冯家堃
（中电（四会）热电有限责任公司）
摘要：本文系统地分析了工频变化量的技术原理及其在各种保护装置中的实际应用，并总结了这些保护装置的自身独有优点。
关键词：工频变化量；原理；微机保护
在中国电力系统继电保护领域，南瑞继保公司无疑是在技术和市场方面处于领先地位。这一辉煌成就与中国工程院院士沈国荣创立的“工频变化量”理论有着密切的关系。由于工频变化量的原理，促使保护装置各个方面得到了较大的提升，例如灵敏度、安全性、选择性以及快速性等。然而，传统的教科书中并没有具体的理论，制造商的手册也不详细。下面将从原理和实际应用方面进行具体分析。
1 工频变化量原理分析
工频变化理论是基于叠加原理的，简单说倘若电力系统出现故障状态，在过渡电阻的作用下，它可以看作是金属性短路点，即从这个点到系统中性点的电压为零。结果表明，该金属性短路点到中性点中有两个串联电压源，它们大小一致，相位是相对的，点与点之间的电压仍为零。见图 1。
图1 短路后的情况图
（ES：保护背后的电源，ER：保护对侧的电源）
“短路后情况”可以看作是正常负载情况和短路附加情况的叠加。见图 2、图 3。
图2 正常负荷情况图
图3 短路附加情况图
“叠加”具有两个概念：第一个概念是短路后任何一点的电压，例如从M点到中性点的电压（即M母线保护装置的电压）的问题。向上箭头表示电位较高，M总线为正，中性点为负值。等于两种状态中对应点的电压之和。第二个概念是短路后的支路的电流，如流过保护的电流，等于两种状态中相应支路的电流之和。
从正常负载情况和短路附加情况的叠加原理来说，可以取任何值，不需要△UF要求。但在保护装置中，△UF在短路前先取电压，ES、ER为电源电位，短路前后不会发生任何变化。所以，图 1 称为正常负载情况，图 2 称短路附加情况，目的就是凑出这二种情况。
与传统的稳态保护装置不同，基于工频变化原理的保护装置只考虑短路附加状态下的各种电量，而不考虑正常负载状态下的电量。在附加状态下，只有短路点有电压源，所有的电量都用符号△表示。在微机保护中，采样U以及I减去“历史”中采样的U及I，即将△U、△I。ZS加到继电保护中，Zs是保护后电源的等效阻抗，ZR是保护正方向上的阻抗。由下图 4、图 5 可得出 2 个基本关系式：
图4 正方向短路基本关系式：△U=-△I×Zs
图5 反向短路基本关系是
2 变压器的工频变化量比率差动保护
约70%的变压器故障是匝间短路。为了提高小匝间短路差动保护的灵敏度，传统的具有制动比特性的差动保护作用，起动电流通常整定较小。譬如整定电流设置为0.3与0.5倍之间，并且初始部分没有制动特性。见下图 6。
图6 变压器的工频变化量
但是实践中可知，差动保护通常因各侧电流互感器的暂态或稳态特性不相统一，或二次回路的时间常数或电流互感在区域外短路切除过程中的差异引起的。
在传统差动保护的基础上，RCS 978系列保护装置由于制动系数高，不仅使匝数小的变压器匝间短路的灵敏度也随之提高。此外，工频变化量差动继电器也得到提升。在区域外各种故障、功率倒置方向等情况下不出现误动作，同时考虑了保护的安全性和敏感性。
工频变化量比率差动保护的动作方程为：
方程中的：是各个支路工频变化量电流的向量和；是各个支路工频变化量电流的标量和；是固定门槛；是浮动门槛。浮动门槛设置可防止在系统发生振动或者频率出现偏移时保护误动。
变压器工频变比差动继电器的工作特性如图7所示，阴影段是动作区域。
图7 变压器工频变化量比率差动继电器动作特性
工频变化量比率差动继电器的特点：
（1）负载电流对其没有影响。对于稳定比率差动继电器而言，内部短路的灵敏程度是受到负载电流的影响，因负载电流属于制动量，所以当内部受到严重故障，其敏感性也随之大大降低。
（2）受过渡电阻影响小。
（3）由于上述原因，对比敏感度，明显差动继电器比工频变化量要差。工频变化量可以促使小匝间短路提高其灵敏度。但是工频变化量因制动系数高，在区域外出现的故障、反向功率、它在区域外的暂态特性不一致等情况下，不会出现误动。同时也考虑了保护的安全性和敏感性。
在图8中当变压器C相发生1.5%匝间短路故障时，轻微匝间短路变压器波形图很明显常规差动继电器（曲线2）罢工。工频变化量差动继电器（曲线1）却更灵敏，动作正确。
（4）没有必要输入一个确定的值。从工频变化量的比率差动保护作用方程可以看出，不需要输入工频变化量的比率差动保护的定值，而固定阈值和浮动阈值是从其他公式中得到的。这里不作讨论。
3 超高压输电线路保护中的工频变化量差动继电器和阻抗继电器
3.1 输电线路电流纵差保护的主要问题
在重载条件下，当线路被高电阻接地时，常规保护的灵敏度可能是不够的。由于负载电流是通过电流，它只产生制动电流，而不产生动作电流。此时，高电阻短路后，短路电流小，制动电流大，保护装置的灵敏度降低。工频变化量比率差动继电器能有效地解决输电线路的老难题。
工频变化量分相差动继电器的构成：
动作电流以及制动电流分别如下：
工频变化量分相差动继电器的动作特性见下图 9。
工频变化相位差继电器具有不受负载电流影响的特点。所以，工频变化量分相差动继电器是不受过渡电阻的影响。如果在单方供电线路上发生短路，只要短路前有负载电流，短路后没有电源侧的工频变化量电流也会形成动作电流。
由于上述原因表明该继电器是敏感的。提高了重载线路高阻短路的灵敏度。
图9 工频变化量分相差动继电器的动作特性图
3.2 工频变化量阻抗继电器的构成：
用于构成快速的距离Ⅰ段
其动作方程为：
式中：Uop：保护范围末端电压，上式代表保护范围末端电压
变化量大于继电器动作，否则不动作。
：动作门槛，取故障前工作电压的记忆量。
图10 ZK落在圆内继电器动作
如图10所示，当ZK落在圈中继动作中时。工频变量阻抗继电器的特点是：一是保护过渡电阻的能力很强。第二，由于相位是一致的，过渡电阻的附加阻抗是纯电阻。因此，不会超过该区域以外的短路。第三，正出口短路无死区。第四正出口短路动作快。保护背后的运行模式越大，线路越长，运行速度越快。第五，系统在振荡过程中不需要误动操作，不需要通过振荡闭锁来控制。第六适用于串联补线路。
RCS 931系列继电保护装置采用工频变化距离继电器自适应能力的浮动阈值，具有很强的抗干扰能力。因此，在保证安全的基础上，测量元件可以达到很高的速度，并且起动元件的灵敏度很高，而且不经常启动。由于工频变距继电器运行速度快，现场记录了3ms运行出口，工频变化距离I段和纵电流差动保护构成了线路的主要保护。
4 结论
提出了工频变量保护的原理。其结构简单，易于在微机保护中实现。它不受负载电流和不完全相位运行等因素的影响。工频变化量技术原理在保护继电器领域有着显著的竞争优势，譬如他具有十分突出的抗干扰性能、灵敏度强且速度快以及适应能力也很强。工频变量技术原理不仅是继电保护人员的研究结晶，也是我国保护继电独特且先进技术水平。
参考文献：
[1]王珠峰，孔凡坊，汤耀景.N600错误接线导致工频变化量保护误动作的分析[J].电工技术，2018（07）：39-42.
[2]徐岩，刘泽锴，应璐曼.混合MIDC馈入下的工频变化量阻抗方向保护动作特性分析[J].电力系统保护与控制，2015，43（05）：14-20.
[3]乐予仲.工频变化量距离保护原理与校验方法[J].低碳世界，2014（05）：82-83.
[4]陈俊.工频变化量阻抗元件的动作原理与定值校验[J].科技与企业，2012（09）：107-108.
论文作者:冯家堃
论文发表刊物:《河南电力》2018年24期
论文发表时间:2019/8/22
标签：继电器论文; 电流论文; 动作论文; 差动论文; 负载论文; 电压论文; 原理论文; 《河南电力》2018年24期论文;