（电力系统及其自动化专业论文）微机型母线保护抗ta饱和的研究.pdf

华北电力大学硕七学位论文摘要 摘要 母线是电力系统的重要组成元件之一。目前母线保护主要采用电流差动保护原理， 但其性能一直以来都受到母线区外故障t a 饱和的困扰。随着系统容量的日益增大，系 统的时间常数很大，导致故障时暂态过程的延长。因此对母线差动保护抗t a 饱和的能 力提出了更高的要求。论文围绕抗t a 饱和的方法进行研究：首先对t a 饱和的机理进行 深入分析，总结了目前常用的抗t a 饱和的方法，其次讨论了微机型母线差动保护中的 各个组成元件，提出了基于对t a 传变的二次电压进行小波变换，确定饱和入出时刻的 微机型母线保护抗t a 饱和的新方案；最后在m a t l a b 中建立母线差动保护的s i m u l i n k 仿真模型，检验了各种故障情况下此保护方案的性能。 关键词：母线差动保护，抗t a 饱和，小波变换 a b s t r a c t b u s b a r , o n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e m e n t si ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h o u g ht h e c u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o np r i n c i p l et h a ti st h ee s s e n t i a lp o r t i o no fb u s b a rp r o t e c t i o n h a sb e e nw i d e l yu s e di np r a c t i c ea tp r e s e n tt i m e i t sa c c u r a c yi si n v a r i a b l yr e d u c e db y c u r r e n tt r a n s f o r m e r ( t a ) s a t u r a t i o n b ye n l a r g i n gs y s t e mc a p a c i t y , t h et i m ec o n s t a n to f s y s t e mi sv e r yl a r g e w h i c hl e a dt ot h et r a n s i e n ts t a t ep r o c e s si se x t e n d e d t h u st h e p e r f o r m a n c eo ft h ed i g i t a lb u s b a rp r o t e c t i o nt oa n t i t as a t u r a t i o ni sc r u c i a lt oi m p r o v e t h ep a p e ri sa r o u n d e dt h ep r o b l e mo fa n t i - 肠s a t u r a t i o n w h i c hm a i n l yc o n t a i n st h e f o l l o w i n ga s p e c t s ：f i r s t ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft as a t u r a t i o nm e c h a n i c s c o m m o n m e t h o do fa n t i 翻s a t u r a t i o na tt h ep r e s e n tt i m ea r eg e n e r a l i z e d ；t h e ne a c hp a r to ft h e d i g i t a lb u s b a rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ns c h e m ei sd i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y , an e wd i g i t a l b u s b a rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ns c h e m eb a s e do nt h es e c o n dv o l t a g ei sa n a l y s e dt h r o u g h u s i n gw a v e l e tt om a k es u r et h ei na n do u tt i m eo fs a t u r a t i o n f i n a l l y ，p r o t e c t i o ni s b l o c k e dw h e nf o r e i g na c c i d e n to fb u s b a r t h es c h e m ei so p e r a t e db yu s i n gt h em o d e l w h i c hi sc o m p o s e do ft h es i m u l i n kb l o c k s e t s s e v e r a ls i m u l a t i o nt e s t si n v o l v i n ga l l k i n d so ff a u l ts i t u a t i o na r ec a r r i e do u tt h r o u g h r u n n i n gt h ep r o t e c t i o nm o d e li nm a t l a b d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 1 i u b o ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f j i a oy a n j u n k e yw o r d s ：b u s b a rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，a n t i - t as a t u r a t i o n ，w a v e l e t t r a n s f o r m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文微机型母线保护抗t a 饱和的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 豳坞 日 期：兰望：竺型 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 赵! 当 日 期：避l j 墨“ 导师签名：丝童星 日 i l j l ：2 塑2 ：2 ：丛至 华北电力大学硕+ 学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 1 1 1 母线保护的重要性和必要性 母线( b u s ) 或称汇流排，它将连接若干电源、负载及输电线路于一点，是发 电厂和变电所的重要组成部分。在母线上连接着发电厂和变电所的发电机、变压器、 输电线路、配电线路和调相设备等，母线工作的可靠性将直接影响发电厂和变电所 工作的可靠性。此外变电所的高压母线也是电力系统的中枢部分，是电力系统中非 常脆弱的一个环节。如果母线的短路故障不能迅速地被切除，将会引起事故的扩大， 破坏电力系统的稳定运行，造成电力系统的瓦解事故。因此，母线方式及母线保护 方式的选择和运行，是保证电力系统安全运行的重要环节。 表i 1 示出了此2 9 次母线故障的类型及其发生率引。 单项接地两相接地两相相间三相短路发生性两条母线 故障类型短短路故障短路故障故障故障同时故障 短路故障 发生次数 2 1 1 2221 故障发生 7 2 4 3 4 5 6 9 06 9 0 6 9 0 3 4 5 率( ) 由表1 1 可见，母线短路故障中单相接地故障较其它类型故障的发生率高实 际上在母线故障中，大部分故障是由绝缘子对地放电所引起，母线故障开始阶段大 多数表现为单相接地故障，而随着短路电弧的移动，故障往往发展为两相或三相接 地短路。母线短路故障的性质一般比较严重，对电力系统安全运行带来的危害较大。 这些危害主要表现为以下几个方面：扩大事故的范围；电气设备遭受破坏；破坏电 力系统的稳定运行；破坏发电厂的正常运行。 在中低压系统中，对于地位不十分重要的发电厂和变电所，在可能的情况下， 考虑到经济原因，可以不装设专门的母线保护，可利用母线上供电元件的保护来切 除母线上可能发生的故障。但在高压和超高压系统中，为了保证系统能快速、灵敏、 同时具有很好的选择性地切除母线故障，必须装设专门的母线保护。我国继电保 护和安全自动装置技术规程规定，对发电厂和变电所的3 5 k v 5 0 0 k v 母线，在 华北电力人学硕士学位论文 下列情况下必须装设专用的母线保护： 1 1 l o k y 及以上的双母线； 2 1 l o k y 及以上的单母线、重要发电厂或1 l o k v 及以上重要变电所的3 5 k v 6 6 k v 母线，按电力系统稳定和保证母线电压等要求需要快速切除母线故障的情况 下： 3 3 5 一- - 6 6 k v 电网中主要变电所的3 5 6 6 k v 双母线或分段单母线，当在母联 或分段断路器上 1 1 2 母线差动保护基本原理及对母线差动保护的特殊要求 为较好地满足速动性和选择性的要求，母线保护都是按差动原理构成的。实现 母线差动保护所必须考虑的特点是在母线上一般连接着较多的电气元件( 如线路、 变压器、发电机等) 。因此，就不能像发电机的差动保护那样，只用简单的接线加 以实现。但不管母线上元件有多少，实现差动保护的基本原则仍是适用的嘲，以图 1 - 1 所示的单母线差动保护为例予以说明。 图1 - 1 ：单母线差动保护原理图 m i - 1 1 在母线正常运行以及母线区外故障时，在母线上所有连接元件中，流入的 电流和流出的电流相等，可表示为i t ； 2 当母线上发生故障时，所有与电源连接的元件都向故障点供给短路电流， 而在供电给负荷的连接元件中电流等于零，因此，产i d ( 短路点的总电流) ； 3 如从每个连接元件中的电流相位来看，在正常运行以及母线外部故障时， 至少有一个元件中的电流相位和其余元件中的电流相位是相反的，具体而言，就是 电流流入的元件和电流流出的元件这两者的电流相位相反。而当母线故障时，除电 流等于零的元件以外，其它元件中的电流则是同相位的。 目前母线差动保护主要采用的两种保护原理均基于以上原则，它们分别是：电 2 华北电力大学硕+ 学位论文 流比相式差动保护、电流差动保护由于母线的接线方式复杂多样、连接元件众多， 母线差动保护相比于其它电气元件的差动保护( 如发电机纵差保护、线路纵差保护 等) 具有自身的特殊性，体现为以下几点： 1 母线差动保护应具有对母线运行方式的自适应能力：即母线差动保护应能保 证在各种母线接线形式下以及当母线运行方式发生变化的情况下，可靠、+ 带选择性 地动作； 2 在母线区内故障有汲出电流情况下母线差动保护应能灵敏地动作：在高压和 超高压系统中广泛采用的3 2 断路器接线甚至接有平行短线路的双母线方式中，当 母线发生区内故障时伴随有汲出电流的情况多有发生，母线差动保护应保证在此情 况下的灵敏度。对于电流比相式差动保护，在此情况下将会发生拒动h 。 3 母线差动保护应保证在区外故障t a 发生饱和时不发生误动。 由于电流比相式差动保护原理在母线区内故障有汲出电流的情况下会发生拒 动，其具有局限性。而基于电流差动保护原理的母线保护相比而言性能更为优越， 因此本文中将予以重点讨论。 1 1 3 电流互感器饱和对母线电流差动保护的影响 母线电流差动保护的动作原理是基于基尔霍夫定律，即把母线视为一个节点， 在正常运行和区外故障时流入母线的电流之和为零；在内部短路时则为总的短路电 流。但这是以连接于母线上的各条支路的电流互感器( t a ) 都能“忠实 地传变系 统一次电流为前提的。 目前国内电力系统中继电保护用t a 主要有两种类型：普通p 级t a 和考虑暂态 特性的t p 级t a 。但由于t p 级t a 体积大、不便安装、经济性不佳，因此母线保护 中仍多采用p 级t a 。 p 级t a 采用闭合铁芯，不带气隙，制造材料通常为冷轧硅钢片，其导磁系数小。 该类t a 只能保证稳态误差，其准确特性是由一次电流为稳态电流时的复合误差确 定的。当一次系统发生短路故障的暂态过程中，t a 的励磁电流中将出现非周期分量， 该电流的幅值最高可达稳态励磁电流幅值的几十倍。在此电流作用下，t a 的铁芯经 过一段时间后迅速进入饱和状态，此时t a 就不能真实地传变一次电流，其二次电 流波形将发生畸变。对于差动保护而言，将产生较大的差动电流，引起差动保护误 动作。此外，为了减少t a 的铁芯损耗，铁芯材料一般采用磁滞回线较窄的硅钢片， 但这类硅钢片的剩磁通常仍比较大。在一次系统切除短路电流后，铁芯中留有大量 的剩磁；待故障支路重合闸后，若再次发生短路，且剩余磁通方向与非周期分量产 生的磁通方向相同，t a 铁芯将更很迅速的达到饱和，二次电流将发生严重畸变，差 动保护更容易发生误动作。 华北电力大学硕士学位论文 母线差动保护的特点是连接引线多、电源多，在区外故障时流经故障引线的电 流非常大，可能达到t a 额定电流的3 0 倍以上。而且在高压和超高压系统中，由于 单机容量大、输电线路导线截面大，一次系统时间常数较大，甚至可达o 2 5 0 5 s 1 ，致使短路电流中非周期分量衰减缓慢，短路电流的暂态持续时间较长，这 些将导致故障支路t a 很容易发生饱和。 由此可见母线电流差动保护性能受t a 饱和的影响很大，因此在母线区外故障 t a 发生饱和情况下，母线电流差动保护不应失去选择性，是对母线保护的特殊要 求，也是母线差动保护的重要特性。母线电流差动保护一般采用带比率制动特性的 差动保护原理，并且在选择t a 时要求其严格满足稳态误差曲线的要求。这些措旌 可以使差动保护有效躲过由t a 引起的稳态误差。但是由于在系统发生故障的暂态 过程中t a 产生的暂态误差比稳态误差大得多，因此母线电流差动保护必须要考虑 专门的抗t a 饱和措施，尽量减缓或避免t a 暂态饱和带来的不利影响。一直以来， 抗t a 饱和的方法是研究母线差动保护的焦点问题之一。 1 2 课题的意义和研究内容 随着计算机水平和网络水平的提高，微机型母线保护更能符合技术发展和经济 性的要求，将是今后母线保护的发展的趋势。如何解决微机型母线保护性能受t a 饱影响大的问题成为关键。随着电力系统容量的扩大，一次系统时间常数的增加， 当发生故障时，将会产生很大的非周期分量，并且非周期分量衰减时间长，这更容 易引起t a 迅速达到饱和状态。这种状况对现有的微机型母线保护中所采用的抗 t a 饱和方法提出了新的挑战，也对母线保护的性能提出了更高的要求。鉴于以上 课题背景，本文在前人的大量研究成果基础上，针对集中式微机型母线差动保护抗 t a 饱和策略展开研究工作。论文主要包括以下几个方面的内容： 1 第一章绪论：概述了母线差动保护的基本原理及其特殊性，分析了近年来 集中式母线差动保护的应用现状和存在的主要问题，提出微机型母线保护将是母线 保护发展的必然趋势及其亟需解决的抗t a 饱和问题。 2 第二章电流互感器饱和机理的研究：深入分析了t a 饱和的机理，建立母 线区外故障时t a 的数学模型，经仿真得到t a 饱和时的二次侧电压波形，在此基 础上分析了t a 饱和时励磁电流和二次电压的波形特征。 3 第三章当前微机型母线差动保护抗t a 饱和方法的综述：综述目前国内外 微机型母线差动保护中采用的抗t a 饱和措施，详细分析各自特点和性能。 4 第四章具有抗t a 饱和性能母线差动保护的研究：首先对小波及小波变换 理论做了简单的分析，在此基础上利用小波对暂态过程信号敏感性高的特点，能够 对其进行入出饱和的定位，提出了有效可行的抗t a 饱和的方案 4 华北电力大学硕士学位论文 5 第五章微机型母线差动保护方案的研究及仿真：论述了微机型母线差动保 护方案中的各个环节，详细分析了基于相量的比率制动特性母线差动保护原理的性 能。讨论了微机型母线差动保护方案中的各个组成元件，详细分析了基于相量的比 率制动差动保护元件的构成方式，以及母线保护中一些辅助判据。并在m a t l a b 中 建立其s i m u l i n k 仿真模型，对各种故障情况下的方案性能进行细致地分析。 6 第六章结论及展望：对论文展开的工作进行总结，并对今后工作予以展望。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章电流互感器饱和机理的研究 电流互感器是一次系统与二次系统之间的接口元件，是各种保护装置感知一次 系统真实状态的中间媒介，无论是传统保护还是数字保护，都通过电流互感器反应 被保护元件中流过的电流，因此电流互感器的传变特性对保护的性能影响就具有非 常关键的作用。 目前母线差动保护用电流互感器基本都是电磁式电流互感器，是通过铁芯磁场 作用建立一次侧和二次侧的电磁联系哺h 坩1 。考虑到经济因素和安装的方便性，普通 p 级电流互感器使用较多，这种电流互感器未考虑暂态特性。众所周知，电磁式电 流互感器铁芯是非线性元件，存在铁芯饱和的现象。当铁芯发生饱和后，电流互感 器不再线性的传变一次电流，二次电流与一次电流之间存在误差，这将会影响保护 的正常工作。母线差动保护由于所连接的电气元件多，当发生区外故障时，流过故 障元件的穿越性电流很大；此外由于系统的短路容量不断增大，一次系统时间常数 的增加，使得故障时的暂态过程持续久，非周期分量衰减的时间长。这些因素使得 故障支路的电流互感器很容易发生饱和，二次电流将发生严重畸变，极易造成母线 差动保护的误动作。尽管在选择母线差动保护用电流互感器时，要求t a 严格满足 误差曲线要求。但是这仅仅是针对t a 稳态饱和时产生的误差，而t a 在暂态过程 中产生的误差远比稳态误差大许多倍。如果不采取必要的抗t a 饱和的措施，母线 差动保护将极有可能发生误动。 本章将从t a 饱和的机理出发，分析电流互感器在稳态饱和和暂态饱和时的特 性，在此基础上寻找影响t a 饱和的主要因素以及t a 饱和后励磁电流和二次电流 的波形特征。文中将建立在母线区外故障情况下的t a 饱和数学模型，并在m a t l a b 仿真环境中实现。 2 2 电流互感器( t a ) 的饱和物过程 电流互感器的等值电路如图2 - 1 所示，图中的电流、电阻和电抗均已归算至t a 的二次侧。墨、厶分别为t a 一次绕组的电阻和电抗：r 、厶分别为t a 的二次绕 组的电阻和电抗； 雹、厶分别为t a 二次回路负载的电阻和电抗；巳、乙为励磁 回路的电阻和电抗。 6 华北电力人学硕士学位论文 墨 厶 局 厶 图2 - 1 ：电流互感器的等值电路 由等值电路图可得一次电流、二次电流和励磁电流之间的关系，可见由于励磁 电流的存在，t a 传变是存在误差的。励磁电流的大小取决于电流互感器铁芯是否饱 和以及饱和的程度，t a 铁芯为非线性元件是电流互感器会发生饱和的根本原因。电 流互感器的励磁回路可以看成是一个具有铁芯的线圈，励磁电流与铁芯磁链之间的 关系由铁芯的磁化特性确定。 基本磁化曲线和磁滞回线( b - h 曲线或少一f 。曲线) 是反映铁芯电磁性能的特性 曲线。其中基本磁化曲线是表征磁性材料在反复磁化下，以磁中性状态为出发点， 磁感应强度b 随着磁场强度h 变化规律的曲线。在磁化曲线任何一点的b 与h 之 比就是磁导率，在一定磁场强度下，b 值越高，传递等量磁通所需要的磁性材料 就相对越小，互感器的电磁性能也越好。通常磁性材料的另外一个特点是在磁场强 度h 由大减小到0 的时候，磁感应强度b 却并不恢复为零，b - h 的变化将不沿着基 本磁化曲线，这时候b - h 的变化轨迹就是磁滞回线。 本节将以最基本的典型的t a 铁芯的简化磁化曲线( 如图2 - 2 所示) ，定性地 分析电流互感器在此磁化特性下的传变特性。我们知道，在铁芯磁通密度b 未达到 饱和磁通b 之前，所需要的磁场强度h 为零，此时铁芯的磁导率很大，相当于t a 励磁回路的励磁电抗厶。为无穷大，励磁回路相当于开路，一次电流将全部忠实的传 变n - - - 次回路中；当磁通密度达b 到饱和磁密段后，此时导磁率和励磁支路的阻 抗厶变得很小，励磁电流将激增，二次电流将出现严重缺损，这时t a 进入饱和状 态。当一次电流由使电流互感器饱和的方向降为零，并开始反相时，电流互感器中 的磁通开始下降，直到磁密下降到饱和磁密以下，电流互感器又可以将全部的一次 电流传送至二次回路中。 7 华北电力大学硕士学位论文 b h ：不饱和区；：过渡区；：饱和区 图2 2 ：简化的t a 基本磁化曲线 设t a 铁心内部磁场分布均匀。令铁心平均磁路长度为z 二次回路电磁感应方程和铁心磁路方程分别如下： = 2 彳警= 之r + 厶鲁 砜= i 一2 f 2 = 2 ，截面积为a 。则t a ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中：b 为铁心的磁通密度；r ，l 分别为二次侧总电阻和总电感，忽略二次绕组 参数，可近似认为是二次负荷的电阻、电感；如，u 2 分别为二次电流、感应电压；乙 为激磁电流；f l 为一次侧电流；h 为磁场强度；l ，2 分别为一、二次侧绕组匝 数。典型铁心磁化曲线如图2 - 2 所示。曲线具有如下特点： 1 大致分为不饱和区、过渡区与饱和区： 2 在不饱和区内，铁心磁导率很大，在饱和区内，很小，2 个区内的 化都不明显； 3 在过渡区，随h 的变化而明显变化。称铁心运行于此3 个区域的时间段分 别为t a 不饱和时段、t a 饱和状态发生变化的过渡时段和t a 饱和 2 3 电流互感器的暂态特性分析 为简化分析，在研究电流互感器暂态特性时作如下假设m 3 ： 1 忽略t a 一次绕组漏抗对一次电流的影响； 2 二次绕组漏抗可视为常数； 3 不计电流互感器铁芯饱和，在短路暂态过程中电流互感器工作在磁化曲线 的线性部分，励磁支路的励磁电感厶为常数； 8 华北电力大学硕士学位论文 4 不计电流互感器铁损，励磁支路中的励磁电阻为零，铁芯合成磁通正比于 励磁电流屯。 由此电流互感器的等值电路图2 - 1 可简化为图2 - 3 。图中l 为t a 二次回路 电感( 包括t a 二次绕组漏感和负载电感) ，r 为t a 二次回路电阻( 包括二t a 次 绕组及二次回路电缆电阻和负载电阻) 。 r 图2 - 3 ：电流互感器的简化等值电路图 咖：譬拿：三拿+ 她 ( 2 4 ) j d i 。jd l d t 其中y 为励磁回路主磁链，令厶= 譬为励磁电感可得： d k l 鲁= 哮屿。 c 2 5 ) 将式( 2 5 ) 与回路方程f 2 = 一屯联立，经整理得： ( 乞峋鲁城= 三鲁峭 ( 2 6 ) 考虑到电流互感器二次绕组漏抗很小，其二次负载( 主要是电缆电阻) 的功率 因数一般都很高，因此可以忽略l ，把t a 的二次负载视为纯电阻，则式( 2 5 ) 可以简化为： 乞鲁掀屯础f l ( 2 7 ) 当不考虑铁芯饱和时励磁支路中的励磁电感厶基本保持不变，因而电流互感器 的暂态过程可通过解一个一阶线性微分方程的方法进行描述，定义： 互= 生为i a 二次回路时间常数，则式( 2 7 ) 可表示为： 尺 9 华北电力大学硕士学位论文 q d t 扣专 正“z ( 2 8 ) 系统发生短路故障时，一次电流中将包含衰减的非周期直流分量和周期分量， 以下将分两种情况讨论。 2 3 1 一次电流中不包含非周期分量 一次电流不包含非周期分量时，可用下式表示： = ls i n ( c o t ) ( 2 9 ) 式中l 为一次电流的幅值。 将式( 2 9 ) 代入( 2 8 ) 可解得t a 的励磁电流屯和二次电流之，分别为： f 屯= 矗q 轧c o s c o o ( 2 1 0 ) p 手i 邯似酬 亿 式( 2 1 1 ) 中t a n 够：土。 彩互 由此可见，在一次系统的工频电流突然加到电流互感器中，在励磁电流和二次 电流中，均包含按t a 二次回路时间常数衰减的非周期自由分量与工频分量。式 ( 2 1 0 ) 中第一项为励磁电流的非周期分量，第二项为励磁电流中稳态励磁电流， 1 从式中可以看出，稳态励磁电流的幅值为一次电流幅值的，一般t a 没有饱和 ( - 0 1 2 1 的情况下，励磁电感乞很大，因此t a 二次回路时间常数互很大，二0 ，励 缈互 磁电流可以忽略不计。由式( 2 1 1 ) 可见，二次电流由于暂态过程的影响，其稳态 分量的相位滞后于一次电流驴角度。 2 3 2 一次电流中包含非周期分量 考虑最严重的情况下，当电压波形过零时发生短路，此时短路电流中的非周期 分量最大，电流的波形完全偏于时间轴的一侧。一次电流可用下式表示： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 f = 乞。互一c o s 国f ) ( 2 1 2 ) 式中为一次系统的时间常数。将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 7 ) 中可得解微分方程 的解为： 屯：一乓s i l l 国f 一墼e 石竺e 互 ( 2 1 3 ) 。 彩互互一互互一互 之= l c 彩1 互s i n r a t - c o s c o t + 簪，= l c 簪一c o s c 研+ 伊， ( 2 1 4 ) 由式( 2 1 3 ) 可知，t a 在一次系统短路后的暂态过程中，励磁电流f l 。中含有三 个电流分量“。： 1 式中第一项为周期分量，它是一次短路电流中的周期分量传变到励磁支路 的，是不随时间而衰减的周期性稳态电流； 2 式中第二项强制非周期分量，它是一次短路电流f t 中的非周期分量传变到励 磁支路中去的，并以一次回路时间常数正所确定的指数规律而上升( 绝对值下降) ， 当一次系统短路电流中的非周期分量衰减至零时，该电流分量随之消失； 3 式中第三项为自由非周期分量，它是t a 二次回路中引起的，并以二次回 路时间常数正所确定的指数规律而自由衰减的，即使一次短路电流中的非周期分 量已经衰减至零，但由于通常互 互，该电流分量还将持续一段时间后才能消失。 由式( 2 1 4 ) 可知，t a 二次电流中的非周期分量也分为两项，其中第一个指 数项初值较大，但衰减较快；而第二个指数项的初值较小，但衰减较慢，因此两者 之差必然存在过零点，在过零点处的非周期分量将发生反向。 t a 一次、二次电流和励磁电流中非周期分量变化情况如图2 - 5 所示。由图中 可见励磁电流中的非周期分量使励磁电流完全偏向时间轴一侧，它是引起t a 饱和 的主要原因；t a 二次电流中的非周期分量由于z 、正不同，会发生反向。 华北电力大学硕士学位论文 ； 乒 羹 i v - 、 ，一 、 一 毫。 、，一 图2 5 ：t a 各侧电流的非周期分量 由式( 2 1 3 ) 司得暂态过程中的屯与稳态分量最大值之比为( t a 的暂态误差和 稳态误差之比) ： 巧2 器( 一叫轧s i n 研 ( 2 1 5 ) 式中k 称为暂态标定因素或饱和系数n 8 、1 9 1 。 式( 2 1 3 ) 中的非周期直流分量在扣盟l n 墨时达到最夹值lr 争、1 丽- - l 。 z zz z 再令s i n c o t = 一l 代入式( 2 1 3 ) 中可得t a 暂态过程中的最大励磁电流，即： 。l 卉+ 轰 弦 可得暂态饱和系数的最大值为： 一嘲赢+ 亿 假设互= ( 1 - - 2 ) s ，则一在不同互下的值如表2 1 所示。 正 1 0 m s5 0 m s3 0 0 m s 砖一 4 4 11 4 4 15 35 6 6 6 7 4 华北电力人学硕士学位论文 可见互对缸影响最大，电流互感器对非周期分量传变较对周期分量的传变差。 因此励磁电流中的非周期分量比周期分量大得多，这是增大的根本原因。矸越大， 一次电流的非周期分量越像直流，非周期分量传变的越差，k 大。一次电流中的非 周期分量引起的励磁电流非周期分量是导致电流互感器铁芯饱和的主要原因。如果 二次侧的时间常数互很大，也就是说如果这个时候不饱和，即二。很大，那么励磁电 流的大小可以忽略不计，二次侧电流能够完全反映一次侧电流的大小。 2 3 3 影响电流互感器暂态特性的因素 根据上节中的分析，可知影响电流互感器饱和的主要因素有以下几点： 1 一次系统暂态短路电流中非周期分量的大小 由式( 2 1 3 ) 可知短路电流中非周期分量的幅值对电流互感器的影响很大。非 周期分量的幅值与短路电流水平和短路时刻有关。当非周期分量的幅值达到1 0 0 ， 是最为严重的情况。 2 一次侧系统的时间常数 由式( 2 1 3 ) 可知，一次系统的时间常数t l 越大，短路电流中的非周期分量 衰减越慢，电流互感器铁芯越容易趋于饱和。 对于3 3 0 k v 及以上电压等级系统，由于单机容量大，一次系统时间常数较大， 致使短路电流中非周期分量衰减缓慢，短路电流的暂态持续时间较长。为保证系统 的稳定运行，要求装设快速动作的主保护。例如5 0 0 k v 系统主保护的动作时间一 般是2 0 m s 左右，即继电保护须在t a 的暂态过程中切除故障。 3 二次侧负载的大小及性质 由式( 2 1 9 ) 可知，电流互感器二次侧负载越大，t a 越容易发生饱和。这是 因为二次电流正比于等效励磁线圈两端的电压，而此电压又正比于磁感应强度b ， r a 的二次负载越大，磁感应强度b ，越大，所需的励磁电流越大。 4 电流互感器铁芯中的剩磁 为了减少电流互感器的铁芯损耗，一般采用磁滞回线较窄的硅钢片。这类硅钢 片的剩磁通常都比较大。 由于在正常运行情况下，电流互感器铁芯工作在低磁密条件下，剩磁对电流互 感器饱和的影响不大。但是当系统发生短路，故障被切除后，t a 铁芯中的磁通将 沿着磁滞回线下降到剩磁值，如果剩磁的极性与下一次故障时的短路电流所产生的 磁通极性相同时，t a 的铁芯将更快地趋于饱和，使二次电流和电压的波形产生更 大的畸变。 剩磁对电流互感器的暂态误差影响很大。在高压和超高压系统中，线路自动重 华北电力大学硕士学位论文 合闸情况下产生的剩磁幅值大，它能使电流互感器在没有达到饱和电流倍数时就发 生饱和。当断路器重合到水久故障时，重复励磁叠加到按指数衰减的剩磁上，很容 易使电流互感器迅速饱和。 24 电流互感器饱和的仿真模型以及二次电压的波形特征 241 电流互感器饱和仿真模型的建立 基于m a t l a b 建立的电流互感器的模型如下图所示 图26 ：电流互感器的模型 口 ( 1 ) 电源 使用m a t l a bp s b 模块库中的交流电压源模块，其有关参数见图26 。 ( 2 ) 并联电抗器 使用m a t l a bp s b 模块库中的串联r l c 元件，电抗器额定容量为6 93 m v a r ，额定 电流为l k a ，品质因数0 为1 0 0 ，电阻 = 06 9 3 ，电感l - o 2 2 1 r 。 ( 3 ) 电流互感器( t a ) 使用m a t l a bp s b 模块库中的饱和变压器互感器元件，其电流比为2 0 0 0 a 5 a ， 额定容量为2 5 v a 。t a 一次绕组为单匝，穿过环形铁心：二次绕组为4 0 0 匝，一次绕 组且2 00 0 1 p “( 标幺值) ，= 00 4 p “；二次绕组r = 00 0 1 p “，厶= 00 4 p “； 表示铁心有功损耗( 涡流和磁滞损耗) 的电阻r = 1 0 0 p “。电流互感器铁心的非线性 磁化曲线用分段线表示，并考虑铁心可能存在剩磁的情况，如图27 所示。同时假 定t a 一次电流为1 0 p u 时t a 铁心处于饱和状态。t a 二次负载为一个l 的电阻，二次侧 串接有一只开关，它通常情况下是闭合的，当它断开时用于模拟二次侧开路时t a 的 运行状况。 华北电力大学硕士学位论文 jq 厂 一靠 图2 - 7 - 铁心的非磁化曲线 ( 4 ) 断路器 使用m a t l a bp s b 模块库中的断路器元件，它有一个控制端，可设置断路器的开 合时刻，断路器闭合时间的设置对非周期分量有直接影响，进而影响波形。 ( 5 ) 测量与显示 电流测量模块( 1 ) 用于测量t a 一次电流( 即主回路电流) 。电压测量模块u 2 用于 测量t a 二次电压。在稳态时，t a - - 次侧的电流为1 0 0 0 5 2 0 0 0 = 2 5 a ，u 2 为2 5 v ( 方 均根值) 或3 5 4 v ( 峰值) 。1 经一个比例环节变换( 2 0 0 0 ：5 ) 元件后与一起送示波器 模块的通道l 进行显示，可以显示和记录电流电压的波形。t a 的磁通( 尹) 通过一个万 用表进行测量，并通过一个转换元件将磁通转换为标幺值( 尹) 后送入示波器通道2 进行显示。 2 4 2 仿真结果分析 仿真的过程是通过设定不同的元件参数( f = 5 0 h z ，t = 0 0 2 s = 2 0 m s ) 来控制电路。 将断路器闭合时间设置在t = 1 2 5 t ( 2 5 m s ) ，此时电源电压为峰值，即电压初相口= 9 0 0 ， 电路电流的非周期分量近似为零。开始仿真，观察t a 一次电流和二次电流( 示波器 第l 通道) ，其波形如图2 8 所示。电流与电压均为正弦波，t a 电阻与漏抗所引起的 测量误差并不显著。当一次电流为基波电流且在一定的范围内变化时，电流互感器 处于稳定运行，且二次电流与一次电流呈线性关系。 ( 1 ) 在含有非周期分量电流作用下无剩磁时的饱和特性 打开电流互感器模型对话框，磁化曲线用分段非线性特性表示，设置3 个磁化 电流与磁通值 f ( p “) ，矽( p “) 点为： o ，0 ； o 0 1 ，1 0 ； 1 ，1 0 5 。将断路 器设置在t = t ( 2 0 m s ) 时闭合，此时电源电压瞬时值过零，即电压初相角口= 0 。，电 路电流中产生最大的非周期分量。开始仿真，其波形如图2 - 9 所示。观察头3 个周期， 磁通远低于饱和拐点( 1 0p “) ，t a 输出电压随着一次电流变化。3 个周期后，一次电 流中的非周期分量引起t a 饱和，所以t a - - - - 次电压出现大的失真。 华北电力人学硕士学位论文 ( 2 ) 在含有非周期分量电流作用下有剩磁时的饱和特性 当考虑t a 铁心存在剩磁的情况时，可以在电流互感器模型对话框中为t a 设置一 个初始磁通，其极性可正可负。在此，设剩磁0 4 p u 其磁化曲线用4 个磁化电流与 磁通值 f ( p “) ，( p u ) 点表示为： 0 ，0 ： 0 ，0 4 ； 0 0 1 ，i 0 ； 1 ，l o 5 。其 它条件与参数的设置与上述不考虑剩磁的情况相同。启动仿真，其波形如图2 - 1 0 所 示。比较图2 9 和图2 1 0 可以看出：由于剩磁的影响，铁心更容易饱和，在电源电 压比较低时，铁心就接近饱和状态。 ( 3 ) t a - - 次侧开路情况下的饱和特性 重新将断路器设置在t = 1 2 5 t ( 2 5 m s ) 时闭合，此时一次电流中不含非周期含量。 将t a ：次侧的开关设置在t = o i s 时断开，造成t a ：次侧开路。开始仿真，其波形如 图2 一l l 所示。可以看出，t a 二次侧开路时磁通为方波，其值在+ 1 0p u 与一i 0p u 之间 变化。巨大的丸4 变化率在t a 二次侧引起很高的过电压，其峰值达n 2 5 0 v 。 图2 8 ：正常运行时 1 6 华北电力人学硕士学位论文 重 吕 葛 = 宝： 兮 立 剧 帮 t - - c ) 善 吕 毫 = n 3 j 鼎 龉 b - - o 图2 9 ：在含有非周期分量电流作用下无剩磁时的饱和特性 图2 1 0 - 在含有非周期分量电流作用下有剩磁时的饱和特性 1 7 华北电力大学硕士学位论文 兮 霉 吕 葛 v 一, - 3 3 蚓 胬 卜 c ) 图2 1 1 ： 二次侧开路情况下的饱和特性 结合t a 铁心饱和物理过程，分析仿真图形可得二次感应电压与电流波形的奇 异性特征如下。 首先，t a 不饱和时段，很大，h 随时间的变可以引起b 的显著变化；由式( 2 1 ) 可知，这将在t a 二次绕组中感应出足够大的“，以维持之准确跟随如。而t a 饱和 时段，很小，即使h 随簟寸间的变化很大，也不会引起b 显著变化；t a 二次绕组中 将不会感应出足够的坞，因此，之畸变。由于铁心饱和过程中，过渡时段很短，因 此，的波形呈现如下奇异性特征：饱和开始时，b 由可以随时间显著变化转为不 能显著变化，电压的模值骤降；而饱和结束时，b 由不能随时间显著变化转为可以 显著变化，电压的模值骤升。 若二次负荷功率因数很高，则之和“：近似成正比，其波形也具有与“：相同的特 征。若二次负荷功率因数较低，则由于l 能够抑制电流突变，f 2 。的变化远比甜：平缓， 其模值不会出现骤然升降的特征，所以采用电压变化的特点来分析电流互感器的饱 和比利用电流突变的特征有其优越性。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章微机型母线差动保护抗t a 饱和方法的分析与评价 3 1 引言 目前广泛应用的母线电流差动保护主要依赖电流互感器( t a ) 二次侧电流信号 作为保护判断的依据。因此，电流互感器能否正确传送一次侧电流信息，直接影响 母线差动保护能否正确地动作。由于母线连接元件众多，在母线区外故障尤其是区 外近区故障时，故障线路电流互感器将产生饱和，一次电流无法正确传变至二次侧， 导致二次侧电流发生畸变，形成很大的差动电流，母线差动保护难以避免地要产生 误动。此外母线保护要求动作速度快，通常在2 0 - - - 4 0 m s ，而高压和超高压系统的 时间常数较大，导致t a 中的非周期分量的衰减时间长，这说明母线差动保护要求 在电流互感器的暂态过程中作出正确判断。因此对母线差动保护抗t a 饱和的能力 要求比其它的差动保护更加严格。随着系统容量的日益增大，短路容量也不断增加， 尤其是2 2 0 k v 以上电压等级的系统，其暂态过程很长，这都使得t a 饱和问题更加 突出，对母线差动保护的抗t a 饱和能力提出了更高的要求。 传统的中阻抗和高阻抗母线差动保护利用差动回路的阻抗特性，可以巧妙地躲 过电流互感器的饱和，基本不受其影响。数字式母线差动保护中没有类似的差回路， 且阻抗低，特别容易受t a 饱和的影响。但数字式母线保护具有逻辑性强，计算能 力强等优势，近年来在母线保护中得到逐步推广。因此如何提高数字母线保护抗t a 饱和的能力就成为数字式母线保护研究的焦点问题。国内外许多学者就此展开了深 入的理论研究，针对t a 饱和时的电流特征和饱和机理，结合母线电流差动保护原 理自身的特性，充分发挥数字式保护的优势，提出许多母线差动保护抗t a 饱和的 方法。更有一些母线保护的生产厂家将其研究成果应用于实际的保护装置，投入现 场的运行中，接受实际运行条件的考验。 本章将详尽总结和分析目前国内外数字式母线差动保护中采用的抗t a 饱和 方法，并对这些方法的性能予以评价。 3 2t a 饱和的同步识别法( 时差法) 根据第二章中的分析，由于电流互感器铁心磁链不能突变，磁链的大小正比与 电流互感器二次电流的积分。因此发生故障后，短路暂态电流并不能立即使t a 进 入饱和状态，磁链需要一定的时间积累。反应至故障支路的二次电流波形中，可观 察n - 次电流在故障发生后的一段时间可以正确传变一次电流，在t a 达到饱和之 后，二次电流出现缺损，发生畸变。数字式母线差动保护是根据引入保护的各条支 路的电流进行大差动计算，从而判断是母线区内还是区外故障。因此，在故障发生 1 9 华北电力火学硕十学位论文 后，t a 由未饱和状态过渡至饱和状态的过程中，差动电流由最初很小的不平衡电 流发展至较大的电流。根据大量的实际运行经验和理论分析，故障后t a 到达饱和 状态的时间通常在几个毫秒( 一般为5 m s ) u 驯。 t a 饱和的同步识别法正是基于此物理现象，也被称作时差法。其基本原理为： 在母线差动保护中设置故障起动元件，故障起动元件可以选取电压突变量起动 元件或是和电流突变量的起动元件( 将在第四章中详细讨论) 。根据故障起动元件 起动时间和差动保护元件起动时间的差异，判断是母线区内故障还是区外故障t a 饱和的情况。当母线发生区内故障时，故障起动元件和母线电流差动元件基本一 起动作，在时间上保持一致：而当母线发生区外故障时，故障起动元件动作，但在 故障发生的最初阶段，电流互感器未发生饱和时，差动电流很小，母线差动元件不 动作，经过一段时间，在t a 发生饱和后，差动元件才动作，因此故障起动元件和 母线差动保护元件在动作时间上存在差异。利用此原理，很容易判断出母线保护的 ：故障情况。当发现是区外故障电流互感器饱和，则闭锁母线差动保护一段时间，通 常闭锁时间为1 0 0 1 2 0 m s ，之后再重新开放母线差动保护。由于同步识别法原理 简单，易于实现，因此成为目前在实际工程中运行的数字式母线差动保护采用最为 广泛的一种抗t a 饱和方法。 文献比到“。叫提出基于工频变化量的自适应加权式母线差动