对当前新型差动保护原理及算法的探讨

刘德强++王坤++张庆朋

[摘 要]通常讲的差动保护包含了变压器差动保护、发电机差动保护和母线差动保护。实现差动保护的基本原则是一致的，即将各侧元件的电流互感器按差接法接线，正常运行以及保护范围外部故障时，差电流等于零；保护范围内部故障时差电流等于故障电流。但是由于诸多因素的影响，差动继电器的动作电流按躲开外部故障时产生的最大不平衡电流整定远远不能满足系统的要求。针对目前差动保护的发展概况及在我厂设备更新改造中的广泛应用，通过建立数学模型理解新型差动保护的原理及算法。下面对我厂目前差动保护的概况作一综合评价。

[关键词]差动保护 比率制动特性 动作方程

中图分类号：TM772 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0144-01

1 差动保护中不平衡电流产生的原因

差动保护是依据循环电流原理构成的，即按照正确的极性关系进行连接，在正常运行或外部故障时，差动继电器中的电流等于各侧电流互感器的二次电流之和，电流基本为零。但是实际上，差动继电器中总会流过不平衡电流Ibp。不平衡电流Ibp越大，差动继电器的动作电流也越大，致使保护灵敏度降低。因此，欲提高差动保护的灵敏度，必须设法减小差动保护回路中的不平衡电流。表1论述了电力系统稳态和暂态情况下不平衡电流产生的原因。

2 减小不平衡电流的方法

差动保护回路中的不平衡电流，是影响差动保护可靠性和灵敏度的重要因素，也是研制新型差动继电器成败的关键。目前使用的各种差动保护装置，为减小不平衡电流而采取的措施如表2所示。

3 变压器差动保护

变压器差动保护装置若采用一般的速饱和中间变流器时，对减小外部短路电流的非周期分量的影响是有效的，但躲过变压器励磁涌流的能力不够理想，因为励磁涌流中含有大量的谐波分量。早期广泛采用带加强型速饱和中间变流器，即BCH型差动继电器来构成差动保护。

BCH-2型

BCH-2型差动继电器，就是针对解决励磁涌流的问题而设计的。这种差动保护的核心部分由带短路线圈的速饱和中间变流器和差动电流继电器（执行元件）组成。

其中平衡线圈用来平衡差动回路各臂二次电流不相等而引起的不平衡磁势；而短路线圈的主要作用在于加强差动保护躲过非周期分量（特别是励磁涌流）的能力，即直流助磁。由于短路线圈的存在，使得在具有非周期分量电流时，对短路线圈和二次线圈并不起传变作用，仅作为励磁电流而使铁芯迅速饱和，因此继电器的动作电流大为增加，从而大大提高了躲避励磁涌流和外部短路时暂态不平衡电流的性能。当采用BCH-2型差动继电器保护灵敏度不满足要求时，则应选带制动特性的差动保护。变压器差动保护中励磁涌流的特点及常规解决方法，如表3所示。

4 发电机差动保护

BCH-2型

这种保护是在电磁式BCH-2型差动继电器的基础上稍加改进而构成的。我们知道，带有速饱和变流器的BCH-2型差动继电器，在发电机外部故障时，是利用差动回路暂态不平衡电流中较大的非周期分量，来使速饱和变流器迅速饱和，以减小流入执行元件的电流，防止其误动作。当发电机内部故障时，在非周期分量的作用下，将不可避免地延缓保护的动作速度。为此，目前国、内外普遍采用比率制动式差动保护。

5 母线差动保护

母线差动保护与变压器差动保护、发电机差动保护有很大的不同：即母线的主结线方式会随母线的倒闸操作而改变运行方式，如双母线改为单母线运行、双母线并列运行改为双母线分段并列运行，母线元件（如线路、变压器等）可以从一段母线倒换到另一段母线。换句话说，母线差动保护的范围会随着母线倒闸操作的进行、母线运行方式的改变而变化（扩大或缩小），母线差动保护的对象也可以由于母线元件的倒换操作而改变（增加或减少），因此母线保护实际的启动值总在变化中。

固定连接式母线差动保护

这种母线差动保护要求母线上的电源元件，必须按照事先规定好的固定连接方式运行，母线故障时，母线差动保护的动作才有选择性。当母线保护采用此种类型时，进行电源元件的倒换，将使母线差动保护失去选择性。因此，倒换前需合入母线差动保护的非选择性开关，倒完后也不拉开。我厂早期运行的母线保护为五十年代苏联产固定接线方式、带速饱和变流器的电磁型保护。随着电网的发展和主机设备的增容改造，我厂母线短路容量不断增大，此前母线保护启动元件的启动电流一次值已达到3600A。同时速饱和型差动继电器的各项技术参数严重超标，机械性能不稳定，给调试和维护带来了诸多困难。

6 综合评价

综上所述，相对于采用速饱和特性的差动继电器而言，反映间断角原理及二次谐波制动原理的差动保护，因采用比率制动特性避越外部短路的不平衡电流，都具有动作时间快（不必将一般非周期分量衰减后再动作），最小动作电流小（小于变压器的额定电流）的优点。此外还可采用鉴别波形间断角原理的差动保护，它是利用励磁涌流波形间存在较大的间断角，而短路电流波形间无间断角两种波形间的差别，区别出是涌流还是短路，从而躲过励磁涌流的影响，并利用制动特性躲过不平衡电流影响而构成的差动保护。