电流差动保护中a饱和的分析与改进

电流差动保护中a饱和的分析与改进

1鉴别ta饱和的方法电动保护作为一种简单可靠的保护原则，在大型高压设备的保护中得到了广泛应用。由于差动保护在原理上依靠对被保护设备各端的电流的综合来区分内、外部故障,因此TA的变换精度就成为影响保护精度的关键。在高压线路保护、特别是在多端、强电源、短线路严重故障时,经常会出现TA饱和的现象,当饱和严重时就可能引起保护在区内故障时延时动作,区外故障时误动作。长期以来,为了解决这一问题,人们建立了各种仿真模型对电流互感器的电磁动态过程进行了大量细致的仿真分析,在此基础上也提出了许多鉴别TA饱和的方法,这些方法比较好地解决了TA饱和的鉴别问题,其中时差法尤其具有简单可靠的优点,得到了广泛应用。但时差法也还存在一些不足,针对这一情况,相关文献提出了利用谐波比的判别方案等。本文在分析引起TA饱和的原因和TA饱和时二次侧电流的特点的基础上,利用波形识别技术提出了鉴别TA饱和的新方法,该方法是对时差法的一个补充,其特点是非常可靠,并且计算简单,易于整定,但需要较长的数据窗。本文最后给出了对这一方案进行的仿真验证结果。2次稳态电流幅值的提出分析电流互感器的暂态特性,了解暂态过程中电流互感器各电气量的动态变化规律是解决TA饱和问题的前提条件。为了简化对问题的分析,本文采用了简化的电流互感器等值电路,忽略了铁心的铁损,励磁支路认为是纯电感,并采用了铁心的基本磁化曲线。图1为将一次电流和励磁电流折算到二次侧后电流互感器等值电路。由等值电路图可得如下特征方程:(1)式中只有三个未知量,对(1)式进行化简就可以得到一个变系数微分方程,进而利用数值计算就可以求出三个变量的解。在一次系统故障时,引起电流互感器误差的重要原因是铁心的非线性特性,当铁心中的磁密达到饱和时,铁心的磁导率很快下降到一个很小的值,励磁电流急剧上升,一次电流中的很大部分变为励磁电流,二次电流严重畸变。研究发现引起铁心饱和的因素有很多,比如一次电流幅值,一次系统时间常数,二次负载的大小,铁心剩磁等,但首要因素是短路电流中的非周期分量,由于非周期分量绝大部分不能通过TA传变到保护的副边,而成为了励磁电流,引起TA励磁支路的饱和,非周期分量越大,衰减越慢,TA饱和问题就越严重。因此本文考虑了无直流偏移的稳态短路电流(2)和具有最大直流偏移的全偏移暂态短路电流(3)两种极端的一次电流模型进行分析。i1(t)=I1msin(ωt)(2)式中:I1m是归算到二次侧的一次稳态电流幅值;T1是一次系统时间常数。3ta饱和时的仿真结果按照饱和的严重程度,电流互感器的饱和可以分为轻微饱和、中度饱和和严重饱和。从继电保护的角度考虑,区内故障引起的TA饱和一般不会引起保护的拒动,主要是防止区外故障TA饱和引起的差动保护误动作,即判别TA饱和并闭锁保护的问题。本文采用ATP软件仿真得到一次电流无直流分量和全偏移暂态饱和两种情况下,TA的一次电流、二次电流及励磁电流的波形如图2、3所示。从上面的仿真结果可以发现,TA饱和时具有如下一些特点:a)在严重故障刚发生后,TA存在一个线性传变区,在这一区间内可以将一次电流正确传变到二次侧,仿真结果表明这一区间的存在的时间最少有几个毫秒,且随故障严重程度变小。REB103型母差保护就是利用这一特点在TA没饱和之前完成差动判断。b)对主要由故障电流中非周期分量引起的TA饱和,二次电流和励磁电流波形都相对横轴发生偏移,造成正负半波的波形不对称,其中差流波形偏移更加明显;c)对于由稳态短路电流引起的TA饱和,二次电流和励磁电流波形相对横轴呈奇对称。d)从电流过零点时起,二次电流和励磁电流每半波的前后波形不对称,对比一次电流波形,二次电流出现部分波形缺损,相对应的励磁电流每半波的前面部分也出现缺损。这种缺损的形状受TA二次负载的影响,其愈接近纯阻性,不对称愈明显。e)由于TA线性传变区的存在,导致了励磁电流最大值滞后二次电流最大值一个时间,该时间和线性传变区的长度近似相等。4ta饱和的判别目前国内外已经提出了很多判别TA饱和的方法,虽然主要是在母差保护的研究中,但线路差动保护可以类似引用。三菱公司的MBP-D母差保护利用波形识别方法,南瑞915型保护自适应阻抗加权制动和谐波制动,WMZ-41型和四方公司分布式母差利用差动动作时刻和TA饱和时刻不一致、ABB的REB500的静态最大值保持法等,这些方法从本质上都是基于对TA饱和时二次电流和励磁电流的波形特征的识别和提取,其中文献提出的时差法鉴别TA饱和最为简单可靠。上文已经提到,TA饱和是需要时间的,在短路刚发生的很短时间内,TA是未饱和的,因此对于区外严重故障差动保护动作时间和启动时间之间存在时差,而区内故障,保护的启动和保护的动作是基本同时的,因此检验时差就可以判断差动保护是正确动作还是由TA饱和引起的误动作。实践证明,严重情况下,CT饱和引起的启动与动作之间的时差约为5ms,考虑一定裕度,只要取时差为3.75ms,就可以正确判别CT饱和。但相关文献的研究指出,当TA极度饱和时,时差的精确测量存在一定困难,可能存在误判TA不饱和的情况,进而提出了利用小波技术鉴别起动时刻的新方法。但这种方法计算较复杂。本文在时差法鉴别TA饱和的基础上提出了对时差法的补充。这种方法仍然是基于对二次电流和差流的每个采样值的识别和判断的基础上,通过对时差法增加辅助判据来解决TA极度饱和的判别问题。具体判据如下:主判据:Δt>3.75ms(时差法判据)(4)辅助判据:如果,imax+/│imax-│>k1不成立否则,式中:imax——保护启动后1周波内的二次电流各采样点中绝对值最大者;imax+、imax-——保护启动后1周波内的二次电流各采样点中正负最大值;im——TA二次电流各采样值;imax、imin——差流中各采样值最大和最小者;in——差流各采样值;N——每周波采样率;iset——可整定的电流门槛;k1、k2、k3——可整定比例系数;对这一鉴别CT饱和的方法的解释如下:a)(4)式为时差法主判据,只要(4)式满足就直接判为TA饱和,并闭锁保护一定时间,这对于绝大部分严重饱和都适用;b)辅助判据(5)(6)进行判断主要是由于基波电流引起的可能引起时差法误判的TA极度饱和情况。它利用此时二次电流出现严重的缺损这一特征,(5)式表明二次电流已经超过了TA正常工作电流,iset按照最大负荷电流整定,(6)式左边表示采样值的绝对值位于0.2倍最大采样值范围内的采样点数,k2表示TA不饱和时(正确传变)位于该区间内的可能最大采样点数。通过对小采样值点数的累计记数,就可以判断出二次电流缺损的宽度,从而达到判断TA饱和的目的。c)当一次电流中的直流部分成为引起TA极度饱和的主要因素时,仿真表明,(5)、(6)式可能无法判出TA饱和,此时利用(7)(8)式的波形比判据。观察发现,这种情况下的励磁电流相对横坐标发生了明显的偏移,如果以波形的最大最小值的均值为对称轴,励磁电流的前后半波不对称很明显(区外故障时为差流波形特征),这是因为前半波是TA饱和的部分引起的,时间上不会超过半个工频周波,后半波是TA不饱和部分引起的,从时间上后半波远远超过了半个工频周波,因此利用(7)(8)式进行前后半波比就可以判断出TA饱和。这种方法不需要进行复杂的运算,只需对每个采样值进行简单的加减运算和大小比较,因此是一种简单易行的方法,而且整定也比较容易。5典型波形检验本文利用ATP建立了TA饱和的仿真模型,具体参数如下:TA变比:1200/5二次负载:20+j5;或20+j1励磁支路:采用非线性电感对普通励磁特性进行分段拟合,共分11段,未考虑剩磁等。典型波形如图(4)、(5)所示。图4中示出了一次电流和二次电流,图5中还给出了差流的波形,利用典型波形对改进的时差法进行检验的结果如下:定值:Δt=4ms,N=40,k2=6,k3=1.2通过仿真发现,对于绝大部分TA饱和情况,时差法可以正确检出,但对于TA极度饱和的情况,时差法可能无法作出正确判断,这时两个辅助判据可以进行有效判断。从表1中就可以看出,对于时差法无法作出判断的情况,辅助判据都可以正确检出,辅助判据完全可以作为时差法的有效补充,但需要一定的时延。6预防和控制dea从提高高压线路差动保护的整体性能出发,还需要采取综合对策来防治TA饱和,本文归纳如下:1ta暂态误差在选择电流互感器时,不仅应按照10%误差曲线考虑稳态误差,还应该考虑TA的暂态误差,特别是暂态过程中TA饱和时的传变误差,选择具有足够精度和相同传变特性的TA,同时还要考虑TA副方的负载影响,合理接线。2制动系数的选择针对TA饱和的时候电流较大的特点,可以在差动保护的制动曲线中进行反映,在小电流域采用较小的制动系数,在大电流区域采用大的制动系数,这样当TA出现饱和时,制动量较大,动作区变小,可以防止区外故障时因TA饱和引起保护误动。因此在选择差动保护的制动特性时可以考虑采用多段折线型的制动曲线或双曲型制动曲线。从保护判据的角度出发,应尽量选择具有抗饱和能力的差动判据,即可以在TA饱和之前完成差动判断的判据,