电力系统中的数量差动保护

电力系统中的数量差动保护

0高电力系统运行可靠性分析随着电网规模的不断扩大和日益复杂，输入失败的短路电流也在增加。高速输入误差的快速保护可以减少输入误差造成的设备损坏，提高电气系统运行的可靠性。各种类型的母线差动保护按照其对母线接线方式、电网运行方式、故障类型以及故障点过渡电阻等方面的适应性来说,仍以按电流差动原理构成的母线差动保护为最佳。按电流差动原理构成的带制动特性的差动继电器,采用一次穿越电流作为制动电流,克服了区外故障时由于电流互感器误差而产生的差动不平衡电流,在电网中得到了广泛应用,目前使用较多的是BP-2B与RCS-915AB母线差动保护装置。1启动对象1.1和电流的和电流BP-2B母线差动保护的起动元件由“和电流突变量”和“差电流越限”两个判据组成,“和电流”是指母线上所有连接元件电流的绝对值之和Ir;“差电流”是指所有连接元件电流和的绝对值Id。(1)相撞击元件动作当任一相的和电流突变量大于突变量门坎时,该相起动元件动作,表达式如下:Δir>ΔIset(1)式中:Δir为和电流瞬时值比前一周波的突变量;ΔIset为突变量门槛值。(2)id/代身份证法当任一相的差电流大于差电流门坎定值时,该相起动元件动作,表达式如下:Id>Id,set(2)式中:Id为分相大差动电流;Id,set为差电流门槛值。BP-2B的起动元件为分相起动,分相返回;任一起动判据满足条件时差动起动条件就满足,另一起动判据不再进行判断。1.2rcs-915ab的启动RCS-915AB母线差动保护的起动元件由电压工频变化量元件与差流元件两个判据组成。(1)元件动作判据当两段母线任一相电压工频变化量大于门坎时电压工频变化量元件动作,判据为:ΔU>ΔUT+0.05UN(3)式中:ΔU为相电压工频变化量瞬时值;0.05UN为固定门槛;ΔUT为浮动门槛,随着变化量输出变化而逐步自动调整。(2)差动电流拉动定值Id>Icdzd(4)式中:Id为大差动相电流;Icdzd为差动电流起动定值。RCS-915AB母线差动保护电压工频变化量元件或差流元件起动后展宽500ms。1.3试验和新算法的介绍由两者起动元件的判据来看,BP-2B的差电流越限判据和RCS-915AB的差流元件原理是相同的,均是判断母线大差动相电流是否大于整定值,从而起动差动保护。BP-2B的和电流突变量起动元件从根本意义上说,和目前的微机线路保护、变压器保护等的突变量起动定值是相同原理的,电流突变量起动元件在国内得到了广泛应用,现场使用效果良好。RCS-915AB的电压工频变化量元件采用浮动门坎与固定门坎相结合的算法,对电压工频变化量的瞬时值进行分析,该判据在系统发生任何故障时,均会自适应地开放。采用故障时的电压量作为母线保护的起动判据,打破了以电流量来进行起动判别的常规做法,笔者认为是一个值得推广的思路,有利于母线保护的可靠起动。2差异处理2.1差电流制动分析BP-2B母线差动保护是以分相瞬时值复式比率差动元件为主的电流差动保护,其判据的动作方程如下:Id>Idset(5)Id>Kr×(Ir-Id)(6)式中:Idset为差电流门坎定值;Kr为复式比率制动系数。该差动原理比率制动斜率过原点,在式(5)和式(6)两个判据同时满足时认为动作条件满足。复式比率差动相对于传统的比率制动判据,由于在制动量的计算中引入了差电流,使其在母线区外故障时有极强的制动特性,在母线区内故障时无制动,因此更易区分区外故障和区内故障。其动作特性如图1所示。2.2现代机械压动中的复杂模型RCS-915AB母线差动保护是由两种判据组成,一种是常规的比率差动元件;一种是工频变化量比例差动元件,工频变化量比例差动元件是为了提高保护抗过渡电阻能力而设置的。(1)国际通用动作条件|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为比率制动系数;Ij为第j个连接元件的电流;Icdzd为差动电流起动定值。在(7)式和(8)式两个判据同时满足时认为动作条件满足。其动作特性如图2所示。(2)工艺参数选取及计算{|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′为工频变化量比率制动系数,母联开关处于合闸位置以及投单母或刀闸双跨时K′取0.75,而当母线分列运行时则自动转用比率制定系数低值,小差则固定取0.75;ΔIj为第j个连接元件的工频变化量电流;ΔDIT为差动电流起动浮动门坎;DIcdzd为差流起动的固定门坎。2.3bp-2m视频线路与rcs-295ab的动作判据RCS-915AB的工频变化量比例差动元件是该装置特有的,是为了提高保护抗过渡电阻的能力,减少保护性能受故障前系统功角关系的影响而设置的差动保护,在此不做分析,只分析BP-2B以复式比率差动元件为主的电流差动保护和RCS-915AB的常规比率差动元件的原理区别。从BP-2B母线差动保护的动作判据说明中可以看出,其动作判据(5)式中的Id定义为“差电流”,是指所有连接元件电流和的绝对值,因此BP-2B动作判据的(5)式和RCS-915AB的(7)式判据是相同的,均是指差动电流大于门坎值后进行起动。将BP-2B母线差动保护动作判据(6)式中的Id进行合并,得出(10)式,如下:Ιd＞Κr1+ΚrΙr(10)Id＞Kr1+KrIr(10)同样从BP-2B母线差动保护的动作判据说明中可以看出,其动作判据(6)式中的Ir定义为“和电流”,是指母线上所有连接元件电流的绝对值之和,因此,可以根据Id和Ir的定义,将(10)式等同表示为(11)式:|m∑j=1Ιj|＞Κr1+Κrm∑j=1|Ιj|(11)∣∣∣∣∑j=1mIj∣∣∣∣＞Kr1+Kr∑j=1m|Ij|(11)因此,BP-2B母线差动保护的动作判据(6)式实际就是(11)式,和RCS-915AB的动作判据(8)式是一致的。从上述分析中可以看出,BP-2B母线差动保护的动作判据和RCS-915AB母线差动保护的常规比率差动元件的动作判据是完全相同的,(11)式中的Κr1+ΚrKr1+Kr等同于(8)式中的比率制动系数K。2.4rcs-295ab中的损害赔偿算法为了防止母线差动保护在母线近端发生区外故障时,由于TA严重饱和出现差电流而引起误动作,目前的母线差动保护装置均设置有TA饱和的检测元件,用来判断差电流是否是由区外故障TA饱和引起的。但在差动保护的动作判据中仍然要考虑TA饱和这种情况。在BP-2B和RCS-915AB母线差动保护装置中比率制动系数的正确整定就能够可靠地躲过因区外故障同时TA饱和这种情况时的差电流。在此采用BP-2B母线差动保护装置来分析比率制动系数Kr与TA饱和时差动回路不平衡电流的关系。若令总流入电流为1,考虑到区外故障时故障支路的TA饱和引起的传变误差为δ(%),而其余支路的TA误差忽略不计,则计算出Id和Ir值见式(12)、(13),最终结果见式(14):Id=|1-δ-1|=δ(12)Ir=|1-δ|+|1|=2-δ(13)ΙdΙr-Ιd=δ2-2δ(14)根据复式比率差动继电器的动作判据可知,要保证区外故障时差动不误动,必须满足式(15):ΙdΙr-Ιd＜Κr(15)即δ2-2δ＜Κr(16)由式(16)可以计算出δ与Kr的取值如表1所示。从表1中的数据可以分析得出:复式比率制动系数Kr与TA饱和引起的传变误差δ成正比关系。当Kr值越大,则允许的故障支路的最大TA误差越大。当Kr整定为2时,在区外故障时允许故障支路的最大TA误差为80%而母差不会误动,其他的取值依此类推。从2.3分析中得出,式(11)中的Κr1+Κr等同于式(8)中的比率制动系数K,即式(17):Κ=Κr1+Κr(17)因此,对于RCS-915AB母线差动保护的比率制动系数K,利用(16)、(17)式计算相对应的BP-2B母线差动保护的Kr与δ值,如表2所示。BP-2B母线差动保护说明书推荐的比率制动系数Kr值为2,则对应的δ值为80%,RCS-915AB母线差动保护的比率制动系数K分为高值和低值,其区别在于母联开关处于合位或分位时大差比率差动元件的灵敏度会有所不同。高值和低值的推荐值为0.6和0.7,其对应的BP-2B的比率制动系数Kr值分别为1.5和2.33,取值分布在BP-2B推荐值2的两侧。同时,按照《3kV～110kV电网继电保护装置运行整定规程》6.2.5.2条例的要求:“母线差动保护的比率制动系数的选择,应可靠躲过外部故障时的最大不平衡电流整定,制动系数的取值可在0.3～0.7的范围内取”,因此两套母差保护的整定推荐值均在整定计算规程的范围内,且数值相近,区别仅在于RCS-915AB母线差动保护的比率制动系数在取值时按照运行方式的不同考虑的更全面一些,在系统某些特殊的运行方式时采用不同的比率制动系数是可取的,但在正常情况下如果差动元件的灵敏度可以满足要求则不需要取两个值。3对断裂带的损失进行保护3.1动保护装置介绍断路器失灵保护有两种实现方式,一种是母线保护装置与失灵起动装置进行配合,当母线所连的某断路器失灵时,由该线路或元件的失灵起动装置提供一个失灵起动接点给母线差动保护装置,母线差动保护装置在检测到某一失灵起动接点闭合后,即起动失灵出口逻辑,该思路在早期的母线差动保护设计中得到较多应用。目前的母线差动保护多采用的是自带电流检测元件的设计思路,只需将外部保护的动作接点接入母线差动保护的相应回路,具体的失灵电流判别在母线差动保护中实现。对外部保护,如果是线路保护则要求引入三跳接点和单跳接点,是变压器保护则要求引入三跳接点,同时需要将变压器的失灵解闭锁回路引入母线差动保护的相应开入接点,图3为BP-2B的断路器失灵保护实现原理图。3.2变压器保护型断路器的失灵保护采用复压闭锁元件进行闭锁,也就是采用低电压、负序电压和3倍零序电压来构成闭锁元件,该闭锁元件与母线差动保护的复压闭锁元件是类似的,其区别在于定值的整定与母线差动保护中的复压闭锁元件是有不同的灵敏系数要求的,该定值的整定需要满足失灵回路所接的线路末段或变压器其他侧故障时的灵敏度要求。此处的设计原理BP-2B和RCS-915AB两套保护装置是一致的。当失灵回路所接变压器时,因变压器阻抗相对于线路来说大得多,实际在定值整定时常存在变压器故障时失灵保护电压闭锁元件无法开放的情况,最常见的情况就是在变压器低压侧故障时,高压侧的母线电压下降很少,此时的复压闭锁元件不会动作。按照继电保护技术规程的要求,“发电机、变压器及高压电抗器断路器的失灵保护,为防止闭锁元件灵敏度不足应采取相应措施或不设闭锁回路”,同时按照母线保护的设计规范的要求,“为解决某些故障情况下,失灵保护电压闭锁元件灵敏度不足的问题,变压器支路应设置独立于失灵起动的解除电压闭锁开入回路”。为了解决变压器、发电机等失灵保护因保护灵敏度不足而不能投运的问题,依据国家电网公司所下发的继电保护实施细则,并结合现场实际情况,目前对变压器的断路器失灵保护在外回路中一般采取如下措施实现失灵解闭锁:(1)采用主变的本侧过电流保护动作,配合变压器本侧的断路器合闸位置两个条件组成的与逻辑去起动断路器失灵保护。(2)采用主变保护中由主变各侧复合电压闭锁元件动作所输出的空接点来解除断路器失灵保护的复合电压闭锁元件。因为所有的规范及规程只规定了变压器回路断路器失灵时要进行失灵解闭锁,但没说明是通过母线差动保护还是通过变压器保护来完成该功能。从继电保护的可靠性及安全性来讲,通过变压器保护完成解除电压闭锁方案,母线差动保护只保留解除电压闭锁开入,接到变压器保护的失灵解闭锁输出接点,从而实现失灵解闭锁功能,这种方案更为可靠一些,目前多种母线差动保护装置也是基于这种方案设计实现的。上述方案(2)因回路简单、容易实现,因此多采用该方案。不过其缺点是容易引起频繁解除电压闭锁,因变压器后备保护一般要作为线路和母线的远后备保护,因此在线路故障时复压闭锁元件极易开放,而变压器相对于线路故障的概率低得多,因此大多数解除电压闭锁的开入均为无用的“误开入”。对于BP-2B母线差动保护装置来说,若失灵回路为变压器,需要设置“主变失灵解闭锁”的开入接点。当该支路失灵保护起动接点和“主变失灵解闭锁”的开入接点同时动作时,即实现了解除该支路所在母线的失灵保护电压闭锁的功能,同时还需要在继电保护定值整定中将该回路定义为变压器。对于RCS-915AB母线差动保护装置来说,若失灵回路为变压器,可以通过控制字选择主变支路跳闸时失灵保护不经电压闭锁,这种情况下应同时将另一付跳闸接点接至解除失灵复压闭锁开入,该接点动作时才允许解除电压闭锁,在继电保护定值整定中需要将