（电力系统及其自动化专业论文）电流互感器饱和对距离保护影响的研究.pdf

浙江大学硕| ? 论文 课题的意义 前言 电流互感器( t a ) 是电力系统中较重要的高压设备之一，它被广泛地应用 于继电保护、电流测量和电力系统分析之中。传统的电流互感器是电磁感应式的， 它的主要优点在于性能比较稳定，适合长期运行，并且具有长期的运行经验。但 是随着电力系统的发展，由于继电保护、电气设备自动化程度及电力系统绝缘等 级的提高，以及超高压输电网络的建设，电磁式电流互感器的缺点也越来越明显 了。 除了绝缘问题以及造价问题以外，电磁式电流互感器还有一个严重的缺点， 就是存在磁饱和问题。随着电力系统传输的电力容量越来越大，电压等级越来越 高，电力系统中的额定电压和额定电流提高得很快。用于现代电力系统的电流互 感器的工作环境变得非常复杂。经过分析和计算，现有的电流互感器的闭合铁心 会由于电流的非周期分量作用而饱和，因此导滋率急剧降低，从而使电流互感 器的误差在过渡过程中增大到不能允许的程度。当电流互感器铁心中有剩磁通， 而且这一剩磁通与励磁电流非周期分量的磁通方向一致时，产生的误差将特别 大。流入电流互感器一次侧的电流信号是5 0 h z 的工频信号，如果电流互感器发 生饱和，9 j l - 次电流会出现波形缺损和畸变。 防止t a 饱和引起保护的误动一直是电流差动保护的核心问题。但对于输电 线路的距离保护，通常认为在线路出口附近故障时t a 才会发生饱和，线路末端 故障时不会引起饱和，并且由于t a 饱和后二次测量电流减小，测量阻抗增大， 不会发生误动的问题。随着电力系统的发展，系统短路容量不断增大、短线增多， 线路末端故障时t a 饱和的现象己引起人们的注意。事实上线路电流差动保护中 均采取了防止t a 饱和引起误动的措旌。数字式保护都是采用一定的算法来计算 电压和电流，在1 a 饱和后，距离保护是否会超越有必要进行深入研究。 二本论文的主要工作 1 对电流互感器的稳态特性和暂态特性进行了理论分析，并利用a t p 电磁 暂态仿真程序对，r a 的暂态过程进行了仿真计算，从而得到影响t a 饱和的主要因 素。 2 介绍了为防止t a 饱和引起保护误动而采取的一些检测t a 饱和的方法， 同时指出这些方法的优点和缺点。 3 首先简单介绍了应用于数字式距离保护的两种典型算法，然后分析了1 a 饱和对距离保护的影响，得到了在线路末端发生故障时，电流互感器的饱和会引 起距离保护超越误动的结论，并提出了一种抗t a 饱和的距离保护方案。 浙江人学硕l 论文 4 分析了电流互感器的几种补偿方法，指出了各种方法的优点和存在的问 题；介绍了一种记及剩磁影响的二次电流补偿算法，并讨论了基于m a t l a b 的人 上神经网络在i a 二：次电流补偿上的应用。 三a t p e m t p 程序简介 1 a t p - e m t p 的发展历史 a r r p 程序( t h ea l t e r n a t i v et r a n s i e n t sp r o g r a m ) 是目前世界上电磁暂态分析程 序( e mr l p ) 最广泛使用的一个版本，k f p e m t p 程序几乎可为世界上的每一个 人所免费使用，并可在大多数类型的计算机上运行。 在1 9 8 4 年以前的卜多年里，属于美国能源部的邦维尔电管局( b p a ) 主导了 e m q l p 程序的开发： 作，它在人力和财力上对e m t p 程序的开发工作给予了极大 的支持。当时的工作属于公共域内( p u b l i c d o m a i nw o r k ) ，其成果可以免费提供 给任何一个感兴趣的团体。1 9 8 4 年以后，e m t p 程序主要分为两支，一支以d c g ( e m 、pd e v e l o p m e n tc o o r d i n a t i o ng r o u p ，1 9 8 2 年由北美6 个大型电力机构组 成) 、e p r i ( 美国电力科学研究院) 为代表，试图将e m t p 商业化；另一支即 a n l e m t p ，它继续保持e m t p 程序的可免费使用性，但为了防止其成果被商业 化的e m t p 所利用，a i 、p e m t p 不属于公共域内。 1 9 8 4 年初，d c g 的工作已对免费使用e m t p 构成危险，原b p ae m t p 的开 发者之d r w s c o t tm e y e r 为了维护e m t p 的可免费使用性，于1 9 8 4 年的2 3 月份，终止了1 2 年的e m t p 开发合同，并将他所有的业余时间用来开发一个富 有生命力的替代程序，a q 、p 程序正式诞生于1 9 8 4 年秋。 到目前为止，在世界上已形成了多个a t p e m t p 程序的用户协会，这些用户 协会通常按地域划分，包括加拿大美国e m t p 用户协会( c a n a d i a n a m e r i c a n e m t pu s e rg r o u p ) ，拉丁美洲e m i 、p 用户阱会( l a t i na m e r i c a ne m t pu s e r g r o u p ) ，欧洲e m t p 用户协会( e e u g ) ，澳大利亚e m t p 用户协会，南非e m i 、p 用户协会，日本e m t p 用户协会( j a u g ) ，韩国e m t p 委员会( k o r e a ne m t p c o m m i t t e e ) 以及中国台湾e m t p 用户协会( 包括香港和新加坡) 。 2 a t p - e m t p 的功能 e m f p 程序的基本功能是进行电力系统仿真计算，典型应用是预测电力系统 在某个扰动( 如开关投切或故障) 之后感兴趣的变量随时间变化的规律；将e m t p 的稳态分析和电磁暂态分析相结合，可以作为电力系统谐波分析的有力工具。另 外，e m f p 程序也广泛应用于电力电子领域的仿真计算。 目前，a t p e m r p 的数字模型包括以下几种： 集总参数电阻r 、电感l 和电容c ； 多捎p i 等值电路； 多相分布参数输电线路； 非线性电阻( v i 特性曲线是单值的) ： 浙江大学填士论文 非线性电感器，既可模拟常规的单值特性曲线，也可包括剩磁和磁滞； 瓣变嘏阻： 开关，用来模拟断路器、活化间隙及其他网络联接的改变，= 极管和晶闸管 也包据谯内； 电压和电流源，除了标准的数字函数波形外，硐户还可用f o r t r a n 或t a c s 米定义波形； 动态旋转电枫，除了禳拟最常用静三稠同步嘏枫外，还可模拟单相、= 相和 ! = ；! 三相感应电机和擞流电机。它与t a c s 控制系统模拟相联接，从而可模拟电压凋 慧爨葶爨璃速嚣等豹动态黪枣圭。 控制系统可以用t a c s ( t r a n s i e n t a n a l y s i so f c o n t r o ls y s t e m s ) 来实现，允许 不同秘类躲j 线性鄱逻辑运算。控巷系统的竣入秘输出霹以窥e m t p 软瞧网络 相接日。 a 1 、p - e m l p 还配备有图形输入程序a t p d r a w ，目前的最新版为1 4 版， , 6 ( f p d r a w 4 是个3 2 为程序，可以在w i n d o w s 9 8 n t 下运行。a t p d r a w 作为 a t f - e m ”胛的一个前处理程序，最终生成一个格式正确的a t p e m t p 的数据输 入文朝：。 簸迁火擘碗l 二缝文 第一章电流互感器的稳态和暂态特性 唾。 基于a t p 的电流互感然仿真模糕 在毫力罨绫继京保护钓数字嫠嶷中，惑滚蔓戆嚣傣奏模型麴耩发，妻接影赡 黉保护装鬟乃至藏个僳护系统静傍囊耩壤。困我，黪绥建立髓够歪确反获蠢流露 感器非线性励磁嗽感动态特性的数字仿真模型。 大多数的傈护羽继魄器都班电流甄戆嚣筠输磁魂流为电流输入信号，戳魂聪 噩感器嬲辅燃为邀压输入信号，甄感嚣与魄力系绫瓣联接熟銎l l 。 e f p 电力系镜模鬻 l 铸 j 采 趣 缝 幽 援 簿 钱 爨1 1 丝感嚣与电力豢绫趣联接辍l 2 魏禽t a 摸搿蕊邀力系统摸测 诧箍鹩电流互感器模型基于e m t p 特性，t a 模型可以方便蛾与用e m t p 秘 序建立的电力系统模型桕联接，如图l 一2 所示。 t a 黧有关参数，篷掇v | 将毪鼗线稠二二次绕缝熟糙承，霉浚鼓制造蠢翘褥剿， 蠛考霹豁遽遥测爨缛到。 e m t p 疆净提镞一秘犟撵、铁：枣煲肖 # 线毪褥梭戆电滚互感鼷揆墼，这秘横 戮是通过在理想变征器横型中加入非线性的电感得到的，如图1 - - 3 ( a ) 。e m t p 搬激磁支路作为棼线性电感，菲线性电感的 一i 特性被撼述为分段辑线，辩爨 躁户按照一定豹藜式输入羧攮。窿予丸一l 特经魏线凝难撼爨，瓣憩e i v i t p 爨爨 了一个辅僚的子稔序h y s d p r ，弼戳把通常使用的v 。l 。特性转化为x 一 特瞧。 e m p7 l 、提供了4 种非线性的电感元件，称谓9 8 型非线性电感元 牛，它的 一l 符| 筵覆 l 绫舞努菠_ 辑线。褥弼黧饕绒健邀戆元箨联接整理惩交藤鬃戆二次鬻； 如圈 一3 ( b ) 所示。褥羽的电流互感器的模型与e m t p 掇供的电流互感器韵模 型是等效c i 。 浙江大学硕士论文 r pl 。p r sl s ( b ) t r r 8 l s r ，p ；堡删缝组世陛 r s ；玖侧绕组l u 阻 n 。：= 兰掣譬磐漏艚l s ： ：裂萄藐藉磊磊 t r ：理想变h 器 幽卜一3 丛je m t p 的t a 仿真模班 由于以上的两种电流互感器模型的铁芯特性都是单值特性( x i 特性曲线 为分段折线) ，因此不能模拟互感器铁芯的磁滞特性。e m t p 程序还提供了另一 种非线性电感元件：9 6 型非线性电感元件，该元件可以描述铁芯的磁滞特性。 用户可以通过输入最多1 6 个 一i 点来确定电感的非线性特性；同时e m t p 提 供的子程序可以将v i 曲线转化成具有磁滞特性的x i 特性曲线，在使用该 子程序的时候，需要指定v i 曲线上的饱和点。这样，将图1 3 ( b ) 中的9 8 型非线性电感元件替换成9 6 型非线性电感元件，就得到了即能仿真t a 饱和又 记及磁滞特性的电流互感器模型，如图1 3 ( c ) 。 实验室电流互感器动模试验及a t p 仿真计算表明，图l 一3 所示的三种t a 仿真模型都能在一定的程度上满足电力系统数字仿真的精度，特别是以9 6 型非 线性电感元件模拟铁芯非线性电感特性的模型，不但可以仿真1 a 的饱和特性， 而且还可计算激磁特性和剩磁的影响，数字仿真精度高。 1 2 电流互感器的稳态特性 电流互感器的原理接线图见图1 - 4 ，分析电流互感器的工作情况可根据图卜5 所示的等效电路进行a 图中各参数均归算到二次侧，其中z ：为一次绕组的漏抗， z 。为二次绕组的漏抗，z ，。为负载阻抗，z 为励磁阻抗。 渐江大学坝士沧文 蒋t 霞砑# z | d 鞠卜4 张的原理接线萄黼l 一5 张的等值电路圈 从等效回路可键其二次电流为： z d ，一电漉互感器二次电流； 式中，：一电流蕊感器次电流妇葬到二次铡之值； t 一励磁电流归算到二次侧之值。 电流互惑嚣的误蒺是由翮磁电流产生的。励磁阻抗越大，误差越小。误差包括比 麓和角差。 线路距离镶护要求褒线路末端短路辩溅羹精确，藏巍按这稃情况进行校验， 也就是要求电流甄感器的误差不超过1 0 。 1 2 1 电流互感器的比值误差与相角误差 电流互感器的相量图如图1 - - 6 。 磁通怒由j 。w 。产生的，j 。w ，称为激磁磁势，激磁磁势j 。砒的相位和大小 决定子攘剜电流互感器次缀电路的 负载，以及铁芯材料的导磁率和电 溅夏凄嚣戆结橡参鼗，冀大小只占 ，- w 额定值的很小比例，电流，。称 谬激磁电流。 显然激磁磁贽，ow l 即要平衡 次级磁势，：w ，又要平筏初级磁势 ，w ，。因诧，它威该满蹩“。f 蕊的条 件： ，# w = ? 獭+ | ：w 2 + a 计躐l o w ,蔓磐u 8 r o b b + f 例l 一6 电流乱感器卡日糖图 ( 1 - - 2 ) 也可敬写成如下形式： ，i w l = i o w l - - i 2w 2 f l - 3 ) 澎荩( 一3 ) 可筑，耪缀磁势，l w i 表示旒转了1 8 0 。豹浚缀磁势j i w 2 ( 诡就是 一，w ，) 与激磁磁势，。w l 的相爨和，由于有j nw l ，j ，w ，和j 2 w ，就不辩大小 坼江大学硕士论文 ，ow 所引起的电流互感器的误差，通常表示为 s ：一! 迅= n j 6 l 。w ， ( 1 - - 4 ) 式中，成为比差，用百分值液示： 弘生字x 0 0 肛( - 2 k , - - ) x 1 粼 ( 1 _ 5 ) 式中：k 。= t 2 。，成为额定变跑。 在相擞图l 一6 中，可以证明，直角三角形a b c 的角z c a b - 7 - q + 1 l r ；1 i ，为 电滚互感器的铁芯损耗角。由予魄滚互感爨的6 ，一般较小，小予2 0 ，髫她霹酷 采鞘以下晌比差与角差韵计算式： 产1 ，- ，l l * 等一扣( 咿) 0 0 0 ( 嘲) 喜。s i n 乒里叁；3 4 3 8 l oc 。s ( 1 井口) ( ，) ( 1 - 7 ) c ot ， 式( 1 - - 6 ) 黍以3 4 3 8 是将弧度纯成分。麴将稳量墅藏在壹楚坐耩寨复平嚣上，j 2 为正x 轴向，且把，o 向量标为，o 如我们将看到向量1 0 1 i 。的矢端坐标( x ，y ) ， 分别表示呶流互感器的比菠和角蓑。 如采魄流互感器的诧德误差习i 大于1 0 ，角度误差或不大予7 “。 规程规定，保护用电流互感器( 包括中问电流互感器) 的稳态比值误熬不应 大予 0 。因筵，在已翔包括二次电缆套内豹受裁隧抗z 毽，奁遥遗最大短路 电流条件下，要求电流互感器的误差不大于1 0 。1 0 误麓曲线可以利用制造厂 客提供的瓷拳墨，或裂用 纛滚互感嚣瀚铰安特援麴线求窭。 在我豳，继电保护用的电流互感器一般分为d 级和b 级，它的使用条件是 在规定负载阻抗和短路电漩对额定瞧滚的倍数下，瞧滚魄傻误差不大于1 0 。男 一种用于测量表计回路的电流互感器为0 5 级，它在额定电流条件下的电流比值 误差为0 + 5 ，但不保证谯短路电流条件下的误差值，所以测量用电流互感器一 般不接入继龟缣护或放簿最渡装鹫。 1 2 2 电流互感器鳇1 0 误差莹线 电濂要感器的1 0 谩麓鳆线，楚噬一次题路滤过豹最大毫流与瞧滚互感嚣黪 额定电流的变比1 1 3 为横轴，以流过此电流互感器的误差不超过1 0 的二次侧负 载阻抗z i 纵轴绘制的曲线。在校黢继电僳护的二次工作条件以及选择二次凰路 秘导线藏糯辩，常常要爝绷电流互感器的l o 误蓑曲线。l o 误差鞠线一般由制 造一商提供。如果制造厂商不能提供时，也可以通过对采用的电流甄感器进行实 渐江大学确，k 论文 际测量和汁算来求出。在现场实测中，比较方便的一种方法，是利用电流压感器 瓣铰安特瞧来求褥1 0 误差莛线。图 一7 矮示为l r o 一3 5 型羁l d c d - - 1 0 型 f = i 流互感器的1 0 误差曲线。 校验电滚互感器误茇时，摄攒实际短鼹电流对瞧滚萎感嚣额定一次电溅的比 值m ，从1 0 误篾曲线取得电流互感器的允许负载阻抗z l 值。设继电保护装置 的阻抗为z ，z 。饭与二次电流回路的接线方式和短路类型有关。二次电缆的电阻 h 应为 靠z ，z ， ( 1 - 8 ) 翔巢瞧滚互肇嚣豹误慧不戆瀵足枣手1 0 豹瑟求对，产生戆麓聚是，潮子轰 皮电流或阻抗原理的保护，将产生灵敏度降低或保护范围缩短：对于反应电流差 动原理黝保护，出于不平挺电流瓣增大，差动保妒可缝发生误动佟或拒凌。 添 毫粤 蠖 蔷 嫩 艇 溪 摧 巷 = 二次负荷，q 。k 沪3 5 臻电流互感嚣 幽1 - 7l o 误蔗曲线 1 ，3 电流互感器的暂态特性 1 3 。1 电流互感器励磁瞻流和二次电流 = 次燕葡，o p o 1 0 电漉互感器 1 0 0 0 5 为了简化计算，把电流互感器铁芯， 中懿毒敲臻耗、一次绕缀懿漏挠秘毫狙 f|f| 略去不计，并把= 次绕组的漏抗和电阻 “ 1 声 2 疋辛 弼受楚等效毫感翻瞧魁，虹募n - 起，+ 一之厶耋 用l 2 ，r 2 表示，此时，l 翘流互感器的 一l 一_ j 等效电路如图l 。8 。图i 乒，l 。和 2 分别 剀l 一8 坶比厉的t a 等效电路 爨励磁电流和二二次电流，i 1 2 是折算到二次侧的一次电流，l u 是励磁回路的等效 电抗。 摄暑鬻簪器贰辩疆誉_ 浙江大学碗士论文 在以上的简化条件下，描述电流互感器暂态过程的电流方程式，可霹为 p ，等砘十五鲁 丁母肾警 ( 1 - 9 ) ( 1 lo ) l 2 等，t = 鲁 ( 1 _ 1 1 ) 式中t 。与电流互感器励磁之路有关的时间常数；t 2 电流互感器二次网 路的时间常数 卜电流互感器的时闯锘数。 浚获生短路敬障对，掰算到旗流互戆器二次耱j 豹电流为： i 1 2 = - 1 1 2 。c o s ( o ) t + 口) + ，1 2 ，c o s 艘一7 7 1( 1 1 2 ) 由式( 1 - 9 ) 式( 1 1 2 ) 可的： i 。= i ：+ i e = 一如。，婴s i n 渺+ 罐+ 艿+ 彩 c o s 谚 百t , s i n 8 f s i n ( g + 8 ) + c o l- 7 , 飞：，雨t , - r ：i c o s ( o r + 8 ) e c 0 9 1 7 r e “1 _ 1 3 + ，m i 二一 l 一锄，i 丁g 。”； 妒= a r c t g m 瓦 6 ：。r c | l ”掰f z 。生 r 旗中：伊电流互感器二次负荷的阻抗角：艿_ t a 的误差角；i ，励磁 邀流豹瓒期分量；i 。藏磁蠢漉靛菲蠲麓分量；互：一次系统鼹闻常数。 非周期分量包含有两个分量：一个以时间常数t 衰减，一个以时间常数z 衰 减。 设二次负荷为纯阻抗，即伊* 0 ，则二次电流表达式为： i 2 = i 2 ：+ f 2 = 一j 1 2 。出气s i n 8 c o s ( c o t + 8 + # ) 一。等s i n 8 s i n + 拶) 十五c o s 他十艿) g 一，”】+ k 。乏c 。s 蝴一， ； 门。1 4 2 lj 一 二次电流非周期分量包含了以时间常数t 和i 袋减的两个分量。由式( 1 1 2 ) 可知，在i 。：中没商以时间常数t 褒减的分量，所以t 。中以时问t 衰减蛉分量氍 嚣穗蠲獭磁电流f p 中对寂的分薰蹩一样豹；丽f ：。中戬互嶷减的分量，则为1 1 2 和 i 中相成分量的麓值。 当5 0 ，s i n 艿0 ；够e o s a s i n o ? 瓣，式( 1 - - 1 4 ) 哥馥麓锯为： f 2 。f 2 ；+ i 2 。一，1 2 。c o s ( o x + 口) 令d 砷a t = 0 ，可求出达到最大值i 2 f z m 的时间t 。为： ( 1 - 1 5 ) 濒江大学磺i 论文 z 萨墨t 呼r m 器；呼一毒t 27 一? ；7 假设短路电流中只有赢漉分擞， 蕊器藏磁逛瀛静轰流分量稚应灸： f 1 - l 酗 即：i 1 2 = ，m ，e o s 翻e “”；，则可以德到电流互 铲 ：一。s 搿【鼎e - m + t n 2 - t j s “ ( 1 一1 7 ) 令惫嘲焉。“。鬻q 隆灞 设c o s a = 1 ，对毛= 0 0 0 2 3 9 s ，夏= o 1 s ，咒= 2 s ；瓦= 0 0 0 2 3 9 s ，夏= o 1 s ， 7 j = 01 2 s ；瓦= 0 0 0 2 3 9 s ，五= o 3 s ，l = 2 s 兀= 0 0 0 2 3 9 s ，夏= o 3 s ， 7 j = o 1 2 s ；四种情况求f b 四条曲线k 口o * ，( ，) 。 图1 9k f z o = f ( t ) 由图1 9 可以看出，在第蠲种情况下，由于短路电流非周期分量引起的励 磁电流达到短路电流峰值的一半多。而在t a 严重饱和的情况下，t 。将变小，励 磁瞧浚褥变褥更大。 电流互感器铁芯中的磁通方程为： 妒= n l 辔= l o i 。( 一1 9 ) 其中：中为互感器铁芯中的磁通，舻为铁芯中磁通对应的磁镳。由式( 1 一 1 3 ) 誊l 式( 1 一1 9 ) 可疆骜氆，暂悉电漉嚣感嚣铰蕊中静磁通由蠲期性交纯的磁 通和非周期性磁通组成。一般情况下，暂态磁通的变化规律如图l 1 0 。 l | 图可 霓，开始辩l 周期分量骚惹辩闻戆壤热蠢壤长，裂二惑这要l 最大壤，然纛磁遗 缓慢衰减。暂态过程中磁邋的最大值比稳悉磁通的幅值大很多倍，其倍数称谓暂 惫倍数。在设计暂杰保护用的电濂曩感器啦，其铁芯截面的选择要以暂态傣数为 裱掘。 一一一鬻一一纛_凄一鬟幽一1_叶小也。 浙江大学硕士论文 艚絮 ，t 一错琳磁通壁他规摊； o 暂卷黻逝串的用删分盘 霭1 1 0 暂态磁通的交钝规律 1 3 2 影嚷电流互感器饱和瓣因素 纯襞攘 根据以上的分析，影豌电滚露感爨镶葶b 的隧索主要蠢以下且点； ( 1 )一次侧暂态短路电流中非周期分量的大小，与短路电流水平和短路 时刻有关。 ( 2 )一次诵系统豹时阔常数。 ( 3 )二次侧负荷的大小与性质。 ( 4 )毫淡互感器铁苍孛鹣剩磁。凌予奁歪零运行情嚣下，逛滚曩感器铁 芯工作在低密条件下，发生短路后剩磁对电流互感器饱和影响不大， 但当短路切除屡，铁芯中的磁通将淤饕磁滞睡线下降到剩磁蕊，如 果剩磁的极性与故障时短路电流所产生的极性相同，铁芯将更快地 趋于饱和。 稷攒藏流互戆器韵等傻电路，可戳褥翻毫流露感器的磁链方程魏下： 譬= ：等+ 蝎 ( 嘲) 虫m 1 。一j 将上式耀逸辍分褥矽( f ) = y ( 0 ) + l 2 i 2 + p 2 2 盛，将毛= i i f 。钱入主式褥 到： j f ，( f ) 2g t ( o ) + ( l 2 i i + r 2 i l 矾) 一( l 2 i u + jr j , a t ) ( 1 - 2 1 ) 当电流互感器次铡瞧滚为纛流露，式( 1 2 1 ) 瓣较分是一蹇增黧瓣，最 终将使得电流互感器达到饱和磁通，从而使一次侧电流全部流入励磁支路，二次 侧电流变为零，不能传变一次侧呶流。由此可见，偏向时间轴一侧直流分基，导 致磁链积分谴的涟续增加，最终逐使t a 进入饱和状态。如输入激励是纯稳态交 流分量，因交流分量的积分在正负半周内足相互抵消的，所以t a 在一个周期内 濒江大学蛾 论立 总是有一段时间饱和，而段时问退出饱和，正负半周饱和时间相同，波膨顶部 有穑变，麓本上鼹够搽谣波形正弦，这跫t a 稳惫键帮戆遥程。 实际电力系统中故障电流由衰减的直流分量和稳态的工频分墩组成的，衰减 的囊滚分整匏持续积分传瘸导致t a 进入锪秘，魏暴剩磁方囱和纛滚分量驰缍用 嗣向，饱和将更加严重： f 丽工频电流在一个周期内积分等于零，叠加在衰减直流 分量上届使r f a 农一段时闻内工作在偏向予励磁特性一侧的饱和区，电流程一个 周期内一段时闻镶和，一段时间邋出饱和。这就怒t a 的暂态饱和，随着时间纳 推穆，当直流分擞衰减结束，导致励磁电流越来越小，最后，r r a 就完全退出饱 秘，并且戆够正确麓反酸一次翻的稳态籁爨 毪滤。在藏簿聚发生豹辩姨，囊滚分 燎的持续时间还没有使t a 达到饱和。一般1 a 在故障发生后的1 4 个周波时间 肉还没鸯进入邀瓤，这怒诲多保妒装置熙寒捡锲敬魄帮的一个黧要特缓。 由j 。1 1 a 饱和主要是由于非周期分量在励磁潮路逐渐建立起饱和磁通而产生 的，所以一次回路的时间嚣数的大小也是影响t a 饱和的藏要因豢。当一次系统 的时间常数较大辩，幽予非周期分量电流在t a 的励磁线潮内由靛够长的增长时 间，即使短路电流不大，也可使t a 产生较为严熏的饱和。 获邀潦互感藜豹1 0 误差鏊绫，霹戳器出较大豹二次铡受载辫抗更荔使t a 进入饱和，同时，r a 二：次侧负载性质的不同也会对二次电流波形产生一定的影 响。 1 3 。3 电流互感器的剩磁 电流甄感器的铁芯有霹能存在剩磁，这是继电保护运杼中武临的一个重要问 黻。在电流系统中，为了减少电流互感嚣豹铁芯损耗，一般采用磁滞圆线较窄酌 醚钢片。但这类镀钢片的剩磁b 。值通常都较大，使得电流互感器在使用时的 有效磁遴密度交缳莲豳大大减小。铡鲡，瞧流互感嚣豹镱粒磁逶密度兔b 。，翔 对于不存在剩磁的电流互感器来说，它的有效磁通密度变化范围为：a b ，= b 。 当电漉互爨器的铁芯毒剩磁磊，工作的磁通密度只裁麸剩磁b 。增大到魄彝磁 通密度b “，此时的有效磁通密度变化范潮为a b ，= 口。一曰。照然，有效磁通 密度的变化范围火大较小。衡量剩磁的影响可用电流互感器的剩磁系数k 。来 表示： k = 芒麓 ( - 2 2 ) 对于习；带气隙的电流甄感器，系数k 。值一般为2 3 。如果电流互感器的铁 蕊带气黧，b l 鞠线基本上接遥一条壹绫；瓮时。电流甄感器铁芯中酌剩磁狠 小，通常小于0 i b 。，剩磁系数k 。值接近于1 。 在j e 豢： 委疆狡下，二次邀流不大予5 a ，电溅互感嚣豹王佟磁逶整凌终兔死 百高斯，实际上彳i 存在剩磁问题。但在通过短路电流时，缀路电流有可能为一次 浙江太学瑚j 论文 电流的几t 倍，而月短路电流中。规含着非周期分嫩，因此在短路电流被切除的瞬 瓣，铁芯傻可戆王捧在缀麓豹磁遴密度条 譬下。隧痿铁蕊蕊磁逶密度羧二次圈躜 的时间常数t ：作指数衰减，最后达到在该磁滞吲线下剩磁值。强不带气隙的电 流互感器中，剩磁的数值霹能很大。在短路消除簸的正常工作条佟下，交流电漉 的幅值较小，不能对剩磁起到有效的去磁作用，剩磁要经过一定的时间后才能被 消除。而在电流系统短时内第二次发生短路时( 如系统出线重合闸于永久性故 辕) ，暂惫磁逶嚣j 剩磁磁遴有可虢在数值上是代数穗翔，如莱这样，电流赢惑器 的磁通不是由零增大到饱和值，而是从剩磁开始增大到饱和值。由于磁通的变化 蕊圉变小了，铁芯达到镪秘瓣露闼更短。磁逶的衰减以及在第二次短鼹孵增长戆 情况如图卜一1 1 。 l p 8 b o 图1 1 l 电滚匿感器剩磁熬变纯 图中，t o 为第一次故障后继电保护动作时间，t 为切除故障的全部时间，t d 为 溅次短路之| i 珏j 瓣时糍阙隔。在藏簿翻除器，磁逶密度衰壤到蘩l 磁器。奁繁二次 发生短路时，磁通密度在1 3 。的熬础上迅速增大到饱和磁通密度b 。如果重合 予永久性故障，幽予短路脚隔时间t d 较蟪，磁通密度还没毒衰减到剩磁1 3 。僮 就又迅速增大，使得电流互感器达到饱和的时间蹙短。 电流互感器的剩磁是一个保护运行中谳临的现实问题。加拿大安大略系统曾 瓣该系统中搜臻豹瞧流互感器俸遥溺量，发现有5 0 戮上的毫流嚣感器其商5 0 标么值以上的剩磁。在超黼压电网中系统的时间常数t 值很大，电流互感器的 工终条传楚为严豢。因此，近年寒，在中麓压毫弱孛基广泛蘧聚弱整骞夺气溶邃 电流互感器，以遗应快速继电保护可靠工作的需要。 浙江大学蛳士论文 第二章电流互感器的饱和检测方法及抗饱和攒旌 当电流互感器发生魄鄹时，二次侧的瞧滚会发生缺撰秘噫变，褰易弓l 起保护t 的误动作。因此如何正确识别t a 饱和时刻对保证保护的藏确动俸肖重要的意义。 关予电流甄感器饱和的判据，耳前已经提出了多种方法。我们对以下的几种方法 进行简罄的讨论，并指滋各种方法的优点和存在的阔题。 2 。嘻电流毙捆法 浚方法蹩擞掇母线蓉葫镣护豹特点寒签聚电滚互感嚣戆德嚣l ，菠疆只燕逶弱 丁。母差僚护中。 设，( m ) 为第i 个造接元件第m 瓣刻的电流采榉傻，。为越隈值， i 1 n 为连接元件，b 。，( m ) ，蛾，( m ) 为第i 个连接元件第m 时刻的电流正、负 半波越限标志，s 。( 州，s 。( m ) 母线。t 所有迹接元中l ：第啦时刻的电流正、负半波越 蔽标志稳。 其中， s ，( w 幻= 嚣( m ) ，s 。( 搠) = 艿。，( 埘) t 鳓= e ? 器i 2 ， 聃归器? 嚣i 之 没，。；整定戈躲蹲线上各个迤接元黪戆最大受莓，剡在正零运行方式下， s ，) ，s 。( 嘲均为零。 对于母线内部故障，所有连接元件( 馈线除夕 ) 的电流都是流向故障母线， 它雷豫4 稠位是一数的，剐s 。( 辨) ，s 。( m ) 必肖一。个为零，另一个大予或等于l 。 对于母线外部故障，所有连接元件( 馈线除外) 的电流都是流向故障线路， 宅饲豹鞠位是不一致麓，刘s 。( 确，s 。枷) 必有一令爻1 ，鬟一个太子或等予 。 对于母线外部故障，如果故障线路t a 完全饱和，饱和后故障线路t a 二次 恕滤可能失零无淡进行比援，毽锪秘翦弧线性铰变区时霹滋魄攘鹣，爨s 。m ) ， s 。( 川) 必订一个为l ，另个大予戚等于1 。 因为姆线内部故障和姆线外部故障母线t a 完全饱和时差动半据均成立，满 怒动作条件。为了区分上述情况，首先根据瓣时谯电流差动判据谈剐出“蹲线内 部故障”，以此时刻为基凇向前回退几点，如果s 。( 牌) ，s ，( 卅) 至少有一次为1 ，另 令太予绒等于l ，羁霹髑为母线终部敖簿融镱帮；麴莱s 。( 删) ，s 。f 确必舂一 个为零，弼一个大于或等于1 ，则可判为姆线内部故障。 浙江大学礤士论文 基于电流比相法的t a 饱和判据，并已成功的运用于w m h * 1 0 0 a 微机母线 绦护装置巾。 2 。2 基于采样值的网步识别法 基于采样值的同步识别法与电流比相法一样，只针对母差保护丽言。 该方法基予戳下两个静挺： a ) 母线区内故障，电压闭锁元件动作，差动保护判据动作。 b ) 蹲线区外放障，t a 磋；镪耪，邀琢翊镂元结瑟箨，差动臻轳粪器举动作； i _ a 完全饿和，电压闭锁动作，差幼保护判据经历不动作、动作两个阶段。 扶母线区终故障发生戮1 a 舞始饱和这段时蠲走，母线电压下降，毫匪闭锬 元件动作，茇动保护剿据动佟；t a 完全饱和，电压闭锁元件动作，差动保 护判据先经历不动作阶段，嫩时后差动判据满足。其中母线魄压检测采用较 敏感的翔据；三相低电压、箨序电蕊、三稠电压突变及零序瞧压突变。t a 饱和识别逻辑如图2 。1 。 | 芹曲州据不满足 l劫作冬纷 t aj ；判据启劫 ：互囊网葫 蚓2 一lc t 饱羊识划逻辑单元 基浆样毽熬同步瞢；l 蹋法的t a 饱帮潮霸己城凌静遮翊予w m h 1 0 0 徽枫霉 线保护装旨中。 2 3 中阻抗原理 中阻抗型母线保护采用了快速、灵敏、采用蹴率制动式电流麓动保护方案， 既具有低阻抗、黼阻抗保护的优点，又避开了它们的缺点，在处理t a 饱和方 瓣其青猿突熬饶势。特爨楚中阻抗整霉线保护首次实现动作爵闽小于1 0 m s ，被 称为“半周波继电器”。实践证明，目前中阻抗型母线保护是一种最好的母线保 护方案。 中阻抗型母线保护方案于6 0 年代末在i e e e 上发表。7 0 年代初由瑞典a s e a 公司研制出基于中阻抗方寨的r a d s s 母线保护，在赫兰糍电压实验室傲了大量 实验，经蹙各种考验，谣明是一种较好的方案。迄今为止，r a d s s 保护在全世 界已有几干套在运行。后来。a b b 公司又推出了r e b l 0 3 系列的中阻抗型姆线保 一 驯 一 h 州 浙江人学硕士论文 护装置，它仅对箍动回路做了较少的改动，仍然保留了中阻抗型母线保护方案。 我爨第一套中阻菝燮母线绦妒运孳亍予华中邀网5 0 0 l v 最霆t l j 变奄懿。理在， 我国已有近千套中阻抗獭母线保护在运行。除了r a d s s 保护外，美国g e 公司 的b u s 一 0 0 0 、中国许继公司戆j m 卜l 、上海继电器厂、阿城继电器厂、南京 电力自动化设备厂的等中阻抗型母线保护装置均在我国电力系统中广泛使用。 一) 中阻抗原理分析 中黻抗壅母线保护方案基予两个基本假设： ( 1 ) 对于外部故障，究佥饱和的连接元件的t a 二次回路可以只用其全部直流 圈路电瓣表示。 ( 2 ) 对于内部故障，空载的连接元件的t a 二次回路可以用一个较大的励磁阻 抗表示。 中黻抗型母线保护方案十分简单、巧妙。它由全波熬流二极管、整流桥、电 阻、干簧继电器构成，其原理如阁2 2 。其中，r 为差动电阻，犬。为制动电阻， 囊。为羞阏路辘翔电阻，、瓦。、为辅劲变流器，瓦、瓦为电流互 感器，d ，为整流桥，c 。为差动继电器，c 。为整流继电器，丁赫为差动变流器， ? 。鸯滚遴继遣嚣熬惑毫浚，j 。为漉送茇霾路黪慧毫滚。 n e n 】 i f - 1 2 2 甲1 # 线筹幼保护原理简闰 经搬导，其动作方穰觅式( 2 ，2 ) 。其中，s 为制动系数。 ，d l = s ，? 十丘( 2 - 2 ) 二) 各种运行状态分析 1 ) 正常运行状绺 设流入差动嘲路的不平衡电流为a ，。( 0 a 1 ) ，整定时其援选取适当的制 础系数s ，保证满足式( 2 * 3 ) 就能实现稳定可靠运行。 “，7 s j ，十 。三融f 尘! 弦蛾砖= 三妒( 三)g 1 0 ) 甜牲拜辩 从某种懑义一 ：讲，卷积遂算就是求两个溺数相似縻的运算，遮种意义上的小波变 换w 1 、旺x ( 1 ) 可以瓣碰疑信号x ( t ) 邋j 建冲击魄应为单程( t ) 的系统蝣购输出。 一般取萨致l 毯z ，蕊t 取逶续变纯麓值，剡上述小波变换被称为卷粳型二 送小渡交换。 ，j 、波变换蘸奇奔点梭测骧遴建立在下述嚣个蒸本概念静鏊确上： ( 1 ) 0 ( t ) 是某一个实函数，只要满足 溉x ) 波：l ，；? 劳) ：0刚 ) 一： t 卜 粼稼o ( 0 港兜瀵溺数。竞滑函数鹣麓量遴鬻集中巍低频段，戳j 籍：，o ( 0 可戳蒋戚是 - 4 、起。t l 滑作用的低通滤波器的冲击响鹰。在一般情况下，o ( t ) 敷为高欺龋数或 三凌棒祭避数，奁鲡灏2 - 5 鬟示魏棼法中，蘩号x t ) 羧簿) 平瓣蓐褥￥，嚣瓣y 秭 求导z ( t ) ；等效予戡犊用d o d t 对x ( t ) 进行处理，即信号经平滑艏再求导，等效 于直接j = l ；l 平滑函数的导数对浚债母进行处理。这等效性剿用控氏变换缀瓣易证 骥。 ( t l 鞠y ( t ) d t - z 射x 。、一口( t l 卅 ，碥。 簿薮予 型抄训8 l 型”“” 广 l| ， 已r 爪 弋 拦z s 等效羽秘静疑理南法 翻2 一篷盖瑟蕊黧豢 ；i 留烈。 ( 2 ) 任何一个低邋的平滑函数0 ( 1 ) ，其番阶导数必定是紫避殴数，毽为根据傅 立h 变换的微分定理，它稍的频率特性在m = o 她必鸯零点。因此，v2 ( t 产 d o d t ，矿f t ) = d 2 0 d t 2 霜( 1 ) 舔满霆蘩零小浚戆容谗象锋，都霹瑷嚣稼，j 、渡 臻挨瓣基本小波。 i = i _ j 上述的分析可知，如果选择小波函数v 1 ( t ) 为某一低通平滑函数o ( t ) 的一阶 譬数，剩哪餍审( 1 ) 对信号x 馥) 进行小波变羧。姥辩小波变换懿零点疆蹩d v ( o d t = o 之点，蠲y ( o 嚣辍镶点掰在( y 1 ) 楚x ( 螃禳( 辞警潇嚣麴缝莱) ；小液交按豹援毽 点是d 2 y ( t ) d t 七o 处，即y ( t ) 的转折点。在极限悸援下就是阶跃点。该结谂对基 本小波的伸缩v ) 一( 1 蛳v i ( 嘲，v z e t ( t ) = ( 1 o r ) v 2 ( 魄) 也埘梯适用。 蓑选小波函数v ( t ) 为毙潺函数的阶撂数，酆v ( t ) = d o d t ，网榉记8 旺( t ) 一( 1 a ) 转( t a ) ，撼霹售号f o ) 的枣渡交换哥戳霉袋； ， 件名p ) = 厂0 ) + 、以o ) m 口。= 【f q ) + 吼( ，) 】( 2 - 1 2 ) 浙江大学颈士论文 即信号f ( t ) 的小波变换w a f ( t ) 可表示成f ( t ) 在尺度a 被o a ( t ) 平滑聪的一阶导数。 国圈2 - 6 魄较绩号嚣1 ) 与其枣滚交歉w a f ( t ) 翡波形，爵菇潦楚遥看戮；w 程f ( o 幅氇 地极大值点对应域f ( t ) 地突变点t o 及t 2 。因此，如果选择小波函数为光滑函数地 除导数，爱唾出小波变换w a f f t ) 豹蜓僮极大僮点霹鼓检测垄售号稼) 数