电流互感器二次回路经过渡电阻短路对保护装置的影响

电流互感器二次回路经过渡电阻短路对保护装置的影响

0ta二次回路短路电力差动保护是电气系统的重要因素的主要保护，在很大程度上得到了广泛应用。影响电流差动保护正确动作的原因主要有2个:电流互感器(TA)饱和问题和TA二次回路问题。对于前者,众多文献已从TA本身和保护原理提出了解决措施,有些已经在实际应用中取得了良好的效果。对于后者,文献指出,TA二次回路暴露的问题已成为影响继电保护正确动作率的一个主要原因。目前,对于TA二次回路开路的问题,大家都有比较清醒的认识,无论是保护厂家还是运行检修人员都有一套比较完善的检测和防范措施。然而,对于TA二次回路短路的情况,还没有引起各方足够的重视。以往认为TA二次回路短路不会像二次回路开路一样导致过电压,进而损坏设备的绝缘,对系统的危害几乎不用考虑。但实际中,TA二次回路短路的情况并不少见,现场已经发生多起TA二次回路短路导致差动保护动作的案例。文献分析了TA二次侧短路对保护的影响,但只是分析了金属性短路这种特例,对经过渡电阻短路的情况没有提及。而实际中TA二次回路短路多是经过渡电阻短路,因此,有必要对TA二次回路经过渡电阻短路导致差动保护动作的机理进行分析,以供继电保护相关人员参考。1ta二次桥接触损失理论的分析1.1节点电压方程在正常负荷情况下,对继电保护装置而言,可以把TA看做一个电流源,二次回路电缆阻抗和保护装置内部的电流回路阻抗可看做TA的负载。计算TA二次回路电缆的负荷时,工频情况下可忽略电感,仅计其电阻;对微机保护装置,当装置内的辅助变流器为电流型时,也可以忽略其电抗。TA二次回路的等效图如图1所示。图1中:˙ΙA,˙ΙB,˙ΙCI˙A,I˙B,I˙C分别为A,B,C相TA二次侧的电流,其幅值大小相等,相位相差120°;RTA,A,RTA,B,RTA,C为三相TA二次绕组电阻;RWA,RWB,RWC为三相TA二次回路电缆的等值电阻;RLA,RLB,RLC为保护装置内部三相电流回路的等值电阻;˙Ιa,˙Ιb,˙ΙcI˙a,I˙b,I˙c为实际进入保护装置的三相电流。当A相和C相二次回路m点和n点发生相间短路时,其等效图如图2所示。由于正常运行情况下各组TA铁芯远没有达到饱和点,可以将TA输出的电流作为电流源处理,故图2中只画出了A相和C相电流回路。图2中:Rf为A和C两相短路的过渡电阻;˙ΙfI˙f为流过过渡电阻的电流,以m点为界可将A相回路等效电阻分成RL1A和RL2A,以n点为界可将C相回路等效电阻分成RL1C和RL2C。对于A相回路,不难看出RL1A包含A相TA二次绕组电阻和m点左侧的电缆电阻,RL2A包含m点右侧的电缆电阻和保护装置内部电流回路的等值电阻。同理,可分析C相回路RL1C和RL2C的含义。运用电路中的相关理论,列出图2的节点电压方程组:{(1RL2A+1Rf)˙Um-1Rf˙Un=˙ΙA(1RL2C+1Rf)˙Un-1Rf˙Um=˙ΙC˙Um-˙Un=Rf˙Ιf(1)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(1RL2A+1Rf)U˙m−1RfU˙n=I˙A(1RL2C+1Rf)U˙n−1RfU˙m=I˙CU˙m−U˙n=RfI˙f(1)式中:˙UmU˙m和˙UnU˙n分别为图2中m点和n点的节点电压。由式(1)可求出流经过渡电阻Rf的电流˙ΙfI˙f:˙Ιf=˙ΙARL2A-˙ΙCRL2CRL2A+RL2C+Rf(2)I˙f=I˙ARL2A−I˙CRL2CRL2A+RL2C+Rf(2)由式(2)和图2可求出实际进入保护装置的电流˙Ιa和˙Ιc:˙Ιa=˙ΙA-˙Ιf=(˙ΙA+˙ΙC)RL2C+˙ΙARfRL2A+RL2C+Rf(3)˙Ιc=˙ΙC+˙Ιf=(˙ΙA+˙ΙC)RL2A+˙ΙCRfRL2A+RL2C+Rf(4)1.2ta二次回路a和c两相短路时的相量对于微机保护,可以假定保护装置内部电流回路的等值电阻RLA,RLB,RLC大小相等。对于TA二次电缆,由于电缆同型且三相一般捆绑在一起铺设,可以假定m点和n点右侧的电缆电阻大小近似相等,则RL2A和RL2C大小近似相等,即RL2A≈RL2C=RL,式(2)—式(4)可以分别写成式(5)—式(7)。˙Ιf=(˙ΙA-˙ΙC)RL2RL+Rf=Κ(˙ΙA-˙ΙC)(5)式中:K=RL/(2RL+Rf),当Rf由无穷大减小至0时,K由0增大至0.5。˙Ιa=(˙ΙA+˙ΙC)RL+˙ΙARf2RL+Rf(6)˙Ιc=(˙ΙA+˙ΙC)RL+˙ΙCRf2RL+Rf(7)根据式(5)—式(7)画出TA二次回路A和C两相经过渡电阻短路时的相量图,如图3所示。由图3可以看出,在正常负荷情况下,当TA二次回路A和C两相短路时,流经过渡电阻Rf的电流˙Ιf是相角固定、幅值大小变化的矢量,如图3中→ΡA所示,P点在M点和A点之间移动,M点为C点和A点之间连线的中点。短路时,实际进入保护装置的A相电流˙Ιa如图3中→ΟΡ所示,C相电流˙Ιc如图3中→ΟΝ所示。˙Ιa相对于A相TA二次电流˙ΙA正向偏转了α角度,˙Ιc相对于C相TA二次电流˙ΙC反向偏转了α角度,α在0～60°之间变化。可见,TA二次回路A和C两相短路时,故障相的电流幅值均减小,相位发生偏转。下面考虑2种极限情况。情况1:当TA二次回路A和C两相是金属性短路时,Rf=0,˙Ιf=(˙ΙA-˙ΙC)/2,如图3中→ΜA所示,大小为√3/2倍的负荷电流;˙Ιa=˙Ιc=(˙ΙA+˙ΙC)/2,如图3中→ΟΜ所示,大小为1/2倍的负荷电流。情况2:当TA二次回路正常时,Rf→∞,˙Ιf=0,˙Ιa=˙ΙA,˙Ιc=˙ΙC。2保护装置上的两相电流正常负荷情况下,差动保护两侧TA对应相的电流幅值大小相等,相位相同。假设两侧TA二次电流均为˙ΙA,˙ΙB,˙ΙC,进入保护装置的三相电流一侧为˙ΙA,˙ΙB,˙ΙC,另一侧为˙Ιa,˙Ιb,˙Ιc,从式(3)和式(4)可分别求出A相差流˙Ιfa和C相差流˙Ιfc。˙Ιfa=˙ΙA-˙Ιa=˙Ιf(8)˙Ιfc=˙ΙC-˙Ιc=-˙Ιf(9)可见,A相差流和C相差流幅值大小相等,相角相差180°。3实际试验结果2009年10月,某电厂发生一起发电机差动保护跳闸事故。保护采用双重化配置,一套保护动作时,另一套保护没有任何启动,事后检查发现电机没有任何损伤,因此,怀疑是保护二次回路的问题。保护装置记录的原始电流波形和差流波形如图4、图5所示,图中,前半部分为启动时刻的8个周波波形,后半部分为跳闸时刻的8个周波波形,2块波形拼接处(160ms)附近的数据不作参考,Ie为额定电流。从图4和图5不难看出,A相电流和C相电流发生畸变,幅值减小,B相电流没有变化,A相差流和C相差流在相同时刻的幅值大小基本相等,相位相差180°。事故分析表明,跳闸时刻A和C两相差流确实大于差动保护启动定值且满足差动制动特性,保护动作行为正确。虽然保护装置先后发出“差流报警”和“差动TA断线”信号,由于保护定值未投入“差动TA断线闭锁差动保护”控制字,最终导致保护跳闸。根据记录,当时的负荷电流大小为0.76Ie,启动和跳闸时刻的差流数值见表1。结合表1数据和式(5)可求出启动时刻的过渡电阻Rf≈5.31RL,跳闸时刻的过渡电阻Rf≈0.96RL,说明随着故障的发展,短路故障的过渡电阻逐渐减小,即使是跳闸时刻,仍然是经过渡电阻接地,差流也没有达到金属性故障的最大短路电流。图4和图5的实际波形与TA二次回路短路的理论分析相符合,说明当时现场确实发生了TA二次回路间隙性的A和C两相短路故障。现场更换了发生故障的TA二次电缆后,发电机至今一直正常运行。4差动保护回路未来失效分析本文提出了TA二次回路相间短路的等值电路和相量图,分析了TA二次回路经过渡电阻短路对保护装置电流采样和差动保护的影响,结果表明,故障相电流的幅值减小、相角发生偏转,差动保护回路中会产生差流,可能导致差动保护动作。分析结