电流互感器c饱和时母线保护的安全运行

电流互感器c饱和时母线保护的安全运行

1抗ct饱和方法现有的微型线条保护广泛应用于短暂电流差动的保护中。根据ct二次电流的瞬时值差动原理，可以快速保护母性。然而,影响现有微机型母线保护动作正确性的最大问题是CT暂态饱和问题。当母线发生外部故障特别是母线近端发生外部故障时,不但故障电流很大,而且还伴随着较大的直流分量,故障支路CT有可能进入饱和状态,如果CT饱和,它的二次电流就会发生畸变,不能真实地代表一次电流,差动保护将出现较大的差流,差动保护判据将反映为内部故障,使母线保护误动。这种情况对各种类型的母线保护正确动作都有影响。因此,抗CT饱和方案关系到母线保护的可靠性。文献提出通过计算支路的谐波含量确定母线保护中CT的饱和,这种方法虽然能够准确的判别出CT是否发生饱和,但需要计算每条支路电流的谐波含量,计算量很大,适用于分布式微机母线保护。而现有的微机母线保护多为集中式微机母线保护,实现分布式微机母线保护仍有一定的困难。本文利用差流中的谐波波形特点判断CT是否发生饱和,减少了计算量,适用于集中式微机母线保护。2ct饱和过程和电流特性2.1次电流的创造CT的简化等效电路如图1.1。其中Zm为励磁阻抗Zm、R2为二次电阻和电感。在正常情况下,CT的铁芯工作在低磁密的条件下,L2很大,流入励磁回路的励磁电流很小,二次电流能够真实传变一次电流。当系统发生故障时,由于短路电流往往含有一定幅值的非周期分量而使CT铁芯的磁密很快达到饱和值,此时,Zm值降低,流入励磁回路的励磁电流将增大,二次电流的波形可能出现严重的畸变现象。特别地,当CT严重饱和时,Zm的值变得很低,一次电流大部分流入励磁回路。二次电流变得很小,此时差动回路将产生很大的不平衡电流,这是导致母线保护误动的根本原因。2.2ct饱和过程图2、图3是模拟暂态和稳态饱和条件下CT的一、二次电流波形(横轴为时间,纵轴为电流放大倍数)。从图中我们可以发现CT饱和波形具有以下主要特征:1)短路发生后,CT不会立即进入饱和。从大量的仿真数据看来,在发生饱和的初始阶段至少3ms内CT不会饱和。2)CT二次电流的负向过零点提前,严重饱和时可能提前达90度;但正向过零点偏差不大,且在此过零点附近CT有一段线性传变区。3)一次电流中含有较大的非周期分量,例如一次电流100%偏移,饱和后二次电流产生较大的畸变,二次电流波形出现缺损,幅值降低。如图1.2所示。4)一次电流中含有较大的周期分量,造成铁心在正、负半波均进入饱和,二次电流正、负半波均畸变,正、负半波是对称的。如图1.3所示。3滤波器的基本原理作为对首半波比率差动保护的补充,现代微机母差保护方案中仍设置了反应稳态量的比率差动保护。当发生区内故障时,差流的波形反映的是一次系统的短路电流;而发生区外故障伴随CT饱和时,差流的波形实际上是饱和CT励磁支路的电流波形。通过对CT饱和电流的分析可以知道,暂态饱和时的谐波主要成分为二次谐波,而稳态饱和时谐波的主要成分为三次谐波。由此可以推断出在CT由暂态饱和向稳态饱和过渡时,二次、三次谐波会有一个彼此相当的过程,因此单独依靠二次或三次谐波来制动,谐波制动量的大小不易整定。既然二次三次谐波制动量不易单独确定,因此考虑用综合的谐波制动量,即将差流中的非周期分量及基波分量滤掉,余下的所有谐波量作为饱和的特征量。因此需要设计一个陷波器滤除差流中的非周期分量及基波分量,滤波算法益采用数据窗较短的算法,以提高判据的开放速度。首先对差流进行差分,滤除直流分量的影响,表达式为:H1(z)=1-z-2;其次,设法滤除基波分量。向量法是利用各次谐波采样点向量之间的相位关系,进行加减运算以获得预期滤波效果的一种滤波器设计方法。用向量法设计基波陷波器,可以得到滤波器表达式为H2(z)=1-z-4-z-8。最后由H1(z)、H2(z)级联构成陷波器的表达式:幅频特性如图4:从幅频特性可以看出,滤波器达到了滤除非周期分量及基波分量的目的,并且能够放大反映饱和特性的二次谐波和三次谐波。对图2、图3所示电流的差流进行滤波计算,得到谐波分量波形如图5、图6所示(实线为差流波形,虚线为滤出的谐波波形)。从图5可以看到暂态饱和时的谐波不是一直保持不变的,而是随时间振荡变化,并有增大的趋势。从图6可以看到在发生稳态饱和时,谐波的含量相对稳定,稳态饱和越严重,差流谐波占基波的比例越小。事实上,若选择CT时使其在最大稳态短路电流下满足10%误差曲线,常规的比率差动不可能动作。下面对滤波器滤出的谐波进行半波积分并采用全波傅氏算法计算差流中的基波分量幅值其中ki为差分后的采样值。谐波的半波积分值与基波分量幅值的比值图7示出了暂态饱和时谐波分量半波积分Ixb。从图中可以发现:由于ixb波形的周期性缺损使其半波积分值Ixb也周期性振荡,而随着时间的推移CT的饱和程度逐渐减轻,反映差流谐波分量的Ixb逐渐增大。图8示出了稳态饱和时谐波分量半波积分Ixb。从图中可以发现:由于稳态饱和时,ixb波形是稳定的(如图6),所以半波积分值Ixb基本保持不变。谐波与基波的比值K1=Ixb/I可以反映差流中谐波含量的相对大小,谐波比随时间的变化情况如图9、图10所示。可见谐波比Ixb/I与谐波Ixb有类似的变化规律,在每个周波内存在一个最大值。通过以上分析,我们便可以初步建立起基于谐波波形特点的判CT饱和方案:当每周波内时,则鉴别出CT饱和,闭锁保护一个周波;而若K1max>k,则认为故障已由母线区外转为区内,开放保护。判据中参数k的选取应保证在CT最严重饱和的情况下,判据不误开放,在此k可取0.5。该判据充分利用了CT饱和时仍存在线性传变区的特点,利用一周波内谐波比的最大值来选取参数k,这有利于转换性故障时判据的迅速开放。此外判据的开放时间较短,这也有利于快速切除转换性故障。但是,由于谐波制动判据采用CT饱和时差流波形中的谐波分量对保护进行制动,所以发生转换性故障时,故障电流中的谐波分量对判据的快速开放仍存在一定的影响。试验表明,某些不利情况下发生转性故障,判据可能延时100多ms才开放,这对于母线保护显然是不能满足要求的,必须对判据加以改进。4短路电流的影响为提高转换性故障时判据的开放速度,必须区分系统短路过程和CT饱和时差流中谐波分量的不同特点。根据参考文献分析可知短路电流的谐波分量都是按指数规律衰减或保持一定数值,因此谐波分量的半波积分值都是单调递减或保持不变的。利用谐波分量的这一特点,可以找到谐波制动的另一个判据。以发电机机端三相短路为例进行说明:当发电机端发生三相短路,发电机的d、q轴不对称时,产生的二次谐波分量不容忽视。我们用PSCAD软件对机端三相短路的情况进行了仿真,同步发电机的主要参数如下:额定线电压3.976kV、额定电流2.3kA、功率因数0.85以A相短路电流为例,图11为机端三相短路时A相电流波形(实线)及根据公式2.1滤出的谐波波形(虚线)谐波半波积分值及谐波半波积分值与基波的比值K1如图12、图13所示:从图11、图12可以看出,在短路的初始时刻,短路电流中的谐波含量最大,而随着时间的推移,谐波分量逐渐降低,不会出现大的振荡,这与暂态饱和时是不同的。由图13可知,谐波占基波的比例大于0.5,由上文所建立的比例判据将闭锁差动保护,延迟了差动保护的动作时间。CT暂态饱和时,由于每个周期内CT存在线性传变区,差流的半波积分值周期性振荡(见图7)。所以可以用谐波是否振荡来区分谐波分量是饱和引起的还是由于系统的暂态过程引起的,即可以用的大小来反映(其中:Ixbmax每周波内谐波半波积分值的最大值;Ixbmin每周波内谐波半波积分值的最小值)。短路时K2的波性如图14所示,暂态饱和时的波形如图15所示。可见,暂态饱和时K2的值远大于短路时K2的值。所以,当K2大于某一整定值时证明是CT饱和,闭锁母差保护,当K2小于某一整定值时开放母差保护。需要注意的是当发生稳态饱和时,CT二次侧的电流正负半波是对称的,没有直流分量,所以它的半波积分值是稳定的,基本上不振荡,K2值较小,但是正如上文提到的,若选择CT时使其在最大稳态短路电流下满足10%误差曲线,常规的比率差动不可能动作,即使比率差动动作,差流中的谐波含量仍然会很大(如图10),为了保证可靠性,当K1max大于某一定值时直接闭锁保护,不对K2进行判别。至此我们得到了饱和判别改进后的方案,逻辑框图如图16所示。5传统电流谐波滤波器的特性1)分析了引起CT饱和的原因,以及CT饱和电流的特征,提出利用差流中的总谐波作为判别CT饱和的依据;2)设计了一个陷波器,该陷波器不但能够滤除