电流互感器暂态饱和易引起差动保护误动的原因分析

电流互感器暂态饱和易引起差动保护误动的原因分析

0ta暂态饱和的相量角度目前，主要设备的保护采用了差分动态原则作为主要保护原则。考虑到安装的便利性和安装的便利性，差分动态保护通常使用p级电流控制器（ta）进行。因此，差分动态保护面临着饱和问题。对发电机差动保护而言,两侧电压等级相同,两侧TA较为匹配,TA饱和的影响较小;对变压器差动保护、发变组差动保护而言,两侧电压等级不同,而且存在Y/△的变换问题,两侧TA难以匹配,因此两侧TA暂态特性的不一致很容易引起差动保护误动;对母线差动保护而言,连接引线多,在区外故障时流经故障引线的电流非常大,甚至达到TA额定电流的30倍以上,TA可能出现严重的暂态饱和,容易引起差动保护误动。仿真研究表明:一次电流的非周期分量是引起TA暂态饱和的主要原因,同时,TA暂态饱和还与一次电流的时间常数、二次负载的大小和性质以及TA铁心剩磁等因素有关。TA暂态饱和的主要特征为:TA暂态饱和过程是铁心磁链随着一次电流非周期分量的时间积分作用逐渐进入饱和,即TA一开始能够线性传变一次电流信息;另外,TA暂态饱和过程中铁心磁链瞬时值周期性地进入和退出饱和,即TA暂态饱和过程中在一次电流每个周期过零时始终存在一定的线性传变区域。前者是时差法(或称异步法)鉴别TA饱和的理论依据,具体实现时充分利用了故障发生时刻和保护启动时刻存在时间差这个特点;后者则将是本文所提出的TA线性区方案的理论基础,具体实现将充分利用TA线性传变区域的数据,从相量角度来构建差动保护方案。当然也可以结合TA饱和的2点特征实现差动保护算法。采样值差动保护采用“R取S”的抗TA饱和措施同样利用电流过零时TA退出饱和这一特征,与本文所提出的方案的主要区别是前者基于采样值而后者基于相量。1差动保护的两侧电流突变的程度不同,容易出现畸变考虑一种特殊情况,即差动保护的一侧电流完全被线性传变,另一侧出现TA饱和,二次电流波形出现畸变,如图1所示。在这种情况下,差动保护的两侧电流相当于TA饱和时的一次电流和二次电流。一般情况下,差动保护的两侧电流波形都可能出现畸变,只是两侧TA的饱和程度不同,电流畸变的程度也不同,但与上述的特殊情况相比,差流会有所减小,以下就考虑上述的最严重情况。TA在一次电流每个周期过零时存在一定的线性传变区域,为了便于理解,考虑一种特殊情况,即TA工作在饱和点附近,此时半个波处在线性区,另外半个波处在饱和区,因此只有选取处在线性区的半个波的数据才能正确反映外部故障时的短路电流,但关键问题是如何选取这半个波的线性区数据,以下将进行详细讨论。1.1ta线性区数据的相量法计算数字差动保护通常使用全波傅里叶算法计算电流相量,假设每个周期的采样点数为N,则数据窗长度为N,考虑到TA工作在饱和点附近,半个波处在线性区,另外半个波处在饱和区,则数据窗随着时间的推移而移动时,最多包含N/2个连续的TA线性区数据,最少包含N/4个连续的TA线性区数据。如果把数据窗长度扩大为N+N/2,则计算电流相量的数据窗中必然包含N/2个连续的TA线性区数据,这样采用数据窗长度恰好为N/2的半波傅里叶算法可以计算出TA线性区数据的电流相量。事实上,采用相量法设计数据窗长度在N/2-1～N/2+1的短数据窗滤波算法都能实现对半波线性区数据的计算。数据窗长度为N+N/2,可以保证连续的TA线性区数据为半个波,但数据窗较长,算法的响应时间也较长,这对保护快速动作不利。考虑到比率制动差动保护本身具有一定的抗TA饱和能力,如果数据窗选择N+N/4或N,此时至少有N/4个连续的TA线性区数据,尽管这种缩短数据窗的做法会引入误差,但是算法的响应时间却能缩短,从而提高了保护的动作速度。在此,构建数字差动保护抗TA饱和的线性区方案根据数据窗的长度分成3种:N+N/2线性区方案、N+N/4线性区方案和N线性区方案。1.2线性区数据选择原则以N+N/2线性区方案为例,数据窗中包含N+1个连续的半波数据,如何选择,需要有具体的原则。采用半波傅里叶算法计算正弦电流任意连续半波数据,则各电流相量都一样。而TA饱和时两侧差流数据如图2所示,此时差流不再是正弦波形,采用半波傅里叶算法计算差流任意连续半波数据,则各个连续半波的电流相量不一样。差动保护在区外故障时两侧差流在TA线性区时较小,在TA饱和时出现较大误差,因此只要在各个连续半波的电流相量中寻找到最小的一个,即说明两侧TA都处在线性传变区域,这就是线性区数据选择原则。可见,线性区数据选择过程也就是数据窗自适应寻找的过程。差动保护在区内故障时,如果TA不出现饱和,则差流是正弦电流,上述线性区数据选择原则对故障电流的计算没有影响;如果内部故障电流使得两侧TA出现饱和,二次电流出现缺损,上述差流取最小的选择方法使得动作电流有所减小,差动保护的灵敏度会相应地降低,但考虑内部故障时TA出现饱和,故障电流必然很大,保护灵敏度稍有下降对保护的正确动作影响不大;真正考验保护灵敏度的是内部轻微故障,但此时TA不易出现饱和,因而差动保护的灵敏度并没有降低。把TA饱和问题简化成半波线性区,另外半波饱和区过于理想化,事实上,差动保护两侧电流的线性区数据有时少于半个波(取决于TA饱和的严重程度),要精确找到线性区数据,只能进一步缩短数据窗,但是短数据窗的滤波性能会明显下降,而且计算复杂。综合考虑,仍然采用半波傅里叶算法,此时计算的差流会有一定的误差,但如果充分利用比率制动差动保护本身具有的抗TA饱和能力,则依然能够实现差动保护在线性区数据少于半个波的情况下正确动作。1.3制动电流ires计算传统比率制动差动保护的动作方程如下:Ιop>ΙqΙres≤Ιg(1)Ιop>k(Ιres-Ιg)+ΙqΙres>Ιg(2)Iop>IqIres≤Ig(1)Iop>k(Ires−Ig)+IqIres>Ig(2)式中:Iop为动作电流;Ires为制动电流;Iq为启动电流;Ig为拐点电流;k为制动系数。如果把差动保护抗TA饱和的线性区方案建立在传统比率制动原理的基础上,则定义比率制动差动保护的N+N/4线性区方案的动作量Iop和制动量Ires分别为:Ιop=min|˙Ι1h(k)+˙Ι2h(k)|1≤k≤Ν2+Ν4(3)Ιres.min=12min|˙Ι1f(k)-˙Ι2f(k)|1≤k≤Ν4(4)Ιres.max=12max|˙Ι1f(k)-˙Ι2f(k)|1≤k≤Ν4(5)Iop=min|I˙1h(k)+I˙2h(k)|1≤k≤N2+N4(3)Ires.min=12min|I˙1f(k)−I˙2f(k)|1≤k≤N4(4)Ires.max=12max|I˙1f(k)−I˙2f(k)|1≤k≤N4(5)式中:˙Ι1h(k)I˙1h(k)和˙Ι2h(k)I˙2h(k)为从采样点k到k+N/2-1的半波傅里叶算法计算的电流相量;˙Ι1f(k)I˙1f(k)和˙Ι2f(k)I˙2f(k)为从采样点k到k+N-1的全波傅里叶算法计算的电流相量。制动电流Ires可以取最大值Ires.max,也可以取最小值Ires.min,或是求平均值,因为TA饱和使得二次电流缺损,虽然制动电流Ires的选取对差动保护的影响不大,但是本文建议取最大值,这样可以更加真实地反映一次系统的情况。动作电流Iop的选取需要k从1到N/2+N/4+1,即需要计算出N/2+N/4+1个动作电流,计算量较大,从计算效率的角度出发,k可以跳跃增长,如采用N/4步长,则计算次数从N/2+N/4+1减少到4次,与此同时,在选取制动电流Ires时,k也可以跳跃增长,当采用N/4步长,则计算次数从N/2+1减少到2次,由此可见,尽管k跳跃增长会引入误差,但是计算量却大大减小。比率制动差动保护的N线性区方案的动作量Iop和制动量Ires分别定义为:Ιop=min|˙Ι1h(k)+˙Ι2h(k)|1≤k≤Ν2(6)Ιres=12|˙Ι1f-˙Ι2f|(7)Iop=min|I˙1h(k)+I˙2h(k)|1≤k≤N2(6)Ires=12|I˙1f−I˙2f|(7)式中:˙Ι1h(k)I˙1h(k)和˙Ι2h(k)I˙2h(k)为一个周期中从采样点k到k+N/2-1的半波傅里叶算法计算的电流相量;˙Ι1fI˙1f和˙Ι2fI˙2f为一个周期的全波傅里叶算法计算的电流相量。N线性区方案与传统的比率制动差动保护(Ιop=|˙Ι1+˙Ι2|,Ιres=12|˙Ι1-˙Ι2|相比,制动电流Ires完全一致,仅动作电流Iop发生改变,实现最简单。当k的步长为1时,需要计算N/2+1次动作电流;当k的步长为N/4时,只需要计算3次动作电流;当k的步长为N/2时,即动作电流采用前后半波计算的相量比较,因此只需要计算2次动作电流,这是最简化的线性区方案,k的步长建议采用N/4。2差动保护动作量计算方案目前缺少差动保护在各种故障情况下的故障录波数据,为了验证比率制动差动保护线性区方案的性能特点,以图3所示的发变组差动保护的动模试验录波数据为例,讨论线性区方案在区外故障时出现TA饱和时的动作性能,通过与传统的比率制动差动保护的相互比较,说明线性区方案的特点。限于篇幅,对区内故障和区外故障转区内故障等情况下出现TA饱和时的动作性能未加以详细说明。如图3所示的动模试验,差动保护在高压外侧发生区外故障,录波数据记录的两侧电流和差流波形如图4所示,其中高压侧电流已经转换到低压侧(TA二次额定电流为1A)。从电流波形观察,高压侧电流波形出现明显的缺损,差流出现明显的间断特征,其峰值与两侧电流峰值接近,说明高压侧TA出现较严重的暂态饱和。传统比率制动差动保护动作量Ιop=|˙Ι1+˙Ι2|,制动量Ιres=12|˙Ι1-˙Ι2|,启动电流为1A,拐点电流为4A,制动系数为0.5。图4所示的数据波形采用传统比率制动差动保护的计算结果如图5所示。采样频率为600Hz,即一个周期的采样点数N为12,每个采样间隔都会计算差动保护的动作量Iop和制动量Ires,如果满足动作方程,则保护出口动作,对应于图5(b)轨迹点落在斜线上方、图5(c)中时间点出现深色动作竖条,一个周期(对应20ms)最多出现12个深色动作竖条。如果图5(c)深色出现间隔,表示保护没有连续出口动作。从图5(c)保护出口动作次数来看,即使连续出口次数最少的B相也有11次,说明差动保护在外部故障期间肯定会误动。另外,在外部故障切除时,A相又有6次连续出口动作,同样可能导致差动保护误动(在此不进行讨论),图5(b)所示的差动保护动作平面也能说明这一点。图3所示的动模录波数据采用N线性区方案计算,动作方程与传统比率差动保护一致,只是保护的动作电流和制动电流分别是式(6)和式(7)。动作电流的计算步长k分别为N/2和N/4,对应的计算结果如图6、图7所示。差动保护的动作出口次数说明,线性区方案的优势很明显,即使是图6所示的最简化的方案,各相连续出口动作次数最大才4次,而且随着计算步长的缩小(k由N/2变为N/4),出口动作次数进一步减少,基本克服了差动保护区外故障TA暂态饱和引起的误动。从计算步长不同的2种N线性区方案的动作电流的变化曲线和动作平面观察,动作电流从传统比率制动差动保护的阶梯曲线变化成梳状曲线,而且随着计算步长的缩短,动作电流呈现出明显的间断特征,尽管其中的最大峰值并没有减小,但是最大峰值的持续时间很短,因此,即使在最大峰值处差动保护会进入动作区域,但很快就回落到制动区域,难以引起差动保护误动。基于比率制动差动保护的N+N/4线性区方案(计算步长N/4)的计算结果如图8所示,与N线性区方案相比,性能有进一步的提高,差动保护根本不会进入动作区域,即TA暂态饱和引起的差电流完全被线性区方案屏蔽。N+N/4线性区方案和N线性区方案相比,随着数据窗的增大,动作电流的延时在增大,即在获得更好的抗TA暂态饱和性能的同时,差动保护的响应速度却在下降,因此不建议使用N+N/2线性区方案。另外,从计算量的角度出发,动作电流的计算步长选择N/4或N/2比较合适。在内部故障时,一方面,动作电流取最小的缘故,另一方面,故障发生前的半波数据为负荷电流引起的差电流与故障发生后的半波数据为短路电流引起的差电流相比,前者显然要小于后者,因此N线性区方案会对内部故障延时半波动作。如果保护连续出口动作M次,保护才发出跳闸信号,则N线性区方案内部故障的动作时间为N/2+M,以采样频率为600Hz为例,一个周期的采样点数为12,若保护连续出口8次,保护发出跳闸信号,即14个采样点之后保护动作,则保护的动作时间约为25ms。差动保护遇到区外故障转区内故障时,线性区方案具备抗TA暂态饱和的能力,可以防止区外误动,当转为区内故障时,线性区方案延时半波后就能正确动作,从而不需要额外的判据就能保证差动保护对转换性故障正确动作。3