封园 周新刚 郝铭 金秋 刘爱明

中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院

随着海上油气平台电力系统扩容，平台用电负荷逐年加大，网架结构日趋复杂。母线作为电能集输的关键元件，一旦发生线路故障，挂接在该母线下的所有支路将全部失电，若线路故障发生在海上电站中心平台，则周边依托该中心平台供电的井口平台将大面积停电，严重时甚至造成电力系统崩溃，直接影响到平台的正常生产运营，因此设置母线保护至关重要[1-6]。作为主要电气元件的主保护，差动保护具有动作迅速、可靠性高的特点，因此被广泛应用。

1 母线差动保护的基本原则

母线差动保护一般要满足三个基本要求，即可靠性、选择性、速动性。

（1）可靠性。当母线发生区内故障时，母线保护要及时动作，避免拒动；当母线正常运行或发生区外故障时，母线保护要不误动。

（2）选择性。母线差动保护要能准确辨别是区内故障还是区外故障，做到对故障点的精准识别。

（3）速动性。当母线发生故障时，差动保护要能迅速切除故障元器件，最大程度保障非故障区域的正常运行，减少停电面积。

海上平台电力系统母线保护通常采用集中式母线保护，根据保护装置的不同输入阻抗值，可将其分为高阻抗、中阻抗及低阻抗母线差动保护。高阻抗母线差动保护要求一次侧各CT（电流互感器）的变比必须保持一致，且励磁曲线要高度重合。其虽能有效避开区外故障引起的不平衡电流，但因设备工艺要求较高，故未得到广泛的应用。因此，着重讨论关于中、低阻抗的母线差动保护。

2 母线差动保护的原理

母线差动保护装置是基于基尔霍夫电流定律的基本原理研发制造的[7-8]。综合考虑选择性及速动性要求，按差动原理设置母线保护[9-10]，图1所示为单母线差动保护原理。

图1 中母线有n条支路，d为故障点，I1，I2，I3，…，In为一次电流，i1，i2，i3，…，in为二次电流。

图1 单母线差动保护原理Fig.1 Principle of single-bus differential protection

（1）由基尔霍夫电流定律可知，当电站平台母线正常运行或者平台母线发生区外故障时，流入母线连接元件的电流等于流出该元件的电流。

（2）当电站平台母线发生短路故障时，原本由电源供电的元件迅速通过故障点释放短路电流，流过元件自身的电流为零，此时关联设备失电。

（3）从电流相位角度分析，当电站平台母线正常运行或者平台母线发生区外故障时，至少有一个元件的相位与其他剩余元件的相位相反；当电站平台母线发生短路故障时，元件中电流均为同相位（流入元件电流为零的元件除外）。

3 低阻抗母线差动保护

低阻抗母线差动保护，其电流继电器阻抗较小，通常仅有数欧姆。因此，挂接在平台母线上的各支路CT 二次负荷低、电压低、CT 饱和度也低。当发生母线区内短路时，由于电流继电器阻抗较小，全部故障电流在差流回路中产生的压降较小，对CT 饱和误差影响较小。当发生母线区外短路故障时，所有故障电流通过故障支路释放，而此时差流回路的阻抗小，故会产生较大的不平衡电流，使得CT 趋于饱和，进而有可能发生误动。因此，有必要通过定值判别、CT 饱和判别、复杂的制动措施等手段，避免母线差动保护误动。

3.1 低阻抗母线差动保护装置系统

低阻抗母线差动保护装置系统框图如图2所示。

图2 低阻抗母线差动保护装置系统Fig.2 Low impedance bus differential protection device system

图2中：①为前置数字滤波器，用来滤掉衰减直流分量以及其他奇变信号；②为电流互感器输入电流比例匹配器，它能使输入电流转换成互感器的一次测电流，以满足电流互感器变比不一致的要求；③为确定输入电流的相位；④为差动电流计算器；⑤为制动电流计算器；⑥为差动电流回路；⑦和⑧分别为低制动和高制动动作特性生成器；⑨为CT 电流互感饱和监视器，它能依据电流互感器饱和后的饱和电压及由此在差动回路中产生的电流来判断电流互感器是否饱和，输出一个电流互感器饱和标志；⑩为输入电流方向判断器，用以判断发生区内故障还是区外故障；⑩为输出逻辑单元，它综合了差动、方向及饱和标志综合判断是否快速、可靠的发出跳闸脉冲。

3.2 低阻抗母线差动保护区内、外故障判别

理想情况下，当电站平台发生区内故障时，流入差动回路的电流为同相位，当发生区外故障时，流入差动回路的电流为反相位（故障回路的电流与其他流入差回路的方向相反）。以故障回路电流Ip为基准的电流相位比较动作与制动特性如图3所示。

图3 区内、外部故障时电流方向判别原理Fig.3 Principle of current direction discrimination when fault occurs inside and outside the area

由图3 可知，当电站平台母线发生区外故障时，流入差动回路的电流相位接近180°，当发生区内故障时，流入差回路的电流相位接近于0°。

3.3 低阻抗母线差动保护的整定计算

制动特性曲线将平面分成动作区和制动区，启动电流门槛=制动电流×tngθ，tngθ为25%～60%。

整定计算：启动电流按躲开正常运行时最大不平衡电流进行整定，正常运行不平衡电流的值不大于最大负荷电流的10%。

图4为启动电流与制动电流的关系。

图4 低阻抗母差保护制动特性曲线Fig.4 Protective braking characteristics curve of low impedance bus difference

低拐点（第一拐点）为电流互感器起始饱和点，一般为电流互感器额定电流的8～9 倍，斜率一般为tngθ1=25%。高拐点（第二拐点）为电流互感器饱和点，一般为电流互感器额定电流20 倍，其斜率一般为tngθ2=60%。两个斜率的延长线大致通过坐标原点。

通常情况下启动电流按照最大负荷电流的20%进行核算。表1所示为电流互感器的基础资料；表2 所示为电流互感器现行的运行限定；表3 所示为低阻抗母线差动保护的整定。

表1 电流互感器基础资料Tab.1 Basic data of current transformer

表2 电流互感器现行运行限定Tab.2 Current operating limit of current transformer

表3 低阻抗母线差动保护整定Tab.3 Low impedance bus differential protection setting

4 中阻抗母线差动保护

一般在差动回路中串接300～600 Ω 的中阻抗进行的保护称为中阻抗母线差动保护。与低阻抗母线差动保护相比，中阻抗母线差动保护结合比例制动特性，具有故障时动作速度快、灵敏度高、抗饱和能力强、受区外故障CT 饱和的影响小等特性，因此被广泛应用于电站平台母线保护中。

4.1 中阻抗母线差动保护原理

中阻抗母线差动保护原理接线（图5）。

图5 中阻抗母线差动保护原理接线图Fig.5 Medium impedance bus differential protection principle wiring diagram

图5中：K1及K2为故障点；TAa 及TAb 为电流互感器一次侧A 相及B 相；Tma 及Tmb 为电流互感器二次侧A 相及B 相；各进出线同一相的全波整流器D1、D2为差动电路，D3、D4、D5、D6为制动电路；TMD为中间变流器；DL为启动电路；CLJ为启动继电器；CDJ为差动继电器；R 为分流电阻；RS/2 为制动电阻；Rcd为差动回路电阻；IT为循环臂中的制动电流；Icd为差动回路中的电流；Idz为流经差动继电器中的电流。

4.2 中阻抗母线差动保护区内外故障

中阻抗母线差动保护的灵敏度高，通常采用比率制动原理，以差动电流为动作量，以母线上电流绝对值之和为制动量，综合判断后动作。当电站平台母线发生区内故障时，中阻抗母线差动保护能在故障发生5 ms 以内（CT 尚未出现饱和之前）可靠动作；当发生区外故障时，只要由差动保护端子看向CT 侧的二次回路总电阻小于此电阻，母线差动保护能在发生区外故障时可靠动作。如故障CT 出现饱和，其励磁电抗下降，由于差动回路电阻的作用，随着CT 饱和加深而增加的不平衡电流也随着饱和CT 的励磁电抗的下降而更多地流向出现饱和的CT，并更多地成为制动电流。因此，中阻抗母线差动保护有着很好的抗CT饱和能力。

4.3 中阻抗母线差动保护的整定计算

由于电流互感器是恒流源，启动继电器中的电流与制动回路无关，所以中阻抗母线差动保护的整定计算按照躲开外部短路最大不平衡电流及电流互感器饱和时流入差动回路中的电流进行核算。

（1）按照躲开区外故障最大不平衡电流进行整定，启动继电器的一次动作电流为

灵敏度校验：

式中：Idz为启动继电器一次动作电流；Kk为可靠系数；Kunb为差动回路不平衡电流系数；m为中间变流器TMD的变比；IT.outside.max为区外故障最大不平衡电流；Ksen为灵敏度系数；IT.inside.min为区内故障最小不平衡电流。

（2）差动继电器启动电流的计算，按照躲开区外短路电流流入差回路的电流进行整定。

灵敏度校验：

式中：ICDJ.dz为差动继电器起动电流；tana1为制动系数；tana2为动作系数；IT.min为区外故障最小不平衡电流。

差动保护的一次动作电流应考虑CT 的中间变流器TMD的变比，由于制动回路的作用，当电站平台母线发生区外故障时，流入差动继电器的电流比差动回路中的电流小；当电站平台母线发生区内故障时，流入差动继电器的电流比差动回路中的电流大，因此，可以通过调节制动电阻改变保护装置的灵敏度。

5 结束语

随着海上油气平台电网规模的逐渐扩容，远距离、大容量、超高压交流以及直流设备的大量投运，使得平台电网运行状态和动态特性渐趋复杂化，同时电力系统运行中的安全隐患也趋于多样化。母线作为电能集输的关键元件，其安全、稳定运行至关重要，一旦发生线路故障，将对平台的正常生产运营带来较大影响。若线路故障发生在井口平台，单个井口平台失电，停电面积小，影响范围有限；若线路故障发生在电站中心平台，则周边依托该平台供电的井口平台将大面积停电，直接影响到多个平台的安全、稳定运行，同时平台停产还会造成较大的经济损失。母线差动保护具有结构简单、动作迅速、可靠性高、稳定性好等特点，在海上平台生产实践中被广泛应用。