故障时母线差动保护的启动判别方案

故障时母线差动保护的启动判别方案

0差动保护的不足及对策由于动作速度快、抗电流平衡（ta）的良好性能，采样值差的动态保护可以广泛应用于高压电网的再压保护中。在正常情况下,TA铁芯工作在低磁密的条件下,励磁阻抗很大,互感器能真实传变一次电流。当系统故障时,由于互感器受剩磁和一次故障电流的非周期分量的影响,互感器可能会进入暂态饱和状态。二次电流的波形可能出现严重的畸变,因此会造成保护不正确动作,特别是区外故障时的误动。可见,差动保护能正确动作有2个关键:区内外故障识别以及区外故障转为区内故障时解除区外故障的闭锁,特别是后者。区外转区内故障是差动保护的第2次动作判别,由于区外故障TA饱和与区内故障在模拟量特征上均表现为有差流,如果判据不够准确很容易将区外故障TA饱和判为区内故障进而开放差动保护的再动作判据。目前,差动保护还有以下方面需要进一步研究。1)尽快判定故障的起始时刻,为准确判别出区内、区外故障提供有效时间。2)在区外故障的过程中又转换为区内故障时,需要解除对差动保护的闭锁。3)区外故障发展为区内故障且在区外故障阶段TA已经饱和,保护先判为TA饱和并闭锁差动保护,区外故障切除后如何解除TA饱和对差动保护的闭锁。4)区外故障非故障相TA饱和引起差动保护误动。本文针对母线差动保护,分别从区内外故障识别和区外转区内故障再动作2个方面论述了一种可用于采样值差动保护的判别原理。提出了基于三点算法的区内外故障识别方案。通过选取合适的判据和门槛,区内、内外故障判别中可以很好地解决TA饱和的识别问题。对于再动作判别,提出了基于差流采样值计数原理的差动保护区外故障转区内故障的再动作判据。为应对故障时的非周期分量对再动作判据的影响,论文还提出了基于差分算法的再动作方案。1区域内的外缺陷评估1.1制动电流突变母线差动保护中,制动电流为母线上各连接支路电流的标量和。系统发生故障时,母线上各有源支路电流会快速增加,制动电流急剧增大,保护利用制动电流突变来判别系统是否发生了故障,判据如下:式中:Iri为当前采样点的制动电流;Ir(i-nT)为n个周期(1个周期的时长为T)前的制动电流;kTB为突变系数,为防止振荡中频繁启动,kTB的取值应大于1;Imk为突变门槛值,用于防采样漂动及误差。若式(1)满足后,则认为系统中发生了故障,此时需要瞬时投入该采样点的区内外故障判别判据。1.2差动元件区内外故障判别母线故障时,系统提供的故障电流分散在各有源支路中,通过各有源支路流向故障点。所以,除母联支路外其他支路一般不会饱和。区内故障时差动电流满足以下3个特征。1)差动电流与制动电流同时增大。因此,大差和小差元件均可用以下公式进行区内外故障识别:式中:Idi为差动电流采样值;Id(i-2T)为2周期前差动电流采样值;Imk1为差流稳态量门槛值;Imk2为差流变化量门槛值;kZD为制动系数。式(2)、式(3)动作门槛值的选取与常规差动保护方案相同,为保证足够的灵敏度,可以适当降低稳态量门槛值。式(4)表示差流变化量大于固定门槛值:一般情况下在发生区内故障时差流会急速升高,该判据用于识别故障电流的急速升高。为保证区内故障时第1个采样点即能判别出区内故障特征,Imk2不能超过正弦曲线上第1个采样点的幅值。按每周期24点采样计算,其幅值为Imsin15°=0.258Im。因此,Imk2可取为0.2Im。某采样点同时满足式(2)至式(4)时,标识其为区内故障采样点,否则标识为区外故障采样点,这里的区内外故障采样点标识并非差动保护最终使用的区内外故障标识,差动元件所用区内外故障判别为三点算法,这里仅为其中1个采样点的区内外判别。采样点的区内外故障判别流程如图1所示。1.3区外故障判别考虑到装置采样的精度、采样延时的不一致性、采样数据的有效性,可能会存在误判区内外故障的情况,所以不能仅凭1个采样点即判别系统发生区外故障还是区内故障。为保证区内外故障判别的准确性,保护对连续3个采样点区内外故障判别的结果进行三取二抽样,抽样的结果作为差动保护使用的区内外故障标志。抽样判别方法为:若连续3个点中有2个采样点判为区内,则认为故障类型为区内故障,差动元件置区内故障标志,否则认为是区外故障,差动元件置区外故障标志,闭锁差动保护。差动保护用区内外故障特征判别流程如图2所示。1.4ta饱和的识别特征区外故障时,故障支路TA容易饱和,此饱和支路电流的非正常传变使保护产生差流。但是在故障初期都会存在一个正常传变区即线性区,线性区内差动电流的变化明显晚于制动电流的变化,这个差动电流变化的延时是区外故障TA饱和的重要特征,如图3所示。从图3可见,故障初期短暂的线性传变区的存在,使得保护差动电流明显晚于制动电流出现,在此时段内的采样值,均不可能满足式(2)、式(3),单个采样点会判为区外故障。根据三取二的原则,若能在3个采样点中有2个判为区外故障,则可以将差动元件置区外故障标志,实现对差动元件的闭锁,进而实现区外故障有支路TA饱和时差动保护不误动。对于三点算法,保护能够准确识别出区外故障TA饱和所需要的采样点数最少为2个,最多为3个。当为24点采样时,3个采样点时间窗长度为2.5ms。因此,抗TA饱和所需线性区的长度应不小于2.5ms,也可以说保护的抗TA饱和指标为2.5ms。2差流再动作预防若保护在启动后判定为区外故障,在区外故障的过程中还需要实时判别是否已经发展或转换为区内故障。保护可以利用差动电流和制动电流的关系进行判别,如果已经符合区内故障特征,则解除区外故障标志对差动元件的闭锁,开放差动保护,该判别过程称为再动作。本文针对差流采样值提出2种再动作方案:差流再动作方案和差分差流再动作方案。2种再动作方案的采样率均为每周期24点,从判为区外故障的第1个采样点开始投入再动作判别。2.1差流采样再动作系数的确定在区外故障TA饱和时,若差流采样值接近于0的动作点数少于所定义的目标点数,则认为区外故障已经消失或饱和已经消失,在这里将这个接近于0的模拟值定义为启动计数门槛值。依差流数据计算的再动作条件,基于差动电流曲线(差流采样值)进行判别。在区外故障转区内故障时,差流会增大,假若此时区外故障消除,以区内金属性故障且TA未饱和的差流曲线图(图4)为例说明,故障发生时刻为图中采样点1。在抽样周期内,计数采样值大于动作门槛值的计数值多于整定的动作点数时则认为满足再动作判据;反之继续闭锁。为灵活适应于TA暂态特性过程,启动计数门槛值与1个采样周期内采样点的最大值相关联。图4纵坐标为差流采样值Id(标幺值),保护采样频率为24点/周期。设定Idi为第i点差流采样值(i=1,2,…,N),Idmax为最大采样值,有式中:k1为低再动作系数;k1Idmax为启动计数门槛值。当1个采样周期内满足式(6)的计数值大于设定的启动点数时即可认为满足再动作条件。为力求准确无误地拟合区内故障时的正弦波形,且考虑到防止因非周期分量引起再动作方案误动作,再动作方案采用高、低再动作系数配合使用的方式,引入下式:式中:k2为高再动作系数,k2>k1。采样周期内动作点数也相应低于式(6)对应的动作点数。高、低再动作系数配合是指同时满足式(6)和式(7)才认为满足再动作条件,开放差动保护。这里以k1为例简要推导再动作系数的取值原则。由于过零点附近的采样点采样值较小,受计算误差和采样误差的影响较大,所以首先考虑把过零点附近的采样点去除掉,其余的采样点用于再动作判别计数。过零点附近共有6个采样点分别为1,12,13,14,24,这样就可以定义差流再动作的点数为19点。由于采样延时、误差等因素的影响,采样点不会严格按照图4所示采样点的位置分布。2个采样点的角差为15°,根据正态分布原理,可近似认为在2个采样点之间平均值处即7.5°作为采样误差的最大值,并把7.5°对应的幅值作为计算再动作系数的下限。从图4中可以看出,只要采样延时或误差稍微存在,按照上面的定义,过零点附近的点可能就多于5个,所以为防止最严酷的5个点的情况下的再动作判别失效,再动作系数应稍微小于采样点1对应的采样值(标幺值情况下为sin15°)。综上,不满足再动作判据的门槛值要满足以下条件:sin7.5°<k1<sin15°,即0.13<k1<0.258。2.2差分再动作方案系统故障时若二次系统中存在非周期分量,则会对差流再动作判据造成较大的影响,非周期分量较大时可能会造成差流再动作判据拒动,为应对这种情况,这里提出差分差流再动作判据。差分再动作采用将差流原始曲线经过差分计算处理后得到的曲线,通过差分计算可以将非周期分量滤除。与差流再动作判据相同,差分方案也是基于采样点判别,将图4的差流曲线差分处理得到图5,即为差分再动作方案所用的电流曲线。图5纵坐标为差分差流采样值(标幺值),采样频率为24点/周期。设Idi和Id(i-1)为相邻的2点原始差流采样值,ΔIdk为差流采样值差分后的数值:求出变化量的最大值ΔIdmax作为判别用的启动计数门槛值:求出ΔIdmax之后,满足式(10)的采样点计数为动作点数:kCF为差分再动作系数。设标准差动电流曲线为:式中:Δθ为采样间隔之间的角度差。可知,差分再动作系数可取值为2sin7.5°=0.261。差分再动作同样需要去除过零点附近那些对判别影响较大的采样点。如图5所示,考虑最严酷情况下,差分曲线一周期内有4个过零点(6,7,18,19),因此差分再动作的动作点数一般取为20。由于TA饱和时,差动电流曲线与正弦波有较大差别,每个过零点附近前后均有较多采样点偏离正常的正弦曲线轨迹,无论是差流再动作方案或者是差分再动作方案均不会误开放。因此,差流再动作判据和差分再动作判据均不会因TA饱和而误判为满足再动作条件。与其他TA饱和的再动作方案相比,上述2种方案开放速度快,满窗即能动作,且基于差分原理的再动作判据具有明显的抗暂态特性功能。2.3高制动特性的再动作判据线路上发生故障时,母联TA可能会因较大的短路电流流过而发生TA饱和。若此时线路故障转换到母线故障,母联TA饱和依然存在,差动元件的再动作判据可能会因母联TA饱和而无法动作。在区内故障母联TA饱和时,若不考虑算法和采样误差,差动电流等于制动电流。据此可设计高制动特性的再动作判据,判据根据采样周期内采样点的制动电流与差动电流幅值关系判别。式(14)为饱和开放的主体判据(制动关系满足,且制动系数近似为1),式(15)将过零点附近的采样点忽略:式中:Id为差动电流;Ir为制动电流;k为高制动特性再动作系数,Imk为过零点门槛值,一般取0.1Im。区内故障母联TA饱和,理论上1个周期内所有的采样点满足式(14)或式(15)。考虑设计裕度可将动作点数定义为22,1个周期内满足动作点数时即为满足区内故障TA饱和再动作条件,开放差动保护。2.4非故障相确定在区外单相接地故障时,故障线故障相TA二次的中性线上会有1/2的负载电压降,此电压降与故障相二次电流的瞬时值成正比,并作为电源作用于非故障相TA的二次端子。若非故障相在线性段工作,励磁阻抗很大,将无任何电流倒流入非故障相TA二次侧;若非故障相因TA剩磁而处于接近饱和段传送负荷电流,则会在非故障相二次回路出现类似故障的毛刺或者异常尖波电流。上述再动作方案是针对故障相与非故障相同时进行区内外故障识别,当非故障相各TA饱和情况不一致时,基于采样值算法的区内外故障识别很有可能出错,使非故障相误判为区内故障。例如,附录A图A1所示为一线路两侧TA的三相电流波形,某次线路发生A相区内故障,一侧TA因二次回路负载压降引起了非故障相产生电流,B相、C相上出现异常尖波,即非故障电流出现类似饱和的异常尖波。C相差动电流和制动电流的关系满足差动动作条件,非故障相误动作。若母线保护也取用了非故障相发生饱和的TA,则母线保护也极有可能引起误动作。这里提出基于故障相差流和最大相制动电流的制动特性作为防误措施,且该制动特性应与最小运行方式下的差动制动特性相配合。考虑母线分列运行方式下差动保护有足够的灵敏度,差动最小制动系数习惯上取为0.3,最大相制动的制动系数也可取为0.3。根据式(16)求出最大相制动电流,三相差动方程均经该最大相制动电流的制动关系把关。式中:IrA,IrB,IrC为三相制动电流。制动电流为所有支路电流的标量和,宜使用半周期积分算法。以B相为例,其计算表达式为:将三相差动电流分别与最大相制动电流相比较,以B相为例:式中:Icd.B为B相差动电流。在分相的差动元件动作出口之前按相增加式(18)的最大相制动把关,如不满足把关条件,则闭锁该相差动