電流差動保護中a飽和的分析與改進

1鑒別ta飽和的方法電動保護作為一種簡單可靠的保護原則，在大型高壓設備的保護中得到了廣泛應用。由于差動保護在原理上依靠對被保護設備各端的電流的綜合來區(qū)分內(nèi)、外部故障,因此TA的變換精度就成為影響保護精度的關鍵。在高壓線路保護、特別是在多端、強電源、短線路嚴重故障時,經(jīng)常會出現(xiàn)TA飽和的現(xiàn)象,當飽和嚴重時就可能引起保護在區(qū)內(nèi)故障時延時動作,區(qū)外故障時誤動作。長期以來,為了解決這一問題,人們建立了各種仿真模型對電流互感器的電磁動態(tài)過程進行了大量細致的仿真分析,在此基礎上也提出了許多鑒別TA飽和的方法,這些方法比較好地解決了TA飽和的鑒別問題,其中時差法尤其具有簡單可靠的優(yōu)點,得到了廣泛應用。但時差法也還存在一些不足,針對這一情況,相關文獻提出了利用諧波比的判別方案等。本文在分析引起TA飽和的原因和TA飽和時二次側(cè)電流的特點的基礎上,利用波形識別技術提出了鑒別TA飽和的新方法,該方法是對時差法的一個補充,其特點是非?？煽?并且計算簡單,易于整定,但需要較長的數(shù)據(jù)窗。本文最后給出了對這一方案進行的仿真驗證結果。2次穩(wěn)態(tài)電流幅值的提出分析電流互感器的暫態(tài)特性,了解暫態(tài)過程中電流互感器各電氣量的動態(tài)變化規(guī)律是解決TA飽和問題的前提條件。為了簡化對問題的分析,本文采用了簡化的電流互感器等值電路,忽略了鐵心的鐵損,勵磁支路認為是純電感,并采用了鐵心的基本磁化曲線。圖1為將一次電流和勵磁電流折算到二次側(cè)后電流互感器等值電路。由等值電路圖可得如下特征方程:(1)式中只有三個未知量,對(1)式進行化簡就可以得到一個變系數(shù)微分方程,進而利用數(shù)值計算就可以求出三個變量的解。在一次系統(tǒng)故障時,引起電流互感器誤差的重要原因是鐵心的非線性特性,當鐵心中的磁密達到飽和時,鐵心的磁導率很快下降到一個很小的值,勵磁電流急劇上升,一次電流中的很大部分變?yōu)閯畲烹娏?二次電流嚴重畸變。研究發(fā)現(xiàn)引起鐵心飽和的因素有很多,比如一次電流幅值,一次系統(tǒng)時間常數(shù),二次負載的大小,鐵心剩磁等,但首要因素是短路電流中的非周期分量,由于非周期分量絕大部分不能通過TA傳變到保護的副邊,而成為了勵磁電流,引起TA勵磁支路的飽和,非周期分量越大,衰減越慢,TA飽和問題就越嚴重。因此本文考慮了無直流偏移的穩(wěn)態(tài)短路電流(2)和具有最大直流偏移的全偏移暫態(tài)短路電流(3)兩種極端的一次電流模型進行分析。i1(t)=I1msin(ωt)(2)式中:I1m是歸算到二次側(cè)的一次穩(wěn)態(tài)電流幅值;T1是一次系統(tǒng)時間常數(shù)。3ta飽和時的仿真結果按照飽和的嚴重程度,電流互感器的飽和可以分為輕微飽和、中度飽和和嚴重飽和。從繼電保護的角度考慮,區(qū)內(nèi)故障引起的TA飽和一般不會引起保護的拒動,主要是防止區(qū)外故障TA飽和引起的差動保護誤動作,即判別TA飽和并閉鎖保護的問題。本文采用ATP軟件仿真得到一次電流無直流分量和全偏移暫態(tài)飽和兩種情況下,TA的一次電流、二次電流及勵磁電流的波形如圖2、3所示。從上面的仿真結果可以發(fā)現(xiàn),TA飽和時具有如下一些特點:a)在嚴重故障剛發(fā)生后,TA存在一個線性傳變區(qū),在這一區(qū)間內(nèi)可以將一次電流正確傳變到二次側(cè),仿真結果表明這一區(qū)間的存在的時間最少有幾個毫秒,且隨故障嚴重程度變小。REB103型母差保護就是利用這一特點在TA沒飽和之前完成差動判斷。b)對主要由故障電流中非周期分量引起的TA飽和,二次電流和勵磁電流波形都相對橫軸發(fā)生偏移,造成正負半波的波形不對稱,其中差流波形偏移更加明顯;c)對于由穩(wěn)態(tài)短路電流引起的TA飽和,二次電流和勵磁電流波形相對橫軸呈奇對稱。d)從電流過零點時起,二次電流和勵磁電流每半波的前后波形不對稱,對比一次電流波形,二次電流出現(xiàn)部分波形缺損,相對應的勵磁電流每半波的前面部分也出現(xiàn)缺損。這種缺損的形狀受TA二次負載的影響,其愈接近純阻性,不對稱愈明顯。e)由于TA線性傳變區(qū)的存在,導致了勵磁電流最大值滯后二次電流最大值一個時間,該時間和線性傳變區(qū)的長度近似相等。4ta飽和的判別目前國內(nèi)外已經(jīng)提出了很多判別TA飽和的方法,雖然主要是在母差保護的研究中,但線路差動保護可以類似引用。三菱公司的MBP-D母差保護利用波形識別方法,南瑞915型保護自適應阻抗加權制動和諧波制動,WMZ-41型和四方公司分布式母差利用差動動作時刻和TA飽和時刻不一致、ABB的REB500的靜態(tài)最大值保持法等,這些方法從本質(zhì)上都是基于對TA飽和時二次電流和勵磁電流的波形特征的識別和提取,其中文獻提出的時差法鑒別TA飽和最為簡單可靠。上文已經(jīng)提到,TA飽和是需要時間的,在短路剛發(fā)生的很短時間內(nèi),TA是未飽和的,因此對于區(qū)外嚴重故障差動保護動作時間和啟動時間之間存在時差,而區(qū)內(nèi)故障,保護的啟動和保護的動作是基本同時的,因此檢驗時差就可以判斷差動保護是正確動作還是由TA飽和引起的誤動作。實踐證明,嚴重情況下,CT飽和引起的啟動與動作之間的時差約為5ms,考慮一定裕度,只要取時差為3.75ms,就可以正確判別CT飽和。但相關文獻的研究指出,當TA極度飽和時,時差的精確測量存在一定困難,可能存在誤判TA不飽和的情況,進而提出了利用小波技術鑒別起動時刻的新方法。但這種方法計算較復雜。本文在時差法鑒別TA飽和的基礎上提出了對時差法的補充。這種方法仍然是基于對二次電流和差流的每個采樣值的識別和判斷的基礎上,通過對時差法增加輔助判據(jù)來解決TA極度飽和的判別問題。具體判據(jù)如下:主判據(jù):Δt>3.75ms(時差法判據(jù))(4)輔助判據(jù):如果,imax+/│imax-│>k1不成立否則,式中:imax——保護啟動后1周波內(nèi)的二次電流各采樣點中絕對值最大者;imax+、imax-——保護啟動后1周波內(nèi)的二次電流各采樣點中正負最大值;im——TA二次電流各采樣值;imax、imin——差流中各采樣值最大和最小者;in——差流各采樣值;N——每周波采樣率;iset——可整定的電流門檻;k1、k2、k3——可整定比例系數(shù);對這一鑒別CT飽和的方法的解釋如下:a)(4)式為時差法主判據(jù),只要(4)式滿足就直接判為TA飽和,并閉鎖保護一定時間,這對于絕大部分嚴重飽和都適用;b)輔助判據(jù)(5)(6)進行判斷主要是由于基波電流引起的可能引起時差法誤判的TA極度飽和情況。它利用此時二次電流出現(xiàn)嚴重的缺損這一特征,(5)式表明二次電流已經(jīng)超過了TA正常工作電流,iset按照最大負荷電流整定,(6)式左邊表示采樣值的絕對值位于0.2倍最大采樣值范圍內(nèi)的采樣點數(shù),k2表示TA不飽和時(正確傳變)位于該區(qū)間內(nèi)的可能最大采樣點數(shù)。通過對小采樣值點數(shù)的累計記數(shù),就可以判斷出二次電流缺損的寬度,從而達到判斷TA飽和的目的。c)當一次電流中的直流部分成為引起TA極度飽和的主要因素時,仿真表明,(5)、(6)式可能無法判出TA飽和,此時利用(7)(8)式的波形比判據(jù)。觀察發(fā)現(xiàn),這種情況下的勵磁電流相對橫坐標發(fā)生了明顯的偏移,如果以波形的最大最小值的均值為對稱軸,勵磁電流的前后半波不對稱很明顯(區(qū)外故障時為差流波形特征),這是因為前半波是TA飽和的部分引起的,時間上不會超過半個工頻周波,后半波是TA不飽和部分引起的,從時間上后半波遠遠超過了半個工頻周波,因此利用(7)(8)式進行前后半波比就可以判斷出TA飽和。這種方法不需要進行復雜的運算,只需對每個采樣值進行簡單的加減運算和大小比較,因此是一種簡單易行的方法,而且整定也比較容易。5典型波形檢驗本文利用ATP建立了TA飽和的仿真模型,具體參數(shù)如下:TA變比:1200/5二次負載:20+j5;或20+j1勵磁支路:采用非線性電感對普通勵磁特性進行分段擬合,共分11段,未考慮剩磁等。典型波形如圖(4)、(5)所示。圖4中示出了一次電流和二次電流,圖5中還給出了差流的波形,利用典型波形對改進的時差法進行檢驗的結果如下:定值:Δt=4ms,N=40,k2=6,k3=1.2通過仿真發(fā)現(xiàn),對于絕大部分TA飽和情況,時差法可以正確檢出,但對于TA極度飽和的情況,時差法可能無法作出正確判斷,這時兩個輔助判據(jù)可以進行有效判斷。從表1中就可以看出,對于時差法無法作出判斷的情況,輔助判據(jù)都可以正確檢出,輔助判據(jù)完全可以作為時差法的有效補充,但需要一定的時延。6預防和控制dea從提高高壓線路差動保護的整體性能出發(fā),還需要采取綜合對策來防治TA飽和,本文歸納如下:1ta暫態(tài)誤差在選擇電流互感器時,不僅應按照10%誤差曲線考慮穩(wěn)態(tài)誤差,還應該考慮TA的暫態(tài)誤差,特別是暫態(tài)過程中TA飽和時的傳變誤差,選擇具有足夠精度和相同傳變特性的TA,同時還要考慮TA副方的負載影響,合理接線。2制動系數(shù)的選擇針對TA飽和的時候電流較大的特點,可以在差動保護的制動曲線中進行反映,在小電流域采用較小的制動系數(shù),在大電流區(qū)域采用大的制動系數(shù),這樣當TA出現(xiàn)飽和時,制動量較大,動作區(qū)變小,可以防止區(qū)外故障時因TA飽和引起保護誤動。因此在選擇差動保護的制動特性時可以考慮采用多段折線型的制動曲線或雙曲型制動曲線。從保護判據(jù)的角度出發(fā),應盡量選擇具有抗飽和能力的差動判據(jù),即可以在TA飽和之前完成差動判斷的判據(jù),