（电力系统及其自动化专业论文）微机母线保护装置的研究与实现.pdf

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b a rp f o t c c t i ，s 锄p l i n gv a l u ea l 鲥t h i i l ，s a t l l m t c d 队 s e l f - a d a p t a t i o n0 f0 p e r a t i o nm o d e ，m o d u l 缸p 1 0 9 m m m i n g 致谢 本论文的工作是在导师周晖副教授的悉心指导下完成的。周老师渊博的学识、 严谨的治学态度、平易近人的作风、对问题敏锐的洞察力和开阔的思维方式，给 我留下了深刻印象。在攻读学位期间，无论在学习上还是生活上，导师无不给我 以教诲与启迪，使我受益非浅，对我今后的学习和工作必将产生深刻的影响，在 此谨向辛勤培育我的导师致以深深的谢意! 论文期间得到四方利水公司的热心帮助，他们为我提供了一个良好的学习环 境和试验平台，感谢公司朱启晨高级工程师在硬、软件研发给予的指导和帮助， 感谢公司董杰、袁石良等工程师给予的大力支持。 湖南省电力勘测设计院的戴秋华高工和北京交通大学电气学院的黄梅教授在 百忙之中仔细审阅了论文的初稿，提出了有益的修改意见和建议。在此向两位专 家表示衷心的感谢! 再次感谢所有帮助过我的师长、同学和亲人! 1 1 课题的研究背景 1 绪论 发电厂和变电所的母线是电力系统中的一个重要组成元件，在母线上连接着 发电厂和变电站的发电机、变压器、输电线路、配电线路和调相设备等，它承担 着电能的汇集和分配等重要任务，因此母线工作的可靠性将直接影响到发电厂和 变电站工作的可靠性。此外，在电力系统枢纽变电所的母线上故障时，还可能引 起系统稳定的破坏，造成严重的后果。 随着计算机和网络水平的提高，数字式母线保护更能够符合技术发展和经济 性的要求，将是今后母线保护的发展趋势，如何解决数字式母线保护性能受电流 互感器饱和影响大的问题成为关键之一。随着电力系统容量的扩大，一次系统时 间常数的增加，当发生故障时，将会产生很大的非周期分量，并且非周期分量衰 减时问长，这更容易引起电流互感器迅速达到饱和状态。这种状况对现有的数字 式母线保护中所采用的抗饱和方法提出了新的挑战，也对母线保护的性能提出了 更高的要求。同时，随着电力网向超高压、跨区域、大容量方向的迅速发展，母 线故障的影响更大、牵涉面更广，有必要对微机母线保护进行更深入的研究。 鉴于以上背景，本文在前人的大量研究成果基础上，针对集中式数字母线差 动保护的动作速度、可靠性、选择性等方面展开研究工作，以期进一步提高母线 保护的性能。 1 2 课题的研究现状 母线保护的发展经历了三个阶段1 1 1 ，即整流型母线保护、集成电路型母线保护、 微机型母线保护。 1 2 1 整流型母线保护 整流型母线保护在二十世纪七八十年代曾在我国电网中广泛使用，这种保护 装置的动作原理使用电流相位比较继电器作为母线保护的选择元件，母线故障时， 由继电器比较母线联络断路器电流与总差电流之间的相位关系来判断哪一条母线 故障。 整流型母线保护的原理简单，但动作时间较长，且当1 a 严重饱和时可能失去 选择性。所以从电网发展的角度来看，无论是从性能上还是从运行维护等方面， 因此整流型母线保护被替换是必然的结果。 1 2 2 集成电路型母线保护 从二十世纪7 0 年代中期起，基于集成运算放大器的集成电路型母线保护开始 研究，并于8 0 年代未逐渐取代整流型母线保护。到9 0 年代初，集成电路型母线 保护的研制、研制、生产、应用一直处于主导地位，这段时间是集成电路保护的 时代。 集成电路型母线保护根据差动回路中阻抗的大小，可分为低阻抗型母线保护 ( 一般为几欧姆) ，中阻抗型母线保护( 一般为几百欧姆) ，高阻抗型母线保护( 一般 为几千欧姆) 。 低阻抗母线差动保护装置比较简单，一般采用先进的、久经考验的判据，系 统的监视较为简单。但低阻抗母线差动保护在外部故障使t a 饱和时，母线差动继 电器中会出现较大的不平衡电流，可能使母差保护误动作，所以该保护的可靠性 不能得到很好的满足。 高阻抗母线保护可以较好地解决t a 饱和问题，为了克服低阻抗母线保护中1 i a 饱和时误动的问题，可在差动回路中串入一高阻抗，其值可在数千欧姆以上，因 而在外部故障电流互感器饱和时，可减少差动回路的不平衡电流，不需要制动。 对于区内故障采用t a 饱和前快速动作的方式，区内故障动作速度快。但在内部故 障时，差动回路可产生危险的过电压，对继电器可靠工作不利，且要求t a 的传变 特性完全一致、变比相同，这对于扩建的变电所来说较难做到。 中阻抗母线保护是把高阻抗特性和比率制动特性两者有效结合，在处理t a 饱 和方面有独特优势。它以电流瞬时值作测量比较，测量元件和差动元件多为集成 电路或整流型继电器，当母线内部故障时，动作速度极快，一般动作时间小于l o i n s ， 因此又被称为“半周波继电器”。其缺点是必须应用辅助电流互感器，保护整定 计算较为复杂。由于其巨大的优越性，在我国得到了广泛的应用。此外，由于国 内外微机装置刚刚出现，运行经验缺乏，因此今后几年内中阻抗母线保护装置仍 将发挥重要作用。 1 2 3 微机型母线保护 当微机线路保护取得巨大成功后，人们开始探讨微机保护能否应用与电力系 2 统中最重要的元件一母线。 2 0 世纪8 0 年代初，国内外学多学者对微机母线保护的的理论和实践进行了大 量的探索和研究，但发展比较缓慢。随着计算机和网络通信技术的飞速发展，微 机母线保护在9 0 年代蓬勃发展起来，各种原理和模式的微机母线保护相继推出。 它相对于其它类型的母线保护，有着不可比拟的优势，如： 1 ) 微机母线保护不需要公共的差电流回路，不需要将各回路的电流互感器二 次绕组并联在一起引至保护盘，而是通过软件计算来合成差动电流和制动电流，这 大大简化了交流二次回路，提高了保护的可靠性： 2 ) 可以用软件来平衡各回路电流互感器便闭的不同，不需要设置辅助电流互 感器； 3 ) 利用微机的智能作用和计算能力可实现更复杂但更可靠的动作判据；创造 各种检测电流互感器饱和的新方法； 4 ) 对双母线接线方式而言具有自适应能力，利用微机的智能作用自动识别各 回路所连接的母线组别； 5 ) 微机母线保护具有自检功能，可靠性得到了进一步的提高；更重要的是， 微机母线保护具有通信接口，可方便地与监控系统互联、完成信息的远传和远控， 实现自动化；当然微机母线保护具有调试整定方便的优点是不言而喻的。 因为以上这些优点，所以母线保护也很快发展起来。在2 0 世纪初期和中期， 国内国外的继电保护厂家( 公司) 分别研制成功了数种母线保护装置。到目前为止， 已经研制成功并在现场投入运行的母线保护产品有： 1 ) 国外西门子( s i e m e 螂) 公司研制的s 口r a r e c7 s s 6 0 型集中式微机母线保护 和7 s s 5 2 型分布式微机母线保护和断路器失灵保护； 2 ) 通用( g e ) 电气公司的b 3 0 和b 9 0 型微机母线差动保护； 3 ) a b b 公司r e b 5 0 0 型分布式微机母线和断路器失灵保护等。 国内的产品主要有： 1 ) 许继研制的w m 乙8 0 0 型微机母线保护装置； 2 ) 国电南自的w m 乙4 1 a 、w m 乙4 1 b 微机母线保护装置； 3 ) 深圳南瑞研制生产的b p 2 a 、b p - 4 1 b 微机母线保护装置； 4 ) 南瑞继保生产的r c s 9 1 5 系列微机母线保护装置等。 随着计算机与网络通信技术的发展，数字技术引入到母线保护的理论与实践 得以广泛探索，优势日益彰显，微机型装置正在并将很快成为母线保护的主流。 然而，影响现有微机型母线保护动作正确性的两大问题就是i “9 j ： 1 ) 如何防止电流互感器暂态饱和对差动保护的影响。由于母线的连接元件众 多，在发生近端区外故障时，故障支路电流可能非常大，其t a 可能饱和，有时可 3 达极度饱和。当1 a 进入饱和状态时，其二次侧不能正确传变一次侧电流，这是母 线保护误动的主要原因之一。因此，如何防止t a 饱和对母线保护的影响成为母线 保护的焦点问题之一。 2 ) 如何增强母线保护适应母线运行方式变化的能力。非固定连接主接线方式 的母线的优点是提高供电系统运行的可靠性和灵活性，但相应的母差保护必须切 换其差流回路和出口回路，使其与运行方式保持一致。如何使微机母线保护自适应 地判别母线的运行方式，免去人工干预及由此引起的人为误操作也是研究的焦点 问题。 1 3 本课题的意义和主要研究内容 1 3 1 本课题的意义 随着电网规模的不断扩大，母线故障对电气设备的损害及对电网稳定运行的 危害也日益严重，因而对母线保护的要求也越来越高。而目前在电网中运行的整 流型和集成电路型母线保护有很多已不能满足这种对速动性和安全性日益增长的 需求，有待更换。另外，为缓解我国电力资源短缺的现状，势必要扩建很多新的 发电厂和变电站，因此具有良好性价比的集中式微机型母线保护具有极大的市场 潜力。 尽管母线保护已取得了丰硕成果，但是仍存在着许多不足，母线保护的正确 动作率一直低于全国电网元件保护的正确动作率，例如2 0 0 4 年运行中，全国电网 元件保护正确动作率为9 0 1 6 ，而母线保护正确动作率仅为8 4 0 9 ，所以母线 保护仍需进一步的完善、改进和发展，同时快速发展的电力系统对母线保护也提 出了越来越高的要求。 所以设计一种快速、灵敏、可靠的微机母线保护不但可以创造很大经济效益， 而且对促进母线保护的发展具有重要意义。 1 3 2 本课题的主要研究内容 本文所需完成的工作主要有以下几个方面： 1 ) 在对各种母线保护原理和算法分析比较的基础上，确立母差保护所采用的 原理和算法； 2 ) 对电流互感器饱和机理及现有抗饱和方案进行分析，在此基础上，通过仿 真研究，确立相应的抗t a 饱和方案，并验证抗饱和方案的有效性： 4 3 ) 对双母线运行方式的自适应问题进行研究，确定所采用的自适应运行方案； 4 ) 根据现有的硬件平台，设计母线保护系统的整体结构；进行母线保护各功 能模块的设计、程序流程的设计及程序的编制。 5 2 母线保护的基本原理及主要算法的探讨 2 1 母线保护的基本原理 母线保护的原理构成总是基于对母线上各连接元件之间的电流的比较，常用 以下几种保护原理： 1 ) 母联电流比相原理 2 ) 电流相位比较原理 3 ) 元件固定连接的电流差动原理 4 ) 带比率制动特性的电流差动原理 下面将使用这四种原理的母线保护动作特性分别进行分析和相互对比。差回 路中电流互感器的极性都遵守如下定义：电流流入母线为正，母联电流从i 母流向i i 母为正。 2 1 1 母联电流比相式母线保护 母联电流比相原理是比较总差动电流与母联断路器中的电流相位，利用两个 电流之间的相位关系来判别故障母线。首先它用总差动电流是否大于差电流定值厶 来区分两组母线的内部和外部短路故障。然后若总差动电流l 与母联断路器中的 电流j 。同相，则故障发生在i i 段母线；若l 与j 。的相位相差1 8 0 0 ，则故障发生在i 段母线。实际上，保护动作表达式为： 0 i o ( 2 1 ) ( 2 2 ) 当满足式( 2 1 ) 时i i 母动作，满足式( 2 2 ) 时l 母动作。 母联电流比相式原理适应于连接元件在母线之间切换的场合。当任一连接元 件在母线之间进行切换时，不论哪组母线发生短路，由该连接元件供给的短路电 流不会影响总差动电流的方向。因此，不论各连接元件怎样切换，母联电流比相 总是可以正确地判别出故障母线。 这种母线保护方式也存在一些缺点： 7 l f l z i ，：t ， “卜llll niu r【 1 ) 根据运行方式的需要，要求将两组母线分裂运行时，母线保护将失去选择 故障母线的能力； 2 ) 当两组母线先后发生短路时，母线保护不能切除第二个短路故障； 3 ) 由于差电流定值厶需避越母线外部短路时流过的最大不平衡电流，母线保护 的灵敏度受到限制。 针对第1 ) ，2 ) 项缺点，需要采用附加措施来弥补。 2 1 2 电流相位比较式母线保护 正常运行或母线外部短路时，各元件电流有流入母线的，也有流出母线的， 它们的相位相差1 8 0 0 。母线内部发生短路时，各电流均流入母线，它们的相位差 接近o o 。因此，根据各连接元件的电流相位差，可清楚地区分出母线的内部或外 部故障。电流相位比较式母线保护，就是利用相位比较元件测量各电流间的相位 差。来实现保护功能。 这种保护在应用中也要注意一些问题： 1 1 ) 在1 三断路器或环形母线接线中，当发生母线短路时，某些连接元件的电流 z 可能自母线流向线路，使保护拒动； 2 ) 当某一连接元件进行倒闸操作时，它的两组隔离开关同时与i 段和i i 段母线 相连，母联断路器的电流被旁路，流过其中电流的方向将是不确定的。若此时发 生故障保护可能会失去选择性； 3 ) 当电流互感器饱和时，二次电流波形将产生畸变。此时二次电流与一次电 流的相位是不一致的，有可能造成保护误动。 2 1 3 元件固定连接的母线电流差动保护 在正常运行情况下，根据基尔霍夫定律，流入母线的电流之和为零： j 。+ j ：+ + j 。一一屯 ( 2 3 ) 、 爿 式中t 、j ：j 是各电流互感器的二次电流 j 。是各电流互感器的励磁电流 当母线发生短路时： i 1 + 1 2 + 4 + i 一- i ，一善i “ 8 ( 2 4 ) 式中j ，是流入母线故障点的短路电流 定义，。j 。+ ，：+ + ，。为总差动电流，是除母联电流互感器外母线上所有连 接元件的二次电流之和。 由于发生母线短路时，短路电流，比励磁电流要大得多( 考虑在流过最大短路 电流情况下电流互感器的比值误差不大于1 0 ) ，因此可以设定一差电流定值，。当 i f 。1 2 j ：( 2 5 ) 时，母线保护即动作将连接在故障母线上的断路器都跳开。 在将此原理应用于双母线时需增加两个差回路作为选择元件： f i j 。h ，；一j 。i ，： ( 2 6 ) 丽 l 爿j ，+ j t l 2 ，： ( 2 7 ) j 式中z 为连于i 段母线上的元件数 m 为连于i l 段母线上的元件数 j 。为母联电流互感器的二次电流 j 。、l ：分别为l 段和i i 段母线的分差动电流 厶为分差动电流定值 以总差动电流为起动元件，以分差动电流为选择元件，母线保护就可以正确 切除故障段母线。 这种保护组成元件和接线比较简单，有很好的选择性。但是保护适应运行方 式变化的能力差。如果保护随运行方式的变化由手工操作或隔离开关辅助接点自 动切换差回路和出口回路，又会带来新的问题。 由于起动元件和选择元件的动作电流，应避越外部短路时最大不平衡电流， 故母线保护的灵敏度较低，当电力系统运行方式变化的范围较大时，该母线保护 不能适用。 2 1 4 带比率制动特性的母线电流差动保护 在2 1 1 、2 1 2 中已谈到，当电力系统的运行方式变化很大时，前两种母线保 护起动元件的灵敏度将受到限制，影响上述两种母线保护的使用。如果能使起动 元件的动作电流随外部短路电流的变化而同时变化，也就是将外部短路电流作为 制动电流，那么起动电流的门坎值就可以减小，因而在母线故障时保护有较高的 灵敏度。 有两种常用的制动特性差流继电器，它们的动作条件分别为： 9 l ，。卜k ，+ ，。乏o ( 2 8 ) j 荟，ti x ：三o ( 2 9 ) 式中噩，娲为制动系数。 式中左边第一项为差电流，第二项为制动电流。式( 2 8 ) 表示以几个引出线中最 大的电泓。为制动电流；式( 2 9 ) 表示以n 个引出线电流的幅值之和为制动电流。 在外部短路时，第二种特性可以比第一种特性获得大一倍的制动电流；在内 部短路时，考虑单一电源供电的情况，两种制动特性的制动系数都应小于1 因此 第二种特性制动系数的选择范围比第一种的大一倍，有更好选择性。特别是在区 外故障时，故障引出线流过的电流最大，而该线电流互感器的误差也最大，制动 量下降最多。因此对于母差保护来说，第一种特性是不可取的。 因为比率判据在原点附近不能正确区分区内和区外故障，所以比率差动继电 器一般由电流差动判据和比率制动判据组成： 仔2 量，。 ( 2 1 0 ) l l k + o 、 式中：为定值，称为差电流门坎； 一罗，l 称为和电流。 ，埘与厶不同，它只需按避开正常运行时的最大不平衡电流整定即可，一般取，肼 = ( 0 2 加3 ) ，；知为电流互感器的额定电流。母线没有匝问故障也不考虑高阻接地， 母线故障的短路电流水平都能满足这个门坎，保护的灵敏度取决于髟值的大小。 对于传统的继电器来说，反应的都是电流有效值或平均值，而不是电流的瞬 时值大小。随着数字化微机保护的发展，反应瞬时值大小的继电器成为可能，相 应地出现了瞬时值比率差动判据。 差动原理对电流的瞬时值也是成立的，将比率制动判据用电流的瞬时值表达 得： i 善小k4 孙卜o ( 2 1 1 ) 在区内故障时，并不是每一时刻的瞬时值都满足上式。这是因为此时各连接 元件中的电流相位并不完全一致，瞬时值和的绝对值要小于绝对值之和。按瞬时 值比较时一般采取在连续r 次比较中有s 次判据成立为满足。如果采用这种方法， 并且将各元件电流最终简化合并为两个电流f 1 、f 2 且i l = 1 2 。取琢：o 7 则判据式为： i f l + f 2 l - o 7 ( 1 f l l + l f 2 i ) o 那么只有当这两个电流相位差达到1 1 0 0 时，判据才处于临界动作状态。所以瞬 时值比率制动判据在区内故障时能可靠动作。 使用瞬时值判据适应于数字化微机保护的离散采样数据，综合体现了各电流 量幅值和相位关系的影响，为微机母差保护的快速出口开辟了新的途径。关于瞬 时值判据的特性将在2 2 节详细论述。 2 1 5 四种母线保护原理之间的比较 单纯的电流差动原理和母联电流比相原理的灵敏度都比较低，不能适用于母 线运行方式变化范围大的场合。电流相位比较原理虽然灵敏度很高，但不能适用 于有故障电流流出的3 2 断路器的母线和多角形母线。而带比率制动特性的电流差 动原理兼顾了在小故障电流下的灵敏度和大穿越性电流情况下的制动特性，具备 了自适应式保护原理的特征，因此在高压和超高压母线保护中被广泛使用。但是 在外部短路故障电流互感器深度饱和时，由于失去了最大的一个制动电流，该原 理不能将其与内部短路相区分。没有抗饱和措施的比率制动式母差保护在这种情 况下就会误动。高压电网中电力系统一次回路的时问常数较大，短路电流中的非 周期分量易使电流互感器的铁心趋于饱和。这个原因是影响比率制动式母差保护 正确动作率的重要因素。对于电流相位比较式母线保护，由于二次电流饱和波形 发生畸变，不能正确反应一次电流的相位，因此也不能回避饱和问题。 这四种原理有一个共同点，就是母线保护需要与母线运行方式保持一致。母 联电流比相原理虽然不要求根据母线运行方式切换差电流回路，但仍然要求切换 相应的出口回路。因此如何使母线保护与母线运行方式保持一致，也是不能回避 的问题。 通过以上的分析和比较，带比率制动特性的电流差动原理适用的母线主接线 形式几乎不受限制，而且其灵敏度和可靠性满足高压电网的要求。特别是该原理 的瞬时值判据对于数字式微机保护来说具有旺盛的生命力。因此只要解决好克服 因电流互感器饱和产生的不平衡电流和保护对母线运行方式自适应这两个问题， 就能够保证比率制动式母差保护的正确动作，而能够发挥出其应有的优越性。 1 l 2 2 母线保护中一些算法的探讨 2 2 - 1 采样值( 瞬时值) 电流差动算法 常规的模拟式电流差动继电器反应的差电流是流入被保护设备的各支路电流 之和，其不平衡电流是一个随时间变化的正弦量，也许还包括一些谐波。作为继 电器的反应原理，可以反应有效值，或平均值等等。目前已有的各种微机差动保 护，其原理大多与常规差动保护相同。即将每一支路电流的若干个采样值用于某 种算法，计算出相应分量的虚实部，然后求出各支路电流的向量和，作为差动 电流。再根据采用的动作特性判据构成差动保护。而根据采样值差动原理构成的 差动继电器，在概念上与传统的计算机保护对信号处理的基本概念有较大的差异。 根据基尔霍夫定律，流入一个节点的各支路电流之和为零。这个定律首先适 用于各支路电流的瞬时值，各支路电流向量之和为零是这一定理的推广。对微机 差动保护来说，当各支路电流在同一时刻采样时，所采得的是各支路电流在同一 时刻的瞬时值，在被保护设备没有横向短路故障时，各采样值之和等于零。当发 生横向短路故障，以及保护设备额外增加一个支路时，原来各支路电流的瞬时值 之和便等于新增故障支路的电流的瞬时值。 采样值差动保护就是利用此采样值电流之和( 称作采样值差动电流) 按一定 的动作判据构成的。由于差动保护所采用的各支路电流是1 a 二次侧电流，而1 a 铁心存在非线性特征，随着电流的增大，不平衡电流将越来越大。因此和常规差 动保护一样，需要采用非线性的制动特性。 与常规差动保护相比，采样值差动保护有一个显著的特点。在稳态过程，常 规的差动保护用的是有效值，差动电流和不平衡电流以及施加的制动电流都是一 个不随时闻变化的确定值。但是对采样值差动保护来说，采样值是随时间而周期 变化的。对不同的采样点，其制动值不一样，有一些采样点制动效果差，有一些 采样点制动效果较好。这就要采取措施使得在被保护设备无内部短路时，保护的 判据能避开制动效果差的采样点，而又不影响内部短路时保护能正确动作。解决 的方法是重复多次判断法，具体地说就是连续r 次采样判决中有s 次及以上符合 动作条件则判定为保护动作。这里要求s 次及以上动作是为了防止少量采样点的 制动不足，而要求r s 是为了保证内部短路时可靠动作，不受个别采样点误判的 影响。 问题是r 、s 值如何取法，制动特性判据如何设定。根据文献【“l 的研究结果， 在电流正弦曲线的1 4 周范围内，当采样点在0 到4 5 度区间内，采样值差动判据 与向量差动判据的制动效果相当；当采样点在4 5 度时，采样值制动判据的制动效 果比向量差动判据差；当采样点在4 5 度到9 0 度区间时，采样值差动判据的制动 效果要优于向量制动判据，其它区间的情况类似。因此，s 的选取必须覆盖1 ，4 周 波以上的范围，才能保证采样值差动判据的制动性能不差于常规向量差动保护。r 的选取，需重点考虑以下两方面因素： 1 1 内部故障时，采样值差动数据窗可能经过过零点，导致极端情况，当过零 点位于两采样值中点时，有可能使连续两采样点不满足差动判据，故一般需取 r = s + 2 。 为保证采样值差动的可靠性，即内部故障时可靠动作，外部故障不动作， r s 的值不宜取得过大。在实际应用中，可根据不同的用途调整r 、s 。 综上所述，由于采样值差动只需连续判断r 个点( 一般小于1 0 m s ) ，就可取 得与常规向量差动保护相当的效果，因此可以提高保护的动作速度。 采样值差动判据包括两部分： rb 苫 ( 2 1 2 ) l 芑k ( 2 1 3 ) 与常规向量差动保护不同，采样值差动的动作需靠重复判别来实现，而又因 为采样值的离散性，使得采样值差动在动作电流大小的确定上存在一个模糊区。 式2 1 2 存在一个区间【a i 、b l 】，当差流有效值大于模糊区上限值8 l 时，采样值 差动将不受采样初始时刻影响而必定动作，当差流有效值小于模糊区下限值a l 时， 采样值差动保护将不再受采样初始时刻影响而必定不动作，而当差流有效值在a 1 、 b l 之间时，采样值差动处于临界状态，可能动也可能不动，与采样时刻的相位状 态有关。根据文献1 1 5 l 的研究式 2 1 2的模糊区为 i 乙，酬( r s + 1 ) 吾) ，l ，s 叫俾一$ + 号) l ，可见当采样点数越大，该模糊区就 越小。 式2 1 3 存在一个区问【a 2 、b 2 】，当差流与制动电流有效值之比大于制动系数上 限值6 2 时，采样值差动保护将不受采样初始时刻、差流与制动电流间相位的影响 而必定动作，当差流与制动电流有效值之比小于制动系数下限值a 2 时，采样值差 动保护将不受采样初始时刻、差流与制动电流间相位的影响而必定不动作。根据 文献1 1 5 j 的研究式2 1 3 的模糊区为i k ，k c 辔( 职一s ) 玎) 1 。需要指出的是：动 作判据2 1 3 并非一定存在模糊区，当差动电流和制动电流的向量相位相同或相差 1 8 0 0 时，其对应的采样值比例关系将保持不变，模糊区也随之消失；式2 1 3 的模 糊区i k ，k + c f g “霄一s ) 石) i 是在最不利的条件下即差流与制动电流相差9 0 。时 得到的。如果固定某一相位，模糊区仅受初始采样时刻影响时，实际模糊比的大 小要比c 留( 俾一s ) 石) 小得多。 式2 1 2 主要是防止负荷状态下的不平衡电流，裕度较大，即使考虑其它的不 定的变化范围，也不影响保护的动作特性。 式2 1 3 由于差动电流和制动电流的向量不同相，不能每一个采样值都满足制 动特性的要求，此时主要靠重复次数来保证足够的制动特性。 在本课题中，采样率为每周2 4 点，因此，如果故障发生后9 点有7 点动作， 则判为内部故障；为了保证内部故障时保护动作的可靠性，增加另一个判据，如 果故障发生后1 1 点中有8 点满足差动判据，也判为内部故障。 2 2 2 基于故障分量的采样值差动算法 由于不论是常规的向量电流差动保护还是采样值电流差动保护，都无法解决 差动保护在内部高阻接地故障时的灵敏度和负荷电流对差动保护的影响等问题， 而基于故障分量的保护在原理上与常规运行时的负荷无关，与接地故障时的过度 电阻无直接关系，具有相当的优越性。因此采用故障分量原理保护与采样值电流 差动保护相结合，形成基于故障分量的采样值电流差动保护，以提高电流差动保 护的性能是十分自然的设想。 采样值电流差动保护可以提高电流差动保护的动作速度，但是并没有改善保 护的灵敏度，基于故障分量的电流差动保护能够提高保护的灵敏度，因此自然提 出了基于故障分量的采样值电流差动保护原理。本节将分析母线保护中故障分量 采样值电流差动保护与采样值电流差动保护的区别【冽。 为了方便理解，以下分析和计算都以单母线为例伪】图2 1 ) ，并且假设母线上 只有两个元件，一个是电源( 电流为f 1 ) ，一个是负荷( 电流为f 2 ) 。因此采样值电流 差动保护的差动电流和制动电流分别是：- i + f 2 i ；k k i + 吲。 母线的故障状态图2 2 ( a ) 可分解为母线的正常运行状态图2 2 和故障附加状 态图2 2 ( c ) 。故障电流可分解为：j l = 抽1 峨l ；如；咖2 + 2 。 图2 1 简化的单母线系统 f i 9 2 1s i i p l i f i c ds i n g i c - b u s - s y s 忙m 1 4 ( a ) 母线的故障状态 ( b ) 母线的正常运行状态 ( c ) 故障附加状态 图2 2 利用叠加原理分析母线故障 f i 9 2 2u a v c f l a p p i n gt h r yt o 柚a l y 露t h cb 惦厶l l l t 为了分析的方便，本节内容各电流向量的表示均对应相应电流的瞬时值，如，。 表示电源电流f 1 对应的向量。不妨采用下面的常规电流差动保护的动作判据来讨 论，即：j 。- 矗+ 厶i ，k 卅i + i 厶i 对应的故障分量原理的动作电流和制动电 流分别为：虬l 缸+ 吐i ，a ，。- l 她i + i “：i 。假设正常运行状态，。和，：的电 流分别为j 朋和j 自：，且，m 。- 一，m ：，珈1 ；嘞2 ；珈；故障点电流大小为珈故障状态 时j ，和j ：的故障分量分别为j 。和j ，：，则j ；。+ j 。：- o ，。取的电流为正方向； 其常规比例制动方程中差动电流和制动电流可转化为 l 一，j i i l + l + 7 2 + 2 h j ，l - ， ( 2 1 4 ) ，。一7 问+ j 用2 i + i - + z 卜。加+ + 7 肚一，1 2 - ，+ 2 ，向一2 2 ( 2 1 5 ) 故障分量原理的动作电流和制动电流可转化为 虬i 以一，) + 以一：) h ，+ ：h 一i 一， ( 2 1 6 ) 脚0 一j 一，i + i ，2 7 加：i 叫，l + i ：卜。+ ：- ， ( 2 1 7 ) 假设制动系数为k ，常规比例制动的动作方程整理为式2 1 8 ，故障分量比例制 动的动作方程整理为式2 1 9 。 l k ( j ，+ 2 一2 2 ) ( 2 1 8 ) 虬 x r ，( 2 1 9 ) 由a 一l 可知常规比例制动和增量比例制动的动作量数值相等，由于差动电 流本身即为故障分量，所以无论取或不取工频变化量，它反应故障电流的能力没 什么差别。 由式2 1 5 可知，一l 一”卢+ 4 ：，所以故障分量比例制动方程按常规比例制 动可化为l ，x ( ，脚一2 + 弘：) ，常规比例制动和故障分量比例制动的动作曲线 如图2 3 所示。 堪埝 o 2 岛2 0 一2 岛一翘? k 图2 3 常规比率制动和故障分量比率制动的差动保护动作曲线 f 啦3o p e n t 咄c h 岫c e 触o f d 溉陀m i a lp 栅i c t i 伽w i n ln 叫n a l 馆t c 螂打a i n t 卸df a i d t 仪眦巾。啪tn 协心s 砸妇tp r i n c i p l 髂 比较图2 3 曲线可知，在同样内部故障情况下，当没有负荷电流流出时限= o ， 珈= k ) ，故障分量比例制动的动作范围就等于常规比例制动的动作范围；当有负荷 电流流出时皿o 勘 _ 厶2 ) ，故障分量比例制动的动作范围就大于常规比例制动的动 作范围。动作范围的差别为图中阴影的虚线部分，所以故障分量比例制动的灵敏 度大于常规比例制动的灵敏度。但是判断保护的性能，不能单从保护的动作范围 进行比较，应当从判据反映故障的综合能力( 包括判据是否一直投入，是否能反应 复杂的综合故障等) 。母线故障时考虑过渡电阻的影响，如图2 4 所示。 图2 4 母线经过渡电阻故障 f i 9 2 4b 惦臼l n lv i at r a n s i 皿t 坤s i s t a n ，u ， ，( z l + z 2 ) 吖兰& + rz l z 2 + 尺( z l + z 2 ) z 1 + z 2 k - ，+ 即酗。+ 一2 表卜鬻+ 所以 立土生坠! 兰! ! ( 2 2 0 ) ，晴，材 2 ，加r ( z l + z 2 ) + 2 j 庸z l z 2 + u ，( z l z 2 ) 、 由式5 1 6 和式5 1 7 可得： 尘生。生1 ( 2 2 1 ) 越。i f 1。 比较式2 2 0 和式2 2 1 可知，故障分量比例制动的电流差动保护不受过渡电阻 的影响，相对常规比例制动具有较大的动作范围和较高的灵敏度；常规比例制动 电流差动保护的制动系数则要考虑到过渡电阻的影响，当母线发生内部故障，过 渡电阻越大，差动保护动作所要求的比例制动系数越低，损失了差动保护判据抗 电流互感器误差的能力。 从判据的有效时间看，故障分量比例制动的差动保护由于数据量依赖于工频 变化量，因此其判据只能短时起作用，当系统进入故障状态以后，工频变化量很 小，保护不具备反应故障的能力，但对于常规比例制动的差动保护只要有故障存 在，就具备故障反应能力。特别是当系统发生转换性故障时，例如区外t a 严重饱 和转为区内故障时，故障分量比例制动差动保护的差动电流变化量很小，此时它 不能反应这种类型的故障。 基于故障分量的采样值电流差动保护可以作为采样值电流差动保护的补充， 两者结合可以更好地提高母线差动保护的性能。 2 3 本章小结 通过分析和比较母线保护的基本原理，论证了微机母线保护采用带比率制动 特性的电流差动原理的优越性；分析了微机母线差动保护中采样值电流差动算法 和故障分量差动保护算法的原理和特性，采用故障分量算法与采样值电流差动保 护算法相结合，形成基于故障分量的采样值电流差动保护，以提高电流差动保护的 性能。 1 7 3 电流互感器的饱和机理及抗饱和方案的研究 电流互感器是一次系统与二次系统之间的接口元件，是各种保护装置感知一 次系统真实状态的中间媒介，无论是传统保护还是数字保护，都通过电流互感器 反应被保护元件中流过的电流，因此电流互感器是否能正确传变对保护的性能就 具有非常关键的影响l ”。 目前母线差动保护用电流互感器基本都是电磁式电流互感器，是通过铁心磁 场作用建立一次侧和二次侧的电磁联系。考虑到经济因素和安装的方便性，普通p 级电流互感器使用较多i 执矧，这种电流互感器未考虑暂态特性。由于电磁式电流 互感器铁心是非线性元件，存在铁心饱和的现象，当铁心发生饱和后，电流互感 器不再线性地传变一次电流，二次电流与一次电流之间存在误差，这将会影响保 护的正常工作。母线差动保护由于所连接的元件多，当发生区外故障时，