比率差动保护原理

故障分量差动保护

摘要深入地研究了基于故障分量的数字式差动保护的基本原理，并与传统的比率制动差动保护作了详细比较，讨论了故障分量差动保护的动作判据，最后介绍了基于该原理的保护在实际中的应用。

关键词故障分量差动保护微机保护发电机变压器

0 引言

基于故障分量(也称增量)来实现保护的原理最早可以追溯到突变

量原理的保护，但真正受到人们普遍关注和广泛研究则是出现微机保护技术之后。微机具有长记忆功能和强大的数据处理能力，可以获取稳定的故障分量，从而促进了故障分量原理保护的发展［1］。近20年来，陆续提出了基于故障分量的差动保护、方向保护、距离保护、故障选相等许多新原理，并在元件保护、线路保护各个领域得到了成功的应用。本文针对在发电机、变压器中广泛使用的比率制动式差动保护，讨论故障分量保护的基本原理、判据和应用中的一些问题。

1 故障分量比率差动保护原理

故障分量电流是由从故障后电流中减去负荷分量而得到的，可以由它来构成比率差动保护。习惯上常用“Δ”表示故障分量，故也有人称之为“Δ差动继电器”［2］。以两侧纵联差动保护为例，若两侧电流假定正向均取为流入被保护设备，故障分量比率差动保护的动作方程可表示为：

(1)

式中;下标L表示正常负荷分量；下标Ⅰ，Ⅱ则分别表示被保护设备两侧的电量。

在故障分量比率差动保护中，令,分别表示动作量(差动量)和制动量，即

(2)

因正常运行时有，故传统比率差动保护的动作量

d 和制动量

可表示为：

r

(3)

比较式(2)与式(3)可见，忽略变压器两侧负荷电流的误差之后，两种差动保护原理的动作量相同，主要不同之处表现在制动量上。发生内部轻微故障(如单相高阻接地或小匝数匝间短路)时，可能出现

L决定，从

，这时式(3)中制动量主要由2I

Ⅰ

而使得传统比率差动保护方案因制动量太大而降低了灵敏度。利用降低K值来改善灵敏度是有限的。因为必须保证外部严重故障时有足够的制动量不使保护误动，发生外部严重故障时，一般有

，因此两种原理差

，制动量主要决定于Δ

r

动保护的制动量相当，不会引起误动。由以下进一步的分析可更清楚地看到这一点。

设一单相变压器发生对地高阻抗接地故障，现用一简化的具有两端电源的T形网络来表征，如图1所示。

图1 单相变压器内部故障简化等值电路

Fig.1 The simplified equivalent circuit

of single-phase transformer with internal fault

。按照叠加原理，可将图1所示电路分解为正常网络短路阻抗为Z

f

和故障附加网络。由故障附加网络推导出式(1)的另一种形式为：

(4)

由式(4)可见，故障分量原理的灵敏度与Z

f

无关。对于一个感性电

力系统，Z

R 与Z

S

的相位差介于［-90°,+90°］之间，所以|Z

R

+Z

S

|/|Z

R

-Z

S

|

的最小值为1。也就是说，故障分量差动原理在内部故障时，总会有

存在，即在双侧电源条件下，若取K=1，按上述分析能

保障对最轻微故障的灵敏度。

当然实际情况要比这种简化分析复杂：当故障阻抗Z

f

很大时，将无

法正确取出保证计算精度的故障分量，因此灵敏度仍然受Z

f

限制；同时，三相变压器所遇到的问题也不能简单地归结为上述简化分析；另外，为防止当只有一侧投入系统的变压器发生内部故障时不拒动，K值的选择仍必须小于1。

传统差动保护判据也可由图1推导为：

(5) 式中

(6)

比较式(4)与式(5)，主要差别在于因子Kns。轻微内部故障时，

，Kns变得较大，传统方案的灵敏度很低，同时传统

方案受故障电阻Z

f

的不利影响也十分明显。

当有外部故障引起的穿越电流流过被保护设备时，有很多原因使电

流互感器(TA)副边电流产生误差。设两侧TA副边误差百分比分别记为e

Ⅰ

和e

Ⅱ，并用

D

和

R

分别表示不含误差的差动电流和制动电流，故障分

量原理的差动电流和制动电流可表示为：

(7) 正常运行时，及，将其代入式

(7)，则有ΔI

d =0和ΔI

r

=0。

外部故障时，考虑最严重情形，有e

Ⅱ=-e

Ⅰ

=emax,e

Ⅱ

L=-e

Ⅰ

L=e

L

,代入

式(7)，并考虑外部制动要求，应满足：

(8) 在同样条件下，传统差动保护方案的制动要求则应满足：

emax≤K

(9)

当外部严重故障时，。此时若忽略式(8)中与有

关的项，就得到式(9)。请注意，对于同样的外部故障条件和K值，故障分量原理差动保护总要比传统差动保护的制动量略小一些。例如按照10%误差，对于传统保护方案，由式(9)可确定K=0.1；对于故障分量比

率差动保护方案，若近似假设e

L

=0.01以及，由式(8)则要

求emax-0.005≤0.05，即若emax≥0.055就会误动(当然，通常这种情况下emax不大可能达到5.5%)。根据前面的分析，故障分量原理的比率差动保护的一个重要特点是，即使K值取得较大(但K<1)，也不会对灵敏度产生不利影响。因此K值应适当取大一些，只要满足变压器仅一侧投入系统，且发生内部故障时能可靠动作即可。