對(duì)當(dāng)前新型差動(dòng)保護(hù)原理及算法的探討

劉德強(qiáng)++王坤++張慶朋

[摘 要]通常講的差動(dòng)保護(hù)包含了變壓器差動(dòng)保護(hù)、發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)和母線差動(dòng)保護(hù)。實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的基本原則是一致的，即將各側(cè)元件的電流互感器按差接法接線，正常運(yùn)行以及保護(hù)范圍外部故障時(shí)，差電流等于零；保護(hù)范圍內(nèi)部故障時(shí)差電流等于故障電流。但是由于諸多因素的影響，差動(dòng)繼電器的動(dòng)作電流按躲開外部故障時(shí)產(chǎn)生的最大不平衡電流整定遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。針對(duì)目前差動(dòng)保護(hù)的發(fā)展概況及在我廠設(shè)備更新改造中的廣泛應(yīng)用，通過建立數(shù)學(xué)模型理解新型差動(dòng)保護(hù)的原理及算法。下面對(duì)我廠目前差動(dòng)保護(hù)的概況作一綜合評(píng)價(jià)。

[關(guān)鍵詞]差動(dòng)保護(hù) 比率制動(dòng)特性 動(dòng)作方程

中圖分類號(hào)：TM772 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）03-0144-01

1 差動(dòng)保護(hù)中不平衡電流產(chǎn)生的原因

差動(dòng)保護(hù)是依據(jù)循環(huán)電流原理構(gòu)成的，即按照正確的極性關(guān)系進(jìn)行連接，在正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，差動(dòng)繼電器中的電流等于各側(cè)電流互感器的二次電流之和，電流基本為零。但是實(shí)際上，差動(dòng)繼電器中總會(huì)流過不平衡電流Ibp。不平衡電流Ibp越大，差動(dòng)繼電器的動(dòng)作電流也越大，致使保護(hù)靈敏度降低。因此，欲提高差動(dòng)保護(hù)的靈敏度，必須設(shè)法減小差動(dòng)保護(hù)回路中的不平衡電流。表1論述了電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下不平衡電流產(chǎn)生的原因。

2 減小不平衡電流的方法

差動(dòng)保護(hù)回路中的不平衡電流，是影響差動(dòng)保護(hù)可靠性和靈敏度的重要因素，也是研制新型差動(dòng)繼電器成敗的關(guān)鍵。目前使用的各種差動(dòng)保護(hù)裝置，為減小不平衡電流而采取的措施如表2所示。

3 變壓器差動(dòng)保護(hù)

變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置若采用一般的速飽和中間變流器時(shí)，對(duì)減小外部短路電流的非周期分量的影響是有效的，但躲過變壓器勵(lì)磁涌流的能力不夠理想，因?yàn)閯?lì)磁涌流中含有大量的諧波分量。早期廣泛采用帶加強(qiáng)型速飽和中間變流器，即BCH型差動(dòng)繼電器來構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)。

BCH-2型

BCH-2型差動(dòng)繼電器，就是針對(duì)解決勵(lì)磁涌流的問題而設(shè)計(jì)的。這種差動(dòng)保護(hù)的核心部分由帶短路線圈的速飽和中間變流器和差動(dòng)電流繼電器（執(zhí)行元件）組成。

其中平衡線圈用來平衡差動(dòng)回路各臂二次電流不相等而引起的不平衡磁勢(shì)；而短路線圈的主要作用在于加強(qiáng)差動(dòng)保護(hù)躲過非周期分量（特別是勵(lì)磁涌流）的能力，即直流助磁。由于短路線圈的存在，使得在具有非周期分量電流時(shí)，對(duì)短路線圈和二次線圈并不起傳變作用，僅作為勵(lì)磁電流而使鐵芯迅速飽和，因此繼電器的動(dòng)作電流大為增加，從而大大提高了躲避勵(lì)磁涌流和外部短路時(shí)暫態(tài)不平衡電流的性能。當(dāng)采用BCH-2型差動(dòng)繼電器保護(hù)靈敏度不滿足要求時(shí)，則應(yīng)選帶制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)。變壓器差動(dòng)保護(hù)中勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)及常規(guī)解決方法，如表3所示。

4 發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)

BCH-2型

這種保護(hù)是在電磁式BCH-2型差動(dòng)繼電器的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)而構(gòu)成的。我們知道，帶有速飽和變流器的BCH-2型差動(dòng)繼電器，在發(fā)電機(jī)外部故障時(shí)，是利用差動(dòng)回路暫態(tài)不平衡電流中較大的非周期分量，來使速飽和變流器迅速飽和，以減小流入執(zhí)行元件的電流，防止其誤動(dòng)作。當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)，在非周期分量的作用下，將不可避免地延緩保護(hù)的動(dòng)作速度。為此，目前國(guó)、內(nèi)外普遍采用比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)。

5 母線差動(dòng)保護(hù)

母線差動(dòng)保護(hù)與變壓器差動(dòng)保護(hù)、發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)有很大的不同：即母線的主結(jié)線方式會(huì)隨母線的倒閘操作而改變運(yùn)行方式，如雙母線改為單母線運(yùn)行、雙母線并列運(yùn)行改為雙母線分段并列運(yùn)行，母線元件（如線路、變壓器等）可以從一段母線倒換到另一段母線。換句話說，母線差動(dòng)保護(hù)的范圍會(huì)隨著母線倒閘操作的進(jìn)行、母線運(yùn)行方式的改變而變化（擴(kuò)大或縮?。?，母線差動(dòng)保護(hù)的對(duì)象也可以由于母線元件的倒換操作而改變（增加或減少），因此母線保護(hù)實(shí)際的啟動(dòng)值總在變化中。

固定連接式母線差動(dòng)保護(hù)

這種母線差動(dòng)保護(hù)要求母線上的電源元件，必須按照事先規(guī)定好的固定連接方式運(yùn)行，母線故障時(shí)，母線差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作才有選擇性。當(dāng)母線保護(hù)采用此種類型時(shí)，進(jìn)行電源元件的倒換，將使母線差動(dòng)保護(hù)失去選擇性。因此，倒換前需合入母線差動(dòng)保護(hù)的非選擇性開關(guān)，倒完后也不拉開。我廠早期運(yùn)行的母線保護(hù)為五十年代蘇聯(lián)產(chǎn)固定接線方式、帶速飽和變流器的電磁型保護(hù)。隨著電網(wǎng)的發(fā)展和主機(jī)設(shè)備的增容改造，我廠母線短路容量不斷增大，此前母線保護(hù)啟動(dòng)元件的啟動(dòng)電流一次值已達(dá)到3600A。同時(shí)速飽和型差動(dòng)繼電器的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)，機(jī)械性能不穩(wěn)定，給調(diào)試和維護(hù)帶來了諸多困難。

6 綜合評(píng)價(jià)

綜上所述，相對(duì)于采用速飽和特性的差動(dòng)繼電器而言，反映間斷角原理及二次諧波制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)，因采用比率制動(dòng)特性避越外部短路的不平衡電流，都具有動(dòng)作時(shí)間快（不必將一般非周期分量衰減后再動(dòng)作），最小動(dòng)作電流?。ㄐ∮谧儔浩鞯念~定電流）的優(yōu)點(diǎn)。此外還可采用鑒別波形間斷角原理的差動(dòng)保護(hù)，它是利用勵(lì)磁涌流波形間存在較大的間斷角，而短路電流波形間無間斷角兩種波形間的差別，區(qū)別出是涌流還是短路，從而躲過勵(lì)磁涌流的影響，并利用制動(dòng)特性躲過不平衡電流影響而構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù)。