第四节 主设备差动保护及开关失灵保护的一些问题.doc

第四节 主设备差动保护及开关失灵保护的一些问题本节，将较系统地介绍变压器差动保护、电动机差动保护、母线差动保护及开关失灵保护的一些技术问题。一 变压器分相纵差保护消除不平衡电流的方法从所周知，正常运行及外部故障时，Y/接线变压器两侧电流的大小和相位均不相同，其差动TA二次电流的大小和相位亦不相同。为确保变压器正常运行及区外故障时纵差保护不误动，需要解决以下问题：使流入同一相差动元件各侧的电流相位相反；使流入同一相差动元件各侧电流产生的作用或安匝数相同；当变压器大电流系统侧网路中发生接地故障时，没有零序电流流入各相差动元件。上述问题，在模拟式保护装置及微机保护装置中均得到了解决。1 使流入同一相差动元件各侧电流相位相同（或相反）为使同相差动元件两侧电流的相位相反（或相同），可采用改变高压侧（大电流系统侧）差动TA的接线方式进行移相，或采用计算机软件进行移相。改变差动TA接线对差动一侧电流进行移相的方法，是过去模拟式纵差保护普遍采用的移相方法。例如：对于接线为Y/-11的变压器，将其纵差保护两侧TA接线接成-11/Y，使变压器两侧流入同相差动元件电流的相位相反（或相同）。在采用过的各种型号的变压器纵差保护中，由差动TA移相也有两种方法，其一是将变压器高压侧差动TA的二次接成形，另一种是差动TA二次仍接成Y/Y型，而将差动保护高压侧的辅助小TA接成型。对于微机型保护装置，既可以采用改变差动TA二次接线方式移相，也可以由软件计算进行移相。微机保护中的软件计算移相法，是由计算机软件通过计算将某相差动元件某侧的电流移一个角度，从而达到差动元件两侧电流的相位相反（或相同）的目的。目前，在国内生产的变压器微机保护装置中，通过软件对电流进行移相的方法也有两种。一种是将变压器高压侧（即Y侧）差动TA二次电流进行移相，另一种是将变压器低压侧（即侧）差动TA二次电流移相。例如，对接线为Y/-11的变压器，在Y侧进行计算移相的方法是：使该侧流入A、B、C三相差动元件的电流分别等效为：、及（、高压侧差动TA二次三相电流）；而在侧计算移相的方法是：将该侧流入A、B、C三相差动元件的电流、（低压侧差动TA二次三相电流）分别等效为向滞后方向移相300，即分别等于、。2 使差动元件两侧大小不同的电流产生等效作用或使其安匝数相同使流入每相差动元件两侧电流产生等效作用或使其安匝数相同的方法亦有二种。对于模拟式保护，通过选择辅助变流器各侧的匝数（BCH型差动继电器），或者调整I/U变换器输出电压，使在差动元件两侧分别通入各自差动TA二次额定电流时产生的输出电压相等（晶体管或集成电路差动继电器）。在微机型变压器差动保护中，采用引入计算平衡系数的方法，使差动元件两侧不同的电流产生的作用相同。3 消除高压侧网路中接地故障时产生的差流（即零序电流）变压器中性点接地运行时，当大电流系统侧（在差动保护区外）发生接地故障时，将有零序电流流过变压器。此时，为使差动保护不误动，应使零序电流不流入差动元件或对差动元件不产生作用。利用改变差动TA二次接线方式移相、或在差动元件高压侧通过软件计算移相的差动保护，不需再采取其他消除零序电流的方法。这是由于将差动TA二次接成形或分别依次将TA二次两相电流之差通入各相差动元件，就已经滤去了零序电流。当采用软件计算对低压侧电流移相时，则在计算时，应使高压侧流入各相差动元件的电流，分别为 、 式中：、变压器高压侧差动TA二次三相电流 零序电流，其值，由软件计算自产。二 纵差保护平衡系数的整定及校验差动保护两侧之间的平衡系数，也可叫拆算系数。其物理意义是：将由两侧流入差动元件的两个不同电流（其值分别等于额定工况下由变压器两侧进入差动元件的电流）中的一个，乘以一个系数后变成与另一个作用相等的电流。通常将这个系数称之为平衡系数，而将乘以系数的一侧叫拆算侧，另一侧称之基准侧。纵差动保护的平衡系数，是其重要的物理量之一，对其进行只有正确地整定，才能确保差动保护动作可靠。以下，举例说明平衡系数的整定计算方法。设变压器的容量为，接线组别为Y/-11，两侧额定电压分别为、，两侧差动TA的变比分别为及；差动保护TA二次接线为Y/Y，高压侧软件移相，且以低压侧为基准侧。计算两侧之间的平衡系数。由于软件在高压侧进行移相，则变压器高压侧流入每个差动元件的电流分别为两相电流之差，则 变压器低压侧流入每相差动元件的电流为 由于以低压侧为基准侧，设两侧之间的平衡系数为，则 平衡系数 （9-11）由式9-11可以看出：差动保护两侧之间的平衡系数与变压器两侧的额定电压有关，与两侧差动TA的变比有关。对于变压器高压侧由差动TA接线方式移相的Y/接线变压器的微机差动保护，由于通入每相差动元件的电流也为两相电流之差，故其平衡系数与式9-11相同。即平衡系数与高压侧的移相方式无关。微机变压器差动保护平衡系数的输入及固化，对不同型号的装置有不同的方式。在DGT801A型微机发变组保护装置中，只要在表示纵差元件构成逻辑图上构出变压器的组别，变压器两侧的额定电压及差动两侧TA的变比，差动两侧之间的平衡系数便自动计算及设定完毕。验证差动元件两侧平衡系数计算及设定的正确性及差动两侧通道调平衡的准确性，可按以下方法进行：图9-18，为Y/-11接线变压器微机纵差保护两侧的交流输入回路示意图。图9-18 差动保护交流输出回路示意图在图9-18中：A、B、C、N变压器高压侧差动TA二次三相电流接入端子； a、b、c、n变压器低压侧差动TA二次三相电流接入端子。由图9-18中的端子A及a、B及b、C及c、上分别通入单相电流为某一值（例如10A或20A），分别观察并记录装置界面上显示的各相差流值。当通入电流为10A，若观察到的各相差流值如表9-1中列出的值，则说明差动保护平衡系数的整定计算与设置正确，且表明差动元件两侧通道调整良好。表9-1 显示的各相差流差动元件相别加流端子通入电流显示差流A相差动A- a10AA=10B相差动B- b10AA=10C相差动C- c10AA=10在表9-1中：、分别为A、B、C三相差动元件的差流（界面显示值）； 以低压侧为基准侧时差动两侧之间的平衡系数。现举例说明。变压器接线为Y/-11，差动TA接线为Y/Y。变压器高压侧运行电压为242KV，差动TA变比为1250/5。低压侧额定电压为20KV，差动TA变比为12000/5，低压侧为基准侧。校验平衡系数时，通放电流为20A。软件高压侧移相。根据式9-11得： 平衡系数 当在A相差动元件两侧加电流时 A相差流 C相差流 当在B相差动元件两侧加电流时 B相差流 A相差流 =当在C相差动元件两侧加电流时 C相差流 = B相差流 =如果界面显示差流与计算值相同，则说明平衡系数的整定及输入正确，还说明两侧通道的调整良好。要说明的是：当变压器的接线组别不是Y/-11，而为Y/-1时，则在A相差动元件两侧通入20A试验时，得到；当在其他两相通流试验时，以次数类推。三 微机变压器差动保护动作电流的校验具有比率制动特性的差动保护无制动时的动作电流，通常叫差动保护的启动电流，有时也叫初始动作电流或者最小动作电流。它是标征差动保护动作特性及动作灵敏性的重要物理量及整定值之一。理论分析及试验证明：对于不同移相方式的微机变压器差动保护装置，在校验其动作电流时，在不同侧加电流，在同一侧加单相电流及加三相电流，得到的结果可能不同。以下，以Y/接线的变压器为例予以说明。1 在变压器高压侧实现移相（1）采用TA接线移相为使各相差动元件两侧电流相位相反（或相同），对于Y/接线的变压器，其差动TA的接线应采用/Y。当采用这种方法移相时，用在低压侧通入单相电流及通入三相对称电流两种方法校验差动元件的动作电流，得到的结果应完全相同。另外，在高压侧，用通入单相电流及通入三相对称电流两种方法进行校验，得到的结果亦完全相同。在各侧通入单相电流与通入三相电流的不同之处，是前者只有一相差动元件动作，而后者三相差动元件同时动作。（2）由计算机软件移相当采用软件将变压器高压侧差动TA二次电流移相时，在低压侧，用通入单相电流及通入三相对称电流两种方法校验差动元件的动作电流时，得到的结果与采用TA接线移相完全相同：即动作电流相同，前者一相差动元件动作，后者三相差动元件同时动作。若在高压侧通流试验：当通入单相电流校验动作电流时，得到的动作电流值，为用通入三相对称电流方法校验得到电流值的倍。其原因是：当通入三相对称电流时，通入某相差动元件中的实际电流为为两相电流之差；而通入的电流又是对称电流，故差电流为一相电流的倍。另外，当在高压侧通入单相电流校验时，将有两相差动元件同时动作。2 当在低压侧由计算机软件进行移相时在差动元件低压侧用通单相电流及三相对称电流两种方法校验动作电流，得到的结果应相同。不同的是，通入单相电流校验，差动元件只有一相动作，而通入三相电流校验时，差动元件的三相均应动作。在高压侧加电流试验时，加三相对称电流时得到的动作电流值，是加单相电流试验时得到电流值的。其原因是：通入三相对称电流时，其零序电流等于零，作用于每相差动元件的电流等于外加电流值，而通入单相电流进行校验时，由于其中有的零序电流，则作用于差动元件的实际电流为，即只有通入电流的。四 具有比率制动特性纵差保护动作曲线的整定原则目前，国内生产的具有比率制动特性纵差保护的动作特性曲线，通常由图9-19中所示的A、B、C三点决定。图9-19 差动元件的动作特性在图9-19中：动作电流； 制动电流。可以看出：对该纵差元件动作特性曲线的整定，实际上就是确定A、B、C三点。1 A点的确定原则A点的坐标，为差动元件在无制动电流或制动电流无制动作用时的动作电流，也叫做启动电流或初始动作电流。差动元件初始动作电流的整定原则是：按躲过额定工况下流过差动元件的最大不平衡差流来整定。对于发电机差动保护，在额定工况下影响不平衡差流的因数主要有：两侧差动TA变比误差，两侧通道的调试及传递误差，负荷电流大小等。而与TA的10%误差曲线及两侧TA二次回路的暂态特性等无关。变压器的纵差保护的不平衡差流，除了与上述各因数有关之外，变压器的励磁电流、变压器运行中改变分接头等，也将使差流增大。B点的整定原则确定B点，主要是确定其横坐标。B点的横坐标，又称特性曲线的拐点，即对差动元件开始起制动作用时的最小制动电流。该最小制动电流通常称之为拐点电流。拐点电流确定的原则是：应确保区外故障电流较小，或母线某条出线上故障线路被切除后的暂态过程中差动保护不误动。因此影响该整定值的主要因素是差动两侧TA及其二次回路中暂态特性的不一致性。3 C点的确定原则C点的横坐标，与变压器出口短路最大的短路电流相对应，其纵坐标，应大于出口三相短路时在差动元件中产生的不平衡差电流。对变压器差动保护而言，影响区外故障最大短路电流产生的不平衡差流的主要因素，除了两侧TA比误差、运行中变压器改变分接头等之外，两侧TA型号不同、TA的10%误差曲线、差动元件两侧变换元件的暂态特性及调整误差等，也有较大的影响。当B、C两点确定之后，过两点的直线BC也就确定了。在实际整定时，不是确定图9-19中的C点，而是确定BC线的斜率（也叫制动系数）。但要求根据所取斜率得到的斜线BC，应确保通过按上述原则确定的C点或在C点上方。理论分析及多年的运行实践表明：当曲线BC的斜率（即比率制动系数）取0.40.5时，可满足要求。五 电动机差动保护及厂用分支电缆差动保护的特点及提高动作可靠性措施为确保大型电动机（例如给水泵电动机）的安全运行，根据规程规定应装设纵差保护。大中型火电机组厂高变的低压侧，通常设计有两组线圈，分别通过高压电缆与厂用6KV两段母线连接。通常，为确保高压电缆的运行安全，在每条电缆上，设置电缆纵差保护。大型电动机纵差保护及分支电缆纵差保护有一个共同的特点是：两侧差动TA的二次负载相差很大。众所周知，电动机纵差保护的两组TA，一组装在厂用高压配电室开关柜旁，另一组装在电动机的中性点回路。电动机安装在远离6KV配电室的场所。差动保护装置装设在6KV配电室的开关柜上。因此，两组差动TA二次的电缆长度相差数十倍。厂用分支电缆差动保护的情况相似，两侧差动TA二次电缆的长度相差亦很大。另外，上述两种差动保护的工作条件比较差，两侧经常受大电流冲击。这是由于大型电动机在启动瞬间，其电流可能达其额定电流的89倍。在大型电动机（例如发电厂的给水泵等）启动瞬间，由于转差S=1，故相当于三相短路，冲击电流很大。由于两组差动TA二次负载相差很大，其暂态特性必相差较大。在很大的电动机启动电流的冲击下，由于两侧TA暂态特性的差异，从而使差动保护两侧差动TA二次电流之间的相位发生较大的变化，使在差动保护的差流回路中产生较大的差流，致使差动保护误动。为提高电动机及厂用分支电缆差动保护的动作可靠性，可采用以下3种措施：（1） 增加差动一侧（即TA二次电缆长度很长的一侧）电缆芯线的截面，使两侧差动TA二次负载基本相等，以改善两侧差动TA暂态特性的差异。从而减小区外故障或电动机自启动时的不平衡差流。（2） 另外，还可以给差动保护增加一个很小的动作延时（60100ms），以躲过电动机启动瞬间产生的不平衡差流。另外，应考虑增加谐波制动措施。（3） 在电动机启动时，暂将其差动保护退出，或适当提高其整定值。对于上述第3种措施，电动机差动保护很容易自动实现，而厂用分支电缆差动却实现不易。实践表明，采用上述第2种措施比较容易，效果也很明显。六 国产微机电流型双母线差动保护的特点及母联断开运行时提高动作灵敏度措施目前，国内生产及应用的微机型双母线差动保护，其相电流差动保护均由一个大差元件和二个小差元件构成。构成框图如图9-20所示。图9-20 双母线微机型差动保护框图实质上，大差元件作为母线故障判别元件，而小差作为选择故障母线元件。当大差元件及某条母线的小差元件同时动作后，才能切除某条故障母线。大差元件的输入电流，为除母联TA二次电流之外的两条母线所有连接单元之TA的二次电流；而小差元件的接入电流，为被保护的那条母线所有连接单元的TA二次电流。双母线及其母差保护交流接入回路的示意图，如图9-21所示。图9-21 双母线及其差动保护交流接入回路示意图由图9-21可以看出：正常工况下，母联开关闭合，流入大差元件的电流为TA1TA4四组电流互感器的二次电流；而分别流入I、II母小差的电流分别为：TA1、TA2及TA0和TA3、TA4及TA0电流互感器的二次电流。当母线上发生故障时，例如I母上发生故障，对大差元件，其制动电流等于TA1TA4的二次电流绝对值之和，当不计各支路电流之间的相移时，而差动电流等效地等于TA1TA4二次电流的绝对值之和。差动量与制动量之比等于1：1。而对于I母的小差元件，其制动电流及差动电流均等于TA1、TA2及TA0二次电流绝对值之和；差动量与制动量之比也是1：1。此时，大差元件及I母小差元件能可靠动作，切除I母。若母联开关断开运行时（母联开关检修或代路运行），如果在I母上发生故障时，对于I母小差元件，制动电流为TA1及TA2二次电流绝对值之和，差动电流也等于TA1及TA2二次电流绝对值之和，故差动量与制动量之比仍为1：1。但是，对于大差元件，制动电流仍为TA1TA4四组TA二次电流绝对值之和，而差动量仍为TA1与TA2二次电流绝对值之和。显然，差动量与制动量之比远小于1，极限工况下只有0.5。降低了其动作的灵敏度。由以上所述知，当母联开关断开或代路运行时，如果某条母线上发生故障，其大差保护的动作灵敏度必然要降低，甚至使母差保护拒动。因此，为确保大差保护的动作灵敏度，当母联开关断开或代路运行时，母差保护应自动降低其大差元件的制动系数。在WMZ-41系列微机母线保护装置中，当母联开关断开时，自动地将其大差元件的比率制动系数降低到0.3。七 双母线及单母线分段电流型母差保护存在的问题及对策措施双母线及单母线分段的电流型母差保护（包括中阻抗型母差保护），均存在一个共性问题：即当故障发生在母联开关（或分段开关）与母联TA（或分段TA）之间时，将无法切除故障母线，并将无故障母线切除。以下，以单母线分段的母差保护为例予以说明。具有四个出线单元的单母线分段及其母差保护交流接入回路的示意图，如图9-22所示。图9-22 单母线分段及其母差保护交流接入回路示意图在图9-22中：B0及TA0分别为分段开关及分段母线差动TA； B1、B2、B3及B4分别为二段母线上出线单元的开关； TA1、TA2、TA3及TA4分别为二段母线上出线单元的母线差动TA。由图9-22可以看出：接入I段母线差动保护的电流，为TA1、TA2及TA0的二次电流；而接入II段母线差动保护的电流为TA3、TA4及TA0的二次电流。当故障发生在母联开关B0及母联TA（TA0）之间（例如图9-22中的K点）时，对于II段母线的差动保护而言，相当于区内故障。而动作后跳开开关B0、B3及B4。而对于I段母线的差动保护，相当于区外故障而不动作，无法切除故障。为迅速切除母线上所有点的故障，在WMZ-41系列微机型母差保护装置中，设置有母联（或分段）开关失灵保护及母差死区保护。该保护的逻辑框图如图9-23所示。图9-23 母联（或分段）开关失灵及母差死区保护逻辑框图由图9-23可以看出：当I段母差保护或II段母差保护动作后，如果母联TA二次仍有电流，则被判为分段开关失灵，立即启动失灵保护或死区保护使另一段母差保护动作（使流经母联TA二次的电流不流经差动回路），切除故障。说明：母联断路器失灵时，为确保可靠启动失灵保护或使另一段母差保护动作，母差保护动作后，应带延时返回。八 中阻抗型及微机电流型母线差动保护躲TA饱和的原理及方法与发电机及变压器纵差保护相同，电流型母差保护构成的基本原理是：正常工况及区外故障时。当区外故障时，如果某一连接单元的TA饱和（设该TA严重饱和），则其二次电流将等于零。这样，由于，差动保护将误动作。在中阻抗母差保护和国产微机电流型母差保护装置中，均采取了特殊的TA饱和措施，能有效躲过区外故障TA饱和的影响。1 中阻抗型母差保护中阻抗母差保护躲TA饱和影响的原理是：TA不饱和时其内阻很大，为定流源；而当TA严重饱和时，内阻很小；电流是走捷径的，就是说，在两个并联回路中，某一回路阻抗小，则分流大。另外，在故障瞬间，TA不会立即饱和，一般故障之后35msTA才饱和。根据以上原理，中阻抗母差保护中采取躲TA饱和的措施是：在其差流回路中串一个较大电阻（即中阻抗），该电阻为200左右。另外，在区内故障TA饱和时，为使保护可靠动作，差动元件动作速度很快（动作时间小于4ms）。故中阻抗母差保护又称快速母差保护。图9-24为母线有二个出线单元的中阻抗型母差保护差动元件原理接线的示意图。图9-24 中阻抗型母差保护构成原理示意图在图9-24中：Rc差流回路电阻，200左右； Rs制动电阻，16左右； TM升流器； GLJTA断线检测电流继电器； LH1及LH2辅助变流器； KD、KS差动元件出口及闭锁继电器。设母线区外故障，故障点在图9-24中的K点。（1）当TA1及TA2均不饱和时此时，辅助变流器LH1及LH2二次内阻很大。TA1的二次电流经辅助变流器LH1变换后的电流，只能经二极管B2、电阻Rs/2、Rc、电流继电器GLJ、TM的一次回到LH1二次的非极性端；而TA2的二次电流经辅助变流器LH2变换后的电流，则只能经TM一次、GLJ、Rc、Rs/2及二极管B4回到LH2二次的极性端。由于=而方向相反，故流经TM的一次电流为零。继电器KD及KS均不动作。（2）TA2饱和而TA1不饱和时设TA2严重饱。此时，由于TA2励磁阻抗等于零或很小，则使辅助变流器LH2二次阻抗及电流均近似等于零。而电流经二极管B2之后，除可经Rs/2、Rc、GLJ、TM一次回到辅助变流器LH1二次的非极性端之外，尚可经Rs/2、Rs/2、二极管B4、辅助变流器LH2二次，回到辅助变流器LH1二次的非极性端。由于RcRs，而辅助变流器LH2二次的阻抗又很小，故电流的绝大部分通过后一途径，从而使流过升流器TM一次电流很小。继电器KD及KS不会动作。2 国产微机电流型母差保护国产微机型母差保护躲区外故障的原理是：在故障后的35ms之内TA不会饱和，仍能线性传递电流；另外，当饱和TA的电流在零点附近时，也能线性传递电流。根据上述原理，在国产微机电流型母差保护装置中（例如WMZ41系列装置），采用躲区外故障TA饱和的方法是：同步识别法。同步识别法的实质，是判断“故障增量”与“差流越限”是否同步发生。当“故障增量”与“差流越限”同时发生时，即认为“差流越限”是由于母线上发生故障产生的，开放保护出口；而当“故障增量”先于“差流越限”出现，即认为差流的越限是区外故障TA饱和产生的，将母差保护闭锁。九 变压器纵差保护二次谐波制动