发电厂母差保护技术特性分析

发电厂母差保护技术特性分析

孙龙祥

大庆油田中油电能热电二公司 黑龙江 大庆 163000

摘要：就目前国内各类母线保护的技术特性作了比较分析，并对母线保护的应用及发展方向提出了观点。

关键词:电磁型；整流型；中阻抗；微机型；母差

1 概述

母线是电力系统的重要电气设备，因为它与各个电气元件相联，所以母线出现故障将是非常严重的。母差保护是否正确迅速切除母线故障的重要手段，它的拒动或误动将给电力系统带来严重危害。相对于变压器及线路保护的发展，母差保护的发展比较缓慢，下面结合宏伟热电厂母线保护就国内几种主要的母差保护的技术特性进行比较分析。

2 几种主要类型母线保护的技术特性

我国电厂使用的母线保护类型较多，从元器件构成上大致可分为电磁型、整流型、集成电路型和微机型。

2.1 BCH电磁型母线差动保护

BCH电磁型母线差动保护主要应用在单母线上，所有电气元件都接入母差电流回路中，根据差流大小判断短路故障，动作切除所有连接元件。正常时母差回路中会有一些差流，一般依靠定值躲过。

该保护继电器主要由DL-11电磁式电流继电器(执行元件)及一个具有三柱铁芯中间快速饱和变流器(以下简称变流器)组成。变流器主要用以躲过不平衡电流中非周期分量的影响，即躲过母线发生外部时的不平衡电流。变流器的短路绕组在发生外部短路时增大继电器的动作电流，从而使继电器得以可靠躲过暂态不平衡电流的冲击。变流器的平衡绕组主要用来平衡母差保护各电气元件电流互感器变比特性不同在差动回路所产生的不平衡电流。变流器的差动绕组接于电流互感器二次回路，变流器的二次绕组接执行元件，当出现内部短路时快速动作，发出跳闸脉冲。BCH差动继电器原理结构图如图一。BCH电磁型母线差动保护在我国八九十年代的电网上曾广泛使用。

图1  BCH-2型差动继电器原理结构图

热电二公司主系统6.3KV母差采用简单的电磁型电流继电器构成的不完全差动保护，母差只接入有源元件，故障时主要跳发电机、主变等有源元件。35KV母差采用BCH-2继电器构成的完全差动保护，母差接入所有电气元件，出现短路时跳所有电气元件。BCH型保护在我厂运行其间经历过区内和区外故障的考验，为35KV系统的安全稳定运行作出了贡献，但同时也暴露出其存在的某些缺陷。例如在内部短路瞬间，短路电流中也含有非周期分量，由于短路绕组直流助磁的作用，非周期分量衰减到一定程度之后，继电器才动作，这就造成继电器的动作速度将进一步降低，容易引起故障后果扩大，这是该保护一个很大的缺点。

2.2 LXB整流型母线差动保护

LXB电流相位比较式母差保护是用差动电流作参考向量来比较母联电流相位以判别故障母线，其主要特点是：原理简单，没有交流电流切换回路；二次接线简单，能适应一次系统的倒闸操作；要求电流互感器（TA）特性、变比一致，否则要加辅助TA。

LXB电流相位比较式母差保护在两条母线所接电源严重不平衡时，大电源所在母线内部故障，小电源提供母联电流不能启动LXB继电器时，母差将拒动；母联TA为单侧设置时，在母联与TA之间发生故障，故障母线不能快速切除；双母线分裂运行时，动作失去选择性；动作时间较长，当TA严重饱和时，可能失去选择性。

2.3 中阻抗型集成电路母差保护

中阻抗型母差保护在110kV及以上系统广泛使用。国内厂家的产品有南京电力自动化设备总厂生产的JCMZ系列，上海继电器厂组装生产的PMH-150(RADSS/S)，阿城继电器厂的PMH-40系列等均系仿ABB公司的中阻抗集成电路母差保护，在220kV及以下系统有较成熟的运行经验。

2.3.1 JCMZ系列中阻抗母差保护，它是一种高速灵敏中阻抗型的电流差动保护，适用于超高压电网的中阻抗母差保护，将中阻抗特性和比率制动特性两者有机结合在一起。

它具有下列特点：动作速度快，故障检测时间<3ms，保护整组动作时间<10ms；在穿越性外部故障时，即使TA饱和也不会误动；母线内部故障时，由于检测速度极快，在TA完全没有饱和之前就动作，对TA饱和特性要求不高；采用辅助TA调整总变比，可适应不同变比的TA；允许TA二次回路的环路阻抗较大，易满足要求；主回路简单可靠。

2.3.2 PMH-150(RADSS/S)型中阻抗母差保护适用于超高压电网，分全进口元件、半进口元件、国产元件3种类型，差动元件均为进口件。因其与JCMZ系列母差保护装置属相似中阻抗型的电流差动保护，两者技术特点基本相同，这里不作重复分析。

2.3.2 PMH-40系列中阻抗母差保护可用于35KV以上母线上运行，适用于单母线、单母线分段、双母线等各种接线形式。

它的主要技术特点是动作速度快，整组时间小于10ms。能适用于不同变比的电流互感器的要求，有辅助变流器进行统一的变比变换。不受运行方式的影响，该保护随一次运行方式的改变二次回路相应自动切换。并且保护交流切换回路在辅助变流器的二次进行，避免了主电流互感器二次开路。保护还装设了判别母联断路器失灵的电流继电器，当失灵保护动作时，首先以较短的时间跳开母联及分段断路器，然后以相对较长的时间跳开失灵断路器所在母线上的其它断路器。

热电二公司110KV母差保护采用的PMH-52/9型双母线保护，由辅助变流器、双位置切换继电器、第一和第二组选择元件、起动元件、断线闭锁等元件构成。

（1） 正常负荷时，由选择元件端子流入的总电流等于流出的总电流，所以选择元件差回路电流为零，保护不动作。

（2） 母线外部故障时，故障线路电流互感器（TA）不饱和的情况下，选择元件的工作状态与正常负荷下工作状态完全相同。故障线路TA发生严重饱和的情况下，并在饱和时间段内TA的二次电流代数和不为零时，称为瞬时不平衡电流i∑BLH。该不平衡电流在选择元件的差回路与饱和TA励磁回路组成的并联回路中进行分配，等效电路见图2。

图2   母线外部故障，电流正半波故障线路TA饱和时，选择元件工作的等效电路

从图2中可以看出，总的瞬时不平衡电流i∑BLH被饱和TA回路电阻（R2BLH+RZ/2）所分流，此时可以求出差回路电流iC的表达式：

     … … …（1）

（1）式中R2BLH、RZ/2、RC安装调试完毕后均为常数。可令：

         … … …（2）

将（2）式带入（1）式得出：

               … … …（3）

A 即为总的瞬时不平衡电流在差回路中的实际分配系数，这个方程在直角坐标系中，为经过原点，斜率为A 的直线。在图三中，用直线3、4表示，且0< A <1，从选择元件的动作边界条件（UG=UZ）来分析。

     … … …（4）

可令     … … …（5）

所以（4）式可以简化为：

               … … …（6）

（6）式为过原点，斜率为a的直线，也成为理想动作边界线。用直线1表示。

系数a在厂家制造过程中已整定，称为分配系数。系数A由运行参数R2BLH来决定，称为实际分配系数。所以我们在现场应用中只要满足：A

         … … …（7）

则在母线外部故障时，选择元件可靠不动作，防止了保护误动。

图3  选择元件（起动元件）的制动特性图

（3） 母线内部故障

母线内部故障时，故障母线上的电流互感器无一组保护，选择元件的等效电路如图四所示。

图4  母线内部故障，电流正半周选择元件工作的等效电路图

从图4中可以看出，假设短路电流瞬时值之和ic全部流入差回路，则可得到：

  … … …（8）

令式中：

得到：                 … … …（9）

内部故障时，选择元件的整定分配系数a自动下降到a＇，即制动作用相对降低。k增大到k＇，即动作区增大了。这样母线出现内部故障时保护即可动作。

（4） 微机型母差保护

① SG B750系列保护

该保护是由国电南京自动化股份公司生产，装置的主要特点如下所述。

A、采用一“主”三“从”多CPU结构型式，其全新的算法及保护方案大大提高了母线保护整组出口速度及可靠性，也使保护的调试和维护更加方便。是适用于500kV及以下各种电压等级、各种母线接线方式的母线保护。

B、采用全新的采样值算法及突变量算法，提高了母线区内故障时的出口速度。对双母线保护，自动识别、跟踪运行状态，电流无触点切换。通过对各段母线的所有支路电流的动态分析，结合各支路隔离开关辅助接点的实时读入比较，跟踪双母线系统的运行状态，从而实现双母线保护的自适应性、出口的选择性。在双母线(或单母分段)解列运行或支路倒闸过程中发生区外故障时，均能确保母线的可靠安全运行。当系统发生相继故障或故障发展时，保护均能正确而快速地反应。

C、设置有复合电压闭锁功能，增强了装置抗误动能力；有TA，TV断线监视，直流稳压消失监视等功能；设置线路断路器失灵保护、母联断路器失灵保护(死区保护)及充电保护等功能；对各支路主TA变比不一致问题，通过软件改变各支路通道系数的方法来解决。保护整组动作时间≤15ms。

② CSC-150系列母线保护

该保护是北京四方公司推出的，采用基于最新一代DSP和MCU合一的32位单片机硬件系统，可应用于各种电压等级的单母线、单母分段、双母线、双母双分段母线系统，其主要特点如下：

A、比率制动差动保护

大差启动元件和小差选择元件均采用基于采样点算法的比率差动保护，动作速度快，抗干扰能力强，典型动作时间小于10ms。

B、复合电压闭锁

按母线段设计，采用低电压、零序电压和负序电压判据组成，任一判据满足动作条件或母线PT断线电压闭锁元件开放。

C、断路器失灵保护。

配置了零序、负序、相电流有流启动和无流两种启动方式，跳母联和跳母线时限分别整定。独立电压闭锁，具有外部解除电压闭锁功能。

③ RCS—915系列型微机母线保护

该保护是南京南瑞继保电气有限公司生产的，适用于各种电压等级的单母线、单母分段、双母线等各种主接线方式。母线保护装置设有母线差动保护、母联充电保护、母联死区保护、母联失灵保护、母联过流保护、母联非全相保护以及断路器失灵保护等功能。

保护的技术特点是允许 TA 变比不同，TA 调整系数可以整定；高灵敏比率差动保护；新型的自适应阻抗加权抗 TA 饱和判据；完善的事件报文处理；整组动作时间<15ms。

热电二公司220KV母差保护采用了RCS-915AB型微机保护装置。其动作原理为：

A、起动元件

a、电压工频变化量元件，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，其判据为：

△u >△UT +0.05UN

其中：△u 为相电压工频变化量瞬时值；0.05UN 为固定门坎；△UT 是浮动门坎，随着变化量输出变化而逐步自动调整。

b差流元件，当任一相差动电流大于差流起动值时差流元件动作，其判据为：

Id > Icdzd

其中：Id 为大差动相电流；Icdzd 为差动电流起动定值。

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。

B、比率差动元件

动作判据为：

                … … …（1）

             … … …（2）

其中：K 为比率制动系数；I j 为第j 个连接元件的电流；I cdzd为差动电流起动定值。

其动作特性曲线如图5所示。

图 5   比例差动元件动作特性曲线

为防止在母联开关断开的情况下，弱电源侧母线发生故障时大差比率差动元件的灵敏度不够，大差比例差动元件的比率制动系数有高低两个定值。母联开关处于合闸位置以及投单母或刀闸双跨时大差比率差动元件采用比率制动系数高值，而当母线分列运行时自动转用比率制动系数低值。小差比例差动元件则固定取比率制动系数高值。

C、故障母线选择元件

差动保护根据母线上所有连接元件电流采样值计算出大差电流，构成大差比例差动元件，作为差动保护的区内故障判别元件。

对于分段母线或双母线接线方式，根据各连接元件的刀闸位置开入计算出两条母线的小差电流，构成小差比率差动元件，作为故障母线选择元件。

当大差抗饱和母差动作，且任一小差比率差动元件动作，母差动作跳母联；当小差比率差动元件和小差谐波制动元件同时开放时，母差动作跳开相应母线。

3 母线保护的应用及发展趋势

我国普遍采用的低阻抗型母线电流差动保护不适用于高压母线，母线外部故障TA饱和时，母线差动继电器中会出现较大不平衡电流，可能使母差保护误动作。高阻抗型母线电流差动保护，较好地解决了这一问题，但在母线内部故障时，电流互感器的二次侧可能出现过高电压，对继电器可靠工作不利，且要求TA的传变特性完全一致，变比相同，这对于需扩建的变电站来说较难做到。

中阻抗型母线电流差动保护，将高阻抗的特性和比率制动特性两者有效结合，显著降低了母差回路的负载阻值，较好地保证了区外故障TA饱和不误动，区内故障快速动作。但在双母线应用时，存在母联TA为母差保护提供两组独立的二次绕组。因二次电流非极性端接入起动元件，当出现一组母线故障时，另一组母线选择元件不动作，如起动元件制动电压大于起动电压，则有可能影响母差保护动作。所以，也存在特性不好的问题。

目前，各厂家相继推出的微机母差保护，最主要特点是充分利用计算机进行数字计算的能力，方便地实现带比率制动特性的电流瞬时值差动原理、复式比率差动原理等。微机母差对TA饱和具有独特的检测方法，抗TA饱和能力强，国内的几个厂家采用波形判别或补偿法来消除TA饱和的影响，即利用1/4周期前TA线性传变的采样点，用一定的算法进行波形处理或判别，以保证保护的选择性。国内的做法，多用同步识别法来克服TA饱和的影响，通过判别差动动作与故障发生是否同步来识别饱和情况。具有自适应能力，可识别母线运行方式，从理论上可省略引入隔离刀闸辅助触点的麻烦(对双母线接线而言)。同时微机母差保护具有自检功能，可靠性进一步得到提高。更重要的是，微机母差具有通信接口，可方便地与监控系统互联、完成信息的远传与远控，实现自动化。当然微机母差保护具有调试整定方便的优点是不言而喻的。因此，母线保护同线路保护一样，采用微机型的保护是趋势和方向。

4 结束语

从电网的发展来看，无论是从性能上还是运行维护等方面，电磁型、整流型、中阻抗型保护都越来越难以满足要求，它们将会逐渐被替换。就目前而言，应加快中阻抗保护的改进速度，解决其隐患。对于微机型保护，多年运行经验告诉我们，再先进可靠的保护也需要精心的维护并熟悉它的运行特点，这样，才能使保护长期处于最佳状态，这一点，将作为我们继电保护人员今后运行维护的宗旨。

参考文献

[1] 电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社.

[2] 电力系统继电保护新技术与故障分析[M].北京：中国电力出版社.