电缆差动保护

电缆差动保护（精选8篇）

电缆差动保护 篇1

0 引言

大型发电厂的厂用系统具有短路容量大、旋转设备多、故障发生率高的特点, 尤其是核电厂, 因此对厂用电系统的可靠性提出了更高的要求, 其中就包括对保护TA的正确选型。通常保护用TA参数的选择方法就是在故障时通过互感器的最大短路电流不应超过其准确限值电流, 在该电流下保护TA的复合误差不超过规定值。但随着电力系统的不断扩大, 发电厂厂用中压系统的短路电流越来越大, 二次负载也在增大, 而某些负荷的额定电流却很小, 这些都给保护TA的选型带来了很大的困难。本文就以三门核电厂用馈线电缆差动保护TA的选型问题为例, 从短路电流、TA变比、二次负载等方面来讨论如何正确选择保护用差动TA。

1 差动TA选型的影响因素分析

保护用TA性能应满足系统或设备故障工况的要求, 即在短路时能准确将一次故障电流传变为二次电流, 且误差不超过规定值。而TA的铁心饱和是影响其性能的最重要因素, 其饱和成因可根据图1进行分析。

图1中, Z1、Z2、Zm、Z分别为TA的一次阻抗、二次阻抗、励磁阻抗和二次负载, 那么有:

由式 (1) 、式 (2) 可得:

当TA铁心未饱和时, Zm很大且基本恒定, 因此励磁电流Im很小;但是随着一次电流的增大, Zm迅速减小, 导致Im迅速增大, 当Im值增大到一定程度时, TA开始饱和, 铁心进入非线性区, 同时TA二次侧电流变小。若TA饱和严重, Zm几乎为零, 一次电流全部变为励磁电流, 二次电流几乎为零。

在稳态对称短路电流下, 影响互感器饱和的主要因素是短路电流幅值、二次回路阻抗、电流互感器侧励磁阻抗、电路互感器匝数比和剩磁等。在实际的短路故障过程中, 短路电流可能存在非周期分量而严重偏移, 这也能导致电流互感器的严重暂态饱和。

1.1 短路电流及TA变比的影响

TA饱和的最根本原因就是一次侧短路电流过大, 因此限制一次侧短路电流水平是防止TA饱和的根本措施。比如在新建线路中可通过加装线路限流器或串联电抗器限制短路电流, 或者在较高一级电压等级中采取分列运行的方式限制短路电流, 而分列运行后造成的供电可靠性降低可采用备自投等方式进行补救。但实际上电厂厂用电系统在设计之初就已经确定, 尤其是核电站, 其厂用电系统更要考虑供电的可靠性, 不能随意更改系统接线。当厂用电系统接线形式确定后, 各故障点的短路电流也不会发生较大的变化, 此时就要根据区外最大短路故障电流来选择合适的TA变比及准确限值系数。

1.2 二次负载的影响

TA的负载主要是二次电缆的阻抗, 由式 (3) 、式 (4) 可知, 二次阻抗越大, 励磁电流越大, 二次电流越小, TA越容易饱和。此时可通过增大二次电缆截面积或将保护装置就地安装的方法来减小TA的二次阻抗, 同时根据实际的二次负载来选择合适的互感器额定二次负荷。但很多人认为互感器的额定负荷选的越大越好, 这个观点是不正确的。TA的额定二次负荷是决定互感器准确级、外形尺寸、成本等的关键因素, 尤其是对准确级的影响更甚。由TA的10%误差曲线可知, 互感器的额定二次负荷越大, 电流准确限值系数越小, 在同样的故障电流下, TA也更容易饱和。因此, 在选择TA额定二次负荷时, 最好对实际工程进行计算来决定。

1.3 非周期分量的影响

故障电流中存在按一次系统衰减时间常数衰减的非周期分量, 很大一部分衰减非周期分量会流入互感器的励磁回路而导致互感器饱和, 同时互感器二次侧也会产生衰减非周期分量, 其对保护装置内的小电流变换器会产生影响。对于由短路电流非周期分量和互感器剩磁等引起的暂态影响, 应根据互感器所在系统暂态问题的严重程度、所接保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行经验等因素来合理考虑。例如在330~500kV电压等级中, 由于系统一次时间常数大, TA暂态饱和严重, 由此导致的保护误动或拒动的后果严重, 因此要选择带有气隙、不易饱和、有利于直流分量衰减的TP类互感器。而在中压系统中, TA一般按稳态条件选择, 选用P类互感器即可。

2 工程实例

设计院最初为三门核电馈线电缆差动保护设计的TA参数见表1, TA二次电缆为铜芯电缆, 其电阻率为0.018 4Ω·mm2/m。

下面以ES-6电源馈线为例, 介绍馈线电缆差动TA的各项参数选择。

2.1 TA变比及准确限值系数的选择

由于ES-6电源馈线的差动TA是属于中压系统范围内的保护用TA, 故应选用P类互感器。三门核电厂用系统阻抗图如图2所示, XS为系统阻抗, XT为主变阻抗, XG为发电机阻抗, X1T为厂变的半穿越阻抗, XL为电源馈线电缆阻抗, X∑S为系统对K1短路点的转移阻抗, X∑G为发电机对K1短路电的转移阻抗。

由图2可计算出短路点K1的三相最大短路电流。其中, 系统分支对K1点的短路电流为:

发电机分支对K1点的短路电流为:

系统与发电机对K1点的总短路电流为:

式中, XΣ*为从系统或发电机到短路点的阻抗标幺值之和;SB为基准容量, 取1 000MVA;UB为短路点所在电压等级对应的基准电压值。

通过上面的短路电流计算, 可知K1点的最大三相短路电流为19.03kA, 而当初设计的电缆差动TA变比为400/1, 其额定准确限值一次电流为8kA, 该值明显小于区外故障时的最大三相短路电流, 且实际故障电流与TA一次额定电流比为19 003/400=47.5倍, 远超该TA 5P2020倍电流的饱和拐点。同时, SEL-587内部的TA线性范围也为20倍的额定电流值, 参数如下:1A Nominal, 3A continuous, 100Afor 1second, linear to 20 Asymmetrical., 250Afor 1cycle (sinusoidal waveform) 。因此, 在此情况下, 该差动TA可能无法正常输出二次电流, 保护装置也无法检测到故障电流, 尤其是在近负载一端TA更容易因严重过载而趋于饱和, 有可能造成两侧饱和特性不一致而导致保护装置误动。

同时, 保护能否正确动作与SEL-587保护装置内部的保护采样和判据有关, 前面提到的保护装置采样在20倍过电流范围内呈线性关系, 是指保护装置内部的TA特性。SEL保护装置在电流倍数超过20倍后测量不能保证精度, 不过在自身TA饱和的情况下, 有双峰值检测器检测, 对于过流保护仍能可靠动作;但对于差动保护, 由于差动TA的饱和特性、TA变比、带载能力等, 都可能造成差流而导致保护误动。

为了不让差动TA在区外故障时饱和导致保护误动, 可适当增大TA变比、提高准确限制系数, 但一旦提高准确限值系数将导致容量大幅下降, 无法使用, 因此建议增大TA变比, 保持准确限制系数不变。根据区外故障最大短路电流为19.03kA和准确限制系数为20, 可以选择1 000/1的差动TA。

2.2 额定负载的选择

根据SEL-587保护装置说明书, 该装置在二次额定电流为1A的情况下额定负载为0.06VA。差动TA二次电缆的实际负载为:

即差动TA的二次实际负载为10.61VA, 换算至阻抗为10.61Ω。

一般TA的二次额定负荷需根据实际负荷选用2.5、5、7.5、10、15、20、30VA等的负荷参数, 本例中TA二次实际负荷为10.61VA, 为此可以选择15、20、30VA三个负荷等级参数, 但从负荷余量、制造工艺及成本考虑, 20VA的二次额定负荷是比较适合的。

2.3 现场改造

结合上述计算分析, 可知最初设计的差动TA变比不适用于工程现场, 会导致保护误动, 需将变比改为1 000/1, 而准确限制系数和二次额定负荷不变。但现场差动TA已经安装, 中压母线也已带电运行, 更换TA不仅增加了成本, 也会对现场的调试工期产生影响。为此, 在进行综合考虑之后, 决定取消差动保护, 配以两段式定时限过流保护。

3 结束语

通过对TA的理论分析可以更好地为互感器的选型提供技术支持, 而工程例也说明了TA的正确选型将直接影响电力系统的安全稳定运行。继电保护人员应该了解和掌握TA的基本工作原理、饱和因素及参数选择的相关标准等, 尤其是在新建电厂, 更要对原始设计参数进行核算, 避免因设计问题导致后续的现场改造而增加成本和延误工期。

参考文献

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[2]沙玉洲, 袁韬, 王骞, 等.电流互感器技术参数选择问题的探讨[J].电力系统及其自动化学报, 2009 (4) :126~128

[3]赵满江, 李仰平.保护用电流互感器饱和特性及其误差曲线研究[J].高压电器, 2010 (12) :29~31

[4]袁季修, 卓友乐, 盛和乐, 等.保护用电流互感器应用的若干问题——《电流互感器和电压互感器选择和计算导则》简介[J].电力自动化设备, 2003 (8) :69~72

电缆差动保护 篇2

本工程为萍乡市蚂蝗河综合整治及山下内涝区整治工程道路市政基础设施项目施工总承包工程。在本单位管井管线施工范围内有直径约15mm的地下军用通信电缆一条，军用电缆位于本单位施工管线红线往路中进来2.5米位置与施工的管线平行走向，根据管线施工设计及现场实际军缆确定情况，我项目部本着不影响国家建设，确保电缆完好畅通、安全第一的原则，在施工中采取以下措施，切实有效的保证地下军用电缆的安全。

一、施工准备

1、在施工前，对工人做好安全及注意事项交底，认识到军缆的重要性，加强工人在施工中的责任心意识，树立和提高企业形象。根据现场甲方提供的地下管线说明及周围的情况细致认真挖好探坑，对地下军缆埋深进行确定，在开挖电力管井管线施工前进行人工探挖，以探明地下军用电缆的实际走向和实际埋设深度，将地下军用电缆的实际情况和相应的保护措施上报甲方。

2、在管线探明后，通知建设单位主管负责人现场确认军缆情况，现场共同协商，确定具体保护方案。

二、地下军缆保护措施

1.在电力管线施工中军缆0.3米范围内不得使用尖镐或者钢钎，防止破坏缆线或戳砸，人工先挖等探明线路位置，采取刚性悬吊的方式进行保护，并对军用电缆进行加固保护，在保护之前，先用PVCΦ32管将跨域基坑部位的军用电缆进行包裹，确保军用电缆在悬吊过程中不受损坏，待悬吊工程完工，在管线施工中每间隔15米绑扎钢管或木方做人字支架悬挂保护，确保线路不下沉断裂，避免人为破坏或者机械设备等对管道造成碰撞损坏。

2.在现场标识“请勿靠近”“无关人员不准入内”等标牌，昼夜派专人现场巡视、保护，以便引起现场施工人员高度重视，夜间防止意外及破坏事故发生。

3.在电缆敷设区域内管线施工中进行土方回填作业时，应保证回填土压实度。当土方回填至电缆底部0.15米时，在其底部进行满砌240mm厚砖墙。电缆周边顶部严禁冲击回填，PVC管顶虚铺300mm厚细沙，500mm高内不准用电夯夯实应手夯夯实。在军用电缆保护区内不得堆放垃圾、易燃物、易爆物、对线缆有害的化学物品，不得以任何方式压占军用电缆保护区，避免发生安全事故。在施工中及时向甲方报告施工进度、施工中出现的问题等信息。

三、施工期间日常管理巡查

电缆差动保护 篇3

1 故障概况

黑麋峰抽水蓄能发电站采用联合单元接线形式, 即:18kV侧一机一变, 经过主变升压后, 在主变高压侧, 每两台主变组合成一个联合单元, 经两组地下500kV GIS形成二回进线, 再分别由二回500kV干式高压电缆接至地面500kV GIS设备, 500kV GIS一回出线与500kV出线场设备组成一回输电线路接入500kV变电站。500kV高压电缆差动保护配置情况见图1所示。

2009年5月1日19时30分#1/#2主变间隔50013隔离开关B相气室内部发生对地放电故障, 当时放电短路电流约15kA, 故障发生后, 电站500kV高压电缆差动保护未动作, 140ms后对侧变电站侧线路距离保护Ⅱ段动作跳开变电站侧线路开关切除故障电流 (在发电站侧, 故障点只处在500kV高压电缆差动保护范围内) , 故障后现场检查有明显漏气声。

2 保护动作情况分析及处理

故障发生后, 保护人员到现场查看500kV高压电缆保护装置, 发现保护装置上没有任何报警及动作信号。事后一次专业人员对500kV GIS检查, 发现#1/#2主变间隔50013隔离开关B相气室内部发生对地放电, 此气室已严重损坏, 并同时询问变电站侧得知对侧线路距离保护Ⅱ段动作出口跳闸。综合以上信息判断变电站侧距离保护正确动作切除发电站侧故障电流, 而发电站侧500kV高压电缆保护在故障发生时拒动。从线路故障录波数据分析, 故障时刻B相最大故障电流12.45A (一次电流为15kA) 远大于500kV高压电缆差动保护定值0.5A。

2.1 对保护装置进行电流采样检查

保护装置电流回路示意图见图2所示。

为了完全模拟故障时刻电流情况, 使用继电保护测试仪从GIS侧CT根部, 在B相中分别输入0.20A、0.40A、0.60A、0.80A、1.00A电流 (A相和C相电流回路也重复上述电流回路检查) 。通过上述电流采样试验, 确定保护装置整个电流回路以及保护装置模拟量采样模块均工作正常。模拟量采样数据见表1所示。

2.2 保护装置功能校验

(1) 在高压电缆保护GIS侧, 按照差动保护定值0.5PU, 在电流端子加入三相0.5A电流, 保护瞬时动作, 动作时间25ms, 差动正确动作。

(2) 在高压电缆主变侧, 按照差动保护定值0.5PU, 在电流端子加入三相0.5A电流, 保护瞬时动作, 动作时间25ms, 差动保护正确动作。

(3) 在高压电缆GIS侧, 模拟事故电流, 加入B相电流12A、A相电流0A、C相电流0A, 保护装置告警, 同时闭锁差动保护, 现地单元故障指示灯亮以及中央单元闭锁保护指示灯亮, 差动保护动作不正确。

通过上述模拟试验发现三相同时存在平衡故障电流且大于差动保护定值0.5A时, 差动保护可以正确动作;虽三相存在故障电流且大于差动保护定值0.5A时, 但三相故障电流不平衡且零序电流方向设置错误将闭锁差动保护, 差动保护拒动。根据上述试验结果, 将差动保护定值中零序电流方向Current Dir.Neutral从Direction 1改为Direction 2, 并重复上述第 (3) 步试验过程, 发现差动保护正确动作, 动作时间26ms。最终确认差动保护拒动原因为保护定值Current Dir.Neutral设置错误。

2.3 故障时刻保护装置无任何报警原因查找

经与外方保护软件开发人员联系, 得知500kV高压电缆保护在零序电流方向错误闭锁高压电缆保护时, 差动保护功能为瞬时闭锁, 但保护闭锁告警 (闭锁LED点亮) 需1s时间。因此实际故障时, 变电站侧距离保护Ⅱ段140ms切除故障, 高压电缆保护由于Current Neutra Direction为Direction1, 差动保护功能瞬时闭锁, 而LED告警信号由于故障已切除, 未能点亮。现场试验证明, 保护功能闭锁时保护装置LED告警灯点亮需982ms。

3 结语

(1) 通过上述分析此次差动保护装置拒动是由于保护定值整定错误造成。新投产设备在调试期间需严格按照DLT995-2006继电保护和电网安全自动装置检验规程进行调试。

(2) 在进行保护动作分析时, 一定要先充分利用保护装置的动作报告、事件报告、录波波形、采样值等报文信息进行初步分析, 根据分析结果再进行有针对性的现场接线检查和模拟试验等。

光纤电流差动保护联调方案 篇4

近年来,随着通信技术的发展和光缆的使用,光纤分相电流差动保护作为线路的主保护之一得到了越来越广泛的应用。而且这种保护在超高压线路的各种保护中,具有原理简单,不受系统振荡、线路串补电容、平行互感、系统非全相、单侧电源等方式的影响,动作速度快,选择性好,能可靠地反应线路上各种类型故障等突出优点。

目前由于时间、地域、通信等条件限制,继电人员常常无法密切配合进行两侧纵联差动保护功能联调,造成联调项目简化,甚至省略的现象时有发生,这样极为不利于继电人员对保护功能的细致了解,因此本文将结合南瑞RCS-931和四方CSC-103型光纤差动保护装置简要说明两侧差动保护联调的试验步骤。

1 光纤分相电流差动保护基本原理

光纤分相电流差动保护借助于线路光纤通道,实时地向对侧传递采样数据,各侧保护利用本侧和对侧电流数据按相进行差动电流计算。

动作电流(差动电流)为:

制动电流为:Ires=︱IM-IN︱

比例制动特性动作方程为:

式中:IM、IN分别为线路两侧同名相相电流,并以由母线流向线路为正方向;ICD为差动保护动作门槛;K为比例制动系数,一般K<1。

线路内部故障时,两侧电流相位相同,动作电流远大于制动电流,保护动作;线路正常运行或区外故障时,两侧电流相位反向,动作电流为零,远小于制动电流,保护不动作。

南瑞公司的RCS-931采用此种动作特性,四方公司的CSC-103采用双斜率制动特性,如图1,可以保证在小电流时有较高的灵敏度,而在电流大时具有较高的可靠性,即区外故障时因CT特性恶化或饱和产生传变误差,此时采用较高斜率的制动特性更为可靠[1]。

2 光纤通道联调

将保护使用的光纤通道连接可靠,通道调试好后保护装置没有“通道异常”告警,装置面板上“通道异常”或“通道告警”灯应不亮。

2.1 检查两侧电流及差流

由于线路两侧CT变比可能不同,保护装置需要人为设定变比系数或补偿系数,使理想状态下两侧的二次电流在区外故障和正常运行时大小一致,差流为零。

假设M侧保护的“CT补偿系数”定值整定为km,二次额定电流为Inm,N侧保护的“CT补偿系数”定值整定为kn,二次额定电流为Inn,若在M侧加电流IM,N侧显示的对侧电流为IM×km×Inn/kn×Inm,若在N侧加电流IN,N侧显示的对侧电流为IN×kn×Inm/km×Inn。南瑞RCS-931和四方CSC-103通常设CT一次额定电流大的装置系数为1,小的一侧装置系数整定为其CT一次额定电流除以对侧一次额定电流。

2.2 模拟线路空充时故障或空载时发生故障

差动保护只有在两侧压板都处于投入状态时才能动作,两侧压板互为闭锁。同时在正常运行情况下,只有两侧起动元件均起动,两侧差动继电器都动作的条件下才能出口跳闸,而且每一侧差动继电器动作后都要向对侧发一个允许信号。可存在如果线路充电时故障,开关断开侧电流起动元件不动作,开关合闸侧差动保护也就无法动作的情况,因此就产生了通过开关跳闸位置起动使差动保护动作的功能,跳位起动方式如图2。

试验方法就是N侧开关在分闸位置,M侧开关在合闸位置,两侧主保护压板均投入,在M侧模拟各种故障,故障电流大于差动保护定值,M侧差动保护动作,N侧不动作。

2.3 模拟弱馈功能

当线路一侧为弱电源侧或无电源侧,内部短路时流过无电源侧的电流可能很小,因此其起动元件可能不动作。保护装置不能向对侧发送允许信号,导致电源侧差动保护拒动。为此,南瑞RCS-931和四方CSC-103都采用使用单端电压量进行辅助判别来解决这个问题,弱馈起动方式如图3[2]。

试验方法是两侧开关均在合闸位置,主保护压板均投入,在N侧加小于60%Un,在M侧模拟各种故障,故障电流大于差动保护定值,两侧差动保护均动作跳闸。这种判据可以减少PT断线对差动保护的影响,即使当弱馈侧PT断线,也不会因无法起动而闭锁差动保护[3]。

2.4 远方跳闸功能

母线故障及开关与CT之间故障时,两侧电流方向相反,差流很小,差动保护不动作,为使对侧保护快速跳闸,只有在故障侧起动元件起动情况下,向对侧传送母差、失灵等保护的动作信号,驱动对侧保护永跳。

试验方法是使M侧开关在合闸位置,“远跳受本侧控制”或“远跳受起动元件控制”控制字置0,在N侧使保护装置只要有远跳开入,M侧保护就能跳闸;在M侧将“远跳受本侧控制”或“远跳受起动元件控制”控制字置1,在N侧使保护装置有远跳开入的同时,只有使M侧装置起动,M侧保护才能跳闸。

3 需要注意的问题

保护装置定检时,两侧保护都处于PT断线状态,如果在光纤通道正常的情况下试验差动功能,恰巧此时对侧差动保护也投入,而且对侧保护没有跳位开入,若本侧加入大于差动保护定值的故障电流,则与弱馈故障的情况一致,就会使对侧保护动作,如果对侧开关确实在合闸位置,就可能使对侧开关跳闸,同理本侧开关也可能被对侧跳开,这可能会损伤人身或设备,应该避免发生。因此在保护定检前,一定要做好这方面的安全措施,就是断开光纤通道,防止弱馈起动或远跳起动造成开关误跳闸。

4 结论

各型号的光纤电流差动保护有各自的特点,通过联调试验能更好地掌握各型号光纤差动保护的性能,因此这方面的试验也不容忽视。

参考文献

[1]廖晓玉,臧睿,胡家跃.光纤电流差动保护及整定计算[J].继电器,2006,34(21):9-13.LIAO Xiao-yu,ZANG Rui,HU Jia-yue.Line Fiber Optical Differential Protection and Its Setting Calculation[J].Relay,2006,34(21):9-13.

[2]王尔寒,王强,路光辉,等.浅析电压量在高压线路光纤差动保护中的作用[J].继电器,2004,32(23):66-76.WANG Er-han,WANG Qiang,LU Guang-hui,et al.Brief Analysis of Voltage Effect on HV Differential Protection Based on Optical Fiber[J].Relay,2004,32(23):66-76.

输电线路光差动保护初探 篇5

纵联电流差动保护通常作为电力系统高压输电线路主保护,通常是通过测量流入被保护单元两端电流,计算得到差动电流,再将差动电流与事先设定的整定值比较,判断保护区内是否发生故障。当系统正常运行状态或保护区外发生故障,不考虑分布电容和并联电抗器影响时,流过被保护单元两侧电流大小相等方向相反,其差流为零,保护不动作;当保护区内发生故障,被保护单元两侧电流方向相角差不大,会产生很大差流越过设定的门槛值时,保护会立即动作切除故障。为了提升电流差动保护在内部故障时的灵敏性和外部故障时不动作的可靠性,在实际应用中通常采用如标积制动、和差制动、三段式制动[1,2,3]等措施。

由于传统的电磁式电流互感器铁芯存在非线性、磁饱和等问题,通常需要采取抗电流互感器饱和措施,可能会降低了电流差动保护性能[4,5]。全光纤电流互感器利用Faraday磁光效应测量电流,具有动态响应特性好、不存在磁饱和、抗电磁干扰、频带宽等优点,能够从根本上解决该问题,通过全光纤电流互感器构成差动保护能够提升差动保护的可靠性、灵敏度、动作速度[6]。输电线路电流差动保护实现是基于比较线路两端同时刻的电流信息,保护必须使用线路两侧同时刻的数据才能正确工作,要求线路两侧采样时刻同步、利用线路两侧同时刻采样数据计算差动电流,因此需要高速、可靠通信以及采样同步装置[7,8,9,10,11,12]。文献[13]利用光学电流互感器能够准确测量输电线路电流的暂态非周期分量,提出一种基于线路非周期分量纵联差动保护,该方法不受输电线路分布电容的影响,但是需要高速可靠的通信以及采样同步技术。文献[14]利用光学电流互感器和工控机实现光纤纵联电流差动保护,实现光学电流互感器与微机保护的对接,但仍需要对采样数据进行修正后实现差动保护算法。

由于Faraday磁光效应可以叠加,利用全光纤电流互感器构成光差动保护,将输电线路差动电流测量转换为利用光学器件在光路层面直接进行Faraday磁光效应偏转角的运算,不需要对时就能够直接测量线路差动电流,同时全光纤电流互感器测量范围宽、不存在磁饱和,能够真实反映线路不同状态下的差动电流变化情况。

1 全光纤电流互感器原理

全光纤电流互感器是基于Faraday磁光效应和安培环路定理,通过测量由被测电流引起的磁场强度的线积分来间接测量电流。目前全光纤电流互感器数字闭环系统结构如图1所示[8]。

全光纤电流互感器数字闭环系统由光学系统、传感光纤元件、信号处理系统三部分构成。光学系统实现光信号的产生、转换;传感光纤元件将载流导体中的电流转换为两束相干光的相位差信息;信号处理系统实现对光信号调制与解调,计算待测电流。

由于携带相位信息的两束光在同一个光路中传输,因此温度、振动等外界因素对两束光的影响相同,则避免了外界因素对测量结果的影响,最终得到了两束光相位差与被测电流之间有着严格的对应关系。理想情况下,数字闭环全光纤电流互感器输出相移与被测电流之间关系[9]为:

式中:φF为Faraday磁光效应偏转角;V为传感光纤Verdet常数;N为传感光纤匝数;I为待测电流。

2 光差动保护

2.1 光差动保护结构

由于Faraday磁光效应可以叠加,利用全光纤电流互感器构成光差动保护,将输电线路两侧差动电流的测量转换为光路层面的Faraday磁光效应偏转角的运算,不需要对时即可实现差动电流测量。光差动保护结构示意图如图2所示。

光差动保护由光学模块、传感光纤、传输光纤、反射镜、信号处理模块组成。规定传感光纤以由母线指向线路顺时针绕向为正方向,输电线路两端传感光纤绕向均为正方向;为了保证测量线路两侧电流时变比一致,要求线路两侧传感光纤的Verdet常数与匝数均相同;传输光纤需要保证两束圆偏振光在传输过程中相位差及偏振态保持不变,故采用高双折射旋转光纤,同时要求增大圆双折射以抑制线性双折射的影响[15,16];信号处理模块通过闭环反馈获得两束线偏振光携带的相位差信息。最终,数字闭环全光纤电流互感器输出相移与线路两侧电流im,in之间关系为:

具体工作原理为:由恒定功率光源发出单一波长的自然光,经过起偏器起偏,经过45°尾纤分为两束线偏振光,经过相位调节、保偏光纤通过1/4波片变为左旋和右旋圆偏振光进入传感光纤1,由于载流导体磁场效应,左旋和右旋圆偏振光在传感光纤1中以不同的速度传输产生相位差;携带相位差信息的左旋和右旋圆偏振光通过通信光纤传输至线路对侧;由于传感光纤2内部载流导体磁场效应,两束圆偏振光会再次产生相位差;经过反射镜反射,沿原光路返回,Faraday磁光效应加倍;最终携带两侧差动电流信息的左旋和右旋圆偏振光经过数字闭环控制,输出差动电流。全光纤电流互感器通过数字输出将测量的差流直接送入微机保护接口,进行相应的数据处理,构成差动保护。

考虑到全光纤电流互感器不存在磁饱和、测量精度高、良好的动态响应特性,可以通过设定固定门槛值Iset构成差动保护动作判据。相量差动保护判据为:

当传感光纤出现损坏等故障时,光差动保护没有输出,不会出现传统差动保护因电流互感器断线而导致误动作的情况,因此Iset整定无需考虑躲过最大负荷电流,按躲过外部短路时最大不平衡电流整定即可。

当保护区内发生故障时,线路两侧电流相位相差不大,两个传感光纤中Faraday磁光效应偏转角方向相差不大,则最终数字闭环检测获得的φF会很大,即差动电流很大,计算所得差流相量的模值会超过门槛值,保护动作切除故障;当保护区外发生故障,线路两侧电流方向近似反相,两个传感光纤中Faraday磁光效应偏转角方向相反,则最终数字闭环检测获得的φF很小,即差动电流很小,计算所得差流相量的模值很小不会超过门槛值,保护不动作。

2.2 输电线路长度的影响

基于全光纤电流互感器构成的光差动保护,由于线路两端距离的影响,两束圆偏振光在传输光纤中会产生传输延时,会使得测量的差动电流存在误差,故有必要对光传输延时引起的测量误差进行分析。

不妨设两束圆偏振光由线路一端传输至另一端所需时间为t,稳态时线路两端电流为,则线路正常状态下测量的差动电流为:

式中:θ=ωt。

不考虑线路分布电容电流影响时,即Im=In成立,则测量的差动电流为:

由式(5)可以看出,不考虑线路分布电容电流影响时,光传输延时对差动电流的测量会带来幅值和相角误差,测量误差会随着传输延时的增大而增加。

传统线路差动保护不可避免存在同步误差,不妨设同步角差为φ,稳态时线路两端电流为,则在线路正常状态下测量的差动电流为:

不考虑线路分布电容电流影响时,即Im=In成立,则测量的差动电流为:

由式(7)可以看出,不考虑线路分布电容电流影响时,同步角差会对差动电流测量带来误差,同步角差越大则相应的测量误差越大。

目前超高压输电线路差动保护的同步角差可以控制在1°以内,则当传统差动保护因同步角差引起的测量误差与光差动保护因光传输引起的测量误差相等时,即

取φ=1°时,此时θ=10.72°,对应的输电线路长度为178km。即不考虑分布电容电流的影响,光差动保护应用在178km的输电线路时因光传输延时带来的测量误差与传统差动保护同步角差为1°时引起的测量误差相同。

通过上述分析可知,光差动保护不适宜应用在远距离输电线路中,同时输电线路长度越长其分布电容电流对差动电流测量的影响也越大。考虑到输电线路长度带来的光传输延时以及分布电容电流的影响,因此光差动保护应用的线路长度不宜超过100km。

通过上述分析,当传感光纤的长度较短时,传输延时以及温度、振动等外界干扰因素对光差动保护测量结果影响会更小,故光差动保护方案可应用在短引线差动保护、变压器差动保护、高压母线保护、3/2接线的母线差动保护等场合。采用光差动保护方案能够直接测量差动电流同时不存在磁饱和,在理论上能够一定程度改善上述差动保护的性能。

全光纤电流互感器的相位调制器的调制信号的周期T与偏振光由相位调制器经过传感光纤到反射镜的往返时间τ有如下关系:

当光差动保护应用于输电线路保护时,由于偏振光在光路中传输时间较长,则会使得相位调制器的调制信号频率很低,会大大影响解调信号的精度,甚至无法实现信号的解调。为解决该问题,在调制策略上采用倍频调制策略,使调制信号的周期为T=2τ/n,其中n为正整数,n的选取则是根据时间τ确定,以选择合适的调制信号周期,采用参考文献[8]中的方波调制和相关解调方法可以实现信号的调制和解调。

3 仿真分析

3.1 全光纤电流互感器建模仿真

为了验证光差动保护性能,首先需要建立全光纤电流互感器模型,根据图1建立简化的全光纤电流互感器闭环信号处理流程图[10],如图3所示。

对上述全光纤电流互感器动态模型进行合理简化近似,建立全光纤电流互感器输入信号与输出信号之间关系[11]:

对上式进行Laplace变换,可得:

式中:T=τ/(K2K3)。

由上述传递函数可知,全光纤电流互感器数字闭环控制为典型一阶系统,其时间常数为T,其中K1为Faraday磁光效应偏转角与待测电流的比例系数;K2为前置放大A/D数字量输出与待测相位差之间的转换系数;K3为后置放大D/A转换系数;τ为偏振光在传感光纤中传输时间。在PSCAD中搭建仿真模型参数为τ=1μs,K1=1.517×10-5,K2=3 276,K3=1.529×10-5。

在PSCAD中搭建全光纤电流互感器模型观察其暂态特性如图4所示,图中红色虚线为待测电流,黑色实线为全光纤电流互感器测量电流输出,待测电流在0.3s时发生突变。通过仿真输出波形可以看出,全光纤电流互感器具有较好的暂态响应特性。

3.2 光差动保护建模

利用PSCAD搭建如图5所示的500kV单回输电线路模型,系统电源采用集中参数表示,线路采用Bergeron模型。设置输电线路长度为100km,电源功角δ=20°,分别在母线M设置故障、M侧线路出口设置故障、线路中间设置故障,对比光差动保护测量差流与实际差流。线路参数见附录A图A1。

图6给出了系统正常运行时,黑色实线为光差动保护测量差流变化情况,红色虚线为实际差流变化情况,仿真说明光差动保护测量差流方案在系统正常状态下能够反映实际差流的变化。

附录A图A2(a)和(b)分别给出了保护区外f1点0.3s时发生单相金属性接地故障时,光差动保护测量差流和实际差流的暂态变化过程和稳态变化情况,其中黑色实线为光差动保护测量差流变化情况,红色虚线为实际差流变化情况,仿真说明光差动保护能够很好反映在区外故障时实际差流稳态变化。

附录A图A3(a)和(b)分别给出了保护区内f1点0.3s发生单相金属性故障和经400Ω过渡电阻接地故障时,光差动保护测量差流和实际差流变化情况,其中黑色实线为光差动保护测量差流变化情况,红色虚线为实际差流变化情况,由仿真波形发现,光差动保护测量差流在系统内部发生故障时能够反映真实差流变化。

仿真结果表明,光差动保护无需复杂的对时装置以及采样数据修正方法就能够获得输电线路两端差动电流,同时全光纤电流互感器测量范围宽、线性度好、不存在磁饱和,测量差流能够反映真实差流变化情况。

3.3 光差动保护动作特性

由于光差动保护测量差动电流能够较好反映实际差动电流变化情况,故可采用式(3)所示的固定门槛值的动作保护判据。在图5所示的仿真系统中,设置输电线路长度为100km,电源功角δ=20°,采用半周傅氏算法提取差动电流工频量幅值。

固定门槛值按躲过区外故障最大不平衡电流整定,即

式中:Krel为可靠系数,此处取为1.3;Ker为闭环检测全光纤电流互感器误差系数,根据保护用电子式电流互感器5TPE标准,此处可取为5%;Ik.max为外部短路时流过电流互感器的最大短路电流。考虑到输电线路电容电流的影响,在此整定值的基础上增加电容电流作为固定门槛值。由于光差动保护方案应用的线路长度较短因此线路空投时产生的暂态电容电流不会超过固定门槛值。

附录表A1和表A2分别给出系统在双端电源和单端电源运行状态下,发生内外部故障时光差动保护动作情况。由仿真数据可知,采用固定门槛值的光差动保护对区内故障具有较高的灵敏度,在区外故障具有较高的可靠性。由文献[15]给出的某厂家全光纤电流互感器实际运行数据可知,现阶段全光纤电流互感器的长期运行精度仍不够理想,因此为保证光差动保护的可靠性,在实际应用中需要进一步抬高固定门槛值。

4 结语

全光纤电流互感器是基于Faraday磁光效应和安培环路定理,将待测电流测量转换为Faraday磁光效应偏转角的检测,由于载流导体磁场效应可以叠加,在此基础上将输电线路两端差动电流测量转换为光路层面的Faraday磁光效应偏转角的运算构成光差动保护。光差动保护不需要繁复的对时就可以直接获得被保护线路的差动电流,采用固定门槛值的差动保护判据时按躲过外部短路故障时最大不平衡电流整定即可。在PSCAD中搭建光差动保护模型,由仿真结果可知光差动保护测量的差流能够很好反映实际差流的变化情况,采用固定门槛值的光差动保护对区内故障具有较高的灵敏度,在区外故障时具有较高的可靠性。本文对光差动保护方案做出了一些有益的探索,但光差动保护实用化还有许多问题需要解决,如传感光纤震动问题、传感光纤的线性双折射问题以及温度变化的影响等,仍有待进一步深入研究。

浅谈变压器差动保护 篇6

1 变压器差动保护原理

变压器装设有电流互感器TA1和TA2, 其二次绕组按环流原则串联, 差动继电器KD, 并接在差回路中。

变压器正常运行时, 电流由电源侧I流向负荷侧II, TA1、TA2的二次侧电流i1’、i2’会以反方向流过继电器KD的线圈, KD中的电流等于二次侧电流i1’、i2’之差, 故改回来成为差回路, 整个保护装置成为差动保护。若电流互感器TA1和TA2变比选的理想并且忽略励磁电流的情况下, 则i1’=i2’, 继电器KD中电流I=0, 即差动保护在变压器正常运行或者外部故障时, 变压器的流入和流出电流大小相等、方向相反, 差动继电器不动作。当TA1与TA2之间任一部分故障, 则流过TA1与TA2一二次侧电流方向发生变化, 二次侧电流i1’、i2’按同一方向流过继电器KD线圈 (KD中电流I=i1’+i2’) , 使继电器动作, 瞬时跳开变压器两侧开关。

2 电力变压器差动保护发生误动的原因分析

2.1 电流不平衡引发电力变压器差动保护发生误动

变压器在正常运行时, 由于其他原因 (差动保护范围内没有发生故障) , 可能会导致主变差动保护所用电流互感器二次侧出现不平衡电流, 这时, 主变差动继电器内部就会有电流通过, 如果这个电流值大于差动保护整定的动作电流值, 就会导致差动继电器动作, 导致变压器在内部无故障的情况下跳闸, 影响电力系统的可靠性。目前, 导致电流不平衡现象出现的原因主要有: (1) 相位差导致电流不平衡; (2) 电流互感器变比不同导致电流不平衡。

2.2 励磁涌流引发电力变压器差动保护发生误动

变压器在正常运行时, 励磁涌流很小, 通常不超过变压器额定电流的3%~5%。与此同时, 铁芯也未饱和, 而其相对导磁率很大, 从而导致变压器绕组的励磁电感很大。然而在发生短路, 导致电压下降及励磁电流变小的情况下, 一般不考虑其对励磁电流的影响。

当变压器空投时, 由于变压器铁芯中的磁通急剧增大, 使铁芯瞬间饱和, 根据磁化特性曲线, 变压器绕组电感降低, 伴随出现数值很大的励磁涌流, 其数值可以达到额定电流的6~8倍以上。励磁涌流中以非周期分量和高次谐波分量为主, 并且二次谐波比例为最高, 出现尖顶形状的励磁涌流。对于一般中小型变压器, 经0.5~1s后, 其值衰减到不超过额定电流的0.25~0.5倍;特别是大型变压器励磁涌流的衰减速度较慢, 衰减到上述值要2~3s。同时励磁涌流波形出现间断, 并有间断角, 若此电流进入差动继电器, 有可能会引起差动保护装置误动。

3 电力变压器差动保护发生误动的对策

3.1 由电流不平衡引发电力变压器差动保护发生误动的对策

(1) 不平衡电流。应用相位补偿法为可消除由变压器Yd11接线而引起的不平衡电流, 即Y/△转换。具体措施为:将变压器星形侧的电流互感器二次侧改接为三角形, 同时将变压器三角形侧的电流互感器二次侧改接为星形, 从而校正电流互感器二次电流的相位。若变压器差动保护由微机实现, 即Y/△转换可由程序软件实现:根据软件计算的灵活性, 变压器的各侧互感器二次侧均允许按Y型接线, 由软件对变压器Y型侧电流进行相位校准及电流补偿, 从而达到相位补偿的目的。整定人员并且可通过对接线方式定值的整定来选择是否需要进行Y/△转换。

(2) 电流互感器不同的变比。变压器各侧的额定电压不同, 因此装设在各侧的电流互感器型号也不同, 导致饱和特性和励磁电流 (归算到同一侧) 也不相同, 造成了在外部短路时会引起较大的不平衡电流。可通过增大保护动作电流的办法来减弱或消除不平衡电流。另一方面, 目前电流互感器大都是标准化产品, 所以实际选用的互感器, 与计算变比不可能保持完全一致, 同时变压器的变比也不可能完全一致, 这是在差动保护回路中引起不平衡电流的又一原因。针对变比选择失配而引起的不平衡电流, 可根据磁平衡原理通过设置平衡线圈进行消除。通常平衡线圈位于保护臂电流小的一侧, 原理为:平衡线圈和差动线圈共同缠绕在继电器的中间磁柱, 选取适当平衡线圈的匝数, 使其产生的磁势与差流和差动线圈中产生的磁势相抵消, 于是流经差动继电器的执行元件的电流为零。对于微机控制的变压器差动保护, 可以由程序软件通过调整平衡系数Kb来消除不平衡电流。具体原理为:只需根据变压器各侧一次额定电流、差动互感器变比计算出电流平衡调整系数Kb, 将Kb值作为微机保护系统的输入, 由保护软件实现电流自动平衡调整, 从而消除不平衡电流。

3.2 由励磁涌流引发电力变压器差动保护发生误动的对策

为了消除励磁涌流的影响, 目前广泛采用传统方法即应用具有速饱和变流器的继电器。原理为:在外部发生故障时, 由于所含非周期分量的最大不平衡电流能使速饱和变流器的铁芯较快地单方面饱和, 传变性能变差, 导致不平衡电流难于传变到差动继电器的差动线圈上, 从而保证差动保护不会误动。但是内部故障时, 尽管速饱和变流器一次线圈的电流也含有一定的非周期性分量, 但它衰减得快, 衰减完毕后速饱和变流器一次线圈中通过的完全是周期性的短路电流, 在二次线圈中生成很大的感应电动势, 并使执行元件中的相应电流也较大, 从而使继电器能灵敏地动作。速饱和变流器正是利用容易饱和的特性来消除变压器外部短路产生的不平衡电流和空载合闸励磁涌流的非周期分量影响。采用内部短路电流和励磁涌流波形的差别 (有无间断角) 来躲过励磁涌流 (即间断角鉴别法) 。

参考文献

[1]王维俭.电力主设备继电保护原理与应用[M].北京:中国电力出版社, 1998

[2]王维俭.发电机变压器继电保护应用[M].北京:中国电力出版社, 1998

[3]王梅义.电网继电保护应用[M].中国电力出版社, 1995

[4]聂志伟, 陆于平.网络化数字保护信息系统设计[M].电力系统自动化, 2000, 24 (20)

比率制动电荷量线路差动保护 篇7

差动保护以基尔霍夫电流定律为基础, 原理简单且不受系统振荡影响, 具有天然选相能力[1,2]。在各种新技术的优势下, 差动保护从最初单纯利用两端相电流逐渐发展到各种分量[3], 如工频变化量、零序电流分量等[4], 主要有分段比率制动的电流差动保护[5]、电流相位差动保护[6]、故障分量差动保护[7,8]、零序电流差动保护[9]、暂态电流差动保护[10]、采样值差动保护[11]、行波差动保护[12]、电荷量差动保护[13]等。差动量和制动量不同的构成方式决定了差动保护不同的动作特性, 总的原则是保证差动量和制动量在区内外故障时有明显的区分性和对比性, 以实现区内故障保护灵敏度高, 区外故障可靠不误动的目标。目前, 线路差动保护主要有以下待完善之处。

1) 基于相量的差动保护原理需要一定的数据窗, 一般在1个周期后才能发出跳闸命令, 对于严重内部故障的情况而言, 动作速度略显不够快[11]。

2) 基于采样值的差动保护原理存在模糊动作区, 且此模糊区受采样频率、整定方式以及差动电流和制动电流相位的影响[11]。

3) 区外故障电流互感器 (TA) 饱和对差动保护的影响较大, TA严重饱和时可能引起保护误动[14]。

4) 超/特高压电网系统中, 电容电流较大, 会降低差动保护可靠性, 尤其在轻载系统中, 可能引起保护误动;负荷电流、过渡电阻会降低差动保护在区内故障时的灵敏性, 可能引起保护拒动。

受差动保护思想启发, 本文尝试舍弃基波相量体系, 直接利用全波电流数据判断故障, 在差动量和制动量的构成方式上进行了探索和尝试。从电荷量的角度, 构造出了差动电荷量和制动电荷量的表达式, 并基于正弦波对比分析了两者之间的关系;然后基于全波电流提出了比率制动电荷量线路差动保护判据及其整定原则。详细分析了保护判据抗TA饱和、避免电容电流影响的思路以及微机保护利用采样值实现的方法。最后利用PSCAD搭建了双端电源系统进行仿真验证。

1 差动/制动电荷量概念

以母线指向线路为电流正方向, 设两侧电流分别为:im (t) =Imsin (ωt) , in (t) =Insin (ωt-α) , 取数据窗为半周期。

定义差动电荷量为:

式中:Im和In分别为电流im (t) 和in (t) 的幅值;T为波形周期, t为当前时刻 (即数据窗结束时刻) 。

定义制动电荷量为:

易知:

由式 (1) 、式 (2) 可知, 两侧电流幅值及相角差α确定后, Qd (t) 和Qr (t) 就是恒定值, 大小不随数据窗的移动而改变, 若数值变化, 只可能与电流幅值或相角差α变化有关。式 (3) 可作为一个自检条件, 检验式 (1) 和式 (2) 的计算结果是否正确。

2 Qd (t) 和Qr (t) 关系分析

1) 相等关系

若Qd (t) =Qr (t) , 由式 (1) 和式 (2) 可得:

因此, Qd (t) =Qr (t) 的条件为:Im=0或In=0或α=-90°或90°。

2) 大于关系

若Qd (t) >Qr (t) , 可得:

因此, Qd (t) >Qr (t) 的条件为:Im和In均不为0且α∈ (-90°, 90°) 。

3) 小于关系

若Qd (t)

因此, Qd (t)

综上可得结论: (1) 电流幅值和相角差α确定后, Qd (t) 和Qr (t) 就是恒定量, 不随数据窗的移动而改变, 若数值变化, 只可能与电流幅值或相角差α的变化有关; (2) Qd (t) 和Qr (t) 间的大小关系 (除等于外) 与电流幅值无关, 只与电流相角差α有关。

式 (1) —式 (3) 是基于正弦波分析的, 由结论 (2) 可知, 差动电荷量和制动电荷量间的数量关系可反映出两电流间的相角关系, 理论上可利用此关系构成一种新形式的电流相差保护, 但鉴于两者均是基于基波分量计算得到, 而基波分量需经过滤波算法才可得到, 此过程无疑会降低差动保护的动作速度, 这正是引言所指出的差动保护不足之处, 违背了本文初衷:尝试舍弃基波相量体系, 直接利用全波电流构成差动量和制动量, 以提高差动保护的快速性。

3 电荷量差动保护原理

3.1 保护判据

以母线指向线路为电流正方向, 设两侧的全波电流分别为im (t) 和in (t) , 分析由式 (1) 和式 (2) 所定义的差动电荷量Qd (t) 和制动电荷量Qr (t) 。

式 (1) 在物理上表现为电流|im (t) +in (t) |在半个工频周期内的积分值, 在几何上表现为在半个工频周期内, 全波电流im (t) 与-in (t) 之间所夹的面积;式 (2) 在物理上表现为电流|im (t) -in (t) |在半个工频周期内的积分值, 在几何上表现为在半个工频周期内, 全波电流im (t) 与in (t) 之间所夹的面积。

在忽略线路电容电流的理想情况下, 系统正常运行或区外故障时, 两侧电流im (t) 和in (t) 的瞬时值大小基本相等, 正负相反, 两侧全波电流之和会在一定程度上相互抵消两侧电流中谐波分量和直流分量的不良影响, 则式 (1) 所示的差动电荷量Qd (t) 基本为0, 而两侧全波电流之差为故障全波电流的两倍, 并且式 (2) 为在T/2数据窗内绝对值积分的算法, 理想情况下, 式 (2) 能够滤去所有偶次谐波以及大部分奇次谐波, 以避免谐波对保护性能的不良影响;区内故障时, 类似区外故障时的分析思路, 理想情况下, 式 (1) 能够滤去所有偶次谐波以及大部分奇次谐波, 式 (2) 会在一定程度上相互抵消两侧电流的谐波分量和直流分量的不良影响, 由此可以看出, 本文算法自身具备一定程度的滤波功能。

在实际系统中, 考虑到线路电容电流、负荷电流、信号长距离传输延时引起的误差, 以及测量、计算等各类误差[15,16,17], 两侧电流相对于理想情况有一定偏差, 系统正常时差动电荷量Qd (t) 存在一定的不平衡量, 构造保护判据必须躲过Qd (t) 的最大不平衡量, 综合考虑保护的灵敏性和可靠性要求, 可利用差动电荷量Qd和制动电荷量Qr构成比率制动保护判据:

式中:ε为动作门槛值;Qr0为拐点电荷量;k为特性曲线斜率, 其动作特性如图1所示。

在微机保护中, 式 (1) 、式 (2) 可利用采样值计算得到, 为减小误差, 采用梯形面积法, 则有

式中:N=T/Ts, N为一周期内采样点数;Ts为采样间隔;im (k) 和in (k) 分别为两侧全波采样值。

若式 (8) 和式 (9) 同时除以Ts/2可知, Qd (t) 和Qr (t) 物理本质也是电流量, 电荷量差动保护实质上是采样值差动保护的一种变形, 但相比之下有两点不同: (1) 电荷量差动基于全波分量; (2) 对单一采样点而言, 不单单只是判断该点动作与否, 而是进一步提取该采样点动作与否的“权重”, 进而统筹分析数据窗内所有采样点的“权重”后再判断线路是否故障。

3.2 TA饱和影响及数据窗调整

TA饱和对差动保护的影响为:区外故障时TA饱和导致差动保护误动。主要原因是过长的数据窗使得基于相量的差动保护原理不可避免地引入了TA线性传变区之后的饱和数据。而一般来说, TA在故障开始后的1/4工频周期内不会出现饱和, 存在线性传变区[13], 假如存在一种短数据窗相量算法, 只利用TA线性传变区的数据便能得到相应相量, 那么基于相量的差动保护原理便不再受TA饱和的影响, 从此角度来看, 差动保护的快速性与应对TA饱和是辩证统一的, 但目前的相量算法还达不到此效果, 这也是本文舍弃基波相量体系, 利用短数据窗积分所得的电荷量构造保护判据的原因。

本文所提保护判据的数据窗若为T/2, 同样会受TA饱和影响, 鉴于此, 同时兼顾保护速动性和可靠性要求, 可将数据窗作如下调整:故障后T/4到故障后T/2时间段内, 保护数据窗为时变数据窗, 随故障时间推移为T/4~T/2;故障后T/2之后的时间期间内, 保护数据窗为T/2。调整之后, 即使出现TA饱和, 在故障开始到故障后T/4时间期间内, 保护只利用线性传变区内的数据识别故障, 不会受TA饱和的影响;在故障后T/4到故障后T/2时间期间内, 线性传变区内的数据依然起作用, 这在一定程度上延长了线性传变区数据的有效作用时间, 利于保护正确识别故障情况。

3.3 电容电流影响及整定方法

电容电流对差动保护的影响为:系统正常运行 (尤其轻载运行) 和线路空投时的电容电流可能引起保护误动。为便于分析, 以π型等值电路为基础, 设两侧电压幅值相等, 线路阻抗角为90°, 见图2 (a) 。

依据图2 (a) 所示等值电路及各电气量的参考方向, 可得系统正常运行时的相量分析图, 如图2 (b) 所示, 其中。

由图2 (b) 可知, 系统正常运行时, 随着负荷电流减小 (即两侧电压相角差φ减小) , 电容电流对两侧电流相角差影响随之增大, 差动保护误动的可能性增大, 反之, 差动保护误动的可能性减小。区外故障时, 相当于几乎为0, 此时为故障电流, 故障电流很大, 而电容电流保持不变 (甚至减小) , 由图2 (b) 可知, 此时两侧电流间的相角差很小, 电容电流对差动保护的影响很小, 可忽略不计。同时, 线路空投时, 空投侧电流为电容电流, 对侧电流基本为0, 保护判据的差动量和制动量均是由电容电流引起的。

电流相量在时间/幅值体系中表现为周期性的电流时变曲线, 而式 (1) 和式 (2) 所定义的电荷量表现为在时间/幅值体系中, 电流时变曲线在数据窗内的积分值, 由此可知, 电荷量实际上为电流相量在时间/幅值体系中积分值的一种体现, 为此, 以上基于相量体系的分析及结论同样适用于电荷量体系。

综上所述, 系统正常运行和线路空投时, 考虑线路电容电流的影响, 所提判据的差动量和制动量在动作特性曲线中的位置如图3阴影区域所示, 其中Qdz, Qrz分别为最大电容电流造成的差动量和制动量, 当线路空载和空投时, Qdz=Qrz。

保护整定时需要躲过图3中的阴影区域, 兼顾保护灵敏性和可靠性, 门槛值ε可整定为0.8Qdz, 拐点Qr0可整定为0.3Qrz, 特性斜率k可整定为0.3。这样可避免系统正常运行和线路空投时的电容电流引起的保护误动, 并可以躲过系统正常时差动电荷量Qd (t) 存在的不平衡量。一般来说, 线路空投于故障时的电流大于整定时的电容电流, 可满足判据动作条件, 保护判据能够正确动作。

3.4 负荷电流和过渡电阻影响

区内故障时, 负荷电流和过渡电阻的不良影响会降低差动保护的灵敏性, 可能引起保护拒动。区内故障时, 仅就负荷电流而言, 其不良影响会扩大元件两侧电流的相位差, 仅就过渡电阻而言, 其不良影响会减小元件两侧电流的幅值大小, 本质上, 两者均降低区内故障时的差动电流和制动电流的对比性, 从而引起保护拒动。

由于文中所提保护判据利用的是两侧全波电流, 其依然会受到负荷电流和过渡电阻的影响。若基于故障分量电流, 得益于故障分量网络是无源零状态网络的特点, 理论上来说, 保护判据便不再受过渡电阻和负荷电流的不良影响, 此部分内容有待进一步研究。

4 算例仿真验证

为验证保护判据的动作性能, 基于仿真软件PSCAD搭建如图4所示的简单系统进行仿真验证。

仿真参数:M, N两端电压分别为230kV和220kV, M侧系统参数为R=1.051 5Ω, L=137.43mH, N侧系统参数为R=26Ω, L=142.98mH;线路长度为300km, R1=0.029 4Ω, X1=0.278 0Ω, Y1=4.139Ω, R0=0.205 2Ω, X0=0.651 9Ω, Y0=2.848μΩ, 采样频率4kHz。

当两端电压相角差φ为30°, 分别在图4所示故障点F1, F2, F5发生AB两相经100Ω过渡电阻接地故障, 故障后5~10ms期间, 各相所对应差动量和制动量在动作特性示意图中的位置如附录A所示 (为方便作图, 将差动量、制动量和整定值均扩大50倍) , 按一次值, ε整定为0.25kA·s, Qr0整定为0.1kA·s, 斜率k整定为0.3。

本文还仿真验证了两端电压相角差φ分别为10°, 30°, 60°, 在故障点F1至F5发生A (AB, ABC) 相直接接地, 经50Ω过渡电阻接地, 经100Ω过渡电阻接地, 共135种故障情况。仿真结果表明:保护判据能在5~10ms内快速准确识别区内故障, 区外故障时可靠闭锁保护, 但受负荷电流过大和过渡电阻过大的不良影响, 保护的灵敏度会降低, 极端情况下会出现拒动情况。鉴于其余动作情况类似附录A图A1—图A3, 此处不再罗列。

5 结论

本文提出了比率制动电荷量差动保护判据及其整定原则, PSCAD仿真验证了保护判据的有效性和可行性。

1) 区内故障时, 保护判据利用故障后5~10ms的数据能快速准确识别故障;区外故障时, 保护判据可靠闭锁, 具有一定程度的抗TA饱和能力;依据整定原则合理整定定值, 保护判据能避免电容电流对保护性能的不良影响。

2) 保护算法自身具有较强的滤波能力, 能在一定程度上克服高次谐波的不良影响。

3) 保护算法舍弃基波相量体系, 利用全波电流在短数据窗内的积分值识别区内外故障, 在差动量和制动量的构成方式上进行了有益的探讨。

必须承认的是, 因所提保护判据利用元件两侧全波电流, 不可避免地仍然受到负荷电流和过渡电阻的不良影响, 鉴于故障分量网络是无源零状态网络的特点, 基于故障分量电流的电荷量差动保护将不再受两者的不良影响, 此部分内容有待进一步研究。

附录见本刊网络版 (http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx) 。

摘要：文中提出了差动电荷量和制动电荷量的概念, 并分析了两者间的关系。提出了将两者作为差动量和制动量的比率制动电荷量线路差动保护判据及其整定原则, 利用全波电流识别区内外故障。阐述了保护判据抗电流互感器饱和、避免电容电流影响的思路。仿真验证结果表明:区内故障时, 保护判据利用故障后5~10ms内的数据能快速准确识别故障;区外故障时, 判据能可靠闭锁。

工频变化量电流差动保护 篇8

关键词：工频变化量,电流,差动保护

工频变化量电流差动保护不受负荷电流和各有源支路电势角差的影响，因而具有可靠、快速、灵敏的特点，为提高差动保护的安全性，采用工频变化量电流差动判据，与常规电流差动判据相结合的方式，其主要动作判据有以下几点。

1. 抗TA饱和的“差流动态追忆法”

快速启动元件动作后，采用“差流动态追忆法”，对出现的工频变化量差电流的形成和发展过程进行追忆判别，以确认发生的故障类型，区外故障TA饱和母线保护可靠不动作，而区内故障则快速动作，不受TA饱和的影响。

“差流动态追忆法”利用装置采样的原始电流数据，取其工频变化量，并计算出工频变化量差电流和制动电流。工频变化量差流和制动电流不同于常规差流及制动电流，因为常规差流或制动电流都是故障分量和非故障分量的叠加，而工频变化量差流及工频变化量制动电流则只反应故障分量，消除了非故障分量的影响。相比之下，工频变化量电流更反应了母线故障的特征。

假设快速启动时刻的采样计算点为T点，往后延续的对应采样计算点为T+1, T+2，…T+n，计算到T+n点的差流突变系数计算公式为：

工频变化量差流动态追忆法以工频变化量差流产生时刻的短路水平为依据, 追忆、分析工频变化量差流的形成和发展过程, 快速正确判别区内故障或区外故障TA饱和。

工频变化量差流动态记忆法主要由下列三个判据组成：

(1) 工频变化量差流形成判据

若X1+X2

(2) TA饱和拐点判据

若X2/X1

若X1+X2+X3……+X5>C判为区内故障。

判据 (1) 和 (2) 对工频变化量差流的形成过程及突变系数进行定量分析，当故障点(T点)及追忆到故障前后的几个采样计算点均有足够大的故障电流增量，则判为区内故障，否则判为区外故障、TA饱和。

判据 (3) 检查差流的连续性特征，作为母线区内故障时保护动作判别的必要条件。

2. 工频变化量差动保护跳闸逻辑

满足以下条件，允许工频变化量差动保护跳闸：

(1) 抗御TA饱和的“差流动态追忆法”确认为区内故障

(2) 常规电流大差

(3) 常规电流小差

(4) 大差电流大于用户定值：

(5) 电压闭锁满足动作条件

(6) 无TA断线信号

3. 常规电流差动保护

抗TA饱和的“轨迹扫描法”：

“轨迹扫描法”是基于常规差电流的一种新型判别方法，其理论依据是：

(1) 母线发生区外故障，只有很小的不平衡差电流，不平衡差电流不会大于差电流动作门槛，同时也不会超过比率制动的制动量，电流差动保护不会动作。

(2) 母线发生区内故障，不论是否有个别支路的TA饱和，差电流连续而无间断点，同时差电流大于动作门槛，也会超过比率制动的制动量，电流差动保护动作。

(3) 母线发生区外故障而导致TA饱和，当TA饱和很严重时，以积分方式计算的差动电流会大于动作门槛，同时也会超过比率制动的制动量，但由于饱和TA存在2ms及以上正确传变的时间，所以差电流是不连续而有间断点的，此时，由“轨迹扫描法”检测到的“差电流间断点”可以有效地防止电流差动保护误动。

“轨迹扫描法”对常规差电流的变化轨迹不间断地扫描监视，采用数学方法逐点整形处理，寻找“差流间断点”，判断是否区内故障，“轨迹扫描法”本质上并不判别TA是否饱和，所以，TA饱和(2ms及以上)对“轨迹扫描法”的判别并无影响，具有判别准确可靠的优点。