基于電磁耦合原理快速低耗多間隔中低壓母差保護(hù)的設(shè)計(jì)

浙江浙能電力股份有限公司蕭山發(fā)電廠 呂力行

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)電力供應(yīng)的可靠性、安全性要求越來越高。繼電保護(hù)在保護(hù)電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行方面起著極其重要的作用。目前，在中國(guó)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，110千伏及以上系統(tǒng)均裝設(shè)母線差動(dòng)保護(hù)裝置，但35千伏及以下中低壓系統(tǒng)未裝設(shè)母線差動(dòng)保護(hù)。中低壓系統(tǒng)未裝設(shè)母線差動(dòng)保護(hù)，有的是受傳統(tǒng)習(xí)慣的影響，有的是因?yàn)殚g隔多不易實(shí)現(xiàn)等原因。

資料顯示，我國(guó)中低壓配電母線約有10萬段，規(guī)模龐大。中低壓母線短路電流水平高、操作頻繁，易發(fā)生短路故障。一旦發(fā)生母線故障，極易引發(fā)嚴(yán)重的設(shè)備事故，影響范圍廣，修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。因此，中低壓母線快速保護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義和市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

傳統(tǒng)中低壓母線保護(hù)的主要類型

方式1：電流閉鎖式中低壓母線快速保護(hù)方案

電流閉鎖式中低壓母線快速保護(hù)方案，主要是將饋線保護(hù)的啟動(dòng)信號(hào)作為閉鎖母線進(jìn)線開關(guān)保護(hù)的開關(guān)量輸入信號(hào)。采用該設(shè)計(jì)可避免由于多級(jí)饋線造成的母線速斷保護(hù)時(shí)間過長(zhǎng)的問題，有效地解決了單純靠保護(hù)動(dòng)作時(shí)間保證速斷保護(hù)選擇性的問題，每一級(jí)母線速斷保護(hù)均引入下級(jí)保護(hù)的啟動(dòng)信號(hào)作為閉鎖信號(hào)，保證保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的級(jí)差配合最多只有兩級(jí)配合。但該保護(hù)對(duì)饋線保護(hù)故障判別元件要求比較高，更為重要的是為了保證保護(hù)裝置的選擇性，不能實(shí)現(xiàn)保護(hù)的快速動(dòng)作，一般故障切除時(shí)間為0.3～0.4秒。

方式2：復(fù)合電壓閉鎖過電流式中低壓母線快速保護(hù)

復(fù)合電壓閉鎖過電流保護(hù)是在電流閉鎖式的基礎(chǔ)上增加了復(fù)合電壓判據(jù)。根據(jù)故障類型不同，發(fā)生短路故障時(shí)，除了電流增加外，同時(shí)會(huì)伴隨著電壓降低或者負(fù)序電壓的出現(xiàn)。根據(jù)這些特征，采用復(fù)合電壓閉鎖過電流式保護(hù)可進(jìn)一步降低過流保護(hù)定值，提高保護(hù)的靈敏度。雖然采用復(fù)合電壓輔助判據(jù)提高了保護(hù)的靈敏度，但是為了保證保護(hù)的選擇性，仍然需要靠時(shí)間配合來保證選擇性。其缺點(diǎn)與方式1一樣，不能實(shí)現(xiàn)保護(hù)的快速動(dòng)作，一般故障切除時(shí)間為0.3～0.4秒。

方式3：電弧光快速保護(hù)

中低壓母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，主要是依據(jù)弧光、過電流兩種信號(hào)共同判別故障，采用該保護(hù)綜合了電氣量和非電氣量?jī)煞N信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。主要邏輯為當(dāng)同時(shí)檢測(cè)到弧光和過電流信號(hào)后，發(fā)出跳閘指令，快速可靠切除母線故障，一般切除時(shí)間在0.05秒左右，主要為開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間。電弧光保護(hù)以快速性、可擴(kuò)展性等多種優(yōu)勢(shì)在2005年左右興起一段時(shí)間的弧光熱。但隨著時(shí)間的推移，弧光保護(hù)誤動(dòng)的案例越來越多，主要是因?yàn)榛」獗Ｗo(hù)對(duì)母線倉(cāng)的嚴(yán)密性有非常高的要求。隨著服役時(shí)間增加，設(shè)備的密封性逐漸變差，弧光保護(hù)誤動(dòng)的概率越來越高。因此，采用電弧光快速保護(hù)解決了快速性的問題，但同時(shí)又帶來了可靠性不高的問題。

基于電磁耦合原理的快速母差保護(hù)設(shè)計(jì)方案

基于電磁耦合原理的快速母線差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)主要包括4部分：差動(dòng)保護(hù)CT專用繞組、支路電流采集單元、CT回路監(jiān)控選判單元、高靈敏度差動(dòng)保護(hù)單元。主要原理及設(shè)計(jì)思路為利用差動(dòng)保護(hù)CT專用繞組采集進(jìn)線及所有負(fù)荷電流，所有負(fù)荷電流利用電磁耦合方式在支路電流采集單元進(jìn)行整合，整合后電流送入高靈敏度差動(dòng)保護(hù)裝置以便識(shí)別故障。同時(shí)為了保證保護(hù)動(dòng)作的可靠性，增加了CT回路監(jiān)控選判單元，以保證當(dāng)CT回路異常時(shí)可有效閉鎖，保證保護(hù)動(dòng)作的正確性。其原理如圖1所示。

圖1 基于電磁耦合原理的快速母線差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理示意圖

差動(dòng)保護(hù)專用CT的選擇

CT變比選擇要以母線進(jìn)線開關(guān)為基礎(chǔ)，進(jìn)線開關(guān)CT變比為最小負(fù)荷開關(guān)CT的整數(shù)倍。各類負(fù)荷開關(guān)CT變比為最小負(fù)荷開關(guān)CT變比的整數(shù)倍。以此原則選取CT變比有利于支路電流采取單元中的電磁耦合計(jì)算。

支路電流采集單元

將若干支路負(fù)荷專用CT二次側(cè)按照同極性接入支路電流采集單元進(jìn)行電磁耦合，然后將耦合后電流送至高靈敏度母差保護(hù)裝置，作為所有負(fù)荷電流的總電流。支路電流采集單元原理如圖2所示。

圖2 支路電流采集單元原理圖

例如：若進(jìn)線開關(guān)CT變比為4000/1A

負(fù)載1CT變比選擇為400/1A

負(fù)載2CT變比選擇為800/1A

負(fù)載3CT變比選擇為1200/1A

負(fù)載4CT變比選擇為1600/1A

則在支路電流采集單元中將負(fù)載1同極性繞1匝，負(fù)載2同極性繞2匝，負(fù)載3同極性繞3匝，負(fù)載4同極性繞4匝，直流電流采集單元變比為10/1A，耦合后總電流接入高靈敏度差動(dòng)保護(hù)裝置。

CT回路監(jiān)控選判單元

為了提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性，防止由于CT二次回路斷線引起的保護(hù)誤動(dòng)，引入CT回路監(jiān)控選判單元。其主要原理及實(shí)現(xiàn)方案如下：所有支路電流經(jīng)過支路電流采集單元后，物理求和形成各負(fù)荷支路的3I0，將所有負(fù)荷支路3I0接入CT回路監(jiān)控選判單元，同時(shí)引入母線電壓以低電壓和負(fù)序電壓作為輔助判據(jù)，確保CT回路監(jiān)控功能更加可靠，一旦判斷為CT斷線就及時(shí)閉鎖保護(hù)，同時(shí)可以具備支路識(shí)別準(zhǔn)確定位功能。

高靈敏度差動(dòng)保護(hù)單元

進(jìn)線開關(guān)CT與負(fù)荷電流采集單元耦合后總電流分別接入母差保護(hù)單元，通過保護(hù)單元設(shè)置CT變比及定值等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)母線故障判別。為了提高差動(dòng)保護(hù)性能，在傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)基礎(chǔ)上引入以下輔助判別方法：

（1）將所有負(fù)荷正常運(yùn)行下最大瞬時(shí)電流（例如最小輔機(jī)設(shè)備的啟動(dòng)電流）的90%作為一個(gè)標(biāo)志量，當(dāng)耦合后總電流突變量大于該電流時(shí)，適當(dāng)提高差動(dòng)保護(hù)定值，以提高差動(dòng)保護(hù)可靠性。正常運(yùn)行時(shí)，差動(dòng)保護(hù)按低定值執(zhí)行，可有效提高保護(hù)靈敏性。

（2）引入CT斷線監(jiān)測(cè)信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到CT斷線后閉鎖瞬時(shí)低定值段差動(dòng)保護(hù)?？紤]到所有負(fù)荷側(cè)不會(huì)同時(shí)斷線，開放高定值段差動(dòng)保護(hù)，以保證保護(hù)動(dòng)作的靈敏性。當(dāng)檢測(cè)到負(fù)荷側(cè)有電流，進(jìn)線開關(guān)側(cè)無電流，定義為進(jìn)線開關(guān)CT斷線，由于進(jìn)線開關(guān)CT變比大，一旦發(fā)生斷線危險(xiǎn)性大，此時(shí)自動(dòng)開放高定值段差動(dòng)保護(hù)，允許跳閘。母差保護(hù)單元示意見圖3。

圖3 母差保護(hù)單元示意圖

基于電磁耦合原理的快速母差保護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

采用該設(shè)計(jì)理論可實(shí)現(xiàn)中低壓母線間隔的無限擴(kuò)展。并能實(shí)現(xiàn)保護(hù)范圍內(nèi)快速動(dòng)作，考慮保護(hù)裝置及開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間不大于0.1秒。

基于電磁耦合原理，將原來多路復(fù)雜的電流計(jì)算轉(zhuǎn)化為前端預(yù)處理?？侩姶篷詈戏绞竭M(jìn)行預(yù)處理，方法簡(jiǎn)單，可靠性高，同時(shí)能保證電流真實(shí)反映。采用該設(shè)計(jì)可有效降低差動(dòng)保護(hù)裝置信息處理量，將更多的資源用于提高設(shè)備靈敏性、可靠性，并有效降低設(shè)備運(yùn)行功耗。

引入CT斷線判別，負(fù)荷電流監(jiān)測(cè)等多種有效手段，并將電源特性、負(fù)荷特性等多重因素作為輔助判別手段，進(jìn)一步提高了保護(hù)的靈敏性和可靠性。

結(jié)語

采用該設(shè)計(jì)一舉解決了中低壓母線快速保護(hù)的問題，為中低壓母線快速保護(hù)提供了一個(gè)全新的解決方案，為中低壓母線的可靠運(yùn)行提供了更加可靠的保證。同時(shí)該設(shè)計(jì)也給繼電保護(hù)工作提供了一種新的思路，以前的繼電保護(hù)工作一直都在向集成方向發(fā)展，不停地加重繼電保護(hù)裝置的負(fù)擔(dān)。采用信號(hào)前段處理可有效解放繼電保護(hù)裝置的資源，提高保護(hù)裝置的可靠性。

該設(shè)計(jì)在實(shí)際使用過程中還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。例如：可以根據(jù)不同用能設(shè)備的性能，對(duì)前段耦合處理進(jìn)行分類，這樣可以在保護(hù)邏輯中進(jìn)行更加精細(xì)的優(yōu)化；可以在CT回路監(jiān)控選判單元中引入功率方向元件，對(duì)故障類型有更加明確的指向性；對(duì)前段耦合設(shè)備深入研究，保證耦合設(shè)備測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性等。