用微机保护技术解决高压电气系统差动保护缺陷

　纵差保护，即输电线路的纵差保护，是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率的方向等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。纵差保护是继电保护系统一种非常重要的保护，大型变压器、发电机、电动机、重要的电缆线路都将差动保护作为主保护。
1 差动保护原理
差动保护的基本原理是比较被保护元件始端和末端的电流大小和相位，被保护元件始端和末端的电流互感器二次回路采用环流法接线。当设备出现故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流不相等，差动电流大于零。当差动电流大于差动保护装置的整定值时，保护动作，将被保护设备的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源。
（1）正常运行状态时流过继电器的电流为：Ij=IⅠ2－IⅡ2（Ij为差动继电器电流；IⅠ2代表一次测二次电流；IⅡ2代表二次测二次电流）。
（2）被保护元件外部发生故障时（即穿越性短路时）的电流为：
Ij = IⅠ2－IⅡ2＝0
（3）被保护元件内部发生故障时（即穿越性短路时），如果被保护元件双侧都有电源，则IⅡ将反相，于是：Ij= IⅠ2+ IⅡ2（IⅡ代表二次测一次电流）；
如果被保护元件仅有单侧电源，则IⅡ2＝0,于是：Ij= IⅡ2差动保护接线原理见图1。

图1 差动保护接线原理
2 目前供电系统差动保护的使用现状
目前供电系统中在下列设备的继电保护中设置有差动保护，2台主变、2台发电机、空压机、3＃氮压机、总变和空分站的2条馈出线、总变和热电的2条联络线均为非常重要的设备和线路。
3 存在的缺陷
热电1＃联络线差动继电器安装在总变电站控制室的保护屏上，第一组互感器安装在总变侧的高压开关柜619上，第二组互感器安装在热电站的开关柜F601上，这两组互感器组成差接线，差电流接入信号继电器，高压开关柜619上的互感器距离差动继电器的距离为80m，而F601上的互感器距离差动继电器的距离为780m。距离的巨大偏差导致差动保护的两臂阻抗大的偏差，造成电流的不平衡。
3.1 热电站1＃联络线差动保护二次回路阻抗值检测
（1）在总变619开关柜内的端子排处，分别从A421与N421之间和C421与N421之间加入交流电流，分别调整到1,2,3,4,5A。同时测量每一电流值下的电压值，作记录。表1为总变619开关柜内的端子排处测量电压值。

表1 总变619开关柜内的端子排处测量电压值
（2）在热电站F601开关柜内的端子排处，分别从A423与N421之间和C423与N421之间加入交流电流，分别调整到1,2,3,4,5A。同时测量每一电流值下的电压值，作记录。表2为热电站F601开关柜内的端子排处测量电压值。

表2 热电站F601开关柜内的端子排处测量电压值
由测量的结果可知：619上的互感器A、C相至差动继电器的线路阻抗约为1.5Ω，而F601上的互感器A、C相至差动继电器的线路阻抗约为6.7Ω，导致即使在一次电流相同的情况下，也会产生差电流，流入差动继电器；当不平横电流大到差动继电器的整定值时，就会使保护动作，使得619和643开关跳闸，使热电Ⅰ段高压系统断电，影响了生产。近几年，在雷雨季节，由于晃电导致电网电压降低，热电1＃联络线的电流显著增大，二次侧的不平衡电流也增大，大到差动继电器的整定值，使得热电1＃联络线的保护误动作（因为线路差动保护，只有当被保护的电缆发生了接地或短路的情况，才会动作，否则不应该动作），热电1＃联络线的差动保护已经误动作了3次，给生产造成了巨大的影响。
3.2 3＃氮压机差动保护二次回路阻抗值检测
3＃氮压机差动继电器安装在空分站控制室的保护屏上，第一组互感器安装在空分站高压开关室内的高压开关柜624上，第二组互感器安装在现场电机上。这两组互感器二次回路组成差接线，差电流接入差动继电器，高压开关柜624上的互感器距离差动继电器的距离为30m，而现场电机上的互感器距离差动继电器的距离为160m。距离的巨大偏差导致差动保护的两臂阻抗产生大的偏差。
（1）在高压开关柜624内的端子排处，分别从A421与N421之间和C421与N421之间加入交流电流，分别调整到1,2,3,4,5A。同时测量每一电流值下的电压值，作记录。表3为高压开关柜624内的端子排处测量电压值。

表3 高压开关柜624内的端子排处测量电压值
（2）在现场短接柜内的端子排处，分别从A423与N421之间和C423与N421之间加入交流电流，分别调整到1,2,3,4,5A。同时测量每一电流值下的电压值，作记录。表4为现场短接柜内的端子排处测量电压值。

表4 现场短接柜内的端子排处测量电压值
由测量结果可知：从高压开关柜624至差动继电器的A、C相线路的阻抗约为0.6Ω，而从现场电动机至差动继电器的A、C相线路的阻抗约为2.6Ω，导致即使在一次电流相同的情况下，也会有差电流产生，流入差动继电器；当不平横电流大于差动继电器的整定值时，就会使保护动作，使得624开关跳闸，3＃氮压机停车，影响了生产。在3＃氮压机安装完毕试车时，由于电机在起动时的起动电流为额定值的6～8倍，使得二次侧的不平衡电流也增大，超过了差动继电器的整定值，使得3＃氮压机的差动保护误动作（因为电机差动保护，只有当被保护的电动机的定子绕组发生了相间或匝间短路的情况下，才会动作，否则不应该动作），3＃氮压机的差动保护在试车时误动作了2次，影响了开车的进度。
4 传统的改进方法
1）降低二次线路的电阻，在线路长度不变的情况下，加大线路的截面积。根据导体电阻公式可知，在线路长度不变、电阻率不变的情况下，要想让线路电阻降到原来的1/10，则必须将导线的截面积加大到原来线路截面积的10倍。现在二次电缆线的截面积为4mm2,放大10倍后达到40mm2，规范线芯截面35 mm2或50 mm2。
2）提高电流互感器的二次负载容量。①更换电流互感器的型号，现用的互感器二次侧容量只有10VA和15VA，其它型号的电流互感器二次容量有30VA和40VA，分别是3倍和2.6倍。②将互感器二次侧的两组线圈串联使用，加大变比，减小二次电流。
如果将上述①和②两项同时采用，其二次负载容量可以达到70VA，换算成电阻值为2.8 Ω，相同长度的电缆截面为11 mm2。
3）改用线路专用纵差保护继电器，该继电器对二次回路线路电阻的要求为不大于1500Ω，细节在产品样本上有说明。
4）改变差动继电器平衡绕组的匝数，使得不平衡电流得到补偿。
热电1＃联络线就是通过方法1）和方法4）使差动保护的缺陷得到了部分消除。3＃氮压机就是通过方法1）使差动保护的缺陷得到了部分消除。但是带来的负面影响是一定程度上降低了保护的灵敏性。
5 采用微机保护技术
用传统的方法可以使得差动保护先天性的缺陷得到一定程度的消除，但是，由于差动继电器本身为电磁式继电保护，保护整定值精度低，调试整定困难，保护发生误动或者拒动的机率大，目前在电气行业逐步被淘汰。取而代之的是先进的微机保护技术，采用单片机技术加上外围电路组成硬件，再通过软件来控制。保护整定值精度高，调试整定简单，保护运行可靠，可实现保护功能、测量功能、控制功能、通信功能、事件记录。
对于热电1＃联络线差动保护，采用微机保护光纤差动技术来改造。在总变和热电站的高压开关上各装设1台线路用微机保护器，两地的电流信号接入各自的微机保护器，两台微机保护器之间用光纤连接来传输电流信号，内部的软件用专用的算法来实现两地的电流求差并与保护的整定值比较，达到整定值时，保护动作。
对于3＃氮压机差动保护，采用先进的自平衡差动保护原理。传统的电动机差动保护采用互感器二次电流求差，必然会存在差动保护的两臂线路阻抗的偏差，从而产生不平衡电流。新的自平衡差动保护原理：将电机定子三相绕组尾端的引出线延长，在适当的位置和电机的三相电源线平行，采用贯穿式电流互感器，同相的进同一个互感器，由于同一电流互感器的2根线的电流相等，方向相反，正常时和电流为零，互感器的二次电流也为零，这样就实现了一次电流求差，一次电流的差值感应出二次电流的差值。在电机正常运行的情况下，没有不平衡电流，微机保护器安装在高压开关柜624上，互感器的二次线接入微机保护器，在微机保护器内部二次的差电流与保护的整定值比较，达到整定值时，保护动作。
自平衡差动保护与传统的差动保护相比，减少了一组电流互感器，减少投资的同时从根本上杜绝了不平衡电流。
6 结束语
综上所述，避免最大不平衡电流是保证差动保护动作具有选择性的必要条件。不平衡电流越小，保护装置的灵敏度就越高。采用微机保护后，可解决目前供电系统差动保护的缺陷，使关键的高压设备和线路更加安全可靠的运行。而且提升了继电保护的技术等级，对稳定可靠供电具有很大的意义。