IEC 60255-187-12021 测量继电器和保护设备.第187-1部分差动保护的功能要求.电动机、发电机和变压器的限制和非限制差动保护标准立项发展报告

测量继电器和保护设备第187-1部分：差动保护的功能要求——电动机、发电机和变压器的限制和非限制差动保护标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:MeasuringRelaysandProtectionEquipment–Part187-1:FunctionalRequirementsforDifferentialProtection–RestrainedandUnrestrainedDifferentialProtectionofMotors,GeneratorsandTransformers摘要随着全球电力系统规模持续扩大、新能源发电占比不断提升以及电网结构日趋复杂，电力主设备（电动机、发电机和变压器）的安全稳定运行面临更为严峻的挑战。差动保护作为电力主设备最重要、最灵敏的主保护方式，其功能要求的标准化对保障电力系统安全具有基础性意义。本报告围绕国际电工委员会（IEC）发布的标准IEC60255-187-1:2021《测量继电器和保护设备第187-1部分：差动保护的功能要求电动机、发电机和变压器的限制和非限制差动保护》展开系统分析。报告首先梳理了该标准的立项背景与编制历程，阐明其从IEC60255系列通用要求中分化独立成篇的技术动因；其次，深入解析了标准的核心技术内容，包括差动保护的功能架构、限制差动保护与非限制差动保护的定义区分、内部故障与外部故障判别逻辑、CT饱和处理策略以及性能评价指标体系等；再次，报告分析了该标准对设备制造商、系统集成商、电力用户及第三方检测认证机构的多维影响；最后，结合继电保护技术向数字化、智能化方向发展的趋势，对该标准未来可能的修订方向进行了前瞻性展望。本报告旨在为从事继电保护科研、设计、制造、运行及标准化工作的专业人员提供系统性的技术参考与决策支撑。关键词：测量继电器；保护设备；差动保护；限制差动保护；非限制差动保护；功能要求；IEC60255；标准化Keywords:Measuringrelays;Protectionequipment;Differentialprotection;Restraineddifferentialprotection;Unrestraineddifferentialprotection;Functionalrequirements;IEC60255;Standardization1引言1.1研究背景差动保护基于基尔霍夫电流定律，通过比较被保护设备两端（或多端）的电流量来判断内部故障与外部故障，具有原理简单、选择性好、灵敏度高、动作速度快等突出优点，长期以来一直是电力变压器、发电机和大型电动机等电力主设备的主保护方案。在电力系统继电保护体系中，差动保护承担着在最短路时间内切除主设备内部故障、防止故障扩大、保障系统稳定的关键任务。随着电力系统电压等级的不断提升、电网互联程度的日益加深以及新能源大规模接入带来的运行方式多样化，差动保护装置面临的工作条件愈加复杂。电流互感器（CT）饱和、励磁涌流、过励磁、区外故障穿越、系统振荡等异常工况对差动保护的动作可靠性提出了更高要求。与此同时，数字化变电站技术的推广应用、IEC61850标准的普及，以及保护装置硬件平台计算能力的飞跃式提升，使得新型差动保护算法和功能不断涌现。在此背景下，制定一部专门针对差动保护功能要求的国际标准，将分散在各种设备标准中的差动保护功能要求进行系统化整合与规范化表达，成为国际电工领域的迫切需求。1.2标准立项背景IEC60255是国际电工委员会测量继电器和保护设备领域的核心标准系列，其历史可追溯至20世纪50年代。该系列标准涵盖了保护继电器的术语定义、技术要求、试验方法等各个维度。在IEC60255-187系列立项之前，差动保护的功能要求分散于各类产品标准及部分通用标准之中，缺乏统一的规范性文件，导致不同制造商生产的差动保护装置在功能定义、性能指标和试验方法上存在显著差异，给用户选型、工程设计和运行维护带来了诸多不便。随着IEC60255系列标准体系的持续优化和结构调整，将差动保护的功能要求单独成册、形成IEC60255-187子系列的条件日趋成熟。IECTC95（测量继电器和保护设备技术委员会）经过充分论证，决定启动IEC60255-187-1的编制工作，旨在为电动机、发电机和变压器的限制和非限制差动保护提供统一的功能要求框架。1.3标准基本信息IEC60255-187-1:2021《测量继电器和保护设备第187-1部分：差动保护的功能要求电动机、发电机和变压器的限制和非限制差动保护》由国际电工委员会（IEC）第95技术委员会（TC95）归口管理，于2021年7月28日正式发布，标准状态为现行有效。该标准以英语和法语双语版本发布，分类号归属于继电器领域，是IEC60255系列标准家族的重要成员。2标准编制历程与组织架构2.1编制历程IEC60255-187-1的编制工作经历了严谨而漫长的过程，充分体现了国际标准制定中协商一致的原则。主要编制节点包括：-2016年：IECTC95正式提出新工作项目提案（NWIP），建议在IEC60255系列框架下设立差动保护功能要求的新标准项目；-2017年：项目获得委员会表决通过，正式立项，成立工作组WG7，确定由来自德国、美国、中国、法国、瑞士等主要工业国家的专家组成编制团队；-2017-2019年：工作组先后形成了委员会草案（CD）、委员会草案投票稿（CDV），其间多次征求各国家委员会意见，对标准的技术内容进行了多轮修改和完善；-2020年：形成最终国际标准草案（FDIS），提交各国家委员会进行最终投票表决；-2021年7月28日：IEC正式发布IEC60255-187-1:2021标准。整个过程历时约5年，充分反映了国际标准制定过程中各方利益和技术观点的充分博弈与协调。2.2标准编制组织IECTC95是国际上负责测量继电器和保护设备标准制定的权威技术委员会，其秘书处由德国承担（DIN）。TC95的成员包括来自全球各主要工业国家的国家委员会、制造商、电力公司、科研机构和检测认证机构的专家。该委员会下设多个工作组（WG），分别负责不同子领域的标准制定。其中，WG7具体负责IEC60255-187系列标准的编制工作。中国作为IEC的重要成员，深度参与了该标准的编制过程。中国电力科学研究院有限公司、南京南瑞继保电气有限公司、许继集团有限公司、国电南京自动化股份有限公司等国内主要继电保护科研和制造单位的专家作为中国国家委员会的注册专家，参与了标准各阶段的技术讨论和意见反馈，为标准的完善做出了积极贡献。3标准核心内容解析3.1标准的适用范围与定位IEC60255-187-1:2021明确规定了电动机、发电机和变压器的限制差动保护和非限制差动保护的功能要求。标准适用于以下三类被保护对象：-电动机：包括同步电动机和异步电动机，覆盖不同电压等级和容量范围；-发电机：包括汽轮发电机、水轮发电机以及燃气轮发电机等各类同步发电机；-变压器：包括双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器等各类电力变压器。标准中"限制差动保护"（RestrainedDifferentialProtection）是指具有制动特性的差动保护，其动作判据同时依赖于差动电流和制动电流，能够有效区分内部故障与外部故障，并对区外故障引起的CT饱和、不平衡电流等具有较高的耐受能力；"非限制差动保护"（UnrestrainedDifferentialProtection）则是指不设置制动量的差动保护，通常作为高定值差动速断保护使用，仅依靠差动电流幅值大小来判别内部故障。该标准在IEC60255系列中处于"功能要求"层面的定位，与IEC60255-1（通用要求）、IEC60255-27（产品安全要求）等标准协同配合，共同构成了完整的标准体系。3.2功能架构与分类标准将差动保护的功能要求按照以下维度建立了系统化的分类框架：（1）按被保护设备类型分类不同设备类型的差动保护具有不同的技术特点和应用侧重。变压器的差动保护需重点关注励磁涌流识别、CT变比匹配及相角校正等问题；发电机的差动保护需关注中性点接地方式的影响以及匝间短路保护的配合；电动机的差动保护则需考虑起动过程的大电流冲击和堵转工况。标准对三类设备分别给出了有针对性的功能要求和技术指标。（2）按保护功能类型分类标准将差动保护功能划分为限制差动保护和非限制差动保护两大功能类别，分别规定了各自的输入量定义、动作判据、动作特性边界和性能评价方法。（3）按技术实现方式分类标准涵盖传统硬接线方式实现的差动保护，也涵盖基于IEC61850过程总线通信方式实现的数字化差动保护（采样值差动保护），对两种实现方式分别提出了相应的功能和性能要求。3.3核心功能要求标准对差动保护的核心功能要求主要包括以下几个方面：（1）差动电流与制动电流的构成标准明确定义了差动电流和制动电流的计算方法。对于双端差动保护，差动电流通常为两端电流的矢量和幅值，制动电流则可采用和值制动、平均值制动、最大值制动等不同方式。标准对各行业通用的几种制动电流构成方式进行了规范说明，同时对多端差动（如三绕组变压器差动）的电流归算和相位校正方法提出了明确要求。（2）动作特性与整定要求标准规定了限制差动保护的动作特性应具有比率制动特性，并明确了起始动作电流、比率制动系数、拐点电流等关键参数的定义和取值范围建议。对于非限制差动保护，标准规定了其定值应显著高于限制差动保护的启动值，以防止在区外故障或励磁涌流等工况下误动作，同时规定了其在内部严重故障时的速动性要求。（3）励磁涌流识别功能针对变压器差动保护面临的励磁涌流问题，标准明确要求装置应具备励磁涌流闭锁或识别功能，并对二次谐波制动原理、波形对称原理、间断角原理等主流涌流识别方法的性能验证提出了明确要求。标准同时考虑了现代大型变压器磁路设计和铁芯材料变化对励磁涌流特征的影响，规定了涌流识别功能在不同涌流波形特征下的动作可靠性考核方法。（4）CT饱和处理能力标准充分考虑了区外故障时CT饱和导致差动保护误动的风险，对保护装置在CT饱和工况下的性能提出了明确要求。包括：在区外故障CT饱和情况下保护装置不应误动作；在区内故障伴随CT饱和时保护装置应能可靠动作；保护装置应具备CT饱和检测或自适应调整功能等。标准还规定了CT饱和工况下的试验方法和评价准则。（5）过励磁能力要求针对发电机和变压器可能出现的过励磁工况，标准要求保护装置应能区分过励磁状态与内部故障状态，避免因过励磁导致的误动作。标准对过励磁识别功能的要求包括：五次谐波比判据的应用、过励磁倍数与允许运行时间特性的配合等。（6）性能评价指标体系标准建立了系统化的性能评价指标体系，主要包含以下关键指标：-可靠性：包括区内故障的动作可靠性和区外故障的不误动可靠性；-选择性：保护动作应精确切除故障设备，不影响非故障设备的正常运行；-速动性：规定了内部故障时的最大动作时间要求；-灵敏性：规定了最小故障电流下的动作灵敏度要求；-安全性：规定了各类异常工况下的防误动要求。上述指标体系为差动保护装置的性能验证和品质评价提供了统一标尺。3.4试验与验证要求标准对差动保护装置的功能验证规定了系统性的试验方法，主要包括：（1）功能试验针对限制差动保护和非限制差动保护分别规定动作特性试验方法，包括动作边界测试、动作时间测试、返回值测试等，明确规定了试验接线方式、试验电流施加方式和判定准则。（2）动态模拟试验规定了在模拟内部故障、外部故障、转换性故障、发展性故障等动态工况下的试验方法和性能要求，用于全面考核保护装置在实际故障过程中的动作行为。（3）特殊工况试验包括励磁涌流模拟试验、CT饱和模拟试验、过励磁模拟试验、系统振荡工况试验等，用于验证保护装置在各种异常工况下的可靠性和安全性。（4）通信接口试验对于采用IEC61850采样值（SV）方式实现的数字化差动保护，标准规定了通信延时、采样同步精度、数据丢失处理等方面的性能要求与试验方法。4标准的影响与作用4.1对设备制造商的导向作用IEC60255-187-1:2021的发布为全球差动保护装置制造商提供了统一的功能要求和试验标准。制造商在产品研发阶段即可依据标准的功能指标体系进行针对性设计，在产品出厂检验阶段依据标准的试验方法进行性能验证，确保产品在功能完整性、性能指标和可靠性方面达到国际公认水平。该标准也有助于规范各制造商产品间的一致性，为产品在全球范围内的推广应用扫清了技术壁垒。4.2对电力用户和工程设计的技术支撑对于电力公司、工业用户和设计院而言，该标准为差动保护装置的选型、招标、验收和运行维护提供了权威的技术依据。用户可依据标准规定的功能要求和性能指标体系，对不同制造商的产品进行客观比较和评价，确保所选设备在功能完整性和性能指标上满足工程需要。同时，标准中关于各类异常工况下保护行为的要求，有助于用户更深入地理解保护装置在各种场景下的动作表现，从而优化保护定值整定和运行维护策略。4.3对检测认证机构的规范价值第三方检测和认证机构可依据该标准建立统一的差动保护装置检测规范和评定准则，确保检测结果的科学性、公正性和可重复性。标准的发布也为开展差动保护装置的国际互认工作奠定了技术基础，有助于消除贸易技术壁垒，促进国际经贸往来。4.4对标准体系的完善意义IEC60255-187-1:2021填补了IEC60255系列在差动保护功能要求领域的标准空白，使该系列标准的框架更加系统和完善。该标准与IEC60255-1（通用要求）、IEC60255-27（产品安全要求）等并列，共同构成了涵盖通用要求、产品安全和功能要求的完整标准族。同时，该标准也为后续IEC60255-187系列中其他保护功能标准（如距离保护、过电流保护等）的制定提供了范式和参考。5标准应用建议5.1国内转化与实施建议建议我国全国量度继电器和保护设备标准化技术委员会（SAC/TC154）积极推动IEC60255-187-1:2021转化为国家标准或行业标准，并结合国内电网运行经验和设备特点制定相应的补充规定或实施指南，以便更好地指导国内相关产品的研发、检验和应用。5.2工程实施建议在工程实际应用中，建议设计单位和用户注意以下事项：-在保护装置选型时将标准中规定的功能要求和性能指标纳入技术规范书；-在出厂验收和现场调试中，依据标准规定的试验方法对差动保护的关键功能进行逐项验证；-特别关注数字化差动保护的通信同步和采样值品质处理要求，确保在工程应用中满足标准规定的性能等级；-结合被保护设备的具体特点和系统运行条件，合理设定限制差动保护与非限制差动保护的定值配合关系。5.3标准应用培训建议电力行业相关单位组织开展该标准的专项宣贯和培训活动，使科研、设计、制造、运行等各环节的技术人员全面理解和准确把握标准的技术要求，推动标准在行业内的落地实施。6主要参与企事业单位介绍6.1国际电工委员会第95技术委员会（IECTC95）IECTC95是国际电工委员会负责测量继电器和保护设备标准制定的专业技术委员会，其秘书处设在德国标准化协会（DIN）。TC95的工作范围涵盖测量继电器、保护设备及其相关的术语、试验方法和功能要求等各个维度。委员会汇聚了来自全球主要工业国家的顶尖专家，代表了继电保护领域国际标准化的最高水平。6.2中国电力科学研究院有限公司中国电力科学研究院有限公司（以下简称"中国电科院"）是国家电网公司直属的科研机构，也是中国继电保护领域的权威研究机构，在IECTC95工作中承担着中国国家委员会的重要支撑角色。