一种链式差动保护的研究

杨长存

(淮浙煤电有限责任公司凤台发电分公司，安徽 淮南 232131)

0 引言

当电力系统发生故障时，技术人员往往是根据保护装置所报故障类型去寻找故障点。如若故障点较隐蔽，则很难发现故障点，导致工作效率降低，故障处理延误甚至有可能引发系统稳定性问题导致机组停机，系统解列事故。

某大型煤电一体化项目采用4×660 MW 燃煤机组，其厂用电系统故障类型主要有单相接地故障、相间短路故障，而两相短路接地、三相短路故障大多为转移性故障，较少出现。进一步分析发现，故障点主要集中在外围设备上，这些地方由于维护质量及地理位置的特殊性，有可能会发生上述故障，且由于线路距离较长，查找故障点较困难，故障处理效率较低。

以厂内光伏电站为例，光伏并网出线要接至数公里远的变电站，当该电缆发生绝缘问题引起的故障时，传统的中压保护如差动保护、过流保护虽然能准确地判断出故障相别，但不能判断出故障点的大致区位。查找故障点较为费时费力，加上处理电缆的时间，总共往往需要一天的时间，影响了光伏电站的功率输出。同理，在发电厂厂用电系统中也存在类似的问题，如循环水泵房、补给水泵房、辅助厂房、脱硫小室等，距离其主厂房内电源开关距离较远，这些设备的动力电缆如果存在故障的话，要查找故障点极其不容易，影响了机组的安全稳定运行。

传统的中压开关保护即便是配备了带测距功能，由于厂内电缆对地电容电流较大且呈现多分散性的问题而无法实现故障位置的准确判断。

1 链式差动保护介绍

针对发电厂中压系统提出一种链式差动保护，该保护具备故障点位置区间的判断以及声光报警功能，可缩短检修维护人员处理故障的时间，保障机组和电网的安全稳定运行。该链式差动保护采用了多段式差动保护原理，实现大区差动和小区差动，大区判断故障，小区判断范围，两者同时动作时差动保护跳闸，并发出故障区间范围报文。由于该差动保护不受电缆对地电容电流的影响，故灵敏度较高。该链式差动保护具备以下特点：

(1) 故障时通过大区差动加小区差动的方式能够准确获取故障点范围。

(2) 故障时能够通过保护装置输出光信号驱动就地电流采集器上的声光报警，便于维护人员查找故障点。

(3) 采用大区差动加小区差动实现的多段式差动保护，能够有效避免人为误操作或者装置本身故障引起的保护装置误动作，提高保护装置运行的可靠性。

2 链式差动保护实施方式

2.1 链式差动保护主要元器件

链式差动保护由链式差动保护装置、电流信号采集装置、电流互感器、特制CT 取能线圈、大容量锂电池组、太阳能电池板以及相关附属设备构成。

链式保护装置具备接收模拟量信号、电流光信号输入口，电源侧电流互感器CT1 二次电流采用电缆接线方式接入到保护装置，输电线路及系统侧电流互感器CT2 ～CT4 二次电流由电流采集终端进行采集，并输出光信号至差动保护电流采集终端。电流采集装置采用低功耗设备，且输入电源为宽幅电源。通信方式为异步通信，光纤接头方式采用FC 型，光纤类型采用单模，传输速率为150 kbit/s。

CT2，CT3 二次电流采集终端配套的电流互感器以及CT 取能线圈均采用开口式设计，方便现场的安装。由于电缆较长，一般会存在多个电缆接头，且在运行环境较差的接头位置会加装配电箱，箱子里面可以直接看到A，B，C 三相电缆。所以，电流信号采集装置及其配套设备可安装在电缆接头配电箱内，只需选择好合适的安装位置即可。

2.2 链式差动保护CT 二次电流采集终端电源选取

CT2，CT3 差动保护电流采集终端由于距离电源端较远，就地无固定电源可取。本项目提出使用CT 取能线圈和蓄电池相结合的方式给CT 采集装置供电。通过特制CT 取能线圈从一次回路上感应交流电压，然后经过整流、滤波、稳压等环节后输出能量，该CT 取能线圈铁芯采用饱和磁导率高的无取向硅钢片制成，同时具备一定的空气气隙，铁芯的损耗较小且磁阻较高，可以使铁芯线圈在一次回路电流较大时不会过早地进入饱和状态，因此可以为差动电流采集装置输入稳定可靠的5 V 直流电源。通过多次的试验证明匝数在300 匝为最佳，此匝数可以在一次回路电流为30～10 000 A 范围内为负载提供稳定的5 V 的输出电压，满足实际的供能要求。当CT 取能线圈二次侧感应到的电压过大时，由配备的过压保护继电器切至旁路运行，该旁路由大容量的锂电池组成，作为备用。正常状态时锂电池通过太阳能电池板进行充电，电池组处于浮充状态。当取能线圈输出电压异常时，会自动无扰动切至蓄电池供电，整流器交流侧电压监视继电器动作，经过一定的延时后将继电器动作信号开入电流信号采集装置，差动保护装置会发出对应信号采集装置异常报警信号。如果电流信号采集装置失电或者电流信号采集装置本身故障引起通信异常，差动保护装置则发出通信异常告警，并自动退出小差，保留大差保护功能。正常运行时，取能线圈的输出电压略高于蓄电池。CT4 差动保护采集终端的电源采用常规直流110 V 设备。链式差动保护电源切换如图1 所示。

图1 链式差动保护电源切换

2.3 保护逻辑说明

链式差动保护逻辑如图2 所示。

图2 链式差动保护逻辑

(1) CT1，CT4 输入至大区差动模块，构成大区差动判别元件；CT1，CT2 输入至小区差动模块1，构成小区差动判别元件1；CT2，CT3 输入至小区差动模块2，构成小区差动判别元件2；CT3，CT4 输入至小区差动模块3，构成小区差动判别元件3。

(2) 当大区差动保护元件动作同时小区差动判别元件1 动作时，出口跳两侧开关并发出报警信号，报文为：“链式差动保护动作”“差动保护动作区间12”，同时驱动电流采集终端2 的声光报警。

(3) 当大区差动保护元件动作同时小区差动判别元件2 动作时，出口跳两侧开关并发出报警信号，报文为：“链式差动保护动作”“差动保护动作区间23”，同时驱动电流采集终端2、电流采集终端3的声光报警。

(4) 当大区差动保护元件动作同时小区差动判别元件3 动作时，出口跳两侧开关并发出报警信号，报文为：“链式差动保护动作”“差动保护动作区间34”，同时驱动电流采集终端3、电流采集终端4的声光报警。

(5) 当小区差动判别元件1，2，3 其中之一动作而大区差动判别元件未动作时，发出链式差动保护异常报警信号。同理，当小区差动判别元件1，2，3 均不动作而大区差动判别元件动作时，发出链式差动保护异常报警信号。

(6) 当链式差动保护功能压板退出时，链式差动切换成普通差动保护，当大区差动判别元件动作时即发出跳闸信号。

(7) CT1，CT4 构成的大区差动保护判别元件配置高比率制动系数，如取0.5；其余CT 构成的小区差动保护判别元件配置低比率制动系数，如取0.3。

(8) 该链式差动保护具备CT 断线闭锁功能，可由保护控制字进行投退，当该功能退出时，不判断CT1 至CT4 的二次回路断线，满足差动动作条件即可出口。

3 应用前景

以该厂光伏电站并网出线为例，该并网出线采用电缆敷设方式送至附近变电站，整个电缆长度约5 km，途经省道、工业区、居民区，在该路段经常发生由于施工问题导致电缆绝缘破损引起的故障以及自身电缆绝缘降低引起发的故障。检修维护人员以前一般采取以下两种方式查找故障点。

(1) 采用巡线的方式查找故障点。该方法较为传统，需要检修维护人员从并网出线电缆的一端向另一端逐步查找，如果故障点较为隐蔽的话，查找起来较为困难。

(2) 采用故障点测试仪查找故障点。由于该故障测试仪使用的是外加高电压的方式进行检查，进一步恶化了电缆的绝缘性能，且架设仪器较为费事费力，往往起到事倍功半的效果。

在该厂光伏电站并网出线采用此链式差动保护，能够迅速准确地判断出电缆相间故障点的大致区位，且该保护配备电缆故障区间声光报警功能，可极大地方便维护人员对故障点的排查，提高消缺工作的效率，保障光伏电站的功率输出。由于该链式差动保护采用的是双判据，即“大区”加“小区”的方式，能够有效地避免检修维护人员在日常维护保养过程中误操作造成的继电保护事故以及差动保护模块故障引起的保护误出口。

4 结束语

传统的发电厂中压开关保护虽然能判断出故障相别，但不具备故障测距功能，无法判断出故障点的大致位置所在。以上介绍的一种链式差动保护，当保护范围内发生故障时，此保护装置能够准确获取故障点范围，并通过保护装置输出光信号驱动就地电流采集器上的声光报警，便于维护人员查找故障点，缩短消缺的时间。由于其采用大区差动加小区差动实现的多段式差动保护原理，能够有效避免人为误操作或者装置本身故障引起的保护装置误动作，提高保护装置运行的可靠性。

此链式差动保护解决了输电线路或电缆CT 二次电流采集终端电源供电问题，通过采用特制的CT 取能线圈和高性能锂电池两者结合给采集器终端进行供电。正常运行时采用CT 取能线圈供电，电池组由太阳能电池板进行充电，当CT 取能线圈输出电压异常时，通过切换装置切至电池组进行无扰动供电，保障CT 二次输出电流的稳定性。因此，此链式差动保护可供同类型电厂借鉴。