比率差动保护原理.docx

故障分量差动保护尹项根 陈德树张哲 李毅军摘 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 分类号TM 771FAULT COMPONENT BASED DIGITAL DIFFERENTIAL PROTECTIONYin Xianggen, Chen Deshu, Zhang Zhe (Huazhong University ofScience and Technology, 430074, Wuhan, China)Li Yijun(Three Gorges International Tendering Company Ltd.,443002, Yichang, China)Abstract This paper analyzes the fundamental principle of the fault component based digital differential protection and compares it with the conventional percentage restraint differential protection. Operating criteria for the fault component based differential protection are also discussed and the practical application of this principle in the protection of a generator-transformer unit is described in detail.Keywords fault component differential protection microcomputer-based protection generator transformer0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⑴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“△”表示故障分量，故也有人称 之为“△差动继电器”⑵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：|由1 +立| ＞芷心七-A/ „ |式中 * ' 】容 / 」’；下标L表示正常负荷分量；下标1,11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，令寸,分别表示动作量(差动量) 和制动量，即ji/.i = | -F iI, Al r = ill ] — 11/ |(2)因正常运行时有-",故传统比率差动保护的动作量i d和制动量j可表示为：rL = JI -F 11 —里』L = L —L = M + "l(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^r| < < ZilI，这时式(3)中制动量主要由2I]L决定，从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el A"以 + 4.|fC <_ ' F 农 八，制动量主要决定于△ 了，因此两种原理差 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6①-盘图1单相变压器内部故障简化等值电路Fig.1 The simplified equivalent circuitof single-phase transformer with internal fault短路阻抗为Z按照叠加原理，可将图1所示电路分解为正常网络 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：由式(4)可见，故障分量原理的灵敏度与Zf无关对于一个感性电 力系统，Z与Z的相位差介于［-90°,+90°］之间，所以|Z+Z |/|Z-Z | 的最小值为1°S也就是说，故障分量差动原理在内部故障时，总会有S最 I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fZ限制；同时， f 一… - 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：Ail _ 电.+ 乙|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，△上 f E，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的不利影响也十分明显当有外部故催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eI 和eH，并用八和八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：正常运行时，'冒 「 - ,-及人打，将其代入式(7)，则有 AId=0 和 AIr=0o外部故障时，考虑最严重情形，有e =-e =emax,e L=-e L=e，代入 式(7)，并考虑外部制动要求，应满足："1 " 1 L⑻在同样条件下，传统差动保护方案的制动要求则应满足：emaxWK当外部严重故障时，•:—1。

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eL=0.01以及Ll，£ = SS，由式⑻则要 求emax-0.005W0.05，即若emaxN0.055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2 故障分量差动保护的动作判据构成一个完整的差动保护往往还需要用到一些辅助判据，如差流速 断判据、TA断线闭锁判据、变压器保护中的励磁涌流制动判据和低电压 加速判据等，这里仅就主判据作讨论2.1两侧电流相量构成的比率制动判据实现保护应先计算被保护设备两侧故障分量的基波相量，然后再构 成比率制动特性动作判据采用故障分量原理仍然需要设置一个差流故 障分量门坎值△ Id.min，并与从原点出发的比率制动特性相结合，形成 折线制动特性。

根据第1节的分析，故障分量差动保护可选用较大的K 值而不会降低灵敏度，故只需要一段斜线特性就够了，如图2所示在 正常运行条件下，差动电流△【中已消去了丁入等因素引起的稳态误差 的影响，故Ald.min可以整定得更小一些，这对于提高保护对内部轻微 故障的灵敏度非常有益图2故障分量差动保护动作特性Fig.2 Operating characteristic of faultcomponent based differential protection综合判据的表达式为:n > K A!r U < /c < 1(10)还可以用标积制动量构成比率制动判据⑶：乂 > M协 n M >- cob &(11)式中司 W ：；S为标积制动系数，S>0根据余弦定理，不难证明式(10)中的K与式(11)中的S的关系为：£一代1 - A：-(12)若令.上’ » " * ，可以导出式(11)中标积制动量的算法为：一睛gjqi + i/1. I 2J I . d(13)上述分析表明，动作判据式(11)与式(10)在原理上是基本一致的不过， 用式(11)更容易理解采用故障分量后，不仅可以提高保护对内部故障的灵敏 度，而且也可加强对外部故障的制动作用。

采用故障分量的特点是完全消除 了负荷电流的影响，或者说在故障附加网络中，移去了被保护的设备两侧的 等值系统电源电势，而只在故障点处还保留唯一的一个故障分量电势外部 故障时，故障分量电势位于区外，由它引起穿越性故障分量电流对被保护 设备两侧测量点而言，两侧测量电流几乎是完全反相的(“几乎”是指传感器 或测量元件会引入相位误差，下同)，即O^n，在判据式(11)中将产生很大 的制动量，而动作量很小，可确保可靠的制动作用内部故障时，故障分量 电势位于区内，由它引起从被保护设备两侧流出的电流，因而两侧测量点测 得的故障电流几乎是完全同相的，即^0°①，在判据式(11)中动作量很大， 而制动量为负，故保证了对内部故障的灵敏度，并较小地受故障过渡电阻的 影响2.2多侧电流相量构成的比率制动判据对三绕组变压器差动保护或发电机一变压器组差动保护(大差)等，需要 用到3侧或更多侧电量来构成故障分量比率制动特性此时动作判据仍可采用式(10)，但该式中各量的组成将发生变化对于M侧(M>2),电流差动保护 的动作量AId应取为：| A』I H- | 十△』. 十 •・・+ 心m | =(14)而制动量△"常有3种取法，分别如式(15)、式(16)、式(17)所示：M | h Ia/j I, |M|}(15)"『=源r- I(16)(17)AZ满足max倍小)心孔=心七=函…AJ|g = maX〔 I A j e |△ j [ | 卜 | 出 j . | … rrV>, 。

对于由式(10)、式(14)及式(17)构成的判据，可以认为是将多侧比率差 动转换成两侧比率差动来实现，因此与图2的特性完全一致，并且这组判据 很容易用标积制动量构成，表达式如下：△l > Em n顼; >-冏也皿 g 0(18)式中，J 京’’式(12)所示关系和式(13)所表达的算法可直接应用于式(18)对于由式(10)、式(14)及式(15)构成的判据，其制动量式(15)在多数情 况下较式(17)偏弱；而对于由式(10)、式(14)及式(16)构成的判据，其制动 量式(16)在多数情况下较式(17)偏强，必要时可采取一些措施更一般地，式(10)亦可表达为另一种形式：乂〉乂 n 乂〉M心 + -(19)显然，对于图2的动作特性有:(20)若取* "'丈。