差动保护在SABIC PCQ-2项目中的应用

母 丹

中国成达工程有限公司 成都 610041

差动保护在SABIC PCQ-2项目中的应用

母 丹*

中国成达工程有限公司 成都 610041

差动保护是一种非常可靠的保护装置，广泛应用于母线保护、线路保护、变压器保护等方面。本文基于差动装置在SABIC PCQ-2项目中的实际应用，对几款差动保护装置的工作原理、基本设置、特点进行阐述。

差动保护 比率差动保护 差动电流 制动电流 励磁涌流

差动保护装置工作原理简单，反应迅速，保护范围精准，可靠性高等优点，被广泛应用于电力系统中。主要应用于母线保护、线路保护、变压器保护等方面。

差动保护的工作原理来自电学基本定律——基尔霍夫电流定律(KCL)的扩展。基尔霍夫电流定律(KCL)：所有进入某节点的电流的总和等于所有离开这个节点的电流总和。基尔霍夫定律的节点可扩展为任意不包含电源的假设封闭面。图1为基尔霍夫电流定律图解。

图1 基尔霍夫电流定律图解

图1中，矢量I1、I2、I3、I4、I5之和为0，这就是差动保护装置的基本原理。

现有的保护装置以微机综合保护装置为主，主要特点：集中多种保护功能，可按用户要求定制；经过数字化采样，将模拟信号转化为数字信号，在保护装置内进行处理，可将模拟信号分解为数字化的电流、电压、相位、频率、有功功率、无功功率、正序电流、负序电流和零序电流等数据进行处理；根据用户需求对输入数据解析后进行逻辑编程，输出数字信号，实现保护动作、闭锁或状态输出；高度集成化来实现保护、测量、监控、通讯、录波、事件记录功能；微机保护装置可选配多种通讯功能强大的接口和协议，便于和后台SCADA或DCS通讯，实现远程监控和操作。用户需要根据自身需求选择适用的微机保护装置。

1 母线保护

本项目34.5kV装置母线保护选用功能相对简单的西门子7VH60系列保护装置，在母线每相的进线、出线和母联处设置相同CT，将各CT同名端连接并联输入保护装置，保护接线见图2。

图2 7VH6000构成的母线差动保护接线

正常情况下A母线上流入或流出CT0～CT4这5个监控点电流矢量和为0，在7VH6000装置上的输入也为0。当母线上任意一点出线单相接地或相间短路故障时CT0～CT4这5个监控点电流矢量和不为0，7VH6000迅速输出信号跳开进线或母联，保护母线。由于7VH6000没有电流变比换算，各出口选用同型号的CT，接线上将同名端接在一起实现并联。此保护装置相对功能简单，造价低。

2 线路保护

本项目中34.5kV线路采用差动保护作为主保护。保护采用西门子7SD6101保护装置，差动保护装置上级变电所出线和下级变电所进线各配置一台，通过选配光纤接口通讯，采用分相差动保护，即对A、B、C三相进行独立的监控，分别比对电缆各相两端的电流数据判断电缆是否出现故障。具体7SD6101接线见图3。

图3 7SD6101线路差动保护单台接线

线路保护通常传输距离较远，需要在线路两侧各装设一台差动保护装置，两台差动保护装置之间通过通讯方式传输数据，通常采用光纤通讯方式。此保护装置专用于两端线路差动保护。具体的线路差动保护原理见图4。

图4 线路差动保护原理

图4中，由CT1，CT2监控的虚线框封闭曲面内的线路A相电流送入保护装置，通常情况下，矢量IA1、IA2之和为0。

当K1点出现单相接地故障时，虚线框封闭曲面内矢量IA1、IA2之和为-IK1，此时-IK1不为0，差动保护装置动作。若K2点出线单相接地故障则不影响虚线框封闭曲面内的平衡，此时差动保护不动作，由其他保护动作，实现了保护动作的选择性。

3 变压器保护

本项目主变压器采用7UT6121保护装置作为主保护，该保护装置可同时搜集变压器进线和出线的电流数据，实施保护。本项目变压器为34.5/4.16kV±8x1.25%的25MVA Dyn1变压器，绕组采用△Y绕组。7UT6121构成的变压器差动保护具体连接见图5。

高压侧△形绕组，有3个CT获得电流数据。低压侧Y形绕组中性点通过接地电阻器(NGR)接地，需要4个CT采集三相和中心点电流数据。

图5 7UT6121构成的变压器差动保护

此保护装置功能相对齐全，适用于变压器、发电机、电动机、单母线以及短引线保护。

4 差动保护装置算法和设置

不同厂家的不同产品差动保护算法各有不同，针对不同保护对象的不同需求，各种保护装置设置的算法也有区别。总的来说差动保护原理上大同小异，在此以功能比较全面的7UT6121为例介绍差动保护装置的内部算法。

差动保护算法引入两个量：差动电流(Idiff)和制动电流(Istab)。差动电流(Idiff)定义为各分支电流的矢量和的绝对值；制动电流(Istab)定义为各分支电流的代数和。

从作用上看，差动电流作为产生保护动作的参数；而制动电流为抑制保护动作，防止系统误动作的参数。差动电流的数值以及差动电流和制动电流的比值决定差动保护是否动作。

下面以两CT和四CT构成的差动保护装置为例分析差动保护装置的算法，装置原理见图6和图7。

图6 两CT组成的保护装置原理

图7 四CT组成的保护装置原理

图6为两CT构成的差动保护装置，其中，

差动电流：

制动电流：

图7为四CT构成的差动保护装置，其中，

差动电流：

制动电流：

以Idiff/INobj为纵轴，以Istab/INobj为横轴的坐标系中，差动保护被划作3个区：差动速断动作区域、比率差动动作区域、制动区域。差动保护特性曲线见图8。

图8 差动保护特性曲线

差动电流：

制动电流：

Idiff/Istab=0

Idiff/Istab=1

在图8中为45°点划线，保护装置在越过差动电流阈值(特性曲线中a段)后迅速动作。

图8中有a,b,c,d共4段曲线把坐标划为三个区域：差动速断动作区域、比率差动动作区域、制动区域。

a曲线是差动电流阈值，主要体现保护装置的灵敏度，用于抑制各CT的测量误差和系统误差造成的误动作。

b曲线是电流比率差动曲线。

c曲线是在可能导致CT饱和的大电流情况下，对保护装置动作起抑制作用的曲线。

d曲线是差动速断动作电流，设定当差流达二次侧额定电流一定倍数时保护装置立即动作。

7UT6121保护装置中差动保护相关设置见表1。

表1 7UT6121中差动保护参数相关设置

5 变压器保护防励磁涌流干扰

差动保护作为变压器保护装置时，在变压器启动瞬间可能因为励磁涌流的干扰误动作跳闸。

励磁涌流是电力变压器在空载合闸时变压器线圈上产生的冲击电流，冲击电流可达到额定电流的几倍甚至十几倍，且电流波形畸变严重。

这样的严重畸变冲击电流类似内部故障电流，极有可能导致差动保护装置误动作。在每次变压器启动阶段必须防止这样的误动作，确保变压器能正常投用。

本项目中变压器保护采用的7UT6121保护装置有针对变压器保护的设置，保护装置能够对电流进行波形分析，在励磁涌流的极短时间内闭锁差动保护，不允许其动作，确保变压器正常启动。

变压器空载合闸的励磁涌流区别于变压器内部短路故障电流的特点：

(1)励磁涌流包含有大量的非周期分量。

(2)励磁涌流包含大量的高次谐波分量，其中以二次谐波分量为主。

(3)励磁涌流波形之间存在间断角。

7UT6121保护装置的电流谐波分析是利用励磁涌流存在大量高次谐波分量的特点区分励磁涌流和变压器内部短路电流的。保护装置可以监测电流中高次谐波的含量，当高次谐波含量高于一定值时判定为励磁涌流，保护装置将闭锁差动保护跳闸，避免误动作。

7UT6121保护装置中电流谐波形分析设置见表2。

表2 7UT6121中电流波形分析相关设置

通常在变压器差动保护中，保护装置默认为二次谐波含量分析，也可根据需要开启三次或五次谐波含量分析。二次谐波含量分析界线为10%～80%可调，通常默认为15%，用户可根据定制计算确定或根据实际情况修改。

6 结语

差动保护动作迅速，可靠性高，灵敏度高，保护范围精准，主要应用于电力系统中重要线路、大容量发电机组、大型电动机、高压配电柜柜内母线的保护。大幅降低了设备的损坏几率，最大限度的减少了设备损坏带来的经济损失。

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4 祝项英,杨彪. 西门子7UT51系列差动保护的原理分析及整定[J]. 浙江电力. 2002.

2016-8-31)

*母 丹：工程师。2008年毕业于北京交通大学电力系统及其自动化专业获硕士学位。从事电气设计工作。联系电话：18048513725， E-mail: dannel1981@163.com。