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(tái)電力系統(tǒng)擴(kuò)容，平臺(tái)用電負(fù)荷逐年加大，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。母線作為電能集輸?shù)年P(guān)鍵元件，一旦發(fā)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(fā)生在海上電站中心平臺(tái)，則周邊依托該中心平臺(tái)供電的井口平臺(tái)將大面積停電，嚴(yán)重時(shí)甚至造成電力系統(tǒng)崩潰，直接影響到平臺(tái)的正常生產(chǎn)運(yùn)營，因此設(shè)置母線保護(hù)至關(guān)重要[1-6]。作為主要電氣元件的主保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)具有動(dòng)作迅速、可靠性高的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。

1 母線差動(dòng)保護(hù)的基本原則

母線差動(dòng)保護(hù)一般要滿足三個(gè)基本要求，即可靠性、選擇性、速動(dòng)性。

（1）可靠性。當(dāng)母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，母線保護(hù)要及時(shí)動(dòng)作，避免拒動(dòng)；當(dāng)母線正常運(yùn)行或發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，母線保護(hù)要不誤動(dòng)。

（2）選擇性。母線差動(dòng)保護(hù)要能準(zhǔn)確辨別是區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障，做到對(duì)故障點(diǎn)的精準(zhǔn)識(shí)別。

（3）速動(dòng)性。當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)要能迅速切除故障元器件，最大程度保障非故障區(qū)域的正常運(yùn)行，減少停電面積。

海上平臺(tái)電力系統(tǒng)母線保護(hù)通常采用集中式母線保護(hù)，根據(jù)保護(hù)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(dòng)保護(hù)。高阻抗母線差動(dòng)保護(hù)要求一次側(cè)各CT（電流互感器）的變比必須保持一致，且勵(lì)磁曲線要高度重合。其雖能有效避開區(qū)外故障引起的不平衡電流，但因設(shè)備工藝要求較高，故未得到廣泛的應(yīng)用。因此，著重討論關(guān)于中、低阻抗的母線差動(dòng)保護(hù)。

2 母線差動(dòng)保護(hù)的原理

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

圖1 中母線有n條支路，d為故障點(diǎn)，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(dòng)保護(hù)原理Fig.1 Principle of single-bus differential protection

（1）由基爾霍夫電流定律可知，當(dāng)電站平臺(tái)母線正常運(yùn)行或者平臺(tái)母線發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，流入母線連接元件的電流等于流出該元件的電流。

（2）當(dāng)電站平臺(tái)母線發(fā)生短路故障時(shí)，原本由電源供電的元件迅速通過故障點(diǎn)釋放短路電流，流過元件自身的電流為零，此時(shí)關(guān)聯(lián)設(shè)備失電。

（3）從電流相位角度分析，當(dāng)電站平臺(tái)母線正常運(yùn)行或者平臺(tái)母線發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，至少有一個(gè)元件的相位與其他剩余元件的相位相反；當(dāng)電站平臺(tái)母線發(fā)生短路故障時(shí)，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(dòng)保護(hù)

低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)，其電流繼電器阻抗較小，通常僅有數(shù)歐姆。因此，掛接在平臺(tái)母線上的各支路CT 二次負(fù)荷低、電壓低、CT 飽和度也低。當(dāng)發(fā)生母線區(qū)內(nèi)短路時(shí)，由于電流繼電器阻抗較小，全部故障電流在差流回路中產(chǎn)生的壓降較小，對(duì)CT 飽和誤差影響較小。當(dāng)發(fā)生母線區(qū)外短路故障時(shí)，所有故障電流通過故障支路釋放，而此時(shí)差流回路的阻抗小，故會(huì)產(chǎn)生較大的不平衡電流，使得CT 趨于飽和，進(jìn)而有可能發(fā)生誤動(dòng)。因此，有必要通過定值判別、CT 飽和判別、復(fù)雜的制動(dòng)措施等手段，避免母線差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

3.1 低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)裝置系統(tǒng)

低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)裝置系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)裝置系統(tǒng)Fig.2 Low impedance bus differential protection device system

圖2中：①為前置數(shù)字濾波器，用來濾掉衰減直流分量以及其他奇變信號(hào)；②為電流互感器輸入電流比例匹配器，它能使輸入電流轉(zhuǎn)換成互感器的一次測(cè)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(dòng)電流計(jì)算器；⑤為制動(dòng)電流計(jì)算器；⑥為差動(dòng)電流回路；⑦和⑧分別為低制動(dòng)和高制動(dòng)動(dòng)作特性生成器；⑨為CT 電流互感飽和監(jiān)視器，它能依據(jù)電流互感器飽和后的飽和電壓及由此在差動(dòng)回路中產(chǎn)生的電流來判斷電流互感器是否飽和，輸出一個(gè)電流互感器飽和標(biāo)志；⑩為輸入電流方向判斷器，用以判斷發(fā)生區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障；⑩為輸出邏輯單元，它綜合了差動(dòng)、方向及飽和標(biāo)志綜合判斷是否快速、可靠的發(fā)出跳閘脈沖。

3.2 低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)、外故障判別

理想情況下，當(dāng)電站平臺(tái)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，流入差動(dòng)回路的電流為同相位，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，流入差動(dòng)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(zhǔn)的電流相位比較動(dòng)作與制動(dòng)特性如圖3所示。

圖3 區(qū)內(nèi)、外部故障時(shí)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(dāng)電站平臺(tái)母線發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，流入差動(dòng)回路的電流相位接近180°，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，流入差回路的電流相位接近于0°。

3.3 低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算

制動(dòng)特性曲線將平面分成動(dòng)作區(qū)和制動(dòng)區(qū)，啟動(dòng)電流門檻=制動(dòng)電流×tngθ，tngθ為25%～60%。

整定計(jì)算：?jiǎn)?dòng)電流按躲開正常運(yùn)行時(shí)最大不平衡電流進(jìn)行整定，正常運(yùn)行不平衡電流的值不大于最大負(fù)荷電流的10%。

圖4為啟動(dòng)電流與制動(dòng)電流的關(guān)系。

圖4 低阻抗母差保護(hù)制動(dòng)特性曲線Fig.4 Protective braking characteristics curve of low impedance bus difference

低拐點(diǎn)（第一拐點(diǎn)）為電流互感器起始飽和點(diǎn)，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(diǎn)（第二拐點(diǎn)）為電流互感器飽和點(diǎn)，一般為電流互感器額定電流20 倍，其斜率一般為tngθ2=60%。兩個(gè)斜率的延長線大致通過坐標(biāo)原點(diǎn)。

通常情況下啟動(dòng)電流按照最大負(fù)荷電流的20%進(jìn)行核算。表1所示為電流互感器的基礎(chǔ)資料；表2 所示為電流互感器現(xiàn)行的運(yùn)行限定；表3 所示為低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)的整定。

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

表2 電流互感器現(xiàn)行運(yùn)行限定Tab.2 Current operating limit of current transformer

表3 低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)整定Tab.3 Low impedance bus differential protection setting

4 中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)

一般在差動(dòng)回路中串接300～600 Ω 的中阻抗進(jìn)行的保護(hù)稱為中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)。與低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)相比，中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)結(jié)合比例制動(dòng)特性，具有故障時(shí)動(dòng)作速度快、靈敏度高、抗飽和能力強(qiáng)、受區(qū)外故障CT 飽和的影響小等特性，因此被廣泛應(yīng)用于電站平臺(tái)母線保護(hù)中。

4.1 中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)原理

中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)原理接線（圖5）。

圖5 中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)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(diǎn)；TAa 及TAb 為電流互感器一次側(cè)A 相及B 相；Tma 及Tmb 為電流互感器二次側(cè)A 相及B 相；各進(jìn)出線同一相的全波整流器D1、D2為差動(dòng)電路，D3、D4、D5、D6為制動(dòng)電路；TMD為中間變流器；DL為啟動(dòng)電路；CLJ為啟動(dòng)繼電器；CDJ為差動(dòng)繼電器；R 為分流電阻；RS/2 為制動(dòng)電阻；Rcd為差動(dòng)回路電阻；IT為循環(huán)臂中的制動(dòng)電流；Icd為差動(dòng)回路中的電流；Idz為流經(jīng)差動(dòng)繼電器中的電流。

4.2 中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)外故障

中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)的靈敏度高，通常采用比率制動(dòng)原理，以差動(dòng)電流為動(dòng)作量，以母線上電流絕對(duì)值之和為制動(dòng)量，綜合判斷后動(dòng)作。當(dāng)電站平臺(tái)母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)能在故障發(fā)生5 ms 以內(nèi)（CT 尚未出現(xiàn)飽和之前）可靠動(dòng)作；當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，只要由差動(dòng)保護(hù)端子看向CT 側(cè)的二次回路總電阻小于此電阻，母線差動(dòng)保護(hù)能在發(fā)生區(qū)外故障時(shí)可靠動(dòng)作。如故障CT 出現(xiàn)飽和，其勵(lì)磁電抗下降，由于差動(dòng)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(lì)磁電抗的下降而更多地流向出現(xiàn)飽和的CT，并更多地成為制動(dòng)電流。因此，中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)有著很好的抗CT飽和能力。

4.3 中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算

由于電流互感器是恒流源，啟動(dòng)繼電器中的電流與制動(dòng)回路無關(guān)，所以中阻抗母線差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)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(shí)流入差動(dòng)回路中的電流進(jìn)行核算。

（1）按照躲開區(qū)外故障最大不平衡電流進(jìn)行整定，啟動(dòng)繼電器的一次動(dòng)作電流為

靈敏度校驗(yàn)：

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

（2）差動(dòng)繼電器啟動(dòng)電流的計(jì)算，按照躲開區(qū)外短路電流流入差回路的電流進(jìn)行整定。

靈敏度校驗(yàn)：

式中：ICDJ.dz為差動(dòng)繼電器起動(dòng)電流；tana1為制動(dòng)系數(shù)；tana2為動(dòng)作系數(shù)；IT.min為區(qū)外故障最小不平衡電流。

差動(dòng)保護(hù)的一次動(dòng)作電流應(yīng)考慮CT 的中間變流器TMD的變比，由于制動(dòng)回路的作用，當(dāng)電站平臺(tái)母線發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，流入差動(dòng)繼電器的電流比差動(dòng)回路中的電流?。划?dāng)電站平臺(tái)母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，流入差動(dòng)繼電器的電流比差動(dòng)回路中的電流大，因此，可以通過調(diào)節(jié)制動(dòng)電阻改變保護(hù)裝置的靈敏度。

5 結(jié)束語

隨著海上油氣平臺(tái)電網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)容，遠(yuǎn)距離、大容量、超高壓交流以及直流設(shè)備的大量投運(yùn)，使得平臺(tái)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和動(dòng)態(tài)特性漸趨復(fù)雜化，同時(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行中的安全隱患也趨于多樣化。母線作為電能集輸?shù)年P(guān)鍵元件，其安全、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，一旦發(fā)生線路故障，將對(duì)平臺(tái)的正常生產(chǎn)運(yùn)營帶來較大影響。若線路故障發(fā)生在井口平臺(tái)，單個(gè)井口平臺(tái)失電，停電面積小，影響范圍有限；若線路故障發(fā)生在電站中心平臺(tái)，則周邊依托該平臺(tái)供電的井口平臺(tái)將大面積停電，直接影響到多個(gè)平臺(tái)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)平臺(tái)停產(chǎn)還會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。母線差動(dòng)保護(hù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速、可靠性高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在海上平臺(tái)生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用。