重合于故障时TA饱和对差动保护的影响及对策

2013-10-09郝后堂史泽兵江卫良

电力自动化设备 2013年4期

郝后堂，史泽兵，江卫良

（国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司，江苏南京 210003）

0 引言

差动保护原理简单、性能可靠，是电气主设备的关键主保护之一。电流差动保护中的电流互感器（TA）饱和造成了对短路电流的变换误差，从而影响了差动保护的动作可靠性。目前，国内差动保护的抗饱和能力越来越强，但快速识别TA饱和的理论基本为从故障发生到TA饱和，TA至少有3～5 ms的时间能正确传变一次电流，即时差法[1-3]。线路故障后再重合于故障时，由于TA强剩磁的极性与下次故障时短路电流产生的磁通极性相同，TA在重合于故障时立即饱和，几乎没有所谓的时差，一些快速保护（如母差保护）可能会误动，严重影响系统的安全。本文主要分析了该种情况下TA饱和对母差保护的影响，并提出相应的对策，在不牺牲区内故障时差动保护快速性的基础上，提高差动保护装置的可靠性，以便提高系统安全运行水平。

1 TA模型

了解TA在暂态过程中各电气量的动态变化规律是解决TA饱和问题的前提条件。图1为将一次电流和励磁电流折算到二次侧后的TA等值电路。其中Lu为励磁电感，R、L为二次电阻和电感，忽略了铁芯的铁损，励磁支路认为是纯电感[4-5]。

图1 TA等值电路Fig.1 Equivalent circuit of CT

在正常情况下，TA的铁芯工作在低磁密的条件下，Lu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。在一次系统故障时，引起TA误差的重要原因是铁芯的非线性特性，当铁芯中的磁密达到饱和时，铁芯的磁导率很快下降到一个很小的值，励磁电流急剧上升，大部分一次电流变为励磁电流，导致二次电流严重畸变。

图2为饱和波形示意图。i1为一次电流，i2为二次电流，两者之差可认为是励磁电流iu。当电力系统短路故障被切除时，TA的铁芯中将留有剩磁，如果剩磁的极性与下一次故障短路电流所产生的磁通极性相同，TA的铁芯将更快趋于饱和，导致波形在故障初始时刻即产生严重畸变。

图2 TA饱和电流Fig.2 Saturated current of CT

2 常规饱和识别方法

不同对象的差动保护要求的技术指标是不同的，一般要求母线差动保护在10～15 ms内判别故障，其他差动保护（除差动速断外）一般要求为25～30 ms[6-9]。笔者定义要求 10～15 ms 的差动保护为快速差动保护，要求25～30 ms的差动保护为慢速差动保护。慢速差动保护由于判据数据窗较长（至少为1个周期数据），故针对慢速差动保护除了时差法外，还有波形识别、谐波测量、磁制动等多种方法[10-16]，本文不讨论这些方法的实现，而主要以母差保护为例讨论时差法利弊。

母差保护装置一般配有快速差动保护和慢速差动保护，快速差动保护解决区内故障的快速切除，慢速差动保护解决区外故障转区内故障的快速切除。快速差动保护使用的前提条件就是要在故障初期快速准确识别TA饱和。一般采用时差法判别TA饱和，不同厂家具体实现方法可能不同，其基本依据为短路发生后，TA不会立即饱和，在短路发生的初始阶段至少有3～5 ms时间TA不会饱和。

其中，ΔIr为和电流突变采样值；ΔId为差电流突变采样值；m为差动间隔数。

在发生区外故障且TA饱和时，故障初期TA不会立即饱和，表现为ΔId滞后于ΔIr几个采样点才会大于饱和检测门槛。一旦判定故障为区外饱和故障，则闭锁快速差动保护。

饱和检测门槛取值、滞后点数设计、装置采样率是影响装置抗TA饱和及其可靠性的关键因素，本文不再对这些因素进行详细分析。长期运行及各种严格的试验证明，采用时差法检测TA饱和是非常有效合理的。

3 线路重合带来的问题

线路发生故障不一定造成TA饱和，线路保护跳闸后TA剩磁很高，线路重合于故障时，由于剩磁极性和重合于故障时短路电流产生的磁通极性相同，TA将快速饱和，甚至出现线性传变时间几乎为0的情况。图3为线路重合于故障时某现场录波图，Ia1为进线A相电流，Ia2为故障线路A相电流，Ida为差动电流，Ira为制动电流。第1次线路故障时，TA基本没有饱和，波形较好，但在线路重合于故障时，线路支路电流（Ia2）波形在故障初始时刻就出现严重畸变。出现上述电流异常的主要原因是在大电流情况下切除故障，造成TA有强剩磁。

根据图3中第1个周期波形，通过工具得到第1个周期内的差动电流与制动电流的突变量ΔIda和ΔIra如图4所示（录波图为每周期24个采样点）。

图3 故障波形Fig．3 Waveforms of fault

图4 差动电流和制动电流突变量波形Fig．4 Waveforms of ΔIdaand ΔIra

波形分析如下。

a.在故障开始后的第1个点测得ΔIda为1.14 A、ΔIra为1.15 A，在故障开始后的第2个点测得ΔIda为2.88 A、ΔIra为 2.76 A，可知 ΔIda和 ΔIra没有时差，不会闭锁快速差动保护（ΔIr和ΔId的饱和检测门槛为0.4 In（2 A）；In为 TA 二次额定电流，为 5 A）。

b.定义k=Ida／Ira。在故障后首个半周期，k大于比率定值kset（0.5）的有11个点，满足快速差动保护动作条件，快速差动保护误动。

c.由于故障后整周期数据窗的后半周期数据窗中的差动电流很小、制动电流很大，慢速差动保护不会动作出口。

通过上述分析可知，装置如果采用时差法判断饱和，无其他的配合措施，当发生此类故障时，系统的安全运行存在隐患。

4 对策

上文提到快速差动保护的数据窗较小，小于半个周期，在较短的数据窗内实现TA饱和检测，时差法最为有效，波形识别、谐波制动等方法在较短数据窗中很难实现。但在出现图3的故障波形时，时差法失效。

快速差动保护与时差法结合对于母差保护快速切除故障是行之有效的方法，不可能取消。在更好的TA饱和识别方法出现前，解决上述问题的最好方法就是在出现图3所示情况时不使用快速差动保护。但是差动保护一般采用根据差动电流和单元电流情况快速复归，故无法区分这种情况。

由于类似图3的波形一般出现在线路故障后再重合于故障时，不会在第1次故障发生初始阶段就出现，因此，可设计一个快速差动整组复归时间T，在差动保护启动元件启动后时间T内只启用快速差动保护一次。逻辑流程如图5所示。图5中满足快速差动复归时间是指从差动保护第1次启动至故障发生的时间小于T。

快速差动整组复归时间T不能太长，否则在区内发生故障时故障不能快速切除；快速差动整组复归时间T不能太短，否则在重合于故障、TA直接饱和时失效。快速差动整组复归时间T选取以躲过线路重合的时间为宜。

若发生区内故障，差动保护启动元件启动后由快速差动保护直接跳闸切除故障；若瞬时性故障发生在区外线路，差动保护启动但快速差动逻辑与慢速差动逻辑均判为区外而不动作，故障切除由线路保护完成，线路重合无故障，差动保护启动元件启动，不经过快速差动逻辑判断，由慢速差动逻辑判断为无故障，差动保护返回；若永久性故障发生在区外线路，第1次启动与瞬时性故障情况一致，由线路保护切除故障，当线路重合于故障时，差动保护启动元件启动，不经过快速差动逻辑判断，经慢速差动逻辑判断且经严格饱和判据，判断为无故障，差动保护返回，故障仍由线路保护切除。综上所述，快速差动整组复归时间T不会影响区内故障时差动保护快速性，同时提高了重合于故障时，TA因强剩磁直接饱和的情况下，差动保护的可靠性。该方法已在实际的保护装置中成功应用。