故障分量差動(dòng)保護(hù)整定值與制動(dòng)系數(shù)的關(guān)系

故障負(fù)荷電流是故障后電流和負(fù)荷分量之間的差值，由其組成的保護(hù)裝置稱為差動(dòng)率保護(hù)。習(xí)慣上常用Δ計(jì)及故障分量,故也有人稱之為“Δ差動(dòng)繼電器”。作為一種保護(hù)原理,故障分量差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用于保護(hù)裝置要經(jīng)過(guò)一個(gè)加深認(rèn)識(shí)和逐漸成熟的過(guò)程。理論分析表明,故障分量差動(dòng)保護(hù)比普通差動(dòng)保護(hù)有更高的靈敏度和更好的選擇性,但是應(yīng)用故障分量差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)裝置有誤動(dòng)的現(xiàn)象,于是有人提出普通差動(dòng)保護(hù)比故障分量差動(dòng)保護(hù)可靠。因此有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析和說(shuō)明。本文對(duì)故障分量差動(dòng)保護(hù)整定值的選取問(wèn)題進(jìn)行了討論。首先分析了該差動(dòng)保護(hù)整定值與制動(dòng)系數(shù)的關(guān)系,然后討論了故障分量差動(dòng)保護(hù)整定值選取問(wèn)題,最后以實(shí)際運(yùn)行中一次區(qū)外故障的實(shí)例,闡述了故障分量差動(dòng)保護(hù)整定值選取與常規(guī)差動(dòng)保護(hù)的不同之處。1制動(dòng)電流保護(hù)比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)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(dòng)電流;Idmin為差動(dòng)電流閾值;Irmin為拐點(diǎn)制動(dòng)電流值;K為動(dòng)作特性斜線段的斜率,其特性如圖1所示。通常通過(guò)比較制動(dòng)系數(shù)的大小來(lái)評(píng)價(jià)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作性能:對(duì)于相同的制動(dòng)電流Ires,當(dāng)制動(dòng)系數(shù)越大時(shí),區(qū)內(nèi)故障使保護(hù)能夠動(dòng)作的差動(dòng)電流越大,保護(hù)動(dòng)作越不靈敏;另一方面,對(duì)于區(qū)外故障而言,制動(dòng)系數(shù)越大,允許兩側(cè)CT的飽和及暫態(tài)誤差越大,保護(hù)越不容易誤動(dòng)。按照制動(dòng)系數(shù)定義Kres=Iop/Ires(2)式中Iop為差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流;Ires為差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流。當(dāng)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性不過(guò)原點(diǎn)時(shí),Kres顯然與差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性中的斜率K是不同的,有必要對(duì)K與制動(dòng)系數(shù)的關(guān)系作進(jìn)一步的討論。下面以同一K和不同的拐點(diǎn)制動(dòng)電流值Irmin,對(duì)同樣制動(dòng)電流下的制動(dòng)系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。由于當(dāng)制動(dòng)電流小于Irmin時(shí),差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作取決于差電流閾值Idmin,與制動(dòng)電流無(wú)關(guān)。此時(shí)制動(dòng)系數(shù)無(wú)意義。下面僅討論制動(dòng)電流大于拐點(diǎn)制動(dòng)電流,差動(dòng)保護(hù)臨界動(dòng)作時(shí)制動(dòng)系數(shù)與制動(dòng)電流的關(guān)系。將式(1)代入式(2),可得此時(shí)制動(dòng)系數(shù)的計(jì)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(jiàn):(1)當(dāng)取Ιrmin=1ΚΙdminIrmin=1KIdmin時(shí),差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性為過(guò)原點(diǎn)的斜線。當(dāng)差動(dòng)電流大于差電流閾值時(shí),制動(dòng)系數(shù)Kres不變,與動(dòng)作特性的斜率K相等。若取Ιrmin<1ΚΙdminIrmin<1KIdmin,則制動(dòng)系數(shù)Kres隨著制動(dòng)電流的增加而減小,逐漸趨進(jìn)動(dòng)作特性的斜率K。若取Ιrmin>1ΚΙdmin,則制動(dòng)系數(shù)Kres隨著制動(dòng)電流的增加而增加,同樣最終趨進(jìn)動(dòng)作特性的斜率K。(2)當(dāng)制動(dòng)電流大于拐點(diǎn)制動(dòng)電流時(shí),拐點(diǎn)制動(dòng)電流越小,則制動(dòng)系數(shù)Kres越大。制動(dòng)系數(shù)Kres隨著制動(dòng)電流的增大,越來(lái)越逼近動(dòng)作特性的斜率。即當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí),保護(hù)動(dòng)作的靈敏度僅與動(dòng)作特性的斜率有關(guān),而與差動(dòng)電流閾值和拐點(diǎn)制動(dòng)電流無(wú)關(guān)。以上結(jié)論適用于常規(guī)差動(dòng)保護(hù)和故障分量差動(dòng)保護(hù)。由以上分析可知,為了使發(fā)生外部故障時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)作,拐點(diǎn)制動(dòng)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(duì)應(yīng),取拐點(diǎn)制動(dòng)電流為接近于正常情況下的制動(dòng)電流。常規(guī)差動(dòng)在正常工作時(shí),制動(dòng)電流大小為負(fù)荷電流,接近于額定電流?？紤]到此時(shí)電流互感器誤差較小,可以將拐點(diǎn)制動(dòng)電流取在額定電流附近。但故障分量差動(dòng)在非故障情況時(shí),制動(dòng)電流很小。因此若其拐點(diǎn)制動(dòng)電流照搬常規(guī)差動(dòng)的作法取為額定電流附近,就可能當(dāng)區(qū)外發(fā)生故障時(shí)會(huì)誤動(dòng)。2保護(hù)裝置的“度”問(wèn)題,應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的背景發(fā)電機(jī)保護(hù)的安全性和可依賴性問(wèn)題中,安全性和可依賴性是抽象的概念,對(duì)繼電保護(hù)來(lái)說(shuō)可以理解為繼電保護(hù)既不能拒動(dòng),也不能誤動(dòng)。但由于選擇性和靈敏性要求往往是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾,因此在考慮具體問(wèn)題時(shí),就有一個(gè)“度”的問(wèn)題。這種“度”的掌握其實(shí)和各種因素有關(guān)。對(duì)保護(hù)裝置而言,安全性希望保護(hù)裝置不要誤動(dòng)。為防止可能的誤動(dòng),在計(jì)算整定值的時(shí)候應(yīng)該偏于保守一點(diǎn),如發(fā)電機(jī)差動(dòng)的定值希望整定得大一點(diǎn);而可依賴性希望保護(hù)裝置不要拒動(dòng)。為防止可能的拒動(dòng),在計(jì)算整定值的時(shí)候應(yīng)該偏于激進(jìn)一點(diǎn),如發(fā)電機(jī)差動(dòng)的定值希望整定得小一點(diǎn),以減小“死區(qū)”,提高靈敏度。如何調(diào)和這一對(duì)矛盾,主要應(yīng)從發(fā)電機(jī)設(shè)備和電力系統(tǒng)兩方面的安全來(lái)考慮。文對(duì)故障分量差動(dòng)保護(hù)的特性進(jìn)行了討論,但是沒(méi)有具體說(shuō)明整定值如何選取。2.1故障分量差動(dòng)保護(hù)忽略負(fù)荷電流的誤差之后,故障分量原理與傳統(tǒng)原理的動(dòng)作量相同。因此故障分量比率制動(dòng)判據(jù)的差電流閾值ΔIdmin與傳統(tǒng)的二段折線比率制動(dòng)判據(jù)中定值Idmin相對(duì)應(yīng)。常規(guī)差動(dòng)運(yùn)行多年,對(duì)于差電流閾值Idmin的整定積累了豐富經(jīng)驗(yàn),可參照后者來(lái)確定前者。理論上故障分量差動(dòng)保護(hù)有效地消除了正常負(fù)荷分量下不平衡電流的影響,可以作到使動(dòng)作特性在坐標(biāo)原點(diǎn)附近的死區(qū)很小,故障分量差流閾值ΔIdmin和故障分量拐點(diǎn)制動(dòng)電流ΔIrmin可以取較小值。但是ΔIdmin和ΔIrmin同常規(guī)差動(dòng)保護(hù)的Idmin和Irmin一樣,也必須考慮CT暫態(tài)誤差、裝置的測(cè)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(shí)保護(hù)不誤動(dòng),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^(guò)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(hù)動(dòng)作的安全性。2.2自適應(yīng)故障分量差動(dòng)保護(hù)整定值的確定故障分量差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流除去穿越性的負(fù)荷電流分量后,當(dāng)發(fā)生外部故障時(shí),故障分量差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流小于常規(guī)差動(dòng)保護(hù)。為了保護(hù)在外部故障下不誤動(dòng),通常在滿足靈敏度要求情況下,動(dòng)作特性曲線的斜率盡量取大一些。由于故障分量比率差動(dòng)保護(hù)與常規(guī)的比率差動(dòng)保護(hù)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(huì)影響保護(hù)靈敏度和制動(dòng)作用,因此只要保證單側(cè)電源投入時(shí)內(nèi)部故障可靠動(dòng)作,K可比常規(guī)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性斜率K0取得大。動(dòng)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(dòng)保護(hù)的差電流閾值是按躲開(kāi)正常負(fù)荷下最大的不平衡電流來(lái)整定的?？紤]到當(dāng)電流小于電流互感器額定電流時(shí),電流互感器的誤差很小,制動(dòng)電流在額定電流附近無(wú)需起制動(dòng)作用。因此通常拐點(diǎn)制動(dòng)電流取在額定電流附近。但是故障分量制動(dòng)電流在正常情況下較小,因此為了保證保護(hù)在區(qū)外故障時(shí)可靠制動(dòng),拐點(diǎn)制動(dòng)電流整定值ΔIrmin不能太大。下面對(duì)故障分量的拐點(diǎn)制動(dòng)電流的選取進(jìn)行討論。對(duì)于故障分量差動(dòng)保護(hù)而言,其差流閾值ΔIdmin是由誤差決定的,是一相對(duì)確定的值。為了保證差動(dòng)保護(hù)在內(nèi)部故障時(shí)的靈敏度,則其制動(dòng)系數(shù)的取值有一上限值Kmax;另一方面,為了使保護(hù)在外部故障時(shí)不誤動(dòng),保護(hù)制動(dòng)系數(shù)的取值有一下限值Kmin。這樣,保護(hù)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(hù)制動(dòng)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(hù)制動(dòng)系數(shù)的下限值Kmin。拐點(diǎn)制動(dòng)電流ΔIr.min的選取范圍是直線ABCD和OBE、ODK交點(diǎn)B和D的ΔIr值(如圖2所示),即I1≤ΔIrmin≤I3。對(duì)于具體確定的ΔIdmin和K值,故障分量比率差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)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(guò)原點(diǎn)只是保護(hù)的動(dòng)作特性可取曲線的一種。為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的要求和保護(hù)方案的靈活配置,可在故障分量差動(dòng)保護(hù)整定值中保留故障分量拐點(diǎn)制動(dòng)電流整定值ΔIrmin。當(dāng)要求差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性為過(guò)原點(diǎn)的斜線時(shí),只需在整定時(shí)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(huì)劣化制動(dòng)特性;若取ΔΙrmin<1ΚΔΙdmin,斜線將沿橫軸向負(fù)方向平移,這樣做有助于增強(qiáng)制動(dòng)性,但會(huì)劣化靈敏性。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,應(yīng)將ΔIrmin限制在不大于0.7In的范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)生區(qū)外輕微故障時(shí),故障電流中負(fù)荷電流占了較大的比例,同時(shí)考慮到在發(fā)生故障時(shí)暫態(tài)誤差的影響可能使差動(dòng)電流增大,制動(dòng)電流減小,故障分量差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)性能偏弱。為了提高其在發(fā)生區(qū)外故障時(shí)的可靠性,建議故障分量差動(dòng)保護(hù)的拐點(diǎn)制動(dòng)電流取小一些,即ΔΙrmin≤1ΚΔΙdmin。也就是適當(dāng)將斜線向橫軸左方平移,圖3中拐點(diǎn)制動(dòng)電流取I1和I2之間。當(dāng)然,拐點(diǎn)制動(dòng)電流如何取較好,要靠大量現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的積累。3誤動(dòng)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(shí),發(fā)變組故障分量差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的情況。該保護(hù)的動(dòng)作特性如圖3所示。整定值(以發(fā)電機(jī)額定容量為基值,實(shí)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(diǎn)制動(dòng)電流整定值ΔIrmin=1.04A(二次值為2.6A);③制動(dòng)特性曲線斜率K=0.6。根據(jù)保護(hù)動(dòng)作后的故障報(bào)告記錄,當(dāng)時(shí)差電流動(dòng)作值為ΔId=0.859A,大于ΔIdmin,而制動(dòng)電流為ΔIr=2.6A,等于ΔIrmin,處于保護(hù)整定的拐點(diǎn)附近,差動(dòng)保護(hù)水平段以上,但還未進(jìn)入斜線制動(dòng)段。這次誤動(dòng)的根本原因是對(duì)故障分量差動(dòng)保護(hù)的整定值如何選取認(rèn)識(shí)不清造成的。大量的理論分析和運(yùn)行實(shí)踐證明了故障分量差動(dòng)比常規(guī)差動(dòng)靈敏度高,但是在制動(dòng)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(dòng)保護(hù)基于制動(dòng)電流不大于額定電流而無(wú)需制動(dòng)作用,因而通常將拐點(diǎn)制動(dòng)電流取在額定電流附近。但是故障分量制動(dòng)電流在正常情況下較小,當(dāng)其制動(dòng)電流在額定電流附近時(shí),差電流閾值可能不足以保證發(fā)生區(qū)外故障時(shí)可靠制動(dòng)。在發(fā)變組的高壓側(cè)發(fā)生區(qū)外故障時(shí),發(fā)電機(jī)提供的故障電流中負(fù)荷電流占了較大的比例,此時(shí)故障分量制動(dòng)電流較小,拐點(diǎn)制動(dòng)電流整定不能太大。根據(jù)前文的分析,可以取拐點(diǎn)制動(dòng)電流值ΔIrmin不大于1ΚΔΙdmin,即0.32A/0.6A=0.53A(