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1、. . . 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
2、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”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，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r可表示为
3、：(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，这时式(3)中制动量主要由2IL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，制动量主要决定于r，因此两种原理差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。
4、图1单相变压器部故障简化等值电路Fig.1The simplified equivalent circuitof single-phase transformer with internal fault短路阻抗为Zf。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：(4)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，ZR与ZS的相位差介于-90,+90之间，所以|ZR+ZS|/|ZR-ZS|的最小值为1。也就是说，故障分量差动原理在部故障时，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
5、灵敏度。当然实际情况要比这种简化分析复杂：当故障阻抗Zf很大时，将无确取出保证计算精度的故障分量，因此灵敏度仍然受Zf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和e，并用D和R
6、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Id=0和Ir=0。外部故障时，考虑最严重情形，有e=-e=emax,eL=-eL=eL,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：emaxK(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eL
7、=0.01以及，由式(8)则要求emax-0.0050.05，即若emax0.055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K0。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：(12)若令，可以导出式(11)中标积制动量的算法为：(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
8、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，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。部故障时，故障分量电势位于区，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，在判据式(11)中动作量很大，而制动量为负，故保证了对部故障的灵敏度，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
9、三绕组变压器差动保护或发电机变压器组差动保护(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(M2)，电流差动保护的动作量Id应取为：(14)而制动量Ir常有3种取法，分别如式(15)、式(16)、式(17)所示：(15)(16)(17)max满足,。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：(18)式中式(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、(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：(19)显然，对于图2的动作特性有：(20)若取，斜线将沿横轴(Ir轴)向正方向平移，这有利于改善灵敏度，但会劣化制动特性，故一般要求Ir.min0.8In；反之若取Ir.minKd21Id1(23)式中Id1，Id2分别为差流中基波和二次谐波电流故障分量幅值；Kd21为二次谐波比率制动系数。3.2.2差流速断判据(满足时直接出口)IdKdsIn(24)式中In为额定电流；Kds为额定电流倍数。TA断线闭锁判据等其他辅助判据从略。3.3讨论43.3.1
