一种采用归一化制动系数的母线保护新判据

一种采用归一化制动系数的母线保护新判据

0抗ta饱和性能分析目前，主要的数字字母保护单元采用了电流差动原理，影响其运行的准确性的关键是区域外故障电流交换（ta）的饱和。因此，有必要为女性保护的电子表格建立特殊的ta饱和检测单元。根据区外故障TA饱和时,差流与制动电流出现不同步,文献提出了时差法来鉴别TA饱和,但是当TA饱和较严重时,时差的精确测量存在一定困难。文献提出的计算差流谐波含量的抗TA饱和方法,易受系统故障电流谐波的干扰而误判TA饱和,使得母线内部故障时差动保护可能被闭锁,甚至导致保护拒动。文献从TA饱和的物理本质出发,提出了磁制动的母线保护方案,虽然能较准确地识别饱和,但是需对母线上所联元件的每个TA都要进行计算,运算量太大,且运算时所需要的二次负载电阻R、二次负载电感L以及TA的励磁曲线饱和点(拐点)磁链值难以整定。除此之外,电流差动原理在整定时受母线运行方式的影响较大,使得保护在满足选择性和灵敏度上发生困难。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,母线发生区内故障伴有汲出电流的情况多有发生,此时电流差动式母线保护的灵敏度会下降,严重时可能拒动。为了克服母线保护存在的问题,文献[15,16,17,18,19,20]提出基于暂态行波的母线保护原理,通过比较母线内、外部故障时行波的极性关系和幅值大小来判别母线区内、外故障。文献还提出了基于神经网络模型的母线保护。然而这些基于暂态量或神经网络模型的母线保护在可靠性上尚存在不足。文献提出了基于故障分量综合阻抗的母线保护新原理,通过计算故障分量综合阻抗来区分母线的内、外部故障。该原理判据简单,内、外部故障时特征明显,易整定,不受过渡电阻的影响,在3/2断路器接线的母线区内故障有汲出电流的情况下,保护的灵敏度也不受影响。但是原判据中的制动项取值固定,抗TA饱和能力十分有限,当区外故障TA饱和时,可能会造成保护的误动作。本文在文献的基础上对原有动作判据进行了改进,通过研究TA饱和对故障分量综合阻抗相角所造成的影响,定义了故障分量综合阻抗的相角偏移误差,并经过归一化处理后作为制动系数构成母线保护新判据。1基于故障分量的全面阻力保护1.1基本原理对于单相单母线M,假设其上有n条支路。若母线上F点发生故障,则其故障附加状态如图1所示。Δ˙UΔU˙为该相母线上电压的变化量,Δ˙Ιi(i=1,2,⋯,n)ΔI˙i(i=1,2,⋯,n)分别为流经各支路的该相故障分量电流,母线的差电流Δ˙Ιcd=n∑i=1Δ˙ΙiΔI˙cd=∑i=1nΔI˙i。定义故障分量综合阻抗为:Ζcdϕ=Δ˙UϕΔ˙Ιcdϕϕ=a,b,c(1)Zcdϕ=ΔU˙ϕΔI˙cdϕϕ=a,b,c(1)在高压系统中,由于电源系统阻抗和线路阻抗的阻抗角都接近90°,因此母线内部故障时故障相的故障分量综合阻抗反映各支路阻抗的并联,此时Ζcd=Δ˙U/Δ˙Ιcd=Ζ1//Ζ2//⋯//ΖnZcd=ΔU˙/ΔI˙cd=Z1//Z2//⋯//Zn,易知其幅值大小满足|Zcd|<min{|Z1|,|Z2|,…,|Zn|},通常只有几十欧,且其阻抗相角argZcd≈-90°。当母线外部发生故障时,其故障附加状态见图2,此时母线故障相的故障分量综合阻抗反映母线对地杂散电容的容抗,Ζcd=Δ˙U/Δ˙Ιcd=Δ˙U/Δ˙Ιc=ΖcZcd=ΔU˙/ΔI˙cd=ΔU˙/ΔI˙c=Zc,其幅值很大,一般可达上万欧,且argZcd≈-90°。1.2抗混叠性能分析基于故障分量综合阻抗的母线保护原理,其判据为:{|Δ˙Ιcd|>Ιset|Ζcd|<Ζset(2)式中:Iset为电流定值,一般可取大于0.2In;In为TA二次电流额定值;Zset为阻抗定值,整定时取500Ω,足以保证母线保护具有较高的灵敏度。由以上分析可知,基于故障分量综合阻抗的母线保护原理虽然在母线内、外部故障时特征明显,利用故障分量综合阻抗的幅值所构成的保护判据具有较好的反差特性,但其中的制动项取值固定,制动系数恒为1。当母线外部故障发生TA饱和时,由于饱和所引起的差动不平衡电流会造成判据中的动作量|Zcd|减小,可能造成保护误动作。换言之,判据本身无法通过适时降低其门槛值来躲过TA饱和的影响,其抗TA饱和能力十分有限,因此,该判据在应用时还存在一定的安全性问题,需进一步改进。2未研究信息,应用原有判据仅仅利用了故障分量综合阻抗中的幅值信息来构成母线保护的动作判据,对于其中包含的相位信息却没有深入研究并加以利用。实际上,故障分量综合阻抗中的幅值信息和相位信息是可测量的表征母线系统故障的2种有效信息,而故障分量综合阻抗可视为这2种有效信息的“自然融合”。因此,除了利用其幅值信息外,还应该对其相位信息加以利用,以充分发挥其信息“自然融合”的优势。2.1次侧电流相干性当TA发生饱和时,饱和TA的二次侧电流波形会出现缺损和畸变,其波形的缺损和畸变程度与饱和的严重程度有关,此时,在二次侧电流中会存在一定的谐波分量,但基波分量依然是其中的主要成分。而电流波形缺损这一时域内的表象在利用傅里叶变换计算出的基波相量中则表现为其电流相位的偏移。因此,可以通过分析研究基波电流相位的偏移程度来判断TA的工作状态,而在母线保护中通常以母线的差电流作为研究对象。2.1.1ta饱和时的相位误差当母线发生近区区外故障时,故障支路将流过全部的短路电流,其TA很可能进入饱和状态。此时,饱和TA的二次侧电流波形缺损并产生强烈畸变,而母线差流在波形和数值上就等于饱和TA的二次电流缺损部分,此时差流基波分量的相位会发生变化,由式(1)可知这势必会造成argZcd也随之发生偏移。因此,通过研究TA饱和时差流基波分量的相位变化,便可以确定argZcd的偏移程度。图3为母线发生外部故障时,某一支路的TA饱和时其故障分量电流的典型时域波形,其中i1,i2,iμ分别为TA的一次侧电流(换算至二次侧)、二次侧电流以及励磁电流。易知,母线差流此时反映的便是饱和TA的励磁电流。由图3可知,发生故障后TA并非立刻进入饱和,而是在过零点存在一个线性传变区,从而使得励磁电流(或二次电流)的波形存在一个间断角(或导通角)φx。若利用傅里叶变换求出此时母线差流(即励磁电流)基波相量的相位,可知TA饱和对差流基波相位所造成的影响。若理想差流与TA的一次侧电流波形相同,则可假设其时域和相量表达式分别为:i1=√2Ιmsinωt和˙Ι1=Ιm∠0°。利用傅里叶变换可求出母线差流基波分量的正弦项和余弦项的幅值分别为:Ιa=1π∫πφxi1(t)sinωtdt=√2Ιm4ωπ[sin2φx+2(π-φx)](3)Ιb=1π∫πφxi1(t)cosωtdt=√2Ιm4ωπ(cos2φx-1)(4)计算可得此时母线差流基波分量的相位为:φ=arctanΙbΙa=arctancos2φx-1sin2φx+2(π-φx)(5)由于δ≤φx<180°(δ是由于TA在入饱和前总存在一个线性传变区而产生),分析式(5)可知,计算出的差流基波相位φ始终是一个负值,因此,母线外部故障TA饱和时会造成母线差流基波相位的减小,且φ的数值随着间断角φx的增大而增大,即饱和程度越轻,造成的相位误差越大,饱和越严重,相位误差越小。若假设严重饱和时的线性传变区仅为3ms,则换算可知:φx=δ=54°,此时可由式(5)求得:φ≈-15°。可知,母线外部故障TA严重饱和时造成的差流基波相位误差一般不小于10°。本文通过数字仿真研究了母线区外故障TA饱和时差流基波分量的相位误差,图4和图5分别给出了母线区外故障TA一般饱和、严重饱和时典型的原始电流波形以及差流基波分量的相位误差。可以看出,此时差流基波分量的相位误差为正值,即与正常时的差流基波分量相位相比其相位是减小的,且轻度饱和时由于差流波形缺损严重,因此,其相位误差较严重饱和时的相位误差大。大量仿真结果也显示严重饱和时差流的相位误差一般不小于10°。2.1.2差流基波分量的相位当母线发生内部故障时,各支路仅流过其自身的短路电流,因此短路容量不会很大,TA可能由于铁芯剩磁等原因出现轻微饱和情况,严重饱和情况一般不会发生。采用与2.1.1节中相同的方法进行分析,并假设此时的母线差流就是饱和TA的二次侧电流,则利用傅里叶变换同样可求出母线差流基波分量的正弦项和余弦项的幅值分别为:Ιa=1π∫φx0i1(t)sinωtdt=√2Ιm4ωπ(2φx-sin2φx)(6)Ιb=1π∫φx0i1(t)cosωtdt=√2Ιm4ωπ(1-cos2φx)(7)计算可得此时母线差流基波分量的相位φ为:φ=arctanΙbΙa=arctan1-cos2φx2φx-sin2φx(8)由式(8)可知,计算出的φ始终是一个正值,因此,母线内部故障TA饱和时会造成母线差流基波相位的增大,且饱和程度越严重即φx越小,造成的相位误差越大。若母线内部故障TA严重饱和时的线性传变区为5ms,则φx=90°,计算出φ≈32°。实际上,由于此时的母线差流为所有支路的电流之和,尽管TA饱和支路的二次电流波形有一定程度的缺损,但对整个差流波形的影响并非如上面计算出的那么大,由此可知,母线内部故障TA严重饱和时造成的差流基波相位误差一般不会超过30°。本文通过大量仿真研究了母线区内故障TA饱和时差流基波分量的相位误差,典型饱和电流波形及仿真结果如图6所示,其中差流基波分量相位误差是指母线内部故障TA正常工作时的差流基波分量相位与饱和时的差流基波分量相位的差值。可以看出,此时差流基波分量的相位误差为负值,与正常时的差流基波分量的相位相比其相位是增大的,且相位误差不超过30°。2.2argzcd的偏移程度通过以上分析可知,由于TA饱和,会对母线的差流相量Δ˙Ιcd的相位造成一定的影响:母线区外故障TA饱和时,差流相量的相位减小,母线区内故障TA饱和时,差流相量的相位增大,且差流相量相位误差的大小与TA的饱和程度有关。由式(1)可知,母线差流相量的相位变化会造成argZcd也随之发生偏移,且二者呈反比变化。本文因此定义argZcd的偏移误差Eθ来衡量其偏移程度的大小:Eθ=|argΔ˙UΔ˙Ιcd|90°=|argΖcd|90°(9)1)当母线内部故障TA未饱和时,由于超高压系统中系统阻抗角均接近90°,因此,argZcd≤-90°,此时Eθ≥1。2)当母线内部故障伴有TA饱和发生时,由2.1.2节可知,此时Δ˙Ιcd的相位是增大的,从而导致argZcd减小,因此,argZcd<-90°,此时Eθ>1。3)当母线外部故障伴有TA饱和发生时,由2.1.1节可知,此时Δ˙Ιcd的相位是减小的,从而导致argZcd增大,因此,argZcd≥-90°,且相角误差随饱和程度而变化。由于区外故障TA饱和时Δ˙Ιcd的相位误差不小于10°,因此,Eθ≤8/9,若考虑一定的裕度,Eθ<1。2.3归一化后的ee根据2.2节可知,Eθ随TA工作状态的变化相应变化。因此,可以考虑将Eθ引入原动作判据中,使得判据的动作性能能够随TA工作状态的变化而作出相应调整,以提高保护动作的可靠性和安全性。由于当母线发生内部故障时,无论TA饱和与否,Eθ≥1;而母线外部故障发生TA饱和时,Eθ<1,因此可以将Eθ进行归一化处理,并将归一化后的Eθ作为制动系数Kres引入原动作判据中:Κres={EθEθ≥10Eθ<1(10)从而可得母线保护新判据如下:|ΔIcd|>1.25ΔIT+ΔIdz(启动判据)(11)|Zcd|<KresZset(动作判据)(12)式中:ΔIdz为电流突变量启动定值,一般取大于0.2In,已能保证足够的可靠性;ΔIT为浮动门槛,随着变化量输出增大而逐步自动提高,取1.25倍可保证门槛电流始终略高于不平衡输出,提高安全性,减少不必要的频繁启动,且具有较高的灵敏度。启动判据可用来区分正常运行与故障状态。动作判据中,Zset为阻抗定值,由于母线对地的等效电容通常在2000pF～0.1μF之间,当母线电容为0.1μF时所对应的容抗值大约为30kΩ,而母线内部故障时的等效阻抗值通常只有几十欧,可见,区内、外故障时判据的反差特性很大,因此取Zset为500Ω时已足以保证判据具有很高的灵敏度。3新评价的性能分析3.1ta饱和时造成的转换误差目前的TA饱和检测元件均采用一旦发现TA饱和便直接闭锁母线差动保护的策略,闭锁时间通常达到100ms以上,从而不可避免地影响了母线保护的动作性能。当母线外部故障发生TA饱和时,由于饱和所产生的较大差流会使保护启动,并造成|Zcd|下降,此时,基于式(1)的原保护判据可能会发生误动作。结合式(12)及2.2节可知,母线区外故障时由于TA饱和会造成差流相量的相位减小,使得Eθ<1,因此,Kres=0,此时动作判据的门槛值KresZset=0。即使此时动作量|Zcd|数值很小,保护依然能可靠制动。因此保护新判据在母线区外故障TA饱和时具有可靠的制动特性,无需将保护闭锁,从而大大提高了母线保护的动作性能及外部故障时的安全性。3.2ta正常运行由于目前的TA饱和检测元件均采用一旦发现TA饱和便直接闭锁母线差动保护的策略,因此,当母线故障点由区外转向区内或母线内部故障发生TA饱和时,保护的动作速度将大大降低,甚至可能造成保护拒动。事实上,当母线发生内部故障时,各支路仅流过其自身线路电流,因此短路容量不会很大,TA可能出现轻微饱和情况,严重饱和情况一般不会发生。而且,此时的母线差流为所有支路的电流之和,尽管某一TA饱和支路的二次电流波形有一定程度的缺损,但是对整个差流波形的影响不大。而新判据将反映TA工作状态变化的Eθ引入判据中,当母线内部故障伴有TA饱和发生时,由于差流相量的相位发生变化,造成argZcd发生偏移,此时Eθ≥1,KresZset>Zset,反而会提高保护的动作灵敏度,因此,保护能够直接出口动作,动作速度不受影响,更不会出现拒动的情况,从而使得保护性能更加可靠。除此之外,新判据依然具有基于故障分量综合阻抗母线保护所具有的天然的不受3/2断路器接线时母线内部故障有汲出电流影响的特性以及较强的抗过渡电阻能力,限于篇幅,本文不再赘述。4仿真验证及模型验证为验证新判据的有效性,利用文献中的仿真模型及参数进行仿真验证,其中饱和TA模型采用EMTP中的Type98非线性电感元件搭建,TA变比取为1200/5。4.1rgzcd1-90图7和图8分别给出了母线内部发生A相接地故障时TA未饱和以及TA饱和时的仿真结果。可以看出,内部故障TA未饱和时,|Zcd|很小且argZcd<-90°,求解出的Eθ基本在1.15左右,由式(10)和式(12)可知,此时动作量|Zcd|始终小于门槛值KresZset,满足保护的动作判据,且比式(2)中的原动作判据具有更高的灵