故障分量差動保護整定值與制動系數(shù)的關(guān)系

故障分量差動保護整定值與制動系數(shù)的關(guān)系

故障負荷電流是故障后電流和負荷分量之間的差值，由其組成的保護裝置稱為差動率保護。習慣上常用Δ計及故障分量,故也有人稱之為“Δ差動繼電器”。作為一種保護原理,故障分量差動保護應用于保護裝置要經(jīng)過一個加深認識和逐漸成熟的過程。理論分析表明,故障分量差動保護比普通差動保護有更高的靈敏度和更好的選擇性,但是應用故障分量差動保護的保護裝置有誤動的現(xiàn)象,于是有人提出普通差動保護比故障分量差動保護可靠。因此有必要對其進行進一步分析和說明。本文對故障分量差動保護整定值的選取問題進行了討論。首先分析了該差動保護整定值與制動系數(shù)的關(guān)系,然后討論了故障分量差動保護整定值選取問題,最后以實際運行中一次區(qū)外故障的實例,闡述了故障分量差動保護整定值選取與常規(guī)差動保護的不同之處。1制動電流保護比率制動差動保護的通用特性如式1所示:{Ιd>ΙdminΙr≤ΙrminΙd>Ιdmin+Κ(Ιr-Ιrmin)Ιr>Ιrmin(1){Id>IdminIr≤IrminId>Idmin+K(Ir?Irmin)Ir>Irmin(1)式中Id為差動電流;Idmin為差動電流閾值;Irmin為拐點制動電流值;K為動作特性斜線段的斜率,其特性如圖1所示。通常通過比較制動系數(shù)的大小來評價差動保護的動作性能:對于相同的制動電流Ires,當制動系數(shù)越大時,區(qū)內(nèi)故障使保護能夠動作的差動電流越大,保護動作越不靈敏;另一方面,對于區(qū)外故障而言,制動系數(shù)越大,允許兩側(cè)CT的飽和及暫態(tài)誤差越大,保護越不容易誤動。按照制動系數(shù)定義Kres=Iop/Ires(2)式中Iop為差動保護的動作電流;Ires為差動保護的制動電流。當差動保護動作特性不過原點時,Kres顯然與差動保護動作特性中的斜率K是不同的,有必要對K與制動系數(shù)的關(guān)系作進一步的討論。下面以同一K和不同的拐點制動電流值Irmin,對同樣制動電流下的制動系數(shù)進行對比分析。由于當制動電流小于Irmin時,差動保護的動作取決于差電流閾值Idmin,與制動電流無關(guān)。此時制動系數(shù)無意義。下面僅討論制動電流大于拐點制動電流,差動保護臨界動作時制動系數(shù)與制動電流的關(guān)系。將式(1)代入式(2),可得此時制動系數(shù)的計算式為Κres=ΙdΙr=Ιdmin+Κ(Ιr-Ιrmin)Ιr=Κ+Ιdmin-ΚΙrminΙr(3)Kres=IdIr=Idmin+K(Ir?Irmin)Ir=K+Idmin?KIrminIr(3)可見:(1)當取Ιrmin=1ΚΙdminIrmin=1KIdmin時,差動保護的動作特性為過原點的斜線。當差動電流大于差電流閾值時,制動系數(shù)Kres不變,與動作特性的斜率K相等。若取Ιrmin<1ΚΙdminIrmin<1KIdmin,則制動系數(shù)Kres隨著制動電流的增加而減小,逐漸趨進動作特性的斜率K。若取Ιrmin>1ΚΙdmin,則制動系數(shù)Kres隨著制動電流的增加而增加,同樣最終趨進動作特性的斜率K。(2)當制動電流大于拐點制動電流時,拐點制動電流越小,則制動系數(shù)Kres越大。制動系數(shù)Kres隨著制動電流的增大,越來越逼近動作特性的斜率。即當發(fā)生嚴重故障時,保護動作的靈敏度僅與動作特性的斜率有關(guān),而與差動電流閾值和拐點制動電流無關(guān)。以上結(jié)論適用于常規(guī)差動保護和故障分量差動保護。由以上分析可知,為了使發(fā)生外部故障時保護不誤動作,拐點制動電流不能取得太大。通常取差電流閾值略大于正常情況下的最大不平衡電流。與此對應,取拐點制動電流為接近于正常情況下的制動電流。常規(guī)差動在正常工作時,制動電流大小為負荷電流,接近于額定電流。考慮到此時電流互感器誤差較小,可以將拐點制動電流取在額定電流附近。但故障分量差動在非故障情況時,制動電流很小。因此若其拐點制動電流照搬常規(guī)差動的作法取為額定電流附近,就可能當區(qū)外發(fā)生故障時會誤動。2保護裝置的“度”問題,應當根據(jù)具體的背景發(fā)電機保護的安全性和可依賴性問題中,安全性和可依賴性是抽象的概念,對繼電保護來說可以理解為繼電保護既不能拒動,也不能誤動。但由于選擇性和靈敏性要求往往是一對不可調(diào)和的矛盾,因此在考慮具體問題時,就有一個“度”的問題。這種“度”的掌握其實和各種因素有關(guān)。對保護裝置而言,安全性希望保護裝置不要誤動。為防止可能的誤動,在計算整定值的時候應該偏于保守一點,如發(fā)電機差動的定值希望整定得大一點;而可依賴性希望保護裝置不要拒動。為防止可能的拒動,在計算整定值的時候應該偏于激進一點,如發(fā)電機差動的定值希望整定得小一點,以減小“死區(qū)”,提高靈敏度。如何調(diào)和這一對矛盾,主要應從發(fā)電機設(shè)備和電力系統(tǒng)兩方面的安全來考慮。文對故障分量差動保護的特性進行了討論,但是沒有具體說明整定值如何選取。2.1故障分量差動保護忽略負荷電流的誤差之后,故障分量原理與傳統(tǒng)原理的動作量相同。因此故障分量比率制動判據(jù)的差電流閾值ΔIdmin與傳統(tǒng)的二段折線比率制動判據(jù)中定值Idmin相對應。常規(guī)差動運行多年,對于差電流閾值Idmin的整定積累了豐富經(jīng)驗,可參照后者來確定前者。理論上故障分量差動保護有效地消除了正常負荷分量下不平衡電流的影響,可以作到使動作特性在坐標原點附近的死區(qū)很小,故障分量差流閾值ΔIdmin和故障分量拐點制動電流ΔIrmin可以取較小值。但是ΔIdmin和ΔIrmin同常規(guī)差動保護的Idmin和Irmin一樣,也必須考慮CT暫態(tài)誤差、裝置的測量精度和裝置的電路性能等因素。因此采用故障分量原理仍然需要設(shè)置一差流故障分量閾值ΔId.min。為了保證在發(fā)生外部故障時保護不誤動,故障分量差流閾值ΔIdmin不能取得太小,一般ΔIdmin可以取為0.2～0.5In?？梢酝ㄟ^工藝水平、元器件質(zhì)量等的提高,用軟件調(diào)整CT變比等,盡量地減小差流故障分量ΔId的不平衡輸出。這樣可以使ΔIdmin降低從而有利于改善輕微內(nèi)部故障的靈敏度,或者在同等ΔIdmin情況下,提高保護動作的安全性。2.2自適應故障分量差動保護整定值的確定故障分量差動保護的制動電流除去穿越性的負荷電流分量后,當發(fā)生外部故障時,故障分量差動保護的制動電流小于常規(guī)差動保護。為了保護在外部故障下不誤動,通常在滿足靈敏度要求情況下,動作特性曲線的斜率盡量取大一些。由于故障分量比率差動保護與常規(guī)的比率差動保護相比,其優(yōu)越性主要在于內(nèi)部故障工作區(qū)與非內(nèi)部故障工作區(qū)之間的緩沖區(qū)很大。故障分量判據(jù)中的斜率K只要滿足K<1,即使取大一些也不會影響保護靈敏度和制動作用,因此只要保證單側(cè)電源投入時內(nèi)部故障可靠動作,K可比常規(guī)差動保護的動作特性斜率K0取得大。動作特性斜率K一般可取0.3～0.8。建議取斜率K>0.5。常規(guī)差動保護的差電流閾值是按躲開正常負荷下最大的不平衡電流來整定的。考慮到當電流小于電流互感器額定電流時,電流互感器的誤差很小,制動電流在額定電流附近無需起制動作用。因此通常拐點制動電流取在額定電流附近。但是故障分量制動電流在正常情況下較小,因此為了保證保護在區(qū)外故障時可靠制動,拐點制動電流整定值ΔIrmin不能太大。下面對故障分量的拐點制動電流的選取進行討論。對于故障分量差動保護而言,其差流閾值ΔIdmin是由誤差決定的,是一相對確定的值。為了保證差動保護在內(nèi)部故障時的靈敏度,則其制動系數(shù)的取值有一上限值Kmax;另一方面,為了使保護在外部故障時不誤動,保護制動系數(shù)的取值有一下限值Kmin。這樣,保護斜線部分可整定的范圍是由直線EB、BD和DK所界定的區(qū)域。其中直線OBE的斜率為保護制動系數(shù)的上限值Kmax;直線ABCD為ΔId=ΔIdmin的直線;直線ODK的斜率為保護制動系數(shù)的下限值Kmin。拐點制動電流ΔIr.min的選取范圍是直線ABCD和OBE、ODK交點B和D的ΔIr值(如圖2所示),即I1≤ΔIrmin≤I3。對于具體確定的ΔIdmin和K值,故障分量比率差動保護的動作特性取為在直線BE和直線DK之間斜率為K的斜線簇即可。斜線方程過原點只是保護的動作特性可取曲線的一種。為了適應現(xiàn)場實際的要求和保護方案的靈活配置,可在故障分量差動保護整定值中保留故障分量拐點制動電流整定值ΔIrmin。當要求差動保護的動作特性為過原點的斜線時,只需在整定時取ΔΙrmin=1ΚΔΙdmin即可。若取ΔΙrmin>1ΚΔΙdmin,斜線將沿橫軸(ΔIr軸)向正方向平移,這樣做有助于改善靈敏性,但會劣化制動特性;若取ΔΙrmin<1ΚΔΙdmin,斜線將沿橫軸向負方向平移,這樣做有助于增強制動性,但會劣化靈敏性。運行經(jīng)驗表明,應將ΔIrmin限制在不大于0.7In的范圍內(nèi)。當發(fā)生區(qū)外輕微故障時,故障電流中負荷電流占了較大的比例,同時考慮到在發(fā)生故障時暫態(tài)誤差的影響可能使差動電流增大,制動電流減小,故障分量差動保護制動性能偏弱。為了提高其在發(fā)生區(qū)外故障時的可靠性,建議故障分量差動保護的拐點制動電流取小一些,即ΔΙrmin≤1ΚΔΙdmin。也就是適當將斜線向橫軸左方平移,圖3中拐點制動電流取I1和I2之間。當然,拐點制動電流如何取較好,要靠大量現(xiàn)場經(jīng)驗的積累。3誤動的原因分析文介紹了在1回220kV線路C相發(fā)生單相接地故障時,發(fā)變組故障分量差動保護誤動的情況。該保護的動作特性如圖3所示。整定值(以發(fā)電機額定容量為基值,實際額定二次電流為I2e=2.5A)為:①差電流閾值ΔIdmin=0.32A(二次值為0.8A);②拐點制動電流整定值ΔIrmin=1.04A(二次值為2.6A);③制動特性曲線斜率K=0.6。根據(jù)保護動作后的故障報告記錄,當時差電流動作值為ΔId=0.859A,大于ΔIdmin,而制動電流為ΔIr=2.6A,等于ΔIrmin,處于保護整定的拐點附近,差動保護水平段以上,但還未進入斜線制動段。這次誤動的根本原因是對故障分量差動保護的整定值如何選取認識不清造成的。大量的理論分析和運行實踐證明了故障分量差動比常規(guī)差動靈敏度高,但是在制動量方面兩者截然不同,不能將后者的整定值照搬到前者上。常規(guī)差動保護基于制動電流不大于額定電流而無需制動作用,因而通常將拐點制動電流取在額定電流附近。但是故障分量制動電流在正常情況下較小,當其制動電流在額定電流附近時,差電流閾值可能不足以保證發(fā)生區(qū)外故障時可靠制動。在發(fā)變組的高壓側(cè)發(fā)生區(qū)外故障時,發(fā)電機提供的故障電流中負荷電流占了較大的比例,此時故障分量制動電流較小,拐點制動電流整定不能太大。根據(jù)前文的分析,可以取拐點制動電流值ΔIrmin不大于1ΚΔΙdmin,即0.32A/0.6A=0.53A(