微機母線保護及其整定計算

本文闡述了WMH-800、WMZ-41、BP-2B以及RCS-915等幾種微機母線保護各自采用的原理和解決抗CT飽和等問題的不同方法，并總結了母線差動保護的整定計算方法。
　　關鍵詞：微機母差；抗飽和；整定

MICROPROCESSOR-BASED BUS PROTECTION AND ITS SETTING

(Power Dispatch Center of Guangdong Province,Guangzhou,510600,China)

Zhu Xiaohua?

　　Abstract： This paper describes the theory and techniques contending with saturation adopted by several kinds of microprocessor-based bus protection such as WMZ-41、WMH-800、BP-2B and RCS-915, then discusses the setting method of bus protection.
　　Keywords： Microprocessor-based bus protection contend with Saturation Setting

　　在計算機技術高速發展的今天，微機繼電保護裝置在使用中由于有原理先進，可靠性高，操作簡單，維護管理方便等優勢，廣東省220KV以上電網繼電保護裝置中的線路保護已基本實現微機化，元件保護也正在向全面微機化過渡。如今廣東省變電站和電廠共有220KV母線保護約170多套，其中各種型號的微機母線保護約有90多套。

一 母線保護的作用
　　母線故障如未裝設專用的母線保護，需靠相鄰元件的保護作為后備，將延長故障切除時間，并且往往要擴大停電范圍，甚至釀成系統性大面積停電。由于母線保護涉及開關較多，誤動作后果特別嚴重，所以要求它比其他保護具有更高的安全性。在《繼電保護和安全自動裝置技術規程》中規定高壓電網母線保護的裝設應遵循以下原則：
　　對220~500KV母線，應裝設能快速有選擇地切除故障的母線保護。對一個半斷路器接線，每組母線宜裝設兩套母線保護。

二 母線差動保護的原理
　　母線差動保護的動作原理建立在基爾霍夫電流定律的基礎上。把母線視為一個節點，在正常運行和外部故障時流入母線電流之和為零，而內部短路時為總短路電流。假設母線上各引出線電流互感器的變比相同，二次側同極性端連接在一起，按照圖一接線則在正常及外部短路時繼電器中電流為零。
　　實際上由于電流互感器有誤差，在外部短路時繼電器中有不平衡電流出現，差動保護的啟動電流必須躲開最大的不平衡電流才能保證選擇性。

三 微機母差要解決的幾個問題
1 區外故障電流互感器飽和的問題
　　在外部短路情況下，該母線的引出線路中，故障線路電流是所有非故障線路電流之和。如圖一，故障線路電流很大，其電流互感器飽和，二次側電流很小。此時差動保護的不平衡電流很大。差動保護在此情況下應不失去選擇性。

　　由于飽和CT有以下兩個特點：a．無論一次電流有多大，在系統發生故障瞬間，CT不可能同時發生飽和。從故障發生到CT飽和至有1/4周波的時間，CT能正確傳變一次電流。b. CT進入飽和后,二次電流波形出現畸變、缺損，但在一次電流過零點附近，飽和CT二次側仍有一個線性傳變區。
　　1) WMZ-41母線保護裝置使用的抗CT飽和方案稱為同步識別法，即判別“故障啟動”與“差流越限”是否同步發生。
　　若是同步發生，則認為“差流越限”是由母線區內故障引起，此時差動保護在5ms以內搶在CT未發生飽和前快速判別出是區內故障，發差動出口信號并記憶下來，以確保各斷路器可靠跳閘。
　　若先發生“故障啟動”，后發生“差流越限”，則認為“差流越限”是由母線區外故障，CT飽和引起的。這時母差保護將閉鎖一個周波，在下一周波內判別區外故障是否發展成區內故障。是則發差動出口命令；否則繼續在隨后的每個周波內判別是否有故障發展，直到區外故障消失；。
　　2)WMH-800母線保護裝置也是利用CT飽和時差動保護動作時間滯后于故障發生時刻的特點來處理這一問題。即先判斷故障的發生時刻，若此時差動保護不動即判為母線外部故障，閉鎖差動保護一周，然后利用波形識別法來開放差動保護，以便在母線區外轉區內故障時，差動保護能動作。
　　3)BP-2B型母線保護裝置的CT飽和檢測元件稱為自適應全波暫態監視器。該監視器判別區內故障不同于區外故障發生CT飽和情況下故障分量差電流ΔId元件與故障分量和電流ΔIr元件的動作時序，以及利用了CT飽和時差電流波形畸變和每周波都存在線性傳變區等特點，檢測出飽和發生的時刻。
　　4)RCS-915型母線保護根據CT飽和波形特點設置了兩個CT飽和檢測元件。
　　CT飽和檢測元件一采用自適應阻抗加權抗飽和方法，即利用電壓工頻變化量起動元件自適應地開放加權算法。當發生母線區內故障時，工頻變化量差動元件ΔBLCD和工頻變化量阻抗元件ΔZ與工頻變化量電壓元件ΔU基本同時動作，而發生母線區外故障時，由于故障起始CT尚未進入飽和，ΔBLCD元件和ΔZ元件的動作滯后于ΔU元件。利用ΔBLCD元件、ΔZ元件和ΔU元件動作的相對時序關系的特點，得出抗CT飽和的自適應阻抗加權判據。此判據充分利用了區外故障發生CT飽和時差流不同于區內故障時差流的特點，抗CT飽和，區內故障和故障由區外轉至區內時能迅速切除。
　　CT飽和檢測元件二由諧波制動原理構成。利用了CT飽和時差流波形畸變和每周波存在線性傳變區等特點，根據差流中諧波分量的波形特征檢測CT是否發生飽和。在區外故障CT飽和后發生轉換性故障情況下能快速切除母線故障。
2 母線運行方式改變的問題
　　當母線為雙母線接線時在一條母線上發生短路時應有選擇地僅切除故障母線，使健全母線繼續運行。因此要求母線保護能適應母線的任意一種連接方式。由于電流互感器二次側不允許開路，不能隨著一次引出線進行相應的切換，這使雙母線差動保護在母線任何連接方式下都保證選擇性發生困難。
　　解決這個問題的方法是在每條母線上裝設分差動保護。如圖二，

　　其中大差動元件動作只能區分母線內部還是外部短路，而小差動元件則用于選擇故障母線。
　　傳統的模擬保護靠二次回路接線完成電流的相加。由于母線上引出線的連接方式經常發生變化，接入分差動保護的電流互感器的二次側須隨著作相應變化，才能保證分差動保護正確動作。為避免切換，采取固定母線連接方式的方法。即只有當母線按規定的連接方式運行時才能有選擇性地切除一條故障母線，否則不經分差動保護直接將兩條母線全部切除。當雙母線上引出線較多時母線常常不能按規定的連接方式運行，所以分差動保護很少能發揮作用。
　　微機保護的發展使這個問題迎刃而解。把隔離開關的輔助接點位置輸入微機母線保護，軟件就實現了電流互感器抽取電流的切換。
3 電流互感器變比一致性的問題
　　模擬保護需要加裝中間變流器進行調整，微機保護則在裝置內部通過軟件進行補償，使這個問題的解決大大簡化。

四 常用的幾種微機母線差動保護原理的比較
1. WMH-800型和WMZ-41型
　　采用不帶比率制動的電流差動判據(1)作為啟動出口條件；帶比率制動的電流差動判據(2)作為差動出口條件。
　
　　若同時滿足以上兩基本判據，則差動保護動作。差動保護的制動特性如圖三所示。

2． BP-2型
　　其差動元件由分相復式比率差動判據和分相突變量復式比率差動判據組成。
　　1) 復式比率差動判據的動作表達式為
　
　　圖四為復式比率差動元件動作特性。復式比率差動判據相對于傳統的比率制動判據，由于在制動量的計算中加入了差電流，使其在母線區外故障時有強的制動特性，而母線區內故障時無制動，因此能明確區分區外故障和區內故障。?

　　2) 故障分量復式比率差動判據采用如下數字算法提取故障分量：
　
式中i(k)為當前電流采樣值； i(k-N)為一個周波前的采樣值,在故障發生后的一個周波內,其輸出能較為準確地反映包括各種諧波分量在內的故障分量。
　
　
　　由于電流故障分量的暫態特性，故障分量復式比率差動判據僅在和電流突變起動后的第一個周波投入，并受使用低制動系數的復式比率差動判據閉鎖。
3. RCS-915型
　　采用由差流構成的常規比率差動元件和工頻變化量電流構成了工頻變化量比率差動元件，與低制動系數的常規比率差動元件配合構成快速差動保護。
　　工頻變化量比率差動元件的優點在于裝置不受負荷電流影響以及受過渡電阻影響小；動作靈敏。其動作判據為：
　
五 母線差動保護的整定計算
　　計算母差保護的主要工作量在于以下幾個值的計算，經總結歸納，計算方法如下：
　　1 比率差動元件的比率差動門坎按包括檢修方式的各種運行方式下，母線發生各種類型短路的最小總短路電流(相電流)有足夠靈敏度計算，靈敏度≥4，并盡可能躲過母線出線最大負荷電流。
　　比率差動門坎要整定得躲過母線出線最大負荷電流是為了防止CT斷線時母線差動保護誤動。
　　2低電壓閉鎖元件
　　以電流判據為主的差動元件，可以用電壓閉鎖元件來配合，提高保護整體的可靠性。復合電壓閉鎖包括母線線電壓(相間電壓)，母線三倍零序電壓，和母線負序電壓。其動作表達式為：
　
　　以上三個判據中的任何一個被滿足，則該段母線的電壓閉鎖元件動作。
　　Uset 按母線對稱故障有足夠靈敏度整定，靈敏度≥1.5。且應在母線最低運行電壓下不動作，而在故障切除后能可靠返回。一般取65%至70%Ue。
　　U0set按母線不對稱故障有足夠靈敏度整定，靈敏度≥4。且應躲過母線正常運行時最大不平衡電壓的零序分量。一般取6至10V。
　　U2set按母線不對稱故障有足夠靈敏度整定，靈敏度≥4。且應躲過母線正常運行時最大不平衡電壓的負序分量。一般取4至8V。
　　95年廣東220KV梅林站曾有一次因水梅線#2刀支柱撞倒隔離開關開斷搶弧導致A相線路側刀閘接地，梅林站母差保護差動繼電器動作，母差保護動作信號掉牌，但母差保護未出口跳閘。該母差保護只有負序電壓及低電壓閉鎖，沒有零序電壓閉鎖。事故后根據錄波圖分析及模擬故障計算，因故障點離梅林220KV母線電氣距離較遠，負序電壓及低電壓均未達到整定值，因而沒有及時開放母差保護。這次故障由于梅林站母差保護沒有及時動作隔離開故障點，約3秒后母線側刀頭引起Ⅱ母線對地故障，母線電壓降低，母差保護出口跳閘。已經導致事故擴大。所以，低電壓閉鎖元件中的任一個判據都是必要的。

七 結束語
　　目前廣東省電網中各種型號的微機母線保護都有使用，運行情況良好。由于母線故障的幾率較小(據不完全統計，每條母線17年故障一次)，需要在更長時間的運行使用中不斷積累經驗和分析統計其動作情況，才能更好地掌握各種型號的微機母線保護的性能。