基于电磁耦合原理快速低耗多间隔中低压母差保护的设计

浙江浙能电力股份有限公司萧山发电厂 吕力行

现代工业的发展，对电力供应的可靠性、安全性要求越来越高。继电保护在保护电气设备的安全可靠运行方面起着极其重要的作用。目前，在中国电力系统继电保护的传统设计中，110千伏及以上系统均装设母线差动保护装置，但35千伏及以下中低压系统未装设母线差动保护。中低压系统未装设母线差动保护，有的是受传统习惯的影响，有的是因为间隔多不易实现等原因。

资料显示，我国中低压配电母线约有10万段，规模庞大。中低压母线短路电流水平高、操作频繁，易发生短路故障。一旦发生母线故障，极易引发严重的设备事故，影响范围广，修复时间长。因此，中低压母线快速保护设计具有重要意义和市场应用价值。

传统中低压母线保护的主要类型

方式1：电流闭锁式中低压母线快速保护方案

电流闭锁式中低压母线快速保护方案，主要是将馈线保护的启动信号作为闭锁母线进线开关保护的开关量输入信号。采用该设计可避免由于多级馈线造成的母线速断保护时间过长的问题，有效地解决了单纯靠保护动作时间保证速断保护选择性的问题，每一级母线速断保护均引入下级保护的启动信号作为闭锁信号，保证保护动作时间的级差配合最多只有两级配合。但该保护对馈线保护故障判别元件要求比较高，更为重要的是为了保证保护装置的选择性，不能实现保护的快速动作，一般故障切除时间为0.3～0.4秒。

方式2：复合电压闭锁过电流式中低压母线快速保护

复合电压闭锁过电流保护是在电流闭锁式的基础上增加了复合电压判据。根据故障类型不同，发生短路故障时，除了电流增加外，同时会伴随着电压降低或者负序电压的出现。根据这些特征，采用复合电压闭锁过电流式保护可进一步降低过流保护定值，提高保护的灵敏度。虽然采用复合电压辅助判据提高了保护的灵敏度，但是为了保证保护的选择性，仍然需要靠时间配合来保证选择性。其缺点与方式1一样，不能实现保护的快速动作，一般故障切除时间为0.3～0.4秒。

方式3：电弧光快速保护

中低压母线电弧光保护系统动作，主要是依据弧光、过电流两种信号共同判别故障，采用该保护综合了电气量和非电气量两种信号的优势。主要逻辑为当同时检测到弧光和过电流信号后，发出跳闸指令，快速可靠切除母线故障，一般切除时间在0.05秒左右，主要为开关的动作时间。电弧光保护以快速性、可扩展性等多种优势在2005年左右兴起一段时间的弧光热。但随着时间的推移，弧光保护误动的案例越来越多，主要是因为弧光保护对母线仓的严密性有非常高的要求。随着服役时间增加，设备的密封性逐渐变差，弧光保护误动的概率越来越高。因此，采用电弧光快速保护解决了快速性的问题，但同时又带来了可靠性不高的问题。

基于电磁耦合原理的快速母差保护设计方案

基于电磁耦合原理的快速母线差动保护系统主要包括4部分：差动保护CT专用绕组、支路电流采集单元、CT回路监控选判单元、高灵敏度差动保护单元。主要原理及设计思路为利用差动保护CT专用绕组采集进线及所有负荷电流，所有负荷电流利用电磁耦合方式在支路电流采集单元进行整合，整合后电流送入高灵敏度差动保护装置以便识别故障。同时为了保证保护动作的可靠性，增加了CT回路监控选判单元，以保证当CT回路异常时可有效闭锁，保证保护动作的正确性。其原理如图1所示。

图1 基于电磁耦合原理的快速母线差动保护系统设计原理示意图

差动保护专用CT的选择

CT变比选择要以母线进线开关为基础，进线开关CT变比为最小负荷开关CT的整数倍。各类负荷开关CT变比为最小负荷开关CT变比的整数倍。以此原则选取CT变比有利于支路电流采取单元中的电磁耦合计算。

支路电流采集单元

将若干支路负荷专用CT二次侧按照同极性接入支路电流采集单元进行电磁耦合，然后将耦合后电流送至高灵敏度母差保护装置，作为所有负荷电流的总电流。支路电流采集单元原理如图2所示。

图2 支路电流采集单元原理图

例如：若进线开关CT变比为4000/1A

负载1CT变比选择为400/1A

负载2CT变比选择为800/1A

负载3CT变比选择为1200/1A

负载4CT变比选择为1600/1A

则在支路电流采集单元中将负载1同极性绕1匝，负载2同极性绕2匝，负载3同极性绕3匝，负载4同极性绕4匝，直流电流采集单元变比为10/1A，耦合后总电流接入高灵敏度差动保护装置。

CT回路监控选判单元

为了提高保护动作的可靠性，防止由于CT二次回路断线引起的保护误动，引入CT回路监控选判单元。其主要原理及实现方案如下：所有支路电流经过支路电流采集单元后，物理求和形成各负荷支路的3I0，将所有负荷支路3I0接入CT回路监控选判单元，同时引入母线电压以低电压和负序电压作为辅助判据，确保CT回路监控功能更加可靠，一旦判断为CT断线就及时闭锁保护，同时可以具备支路识别准确定位功能。

高灵敏度差动保护单元

进线开关CT与负荷电流采集单元耦合后总电流分别接入母差保护单元，通过保护单元设置CT变比及定值等参数，实现母线故障判别。为了提高差动保护性能，在传统差动保护基础上引入以下辅助判别方法：

（1）将所有负荷正常运行下最大瞬时电流（例如最小辅机设备的启动电流）的90%作为一个标志量，当耦合后总电流突变量大于该电流时，适当提高差动保护定值，以提高差动保护可靠性。正常运行时，差动保护按低定值执行，可有效提高保护灵敏性。

（2）引入CT断线监测信号，当检测到CT断线后闭锁瞬时低定值段差动保护。考虑到所有负荷侧不会同时断线，开放高定值段差动保护，以保证保护动作的灵敏性。当检测到负荷侧有电流，进线开关侧无电流，定义为进线开关CT断线，由于进线开关CT变比大，一旦发生断线危险性大，此时自动开放高定值段差动保护，允许跳闸。母差保护单元示意见图3。

图3 母差保护单元示意图

基于电磁耦合原理的快速母差保护设计的优点

采用该设计理论可实现中低压母线间隔的无限扩展。并能实现保护范围内快速动作，考虑保护装置及开关的动作时间，最长动作时间不大于0.1秒。

基于电磁耦合原理，将原来多路复杂的电流计算转化为前端预处理。靠电磁耦合方式进行预处理，方法简单，可靠性高，同时能保证电流真实反映。采用该设计可有效降低差动保护装置信息处理量，将更多的资源用于提高设备灵敏性、可靠性，并有效降低设备运行功耗。

引入CT断线判别，负荷电流监测等多种有效手段，并将电源特性、负荷特性等多重因素作为辅助判别手段，进一步提高了保护的灵敏性和可靠性。

结语

采用该设计一举解决了中低压母线快速保护的问题，为中低压母线快速保护提供了一个全新的解决方案，为中低压母线的可靠运行提供了更加可靠的保证。同时该设计也给继电保护工作提供了一种新的思路，以前的继电保护工作一直都在向集成方向发展，不停地加重继电保护装置的负担。采用信号前段处理可有效解放继电保护装置的资源，提高保护装置的可靠性。

该设计在实际使用过程中还有进一步优化的空间。例如：可以根据不同用能设备的性能，对前段耦合处理进行分类，这样可以在保护逻辑中进行更加精细的优化；可以在CT回路监控选判单元中引入功率方向元件，对故障类型有更加明确的指向性；对前段耦合设备深入研究，保证耦合设备测量的准确性和可靠性等。