙdΙr-Ιd=δ2-2δ(14)根據(jù)復式比率差動繼電器的動作判據(jù)可知,要保證區(qū)外故障時差動不誤動,必須滿足式(15):ΙdΙr-Ιd＜Κr(15)即δ2-2δ＜Κr(16)由式(16)可以計算出δ與Kr的取值如表1所示。從表1中的數(shù)據(jù)可以分析得出:復式比率制動系數(shù)Kr與TA飽和引起的傳變誤差δ成正比關系。當Kr值越大,則允許的故障支路的最大TA誤差越大。當Kr整定為2時,在區(qū)外故障時允許故障支路的最大TA誤差為80%而母差不會誤動,其他的取值依此類推。從2.3分析中得出,式(11)中的Κr1+Κr等同于式(8)中的比率制動系數(shù)K,即式(17):Κ=Κr1+Κr(17)因此,對于RCS-915AB母線差動保護的比率制動系數(shù)K,利用(16)、(17)式計算相對應的BP-2B母線差動保護的Kr與δ值,如表2所示。BP-2B母線差動保護說明書推薦的比率制動系數(shù)Kr值為2,則對應的δ值為80%,RCS-915AB母線差動保護的比率制動系數(shù)K分為高值和低值,其區(qū)別在于母聯(lián)開關處于合位或分位時大差比率差動元件的靈敏度會有所不同。高值和低值的推薦值為0.6和0.7,其對應的BP-2B的比率制動系數(shù)Kr值分別為1.5和2.33,取值分布在BP-2B推薦值2的兩側。同時,按照《3kV～110kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》6.2.5.2條例的要求:“母線差動保護的比率制動系數(shù)的選擇,應可靠躲過外部故障時的最大不平衡電流整定,制動系數(shù)的取值可在0.3～0.7的范圍內取”,因此兩套母差保護的整定推薦值均在整定計算規(guī)程的范圍內,且數(shù)值相近,區(qū)別僅在于RCS-915AB母線差動保護的比率制動系數(shù)在取值時按照運行方式的不同考慮的更全面一些,在系統(tǒng)某些特殊的運行方式時采用不同的比率制動系數(shù)是可取的,但在正常情況下如果差動元件的靈敏度可以滿足要求則不需要取兩個值。3對斷裂帶的損失進行保護3.1動保護裝置介紹斷路器失靈保護有兩種實現(xiàn)方式,一種是母線保護裝置與失靈起動裝置進行配合,當母線所連的某斷路器失靈時,由該線路或元件的失靈起動裝置提供一個失靈起動接點給母線差動保護裝置,母線差動保護裝置在檢測到某一失靈起動接點閉合后,即起動失靈出口邏輯,該思路在早期的母線差動保護設計中得到較多應用。目前的母線差動保護多采用的是自帶電流檢測元件的設計思路,只需將外部保護的動作接點接入母線差動保護的相應回路,具體的失靈電流判別在母線差動保護中實現(xiàn)。對外部保護,如果是線路保護則要求引入三跳接點和單跳接點,是變壓器保護則要求引入三跳接點,同時需要將變壓器的失靈解閉鎖回路引入母線差動保護的相應開入接點,圖3為BP-2B的斷路器失靈保護實現(xiàn)原理圖。3.2變壓器保護型斷路器的失靈保護采用復壓閉鎖元件進行閉鎖,也就是采用低電壓、負序電壓和3倍零序電壓來構成閉鎖元件,該閉鎖元件與母線差動保護的復壓閉鎖元件是類似的,其區(qū)別在于定值的整定與母線差動保護中的復壓閉鎖元件是有不同的靈敏系數(shù)要求的,該定值的整定需要滿足失靈回路所接的線路末段或變壓器其他側故障時的靈敏度要求。此處的設計原理BP-2B和RCS-915AB兩套保護裝置是一致的。當失靈回路所接變壓器時,因變壓器阻抗相對于線路來說大得多,實際在定值整定時常存在變壓器故障時失靈保護電壓閉鎖元件無法開放的情況,最常見的情況就是在變壓器低壓側故障時,高壓側的母線電壓下降很少,此時的復壓閉鎖元件不會動作。按照繼電保護技術規(guī)程的要求,“發(fā)電機、變壓器及高壓電抗器斷路器的失靈保護,為防止閉鎖元件靈敏度不足應采取相應措施或不設閉鎖回路”,同時按照母線保護的設計規(guī)范的要求,“為解決某些故障情況下,失靈保護電壓閉鎖元件靈敏度不足的問題,變壓器支路應設置獨立于失靈起動的解除電壓閉鎖開入回路”。為了解決變壓器、發(fā)電機等失靈保護因保護靈敏度不足而不能投運的問題,依據(jù)國家電網(wǎng)公司所下發(fā)的繼電保護實施細則,并結合現(xiàn)場實際情況,目前對變壓器的斷路器失靈保護在外回路中一般采取如下措施實現(xiàn)失靈解閉鎖:(1)采用主變的本側過電流保護動作,配合變壓器本側的斷路器合閘位置兩個條件組成的與邏輯去起動斷路器失靈保護。(2)采用主變保護中由主變各側復合電壓閉鎖元件動作所輸出的空接點來解除斷路器失靈保護的復合電壓閉鎖元件。因為所有的規(guī)范及規(guī)程只規(guī)定了變壓器回路斷路器失靈時要進行失靈解閉鎖,但沒說明是通過母線差動保護還是通過變壓器保護來完成該功能。從繼電保護的可靠性及安全性來講,通過變壓器保護完成解除電壓閉鎖方案,母線差動保護只保留解除電壓閉鎖開入,接到變壓器保護的失靈解閉鎖輸出接點,從而實現(xiàn)失靈解閉鎖功能,這種方案更為可靠一些,目前多種母線差動保護裝置也是基于這種方案設計實現(xiàn)的。上述方案(2)因回路簡單、容易實現(xiàn),因此多采用該方案。不過其缺點是容易引起頻繁解除電壓閉鎖,因變壓器后備保護一般要作為線路和母線的遠后備保護,因此在線路故障時復壓閉鎖元件極易開放,而變壓器相對于線路故障的概率低得多,因此大多數(shù)解除電壓閉鎖的開入均為無用的“誤開入”。對于BP-2B母線差動保護裝置來說,若失靈回路為變壓器,需要設置“主變失靈解閉鎖”的開入接點。當該支路失靈保護起動接點和“主變失靈解閉鎖”的開入接點同時動作時,即實現(xiàn)了解除該支路所在母線的失靈保護電壓閉鎖的功能,同時還需要在繼電保護定值整定中將該回路定義為變壓器。對于RCS-915AB母線差動保護裝置來說,若失靈回路為變壓器,可以通過控制字選擇主變支路跳閘時失靈保護不經(jīng)電壓閉鎖,這種情況下應同時將另一付跳閘接點接至解除失靈復壓閉鎖開入,該接點動作時才允許解除電壓閉鎖,在繼電保護定值整定中需要將