張澄宇，楊國(guó)泉

(國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

發(fā)電廠和變電站的母線是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，在母線上連接著發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、調(diào)相設(shè)備等重要元件，母線在變電站中處于中樞地位，一旦母線上發(fā)生故障，需要及時(shí)將故障元件從系統(tǒng)中切除。本文比較了完全差動(dòng)保護(hù)和不完全差動(dòng)保護(hù)2種保護(hù)方案，提出了中低壓系統(tǒng)中母線保護(hù)的解決方案。

1 完全差動(dòng)保護(hù)和不完全差動(dòng)保護(hù)的比較

對(duì)于35 kV及以上電力系統(tǒng)而言，現(xiàn)在一般都裝設(shè)完全電流差動(dòng)保護(hù)。母線完全差動(dòng)保護(hù)是將母線上所有連接元件的電流互感器按同名相、同極性連接到差動(dòng)回路，電流互感器的特性與變比應(yīng)相同，若變比不能相同時(shí)，可進(jìn)行補(bǔ)償，滿足ΣI=0。差動(dòng)繼電器的動(dòng)作電流按下述條件計(jì)算、整定，取其最大值。

(1)躲開(kāi)外部短路時(shí)產(chǎn)生的不平衡電流;

(2)躲開(kāi)母線連接元件中最大負(fù)荷支路的最大負(fù)荷電流，以防止電流二次回路斷線時(shí)誤動(dòng)。

這種母線保護(hù)具備零秒切除故障的特點(diǎn)，但要求接入母線上所有的電流回路。在電力系統(tǒng)中，35 kV以下電壓等級(jí)由于沒(méi)有系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題，可以不裝設(shè)專(zhuān)門(mén)的母線保護(hù)，但對(duì)于發(fā)電廠和主要變電所的3～10 kV母線而言，在下列情況下應(yīng)裝設(shè)專(zhuān)用母線保護(hù):

(1)必須快速而有選擇地切除1段或1組母線上的故障，才能保證發(fā)電廠及電力網(wǎng)安全運(yùn)行和重要負(fù)荷的可靠供電;

(2)當(dāng)線路斷路器不允許切除線路電抗器前的短路時(shí)。

在電力系統(tǒng)中，35 kV及以下電壓等級(jí)的母線上連接的元件一般比較多，在這種情況下，采用完全電流差動(dòng)保護(hù)差電流回路較復(fù)雜，成本較高，可靠性不高，在這種情況下，可以考慮裝設(shè)專(zhuān)用的不完全差動(dòng)保護(hù)。母線不完全差動(dòng)保護(hù)連接母線電源元件上的電流互感器(包括發(fā)電機(jī)、變壓器、母聯(lián)、分段、有源線路等)，從而可以簡(jiǎn)化差動(dòng)保護(hù)的電流回路。這種回路設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致在無(wú)電源元件上發(fā)生故障，致使母線保護(hù)動(dòng)作。電流互感器不接入差動(dòng)回路的無(wú)電源元件是電抗器或變壓器?？紤]到故障時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)作用，將裝有同步電動(dòng)機(jī)的回路電流也接入母線差動(dòng)保護(hù)，將這些回路接入差動(dòng)回路的另一個(gè)目的是降低保護(hù)電流整定值，以滿足靈敏度的要求。裝設(shè)限流電抗器的斷路器，其電流互感器不接入母線差動(dòng)保護(hù)回路。差動(dòng)保護(hù)要求所有單元的電流互感器極性一致，對(duì)于母聯(lián)(分段)單元，可統(tǒng)一約定以一母聯(lián)上的1個(gè)普通單元來(lái)考慮，即母聯(lián)(分段)單元參與差動(dòng)電流計(jì)算時(shí)，對(duì)于一母聯(lián)而言，該電流按正極性考慮，“+”入一母聯(lián)差電流計(jì)算，對(duì)于二母聯(lián)，該電流按負(fù)極性考慮，“－”入一母聯(lián)差電流計(jì)算。

總之，中、低壓母線不完全差動(dòng)保護(hù)與完全差動(dòng)保護(hù)的原理不同，這2種母線保護(hù)要求接入保護(hù)裝置的電流回路不同，完全電流差動(dòng)保護(hù)要求接入母線上連接的所有元件的電流回路，而不完全差動(dòng)保護(hù)只需接入有電源支路的電流。

2 保護(hù)的配置和算法選擇

保護(hù)裝置接入母線，需接入(含母聯(lián)或分段)的三相電流(也可以是兩相電流)，通過(guò)各自的模擬通道、數(shù)據(jù)采集變換，形成相應(yīng)的數(shù)字量后按各相別分別計(jì)算差電流。對(duì)于每相的差動(dòng)判據(jù)，取各單元電流之和的絕對(duì)值作為差動(dòng)電流

式中:Ij為第j單元的電流;N為參與差動(dòng)計(jì)算的單元數(shù);Iop為差動(dòng)動(dòng)作電流。

當(dāng)任一相的差動(dòng)判據(jù)同時(shí)滿足判據(jù)時(shí)，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作于出口。差動(dòng)保護(hù)判別到動(dòng)作后，若差動(dòng)電流不返回，則差動(dòng)出口跳閘命令也不返回，出口跳閘命令需要至少保持40 ms，以確保母線所有連接單元斷路器可靠出口跳閘。上述差動(dòng)判據(jù)必須確保所有單元電流的總傳變變比相同。當(dāng)主電流互感器(TA)變比不一致時(shí)，在差流計(jì)算中，必須將各單元電流乘以各自相應(yīng)的通道平衡系數(shù)，使所有單元電流的總傳變變比(即“主TA變比與通道平衡系數(shù)之積”)相同。

保護(hù)裝置可以配置三段差動(dòng)過(guò)流，第1段采用無(wú)時(shí)限的電流速斷，該段保護(hù)作為母線保護(hù)的主保護(hù)，考慮在母線區(qū)內(nèi)故障和限流電抗器內(nèi)部故障時(shí)零秒切除故障。為防止母線保護(hù)出口接點(diǎn)誤粘連造成母線保護(hù)誤出口，考慮在母線保護(hù)第1段的電流速斷保護(hù)設(shè)置由低電壓、負(fù)序電壓、零序電壓或門(mén)條件組成的復(fù)合電壓閉鎖元件。第2段采用定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)，作為母線速斷保護(hù)和限流電抗器過(guò)電流保護(hù)的后備保護(hù)。當(dāng)靈敏系數(shù)不符合要求時(shí)，將一部分負(fù)荷較大的配電線路接入差動(dòng)回路，可直接接入差動(dòng)回路的出線回路。當(dāng)出線上發(fā)生故障且開(kāi)關(guān)拒動(dòng)時(shí)，母差保護(hù)起不到后備作用。為了解決此問(wèn)題，可在母線保護(hù)中增加1套公用附加定時(shí)限過(guò)流保護(hù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)附加過(guò)流)，該保護(hù)專(zhuān)門(mén)計(jì)算母線上接入差動(dòng)回路的出線上的差動(dòng)電流，動(dòng)作于接入本段母線上差動(dòng)回路的所有斷路器。母線保護(hù)第2段的定時(shí)限過(guò)流保護(hù)、附加過(guò)流保護(hù)都可作為饋線過(guò)電流保護(hù)的后備保護(hù)，在饋線故障時(shí)，母線電壓變化不一定顯著，為保證母線保護(hù)動(dòng)作的靈敏度，2種保護(hù)都不設(shè)置復(fù)合電壓閉鎖。

3 保護(hù)定值的整定計(jì)算

電流速斷段的整定。此段保護(hù)的主要任務(wù)是保護(hù)母線，當(dāng)限流電抗器內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，也按母線故障處理，不要求有選擇性。電流速段定值按滿足下列條件整定:

(1)按躲開(kāi)保護(hù)范圍外部故障的最大不平衡電流來(lái)考慮整定

式中:Kk為可靠系數(shù)，取1.30;Klh為電流互感器變比誤差，取0.1;Kfzq為非周期分量系數(shù)，取1.0 ～1.3;Id.max為母線差動(dòng)保護(hù)外部短路時(shí)流過(guò)保護(hù)的最大短路電流。

(2)在限流電抗器后發(fā)生短路時(shí):流過(guò)差動(dòng)保護(hù)的差電流等于故障點(diǎn)的總故障電流。由于電抗器的阻抗較大，母線上的殘余電壓比較高，會(huì)導(dǎo)致其他健全單元存在一定的負(fù)荷電流。電流的動(dòng)作值為

式中:Kk為可靠系數(shù)，取 1.25 ～1.30;Id.max為某一出線電抗器后短路時(shí)流過(guò)保護(hù)的最大短路電流;Kfh為考慮電動(dòng)機(jī)因電壓降低引起的電流增大系數(shù)，取1.2～1.3;Ifh為除故障出線以外所有未接入差動(dòng)保護(hù)的出線總負(fù)荷電流。

保護(hù)動(dòng)作不帶延時(shí)。靈敏度按母線短路校驗(yàn)，最低不應(yīng)小于1.5。

過(guò)電流段保護(hù)的整定。此段保護(hù)作為母線故障和限流電抗器故障的后備保護(hù)，按滿足以下條件整定:

(1)按躲開(kāi)未接入差動(dòng)保護(hù)的出線總負(fù)荷電流整定，即

式中:Kk為可靠系數(shù)，取1.25～1.30;Ifh為本母線上未接入差動(dòng)保護(hù)的出線總負(fù)荷電流;I'fh為其他母線轉(zhuǎn)移至該母線的負(fù)荷電流;Kzqd為電動(dòng)機(jī)負(fù)荷自啟動(dòng)系數(shù)，取 1.5～2.5，也可按實(shí)際自啟動(dòng)條件進(jìn)行計(jì)算。

(2)若按該母線的出線電抗器后面短路來(lái)考慮，則按在切除短路后母線差動(dòng)保護(hù)能可靠返回的條件來(lái)整定，即

式中:Kk為可靠系數(shù)，取1.20～1.30;Kf為返回系數(shù)，按實(shí)際繼電器類(lèi)型選取;Ifh為本母線上未接入差動(dòng)保護(hù)的出線總負(fù)荷電流;I'fh為其他母線轉(zhuǎn)移至本母線的負(fù)荷電流;Kfh為考慮電動(dòng)機(jī)因電壓降低引起的電流增大系數(shù)，取1.2～1.3;保護(hù)動(dòng)作時(shí)間按大于未接入母線差動(dòng)保護(hù)的各出線中過(guò)電流保護(hù)最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間整定。

附加定時(shí)限過(guò)流保護(hù)。該段保護(hù)用于接入差動(dòng)回路的負(fù)荷回路開(kāi)關(guān)拒動(dòng)的后備保護(hù)，按滿足以下條件整定。

(1)按躲開(kāi)接入差動(dòng)保護(hù)的出線總負(fù)荷電流整定，即

式中:Kk為可靠系數(shù)，取1.25～1.30;Ifh為本母線上接入差動(dòng)保護(hù)的出線總負(fù)荷電流;I'fh為其他母線轉(zhuǎn)移至本母線的負(fù)荷電流;Kzqd為電動(dòng)機(jī)負(fù)荷自啟動(dòng)系數(shù)，取1.5 ～2.5，也可按實(shí)際自啟動(dòng)條件進(jìn)行計(jì)算。

(2)按該母線的出線電抗器后面短路，而在切除短路后母線差動(dòng)保護(hù)能可靠返回的條件整定，即

式中:Kk為可靠系數(shù)，取1.20～1.30;Kf為返回系數(shù)，按實(shí)際繼電器類(lèi)型選取;Ifh為該母線上未接入差動(dòng)保護(hù)的出線總負(fù)荷電流;I'fh為其他母線轉(zhuǎn)移至該母線的負(fù)荷電流;Kfh為考慮電動(dòng)機(jī)因電壓降低引起的電流增大系數(shù)，取1.2～1.3;保護(hù)動(dòng)作時(shí)間按大于未接入母線差動(dòng)保護(hù)的各出線中過(guò)電流保護(hù)最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間整定。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)中、低壓電力系統(tǒng)中母線保護(hù)的特殊性，提出了不完全差動(dòng)保護(hù)的解決方案，詳細(xì)討論了不完全差動(dòng)保護(hù)的回路、算法、配置、整定等問(wèn)題，供設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員參考。

［1］王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1996.

［2］孫國(guó)凱，翟利民，柴玉華.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2002.