关键词：冶金行业微机继电保护
讲座：胡大良，上海申瑞电力自动化科技有限公司
整理：王 曼，上海申瑞电力自动化科技有限公司
1冶金行业供电系统与电力系统的不同点
冶金行业中的供电系统，有其自身的特殊性，与普通电力供电系统相差很大。根据对冶金行业供电系统的分析，我们总结出来了“六多一特殊”的系统特性。
馈出线多。电力系统中一般情况下一条母线只挂近十条馈线，而冶金行业供电系统中则可能挂的馈线多得多，因此，母线管理相对复杂。开闭所多。同一电压等级下挂开闭所多，各开闭所规模也较电力系统大；谐波多。冶金行业存在很多整流设备，这些设备在运行时，都会造成丰富的谐波。智能设备多。存在微机保护、整流设备、PLC设备等，这些设备之间有接口问题。电动机多，并有部分同步电机。电动机冲击电流大且频繁，起动电流大，负荷波动大。母线分段多。在同一电压等级中，电力系统一般是两到三段母线，而冶金行业中四段、五段、六段都会出现；备自投要求特殊。在冶金行业中带有很多电动机，对可靠性要求很高。再加上冶金行业供电系统结构复杂，对备自投要求很特殊；我们公司在历年与冶金系统的接触下，在继电保护方面有一些自己的心得和经验。本文总结了一些遇到的问题，并介绍了所用的解决方法。
2近几年遇到和解决的问题
2.1中低压超短线路的快速保护
在冶金系统中，经常可以碰到低电压等级的短线路，这种线路长度为500m-2km不等，各线路往往带一个开闭所，从变电站低压侧受总到最终负荷点需要安装3-4级保护（一般设终端、开闭所、变电站出线、主变后备四级），。见图2.1系统图所示。由于线路太短，首、末端短路时故障电流无明显变化，一般只能靠时间上来满足保护的选择性。由此带来严重故障无法快速切除，易引发开关爆炸、母线扭曲，变电站停电、起火等等（即所谓的“火烧连营”），造成事故扩。
对于重要短线路保护，在高压电力系统中，往往配有高频闭锁方向保护、高频距离保护或光缆构成的分相差动保护。高频闭锁方向保护是由收发信机和高频方向保护构成的；高频距离保护是由收发信机与距离保护共同构成的；分相差动是由光端机、光缆、和分相差动保护构成的。这些保护设备的原理是通过对两端电量进行交换、比较、逻辑计算后，最终决定是否动作。这些保护一般作为高压短线路的主保护，动作选择性和灵敏度都很高，一般无需与其它级保护配合，但造价也很高。
图2.1系统接线图
对于冶金供电系统的低压短线路中，我们认为，对时限的要求可以适当放宽，但造价应该低廉。鉴此，我们借鉴了高频闭锁方向保护思路，研发出一种导引线方向纵联保护装置。参见图2.2的示意图。
图2.2导引线方向纵联保护示意图
线路两端各装设短线路方向纵联保护J1、J2，主保护为各侧的方向保护。当方向保护起动后检到本侧的反向故障时，就向本侧发闭锁信号，并通过继电器重动后，经导引线同时传送到对侧，两侧收到保护闭锁信号后，立即闭锁保护出口逻辑；当两侧保护均未收到闭锁信号时，经短延时后确认为区内故障，保护动作切除本线路。这种保护配置方式，完全不同于传统需传输综合电流量的导引线纵差保护，传统导引线纵差保护由于需向对侧传输模拟量，而模拟量的传输涉及到阻抗匹配、衰减系数和抗干扰等要求，对导引线电缆规格和施工要求均很高。而我们采用的新型导引线方向纵联保护，由于仅向对侧传输高压（AC220V或DC220V）数字闭锁信号，因而对导引线选择和施工无特殊要求，只需在两侧间铺设一条普通的四芯屏蔽电缆，并保证接触良好即可。该系统在单电源或双电源下区内故障时，可保证0.1－0.15秒内切除故障。而区外故障时，由于反方向元件能及时闭锁两侧保护，使保护不会无选择性动作。因这种保护配置方式能及时切除短线路故障，在时间上减少一级保护的配合，使母线故障快速切除成为可能。
此外，该保护装置除了带有作为主保护的方向纵联保护外，还自带了可作为后备保护的复压闭锁过流元件。在运行中，也可以有选择地投入过流元件。也就是说，安装了这种保护方式的线路，除了传统的多时限多阶梯配合方式外，增加了快速纵联保护作为线路的主保护。
2.2中低压母线的快速保护
大型冶金供电系统出线多，电机起动频繁，另外由于环境和技术力量等原因，系统故障也较电力系统同等规模的变电站多。传统使用的母线保护就是变压器的后备保护，为保证选择性，经几级时限配合后，前文已提到后备保护的动作时间大约是1.5秒以后。这种情况下如果确属母线故障的话，切除时间太长，易引发其它事故，对系统威胁很大。
图2.3不完全母差保护原理示意图
针对以上情况，我们专门研发了适用于冶金系统的不完全母线差动（也称简易母差保护）。其保护原理参照图2.3，把多组电源线CT之间或电源线CT与分段CT之间构成一个差动电流元件，同时各出线保护过流元件起动动作后闭锁差动元件，使母线故障能有选择地快速切除。
如果是区内故障，差动保护可以及时快速动作。如果是区外故障，则被馈出线过流元件闭锁。因采用了闭锁元件，为确保证区外故障不误动，保护动作速度不应太快。我们设计的这种原理的母差保护，其最佳动作速度应该是0.1－0.15秒。因而母线故障基本上可以保证快速切除故障。
另外，除了差动保护做为母线的主保护以外，还可使用复压闭锁过流元件作为后备保护，与传统后备保护功能一致。当然后备保护的时限仍需与馈出线保护配合，一般落后出线保护一个等级，即比出线保护延迟0.5S左右。
2.3系统特点对各保护的影响及解决方法
2.3.1冲击电流和非周期分量
冶金行业供电系统中，冲击电流大而频繁，并含有显著的非周期分量和谐波分量，这些量对灵敏度较高的微机保护是一个考验。一般来说，对于过电流等保护元件，可以通过定值来躲过冲击电流及非周期分量，但对于差动保护来说，这个问题解决起来比较困难。
由于差动电流是速动性的，只要有差动电流，差动保护一般在0.1S内就会动作。理想情况下，外部故障或正常运行时流入差动元件的电流应该为接近于零，但由于两侧CT的变比误差、角度误差、变压器内部的激磁电流和励磁涌流、变压器分接头调节等等原因，造成正常运行时就存在不平衡电流。当然，躲避这些不平衡电流相对还是比较容易的，可以通过整定动作特性曲线和采用二次谐波制动等原理来防止差动元件可能的误动。
然而如果是由于被保护设备两侧CT暂态特性不一致，或是二次负载阻抗严重不一致而导致区外故障或负荷冲击时产生的暂态不平衡电流，许多微机保护厂家往往对此估计不足。而这种暂态不平衡电流在冶金的供电系统内尤为突出，究其原因，主要是由于大型电动机等设备两侧差动CT在空间上相距较远，有时距离长达几百米，而差动保护往往安装在一侧CT附近，此时另一侧CT二次线需经过较长距离连接到保护装置上，这样两侧CT的二次负载不平衡是显而易见的，它们的非周期分量衰减时间常数也是迥然不同的，由此造成了冲击负荷或外部故障时存在着较严重的暂态不平衡分量。
这种暂态不平衡分量很容易造成差动保护误动。最近马钢出现的一台同步电机在起动时引发某厂家生产的相邻一台同步机差动保护的误动，就是一个侧证。从该保护装置的故障录波图可以看出，由于相邻的同步电机起动时，在电网中注入了较大的非周期分量，因而在误跳的电动机一次侧也引入了非周期分量，该非周期分量通过CT传变到二次侧后，由于二次侧负载阻抗严重不一致，引发的CT二次的暂态不平衡电流，从而造成差动保护的误动。
鉴此我公司特意在差动保护中引入了非周期分量制动方案，该方案有效地解决了因非周期分量暂态不平衡电流而造成的差动误动。当然，对已在现场运行的其他厂家的保护，只要保证两侧CT二次引线距离基本相同，就可以避免纯粹由于二次侧CT导线阻抗不一致造成的保护误动。
2.3.2谐波分量大
冶金供电系统中含有丰富的谐波分量，如果保护装置在抗干扰方面存在缺陷时，很容易造成保护元件的误动，或是造成保护的精度不够。我们公司采用全波傅利叶滤波方式，能比较好地解决这个问题。
在电力系统中，有些保护装置厂家采用的差分算法来滤除高次谐波分量，即当前采样值与1/3周期前的采样值相减，以滤去三次谐波；当前采样值与1/2周期前的采样值相减，可滤去二次谐波，以此类推，这种方法可以滤去二次、三次、五次、七次等高频谐波分量。这种滤波方式在电力系统微机保护中是比较常用的。差分滤波从数学原理上讲实
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