李金玨，穆科磊，曹艷艷，孟 波

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045;2.濟(jì)南一建集團(tuán)總公司，山東 濟(jì)南250100)

隨著生產(chǎn)生活對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，繼電器成了電力系統(tǒng)必不可少的一個(gè)重要部件，在輸電線路中電流差動(dòng)保護(hù)具有良好的選擇性，能靈敏、快速地切除保護(hù)區(qū)內(nèi)的故障，實(shí)現(xiàn)安全供電.因而電流差動(dòng)保護(hù)得到了廣泛的應(yīng)用.

1 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)原理

電流差動(dòng)保護(hù)原理建立在基爾霍夫電流定律的基礎(chǔ)之上，具有良好的選擇性，能靈敏、快速地切除保護(hù)區(qū)內(nèi)的故障［1］. 被廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)中.輸電線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)是該原理應(yīng)用的一個(gè)特例. 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的原理如圖1所示.

圖1 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)、外短路電路圖

當(dāng)線路AB 正常運(yùn)行及被保護(hù)線路外部(k2)故障時(shí)，按規(guī)定的正方向來(lái)看，兩側(cè)電流大小相等，方向相反，也就是當(dāng)保護(hù)線路內(nèi)部故障(k1)時(shí)，兩側(cè)電流均為正，也就是為k1 點(diǎn)短路電流).可以利用保護(hù)元件兩側(cè)電流在區(qū)內(nèi)和區(qū)外時(shí)，短路電流一個(gè)幾乎為零、一個(gè)很大的特點(diǎn)構(gòu)成電流差動(dòng)保護(hù).

在輸電線路的兩側(cè)安裝變比和特性都相同的電流互感器(TA)，電流互感器的連線如圖1所示. 圖中KD 是差動(dòng)繼電器. 流過(guò)KD 的電流是電流互感器的二次側(cè)電流之差. 由于電流互感器總有勵(lì)磁電流，且勵(lì)磁特性不會(huì)完全相同，所以當(dāng)線路正常運(yùn)行及外部故障時(shí)，流過(guò)差動(dòng)繼電器的電流不為零，這個(gè)電流為不平衡電流.電流互感器二次側(cè)的電流為

差動(dòng)繼電器正確動(dòng)作時(shí)的電流Ir為應(yīng)該躲過(guò)線路正常運(yùn)行和AB 線路以外故障時(shí)的不平衡電流，即

不平衡電流的穩(wěn)態(tài)值采用電流互感器的10%誤差曲線來(lái)計(jì)算，

式中:Kst為電流互感器的同型系數(shù)，當(dāng)型號(hào)、容量都相同時(shí)為0.5，不同時(shí)為1;Knp為非周期分量系數(shù);Ik.max為外部短路時(shí)穿過(guò)2 個(gè)電流互感器的最大短路電流.

在保證外部短路不誤動(dòng)的前提下，為了提高繼電器在內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作的靈敏度，通常采用短路電流Ik產(chǎn)生的不平衡電流來(lái)代替最大短路電流Ik.max產(chǎn)生的不平衡電流.可以通過(guò)式(5)—(7)來(lái)計(jì)算外部故障時(shí)穿過(guò)電流互感器的實(shí)際短路電流Ik產(chǎn)生的不平衡電流Ires，

式中θab為兩端電流間的相角差.

差動(dòng)繼電器中的Ires起制動(dòng)作用，所以為制動(dòng)電流;差動(dòng)電流Ir起動(dòng)作作用，所以為動(dòng)作電流;因此電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作方程為

式中Kres為制動(dòng)系數(shù). 根據(jù)差動(dòng)保護(hù)的原理，對(duì)線路、變壓器、發(fā)電機(jī)等不同被保護(hù)元件選取不同的值［2］.

2 輸電線路縱差保護(hù)特性分析

輸電線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)常有不帶制動(dòng)作用和帶制動(dòng)作用的兩種動(dòng)作特性.

不帶制動(dòng)作用的差動(dòng)繼電器的動(dòng)作方程為

式中Iset為差動(dòng)繼電器的動(dòng)作整定值，通常按照躲過(guò)外部短路時(shí)的最大不平衡電流和最大負(fù)荷電流來(lái)選取.

躲過(guò)外部短路時(shí)的最大不平衡電流為

式中:Krel為可靠系數(shù)，取值范圍為1.2 ～1.3;Knp為非周期分量系數(shù)，當(dāng)差動(dòng)回路采用速飽和變流器時(shí)為1，差動(dòng)回路采用串聯(lián)電阻降低不平衡電流時(shí)為1.5 ～2.0.

躲過(guò)外部短路時(shí)的最大不平衡電流可寫為

式中IL.max為線路正常運(yùn)行時(shí)的最大負(fù)荷電流的二次值.

繼電器的整定值Iset取上面2 種計(jì)算結(jié)果較大的一個(gè)，同時(shí)保護(hù)還應(yīng)該滿足線路在單電源運(yùn)行和內(nèi)部故障時(shí)應(yīng)有足夠的靈敏度，

式中Ik.min為單側(cè)最小電源作用且被保護(hù)線路末端短路時(shí)流過(guò)繼電器的最小短路電流.

當(dāng)縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)滿足不了靈敏度要求時(shí)，可以采用帶制動(dòng)特性的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù). 帶制動(dòng)作用的差動(dòng)繼電器原理如圖2所示.

圖2 帶制動(dòng)作用的差動(dòng)繼電器原理圖

帶制動(dòng)作用的差動(dòng)繼電器的動(dòng)作方程為

帶制動(dòng)作用的差動(dòng)繼電器不僅提高了內(nèi)部故障時(shí)的靈敏度，而且提高了外部故障時(shí)不會(huì)誤動(dòng)作的可靠性，因此得到了廣泛的應(yīng)用.

3 影響縱差保護(hù)正確動(dòng)作的因素

3.1 電流互感器的誤差和不平衡電流

3.1.1 出現(xiàn)不平衡電流的原因

線路正常運(yùn)行及被保護(hù)線路外部故障時(shí)，兩側(cè)電流大小相等、方向相反，其和為零. 但是由于電流互感器勵(lì)磁電流的存在，使得乘以匝數(shù)比后的二次電流不僅數(shù)值與一次電流不等，而且相位也產(chǎn)生了差異，產(chǎn)生了不平衡電流，使其和不再為零，保護(hù)可能誤動(dòng)切斷線路.兩側(cè)電流互感器磁化特性的不一致，不等的勵(lì)磁電流導(dǎo)致不平衡電流產(chǎn)生，在正常運(yùn)行時(shí)，不平衡電流很小，在線路短路時(shí)，短路電流很大，這時(shí)電流互感器鐵芯嚴(yán)重飽和，可能產(chǎn)生很大的不平衡電流.

3.1.2 減小不平衡電流的措施

為了提高差動(dòng)保護(hù)在這種情況下的選擇性，繼電器的啟動(dòng)電流必須躲開這個(gè)最大不平衡電流. 最大不平衡電流越小，繼電器的靈敏度越高，因此輸電線路兩端應(yīng)采用型號(hào)相同、磁化特性一致、鐵芯截面較大的高精度的電流互感器［4］.

3.2 輸電線路的分布電容電流及補(bǔ)救措施

3.2.1 輸電線路的分布電容電流

差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用基爾霍夫定理，正常運(yùn)行和外部短路時(shí)兩端電流之和為零，但是高壓長(zhǎng)距離架空輸電線路和電纜線路，線路的分布電容致使該電流不再為零，流過(guò)保護(hù)的將是線路中的電容電流，這就使保護(hù)的性能大大下降. 因此必須消除電容電流的影響.

3.2.2 分布電容電流的補(bǔ)償

通常采用電壓測(cè)量來(lái)補(bǔ)償電容電流，按照π 型等效電路來(lái)分析，如圖3所示.在正常運(yùn)行和外部短路時(shí)兩端電流之和不再為零，而電流仍然為零.

圖3 輸電線路π型等效電路圖

每端各相的電容電流實(shí)時(shí)計(jì)算式為

式中下標(biāo)1，2，0 分別為正、負(fù)、零序參數(shù).

因?yàn)閄c1=Xc2，所以

A 側(cè)補(bǔ)償后向B 側(cè)傳送的電流為

B 側(cè)補(bǔ)償后向A 側(cè)傳送的電流為

3.3 負(fù)荷電流對(duì)縱差保護(hù)的影響及消除措施

3.3.1 負(fù)荷電流對(duì)縱差保護(hù)的影響

一般情況下縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)都能滿足區(qū)內(nèi)故障的靈敏度要求，但是線路重負(fù)荷區(qū)內(nèi)故障是由大過(guò)渡電阻短路導(dǎo)致，此時(shí)電流的故障分量很小，線路兩端流過(guò)保護(hù)的電流和正常運(yùn)行時(shí)變化不大，因而降低了縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的靈敏度.

線路重負(fù)荷區(qū)內(nèi)故障是由大過(guò)渡電阻短路導(dǎo)致時(shí)，系統(tǒng)接線如圖4所示.

圖4 負(fù)荷電流對(duì)縱差電流保護(hù)的影響圖

圖4中按照規(guī)定的正方向，兩側(cè)流過(guò)保護(hù)的全電流為

動(dòng)作量為

制動(dòng)量為

可見，當(dāng)線路重負(fù)荷區(qū)內(nèi)故障時(shí)，大過(guò)渡電阻短路，由于Ir很小而IL很大，可能導(dǎo)致保護(hù)的拒動(dòng).

為了提高線路重負(fù)荷情況下縱差動(dòng)保護(hù)耐受過(guò)渡電阻的能力，需減小制動(dòng)系數(shù)K 的值，同時(shí)減小縱差動(dòng)保護(hù)對(duì)區(qū)外故障的防衛(wèi)能力.

3.3.2 負(fù)荷電流的消除措施

為了消除負(fù)荷電流對(duì)縱差動(dòng)保護(hù)的影響，增強(qiáng)縱差動(dòng)保護(hù)耐受過(guò)渡電阻的能力，提高縱差動(dòng)保護(hù)的靈敏度，可以把電流的故障分量作為縱差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)，

式(21)是輔助判據(jù)，式(22)是主判據(jù)，兩式同時(shí)滿足時(shí)縱差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，上面兩式的制動(dòng)量和動(dòng)作量都與負(fù)荷電流無(wú)關(guān)，從而提高了縱差動(dòng)保護(hù)的靈敏度. 線路正常運(yùn)行時(shí)和全為零時(shí)，保護(hù)可靠不動(dòng)作;當(dāng)線路發(fā)生區(qū)外故障時(shí)和大小相等，相位相反，保護(hù)可靠不動(dòng)作.

4 結(jié) 語(yǔ)

輸電線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)主要受到電流互感器誤差所引起的不平衡電流、輸電線路分布電容電流、負(fù)荷電流等因素的影響，通過(guò)選擇型號(hào)相同、磁化特性一致、截面較大、精度較高的電流互感器，采取輸電線路的分布電容電流補(bǔ)償、把電流的故障分量作為縱差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)等措施，可以在很大程度上消除其影響，提高繼電保護(hù)的可靠性和靈敏度，保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行.

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