（电力系统及其自动化专业论文）wfbz01型微机发变组保护应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tf i r s t ，t h i sp a p e rr e v i e w st h ed e v e l o p m e n t p r o g r e s so fp o w e rs y s t e mr e l a y p r o t e c t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yo ft h eg e n e r a t o r t r a n s f o r m e rs e tr e l a yp r o t e c t i o n , a n dt h e n ，d e s c r i b e st h ea c h i e v e m e n to fm i c r o c o m p u t e r - b a s e dr e l a y p r o t e c t i o n t e c h n o l o g ya n dp r e s e n t si t sd e v e l o p m e n tt r e n d s ，i e t h ei n t e g r a t i o na n da r t i f i c i a l i n t e l l e g e n c eo nc o m p u t e r , n e t w o r k ，r e l a yp r o t e c t i o n ，c o n t r o l l ，m e a s u r e m e n ta n d d a t ac o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s t h ew f b z - 0 1m i c r o - c o m p u t e rg e n e r a t o r - t r a n s f o r m e r r e l a yp r o t e c t i o n i s r e s e a r c h e di ns o u t h e a s tu n i v e r s i t ya n dn a n j i n gp o w e ra u t o m a t i o ne q u i p m e n t p l a n t i ti st h ef o u r t hg e n e r a t i o ng - t p r o t e c t i o ne q u i p m e n t i ti so n eo f t h em o s t w i d e l y u s e da n dt h eb e s t c a p a b i l i t y g - tu i n t c o m p o n e n tp r o t e c t i o n t h e a p p l i c a t i o ni ns h a n d o n gz h o n g h u al i a o c h e n gp o w e rp l a n t i st h ef i r s tt i m ei n 2 + 6 0 0 m w l a r g et y p eg e n e r a t o r - t r a n s f o r m e r u n i t t h em a i nm e r i t so f w f b z 0 1 m i c r o c o m p u t e rg e n e r a t o r - t r a n s f o r m e rr e l a yp r o t e c t i o n l i e si nf o u ra s p e c t s ：t h e g r e a tb r e a k t h r o u g hi np r o t e c t i o np r i n c i p l ei m p r o v et h es e n s i t i v i t ya n dr e l i a b i l i t y ； t h eh i g hc a p i t i l i t yo fi n f o r m a t i o nd e a l i n ga v o i d st h ea c to fu n c l e a rr e a s o n h j g hr e l i a b l eh a r d w a r es y s t e mw i t hh i g ha n t i i n t e r f e r ec a p i t i l i t y t h ea p p l i c a t i o no f m i c r o c o m p u t e rc o n q u e r s v a r i o u s d e f e c t s ，m a k e s t h ec o r r e c t o p e r a t i n g r a t e a p p r o a c h1 0 0 a c c o r d i n gt o t h ea p p l i c a t i o no fw f b z - 0 1m i c r o c o m p u t e r b a s e dp r o t e c t i o n f o r2 4 6 0 0 m wg e n e r a t o r - t r a n s f o r m e ru n i ti n l i a o c h e n gp o w e rp l a n t ，i t sm a i n c h a r a c t e r s ，c o n _ f i g u r a t i o n , i m p l e m e n t a t i o n ，e x a m i n a t i o na n do p e r a t i o n a r ei n t r o d u c e d i nd e t a i l m a l f u n c t i o no fg e n e r a t o rs t a t o rg r o u n dp r o t e c t i o nb a s e do nt h et h i r d h a r m o n i ch a so c c u r r e d m a n y t i m e sd u r i n gg e n e r a t o rs t a r t i n ga n dg e n e r a t o rt r i p p i n g t h r o u g ht e s t i n gt h es a m eo p e r a t i n gc o n d i t i n ga sm a l f u n c t i o n , t h er e a s o nr e s u l t i n g h a sb e e nf o u n dt h a tt h ec a p a c i t a n c ea tt h e g e n e r a t o rt e r m i n a l i s c h a n g e dt o o l a r g e t h i sp a p e ra l s op r o p o s e ss o m ec o u n t e r m e a s u r e sf o rt h i sp u r p o s e b e s i d e s ， o u t - o f - s t e pp r o t e c t i o nm a l f u n c t i o n so n c e ，b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s o ft h em a l o p e m t i o n ，t h ep r i n c i p l ei s a n a l y z e d , t h i sp a p e ra l s op r o p o s e ss o m e c o u n t e r m e a s u r e s t h i sp a p e ra l s o p r o p o s e ss o m e c o u n t e r m e a s u r e sf o rs o m ed e f e c t so f w f b z - 0 1 m i c r o c o m p u t e r - b a s e d p r o t e c t i o n ， s u c h a s ，d o u b l e - c o n f i g u r a t i o n ， i e i i 一，墅壅奎鲎塑主鲎篓整茎 d o u b l e - m a i n - p r o t e c t i o n & d o u b l e - s u p p o r t - p r o t e c t i o n ，t h ed e s i g no f t r i pm e t h o d so f 6 0 0 m wt h e t r i pm e t h o d so f 6 0 0 m wp r o t e c t i v er e l a y i n g ，a n dt h ei m p r o v e m e n t m e a s l r e sl t r ep r o v i d e d ， u l t i m a t e l y , t h i sp a p e r d e s c r i b e ss o n l ct a s t ew h i c ha 珊s u m m a r i z e dh a y e a r so f r e l a y p r e t e c t i o nm a i n t e n a n c ew o r k 0 1 tp r i n c i p l eo f l o s s - o f - f i e l d p r o t e c t i o n , r e v e r s ep o w e r p r o t e c t i o n , v a l u es e t t i n go f i m p e d a n c ep r o t e c t i o n ，d i f f e r e m i a lp r o t e c t i o n ，t h em a x t r o u b l ec u r r e n ta n dt h e o p e r a t i o no f g e n e r a t o r - t r a n s f o r m e rs e tr e l a yp r o t e c t i o n ， k e y w o r d s ：w f b z - 0 1 ：g - tp r o t e c t i o n ，a p p i i c a t i o n 珏l 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名蛆日 期： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 本章将介绍课题提出的目的和意义，叙述继电保护技术的现状与发展，详细 阐述了发变组保护的历史、现状及其未来发展趋势，对本文的主要工作做出具体 的说明。 1 1 本课题提出的目的和意义 根据w f b z 0 1 型微机发变组保护在国电公司山东中华聊城发电厂 2 + 6 0 0 m w 机组上的应用，详细介绍发变组保护的原理特别是w f b z 0 1 型微机 发变组保护的主要特点、保护配置以及保护运行情况，着重分析在设备的调试、 运行过程中遇到的具体问题，对发电机3 。定子接地保护、失步保护的误动情况 进行了动作行为分析，并提出相应的改进措施，指出该保护的不足以及改进办法， 对该保护以及其他大型火力发电机组微机保护的选型、配置、调试运行具有重要 的现实意义。 1 2 发变组保护发展现状 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术 与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，因此， 继电保护技术得天独厚，在4 0 余年的时间里完成了发展的4 个历史阶段。 建国后，我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技 术队伍从无到有，在大约l o 年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。 5 0 年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护 设备性能和运行技术，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的 继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。因而 在6 0 年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。 这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。 自5 0 年代末，晶体管继电保护已在开始研究。6 0 年代中到8 0 年代中是晶 体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。在此期间，从7 0 年代中，基于集成 运算放大器的集成电路保护已开始研究。到8 0 年代末集成电路保护已形成完整 系列，逐渐取代晶体管保护。到9 0 年代初集成电路保护的研制、生产、应用仍 处于主导地位，这是集成电路保护时代。 山东大学颁士学谯论文 7 0 年代涞，我湖开始了计算机继电保护的研究，虽然较阑外晚了十年，但 菱袋遂速。鞣缝臻裁了不鬻嚣灌、不弱疆式翡豢瓤爨妒凌嚣。簌差凌餐豫轳穷溪， 东南大学积华中理工大学研制的发电机失磁保护、漱电机保护和发电机交聪器 囊添妒氇耱继予1 9 8 9 、1 9 9 4 霉通逶舔定，投入运行。我营第一套逢瘸予6 0 0 m w 及以下容量鳇求火发邀枫变愿器缉徽娥保护也予1 9 9 4 年硬裂成功。至l 比，不犀 琢瑷、不弼枫蹙酌微机保护番熊特色，为嘏力系统撼供了一批新一代性能优良、 功魏齐全、工佟毒嚣鹣篷赣懿护装璧。蘧蓉徽辊镶护装鬟热磷突，崧徽掘辍轳嫒 件、簿法等方丽也取得了报多理论成果。在使用故障德息方耐，提出了故障分量 茨撬忿，在鼗萋毯羔，发曩鑫了蜇滚搽护、超蕊邃爨护薅鸯了露羧逶鲶遵饕蠢爨， 小波辣法及人工神缀网络被引入继电保护领域，随赭计算机计算遮腋的迅猛提 离，遮嚣蓊鼗攀方法淹缝耄爨劳懿茨鼹鬟袭了一令蔓麓广囊辩室麓鸯了霉琢繇缝 适应魄力系统的各种变化，根据系统运行方式和故障状态改变保护性能，8 0 年 我鼙开始礴究蠢适寂懿毫裸矜，这蕊继窀绦沪发震瀚趋势，怒继毫谦护智蔻张豹 重要援成部分。鑫乎太据缎参数及特性复杂，且保护黪响耐大，褒以农现场投入 实际落行及捺广应溺的过稷袋长嫂。但大枫组保护撇机忱瀚发展方向已被胬遍 接受。 较常粥的继电器型、晶体管型绒集成墩路型保护，微帆型保护糯薰其谢不 霹魄竣熬蕊越毪，突凌表褒崧菠f 氖令方嚣t 曲必活型激。由于微机保护装置魁由软件萃h 硬件端食来实现保护功髓的，i 嘲此 在鬣走疆囊主，不黧暴理瓣熬邀臻势翡爱释辩驳是一襻羲，藏辍不嚣鹣纛枣帮可 改变继电器功能。 ， 秘练合羯躐姥力谶。藕窝徽祝魏逻辑羯辑鼹力，嘏容易辩凝常藐粼融保护审碰 至螫考虑熬黢暴太多辩，鼷模羧龟黪缀难实璇数目慰，霹嚣霹戳使继逝保护熬麓 作斌律更舍璐。 砖缝缝稳懋，虿纛犍骞。镁挺爨护黪饕爨奎要褒凌予篓法糖建撂，瞧馨孝软转 决趟，对于间类型羽保护裟斌，只爨程序槽间，其保护性能必然一数，所以隧能 稳定。 d ) 微机保护利用微机的记j 嚣功能，可明鼹改善保护性能，摄高保护的灵敏性。 镬翔，蜜镦瓿软尊蜜溪翡臻攀方爨纛磐，消豫窀瑟瑟区，褥薅有稍予蓊舔壤臻 2 山东大学硕士学位论文 护的实现。 e ) 微机保护利用微机的智能，可实现故障自诊断、自闭锁和自恢复。 f )体积小、功能全。由软件可实现多种保护功能，可大大简化装置的硬件结构， 可以在事故后，打印出各种有用数据。例如故障前后电压、电流采样值、故障点 距离、保护的动作过程和出口时间等。 g ) 运行维护工作量小，现场调试方便。 1 3 继电保护的未来发展 继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量 和数据通信一体化发展。 1 3 1 计算机化 随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。微机保护硬件 经历了3 个发展阶段：从8 位单c p u 结构的微机保护问世，不到5 年时间就发 展到多c p u 结构，后又发展到总线不出模块的大模块结构，性能大大提高，得 到了广泛应用。 电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有 大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力， 与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力， 高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台p c 机的功能。在计算 机保护发展初期，曾设想过用一台小型计算机作成继电保护装置。由于当时小型 机体积大、成本高、可靠性差，这个设想是不现实的。现在，同微机保护装置大 小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机，因此，用成 套工控机作成继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一。 继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好 地满足电力系统要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济 效益和社会效益，尚须进行具体深入的研究。 l _ 3 2 网络化 计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生 产和社会生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工 业领域提供了强有力的通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所 山东大学硕士学位论文 膏继电保护装置都炎髓反斑保护安装楚静憋气量。继电保护豹终麓也只限予切豫 故障元件，缩小事故影响瓶围。这主要是鼬于缺纛强有力的数据邋信手段。国外 旱已提出j 擅系统保护的概念，这在当时主鬻指安全自动装鬣。因继电保护的作用 不只限于切除敖昧元件和限锻事故影响范疆( 这是越要任务) ，还要保证全系统的 安全稳定远行。这就要求每个保护单元都能共享垒系统的运行和故障信息的数 据，在分摄这些售怠帮数攥戆基磁上协调凌终，确保系统数安全稳定运行。显然， 实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装鬣用计算机网络 联接超皋，夯帮实瑰徽瓿绦护装鬟涎阚络纯。这程鹭藏躲羧零条耱下是完全霹靛 的。 对予一般静菲系统保护，实现保护装鬟的诗箨钒联网氇有禳大静葑凳。继电 保护装置能够得到的系统敞障信慰愈多，则对故障性质、敞障位鬣的判断和故障 躐离的检测愈准确。对自适应保护原理的研究已经过很长的时闻，也取褥了一定 鹣成果，但要真派实现保护对系统运行方式和故障状态鲍自适应，必须获得更多 的系统运行和故障信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做至这一点。 巍上述可知，鼗撬绦护装爨跨磐比霹大大撼意摄妒性链都溪靠性，这是微 机保护发展的必然趋势。 i 。3 。3 缣护、控麓、测蕊、鼗攒i 藿售一髂位 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高 校能、多功能酶计算梳，怒整个魄力系统计算梳两络上鹣个智能终端。它可驮 网上获取电力系统运行和敞障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件 的任何倍息和数据传送给网络控锘6 中心绒任一终端。因此，每个微机傈护装置不 经可完成熬电保护凌能，两且在恶款漳藏常运行情况下逐可完成测量、控制、数 据通信功能，亦即实现保护、控制、测爨、数据通信一体化。 嚣懿，楚了测量、豫护彝控镄豹嚣癸，室乡 变电站豹灏有设餐，翅交基器、 线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆 不僵要大量授瓷，蠢量傻二次霞嬉菲索复杂。毽楚拓莱将上述麓僚护、控髑、溺 嫩、数掇通信一体化的计算机装鬣，就地安装在塞外变呶站的被保护设铸旁，将 被保护设备的窀迸、电流量在北装置内转换成数字量詹，遥过计舞梳网络送翻主 控室，贝可免除大量的控制电缆。如果用光纾作为网络的传输介质，还w 免除电 4 些奎查堂堡主堂鱼堡塞 磁干扰。现在光电流互感器( o i a ) 和光电压互感器( o t v ) 己在研究试验阶段，将 来必然在电力系统中得到应用。在采用o t a 和o t v 的情况下，保护装置应放在 距o t a 和o t v 最近的地方，亦即应放在被保护设备附近。o t a 和o t v 的光信 号输入到此一体化装置中并转换成电信号后，一方面用作保护的计算判断；另一 方面作为测量量，通过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备的 操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器的操作。 1 3 4 智能化 近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在 电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网 络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问 题，应用神经网络方法则可迎刃而解。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独 特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。可 以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解 决的问题。 1 4 本文的主要工作 本文将详细介绍发变组保护的原理特别是w f b z 一0 1 型微机发变组保护的 主要特点、保护配置以及保护运行情况，着重分析在设备的调试、运行过程中遇 到的具体问题，对发电机3 。定子接地保护、失步保护的误动情况进行了动作行 为分析，并提出相应的措施，提出了作者在设备的调试、运行中总结出的几点体 会、经验。针对电力系统反事故措施等规章制度，指出w f b z - 0 1 型微机发变组 保护的不足以及改进办法。 山东大学硕士学位论文 第二章发变组保护的原理 发电机、变压器的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决 定性的作用，特别是大型发电机组是当前电力系统的重要组成部分，造价昂贵、 结构复杂，一旦发生故障，检修期长，给国民经济造成的直接和间接经济损失巨 大。因此，应针对发电机、变压器的不正常工作状态和可能发生的故障装设性能 完善的继电保护装置。发电机变压器组应装设的保护： 曲主保护 主保护是满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保 护设备的保护。发电机变压器组的主保护有：发电机差动保护、变压器差动保 护、发电机变压器组大差保护、发电机定子匝间保护、发电机定子接地保护、 转子接地保护、主变瓦斯保护等。 后备保护 后备保护是主保护或断路器拒动时，用来切除故障的保护。发电机一变压器 组的后备保护有：对称过负荷保护、负序过流保护、发电机定子过电压保护、变 压器零序电压电流保护、变压器过激磁保护等。 c ) 异常运行保护 异常运行保护是反应被保护设备异常运行状态的保护。发电机一变压器组的 异常运行保护有：发电机失磁保护、失步保护、逆功率保护等。 2 1 纵差动保护 2 1 1 基本原理 电流差动原理于1 9 0 4 年由c h m e r z 和b p r i c e 在英国提出，尽管其实 现方式存在一些差别，但基本原理沿用至今。它是各种电气设备使用最广泛的一 种保护方式。纵差动保护是利用比较被保护元件各端电流的幅值和相位的原理构 成的。它在发电机、变压器、母线及大容量电动机上获得了广泛的应用，广泛用 作现代大型发电机、变压器的主保护。纵差保护的原理图如下( 以发电机保护为 例) ： 6 山东大学硕士学位论文 f i g 2 1b a s i cp r i n t i p l eo f d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o i l 当正常运行以及保护范围外部故障时，一次电流1 1 与1 2 相等。如果不计电 流互感器励磁电流的影响，则二次侧也流过相同的电流，即i l = i 2 ，电流在二次回 路中形成环流，流入保护装置的电流为零，装置不动作。 当保护范围内部发生故障，则有一侧一次电流反向，此时如果短路点电流 为i d ，那么流入保护装置的电流为( 1 n 1 ) i d ，即等于短路点总电流归算n - 次侧 的数值，当大于整定值时，保护即作用于跳闸。由此可见，差动保护在保护范围 内部发生故障时，反应于故障点的总电流而动作。 2 1 2 纵差保护的进展 目前，大部分微机保护的原理与常规差动保护相同，即计算出差动电流和 制动电流的幅值与相位后，用相量比较的形式构成判据。这其中主要包括防止外 部短路的不平衡电流造成误动作的比例制动式差动保护、标积制动式差动保护以 及防止变压器励磁涌流导致误动作的二次谐波制动式差动保护以及由此发展的 故障分量纵差保护。 近年来，一种直接利用采样值实现的差动保护原理逐渐在工程中得到实际 应用。根据基尔霍夫定律，流入一个节点的各支路电流之和为零，无论对于瞬时 值还是相量值，该定律均成立。对于微机保护而言，只要所采得的是各支路电流 在同一时刻的瞬时值，正常运行及外部短路时，各采样值之和为零。发生内部故 障时，相当于被保护设备增加了一条支路，原来支路的瞬时值之和便等于新增支 路电流的瞬时值。利用此采样值电流之和( 称作采样值差动电流) 即可构成采样 值差动保护判据。作为差动保护的一种特殊形式，采样值差动与常规相量差动保 护相比，具有动作速度快、计算量少的特点，是微机应用在传统差动保护领域的 山东大学硕士学位论文 一个突破。下面我们就不同原理的纵差保护逐一比较。 2 1 2 1 电流差动保护 电流差动保护的原理最简单，它依靠提高启动电流的定值避开最大不平衡 电流，作为设备的速断差动保护获得广泛的应用。其灵敏度不高，一般机械型继 电器的整定值需整定( 3 5 q ) i n ，微机速断保护动作快，需整定( 6 - - 8 ) i n 。但 是由于速断差动保护定值高，受波形影响小，严重故障时，即使其他差动如比例 制动保护受到闭锁仍能快速动作，保证了系统的安全运行。 2 1 2 2 由速饱和变流器供电的差动继电器( b c h 1 和b c h 2 ) 这两种机械型差动继电器在我国曾获得广泛的应用，有着良好的业绩。 b c h 1 的原理是继电器对输入电流交流分量的灵敏度随着直流分量的增加而降 低。差动保护的暂态不平衡电流远大于稳态不平衡电流，其特点是直流分量大于 交流分量。b c h 1 能有效地避开此种不平衡电流。在整定计算中只需利用整定 值避开稳态不平衡电流。在内部发生故障时，如果短路电流中含有直流分量， b c h 1 动作会有延时，但不会超过2 0 m s 。用速饱和变流器避开交压器励磁涌流 2 1 2 3 比例制动式纵差保护 比例制动式纵差保护被国内外广泛应用于电气主设备，作为快速主保护， 典型的动作判据是： 差动电流i d = i1 1 1 2 l 制动电流i r e s = o s ( i l + 1 2 ) 动作判据 i d i o p 0 当i r e s i r e s 0 i d 1 0 1 0 0 + k r e s ( i r e s i r e s 0 ) 当i r e s i r e s 0 式中，1 1 ，1 2 两侧电流相量( 以流入端子为正向) ； i o p o 最小动作电流： i r e s 0 一最小制动电流； k r e s - i d i o p 0 i r e s 0 山东大学硕士学位论文 图2 _ 2 纵差保护的比例制动特性 f i g 2 2 t h er a t i or e s t r a i n tc h a r a c t e ro f l o n g i t u d i n a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n 当流过电流互感器的电流小于电流互感器的额定电流的情况下，电流互感 器的误差非常小，差动保护只要躲过很小的不平衡电流即可，在制动特性曲线( 如 图2 ) 表现为没有制动的一部分。当电流互感器电流超过额定电流并增加时，电 流互感器的误差也开始增加，由于两侧电流互感器误差不一致而导致的不平衡电 流也将增加，因此从拐点( 拐点电流宜取c t 的额定电流，这样既能保证保护灵 敏度，也能保证可靠性) 开始，曲线表现出制动特性，以克服不平衡电流的增加。 比例差动保护具有以下优点： a ) 比例差动保护具有灵敏度高，保护范围外部故障时制动特性好的优点。当 保护范围内部发生短路故障时，1 1 与1 2 近于反向，差动保护的制动量仅与两侧 电流( 二次值) 幅值之差成正比，而动作量却与全部内部短路电流成正比，保护 均能正确动作。而当外部短路时，保护以全部的短路电流为制动量，作为动作量 的差动电流却为零( 实际上有些不平衡电流) ，保护可靠不动。相对于速饱和特 性的差动继电器，采用比例制动特性避越外部短路的不平衡电流，具有动作时间 快( 不必将一般非周期分量衰减后，再动作) ，动作电流小的特点。 b ) 由“软件”实现的比例差动保护较传统的差动保护的可靠性、灵敏性、选 择性、速动性方面都有很大的提高。，纵差保护微机化的实现，使保护装置不必 通过模拟电路来构成比例制动特性，只需通过正确的程序算法设计，对电气量瞬 时值的采样，同时利用数字滤波技术，快速滤去短路过渡过程中的直流分量和谐 波，就可以获得理想的比例制动特性，并做到内部轻微故障时不带制动量灵敏地 动作，保护能够更迅速地切除故障、保护电气设备。 但是，比例制动式差动保护也存在一些缺点： a ) 它能保护横向故障( 发电机相间、变压器相间及接地短路) ，不能保护纵 向故障( 发电机匝间短路或开焊) 。这是纵差保护从原理上无法克服的缺陷。对 于变压器来说，由于保护无法彻底区分涌流与故障电流，也难以准确鉴别系统是 正常状态、异常状态或故障状态，在很多情况下，它无法躲开空载合闸时刻的励 磁涌流，造成纵差保护的误动作。 9 山东大学硕士学位论文 b ) 纵差保护的实现依赖于电流互感器的正确传变和二次负担的合理选择。 现在国内外主设备纵差保护所用的互感器一般为保护级，例如1 0 p 或5 p 。纵差 保护是快速动作的，反映的是短路的暂态电流，而p 级互感器的技术规范只是用 于稳态电流( 计及谐波分量，但不考虑非周期分量的作用) ，两者之间明显不协 调。即使在纵差保护的动作特性整定中已采用非周期分量系数( k a p = 1 5 2 0 ) ， 纵差保护在外部短路暂态过程中的不平衡电流最多也只为 k a p k e r l k m a x = 2 * 0 1 * i k m a x = 2 0 l k i n a x 。实际上变压器等主设备的纵差保护所 用的不同型号的互感器，在外部短路暂态过程中完全可能产生大于2 0 的暂态不 平衡电流。为保证外部短路时纵差保护不误动，采用比例制动特性，但后者仍由 k a p k e r 等参数决定制动系数，采用p 级互感器难以确保外部短路时保护不误动。 因为外部短路电流很大时t a 饱和，暂态短路电流的非周期分量加剧了t a 饱和 的程度。这对于比例制动纵差保护，既有不平衡差动电流的非线性增大，又因饱 和而减小了制动电流，若t a 选型不合适、二次设计不合理、动作值整定不当， 很有可能造成保护误动。 2 1 2 4 标积制动纵差动保护 标积制动原理的动作量和比例制动原理完全相同，所不同的是制动量。标积 制动原理的高灵敏性和安全可靠性就是来自这一原理的变化。 标积制动原理的制动量反映的是数学上的内积量。与比例制动相同，它由两 部分组成：无制动部分和比例制动部分。它具有比e b 例制动特性高的灵敏度；同 时又具有外部短路时不误动的特性，大大提高了纵差保护的安全性和可靠性。所 以，标积制动原理也获得了很广泛的应用。其动作判据是： 差动电流i d = i l + 1 2 l 制动电流i r e s = 小ii li + 11 2l c o s n ) 式中，1 1 ，1 2 。两侧电流相量( 以流入端子为正向) ； i o p 0 最小动作电流； i r e s 0 - 一最小制动电流； k r e s 一一比例制动式纵差保护的制动系数。 1 0 山东大学硕士学位论文 按l 萄23 纵差保护的标积啊动特性 旧zj 1hprq 1 ores 1r 口in 1 1or fero lon0 1 fud ind ld i f feren i0 i pro 旺f ion q 1 1 与1 2 间的夹角。当一9 0 。9 0 。时，c o s 0 ，i r e s ：0 ， 有制动作用；当9 0 。( a ( 2 7 0 。，c o sa ( 0 ，i d 为虚数，则令i r e s = 0 ， 无制动作用。 这种纵差保护最具特色的是横坐标b 点的设置，通常取b = i 5 。斜线c d f 的延长线过坐标原点。 当外部短路且短路电流不大时，i r e s 比较小，若i r e s i n = 1 5 ，动作区域由 a c d 划定；若i r e s i n 兰1 5 ，而且1 1 i n b 和1 2 i n b ，纵差保护动作电流i d = e o ，即 保护完全拒绝动作。对于不考虑暂态特性的p 级互感器，外部短路一次电流不超 过1 5i ，纵差保护的不平衡电流不可能很大，利用c d 直线的斜率( 一般取 o 2 5 0 5 ) ，一定能够保证保护不误动。当外部短路电流大于1 5i i l ，此时i l f l n 和1 2 i n 必然都大于1 5 ，动作特性表现为i d = c o ，这样互感器的严重饱和也不会造 成保护误动。也不必在考虑采用暂态特性的保护用电流互感器。 标积制动原理的高灵敏性从以下几个方面可见一斑： 曲标积制动原理和比例制动原理的制动量理论上都反映臂电流的幅值和 相位，但从形式上看前者更注重反映相位特性，其制动量随电流之间相位的改变 山东大学硕士学位论文 而改变，最小可为零。但是比例制动原理的制动量总是大予零的。 b ) 从制动曲线上看，当区内发生故障时，一旦相位大于9 0 度，标积制动工 作点就在纵坐标上。而比例制动工作点一般不会，而且工作点和故障类型与故障 形式都有关系。因而，标积制动原理比比例制动原理的工作点要远远地离开动作 边界。在反映同一故障的灵敏度上体现更高的灵敏性。 c ) 理论计算已经表明，发电机内部即使发生轻微的故障，制动量的相位也 超过9 0 度，标积制动原理灵敏度可见是非常高的。 d ) 在发电机并网前发生的内部短路，由于发电机机端无电流，仅中性点处 有短路电流，因此标积制动原理的制动量为零，而比例制动原理的不为零。显然， 标积原理的动作裕度更大，对于动作更有利。 e ) 差动保护的灵敏性不应仅仅反映动作边界，而更应反映故障时离开边界 的距离。实际的短路过程比较复杂，有过渡电阻，有电弧，有谐波，因此工作点 离开边界的距离越远，即越灵敏，克服这种不利因素的能力就越强。 2 1 2 5 故障分量比例制动式差动保护 微机在继电保护领域中的普遍使用，促进了保护在原理和性能上的发展。 由于微机具有长记忆功能和强大的数据处理能力，可以获得稳定的故障分量，从 而加速了故障分量原理的比例制动差动保护的发展与应用。 比例纵差保护原理等由于反映的是全电流量大小，因此它就必须克服正常 运行时负荷电流给保护带来的不利影响。从另一个角度来看，可能会降低保护的 灵敏度。如果保护构成时仅反映故障电流，不反映负荷电流和缓慢的负荷变化的 电流，从原理上讲可以提高保护的灵敏度。 故障分量比例制动差动保护从原理的角度分析具有优越的性能。其动作方 程是： i1 1 1 2 l k li la + 1 2 l 2 山东大学硕士学位论文 2 4 故障分量纵差保护的比例制动特性 f i g 2 4t h er a t i or e s t r a i n tc h a r a c t e ro f l o n g i t u d i n a l d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nb a s e do nf a u l t c o m p o n e n t 当k l b l ( 1 ) 或i a i c ( c 为常数) ( 2 ) 相比，采样值电流差动保护的判据为 l a s i n 巾1 1 b s i n ( 中一中) 1 ( 3 ) 或i a s i n 巾1 c ( c 为常数)( 4 ) 式中a 对应a s i n 由；b 对应b s i n ( 巾一a 由) ；巾为变量；巾为a 、b 两向量和 的角差；a 、b 分别为a 、b 的幅值。 理论分析证明，如果不考虑非基波分量的影响和抗干扰性能时，对于采样 值电流差动保护，只要在半个周期内有 9 0 。的角度范围满足其判别方程，制 动结果则与其所对应的常规电流差动保护判据的制动效果相当。对于每周采样 1 2 点的采样值电流差动保护来说，采用6 取4 的方案即可保证在半个周期内满 足保护动作判据。如果采样率提高，还将减少采样值电流差动保护动作边界的变 化区域，改善其可靠性能。但是不能因为采样率提高而将保护动作速度无限制地 提高，原理上采样率与出口速度没有直接关系，采样值电流差动保护的出口极限 为5m s 。 对于变压器来说，由于励磁涌流的存在，会导致比例制动差动保护误动作。 1 4 山东大学硕士学位论文 国内外多年来一直进行研究，提出不同的鉴别涌流和内部短路的方法。二次谐波 提出较早，在模拟式及微机式保护中现均应用的较多，制动比常取1 5 ，但在内 部短路时，由于c t 饱和，静补电容或长线路分布电容引起谐振等因素，使短路 电流谐波分量( 包括二次及三次等) 显著增大( 但迅速衰减) ，引起保护延时动 作，故提出加速措施，如低电压加速及大电流加速等。另外，现代变压器饱和倍 数趋低，到1 2 “1 3 甚至以下，涌流2u 含量可能低于1 0 以下，因此二次谐波制 动方案尚须进一步研究改进。有磁制动方案、等值电路参数鉴别法等。 2 2 发电机定子接地保护 随着机组容量的增大，发电机定子接地保护的重要性越来越大，继电保护和 安全自动装置技术规程规定，对于i o o m w 及以上的发电机，必须装设1 0 0 定子 接地保护。 2 2 1 基波零序电压型定子接地保护 定子接地保护采用基波零序电压原理是最简单、可靠的方案。无论国内或国 外，无论发电机中性点是何种接地方式和保护装置是模拟式或是数字式，均以基 波零序电压构成定子接地保护的基础。 基波零序电压型定子接地保护简单可靠，但在定子绕组中性点附近总有一定 大小的保护动作区，即灵敏性较差。如果发电机定子绕组第一次发生的接地故障 位于中性点附近的保护动作死区，且没有被检测发现，当再发生第二次接地故障 时，实际上已是相间短路或匝间短路，将造成发电机组的严重损伤，因此，大型 机组要求单相接地保护无动作死区，即1 0 0 的保护区。利用三次谐波电压型定 子绕组单相接地保护与基波零序电压型定子接地保护可以实现这一要求。 以某中性点经配电变压器高阻接地的发电机为例，在允许过渡电阻为8 k q 的情况下，基波零序电压只能反应发电机机端距中性点约9 4 1 0 0 范围的定子 绕组故障。在大于距中性点约4 0 的绕组部分，可以实现3 k q 过渡电阻接地的故 障保护。保护灵敏度随故障点与中性点的距离近似成线性增长，机端灵敏度为最 大。在中性点附近的灵敏度普遍最低。因此必须引入三次谐波电压保护，以消除 这部分死区。 2 2 2 三次谐波电压型定子绕组单相接地保护 过去我国按照苏联模式，发电机中性点不接地或中性点经消弧线圈接地， 山东大学硕士学位论文 今年一些引进的机组或国内生产的大型机组，按美国方式，中性点经配电变压器 c a 阻接地。对以上三种情况，国内外均在三次谐波保护方面进行了较多的研究。 国外采用的多为反应中性点三次谐波电压单侧量变化的方案，而国内应用较多的 是兼用机端和中性点三次谐波电压双侧量构成的i u n + u a | _ bl u ni = o 方式，理 论分析和实践已表明，后者具有更高的性能。传统式保护比较复杂，而且对于频 率等因素的影响比较敏感，是造成灵敏度不高的原因之一。微机保护由于良好的 测量精度和强大的计算和记忆功能，可以将灵敏度提高一些。在已研制成的一种 微机保护中，可根据发电机实际3 u 电压大小及相位自动整定，因而简便得多， 在该微机保护中还引进了虚拟电位点法，由于微机调试整定方便，也得到实际应 用。对于中性点经配电变压器电阻接地方式，美国p o p e 等研制了不同的三次谐 波保护方案，分别成功地用于3 5 0 m w 及7 8 9 m w 的汽轮发电机。 常规的接地保护装置一般在发电机半载或更大负荷正常运行时调整动作量 约为0 ，当发电机有功输出偏离调整点时动作量将不再近似为0 。另外，在发电 机的长期运行中，由于温度等因素导致对地分布电容的变化，即使在同一有功条 件下其动作量也将发生变化。在选取制动系数时就必须考虑到可能出现的最大不 平衡量，限制了灵敏度的提高。 当机组容量增大，对地电容随之增大( 尤其是水轮发电机) 时，配电变压 器原方归算电阻( 由限制过电压条件选定) 降低，3 ( i ) 保护灵敏度将会过分降低， 因此中性点接地方式带来的问题还有待探讨。 2 2 3 自适应接地保护和故障分量接地保护 由于发电机正常运行方式的改变和系统振荡引起的三次谐波电压及其比值的 变化较定予接地故障时的变化相对要缓慢的多，研制成功了自适应接地保护。它 有效地降低了正常运行下的制动量，灵敏度有显著提高，能够满足现代大型机组 对接地保护的要求，在汽轮机和水轮机上的真机试验结果及试运行情况证明了这 一点。 p o p e 还研制了注入脉冲法保护方案，将低频( 1 5 h z ) 脉冲方波从发电机中 性