电流互感器饱和引起继电保护越级跳闸的分析及应对措施.doc

电流互感器饱和引起继电保护越级跳闸的分析及应对措施吴昌硕（浙江省 宁波市 ） 摘要大量的研究和事实表明，CT饱和对继电保护可能产生很多有害影响，特别是在现代高压、大容量、远距离输电网的形势下，甚至可能直接威胁电网的安全稳定运行。同时，在保护的改造过程当中，随着系统短路电流急剧增加和新型继电保护装置的大量采用，系统中各个电压等级电流互感器的饱和问题也日益突出，有的已影响到继电保护装置动作的正确性。因此，本论文结合宁波钢铁有限公司近期发生的一起由于10kV线路出口故障保护拒动而造成主变压器后备保护越级跳闸的事故，分析CT饱和对继电保护装置的影响，本论文从一次、二次设备两个方面探寻解决电流互感器饱和从而导致保护误拒动的方法，并试图在生产实践中寻求突破，进一步提高保护正确动作率，提高电网安全稳定运行水平并结合事故情况采取防止CT饱和的应对措施。关键词： 电流互感器；饱和；故障分析；继电保护INFLUENCE OF THE CURRENT TRANSFORMER SATURATION ON RELAY UNIT AND ITS COUNTERMEASURES IN MEDIUM VOLTAGE POWER SYSTEMSwuchangshuo（ningbo zhejiang, China）Abstract：The cause of misoperation of different type current relays in medium voltage system is introduced. The influence of current transformer saturation on the operation of current relays, including electromagnetic relay, analog IC relay and microprocessor based digital relay is analyzed. Some preventive measures for the system have been put into service, such as splitting at supply side of higher medium voltage to reduce short circuit current. Some principles for choosing appropriate type of protective device, and some guides for selecting current transformer of new designed substation are given.Keywords：protective relaying; current transformer; saturation目 录摘 要 1引 言 4一、事故概述及分析 51.系统图及事故概述 52.综保后台记录及动作情况 63.设备检查、试验情况 64.故障分析 10二、事故对电流互感器的影响 111.系统短路电流计算 122.电路互感器二次负荷测试 123.准确限值系数计算 124.电流互感器选型 15三、事故对继电保护器的影响 151.系统短路电流大小对TA饱和的影响 152.TA过饱和特性分析 153.微机保护装置限幅大小对保护动作特性的影响 164.微机保护装置采样点数对保护动作特性的影响 175.微机保护装置计算方法对保护动作特性的影响 18四、结论 19五、改进措施 191.一次系统改造方案 192.二次系统改造方案 19结束语 22致谢 23参考文献 24引言在以往电力系统中，电流互感器(CT)的饱和问题并不突出。但是随着电力系统的不断发展和宁钢产能规模的不断扩大，系统短路电流急剧增加和新型继电保护装置的大量采用，电网规模将不断扩大，电网结构与运行方式逐步呈现多样化，都需要电网的安全稳定来保障，一旦故障跳闸将给系统造成非常严重的瞬时冲击，导致系统稳定破坏或大停电事故。在这种大背景下，系统中各个电压等级电流互感器的饱和问题日益突出，已直接影响到继电保护装置动作的正确性。继电保护是电力系统的重要组成部分，是保证电网安全稳定运行的重要手段。当下对继电保护动作正确性的要求越来越高。通常情况下，对保护定值的正确性、保护装置的可靠性及二次回路的完好性很重视，而对用于继电保护的电流互感器(CT)参数选择及实际特性校核重视不够。下面结合我公司近期发生的一起由于10kV线路出口故障保护拒动而造成主变压器后备保护越级跳闸的事故，分析CT饱和对继电保护装置的影响，并从一次、二次设备两个方面探寻解决电流互感器饱和从而导致保护误拒动的方法，结合事故情况采取防止CT饱和的应对措施。一、事故概述及分析1.系统图及事故概述 图1 烧结区域变及北仑料场开关站系统图事故概述（如图1）：烧结2#主变低后备过流段动作，主变二次开关112跳闸，段母线馈出开关均无跳闸，烧结段母线失电。北仑料场段变压器6TM2 1212开关柜零序段动作，开关跳闸，北仑料场段母线失电。同时6TM2变压器间隔发现在变压器10kV高压侧有猫尸体，高压侧瓷瓶被击穿。通过对烧结II段各馈出线进行检查，检测绝缘合格，说明故障点在6TM2变压器高压侧，由三相短路引起。北仑料场2#线1108和北仑料场2#受电122开关未跳闸，也无任何故障信息，见表1。2.综保后台记录及动作情况设备名称CT变比保护整定值动作值动作情况烧结#2主变二次开关1123000/5300/5过流I段:10A，0.5S（6000A）过流II段:8A，1.1S（4800A）零序I段:2A，1.2S21:29:37:461 低后备过流I段动作 Ia=19.78A Ib=19.98A Ic=19.38A I0=0.05AUab=33.98V Ubc=33.24V Uca=35.13VU0=0.01V U1=19.69V U2=0.62V跳闸北仑料场#2线1108300/5过流I段:58A，0.2S（3480A）过流II段:32A，0.5S（1920A）零序I段:0.5A，0.9S（30A）北仑料场#2受电122300/5过流I段:50A，0.2S（3000A）过流II段:29A，0.5S（1740A）6B变电所#2变器121275/5速断：95.5A，0S(1432.5A)过流I段:15.5A，0.5S（232.5A）零序I段:1A，0.5S(15A)21:27:47:817 零序过流I段动作跳闸备注：因后台系统目前尚未GPS统一对时，时间上略有偏差。事后比对，大致同时启动。 表1 综保后台记录及动作情况 3.设备检查、试验情况3.1 北仑料场2#线1108进行保护装置、CT变比和伏安特性试验3.1.1保护装置校验试验项目整定值测试动作值整组试验过流I段58A，0.2S58.25A，0.208S合格过流II段32A，0.5S32.1A，0.5097S零序I段0.5A，0.9S0.55A，0.9120S 表2 北仑料场2#线1108保护装置校验结果3.1.2 CT变比电流互感器型号：大连第一互感器厂LZZBJ9-12/150b/4 0.5/5P20 15VA 300/5保护（5P20等级）A相B相C相一次电流（A）300.1299.2304.3二次电流（A）5.055.0375.124变比59.42659.459.387 表3 北仑料场2#线1108 CT变比测试结果3.1.3 CT伏安特性电流互感器型号：大连第一互感器厂LZZBJ9-12/150b/4 0.5/5P20 15VA 300/5保护（5P20等级）二次电流（A）0.10.30.50.91.31.82.43.03.84.65.0A相二次电压（V）31.268.373.778.883.385.287.190.491.293.594.2B相二次电压（V）366873.576.778.882.184.287.188.79191.7C相二次电压（V）3669.273.679.2838587.89091.693.594.3备注当二次电流大于5A左右，CT开始进入饱和区 图表4 北仑料场2#线1108 CT伏安特性测试曲线3.2 北仑料场#2受电122进行保护装置、CT变比和伏安特性试验3.2.1保护装置试验项目整定值测试动作值整组试验过流I段50A，0.2S50.07A，0.1995S合格过流II段29A，0.5S29.05A，0.5110S 表5 北仑料场#2受电122保护装置校验结果3.2.2 CT变比电流互感器型号：天津市纽泰克电器科技公司AS12/150b/4S 0.5/5P20 15VA 300/5保护（5P20等级）A相B相C相一次电流（A）300300.4298.6二次电流（A）5.015.0184.989变比59.8859.86459.852 表6 北仑料场#2受电122 CT变比测试结果3.2.3 CT伏安特性电流互感器型号：天津市纽泰克电器科技公司AS12/150b/4S 0.5/5P20 15VA 300/5保护（5P20等级）二次电流（A）0.10.30.50.91.31.82.43.03.84.65.0A相二次电压（V）65.185.987.690.493.495.29798.699.4101.7102.9B相二次电压（V）6989.790.394.196.297.599.8100.6102.2103.2105.8C相二次电压（V）70.285.992.495.197.198.799.8102.3103.1104.6105.9保护（5P20等级）二次电流（A）5.566.577.588.599.51010.5A相二次电压（V）103.3105.7108.1109110.7111.6112B相二次电压（V）106.8107.7109109.6110.7111.1112.3112.8C相二次电压（V）106.7108.2109.2111111.9113.3保护（5P20等级）二次电流（A）1111.51212.51313.51414.515A相二次电压（V）113115.1115.6B相二次电压（V）113.9114.6115.9116.5117.5118.3C相二次电压（V）113.9114.8115.7116.5116.8117.5备注当二次电流大于6A左右，CT开始进入饱和区 图表7 北仑料场#2受电122 CT伏安特性测试曲线3.3 (6TM2)变压器1212进行保护装置、CT变比和伏安特性试验3.3.1保护装置试验项目整定值测试动作值整组试验速断95.5A因试验设备输出电流有限,将定值改为60A测试,动作值为60.22A合格过流I段15.5A，0.5S15.53A，0.5071S零序I段1A，0.5S1.04A，0.5044S 表8 (6TM2)变压器1212保护装置校验结果3.3.2 CT变比电流互感器型号：天津市纽泰克电器科技公司AS12/150b/4S 0.5/5P20 15VA 75/5保护（5P20等级）一次电流（A）5075100120.3132.1141.5148.6150.1二次电流（A）3.556.88.0118.799.3999.8719.971变比14.281514.7115.0215.0215.0615.0615.06备注因试验设备输出有限，二次电流最大输出为10A。 表9 (6TM2)变压器1212 CT变比测试结果3.3.3 CT伏安特性电流互感器型号：天津市纽泰克电器科技公司AS12/150b/4S 0.5/5P20 15VA 75/5保护（5P20等级）二次电流（A）0.10.30.50.91.31.82.43.03.84.65.0A相二次电压（V）45.473.77780.583.184.786.988.590.192.493B相二次电压（V）42.270.375.479.582.684.286.287.990.291.792.4C相二次电压（V）40.670.17578.480.982.584.58687.989.990.3保护（5P20等级）二次电流（A）5.566.577.588.599.51010.5A相二次电压（V）95.397.498.3100.2101102.3B相二次电压（V）94.197.298.3100.5101.5102.2C相二次电压（V）91.192.796.198.899.4保护（5P20等级）二次电流（A）1111.51212.51313.51414.515A相二次电压（V）103.8105106B相二次电压（V）103.9105.4106.9C相二次电压（V）100.6101.9103.2104.1备注当二次电流大于6.5A左右，CT开始进入饱和区 图表10 (6TM2)变压器1212 CT伏安特性测试曲线 设备试验检查结果：北仑料场2#线1108、北仑料场2#受电122和(6TM2)变压器1212保护试验合格，CT变比测试合格；从伏安特性测试结果看，北仑料场2#线1108和北仑料场2#受电122保护CT二次电流大于6A以上时开始进入饱和区,微机保护未采集到任何故障信息，(6TM2)变压器1212二次电流大于6.5A以上时开始进入饱和区。4.故障分析很明显，此次事故是北仑料场2#线1108、北仑料场2#受电122在(6TM2)变压器高压侧三相短路后微机保护未采集到任何故障信息而致拒动，从而引起烧结区域变后备保护越级跳闸造成的。从表1中不难算出，烧结2#主变低后备过流I段动作采集到的一次短路电流为12000A左右。二、事故对电流互感器的影响北仑料场2#线1108和北仑料场2#受电122微机保护在故障时未采集到故障量，判断为CT存在严重饱和现象致使二次传变发生了问题。 影响CT性能的最重要因素是铁心的饱和情况。电流互感器的误差主要是由励磁电流Ie引起的，正常运行时由于励磁阻抗较大，因此Ie很小，以至于这种误差是可以忽略的。但当CT饱和时，饱和程度越严重，励磁阻抗越小，励磁电流极大的增大，使互感器的误差成倍的增大，影响保护的正确动作。最严重时会使一次电流全部变成励磁电流，造成二次电流为零的情况。引起互感器饱和的原因一般为电流过大或电流中含有大量的非周期分量，这两种情况都是发生在事故情况下的，这时本来要求保护正确动作快速切除故障，但如果互感器饱和就很容易造成误差过大引起保护的不正确动作，进一步影响系统安全。通过北仑料场2#线1108和北仑料场2#受电122保护CT伏安特性可以看出（见表4、表7），当二次电流大于6A以上时开始进入饱和区。保护CT的准确等级为5P20，即在20倍额定电流内的变比误差不超过5%，20倍额定电流是额定准确极限电流值。该300/5的CT额定准确极限电流值为6000A。烧结2#主变低后备过流I段动作采集到的一次短路电流为12000A左右，短路电流已超出趋于饱和时电流的数倍以上，使北仑料场2#线1108、北仑料场2#受电122保护CT始终处于饱和状态，二次电流发生畸变。当CT在严重饱和时，一次电流全部变为励磁电流,使铁心饱和，二次电流几乎为零，致使保护未采集到故障量，导致开关未跳闸。如果保护CT的等级仍为5P20，要在短路电流为12000A时误差不超过5%，理论上计算变比需要在600/5以上。同理，我们来分析6TM2变压器1212速断和过流保护未采集到故障量的情况。根据事件记录6TM2变压器1212和烧结#2主变二次开关112几乎同时跳闸，而6TM2变压器速断和过流保护未动作，由零序过流I段保护动作跳闸。说明速断和过流保护未采集到故障量，判断为CT严重饱和。通过保护CT伏安特性可以看出，当二次电流大于6.5A以上时开始进入饱和区（见表10）。12000A左右的短路电流是额定电流的160倍，保护CT的等级为5P20，额定准确极限电流值为1500A，短路电流已超出趋于饱和时电流的数倍以上，使CT始终处于饱和状态。零序电流为CT二次侧三相电流的合成，当CT饱和时二次侧三相电流极不平衡，产生较大的不平衡电流，使零序过流动作。1.系统短路电流计算根据公司目前负荷情况，我们对35kV区域变电所短路电流重新进行计算。其在最大运行方式下短路电流如下：烧结区域变电所段母线24.84kA，段母线16.2kA。炼铁区域变电所段母线23.08kA，段母线24.15kA。炼钢区域变电所段母线21.23kA，段母线26.49kA。2.电路互感器二次负荷测试目前35kV区域变电所所选用的电流互感器型号为：LZZBJ9-12/150b/4，0.5/5P20，15/15VA型电流互感器，1S热稳定电流31.5kA，额定动稳定电流峰值80kA。我们在烧结区域变电所段母线选择一台额定电流为630A的高压柜作为试验对象，对其电流互感器二次负荷进行测试。测试结果如下表：变电所名称烧结区域变电所设备名称备用1121型号LZZBJ9-12/150b/4 0.5/5P20额定输出（V/A）1515额定变比300/5编号80920生产厂家大连第一互感器厂出厂日期2008.03一、直流电阻（)1S1-1S20.04122S1-2S20.1703二、电流互感器二次接线端引出线至二次仪表直流电阻Rb0.1266 试验仪器名称直流双臂电桥互感器特性测试仪高压兆欧表交流耐压测试仪型号QJ44HGY3121AJTKZ-5 表11电流互感器二次负荷测试结果3 .准确限值系数计算对于中压互感器一般情况下额定一次安匝较小，结构也较简单，其一次返回导体影响可以不计，则互感器在实际负荷下的准确限值系数 Rbn =Sbn /Isn 2 式中：Isn 互感器额定二次电流； 在实际负荷下的准确限值系数；Kalf 互感器的额定准确限值系数；Rct 互感器二次绕组电阻（75）为0.2；Rb 实际负荷，；Rbn 互感器标定的额定负荷。 由Rbn =Sbn /Isn 2 得到互感器标定的额定负荷 Rbn =15VA/5 2 =0.6 (式一） 则在实际负荷下的准确限值系数 按照测试结果电流互感器二次实际负荷计算如下： 由Rb=Sb/I2 得到 Sb=Rb*I2 =（0.1266+0.1703）*52 =7.4225VA (式三）由于区域变电所选用的电流互感器保护级为P级，不满足低漏磁特性要求。若提高准确限值一次电流，电流互感器可能出现局部饱和。因此不能采用二次极限感应电动势法进行验算。根据故障时CT饱和情况，需要提高所选互感器的准确限值系数Kalf,则应参考制造厂提供的直接法试验求得的5%误差曲线（如图11所示），以及实际负荷下的准确限值系数（如式二）。确定电流互感器修正后准确限值系数Kalf为32。 图11 制造厂提供的5%误差曲线4.电流互感器选型综合以上试验结论。以烧结区域变段母线最大运行方式下的短路电流为16.2kA为参照。所选高压柜额定电流为630A，其电流互感器变比为 5P20 300/5 。若要使互感器在最大短路电流情况下不发生饱和，其型号应选择为 5P30 600/5。同时考虑变比增大后存在小电流情况下采样精度不够问题，计量CT仍可采用原变比，同时增加专用零序互感器，不采用三相合成的零序电流，以提高零序电流的精度。从上述结论来看，区域变电流互感器选型存在偏小易饱和的问题，但不能简单的判断电流互感器饱和是导致保护拒动的直接原因，应从继电保护装置上综合分析。同时由于增大保护级CT的变比通过在保护安装处可能出现的最大短路电流和互感器的负载能力与饱和倍数来确定CT的变比，只要变比合适，就可避免绝大多数情况下CT饱和的发生。但增大了保护级CT的变比后会给继电保护装置的运行带来一些负面影响，主要是不利于CT二次回路和继电保护装置的运行监视。例如:在10kV系统中，一台400kVA的站用变压器(这个容量已相当大了)，带60%负荷运行时的电流为13.SA，按最大短路电流核算选取的保护级电流互感器变比为600/5，则折算到二次侧的负荷电流仅有0.1巧A，对于额定输入电流为SA的继电器来讲，这个电流实在太小了，若发生二次回路断线是难以监视和判断的。三、事故对继电保护器的影响这次事故产生的原因除了与系统短路容量大小、10kV TA饱和特性有关之外，还与早期12点采样微机保护装置内部TA饱和特性、限幅、采样点数和计算方法等有关。1.系统短路电流大小对TA饱和的影响系统短路电流大小对保护用TA的过饱和程度有很大的影响。因为TA过饱和程度是通过过饱和系数来反映的，而TA过饱和系数又是通过系统短路电流与TA最大限值电流之比来表示的。因此，对于选定的TA，系统短路电流Ik越大，Ks就越大，TA饱和程度就越大，特别是当系统发生三相出口短路这种小概率故障时尤为明显。2.TA过饱和特性分析TA过饱和系数与切断角之间的关系用图形表达如下所示：2.1.根据计算TA过饱和系数1以上时，切断角左面的面积均等于一个常数。2.2.10kV TA与微机保护装置内部TA串级工作时，两级TA综合后的过饱和特性与最先饱和的TA过饱和特性相同，或者说：特性最差的TA决定最终的过饱和特性。2.3.10kV 300/5A TA过饱和修正系数为2.5，相当于修正后的限值电流为15kA，修正后的过饱和系数为0.8，与微机保护装置内部TA串级使用，综合后的过饱和程度取决于微机保护装置内部TA的过饱和特性。2.4.10kV 75/5A TA过饱和修正系数为2.9，相当于修正后的限值电流为4.35kA，修正后的过饱和系数为2.75，与微机保护装置内部TA串级使用，综合后的过饱和程度取决于75/5A TA的过饱和特性。3.微机保护装置限幅大小对保护动作特性的影响微机保护装置采样窗口有一个固定的限幅作用，不论输入电流有多么大，都会被限制在一个固定值以下，以保证后面的电子元件的安全性。以Ks=2为例，分析一下TA过饱和切断角、微机保护装置限幅对采样前电流的影响，经过计算：最后送到微机保护装置采样前的波形面积只相当于原来的32.88% 。4.微机保护装置采样点数对保护动作特性的影响仍然以Ks=2时为例，TA二次侧电流波形（过饱和切断角后再经过限幅后）为例，分析微机保护装置采样的影响，可以看出此时有可能采到3个，也可能采到2个采样序列，误差为n1，说明微机保护装置采样具有一定的随机性。实际采样数据（无电感时）采样脉冲序列限值采样前波形实际采样数据（有电感时）5.微机保护装置计算方法对保护动作特性的影响微机保护装置对采到的采样序列进行积分，计算出等效的基波分量，其计算方法对保护性能影响也很大。综合上述分析和对微机保护装置进行计算给出微机保护装置动作特性曲线如下图所示：0在上图中：实线：表示改进前微机保护动作特性虚线：表示改进后微机保护动作特性Ik：短路电流（按变比折合到CT二次），Is：保护定值，下标H表示TA变比较大时的值，下标L表示TA变比较小时的值。四、结论综合以上分析和粗略计算，给出初步结论如下：1） 10kV 300/5A TA连接的保护拒动的主要原因是由于早期12点采样的微机保护装置内部TA材料饱和特性较差、二次负载也较大，造成故障时过饱和倍数较高。特别是在故障电流很大时，微机保护计算出的基波电流有效值下降较快，加之保护整定值偏大，使得保护测量值未达到过流保护整定值而引起保护拒动。2） 10kV 75/5A TA连接的保护拒动的主要原因是除了早期12点采样的微机保护装置存在的上述问题之外，10kV TA本身限值电流过小是造成这次保护拒动的主要原因。3） 10kV 300/5A TA连接的保护动作值为3kA，TA限值为6kA，符合要求，但实际上这个整定值还可以减小1/2。4） 10kV 75/5A TA连接的保护动作值为1.4325kA，TA限值为1.5kA，应提高TA限值为3kA，保证留有2倍的裕度，可以选150/5A 5P20或100/5A 5P30的TA。五、改进措施1.一次系统改造方案1.1.提高TA限值电流根据上述分析，并考虑到目前宁钢10kV系统的短路电流水平约为12kA左右，10kV系统TA最小限值电流不应小于3kA，至少应选150/5A 5P20或100/5A 5P30以上规格的TA。1.2.增加专用零序TA通过这次故障我们发现增加零序保护专用零序TA，取代原来的三相TA构成的零序过滤器。2.二次系统改造方案2.1.微机保护装置改造方案宁钢公司早期（主要是2003年）使用的微机保护装置为DCAP-3000 V2.0版的微机保护装置，由于当时技术发展水平有限，微机保护装置内部TA材料的磁饱和特性较差，另外该版本微机保护装置内置的CPU是当时占主流地位的16位单片机-INTEL 80C196 芯片，主频为16MHz，采样频率为每周波12点。如果用今天的技术和眼光来观察，这批微机保护装置所采用的CPU及采样频率都是属于偏低的，现在紫光公司2006年后向宁钢公司供货的V3.0版微机保护装置内置的CPU是美国德州TI公司的高性能32位DSP数字信号处理器芯片，主频为150MHz, 采样频率达到每周波36点。微机保护装置的改造可以采用以下几种方案：1) 方案一只对早期微机保护装置的TA/TV插件进行升级处理。由于当时技术条件的限制，早期微机保护装置内置的TA的磁饱和特性较差，因此，可以采用最新技术对TA/TV插件内置的TA进行升级处理（目前微机保护装置中内置的TA磁性材料性能已有很大的改善，其线性工作范围大，饱和点高），并按最新微机保护设计技术对微机保护装置内置的TA回路作适当改造，以大幅改善电流测量特性。经过试验证明，TA/TV插件的升级处理后可以大大提高微机保护装置的抗饱和能力，在10kV TA饱和深度达到100倍时，微机保护装置亦能够可靠动作，也就是说，在10kV TA变比不小于150/5的情况下，保护能可靠动作并有一定的裕度。本方案实施难度最小，只需要用采用当前技术设计的保护装置内置的TA替换原来TA/TV插件上内置的TA，对微机保护装置TA回路作适当改造即可，效果也最显著。2) 方案二用V2.0D版微机保护装置替换原V2.0版微机保护装置紫光公司V2.0D版和V3.0版保护产品属于同一技术平台上的同代产品，V2.0D是针对升级V2.0而设计的，其外形尺寸和对外接线都与V2.0版产品相同，功能却和V3.0版一致。按照行业协会即中国电气工业学会继电保护及自动化设备分会的指导意见，早期微机保护装置的建议使用寿命为8