几种型号的分相电流差动保护的异同

几种常见型号的分相电流差动保护的比较本文将对目前工区范围内常见的几种分相电流差动的保护原理，装置结构、日常运行操作等方面做一个简要的介绍和比较，从而找出其共性和不同之处，为日常运行工作提供参考。1.分相电流差动的基本原理1)基本原理保护通过通讯通道把一端的带有时标的电流信息数据传送到另一端，各侧保护利用本地和对侧电流数据按相将同一时刻的电流值进行差动电流计算，比较两端的电流的大小与相位，以此判断出是正常运行、区内故障还是区外故障。MINI以母线指向线路为正方向，根据基尔霍夫电流定律，在不考虑电容电流和CT采样误差的情况下：正常运行或区外故障时一侧电流由母线流向线路，为正值，另一侧电流由线路流向母线，为负值，两电流大小相同，方向相反，所以0MNII，差流元件不动作。区内故障时两侧实际短路电流都是由母线流向线路，和参考方向一致，都是正值，差动电流会很大，满足差动方程，差流元件动作。2)与相差高频在原理上的区别相差高频保护是比较被保护线路两侧电流相位的高频保护。当两侧故障电流相位相同时保护被闭锁，两侧电流相位相反时保护动作跳闸。两者区别在于相差高频不比较电流值只比较相位，分相电流差动同时比较两侧的电流幅值和相位。3)保护的通道分相电流差动保护需要将线路两端的电流信息进行比较，应此要有专门的通道来传输这些电流信息，目前保护通道主要有载波通道与光纤通道。由于光纤通道具有可靠性好，传输信息量大的优点，因此分相电流差动保护均使用光纤通道。光纤通道分为两种：一种为复用通道，另一种为专用通道。专用光纤通道：专用纤芯方式相对比较简单，运行的可靠性也比较高，220kV及以下线路光纤保护多采用专用纤芯方式复用光纤通道：两地之间通过通信网通信。由于通信网是复用的，所以需要用通信设备进行信号的复接。多用于500kV长距离输电线路。2.分相电流差动保护的优势与高频距离、相差高频等纵联保护相比分相电流差动主要有以下优点：A.分相电流的差动保护中只要引入电流量就能实现故障判别，而无需引入电压量。因而在原理上得到了很大的简化。B.分相电流差动保护中只对电流值进行测量计算，不对故障距离阻抗进行计算，因此提高了耐过渡电阻的能力。C.分相电流差动保护中只要对两端电流差值和相位进行测量计算就能明确选出故障相，故障选相变得非常容易，而这在其它保护方法中是难点。D.分相电流差动保护不受系统振荡影响。在系统振荡时两端电流方向与正常时相同，相位的摆动完全一致，即使在系统振荡时发生故障，保护装置也能根据两端电流相位变化正确动作。3.220kV、500kV线路保护配置原则根据《华东电网继电保护应用技术原则》规定，对于具有光纤通道的输电线路，优先配置光纤纵联差动保护。同杆并架线路应尽量采用分相电流差动保护作为线路主保护。目前工区内220kV、500kV的线路保护陆续升级改造为双重化配置的分相电流差动保护。常见型号有南自的PSL-603，南瑞的PCS-931、四方的CSC-103和ABB的REL-561等。典型的双重化配置方式为：PCS-931+PSL-603、PCS-931+CSC-103、PCS-931+REL-561。4.常见型号的保护软件原理介绍以上保护虽然都是基于基尔霍夫电流定律，但是在具体的实现手段、装置结构上还是有很大区别的。首先将各保护的基本信息列表如下：1)各保护的基本配置保护型号保护配置PCS-931G分相电流差动（包含了变化量差动，稳态差动Ⅰ段、Ⅱ段），零序电流差动，工频变化量距离快速Ⅰ段，三段式相间、接地距离，零序方向过流PSL-603U分相电流差动，零序电流差动，快速距离，三段相间、接地距离保护，零序方向过流保护，零序反时限CSC-103A纵联电流差动，三段式相间和接地距离，四段式零序及零序反时限REL-561分相电流差动，三段式距离，零序方向过流2)各保护的基本参数保护型号保护动作时间整定范围PCS-931G工频变化量：近端3～10ms末端20ms差动保护全线路跳闸时间：25ms距离Ⅰ段：20ms距离Ⅱ段、Ⅲ段：0～10s后备段零序跳闸延迟时间：0～10s电流变化量启动元件0.1～0.5In零序过流启动元件0.1～0.5In距离保护0.01～25/0.05～125PSL-603U快速距离：近端3～10ms纵联保护全线速动不大于25ms距离Ⅰ段：20ms距离方向元件：最小动作时间10ms零序方向元件：最小动作时间10ms电流突变量启动元件：0.05A～2.5A零序电流辅助气动元件：0.05A～2.5A最小阻抗值为0.01CSC-103A差动元件：2倍整定时20ms距离元件Ⅰ段：近处故障15ms零序电流Ⅰ段：差动元件0.1～2In距离元件0.01～40/0.05～200零序过流元件0.1～20In3)各保护的实现原理A.装置启动方式的差别国外分相电流差动和国内分相电流差动保护在保护启动方式上存在根本不同。国外保护只要满足线路两侧差流高于门槛启动电流和制动电流即可选项动作，而国内保护均设置了装置总启动元件，在装置总启动元件动作后才开放出口正电源或负电源（PSL-603U开放出口负电源）。启动元件动作之后才开放出口继电器正电源，主要起到了在系统正常运行时闭锁保护，而在系统发生异常时，使微机保护进入故障处理程序的作用，从而提高了装置工作的可靠性。REL-561保护同样考虑到了保护动作安全性的问题，为了保证安全性，跳闸回路采用4取2或4取3逻辑，即连续进行4次测量，如果其中有2或3次满足跳闸条件方可跳闸。以江都变为例，REL-561的定值中Evaluate整定项，整定为3of4，即为4取3逻辑。国内保护的动作方式如图1：&保护启动差动元件动作对侧允许信号跳闸图1国外保护的动作方式如图2：差动元件动作跳闸图2下表列出了国内几种型号保护的起动元件保护型号启动元件PCS-931G反应相间工频变化量的过流继电器、零序过流继电器、远跳启动、位置不对应启动PSL-603U电流突变量启动、零序电流启动、静稳破坏启动、弱馈启动、TWJ辅助启动元件CSC-103A电流突变量启动、零序电流启动、静稳破坏启动、弱馈低电压启动元件各型号保护的启动元件各有特点，如PCS-931G的反应相间工频变化量的启动元件采用浮动门坎，正常运行及系统振荡时变化量的不平衡输出均自动构成自适应式的门坎，浮动门坎始终略高于不平衡输出，在正常运行时由于不平衡分量很小，而装置有很高的灵敏度。当系统振荡时，自动降低灵敏度，不需要设置专门的振荡闭锁回路。因此，装置有很高的安全性，起动元件有很高的灵敏度而又不会频繁起动，测量元件则不会误测量。三种保护为了防止弱电源侧在故障时可能不启动的情况设置了弱馈启动和远跳启动元件，当弱电源侧收到对侧保护允许信号则判别电压量，若小于设定值时，本侧保护启动。B.差动保护判据的比较下表列出了几种型号保护的差动保护判据保护型号差动保护判据PCS-931G电流差动保护、变化量差动保护、零序差动保护PSL-603U电流差动保护、变化量差动保护、零序差动保护CSC-103A电流差动保护、变化量差动保护、零序差动保护REL-561电流差动保护下面对这几种判据进行一下详细介绍：i.以全电流构成的电流差动保护判据常用的有2种，2MNdMNcIIIIII公式1MNdMNcIIIIII公式2式中MI、NI为线路两端电流矢量，正方向为母线指向线路。公式1为REL-561差动保护的判据，公式2是国产差动保护的判据。两者的差别就在于保护的制动量cI的构成方式。对于公式1而言，其制动量是线路两侧电流向量模值的和；而国内判据的制动量则是由线路两侧电流向量差的模值所构成。公式2的优点在于内部故障时它有着足够的灵敏度，而外部故障时，又有着较强的制动性。但是，国产保护判据耐受电容电流的能力不如REL-561保护的强。而REL-561保护的判据的缺点在于内部故障和外部故障时具有相同的制动量，因此适应性不如国内的判据。dIcIminopI1K2Kcross图3图3为电流差动保护动作特性，1K、2K为比率制动系数，minopI为最小动作电流线路正常运行和区外故障时dI均为0，保护不动作。当发生区内故障，dI大于最小动作电流minopI和制动电流cKI时，保护动作。目前各种保护的差动保护均使用双斜率动特性，其目的就在于保证小电流时有较高的灵敏度，和在区外故障时因CT饱和产生传变误差时采用较高斜率的制动特性得到较高的可靠性。各厂家的不同处除了制动量表达式的不同，还有比率制动系数和cross（交叉点）的不同。两者的共同缺陷，就是都无法摆脱负荷电流的影响。因此在全电流差动的基础之上，PCS-931G、PSL-603U以及CSC-103A均增加了变化量差动保护作为补充。ii.变化量差动保护tiΔIIKIN图4minMNdMNcdopdcIIIIIIIIIKI公式3公式3中K为比率制动系数，dI为故障分量电流差动量，cI为故障分量电流制动量变化量差动保护最大的特点就是不受负荷电流的影响；理论上讲，只要故障点过渡电阻不是无穷大，线路内部故障时两侧故障分量的相位关系就不会发生改变；被保护线路发生外部故障时，线路两侧的故障分量电流为穿越电流，保护不会误动。由于故障分量无法直接获得，实际应用时采用故障后的电流减去故障前的电流所得的变化量来代替故障分量。故障分量只能在故障后1-2个周波内准确提取，超出这个时间变化量差动保护就无法正确动作。所以，故障分量判据和全电流判据之间不是相互替代的关系，故障分量判据是对全电流判据的补充。国内保护所采用的方法相同，仅仅在系数的选择上有所区别。iii.零序差动保护0000minMNdMNcdopdcIIIIIIIIIKI公式4对于高过渡电阻接地故障，国内厂家均采用公式4的判据，为了躲过不同期合闸的不平衡电流，保护会有一个延时，如PSL-603U、CSC-103A均延时100ms，PCS-931G延时40ms。因此零序差动保护只能作为全电流差动的后备。下表是几种保护判据的优缺点比较保护判据优点缺点电流差动保护无延时受负荷电流影响大变化量差动保护不受负荷电流的影响采样时间较短，只有1-2个周波零序差动保护能反映高阻抗接地故障有100ms的延时C.保护对CT饱和的处理i.PSL-603U在CT饱和时，为了不降低区内故障时的保护灵敏度，又能躲过区外故障CT饱时的不利影响，保护装置利用输电线路故障时刻电流流向以及CT饱和时波形畸变的特点，能够可靠检测出区外故障CT饱和，从而使电流差动继电器可以根据上述判断结果进行相对应的处理。ii.PCS-931G当发生区外故障时，CT可能会暂态饱和，装置中由于采用异步法思想的抗CT饱和判据和自适应浮动制动门槛，从而保证了在较严重的暂态饱和情况下不会误动。iii.CSC-103A采用模糊识别法对CT饱和进行检测，当判别处CT饱和后，自动抬高差动保护制动系数iv.REL-561保护对CT饱和采取的对应办法是装设一个专用的CT饱和检测器，用本侧的电流进行判别。通过三个连续的电流采样值检测出，一旦检测到CT饱和，保护自动抬高制动斜率，将保护动作特性切换到3K（如图5所示），从而提高了动作门槛，避免保护误动。这样做的后果是牺牲了保护动作的灵敏度。dIcIminopI1K2Kcross3K图5D.电容电流补偿方式超高压长线路由于采用了分裂导线，线路感抗的减少使得分布电容增大。电容电流的存在使线路两端的测量电流不再满足基尔霍夫电流定律，从而直接影响了保护的灵敏度和可靠性。为了提高经过度电阻故障时保护的灵敏度，均要进行电容电流补偿。补偿方式一般分为全补偿和半补偿。全补偿就是将由等效电路计算所得的电容电流完全补偿在一侧的电流中。半补偿则是对线路两端的电流值进行补偿。CSC-103A、PSL-603U均使用了稳态半补偿法（包括RCS-931A、D）。稳态补偿的缺点很明显，即无法补偿暂态电容电流，暂态电容电流必须通过差动定值躲过，因此使得保