500kV升压站主设备保护.docx

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500kV升压站主设备保护

500kV升压站主设备保护

第一节概述

本期工程网络站采用2/3接线，升压站500kV母线保护双重化配置，分别采

用南京南瑞继保电气有限公司生产的RCS-915E微机母线保护装置和深圳南瑞科技有限公司生产的BP-2B微机母线保护装置。

Ⅰ号500kV母线上装设一组分相式高压母线电抗器，电抗器保护采用国电南京自动化股份有限公司生产的SG-R751数字式电抗器保护。

第二节500kV母线保护

一、装置硬件配置

BP-2B微机母线保护装置核心部分采用Mortorola公司的32位单片微处理器MC68332，主要完成保护的出口逻辑及后台功能，保护运算采用AD公司的高速数字信号处理（DSP）芯片，使保护装置的数据处理能力大大增强。

装置采样率为每周波24点，在故障全过程对所有保护算法进行并行实时计算，使得装置具有很高的固有可靠性及安全性。

具体硬件模块图见图3.1。

输入电流（注:

电流变换器的线性工作范围为稳态40IN）首先经隔离互感器传变至二次侧，转换为小电压信号后分别进入CPU板和管理板。

CPU板主要完成保护的逻辑及跳闸出口功能，同时完成事件记录及打印、保护部分的后台通讯及与面板CPU的通讯；管理板内设总起动元件，起动后开放出口继电器的正电源，另外，管理板还具有完整的故障录波功能，录波格式与COMTRADE格式兼容，录波数据可单独串口输出或打印输出。

图3.1硬件模块图

二、母线差动保护

母线差动保护由分相式比率差动元件构成。

1、起动元件

a）电流工频变化量元件，当制动电流工频变化量大于门坎（由浮动门坎和固定门坎构成）时电流工频变化量元件动作，其判据为：

△si>△SIT+0.5IN

其中：

△si为制动电流工频变化量瞬时值；0.5IN为固定门坎；△SIT是浮动门坎，随着变化量输出变化而逐步自动调整。

b）差流元件，当任一相差动电流大于差流起动值时差流元件动作，其判据为：

Id>Icdzd

其中：

Id为大差动相电流；Icdzd为差动电流起动定值。

母线差动保护电流工频变化量元件或差流元件起动后展宽500ms。

2、比率差动元件

a）常规比率差动元件

动作判据为：

（1）

（2）

其中：

为比率制动系数；

为第j个连接元件的电流；

为差动电流起动定值。

）

其动作特性曲线如图3.2所示。

图3.2比例差动元件动作特性曲线

b）工频变化量比例差动元件

为提高保护抗过渡电阻能力，减少保护性能受故障前系统功角关系的影响，本保护除采用由差流构成的常规比率差动元件外，还采用工频变化量电流构成了工频变化量比率差动元

，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）

其中

为比例制动系数；△Ij为第j个连接元件的工频变化量电流；△DIT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。

3、TA饱和检测元件

为防止母线保护在母线近端发生区外故障时TA严重饱和的情况下发生误动，本装置根据TA饱和波形特点设置了两个TA饱和检测元件，用以判别差动电流是否由区外故障TA饱和引起，如果是则闭锁差动保护出口，否则开放保护出口。

TA饱和检测元件一：

采用新型的自适应阻抗加权抗饱和方法，即利用电流工频变化量起动元件自适应地开放加权算法。

当发生母线区内故障时，工频变化量差动元件△BLCD与电流工频变化量元件△SI基本同时动作，而发生母线区外故障时，由于故障起始TA尚未进入饱和，△BLCD元件的动作滞后于电流工频变化量元件。

利用△BLCD元件与电流工频变化量元件动作的相对时序关系的特点，我们得到了抗TA饱和的自适应阻抗加权判据。

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，具有极强的抗TA饱和能力，而且区内故障和一般转换性故障（故障由母线区外转至区内）时的动作速度很快。

TA饱和检测元件二：

由谐波制动原理构成的TA饱和检测元件。

这种原理利用了TA饱和时差流波形畸变和每周波存在线性传变区等特点，根据差流中谐波分量的波形特征检测TA是否发生饱和。

以此原理实现的TA饱和检测元件同样具有很强抗TA饱和能力，而且在区外故障TA饱和后发生同名相转换性故障的极端情况下仍能快速切除母线故障。

图3.3为动模实验室实录的母线区外发生ABC三相故障时TA极度饱和波形，在此情况下本保护可靠制动，可见其优异的抗TA饱和性能。

饱和

TA一次电流饱和TA二次电流

图3.3动模实验室实录的母线区外发生ABC三相故障时TA饱和波形

母差保护的工作框图如图3.4所示。

图3.4母差保护的工作框图

三、断路器失灵保护

与线路的失灵起动装置配合，当母线所连接的某条线路断路器失灵时，该线路的失灵起动装置的失灵接点提供给本装置。

本保护检测到此接点动作时，经失灵时限切除母线的各个连接元件。

四、交流电流断线检查

1）任一支路3I0>0.25Iфmax+0.04In时延时5秒发TA断线报警信号，该判据可由控制字选择退出。

2）差流大于TA断线整定值IDX，延时5秒发TA断线报警信号。

3）TA断线时闭锁母差保护（其它保护功能不闭锁）。

4）根据母差保护中“投TA断线自动恢复”控制字可以选择电流回路恢复正常后母差保护是否自动解除闭锁。

若此控制字置0则电流回路恢复正常后，须按屏上复归按钮复归报警信号，母差保护才能恢复运行。

第三节500kV母线电抗器保护

一、启动算法

为了加强对软、硬件的检查,提高装置的动作可靠性，装置在每次采样中断后，往往采用检测扰动的方式决定程序是进行故障处理还是进行自检等工作。

本装置采取以下两种启动方式,确保系统异常时，程序及时进入故障处理程序。

1）相电流突变量启动方式

利用扰动时,相电流会发生突变的特征,判断系统是否发生扰动。

相电流突变采用周/周比较。

其表达式:

│[i（k）-i（k-n）]-[i（k-n）-i（k-2n）]│≥Iε

这里,n为每工频周期采样点，k为当前采样点。

该启动元件具备以下特点:

——能够反映各种故障

——不受负荷电流的影响

——不反映故障电流的直流分量

——具有较强的抗干扰能力

2）零序启动方式:

针对电抗器的故障主要为接地故障,为防止在转换性故障、多条线路相继故障及小匝间故障等情况下,相电流突变量启动方式可能失去重新启动能力,特增加零序及差流启动方式,作为相电流突变量启动方式的补充。

3I0>3Iini.0

二、分相差动保护

电抗器在空投时电流中的非周期分量大，TA容易饱和。

当两侧TA特性不同时，可能在差动回路中形成差流，使差动保护误动。

因此，在差动保护中采用空投过程中自动变门槛技术，实现躲过不平衡电流及实现空投于内部故障时快速跳开电抗器。

在分相差动保护中不考虑电抗器空投励磁涌流，其原因是电抗器铁心有气隙，空投励磁涌流较小，同时也是穿越性的。

在分相差动保护中不采用二次谐波制动。

三、差动速断保护

差动速断保护的作用主要是在电抗器差动区内发生严重故障时快速切除电抗器，以确保电抗器的安全。

其动作判据为：

Id>Iop.max

其中：

Id为电抗器差动电流,其计算方式为电抗器两端TA二次电流的矢量和

Id=|I1a+I2a|

Isd—差动电流速断保护动作定值

四、差动保护

其动作特性，为二段式折线式比率制动特性，动作特性曲线入图3所示。

取高端电流为制动电流，电抗器正常运行在额定状态，其高端电流为额定电流，当出现任何内部故障时其高端电流均大于额定电流，因此，当制动电流大于0.9In。

2时，差动开始进入动作区，当出现区内故障时，取制动为0.9In。

2已有余度。

图3差动动作特性曲线

1）差动电流算法

TA全Y型接入，则对应的A相差流为：

Ida＝I1a＋I2a

式中为矢量运算，I1a、I2a为电抗器A相两端电流。

电抗器两端电流TA变比相同。

2）动作特性

其动作特性，为二段式折线式比率制动特性，动作特性曲线入图3所示。

3）TA断线闭锁保护

TA断线判据用于判别电抗器正常运行时TA回路状况，当发现异常情况时发告警信号，并可由软件控制字的投退来决定是否闭锁差动保护。

为更好地判断TA断线，利用电抗器两端TA二次的零序电流作为判据。

TA断线和系统故障时电量状态有明显不同:

TA断线情况

故障情况

电流幅值情况

断线相电流为0

各相都有一定电流

电流变化趋势

断线相由大变小

TA二次电流变化不定

另一侧TA二次零序电流情况

3I0等于零或很小

出现较大3I0电流

多组TA同时断线可能微乎其微,，因此，程序中只考虑单侧单相TA断线。

当电抗器发生严重故障时，差动保护的差流比额定电流大，此时，差动保护认为是发生故障而不是发生TA断线，不再进行TA断线判别。

保护中TA断线判据为。

1：

Imin{Ia，Ib，Ic}<0.5InIa，Ib，Ic为某一端的三相电流

2：

本端3I0>0.3In

3：

对端3I0<0.1In

4：

Id<1.2In

以上四个条件必须同时满足，才判TA断线。

在装置中保护控制字KG有TAC、TAL两控制位，当TAC置1时，程序才进行TA断线判别。

当保护判断TA断线，且此时TAL置1时，则闭锁分相差动、零序差动保护及匝间保护。

同时打印TA断线信息并发告警灯，以便运行人员及时处理。

如判断是TA断线，但TAL置0，则程序不闭锁保护。

五、零序差动保护

电抗器零序差动保护对电抗器低端内部接地故障具有更高的灵敏性，电流输入量取主电抗器的高端A、B、C三相电流及低端A、B、C三相电流，而两端零序电流由装置自产。

用两端零序电流之和形成的差流作为判据，也考虑用小电抗零序电流取代低端的自产零序电流。

零差保护原理为：

3Id.0＝（I1a+I1b+I1c）＋（I2a+I2b+I2c）——差动电流

3Ires.0＝|（I1a+I1b+I1c）-（I2a+I2b+I2c）|/2——制动电流

六、匝间保护

并联多采用分相式结构，其主要故障为电抗器单相接地和匝间短路，因此匝间短路保护也是电抗器的主保护。

匝间保护采用了新原理,它由电抗器高压零序电流、零序电压组成的零序阻抗继电器。

它弥补了以前阻抗补偿原理存在过补偿和欠补偿，补偿度难整定的不足。

新原理不仅定性地分析了故障类型，而且从定量的角度分析故障特征。

图4中:

K1—匝间短路故障；

K2—电抗器内部接地故障；

K3—区外接地故障。

图4并联电抗器的零序回路

（1）匝间短路K1

当电抗器匝间短路时，零序源在电抗器内部，即由电抗器向系统送出零序功率。

如图5所示。

此时零序电压与零序电流的关系为U0＝-I0jXs0，端口测量到的是系统的零序阻抗。

图5匝间短路时U0和I0

（2）内部单相接地故障K2

电抗器内部接地故障时，零序源在电抗器内部，零序电压及零序电流关系如图6所示。

此时系统U0＝-I0jXs0，零序电流超前零序电压。

端口测量到的是系统的零序阻抗。

图6内部接地短路时U0和I0

（3）外部单相接地故障K3

电抗器外部单相接地故障时，零序源在电抗器外部，零序电压及零序电流的关系如图7所示。

这时系统U0＝I0jXL0，零序电流滞后零序电压。

端口测量到的是电抗器的零序阻抗。

图7外部接地短路时U0和I0

由以上分析知:

故障时，可以由系统零序回路零序源的所在位置来决定故障位置所在（在电抗器内部还是在系统中）。

从而可大大提高匝间保护动作灵敏度，同时克服了传统保护在系统无穷大时电抗器内部故障的死区问题，而在外部任何非正常运行工况下不会误动。

匝间保护的整定，要躲过正常工况下由于三相电压不平衡引起的零序电压及三相TA不一致引起的零序电流。

为确保证匝间保护的灵敏度，零序监控电流整定值应较小。

另外，在电抗器空投时，为防止励磁涌流使匝间保护误动，在电抗器空投时匝间保护零序监控电流采用反时限特性的定值。

当电抗器发生TA断线及TV断线时，都闭锁匝间保护。

电抗器匝间保护动作后，瞬时跳开断路器，并通过远方跳闸将线路对侧断路器跳开。

七、后备保护

1、相电流过流保护

保护反映电流大小，具有一段定时限和一段反时限特性。

反时限保护元件是动作时限与被保护线路中电流大小自然配合的保护元件，

反时限过电流保护元件采用的反时限曲线有如下三种：

可通过控制字进行选择

一般反时限

非常反时限

极端反时限

Tp为时间系数；

Ip为电流基准值

I为故障电流

t为跳闸时间

2、零序过流保护

保护反映零序电流，具有一段定时限和一段反时限特性。

反时限保护元件是动作时限与被保护线路故障时零序电流大小自然配合的保护元件，

反时限过电流保护元件采用的反时限曲线有三种（反时限特性同过流保护）可通过控制字进行选择。

3、过负荷保护

过负荷保护有主电抗器过负荷及小电抗器过负荷，延时告警。

主电抗器过负荷具有一段定时限和一段反时限特性。

反时限过电流保护元件采用的反时限曲线有三种（反时限特性同过流保护）可通过控制字进行选择。

4、TV断线告警

保护反映零序电流大小。

延时跳闸。

TV断线判据：

当3U0=Ua+Ub+Uc>8V，且无电流突变，即判TV断线；

II.当max{|Ua|、|Ub|、|Uc|}<30V且该系统中max{|Ia|、|Ib|、|Ic|}≥Iε即判三相TV断线。

Iε=0.5A（对于5ATA）

Iε=0.1A（对于1ATA）

八、非电量保护

非电量保护包括主电抗器的轻瓦斯、重瓦斯、压力释放、冷却器故障、冷却器电源消失、油温、线圈温度等保护，均由电抗器引入相应的接点构成。

其中重瓦斯、压力释放、冷却器全停保护动作于出口并发信号，其余仅发信号。

第四节500kV输电线路保护

本期工程500kV超高压输电线路保护与对侧运城500kV变电站配合，配置为上继厂生产的WXH-902型纵联电流差动保护柜、国电南自公司生产的GPSL602A-202GX型纵联距离保护柜以及南瑞公司生产的PRC02-57型后备距离保护柜各一面。

WXH-902型纵联电流差动保护柜包括:

MCD-H1型纵联电流差动保护装置

GPSL602A-202GX型纵联距离保护柜包括：

PSL602A距离保护装置;

SSR530过电压保护装置；

GXC-01光纤接口装置。

PRC02-57型纵联距离保护柜包括：

PSL602A距离保护装置;

SSR530过电压保护装置；

GXC-01光纤接口装置。

PRC02-57型纵联纵联距离保护柜包括：

RCS-902A工频变化量距离保护装置;

RCS–925A就地判别装置；

FOX-40F光纤接口装置。