微機(jī)母線保護(hù)及其整定計(jì)算

在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，微機(jī)繼電保護(hù)裝置在使用中由于有原理先進(jìn)，可靠性高，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)管理方便等優(yōu)勢(shì)，廣東省220KV以上電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置中的線路保護(hù)已基本實(shí)現(xiàn)微機(jī)化，元件保護(hù)也正在向全面微機(jī)化過(guò)渡。如今廣東省變電站和電廠共有220KV母線保護(hù)約170多套，其中各種型號(hào)的微機(jī)母線保護(hù)約有90多套。

一 母線保護(hù)的作用
　　母線故障如未裝設(shè)專用的母線保護(hù)，需靠相鄰元件的保護(hù)作為后備，將延長(zhǎng)故障切除時(shí)間，并且往往要擴(kuò)大停電范圍，甚至釀成系統(tǒng)性大面積停電。由于母線保護(hù)涉及開(kāi)關(guān)較多，誤動(dòng)作后果特別嚴(yán)重，所以要求它比其他保護(hù)具有更高的安全性。在《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定高壓電網(wǎng)母線保護(hù)的裝設(shè)應(yīng)遵循以下原則：
　　對(duì)220~500KV母線，應(yīng)裝設(shè)能快速有選擇地切除故障的母線保護(hù)。對(duì)一個(gè)半斷路器接線，每組母線宜裝設(shè)兩套母線保護(hù)。

二 母線差動(dòng)保護(hù)的原理
　　母線差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作原理建立在基爾霍夫電流定律的基礎(chǔ)上。把母線視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在正常運(yùn)行和外部故障時(shí)流入母線電流之和為零，而內(nèi)部短路時(shí)為總短路電流。假設(shè)母線上各引出線電流互感器的變比相同，二次側(cè)同極性端連接在一起，按照?qǐng)D一接線則在正常及外部短路時(shí)繼電器中電流為零。
　　實(shí)際上由于電流互感器有誤差，在外部短路時(shí)繼電器中有不平衡電流出現(xiàn)，差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)電流必須躲開(kāi)最大的不平衡電流才能保證選擇性。

三 微機(jī)母差要解決的幾個(gè)問(wèn)題
1 區(qū)外故障電流互感器飽和的問(wèn)題
　　在外部短路情況下，該母線的引出線路中，故障線路電流是所有非故障線路電流之和。如圖一，故障線路電流很大，其電流互感器飽和，二次側(cè)電流很小。此時(shí)差動(dòng)保護(hù)的不平衡電流很大。差動(dòng)保護(hù)在此情況下應(yīng)不失去選擇性。

　　由于飽和CT有以下兩個(gè)特點(diǎn)：a．無(wú)論一次電流有多大，在系統(tǒng)發(fā)生故障瞬間，CT不可能同時(shí)發(fā)生飽和。從故障發(fā)生到CT飽和至有1/4周波的時(shí)間，CT能正確傳變一次電流。b. CT進(jìn)入飽和后,二次電流波形出現(xiàn)畸變、缺損，但在一次電流過(guò)零點(diǎn)附近，飽和CT二次側(cè)仍有一個(gè)線性傳變區(qū)。
　　1) WMZ-41母線保護(hù)裝置使用的抗CT飽和方案稱為同步識(shí)別法，即判別“故障啟動(dòng)”與“差流越限”是否同步發(fā)生。
　　若是同步發(fā)生，則認(rèn)為“差流越限”是由母線區(qū)內(nèi)故障引起，此時(shí)差動(dòng)保護(hù)在5ms以內(nèi)搶在CT未發(fā)生飽和前快速判別出是區(qū)內(nèi)故障，發(fā)差動(dòng)出口信號(hào)并記憶下來(lái)，以確保各斷路器可靠跳閘。
　　若先發(fā)生“故障啟動(dòng)”，后發(fā)生“差流越限”，則認(rèn)為“差流越限”是由母線區(qū)外故障，CT飽和引起的。這時(shí)母差保護(hù)將閉鎖一個(gè)周波，在下一周波內(nèi)判別區(qū)外故障是否發(fā)展成區(qū)內(nèi)故障。是則發(fā)差動(dòng)出口命令；否則繼續(xù)在隨后的每個(gè)周波內(nèi)判別是否有故障發(fā)展，直到區(qū)外故障消失；。
　　2)WMH-800母線保護(hù)裝置也是利用CT飽和時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間滯后于故障發(fā)生時(shí)刻的特點(diǎn)來(lái)處理這一問(wèn)題。即先判斷故障的發(fā)生時(shí)刻，若此時(shí)差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)即判為母線外部故障，閉鎖差動(dòng)保護(hù)一周，然后利用波形識(shí)別法來(lái)開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)，以便在母線區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)能動(dòng)作。
　　3)BP-2B型母線保護(hù)裝置的CT飽和檢測(cè)元件稱為自適應(yīng)全波暫態(tài)監(jiān)視器。該監(jiān)視器判別區(qū)內(nèi)故障不同于區(qū)外故障發(fā)生CT飽和情況下故障分量差電流ΔId元件與故障分量和電流ΔIr元件的動(dòng)作時(shí)序，以及利用了CT飽和時(shí)差電流波形畸變和每周波都存在線性傳變區(qū)等特點(diǎn)，檢測(cè)出飽和發(fā)生的時(shí)刻。
　　4)RCS-915型母線保護(hù)根據(jù)CT飽和波形特點(diǎn)設(shè)置了兩個(gè)CT飽和檢測(cè)元件。
　　CT飽和檢測(cè)元件一采用自適應(yīng)阻抗加權(quán)抗飽和方法，即利用電壓工頻變化量起動(dòng)元件自適應(yīng)地開(kāi)放加權(quán)算法。當(dāng)發(fā)生母線區(qū)內(nèi)故障時(shí)，工頻變化量差動(dòng)元件ΔBLCD和工頻變化量阻抗元件ΔZ與工頻變化量電壓元件ΔU基本同時(shí)動(dòng)作，而發(fā)生母線區(qū)外故障時(shí)，由于故障起始CT尚未進(jìn)入飽和，ΔBLCD元件和ΔZ元件的動(dòng)作滯后于ΔU元件。利用ΔBLCD元件、ΔZ元件和ΔU元件動(dòng)作的相對(duì)時(shí)序關(guān)系的特點(diǎn)，得出抗CT飽和的自適應(yīng)阻抗加權(quán)判據(jù)。此判據(jù)充分利用了區(qū)外故障發(fā)生CT飽和時(shí)差流不同于區(qū)內(nèi)故障時(shí)差流的特點(diǎn)，抗CT飽和，區(qū)內(nèi)故障和故障由區(qū)外轉(zhuǎn)至區(qū)內(nèi)時(shí)能迅速切除。
　　CT飽和檢測(cè)元件二由諧波制動(dòng)原理構(gòu)成。利用了CT飽和時(shí)差流波形畸變和每周波存在線性傳變區(qū)等特點(diǎn)，根據(jù)差流中諧波分量的波形特征檢測(cè)CT是否發(fā)生飽和。在區(qū)外故障CT飽和后發(fā)生轉(zhuǎn)換性故障情況下能快速切除母線故障。
2 母線運(yùn)行方式改變的問(wèn)題
　　當(dāng)母線為雙母線接線時(shí)在一條母線上發(fā)生短路時(shí)應(yīng)有選擇地僅切除故障母線，使健全母線繼續(xù)運(yùn)行。因此要求母線保護(hù)能適應(yīng)母線的任意一種連接方式。由于電流互感器二次側(cè)不允許開(kāi)路，不能隨著一次引出線進(jìn)行相應(yīng)的切換，這使雙母線差動(dòng)保護(hù)在母線任何連接方式下都保證選擇性發(fā)生困難。
　　解決這個(gè)問(wèn)題的方法是在每條母線上裝設(shè)分差動(dòng)保護(hù)。如圖二，

　　其中大差動(dòng)元件動(dòng)作只能區(qū)分母線內(nèi)部還是外部短路，而小差動(dòng)元件則用于選擇故障母線。
　　傳統(tǒng)的模擬保護(hù)靠二次回路接線完成電流的相加。由于母線上引出線的連接方式經(jīng)常發(fā)生變化，接入分差動(dòng)保護(hù)的電流互感器的二次側(cè)須隨著作相應(yīng)變化，才能保證分差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作。為避免切換，采取固定母線連接方式的方法。即只有當(dāng)母線按規(guī)定的連接方式運(yùn)行時(shí)才能有選擇性地切除一條故障母線，否則不經(jīng)分差動(dòng)保護(hù)直接將兩條母線全部切除。當(dāng)雙母線上引出線較多時(shí)母線常常不能按規(guī)定的連接方式運(yùn)行，所以分差動(dòng)保護(hù)很少能發(fā)揮作用。
　　微機(jī)保護(hù)的發(fā)展使這個(gè)問(wèn)題迎刃而解。把隔離開(kāi)關(guān)的輔助接點(diǎn)位置輸入微機(jī)母線保護(hù)，軟件就實(shí)現(xiàn)了電流互感器抽取電流的切換。
3 電流互感器變比一致性的問(wèn)題
　　模擬保護(hù)需要加裝中間變流器進(jìn)行調(diào)整，微機(jī)保護(hù)則在裝置內(nèi)部通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償，使這個(gè)問(wèn)題的解決大大簡(jiǎn)化。

四 常用的幾種微機(jī)母線差動(dòng)保護(hù)原理的比較
1. WMH-800型和WMZ-41型
　　采用不帶比率制動(dòng)的電流差動(dòng)判據(jù)(1)作為啟動(dòng)出口條件；帶比率制動(dòng)的電流差動(dòng)判據(jù)(2)作為差動(dòng)出口條件。
　
　　若同時(shí)滿足以上兩基本判據(jù)，則差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)特性如圖三所示。

2． BP-2型
　　其差動(dòng)元件由分相復(fù)式比率差動(dòng)判據(jù)和分相突變量復(fù)式比率差動(dòng)判據(jù)組成。
　　1) 復(fù)式比率差動(dòng)判據(jù)的動(dòng)作表達(dá)式為
　
　　圖四為復(fù)式比率差動(dòng)元件動(dòng)作特性。復(fù)式比率差動(dòng)判據(jù)相對(duì)于傳統(tǒng)的比率制動(dòng)判據(jù)，由于在制動(dòng)量的計(jì)算中加入了差電流，使其在母線區(qū)外故障時(shí)有強(qiáng)的制動(dòng)特性，而母線區(qū)內(nèi)故障時(shí)無(wú)制動(dòng)，因此能明確區(qū)分區(qū)外故障和區(qū)內(nèi)故障。 

　　2) 故障分量復(fù)式比率差動(dòng)判據(jù)采用如下數(shù)字算法提取故障分量：
　
式中i(k)為當(dāng)前電流采樣值； i(k-N)為一個(gè)周波前的采樣值,在故障發(fā)生后的一個(gè)周波內(nèi),其輸出能較為準(zhǔn)確地反映包括各種諧波分量在內(nèi)的故障分量。
　
　
　　由于電流故障分量的暫態(tài)特性，故障分量復(fù)式比率差動(dòng)判據(jù)僅在和電流突變起動(dòng)后的第一個(gè)周波投入，并受使用低制動(dòng)系數(shù)的復(fù)式比率差動(dòng)判據(jù)閉鎖。
3. RCS-915型
　　采用由差流構(gòu)成的常規(guī)比率差動(dòng)元件和工頻變化量電流構(gòu)成了工頻變化量比率差動(dòng)元件，與低制動(dòng)系數(shù)的常規(guī)比率差動(dòng)元件配合構(gòu)成快速差動(dòng)保護(hù)。
　　工頻變化量比率差動(dòng)元件的優(yōu)點(diǎn)在于裝置不受負(fù)荷電流影響以及受過(guò)渡電阻影響小；動(dòng)作靈敏。其動(dòng)作判據(jù)為：
　
五 母線差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算
　　計(jì)算母差保護(hù)的主要工作量在于以下幾個(gè)值的計(jì)算，經(jīng)總結(jié)歸納，計(jì)算方法如下：
　　1 比率差動(dòng)元件的比率差動(dòng)門(mén)坎按包括檢修方式的各種運(yùn)行方式下，母線發(fā)生各種類型短路的最小總短路電流(相電流)有足夠靈敏度計(jì)算，靈敏度≥4，并盡可能躲過(guò)母線出線最大負(fù)荷電流。
　　比率差動(dòng)門(mén)坎要整定得躲過(guò)母線出線最大負(fù)荷電流是為了防止CT斷線時(shí)母線差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。
　　2低電壓閉鎖元件
　　以電流判據(jù)為主的差動(dòng)元件，可以用電壓閉鎖元件來(lái)配合，提高保護(hù)整體的可靠性。復(fù)合電壓閉鎖包括母線線電壓(相間電壓)，母線三倍零序電壓，和母線負(fù)序電壓。其動(dòng)作表達(dá)式為：
　
　　以上三個(gè)判據(jù)中的任何一個(gè)被滿足，則該段母線的電壓閉鎖元件動(dòng)作。
　　Uset 按母線對(duì)稱故障有足夠靈敏度整定，靈敏度≥1.5。且應(yīng)在母線最低運(yùn)行電壓下不動(dòng)作，而在故障切除后能可靠返回。一般取65%至70%Ue。
　　U0set按母線不對(duì)稱故障有足夠靈敏度整定，靈敏度≥4。且應(yīng)躲過(guò)母線正常運(yùn)行時(shí)最大不平衡電壓的零序分量。一般取6至10V。
　　U2set按母線不對(duì)稱故障有足夠靈敏度整定，靈敏度≥4。且應(yīng)躲過(guò)母線正常運(yùn)行時(shí)最大不平衡電壓的負(fù)序分量。一般取4至8V。
　　95年廣東220KV梅林站曾有一次因水梅線#2刀支柱撞倒隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)斷搶弧導(dǎo)致A相線路側(cè)刀閘接地，梅林站母差保護(hù)差動(dòng)繼電器動(dòng)作，母差保護(hù)動(dòng)作信號(hào)掉牌，但母差保護(hù)未出口跳閘。該母差保護(hù)只有負(fù)序電壓及低電壓閉鎖，沒(méi)有零序電壓閉鎖。事故后根據(jù)錄波圖分析及模擬故障計(jì)算，因故障點(diǎn)離梅林220KV母線電氣距離較遠(yuǎn)，負(fù)序電壓及低電壓均未達(dá)到整定值，因而沒(méi)有及時(shí)開(kāi)放母差保護(hù)。這次故障由于梅林站母差保護(hù)沒(méi)有及時(shí)動(dòng)作隔離開(kāi)故障點(diǎn)，約3秒后母線側(cè)刀頭引起Ⅱ母線對(duì)地故障，母線電壓降低，母差保護(hù)出口跳閘。已經(jīng)導(dǎo)致事故擴(kuò)大。所以，低電壓閉鎖元件中的任一個(gè)判據(jù)都是必要的。

七 結(jié)束語(yǔ)
　　目前廣東省電網(wǎng)中各種型號(hào)的微機(jī)母線保護(hù)都有使用，運(yùn)行情況良好。由于母線故障的幾率較小(據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每條母線17年故障一次)，需要在更長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行使用中不斷積累經(jīng)驗(yàn)和分析統(tǒng)計(jì)其動(dòng)作情況，才能更好地掌握各種型號(hào)的微機(jī)母線保護(hù)的性能。