差動(dòng)保護(hù)及比率差動(dòng)保護(hù)

1、差動(dòng)保護(hù)主要是內(nèi)部短路的保護(hù)，但當(dāng)外部故障時(shí)有不平衡電流可能穿越差動(dòng)保護(hù)電流互感器，造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。因此為了躲過外部故障時(shí)不平衡電流引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，采用了制動(dòng)電流來平衡穿越電流引起差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)電流。7 m' _! n) ' p5 s5 n發(fā)電機(jī)采用機(jī)端電流作為制動(dòng)電流，能在外部短路時(shí)取得足夠的制動(dòng)電流，又能在內(nèi)部短路時(shí)減少中性點(diǎn)電流的制動(dòng)作用。變壓器采用二次諧波作為勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)。7 . M  5 F- t# g' ! U& z+ Q) _6 p    一般設(shè)有CT斷線閉鎖保護(hù)。如下圖：3 2 5 _2 I+ S

2、0 z圖中Ie為額定電流，7 |% z. U2 M* M3 M3 KIcdqd為啟動(dòng)電流，( ( o1 * H0 M4 lIr為制動(dòng)電流，1 l$ V" j* j" BKb1為比率制動(dòng)系數(shù)。( j0 A% K0 O6 7 |. N. e# a陰影部分為動(dòng)作區(qū)      差動(dòng)保護(hù)靈敏度與啟動(dòng)電流、制動(dòng)系數(shù)和原理之間的關(guān)系摘要：分析了差動(dòng)保護(hù)的有關(guān)整定原則，明確提出了差動(dòng)保護(hù)的靈敏度與許多因素有關(guān)，如定值、原理和實(shí)現(xiàn)方式等。不能僅改變某一個(gè)因素(如定值)來提高靈敏度，而需要綜合考慮各個(gè)因素的影響，否則適得其反。. _! a7 p; f2

3、) s4 ?0 o$ H0  引言- Y$ P! % 3 P/ I! T2 b+ S4 o    隨著繼電保護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，技術(shù)人員對(duì)保護(hù)的認(rèn)識(shí)越來越深刻，對(duì)許多繼電保護(hù)約定俗成的做法開始了反思。如規(guī)程上對(duì)差動(dòng)保護(hù)規(guī)定：使用比率制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)，不要校核靈敏度，其靈敏度自然滿足。那么這個(gè)“自然滿足”的靈敏度是什么靈敏度呢?其實(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)而言，就是在發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生兩相短路，該差動(dòng)繼電器的靈敏度校驗(yàn)結(jié)果肯定能夠滿足要求；在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中，經(jīng)常有人將保護(hù)中的比率制動(dòng)系數(shù)和比率制動(dòng)斜率混淆，究竟這兩個(gè)概念有什么區(qū)別，又有什么聯(lián)系?標(biāo)積制動(dòng)原理對(duì)提

4、高差動(dòng)保護(hù)的靈敏度有什么有利的地方，它和比率制動(dòng)之間又有什么關(guān)系，它們之間從根本上是否一致呢?本文就這些用戶所關(guān)心的問題展開深入的分析和討論，并闡明作者自己的觀點(diǎn)1,2 。 $ D- Q  n7 b3 c1  差動(dòng)保護(hù)靈敏度系數(shù)的定義與校驗(yàn) 6 y% K( X* $ S" e9       設(shè)流入發(fā)電機(jī)的電流為正方向，取繼電電器差動(dòng)電流Id為：, Z; G- L" H% ' a1 U% G           

5、0;            5 K, i! m) y( |7 j5 V6 e式中：Iop為當(dāng)時(shí)動(dòng)作電流的整定值。+ c! 0 O2 ?$ Y5 u" v" D# H    發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的靈敏度是指在發(fā)電機(jī)機(jī)端兩相金屬性短路情況下差動(dòng)電流和動(dòng)作電流的比值。此情況下，在(Iz,Id)平面上兩相金屬性短路的故障點(diǎn)應(yīng)該在斜率為2的內(nèi)部故障特性線的上方，而一般動(dòng)作邊界的制動(dòng)系數(shù)不會(huì)超過1，所以按照規(guī)程中整定出來的動(dòng)作邊界肯定能夠滿足靈敏度系數(shù) Klm2的要求。而實(shí)際上，真正靈敏度的校

6、驗(yàn)應(yīng)該是在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)發(fā)生輕微相間故障的時(shí)候，差動(dòng)電流和此時(shí)動(dòng)作電流的比值，故長(zhǎng)期以來用機(jī)端兩相短路的情況來校驗(yàn)差動(dòng)保護(hù)的靈敏度，是否合理，有待進(jìn)一步討論。從物理概念上看，故障點(diǎn)與動(dòng)作邊界離得越遠(yuǎn)，該保護(hù)原理的靈敏度越高。校驗(yàn)發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)靈敏度應(yīng)該是在發(fā)電機(jī)發(fā)生各種內(nèi)部故障的情況下差動(dòng)保護(hù)的反應(yīng)能力，所以要解決的根本問題是發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)精確的理論分析，國內(nèi)已經(jīng)有許多高校正在開展這方面的研究。同時(shí)，靈敏度還與多種因素有關(guān)，如定值、原理和實(shí)現(xiàn)方法等。 ; l( h: p6 h, W0 s9 d' W9 2  具有制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)原理 - M9 Q3 t*

7、 F& f4 8 O21  制動(dòng)特性曲線原理0 m& K2 Q0 k  F1 t    制動(dòng)特性曲線可以分為過原點(diǎn)和不過原點(diǎn)2種不同的原理，其中過原點(diǎn)的通用特性為：0 e  ?1 1 ( J" u                           3 k0 h' X7 / r5 K式中：Iq為啟動(dòng)電流；

8、Ig為拐點(diǎn)是電流；Kz為制動(dòng)系數(shù)。; G+ e9 n1 r& X    同時(shí)，由于Id和Iz的取法各有不同，差動(dòng)保護(hù)的特性亦是有差別的，將目前常用的取值方法歸納如表1所示。                                              

9、;   . X) 2 d! + v8 V0 F5 B6 & S# _" Y( I/ |0 ?2     不同的原理可以得到不同特性，根據(jù)元件保護(hù)的要求可選擇適合它們的不同的保護(hù)原理。對(duì)差動(dòng)保護(hù)而盲，即使采用相同的原理，但如果整定值不同，性能也有很大差別，以下針對(duì)這些問題展開分析。/ A! G1 e+    D3 g/ |) T22  制動(dòng)系數(shù)和斜率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系4 ' * q+ o) h2 ?5 N# R    制動(dòng)系數(shù)和曲線斜率是兩個(gè)不同的物理概念，在傳統(tǒng)保護(hù)中經(jīng)常用到的制動(dòng)系

10、數(shù)Kz的概念定義為：/ u& m; C; G1 e  7 t                                                   3 e; j! V+ F# : 式中：Iz'為動(dòng)作電流整定值。

11、: r) Z( ' L0 n1 k    最大制動(dòng)系數(shù)等于最大動(dòng)作電流整定值和對(duì)應(yīng)的制動(dòng)電流之比。因?yàn)橹苿?dòng)曲線一般不過原點(diǎn)，所以制動(dòng)系數(shù)和制動(dòng)曲線的斜率Ks一般不相等，不要把兩者混為一談。" 6 J- R0 g2 T) Q    圖1給出了制動(dòng)系數(shù)和制動(dòng)曲線斜率之間關(guān)系的幾何說明。7 Y, e6 e* h, w                          

12、0;            ( m8 s4 L' m% y# Z( K5 K                                     - _- Y2 Y' N1 7 G) O    當(dāng)區(qū)外發(fā)生最嚴(yán)重故障的時(shí)候，Kz取得最大值，將

13、Iz=Iz,max代人式(6)就可以得到制動(dòng)系數(shù)的最大值Kz,max。3 x& A! 9 ; N/ ?* T$ W! c    從上面可以看出，比率制動(dòng)系數(shù)實(shí)際上是一個(gè)變數(shù)，它隨制動(dòng)電流的大小而變化，廠家給出的制動(dòng)系數(shù)通常是指制動(dòng)特性曲線上制動(dòng)段的斜率而不是整定計(jì)算中的制動(dòng)系數(shù)，實(shí)用制動(dòng)特性曲線上的制動(dòng)系數(shù)隨制動(dòng)電流的變化而改變。$ f9 _  U7 V; t5 y    表2說明了最大比率制動(dòng)系數(shù)和比率制動(dòng)斜率之間的關(guān)系。假定Iq08 A；Ig=5 A；Iz,max= 30 A。, j7 I* b% o  

14、;z, O6 w                        ) x  i" W4 ' l$ q& g5 1     從表中可看出，Kz,max和Ks的關(guān)系是一條不過原點(diǎn)的直線關(guān)系，實(shí)際工程中Ks一般大于Kz,max。 6 i- o" k9 - h' d' u23  制動(dòng)曲線斜率與靈敏度的關(guān)系2 n$ W5 P0 2 |+

15、x  s( g% R7 Q0     過原點(diǎn)的比率制動(dòng)特性和不過原點(diǎn)的比率制動(dòng)特性如圖2所示。9 I9 N: G% m' a1 T7 : x                               . " E6 K( _* _, b0 P    過原點(diǎn)的動(dòng)作邊界認(rèn)為不管電流互感器(TA)二次電流大于或小于額定電流，對(duì)

16、應(yīng)的誤差都相同，不平衡電流隨制動(dòng)電流的變化基本上是線性的，所以對(duì)應(yīng)的制動(dòng)曲線是一條過原點(diǎn)的直線。不過原點(diǎn)的制動(dòng)曲線考慮到TA在它的額定電流以下誤差很小，所以對(duì)應(yīng)的不平衡電流就很小，可以認(rèn)為是一個(gè)很小的常量；而在TA電流大于二次額定電流時(shí)，誤差很大，對(duì)應(yīng)的不平衡電流是非線性變化的，這樣考慮更加符合實(shí)際情況。在動(dòng)作區(qū)域平面圖上我們可以看出兩者的區(qū)別。過原點(diǎn)的比率制動(dòng)特性動(dòng)作區(qū)是在ADCE以上。而不過原點(diǎn)的比率制動(dòng)動(dòng)作區(qū)為ABCE以上。從幾何上可明顯看出，雖然過原點(diǎn)的制動(dòng)曲線的斜率比不過原點(diǎn)的制動(dòng)曲線的斜率小，但是過原點(diǎn)的比率制動(dòng)原理卻沒有不過原點(diǎn)的比率制動(dòng)原理靈敏。因此，差動(dòng)保護(hù)的靈敏度不僅與斜率

17、有關(guān)，還與啟動(dòng)電流和拐點(diǎn)電流的大小的選取有密切的關(guān)系，不能一味地靠降低斜率來提高差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。   q+ g- T/ 4 1 p% Y4 p! d+ b9 l3  標(biāo)積制動(dòng)原理與比率制動(dòng)原理之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 1 T6 _1 b- Y$ S* a# k  ?31  標(biāo)積制動(dòng)原理和比率制動(dòng)原理' 8 z* 1 Y. U7 ' n3 |$ 2 I    為提高差動(dòng)保護(hù)的靈敏度，提出了標(biāo)積制動(dòng)式微機(jī)差動(dòng)保護(hù)原理，該原理的最大優(yōu)點(diǎn)就是在不降，低差動(dòng)保護(hù)可靠性的前提下，大大地提高了差動(dòng)保護(hù)

18、的靈敏度。目前采用的標(biāo)積制動(dòng)原理，一般將動(dòng)作電流和制動(dòng)電流變換到和比率制動(dòng)原理相同的尺度下來判斷，所以工程上現(xiàn)在用得最多的也是開平方式的標(biāo)積制動(dòng)原理，如表l所示。比率制動(dòng)原理和標(biāo)積制動(dòng)原理的區(qū)別在于制動(dòng)電流和動(dòng)作電流的取法不同，但它們?cè)跀?shù)學(xué)上是可以相互推導(dǎo)的。下面根據(jù)該公式來探討一下標(biāo)積制動(dòng)原理與比率制動(dòng)原理之間的關(guān)系。6 Y6 a; h  + W$ % G- w+     設(shè)Id,Iz為比率制動(dòng)原理的動(dòng)作量和制動(dòng)量， Idb，Izb為標(biāo)積制動(dòng)原理的動(dòng)作量和制動(dòng)量，有          

19、;                                         4 v1 H1 m8 E# L) d0 n0 u5 l 3 F" k! w; q7 A( E) B- * Z    從上面可以看出，標(biāo)積制動(dòng)量和動(dòng)作量可以從比率制動(dòng)的動(dòng)作量和制動(dòng)量獲得。從本質(zhì)上看，差動(dòng)保護(hù)原理可由兩

20、個(gè)部分組成，一部分是動(dòng)作電流和制動(dòng)電流的獲取方法如表1所示；另一部分是動(dòng)作邊界的確定。相同的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的取法，但動(dòng)作邊界不同，特性是不同的；同樣的動(dòng)作邊界，若差動(dòng)電流和動(dòng)作電流的取法不同，特性也是不同的。圖 3為標(biāo)積制動(dòng)原理與比率制動(dòng)原理之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。4 R1 h# , j* L3 X. T                             2 k; C' j& V

21、2 # 5 h    我們根據(jù)以上的取值方法來討論標(biāo)積制動(dòng)原理與比率制動(dòng)原理之間動(dòng)作邊界的映射關(guān)系。首先討論比率制動(dòng)原理中的IdKIz直線對(duì)應(yīng)到標(biāo)積制動(dòng)原理中的直線的映射關(guān)系。   / r9 D" ) g/ I" H                        1 3 N# _! h: a9 R5 d" v0 ; - S    區(qū)內(nèi)故障時(shí)，機(jī)端電

22、流和中性點(diǎn)電流的夾角范圍一般在一90°，90°區(qū)間，理想情況下夾角為0°，比率制動(dòng)原理反應(yīng)出的量Iz0，為Id軸，斜率為正無窮大，差動(dòng)保護(hù)可靠動(dòng)作；如此時(shí)發(fā)電機(jī)沒有接人系統(tǒng)，即ITo，則反應(yīng)到比率制動(dòng)平面上是斜率為 2的故障特性曲線，保護(hù)也能夠可靠動(dòng)作，此時(shí)，標(biāo)積制動(dòng)原理計(jì)算出來的動(dòng)作量和制動(dòng)量在動(dòng)作平面上是Id，軸。即使考慮到區(qū)內(nèi)故障時(shí)相位差為90°，那么對(duì)應(yīng)于比率制動(dòng)原理來說，故障點(diǎn)為圖4中K=2的直線OM，對(duì)應(yīng)于標(biāo)積制動(dòng)原理，相應(yīng)的動(dòng)作量不變，制動(dòng)量變?yōu)?，故障點(diǎn)水平映射為Id軸。由此可見，標(biāo)積制動(dòng)原理將比率制動(dòng)原理中的直線在內(nèi)部故障的時(shí)候向逆時(shí)針

23、旋轉(zhuǎn)了，即離開動(dòng)作邊界更遠(yuǎn)，所以保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障的時(shí)候?qū)⒏`敏。4 a* 2 q& " I/ v    區(qū)外故障時(shí)，理想情況下，比率制動(dòng)原理對(duì)應(yīng)于Iz正軸，標(biāo)積制動(dòng)原理也是對(duì)應(yīng)于Iz正軸，可見它不影響區(qū)外故障的可靠性。5 f3 Q. N# o) v) F. m, $ S% b    一般情況下，發(fā)電機(jī)在內(nèi)部故障時(shí)，比率制動(dòng)原理動(dòng)作點(diǎn)落在動(dòng)作區(qū)內(nèi)，而外部故障時(shí)保護(hù)落在制' J# t! A) E- J  I2 t0 z9            &

24、#160;                       7 X  z1 B: Z* Z6 w9 |動(dòng)區(qū)內(nèi)，也就是落在TA的誤差曲線以下。但也有這種情況出現(xiàn)，即在內(nèi)部故障時(shí)，發(fā)電機(jī)還具有穿越性電流，動(dòng)作點(diǎn)落在過渡動(dòng)作區(qū)內(nèi)，此時(shí)，標(biāo)積制動(dòng)原理能夠?qū)?dòng)作點(diǎn)往逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，離開動(dòng)作邊界較比率制動(dòng)更遠(yuǎn)，所以具有更高的靈敏度：在區(qū)外故障時(shí)，由于TA變比誤差，TA飽和暫態(tài)過程中有衰減的直流分量等原因，動(dòng)作點(diǎn)可能向保護(hù)過渡動(dòng)作區(qū)域移動(dòng)

25、，使保護(hù)在區(qū)外故障時(shí)誤動(dòng)。標(biāo)積制動(dòng)原理將比率制動(dòng)原理中I dKIz直線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，所以如要取得和比率制動(dòng)相同的特性，相應(yīng)的動(dòng)作邊界也要抬高一點(diǎn)。 " Q( a6 o' P; h- C& ! + 32  比率制動(dòng)斜率與標(biāo)積制動(dòng)斜率之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系9 H6 h5 g! G2 X; q2 ( P. U                    , j7 r2 y7 F" 變化。下面推導(dǎo)比率制動(dòng)系數(shù)和

26、標(biāo)積制動(dòng)系數(shù)之間的關(guān)系，它只適用于動(dòng)作邊界過原點(diǎn)的情況。在此情況下比率制動(dòng)和標(biāo)積制動(dòng)原理可以相互推導(dǎo)等效。3 7 ! m6 n" E3 r    如果動(dòng)作邊界是一條不過原點(diǎn)的直線，要用標(biāo)積制動(dòng)原理來實(shí)現(xiàn)和比率制動(dòng)原理相同的特性，那么相應(yīng)地在標(biāo)積制動(dòng)空間中，動(dòng)作邊界就不能再為一條直線。圖5反映了這種區(qū)別。" o8 b* $ W5 x9 e% _; c                        &

27、#160;                 $ Q: # . M+ N' T. 7 P    圖5右面的直線反映的是比率制動(dòng)原理中的一個(gè)動(dòng)作邊界，要實(shí)現(xiàn)同樣的特性，那么標(biāo)積制動(dòng)的動(dòng)作邊界就是一條曲線。因?yàn)橐话愎こ躺现苿?dòng)系數(shù)很小，這時(shí)映射的曲線近似為一條直線，所以工程上用上述方法來近似是可以接受的。標(biāo)積制動(dòng)原理提高了區(qū)內(nèi)短路的靈敏度，如果把整定值對(duì)應(yīng)起來，同樣對(duì)區(qū)外故障的可靠性也不會(huì)有影響。 . O/ r- I9 e1 K4  制動(dòng)特性曲線

28、原理(各種抗飽和措施)4 e! T: k; _  e  H! % o    采用一條制動(dòng)直線來實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)，雖然相對(duì)說來整定比較容易，由于二次側(cè)的誤差電流從本質(zhì)上看是非線性的，即隨著外部短路電流的增加而增加，所以實(shí)際上制動(dòng)曲線也應(yīng)該取成非線性曲線，但是實(shí)現(xiàn)起來比較困難，因此工程上通常采用分段折線的制動(dòng)曲線來完成保護(hù)原理。這樣可以提高差動(dòng)保護(hù)的可靠性和靈敏性，如圖6所示。6 k, D$ T3 & h# j  c$ F# D          

29、;                             ) U% ) T9 s; S    隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，短路容量增大，同時(shí)相應(yīng)的短路時(shí)間常數(shù)也增大，使得在外部短路過程中 TA容易飽和，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，所以國內(nèi)外采用了不同的手段來檢測(cè)TA飽和。1 ' v8 P1 D5 Z3 m! v    西門子公司的差動(dòng)保護(hù)采用的抗飽和措施是增加了一個(gè)附加制動(dòng)區(qū)

30、，采用飽和檢測(cè)器檢測(cè)TA飽和，作為一個(gè)附加的制動(dòng)措施。飽和檢測(cè)器是動(dòng)態(tài)運(yùn)行的，它在故障發(fā)生后的半個(gè)周期內(nèi)做出決定。在外部故障時(shí)TA飽和使制動(dòng)電流初始值很大，移動(dòng)到附加制動(dòng)區(qū)域，而在區(qū)內(nèi)故障時(shí)運(yùn)行點(diǎn)沿著故障特性曲線移動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到外部故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)在一個(gè)選定的時(shí)間內(nèi)閉鎖(8個(gè)周期)，只要運(yùn)行點(diǎn)沿著故障特性曲線移動(dòng)(2個(gè)周期)，這種閉鎖就可解除。用這種方法可以避免外部故障TA飽和的情況下差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。 0 r% V* 5 H$ g5  Y變壓器差動(dòng)保護(hù)TA全Y接入的啟動(dòng)電流和拐點(diǎn)電流的合理性  % P. 0 z) % D% U$     以有名值整定時(shí)，應(yīng)以軟件電流的歸算側(cè)作為整定依據(jù)：若歸算側(cè)為主變壓器的Y側(cè)TA，則在算出的定值基礎(chǔ)上應(yīng)乘以3(1/2) 。原因是：從軟件方面看，為了校