故障分量差动保护整定值与制动系数的关系

故障分量差动保护整定值与制动系数的关系

故障负荷电流是故障后电流和负荷分量之间的差值，由其组成的保护装置称为差动率保护。习惯上常用Δ计及故障分量,故也有人称之为“Δ差动继电器”。作为一种保护原理,故障分量差动保护应用于保护装置要经过一个加深认识和逐渐成熟的过程。理论分析表明,故障分量差动保护比普通差动保护有更高的灵敏度和更好的选择性,但是应用故障分量差动保护的保护装置有误动的现象,于是有人提出普通差动保护比故障分量差动保护可靠。因此有必要对其进行进一步分析和说明。本文对故障分量差动保护整定值的选取问题进行了讨论。首先分析了该差动保护整定值与制动系数的关系,然后讨论了故障分量差动保护整定值选取问题,最后以实际运行中一次区外故障的实例,阐述了故障分量差动保护整定值选取与常规差动保护的不同之处。1制动电流保护比率制动差动保护的通用特性如式1所示:{Ιd>ΙdminΙr≤ΙrminΙd>Ιdmin+Κ(Ιr-Ιrmin)Ιr>Ιrmin(1){Id>IdminIr≤IrminId>Idmin+K(Ir−Irmin)Ir>Irmin(1)式中Id为差动电流;Idmin为差动电流阈值;Irmin为拐点制动电流值;K为动作特性斜线段的斜率,其特性如图1所示。通常通过比较制动系数的大小来评价差动保护的动作性能:对于相同的制动电流Ires,当制动系数越大时,区内故障使保护能够动作的差动电流越大,保护动作越不灵敏;另一方面,对于区外故障而言,制动系数越大,允许两侧CT的饱和及暂态误差越大,保护越不容易误动。按照制动系数定义Kres=Iop/Ires(2)式中Iop为差动保护的动作电流;Ires为差动保护的制动电流。当差动保护动作特性不过原点时,Kres显然与差动保护动作特性中的斜率K是不同的,有必要对K与制动系数的关系作进一步的讨论。下面以同一K和不同的拐点制动电流值Irmin,对同样制动电流下的制动系数进行对比分析。由于当制动电流小于Irmin时,差动保护的动作取决于差电流阈值Idmin,与制动电流无关。此时制动系数无意义。下面仅讨论制动电流大于拐点制动电流,差动保护临界动作时制动系数与制动电流的关系。将式(1)代入式(2),可得此时制动系数的计算式为Κres=ΙdΙr=Ιdmin+Κ(Ιr-Ιrmin)Ιr=Κ+Ιdmin-ΚΙrminΙr(3)Kres=IdIr=Idmin+K(Ir−Irmin)Ir=K+Idmin−KIrminIr(3)可见:(1)当取Ιrmin=1ΚΙdminIrmin=1KIdmin时,差动保护的动作特性为过原点的斜线。当差动电流大于差电流阈值时,制动系数Kres不变,与动作特性的斜率K相等。若取Ιrmin<1ΚΙdminIrmin<1KIdmin,则制动系数Kres随着制动电流的增加而减小,逐渐趋进动作特性的斜率K。若取Ιrmin>1ΚΙdmin,则制动系数Kres随着制动电流的增加而增加,同样最终趋进动作特性的斜率K。(2)当制动电流大于拐点制动电流时,拐点制动电流越小,则制动系数Kres越大。制动系数Kres随着制动电流的增大,越来越逼近动作特性的斜率。即当发生严重故障时,保护动作的灵敏度仅与动作特性的斜率有关,而与差动电流阈值和拐点制动电流无关。以上结论适用于常规差动保护和故障分量差动保护。由以上分析可知,为了使发生外部故障时保护不误动作,拐点制动电流不能取得太大。通常取差电流阈值略大于正常情况下的最大不平衡电流。与此对应,取拐点制动电流为接近于正常情况下的制动电流。常规差动在正常工作时,制动电流大小为负荷电流,接近于额定电流。考虑到此时电流互感器误差较小,可以将拐点制动电流取在额定电流附近。但故障分量差动在非故障情况时,制动电流很小。因此若其拐点制动电流照搬常规差动的作法取为额定电流附近,就可能当区外发生故障时会误动。2保护装置的“度”问题,应当根据具体的背景发电机保护的安全性和可依赖性问题中,安全性和可依赖性是抽象的概念,对继电保护来说可以理解为继电保护既不能拒动,也不能误动。但由于选择性和灵敏性要求往往是一对不可调和的矛盾,因此在考虑具体问题时,就有一个“度”的问题。这种“度”的掌握其实和各种因素有关。对保护装置而言,安全性希望保护装置不要误动。为防止可能的误动,在计算整定值的时候应该偏于保守一点,如发电机差动的定值希望整定得大一点;而可依赖性希望保护装置不要拒动。为防止可能的拒动,在计算整定值的时候应该偏于激进一点,如发电机差动的定值希望整定得小一点,以减小“死区”,提高灵敏度。如何调和这一对矛盾,主要应从发电机设备和电力系统两方面的安全来考虑。文对故障分量差动保护的特性进行了讨论,但是没有具体说明整定值如何选取。2.1故障分量差动保护忽略负荷电流的误差之后,故障分量原理与传统原理的动作量相同。因此故障分量比率制动判据的差电流阈值ΔIdmin与传统的二段折线比率制动判据中定值Idmin相对应。常规差动运行多年,对于差电流阈值Idmin的整定积累了丰富经验,可参照后者来确定前者。理论上故障分量差动保护有效地消除了正常负荷分量下不平衡电流的影响,可以作到使动作特性在坐标原点附近的死区很小,故障分量差流阈值ΔIdmin和故障分量拐点制动电流ΔIrmin可以取较小值。但是ΔIdmin和ΔIrmin同常规差动保护的Idmin和Irmin一样,也必须考虑CT暂态误差、装置的测量精度和装置的电路性能等因素。因此采用故障分量原理仍然需要设置一差流故障分量阈值ΔId.min。为了保证在发生外部故障时保护不误动,故障分量差流阈值ΔIdmin不能取得太小,一般ΔIdmin可以取为0.2～0.5In。可以通过工艺水平、元器件质量等的提高,用软件调整CT变比等,尽量地减小差流故障分量ΔId的不平衡输出。这样可以使ΔIdmin降低从而有利于改善轻微内部故障的灵敏度,或者在同等ΔIdmin情况下,提高保护动作的安全性。2.2自适应故障分量差动保护整定值的确定故障分量差动保护的制动电流除去穿越性的负荷电流分量后,当发生外部故障时,故障分量差动保护的制动电流小于常规差动保护。为了保护在外部故障下不误动,通常在满足灵敏度要求情况下,动作特性曲线的斜率尽量取大一些。由于故障分量比率差动保护与常规的比率差动保护相比,其优越性主要在于内部故障工作区与非内部故障工作区之间的缓冲区很大。故障分量判据中的斜率K只要满足K<1,即使取大一些也不会影响保护灵敏度和制动作用,因此只要保证单侧电源投入时内部故障可靠动作,K可比常规差动保护的动作特性斜率K0取得大。动作特性斜率K一般可取0.3～0.8。建议取斜率K>0.5。常规差动保护的差电流阈值是按躲开正常负荷下最大的不平衡电流来整定的。考虑到当电流小于电流互感器额定电流时,电流互感器的误差很小,制动电流在额定电流附近无需起制动作用。因此通常拐点制动电流取在额定电流附近。但是故障分量制动电流在正常情况下较小,因此为了保证保护在区外故障时可靠制动,拐点制动电流整定值ΔIrmin不能太大。下面对故障分量的拐点制动电流的选取进行讨论。对于故障分量差动保护而言,其差流阈值ΔIdmin是由误差决定的,是一相对确定的值。为了保证差动保护在内部故障时的灵敏度,则其制动系数的取值有一上限值Kmax;另一方面,为了使保护在外部故障时不误动,保护制动系数的取值有一下限值Kmin。这样,保护斜线部分可整定的范围是由直线EB、BD和DK所界定的区域。其中直线OBE的斜率为保护制动系数的上限值Kmax;直线ABCD为ΔId=ΔIdmin的直线;直线ODK的斜率为保护制动系数的下限值Kmin。拐点制动电流ΔIr.min的选取范围是直线ABCD和OBE、ODK交点B和D的ΔIr值(如图2所示),即I1≤ΔIrmin≤I3。对于具体确定的ΔIdmin和K值,故障分量比率差动保护的动作特性取为在直线BE和直线DK之间斜率为K的斜线簇即可。斜线方程过原点只是保护的动作特性可取曲线的一种。为了适应现场实际的要求和保护方案的灵活配置,可在故障分量差动保护整定值中保留故障分量拐点制动电流整定值ΔIrmin。当要求差动保护的动作特性为过原点的斜线时,只需在整定时取ΔΙrmin=1ΚΔΙdmin即可。若取ΔΙrmin>1ΚΔΙdmin,斜线将沿横轴(ΔIr轴)向正方向平移,这样做有助于改善灵敏性,但会劣化制动特性;若取ΔΙrmin<1ΚΔΙdmin,斜线将沿横轴向负方向平移,这样做有助于增强制动性,但会劣化灵敏性。运行经验表明,应将ΔIrmin限制在不大于0.7In的范围内。当发生区外轻微故障时,故障电流中负荷电流占了较大的比例,同时考虑到在发生故障时暂态误差的影响可能使差动电流增大,制动电流减小,故障分量差动保护制动性能偏弱。为了提高其在发生区外故障时的可靠性,建议故障分量差动保护的拐点制动电流取小一些,即ΔΙrmin≤1ΚΔΙdmin。也就是适当将斜线向横轴左方平移,图3中拐点制动电流取I1和I2之间。当然,拐点制动电流如何取较好,要靠大量现场经验的积累。3误动的原因分析文介绍了在1回220kV线路C相发生单相接地故障时,发变组故障分量差动保护误动的情况。该保护的动作特性如图3所示。整定值(以发电机额定容量为基值,实际额定二次电流为I2e=2.5A)为:①差电流阈值ΔIdmin=0.32A(二次值为0.8A);②拐点制动电流整定值ΔIrmin=1.04A(二次值为2.6A);③制动特性曲线斜率K=0.6。根据保护动作后的故障报告记录,当时差电流动作值为ΔId=0.859A,大于ΔIdmin,而制动电流为ΔIr=2.6A,等于ΔIrmin,处于保护整定的拐点附近,差动保护水平段以上,但还未进入斜线制动段。这次误动的根本原因是对故障分量差动保护的整定值如何选取认识不清造成的。大量的理论分析和运行实践证明了故障分量差动比常规差动灵敏度高,但是在制动量方面两者截然不同,不能将后者的整定值照搬到前者上。常规差动保护基于制动电流不大于额定电流而无需制动作用,因而通常将拐点制动电流取在额定电流附近。但是故障分量制动电流在正常情况下较小,当其制动电流在额定电流附近时,差电流阈值可能不足以保证发生区外故障时可靠制动。在发变组的高压侧发生区外故障时,发电机提供的故障电流中负荷电流占了较大的比例,此时故障分量制动电流较小,拐点制动电流整定不能太大。根据前文的分析,可以取拐点制动电流值ΔIrmin不大于1ΚΔΙdmin,即0.32A/0.6A=0.53A(