220kV母线保护的研究.docx
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220kV母线保护的研究
220kV母线保护的研究
摘要：
本文叙述了电厂母差保护双重化改造的配置和施工工艺；也介绍BP-2B和RCS-915A
两种类型母差保护的特点及参数整定。
关键词：
母差保护双重化配置施工工艺试验整定
1改造母差保护系统的背景
随着电网一次短路电流水平快速增长及系统互联性进一步加强，使母线保护在电力系统中具有越来越重要的地位。
如果母线上发生了故障而母差保护不能正确动作,将直接影响到电力系统的安全、稳定运行,甚至造成系统瓦解等严重后果。
500kV茅湖站一期工程2台300WM机组于2001年投入商业化运行。
电气主接线为220KV电压等级，双母双分段。
母线上接入2台主变压器、2台启备变压器和2回出线，其中02#启备变为二期2台600MW机组提供启备电源，系统简图如图1所示。
改造前母差保护安装了一套ABB公司的产品。
按照国家电网公司《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中规定：
“为提高继电保护的可靠性，对重要的线路和设备必须坚持设立两套互相独立主保护的原则，并且两套保护为不同原理和不同厂家的产品。
对重要元件应充分考虑后备保护的设置”的要求。
我司于2008年5月着手对母差保护进行双重化配置改造。
2母差保护双重化配置方案
经讨论研究，我司采用了深圳南瑞科技公司出厂的BP-2B型和南京南瑞继保电气有限公司出厂的RCS-915AS型母差保护装置对母差保护实施双重化配置。
各套保护装置的保护TA配置如图2所示，每套保护装置均采用独立的TA二次绕组（图中各个支路仅画出一组），母线TA在电气上的安装位置，尽量靠近线路或变压器一侧，使母线保护与线路保护或变压器保护有重叠保护区，各支路TA的极性端（同名端）统一在母线侧，母联TA的同名端在BP-2B保护中与II母上的元件极性一致，而RCS-915保护与I母上的元件极性相同（注意：
母联TA同名端的朝向以物理位置为准），因此靠近I母的绕组应接入BP-2B保护，靠近II母的绕组接入RCS-915保护，这样可以使两套保护的保护范围重叠交错。
图2母差保护TA配置示意图
3母差保护改造施工工艺
由于母差改造期间，只有#1机停机（机组大修），这样220KV升压站还会存在六个间隔带电的情况，为确保改造工作安全进行，我们拟定了详细的安全隔离措施、危险点预控措施及保护改造方案。
3.1严格执行工作票制，工作许可制，工作监护制，工作间断、转移、终结制度。
施工中严禁违章指挥、违章作业、违章施工。
安措布置到位，确保带电回路（TA二次回路、TV二次回路及跳闸回路）的隔离可靠。
3.2拆除旧屏及清除废弃的电缆；新屏就位，敷设新电缆；施工中所有施工器具、材料、设备必须与带电运行设备保持安全距离。
3.3做电缆头、配线、芯线核对、编号和接入；仔细核查，确保编号芯线接入的位置和设计图纸规定的一致。
3.4各支路元件CT极性的确定（对每个带电间隔均以I母PT的A相电压为基准一一确定CT的极性）。
3.5进行新装置通电前检查，确认装置接地可靠，确保插件接入牢固，配线没有压接不紧及断线现象。
3.6进行新装置上电检查，上电后若电源模块无异常，则相应的电源指示灯电亮；若新装置的软件开始正常运转则可通过指示灯和界面显示检查是否有异常现象；若装置自检查出错，应查明故障，更换板件。
3.7在TA二次回路及跳闸回路接入前，进行新装置的单体调试；为防止浪涌电压损坏芯片，严禁带电拔插各插件。
3.8保护整组试验及带负荷检查。
4微机母差保护装置的特点及整定
我厂失灵保护、充电保护分别由单独的一套BP-2B失灵保护装置及外部充电保护回路实现，故两套母差保护只用了母线差动保护、母联失灵及死区保护功能。
该保护装置主要由起动元件、分相差动元件、电压闭锁元件、TA饱和检测元件、电压闭锁元件及故障母线选择元件构成。
差动保护微机根据母线上所有连接元件电流采样值计算出大差电流，构成大差比率差动元件，作为差动保护的区内故障判别元件。
对于分段母线或双母双分段方式，根据各连接元件的刀闸位置开入计算出两条母线的小差电流，构成小差比率差动元件，作为故障母线选择元件。
而且比率制动系数有高值、低值之分，母线分裂运行时大差元件可以自动由比率高值转用低值，以保证大差比率元件的灵敏度，而小差元件始终取比率高值，保证母差保护的可靠性。
一般的，“和电流”是指母线上所有连接元件电流的绝对值之和
；“差电流”是指所有连接元件电流和的绝对值
，
Ij为母线上第j个连接元件的电流。
其中，差动元件要确定启动电流Idset及比率制动系数Kr；复合电压闭锁元件要确定低电压
、负序电压U2及零序电压U0的动作值。
4.1BP-2B型母差保护的特点及整定
BP-2B型母差保护电流定值均按基准TA变比折算，装置自动选取实际设定的所有间隔TA变比中的最大值为基准变比（我厂为1600/1）。
母差保护的启动元件由“差电流越限”和“和电流突变量”组成，差动元件由分相复式比率差动和分相突变量复式比率差动组成。
与RCS-915AB对比，BP-2B配置有快速、高灵敏度复式比率差动保护装置，引入了复合的制动电流Ir，一方面在外部故障时，Ir随着短路电流的增大而增大，Ir＞＞Id，能有效地防止差动保护误动。
另一方面在内部故障时由于Id≈Ir，｜Id－Ir｜≈0，保护无制动量，使差动保护能不带制动量灵敏动作。
这样既有区外故障时保护的高可靠性又有区内故障时保护的灵敏性。
[1]
4.1.1差电流启动值Idset
在《220~500KV电网继电保护装置运行整定规程》（DL/T559-94）中规定：
母线差动电流保护的差电流启动元件定值，应可靠躲过区外故障最大不平衡电流和任一元件电流回路断线时由于负荷电流引起的最大差流。
但是，对于有比率制动特性的电流差动元件而言，启动电流Idset，不需考虑外部故障产生的最大不平衡电流。
其整定原则应是：
应可靠躲过正常工况下差回路的最大不平衡电流及任一TA二次断线时由于负荷电流引起的最大差流。
而当母线出线元件中负荷电流最大的TA二次断线时，其在差动保护差流回路中产生的差流最大为
（不考虑出线过负荷运行，
为最大负荷电流），则：
≥
；
为可靠系数
按发电机额定电流10190A（20KV）进行折算，Idset取0.6A。
4.1.2和电流突变量
和电流突变量
是母线上所有元件相电流绝对值之和的故障变化量，应保证母线最小方式故障时有足够的灵敏度，
取0.15A（计算过程省略）。
4.1.3复式比率差动判据
1）复式比率差动判据动作表达式：
（1）
（2）
2）复式比率差动元件动作特性
3）复式比率差动判据的优点
若忽略CT误差和流出电流的影响，在区外故障时，Id=0，0/Ir为0；在区内故障时，Id=Ir，Id/0为∞。
由此可见，复式比率差动继电器能非常明确地区分区内和区外故障，Kr值的选取范围达到最大，即从0到∞。
复式比率差动判据由于在制动量的计算中引入了差电流，使其在母线区外故障时有很强的制动特性，在母线区内故障时无制动，因此能更明确的区分区外故障和区内故障。
4）影响Kr的因素
a若考虑区内故障时有Ext%的总故障电流流出母线，则此时的比率制动系数为：
Kr=Id/（Id+Ext%Id+Ext%Id-Id）=1/（2Ext%）
b若考虑区外故障时故障支路的CT误差达到δ，而其余支路的CT误差忽略不计，则此时的比率制动系数为：
若令总流入电流为1，则总流出电流为1－δ，差电流为δ所以：
Kr=δ/（1+1-δ-δ）=δ/（2-2δ）
于是，可以得Kr与δ、Ext的关系表：
Kr
Ext（%）
δ（%）
1
40
67
2
20
80
3
15
85
4
12
88
根据厂家推荐Krh高值取2，低值Krl取0.5
4.1.4故障分量复式比率差动判据（无需单独整定）
（1）
（2）
（3）
（4）
其中
为第j个连接元件的电流故障分量，
为故障分量差电流门坎，由
推得；
为复式比率系数。
故障分量的提取有多种方案，该保护采用的数字算法如下：
式中
为当前电流采样值；
为一个周波前的的采样值。
在故障发生后的一个周波内，其输出能较为准确地反映包括各种谐波分量在内的故障分量。
由于电流故障分量的暂态特性，故障分量复式比率差动判据仅在和电流突变起动后的第一个周波投入，并受使用低制动系数（0.5）的复式比率差动判据闭锁。
4.2RCS-915AS型母差保护的特点及整定
与BP-2B对比，RCS-915AB配置有数字采样，并用数学模型分析构成自适应阻抗加权抗TA饱和判据。
即利用电压工频变化量差动元件和工频变化量阻抗元件与工频变化量电压元件相对动作时序进行比较，区内故障时，同时动作，区外故障时，前者滞后于后者。
由于此判据充分利用了区外故障发生TA饱和时差流不同于区内故障时差流的特点，故具有极强的抗TA饱和能力。
[2]
4.2.1差流启动元件Icdzd
为防止母线故障大电源跳开后差动元件返回，因此差流启动元件Icdzd设置高值、低值，高值的整定方法和BP-2B装置相同，低值按切除小电源有足够灵敏度整定，如无大小电源情况时整定为0.9倍高值。
4.2.2常规比率差动元件动作判据为：
（1）
（2）
比率制动系数的整定，应按能可靠躲过区外故障（TA不饱和时）产生的最大差流来整定，且应确保内部故障时，差动保护有足够的灵敏度。
（1）按能可靠躲过外部故障整定
区外故障时，在差动元件差回路中产生的最大差流为
式中：
——最大不平衡电流；
——TA的10%误差，取0.1；
K2——保护装置通道传输及调整误差，取0.1；
K3——区外故障瞬间由于各侧TA暂态特性差异产生的误差，取0.1；
——区外故障的最大短路电流。
将以上各系数值代入上式，得
=0.3
此时，比率制动系数可按下式计算
式中：
——可靠系数取1.5~2；
故：
=0.45~0.6
（2）按确保动作灵敏度系数来整定
首先，当母线上出现故障时，其最小故障电流应大于母差保护启动电流的2倍以上。
当上述条件满足时，可按下式计算计算比率制动系数
式中：
——动作灵敏度系数，取1.5~2.0。
故：
=0.5~0.67
加上厂家推荐，比率制动高值取0.7，低值取0.6是合理的。
4.2.3工频变化量比例差动元件（无需整定）
同样的RCS-915保护装置还采用工频变化量电流构成了工频变化量比率差动元件，与制动系数固定为0.2的常规比率差动元件配合构成快速差动保护。
其动作判据为：
（1）
（2）
（3）
其中K′为工频变化量比例制动系数，母联开关处于合闸位置以及投单母或刀闸双跨时K′取0.75，而当母线分列运行时则自动转用比率制动系数低值，小差固定取0.75；
为差动电流起动浮动门坎；DIcdzd为差流起动的固定门坎,由Icdzd得出。
5.结束语
5.1采用BP-2B和RCS-915AB装置组成母差双重化配置，交流采样回路、直流电源回路两套保护相互独立，任意一套保护或回路故障不影响另一套保护及其相关回路，使母差保护检修和校验具有灵活性，提高了母线运行的可靠性。
5.2每套装置的主保护采用了工频变化量差动和比率差动两种原理构成，减少了故障前功率角对保护性能的影响，提高了保护适应故障过渡电阻能力，从而提高了母差保护的灵敏度和可靠性。
5.3保护系统每个电流互感器的变比可以分别由装置的软件整定，允许在一个母线系统中使用现有的变流比不同的电流互感器；装置的故障录波格式COMTRADE兼容，录波数据可以通过RS-485串行口输出，便于事后数据处理和观察打印。
5.4BP-2B和RCS-915AB保护装置具有保护功能完善、抗CT饱和性能优越、人机界面友好、现场调试和维护简便等优点，但继保人员和运行人员一定要对保护原理、装置组成、压板配置等方面进行认真学习和总结，在使用过程中熟练地掌握设备，防止误操作事故和突发性事故的发生。
参考文献
[1]南京南瑞继保有限公司《RCS-915AB微机母线保护装置技术说明书》：
8-11
[2]深圳南瑞科技有限公司《BP-2B微机母线保护装置技术说明书》：
1-2
[3]天津大学贺家李、宋从矩合编《电力系统继电保护原理》第三版
[4]《220~500KV电网继电保护装置运行整定规程》（DL/T559-94）
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