差動保護(hù)在SABIC PCQ-2項(xiàng)目中的應(yīng)用

母 丹

中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

差動保護(hù)在SABIC PCQ-2項(xiàng)目中的應(yīng)用

母 丹*

中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

差動保護(hù)是一種非常可靠的保護(hù)裝置，廣泛應(yīng)用于母線保護(hù)、線路保護(hù)、變壓器保護(hù)等方面。本文基于差動裝置在SABIC PCQ-2項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用，對幾款差動保護(hù)裝置的工作原理、基本設(shè)置、特點(diǎn)進(jìn)行闡述。

差動保護(hù) 比率差動保護(hù) 差動電流 制動電流 勵磁涌流

差動保護(hù)裝置工作原理簡單，反應(yīng)迅速，保護(hù)范圍精準(zhǔn)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。主要應(yīng)用于母線保護(hù)、線路保護(hù)、變壓器保護(hù)等方面。

差動保護(hù)的工作原理來自電學(xué)基本定律——基爾霍夫電流定律(KCL)的擴(kuò)展?；鶢柣舴螂娏鞫?KCL)：所有進(jìn)入某節(jié)點(diǎn)的電流的總和等于所有離開這個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流總和?；鶢柣舴蚨傻墓?jié)點(diǎn)可擴(kuò)展為任意不包含電源的假設(shè)封閉面。圖1為基爾霍夫電流定律圖解。

圖1 基爾霍夫電流定律圖解

圖1中，矢量I1、I2、I3、I4、I5之和為0，這就是差動保護(hù)裝置的基本原理。

現(xiàn)有的保護(hù)裝置以微機(jī)綜合保護(hù)裝置為主，主要特點(diǎn)：集中多種保護(hù)功能，可按用戶要求定制；經(jīng)過數(shù)字化采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在保護(hù)裝置內(nèi)進(jìn)行處理，可將模擬信號分解為數(shù)字化的電流、電壓、相位、頻率、有功功率、無功功率、正序電流、負(fù)序電流和零序電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；根據(jù)用戶需求對輸入數(shù)據(jù)解析后進(jìn)行邏輯編程，輸出數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)保護(hù)動作、閉鎖或狀態(tài)輸出；高度集成化來實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測量、監(jiān)控、通訊、錄波、事件記錄功能；微機(jī)保護(hù)裝置可選配多種通訊功能強(qiáng)大的接口和協(xié)議，便于和后臺SCADA或DCS通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。用戶需要根據(jù)自身需求選擇適用的微機(jī)保護(hù)裝置。

1 母線保護(hù)

本項(xiàng)目34.5kV裝置母線保護(hù)選用功能相對簡單的西門子7VH60系列保護(hù)裝置，在母線每相的進(jìn)線、出線和母聯(lián)處設(shè)置相同CT，將各CT同名端連接并聯(lián)輸入保護(hù)裝置，保護(hù)接線見圖2。

圖2 7VH6000構(gòu)成的母線差動保護(hù)接線

正常情況下A母線上流入或流出CT0～CT4這5個(gè)監(jiān)控點(diǎn)電流矢量和為0，在7VH6000裝置上的輸入也為0。當(dāng)母線上任意一點(diǎn)出線單相接地或相間短路故障時(shí)CT0～CT4這5個(gè)監(jiān)控點(diǎn)電流矢量和不為0，7VH6000迅速輸出信號跳開進(jìn)線或母聯(lián)，保護(hù)母線。由于7VH6000沒有電流變比換算，各出口選用同型號的CT，接線上將同名端接在一起實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。此保護(hù)裝置相對功能簡單，造價(jià)低。

2 線路保護(hù)

本項(xiàng)目中34.5kV線路采用差動保護(hù)作為主保護(hù)。保護(hù)采用西門子7SD6101保護(hù)裝置，差動保護(hù)裝置上級變電所出線和下級變電所進(jìn)線各配置一臺，通過選配光纖接口通訊，采用分相差動保護(hù)，即對A、B、C三相進(jìn)行獨(dú)立的監(jiān)控，分別比對電纜各相兩端的電流數(shù)據(jù)判斷電纜是否出現(xiàn)故障。具體7SD6101接線見圖3。

圖3 7SD6101線路差動保護(hù)單臺接線

線路保護(hù)通常傳輸距離較遠(yuǎn)，需要在線路兩側(cè)各裝設(shè)一臺差動保護(hù)裝置，兩臺差動保護(hù)裝置之間通過通訊方式傳輸數(shù)據(jù)，通常采用光纖通訊方式。此保護(hù)裝置專用于兩端線路差動保護(hù)。具體的線路差動保護(hù)原理見圖4。

圖4 線路差動保護(hù)原理

圖4中，由CT1，CT2監(jiān)控的虛線框封閉曲面內(nèi)的線路A相電流送入保護(hù)裝置，通常情況下，矢量IA1、IA2之和為0。

當(dāng)K1點(diǎn)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，虛線框封閉曲面內(nèi)矢量IA1、IA2之和為-IK1，此時(shí)-IK1不為0，差動保護(hù)裝置動作。若K2點(diǎn)出線單相接地故障則不影響虛線框封閉曲面內(nèi)的平衡，此時(shí)差動保護(hù)不動作，由其他保護(hù)動作，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)動作的選擇性。

3 變壓器保護(hù)

本項(xiàng)目主變壓器采用7UT6121保護(hù)裝置作為主保護(hù)，該保護(hù)裝置可同時(shí)搜集變壓器進(jìn)線和出線的電流數(shù)據(jù)，實(shí)施保護(hù)。本項(xiàng)目變壓器為34.5/4.16kV±8x1.25%的25MVA Dyn1變壓器，繞組采用△Y繞組。7UT6121構(gòu)成的變壓器差動保護(hù)具體連接見圖5。

高壓側(cè)△形繞組，有3個(gè)CT獲得電流數(shù)據(jù)。低壓側(cè)Y形繞組中性點(diǎn)通過接地電阻器(NGR)接地，需要4個(gè)CT采集三相和中心點(diǎn)電流數(shù)據(jù)。

圖5 7UT6121構(gòu)成的變壓器差動保護(hù)

此保護(hù)裝置功能相對齊全，適用于變壓器、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、單母線以及短引線保護(hù)。

4 差動保護(hù)裝置算法和設(shè)置

不同廠家的不同產(chǎn)品差動保護(hù)算法各有不同，針對不同保護(hù)對象的不同需求，各種保護(hù)裝置設(shè)置的算法也有區(qū)別?？偟膩碚f差動保護(hù)原理上大同小異，在此以功能比較全面的7UT6121為例介紹差動保護(hù)裝置的內(nèi)部算法。

差動保護(hù)算法引入兩個(gè)量：差動電流(Idiff)和制動電流(Istab)。差動電流(Idiff)定義為各分支電流的矢量和的絕對值；制動電流(Istab)定義為各分支電流的代數(shù)和。

從作用上看，差動電流作為產(chǎn)生保護(hù)動作的參數(shù)；而制動電流為抑制保護(hù)動作，防止系統(tǒng)誤動作的參數(shù)。差動電流的數(shù)值以及差動電流和制動電流的比值決定差動保護(hù)是否動作。

下面以兩CT和四CT構(gòu)成的差動保護(hù)裝置為例分析差動保護(hù)裝置的算法，裝置原理見圖6和圖7。

圖6 兩CT組成的保護(hù)裝置原理

圖7 四CT組成的保護(hù)裝置原理

圖6為兩CT構(gòu)成的差動保護(hù)裝置，其中，

差動電流：

制動電流：

圖7為四CT構(gòu)成的差動保護(hù)裝置，其中，

差動電流：

制動電流：

以Idiff/INobj為縱軸，以Istab/INobj為橫軸的坐標(biāo)系中，差動保護(hù)被劃作3個(gè)區(qū)：差動速斷動作區(qū)域、比率差動動作區(qū)域、制動區(qū)域。差動保護(hù)特性曲線見圖8。

圖8 差動保護(hù)特性曲線

差動電流：

制動電流：

Idiff/Istab=0

Idiff/Istab=1

在圖8中為45°點(diǎn)劃線，保護(hù)裝置在越過差動電流閾值(特性曲線中a段)后迅速動作。

圖8中有a,b,c,d共4段曲線把坐標(biāo)劃為三個(gè)區(qū)域：差動速斷動作區(qū)域、比率差動動作區(qū)域、制動區(qū)域。

a曲線是差動電流閾值，主要體現(xiàn)保護(hù)裝置的靈敏度，用于抑制各CT的測量誤差和系統(tǒng)誤差造成的誤動作。

b曲線是電流比率差動曲線。

c曲線是在可能導(dǎo)致CT飽和的大電流情況下，對保護(hù)裝置動作起抑制作用的曲線。

d曲線是差動速斷動作電流，設(shè)定當(dāng)差流達(dá)二次側(cè)額定電流一定倍數(shù)時(shí)保護(hù)裝置立即動作。

7UT6121保護(hù)裝置中差動保護(hù)相關(guān)設(shè)置見表1。

表1 7UT6121中差動保護(hù)參數(shù)相關(guān)設(shè)置

5 變壓器保護(hù)防勵磁涌流干擾

差動保護(hù)作為變壓器保護(hù)裝置時(shí)，在變壓器啟動瞬間可能因?yàn)閯畲庞苛鞯母蓴_誤動作跳閘。

勵磁涌流是電力變壓器在空載合閘時(shí)變壓器線圈上產(chǎn)生的沖擊電流，沖擊電流可達(dá)到額定電流的幾倍甚至十幾倍，且電流波形畸變嚴(yán)重。

這樣的嚴(yán)重畸變沖擊電流類似內(nèi)部故障電流，極有可能導(dǎo)致差動保護(hù)裝置誤動作。在每次變壓器啟動階段必須防止這樣的誤動作，確保變壓器能正常投用。

本項(xiàng)目中變壓器保護(hù)采用的7UT6121保護(hù)裝置有針對變壓器保護(hù)的設(shè)置，保護(hù)裝置能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行波形分析，在勵磁涌流的極短時(shí)間內(nèi)閉鎖差動保護(hù)，不允許其動作，確保變壓器正常啟動。

變壓器空載合閘的勵磁涌流區(qū)別于變壓器內(nèi)部短路故障電流的特點(diǎn)：

(1)勵磁涌流包含有大量的非周期分量。

(2)勵磁涌流包含大量的高次諧波分量，其中以二次諧波分量為主。

(3)勵磁涌流波形之間存在間斷角。

7UT6121保護(hù)裝置的電流諧波分析是利用勵磁涌流存在大量高次諧波分量的特點(diǎn)區(qū)分勵磁涌流和變壓器內(nèi)部短路電流的。保護(hù)裝置可以監(jiān)測電流中高次諧波的含量，當(dāng)高次諧波含量高于一定值時(shí)判定為勵磁涌流，保護(hù)裝置將閉鎖差動保護(hù)跳閘，避免誤動作。

7UT6121保護(hù)裝置中電流諧波形分析設(shè)置見表2。

表2 7UT6121中電流波形分析相關(guān)設(shè)置

通常在變壓器差動保護(hù)中，保護(hù)裝置默認(rèn)為二次諧波含量分析，也可根據(jù)需要開啟三次或五次諧波含量分析。二次諧波含量分析界線為10%～80%可調(diào)，通常默認(rèn)為15%，用戶可根據(jù)定制計(jì)算確定或根據(jù)實(shí)際情況修改。

6 結(jié)語

差動保護(hù)動作迅速，可靠性高，靈敏度高，保護(hù)范圍精準(zhǔn)，主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)中重要線路、大容量發(fā)電機(jī)組、大型電動機(jī)、高壓配電柜柜內(nèi)母線的保護(hù)。大幅降低了設(shè)備的損壞幾率，最大限度的減少了設(shè)備損壞帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

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2016-8-31)

*母 丹：工程師。2008年畢業(yè)于北京交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事電氣設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：18048513725， E-mail: dannel1981@163.com。