差动保护.docx

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差动保护

35KV\66KV主变保护屏

 66kv主变保护屏，由NRT-512变压器差动保护、NRT-522变压器高后备保护、NRT-523变压器低后备保护、NRR-511综合测控保护装置四台保护装置组屏而成的针对变压器的远后备，近后备保护系统。

     什么是远后备？

什么是近后备？

远后备就是说当保护元件失灵时，由相邻的保护元件来切除故障。

如果变压器主保护失灵，那就只能靠它的后备保护来反应故障了，因此上说，变压器后备保护就是变压器主保护的远后备保护；所谓近后备，是指双重的保护元件，就是说一个保护元件失灵，会由另外一个与它具有相同功能的保护元件来切除故障，如变压器主保护中，设置了差动保护，也设置了瓦斯保护、温度保护等，差动保护用来反应变压器内部绕组电流的故障，瓦斯保护和温度保护反应变压器油的异常，变压器油是起冷却作用的，因为变压器内部会因为电流的热效应而发热，电流越大，温度越高，如果绕组短路，会在瞬间产生很高的热量，冷却油会因为受热而产生气体，当气体到达一定密度后，瓦斯继电器会动作；从这里可以看出，如果反应绕组电流故障的主保护失灵，那它还可以通过油温、气体的变化来反应故障，差动保护和瓦斯、温度等保护是互为近后备。

    66KV主变保护屏，在四台装置配合使用的前提下，实现变压器差动保护，后备保护的最安全组合，也是国内最为理想的保护方式。

大型电动机高阻抗差动保护原理、整定及应用

论文关键词：

高阻抗差动保护　匝数比

   论文摘要：

本文阐述了大型电动机高阻抗差动保护原理及整定原则和整定实例。

分析了CT匝数比误差对高阻抗差动保护的影响，并介绍了匝数比误差的测量方法。

　　1概述

　　高阻抗差动保护的主要优点：

1、区外故障CT饱和时不易产生误动作。

2、区内故障有较高的灵敏度。

它主要作为母线、变压器、发电机、电动机等设备的主保护，在国外应用已十分广泛。

高阻抗差动保护有其特殊性，要保证该保护的可靠性，应从CT选型、匹配、现场测试、保护整定等多方面共同努力。

现在我国应制定高阻抗差动保护和相应CT的标准，结合现场实际情况编制相应的检验规程，使高阻抗差动保护更好的服务于电网，保证电网安全。

　　2高阻抗差动保护原理及定值整定原则

　　2.1高阻抗差动保护的动作原理：

（1）正常运行时：

原理图见图1，∵I1=I2∴ij=i1-i2=0.因此，继电器两端电压：

Uab=ij×Rj=0.Rj-继电器内部阻抗。

　　电流不流经继电器线圈，也不会产生电压，所以继电器不动作。

（2）电动机启动时：

原理图见图2，由于电动机启动电流较大，是额定电流的6～8倍且含有较大的非周期分量。

当TA1与TA2特性存在差异或剩磁不同，如有一个CT先饱和。

假设TA2先饱和，TA2的励磁阻抗减小，二次电流i2减小。

由于ij=i1-i2导致ij上升，继电器两端电压Uab上升。

这样又进一步使TA2饱和，直至TA2完全饱和时，TA2的励磁阻抗几乎为零。

继电器输入端仅承受i1在TA2的二次漏阻抗Z02和连接电缆电阻Rw产生的压降。

　　为了保证保护较高的灵敏度及可靠性，就应使Uab减少，也就是要求CT二次漏阻抗降低。

这种情况下，继电器的整定值应大于Uab，才能保证继电器不误动。

　　（3）发生区内故障：

原理图见图3，i1=Id/n（n－TA1电流互感器匝数比）ij=i1-ie≈i1Uab=ij×Rj≈i1Rj此时，电流流入继电器线圈、产生电压，检测出故障，继电器动作。

由于TA1二次电流i1可分为流向CT励磁阻抗Zm的电流ie和流向继电器的电流ij。

因此，励磁阻抗Zm越大，越能检测出更小的故障电流，保护的灵敏度就越高。

　　2.2高阻抗差动保护的整定原则及实例

（1）整定原则：

　　a）、保证当一侧CT完全饱和时，保护不误动。

式中：

U－继电器整定值；US－保证不误动的电压值；IKMAX－启动电流值；

　　b）、保证在区内故障时，CT能提供足够的动作电压：

　　Uk≥2US　　（3）

　　式中：

Uk－CT的额定拐点电压。

　　CT的额定拐点电压也称饱和起始电压:

此电压为额定频率下的正弦电压加于被测CT二次绕组两端，一次绕组开路，测量励磁电流，当电压每增加10%时，励磁电流的增加不能超过50％。

　　c）、校验差动保护的灵敏度：

在最小运行方式下，电动机机端两相短路时，灵敏系数应大于等于2。

式中Iprim－保证继电器可靠动作的一次电流；n、Us－同前所述；m－构成差动保护每相CT数目；Ie－在Us作用下的CT励磁电流；Iu－在Us作用下的保护电阻器的电流；Rs－继电器的内阻抗。

（2）、整定实例：

　　电动机参数：

P=7460KW；Ir=816A。

CT参数：

匝数比n＝600；Rin=1.774Ω；Uk=170V。

　　CT二次侧电缆参数：

现场实测Rm=4.21Ω。

　　差动继电器（ABB-SPAE010）参数:

整定范围0.4-1.2Un；Un=50、100、200可选；Rs=6K。

　　计算Us:

US=IKMAX（Rin+Rm）/n=10Ir（Rin+Rm）/n=10×816（1.774+4.21）/600=81.38V

　　选取Us=82V

　　校验Uk：

∵Uk=170V∴Us在85V以下即可满足要求。

　　确定继电器定值：

选取Un=100;整定点为0.82;实际定值为82V。

　　校验灵敏度：

通过查CT及保护电阻器的伏安特性曲线可得在82V电压下的电流：

Ie=0.03AIu=0.006AIprim=n（Us/Rs+mIe+Iu）=600（82/6000+2×0.03+0.006）=47.8A。

　　由此可见，高阻抗差动保护的灵敏度相当高，这也是该保护的主要优点之一。

　　3高阻抗差动保护的应用

　　3.1高阻抗差动保护在应用中除了应注意：

（1）、CT极性及接线应正确；

（2）、二次接线端子不应松动；（3）、不应误整定；（4）、CT回路应一点接地等。

还应注意：

（1）、CT二次应专用；

（2）、高阻抗差动保护所用CT是一种特别的保护用CT。

为了避免继电器的误动作，对CT有三个要求：

励磁阻抗高、二次漏抗低和匝数比误差小。

高阻抗差动保护用的CT设计要点是：

依据拐点电压及拐点电压下的励磁电流来确定铁芯尺寸。

对于高阻抗差动保护用CT的特性匹配至关重要，在实际选用时应采用同一厂家，同一批产品中特性相近、匝数比相同的CT。

　　3.2下面主要探讨CT匝数比误差对高阻抗差动保护的影响

（1）匝数比n为二次绕组的匝数与一次绕组匝数的比值。

匝数比的误差εt定义如下：

　　εt＝（n-Kn）/Kn　　（6）

式中，Kn－标称电流比。

　　国外标准中规定此种CT的匝数比误差为±0.25％。

（2）匝数比误差要小：

　　当电动机启动时（见图2），电流互感器TA2未饱和，CT的二次电流接近于匝数比换算得来的数值，这是由于TA2未饱和时励磁阻抗较高的原因。

一般情况下高阻抗差动保护用CT励磁阻抗为几十千欧姆的数量级。

如果匝数比的分散性很大，TA1和TA2的二次电流i1和i2不能互相抵消，该差值电流ij流经继电器线圈，即成为产生误动作的原因。

　　（3）、匝数比误差规定为±0.25％，对于不同匝数比CT不尽合理。

匝数较大CT容易满足该规定并且能保证保护不发生误动作。

匝数较小CT即使满足该规定，在电动机启动时的差电压也较大，足以造成保护误动作。

　　下面列举两个例子：

　　a）.两侧CT匝数比均满足±0.25％。

假设：

n1=3609（正误差）；n2=3591（负误差）。

　　匝数比误差产生的不平衡电流：

ij=（10×3600/3591-10×3600/3609）=0.05A

　　继电器两端不平衡电压：

Uj=ij×Rs=0.05×6000=300V

　　Uj大于继电器整定值，保护在这种情况下将不可避免的发生误动作。

　　b）.两侧CT匝数比相对误差满足±0.25。

假设：

n1=3609；n2=3600。

　　匝数比误差产生的不平衡电流：

　　ij=（10×3600/3600-10×3600/3609）=0.025A

　　继电器两端不平衡电压：

Uj=ij×Rs=0.025×6000=150V

　　Uj小于继电器整定值，可满足工程要求。

　　例2：

所有参数与整定计算实例相同。

　　a）.两侧CT匝数比均满足±0.25％。

　　设：

n1=601（正误差）；n2=599（负误差）。

　　匝数比误差产生的不平衡电流：

　　Uj远大于继电器整定值（82V），保护将发生误动作。

　　b）.两侧CT匝数比相对误差满足±0.25％，假设：

n1=601n2=600

　　匝数比误差产生的不平衡电流：

　　Uj=ij×Rs=0.0226×6000=135V

　　Uj仍大于继电器整定值，保护将发生误动作。

　　通过上述两例足以说明对于高阻抗差动保护CT选择的苛刻条件，选择时应遵守CT匝数比误差相近的原则。

建议在整定原则中增加继电器整定电压应大于由于匝数比误差产生的差电压，以保证高阻抗差动保护的可靠性。

　　3.3匝数比误差的测量

　　测量的方法有两种：

　　第一种：

在CT二次侧短路状态下，测量流经额定一次电流i1时的比值差f1,设此时励磁电流为i0，则f1=－εt－i0/i1

　　二次回路连接与二次绕组阻抗相等的负荷，在额定一次电流的1/2电流下测量比值差f2,这时仍设励磁电流为i0,则f2=－εt－2i0/i1

　　匝数比误差为：

εt＝f2－2f1

　　第二种方法：

在测量CT伏安特性的同时测量一次绕组的电压。

　　一次绕组开路，二次绕组加电压，测量一次绕组的电压，如图5。

　　CT匝数比n=U1/U2;匝数比误差εt＝（U1/U2－Kn）/Kn。

各种微机发电机差动保护原理

随着电力系统的不断发展，发电机的单机容量也越来越大。

在国内，单机600MW以上的发电机组已不再少见。

发电机单机容量的提高，相应地对完成发电机定子短路主保护的差动保护也提出了更高的要求。

　　微机在继电保护上应用以后，由于微机保护的智能的特点及高速运算的能力，微机发电机差动保护的新原理大量涌现，给继电保护带来了一片生机。

差动保护的性能也得到了前所未有的提高。

但是我们也应看到，在差动保护的认识上长期存在许多值得进一步探讨的问题，这些问题还显得很迫切，现归纳如下：

（1）　发电机可能发生的短路故障

　　发电机定子可能发生哪些短路故障，故障发生的形式怎样?

（2）　比率制动原理

　　比率制动原理出现后，制动系数和斜率的概念有什么差别，对制动曲线的拐点如何整定计算？

　　（3）　标积制动原理［1，2］

　　标积制动原理和比率制动原理在数学上有相互转换关系，那么如何理解标积制动原理的先进性？

　　（4）　故障分量差动保护原理

　　故障分量原理先进，但却引发了原理能否应用的讨论［3，4，5］，其根本原因何在？

　　（5）　不完全差动保护［6］

　　不完全差动保护需要解决的根本问题是什么？

　　（6）　差动保护灵敏度问题

　　传统的差动保护灵敏度分析方法完全不能满足发电机灵敏度分析的要求。

如何分析才能合理呢？

同样在分析差动保护的短路故障时，如果忽略过渡电阻会否走向谬误？

　　（7）　保护原理的先进性和保护装置性能的不完善性

　　先进的保护原理不能等同于先进的保护装置。

在继电保护的发展过程中，许许多多的保护新原理没有得到推广，个中原因值得思考。

事实上，同样的保护原理（如比率差动原理），不同的保护装置，其性能也不会完全相同。

那么如何评价保护的性能更合理？

　　（8）　CT断线的处理方法

　　CT断线究竟是闭锁差动还是允许差动直接跳闸？

　　（9）　发电机的安全性和可靠性问题

　　电力系统在不断发展，继电保护的观念也必须能跟上形势，有许多观念可能已过时或值得进一步商讨。

那么在电力系统发展的今天，对机组保护的安全性和可靠性应如何看待？

　　以上这些问题是发电机差动保护中长期争论的焦点，也是值得进一步思考的问题。

本文一并提出来讨论，供继电保护人员参考。

1　发电机的定子短路故障

　　发电机是电力系统中非常贵重和重要的电气设备，发电机定子绕组可能由于老化绝缘降低、或者过电压冲击、或者机械震动等原因发生相间或匝间短路。

一旦发生短路，给发电机造成的危害十分严重，修复的费用非常高。

　　发电机定子的短路性故障形成比较复杂，大体归纳起来主要有4种。

（1）　发生单相接地，然后由于电弧引发故障点处相间短路

　　发电机内部短路故障绝大部分是这样发生的：

首先发生单相接地故障（由于发电机中性点不直接接地，因此单相接地故障不属短路性故障），在故障点，由于电弧的作用，将故障点位置处其他健全的绝缘也烧损或由于过热使故障部位绝缘下降从而引起短路性故障。

显然这种故障只能发生在同一槽内的各绕组之间。

对于不同的发电机组，由于绕组分布不相同，短路的情况也不同。

（2）　直接发生相间绝缘击穿构成相间短路

　　发电机绕组与绕组之间的直接绝缘击穿也形成短路。

但这种故障的可能性和绕组与定子铁芯之间的绝缘破坏的可能性相比要小得多，因为发电机绕组采用的都是全绝缘，因此绕组与绕组之间的绝缘强度是绕组和定子铁芯之间的绝缘强度的两倍；另外在同一槽中上下绕组之间的电压差也不太高，所以这种直接发生短路的可能性是较小的。

　　（3）　发生单相接地，由于电位的变化引发其他非故障点处发生另一点的接地构成两点接地短路

　　当发生单相接地故障后，由于发电机中性点的电压发生偏移，产生了相电压的不平衡，会引起发电机定子其他位置电位发生变化。

正常情况下这种变化对发电机定子绕组而言是能够承受的，因为发电机是全绝缘。

但发电机由于长期运行，绝缘可能老化或磨损，有些部位就可能出现绝缘薄弱的现象。

在发电机没有发生单相接地时，这些部位勉强能够正常运行，但当发生单相接地后，由于这些部位承受不了电位的提高而发生绝缘击穿，形成两点接地短路。

　　（4）　发电机端部放电构成相间短路

　　发电机的定子绕组的端部，有时会由于接头松动等原因形成放电从而引起端部的短路。

这种故障在发电机中发生的可能性也是非常之小。

　　由此可见，发电机定子短路故障，简单地认为只可能发生在同槽内是不够全面的。

但由于绝大部分的短路故障是由定子单相接地未及时处理引发的。

因此在实现完善的差动保护原理的同时，完善和强化定子接地保护尤其重要。

如果定子接地保护比较完善，就可以将大部分短路故障隐患消除在定子接地状态。

2　比率制动式微机差动保护

　　比率制动式微机差动保护的原理众所共知，其动作方程是：

IN－IT≥KZIN＋IT/2

（1）微机保护实际实现的动作方程是：

其中　Ires．0为曲线的拐点电流，图1中B点；Ipickup为曲线的启动电流，图1中A点；Ks为曲线的斜率，图1中BC直线；Kz为制动系数。

　　事实上，除了曲线①以外，微机比率制动特性还存在其他两种应用的主要形式。

其一是简单化的比率制动特性，如图1的特性曲线③，该特性曲线显然是曲线①的简化，它实现起来方便，但灵敏度会受到一些影响。

其二是带折线的比率制动特性，如图1的特性曲线②，该特性曲线对拟合不平衡电流更精确，它的灵敏度会高一些，但现在也有一种看法。

由于电流互感器误差特性的不确定性和离散性，因此，折线应凹进去多少比较难确定，会存在冒进的可能，所以使用应比较慎重，至少必须作一些理论分析。

目前国内用得最多的特性依然是如图1所示的曲线①。

　　在比率制动原理差动保护上值得商讨以下问题：

图1　比率制动特性曲线　　

（1）　比率制动特性的拐点电流Ires．0

　　在流过CT的电流小于CT的额定电流的情况下，CT的误差非常小，差动保护只要躲过很小的不平衡电流即可，在曲线①上表现为没有制动的一部分。

当CT电流超过额定电流并增加时，CT的误差也开始增加，由于两侧CT误差不一致而导致的不平衡电流也将增加，因此从拐点开始，曲线表现出制动特性，以克服不平衡电流的增加。

根据原理分析可以知道，拐点电流宜取CT的额定电流。

这样既能保证保护灵敏度，也能保证可靠性，因为实际上CT要在电流超过额定电流一定倍数时才开始出现较大误差。

Ires．0＝Ict．n（4）其中　Ict．n为发电机差动CT的二次额定电流。

　　有时为了保护更可靠，Ires．0也可按发电机的额定电流Ign来整定。

Ires．0＝Ign/na（5）其中　na为CT变比。

　　显然（5）式仅是为了考虑安全性的因素。

因为（5）整定的数值一般都比（4）小。

因此，对机组是安全的。

但灵敏度也相应地受到一些影响。

（2）　制动曲线的斜率Ks

　　制动系数和斜率是两个完全不同的概念。

　　斜率Ks就是图1中直线BC的斜率。

要确定Ks，显然只要确定B和C点的坐标即可。

现在B点的坐标已经求出为（Ires．0，Ipickup），下面我们来求C点坐标。

　　D点是在区外发生故障时流过发电机最大的短路电流所形成的最大不平衡差流Iunb．max。

Iunb．max＝KapKccKerIk．max（3）/na（6）　　C点应保证差动保护在区外最严重的情况下不误动，因此C点的差电流Iop．max为Iop．max＝KrelIunb．max＝

KrelKapKccKerIk．max（3）/na（7）　　C点坐标为（Imax，Iop．max），因此Ks＝（Iop．max－Ipickup）/（Imax－Ires．0）（8）　　需要说明的是，在传统式保护上经常用到制动系数Kz的概念，Kz＝Iop．max/Imax（9）　　从数学意义上Ks和Kz是完全不能等同的两个概念，并且Ks始终大于Kz。

它们之间的关系为Ks＝Kz［1＋（Ires．0－Ipickup/Kz）/（Imax－Ires．0）］（10）　　应用时，应具体问题具体分析，不可简单地取Ks=Kz。

　　根据式（10），如取Ires．0＝1，Ipickup＝0．1～0．3，Imax＝5～8，则当Kz＝0．2～0．3时有Ks＝0．25～0．35。

3　标积制动式微机差动保护

3．1　原理

　　为了提高差动保护的灵敏度，提出了标积制动式微机差动保护原理，即将比率制动原理中和制动量改进成标积制动量（INITcosθ）。

这一方案的最大优点就是在不降低差动保护可靠性的前提下，大大地提高差动保护的灵敏度。

IN－IT≥KbzINITcosθ（11）其中　θ为IN和IT之间的夹角；INITcosθ为标积量；Kbz为标积制动系数。

　　下面分两种情况将标积制动原理和比率制动原理作一比较。

（1）　区外发生短路

　　在区外发生短路时，有IN=IT，因此制动量分别为

　　比率制动原理：

IN+IT/2=IN　　　　　（12）

　　标积制动原理：

（13）　　将式（12），（13）分别代入式

（1），（11）后作比较，可以看出两者完全一样。

因此可以得出结论，标积制动原理和比率制动原理在区外故障时具有相同的可靠性。

简单地说，就是标积制动原理包含了比率制动原理的优点。

（2）　区内发生短路

　　由分析可知，比率制动原理的制动量总是正值。

而标积制动原理制动量当θ>90°时，就变成了负值。

负值的制动量在数学上就是动作量，更有助于保护动作。

所以，从这一点上看，标积制动原理反应区内短路故障的灵敏度比比率制动原理更高。

　　标积制动原理和比率制动原理有何关系呢?

　　从数学上分析可知，标积原理和比率原理是相互可推导的。

　　重写

（1），（11）式如下：

IN-IT≥KzIN+IT/2（14）IN-IT2≥KbzINITcosθ（15）　　Kz和Kbz之间的关系为（16）　　现证明如下：

　　选择IN刚好与x轴重合（见图2），IT和IN相量夹角为θ，IT在x和y轴上投影分别为ITx和ITy。

其他相量见图。

图2　两相量和、差示意图　　则有：

INITcosθ=ITxIN

　　而IN-IT2-IN+IT2=

ITy2+（IN-ITx）2-［ITy2+（IN+ITx）2］=

-4INITx=-4INITcosθ　　将上式整理后得（17）　　将（17）式代入（15）式即得（16）式。

　　那么，现在更进一步的问题就提出来了：

既然标积原理和比率原理在数学上是可相互推导的，那么如何来理解标积原理的高灵敏性呢?

　　下面从以下几个方面来说明。

（1）　相角关系

　　式（16）的关系是建立在稳态基波基础上分析的，事实上在故障时，电流波形比较复杂，有时可能还有CT的饱和等因素，这些因素对幅值的影响较大，而对相位的影响相对较小。

标积原理更注重相位关系（如：

相位变化到90°时，幅值大小已无关紧要）。

因此，标积原理应付这些情况更具特点。

（2）　发电机未并网前的内部短路

　　在发电机并网前发生的内部短路，由于发电机机端无电流，仅有中性点有短路电流，因此标积原理的制动量为0，而比率制动原理不为0，显然，标积原理的动作裕度更大，对动作更可靠。

因此，简单地以理论上的关系（16）并不能反应出保护动作上的可靠性。

　　（3）　灵敏性

　　灵敏性反应的不是动作边界，而是反应的故障点离开边界的距离。

式（16）仅反应了边界条件的关系是远远不够的。

实际的短路过程比较复杂，有过渡电阻，有电弧，有谐波，因此故障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。

　　我们分析一下制动量的变化规律。

为了便于比较，我们将比率制动原理的表达式两边平方。

考虑如表1所示两种情况。

从表1分析可以看出，标积原理制动量随相角变化非常快。

特别有利于灵敏度的提高。

表1　IN和IT的大小不变为1;θ从0°～180°变化

θ0°20°40°60°80°IN+IT2/41.0000.9700.8330.7500.587INITcosθ1.0000.9400.7660.5000.174θ100°120°140°160°180°IN+IT2/40.4130.2500.1170.0300.000INITcosθ-0.174-0.500-0.766-0.940-1.000

（4）　差动保护启动电流

　　差动保护的实现公式并不象

（1）和（11）那样简单，而是公式

（2）（3）和式（18）。

即必须要克服一启动电流。

标积原理在θ>90°时可将这一固定门坎抵消，从这一点看，对保护动作有利。

　　（5）　制动量性质

　　比率原理的制动量总是正，而标积原理制动量可正可负，在制动量为负时，表明保护动作点离开边界条件远，也表明灵敏度高。

　　总而言之，要分析标积制动原理具有的高灵敏度和可靠性，应基于继电保护的“四性”来综合分析。

由此可见，标积制动原理从各方面来评价都比较优越，至少不比比率制动原理逊色。

3.2　保护特性

　　标积制动式微机差动保护的动作方程有两种动作方式。

　　其一是：

|IN+IT|2≥KbzINITcosθ+Iop.0（18）其中　Iop.0为曲线的启动电流。

　　微机差动保护当满足（18）式时，保护动作。

　　其二是如图3所示。

　　设：

Idif=|IN-IT|　　则有当Ires/Ie≤b时Idif≥KvIres（19）Idif≥Kpickup（20）　　式（19）和式（20）同时满足。

　　　　当Ires/Ie>b时IN/Ie

　　以上Kv为制动系数，显然，保护特性如图3。

图3　标积制动原理特性之二　　这两种方式本质是一样的。

因为当cosθ<0时，将制动量置为0，不影响标积原理的任何性能。

3.3　在保护整定计算时应注意的问题

　　标积整定原理的Kbz可以按照公式（16）来确定。

　　如选择Kz=0.25时，Kbz=0.063，相应Kv=