直流偏磁影响下继电保护的误拒动机理分析及对策研究

马书民，戎子睿，林湘宁，李正天，汪致洵，张培夫，徐海波

直流偏磁影响下继电保护的误拒动机理分析及对策研究

马书民1，戎子睿1，林湘宁1，李正天1，汪致洵1，张培夫1，徐海波2

(1.华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074；2.易事特集团股份有限公司，广东 东莞 523808)

偏磁电流经变压器中性点入侵电力系统后，线路CT将发生一定程度的饱和，影响二次系统的测量、控制等环节，严重时甚至会诱发系统继电保护的误拒动，对电力系统的安全稳定运行造成严重威胁。为此，提出了一种基于相空间轨迹识别的继电保护改进方案。首先，分析直流偏磁对保护用CT的不利影响。在此基础上，以线路保护与变压器保护为例，揭示直流偏磁影响下继电保护的失效机理。进一步地，利用相空间轨迹不受时域饱和影响的特点，提出了一种基于相空间轨迹识别的继电保护改进方案，使得所提方案能有效应对CT饱和导致的保护失效难题。最后，以典型保护失效场景为例，对比传统方法与所提改进方案的保护动作情况，验证了所提方案的有效性及优越性。

直流偏磁；CT饱和；线路保护；相空间轨迹识别；继电保护改进方案

0 引言

随着高压直流输电技术的快速发展与大规模应用，由此产生的直流偏磁问题也愈发突显，逐渐引起人们的重视。诱发直流偏磁的因素有很多，如直流系统单极闭锁运行、城市地铁泄露的杂散电流、地磁风暴等等。一旦偏磁电流经接地中性点侵入变压器绕组后，会造成铁心振动加剧、谐波含量增加、测量系统误差增大等一系列问题，对电网一/二次设备的安全运行造成不利影响，严重威胁了电网的安全稳定运行[1-5]。举例而言，1989年加拿大魁北克电网某变电站受到直流偏磁的影响，导致站内大量继电保护装置误动，并诱发长达9 h的大停电事故，给电力系统造成巨大损失[1]。此外，2013年复-奉±800 kV直流输电工程因单极不对称运行产生直流偏磁现象，进而引起周边方山变电站的主变中性点直流电流超标。该直流偏磁现象导致站内的变压器振动加剧，使得其抗短路故障能力下降，于近区短路故障时相继损害[2]。

事实上，针对直流偏磁现象对电网一次设备的影响机理，国内外专家学者已进行了大量深入研究[6-8]。为缓解乃至消除直流偏磁对一次设备造成的不利影响，专家学者们提出了许多有效治理策略，并形成了完整体系。当前普遍使用的偏磁治理策略包括中性点串联电阻/电容法、中性点反向电流补偿法、接地极互联法以及断面功率支援法等[9-12]。其中，文献[11-12]提出了一种基于接地极互联的系统级偏磁治理策略，通过改善直流电流在大地中的分布实现了偏磁电流的有效治理，减轻了一次设备受到的损害。文献[13]则提出了一种基于多直流功率支援的直流偏磁治理策略，该策略利用同一输电断面内多条直流输电线路可进行功率支援的特点，在中性点主动生成反向不平衡电流，减小流过一次设备的偏磁电流。

与直流偏磁对一次设备影响的成熟研究不同，目前针对直流偏磁影响电网二次系统的研究较少，且内容相对杂散[14-17]。其中，文献[14-15]分析了HVDC型直流偏磁和GIC型直流偏磁对变压器差动保护的不利影响，并指出CT饱和是导致差动保护失效的根本原因。文献[18-20]进一步定量化研究了直流偏磁对CT的影响，通过构建保护用 CT 的等效电磁模型，推导得出了直流偏磁以及剩磁作用下 CT饱和时间的通用计算公式。基于上述研究，文献[21-24]提出了多种针对变压器保护的优化措施，解决了直流偏磁下变压器保护失效的问题。

可以看出，上述文献均局限于直流偏磁对变压器保护的影响。事实上，由于保护用CT的测量误差，直流偏磁同样会对线路保护的可靠性造成影响，但鲜有文献涉及到该方面。此外，目前所提出的保护改进方案仅适用于变压器保护，所提改进方案对线路保护的可行性尚未有人研究，因此亟需寻找一种具备普适性的保护改进方案。

为此，本文全面研究了直流偏磁对系统继电保护的不利影响，从线路保护与变压器保护出发，揭示直流偏磁诱发继电保护失效的机理，并进一步提出了一种能有效应对直流偏磁现象且同时适用于线路保护与变压器保护的继电保护改进方案。首先，分析线路正常与故障工况下直流偏磁对CT饱和的影响，在此基础上，分析直流偏磁造成线路保护与变压器保护失效的机理。进一步地，利用相空间轨迹不受时域饱和影响的特点，提出了一种基于相空间轨迹识别的继电保护改进方案，兼顾保护的可靠性与速动性。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了直流偏磁影响下不同继电保护的等效模型，仿真验证了所提保护改进方案的有效性。

1 直流偏磁对CT饱和的影响分析

图1 电流互感器的简化等效模型原理图

结合上述电路图，分别对处于稳态运行状态以及处于故障后暂态状态这两种情况进行电路分析。

1.1 系统稳态运行状态

根据基尔霍夫电流定律，保护用CT正常工作时均满足式(1)。

1.2 系统故障后暂态状态

若计及CT中剩磁影响，则可联立解出当偏磁场景下发生故障时CT铁心磁通的表达式，如式(5)所示。

综上，无论系统处于稳态运行或故障后暂态状态，直流偏磁均会对CT造成显著影响。

2 直流偏磁影响下的线路保护与变压器保护的误拒动机理分析

2.1 直流偏磁导致线路保护失效的机理分析

220 kV及以上电压等级的线路保护以纵联电流差动保护、距离纵联保护为主[25]。

1) 纵联电流差动保护失效的机理分析

纵联电流差动保护能有效辨识区内故障，且不受系统振荡、非全相运行的影响，具备保护范围广、动作速度快的优势，常作为线路的主保护使用。典型的纵联电流差动保护的动作判据分别如式(7)、式(8)所示。

因此，在偏磁场景下，若发生区外故障，该判据很可能由于电流畸变程度的不同而成立，使得保护发生误动。

2) 距离纵联保护失效的机理分析

距离纵联保护利用故障发生时测量电压与测量电流同时变化的特征，计算得到反映故障位置与保护安装位置距离的比值，并根据该比值的大小进行故障诊断，具体判据在此不赘述。

一旦直流电流侵入变压器中性点，如图2所示，其接地侧所连线路的电流将产生直流偏置(图中所示电流dc/3)，即流过CT一次侧的电流a显著增大。随着入侵电流的增大，CT的饱和程度也显著提升，其测量电流(图中a1、b1、c1)以及零序电流发生畸变。此外，考虑到偏磁电流dc和变压器二次侧绕组阻抗2均较小，因此偏磁电流接入对线路测量电压的影响可忽略不计。

图2 偏磁电流入侵变压器中性点的等效示意图

综上，若发生直流偏磁现象，距离纵联保护的测量电压几乎不变，而测量电流随CT饱和程度的加深发生显著畸变，因此测量阻抗的大小发生明显变化，进而造成保护的失效。

2.2 直流偏磁导致变压器保护的失效机理分析

除影响线路距离保护外，直流偏磁还将对变压器保护的可靠性造成严重威胁。目前，普遍采用差动保护作为变压器的主保护，其性能易受CT饱和的影响。如图2所示，一旦偏磁电流经中性点入侵变压器绕组，根据第1节分析内容可知，变压器接地侧将出现严重的CT饱和现象。然而，在变压器的三角侧，传变电流将在变压器绕组中形成环流，无法流经外部线路，因此三角侧的CT依旧处在正常工作状态。综上，此时变压器差动保护失去可靠性。为解决由于CT饱和带来的保护失效问题，国内外专家学者已提出了多种解决方案，目前常见的包括时差法以及二次谐波制动法。

图3 基于相空间轨迹识别的继电保护方案流程图

时差法的原理在于，由于电感电流不能突变，因此在故障发生后的短时间内(3～5 ms) CT不会发生饱和，具有正常的传变特性。为此，通过检测两侧CT出现差流的时间差，即可正确判别CT饱和。然而，由第1节分析可得，由于直流偏磁的影响，区外故障时的CT起始饱和时间将显著提前，使得区外故障CT饱和时的时差缩短，进而导致传统时差法的可靠性面临挑战。

二次谐波制动法的原理在于，CT饱和时将产生大量的谐波电流，其中：若CT处于暂态饱和，谐波以2次谐波为主；若CT处于稳态饱和，谐波以3次谐波为主。由于区外故障CT保护一般均为暂态饱和，因此也常利用二次谐波含量构造CT闭锁判据，即当差流中二次谐波含量大于门槛值时，差动保护闭锁。然而，由于直流偏磁的影响，CT饱和趋于稳态饱和，此时区外故障时的二次谐波含量有可能小于门槛值，导致二次谐波制动法失效。

3 消弭直流偏磁不利影响的继电保护改进方案研究

上述分析揭示了直流偏磁诱发继电保护失效的机理：当系统受到直流偏磁影响时，系统内部的保护用CT将发生严重饱和，进而造成继电保护失去其可靠性。

因此，为有效消弭直流偏磁对继电保护造成的不利影响，应探寻一种不受CT饱和影响的继电保护判据。为此，本文提出了一种基于相空间轨迹识别的继电保护补充判据，在传统保护的基础上，利用相空间不受时域饱和影响的特点，将监测信息转化为相空间信息，利用相空间轨迹躲过CT饱和带来的不利影响，形成一套基于相空间轨迹识别判据的继电保护方案。

3.1 相空间原理及其在直流偏磁场景下的应用

根据第二节分析可知，直流偏磁将导致CT在时域上的测量电流波形缺损或畸变，最终导致继电保护失去可靠性。针对这一现象，现有研究表明[26-27]，一个时域上发生缺损或畸变的电流波形，其在频域仍表现为连续、随机分布的频谱信号，因此轻度CT饱和对重构曲线圆心轨迹特性的影响可忽略不计。

在此基础上，文献[28]和文献[29]初步探索了相空间重构法在继电保护领域的应用，利用公式推导得出相空间重构轨迹的平面分布，并基于分布规律提出了一种基于相空间轨迹识别判据的继电保护新策略，以有效应对由于CT饱和造成的保护失效问题。需要注意的是，上述文献解决的是采样数据同步对时出现误差、变压器发生涌流等特殊场景下的问题，但显然，其采用的相空间轨迹识别判据也为解决偏磁场景下的继电保护失效难题提供了有效思路。

为此，本文将相空间轨迹识别判据的应用范围进行扩展，尝试性地将该判据运用于直流偏磁场景下，分析该判据在直流偏磁场景下的有效性，并验证该判据针对线路保护与变压器保护的普适性。

然而， CT发生饱和后的测量电流相比于CT饱和前的电流将产生显著畸变及缺损，且CT饱和的程度与CT本身性质、剩磁以及铁心磁通等多种因素有关，因此很难应用现有的经典信号处理方法对其进行定量分析[30]。为此，采用定性方法进行分析：当CT饱和后，其测量电流将产生更多的二次及三次谐波，具体体现在倍频分量的幅值变化。但事实上，其幅值上的变化对基频以及倍频分量的卷积结果并不产生影响，因此文献[28]和文献[29]针对相空间轨迹重心落点的轨迹推导仍然成立，其重心分布规律在直流偏磁场景下仍具有适应性。

综上，归纳相空间轨迹识别判据如下：在直流偏磁诱发的CT饱和场景下，计算所选一维序列的二维相空间轨迹的重心落点，即可有效判别区内故障与区外故障：若轨迹重心落于第III象限，则认为发生区内故障；若轨迹重心落于非第III象限，则认为发生区外故障。

因此，基于相空间轨迹识别的继电保护方案流程如图3所示，具体如下：

首先，通过在线路或变压器中性点装设目前广泛研究的直流电流检测装置，检测是否存在直流电流。若没有检测到偏磁电流，则执行传统继电保护流程，具体流程同第2节所述，在此不赘述；而一旦检测到偏磁电流，则保护转入所提新判据分支。

式中：Δ1和Δ2分别表示故障前后距离故障点相邻母线的测量电压差；Δ1和Δ2分别表示故障前后距离故障点相邻母线的测量电流差。

3.2 基于相空间轨迹识别的继电保护改进方案

然而，上述结论仅适用于CT刚刚进入饱和的情形。事实上，当偏磁电流持续时间较长时，由于累积效应的存在，也将造成CT铁心磁通的不断累积，最终导致CT进入深度饱和区域。此时一旦发生区外故障，基于相空间轨迹识别的继电保护策略将失去可靠性。为解决上述问题，本文改进了原有的基于相空间轨迹识别的继电保护方案，使得保护能在任何直流偏磁情况下均有效正常工作。

为确保所提改进保护方案在所有直流偏磁电流大小及持续时间下均能可靠工作，需对传统保护方案失效的机理进行分析。事实上，长时间、高幅值偏磁电流导致CT出现深度饱和，使得故障后第一个周波内电流出现严重失真。此时，电流波形的畸变在频域上已不再呈现随机分布的特性，因此CT深度饱和对重构轨迹圆心的影响不容忽视，进而导致基于相空间轨迹识别的变压器保护无法正确判别；然而，到了第二个周波及以后，由于故障电流非周期分量的衰减及故障电流工频分量负向磁通的去磁作用，此时偏磁电流造成的CT饱和加剧现象已较为微弱，依靠前述相空间轨迹识别判据已可以正确动作。

基于上述原理，在严重偏磁场景下，可通过适当延迟保护动作时间(躲过直流偏磁导致的CT饱和最严重时刻)来缓解直流偏磁造成的不利影响，通过适当牺牲保护的速动性来提升保护的可靠性。

为此，对3.1节所提基于相空间轨迹识别的继电保护新方案进行改进，确保在所有直流偏磁电流大小及持续时间下继电保护均能可靠工作。保护方案的改进包括：若判断存在偏磁电流，保护流程将转入主判据延迟动作分支，使得用于判断重心轨迹的采样点适当延后set个，以躲过饱和最严重时刻。

基于此，设计提出了一种基于相空间轨迹识别的继电保护改进方案，兼顾继电保护的可靠性及速动性，其流程如图4所示。

4 仿真验证

为验证上述分析，在PSCAD/EMTDC仿真平台中建立了等效电路模型，以大小恒定的直流电源模拟偏磁电流。输电线路统一采用分布参数模型，线路参数如下所示：

图4 基于相空间轨迹识别的保护改进方案流程图

4.1 偏磁电流导致线路保护失效的验证

首先，探究偏磁电流对线路保护的影响。为此，构建如图5所示的仿真模型，部分重要参数如表1所示。

图5 考虑区内外故障的等效仿真模型

表1 仿真模型的元器件参数

1) 纵联电流差动保护

设定单相接地故障发生在距母线N 15 km处的F1点处，故障时间设定为0.4 s。此外，使得互感器CT1、CT2剩磁参数外的其余参数保持一致，CT1的剩磁参数设为0 T，CT2的剩磁参数设为0.5 T。在此条件下，对比不同偏磁电流大小场景下两端测量电流的畸变程度。

(1) 流入变压器T1的中性点电流为3A(图6)

图6 区外故障下线路差动保护示意图()

(2) 流入变压器T1的中性点电流为50A(图7)

图7 区外故障下线路差动保护示意图()

其中，当偏磁电流较小时(图6所示结果)，差动保护能有效工作。然而，随着偏磁电流的增大(图7所示结果)，区外故障很可能诱发线路差动保护的误动作。特别是，通过穷举制动系数的取值后发现，在外部条件保持不变的基础上，当的取值大于0.15时，直流偏磁影响下的电流相量差动保护能正常工作，不会发生误动；然而，若的取值小于等于0.15，此时电流相量差动保护将由于直流偏磁的影响发生误动作。

2) 线路距离保护

在上述模型基础上，设定单相接地故障发生在距母线M 120 km处的F2点处，故障时间设定为0.4 s。此外，M侧的距离I段保护有效范围是150 km，距离II段保护的有效范围是线路全长。

基于上述条件，对不同偏磁电流大小场景下距离保护的可靠性进行仿真验证。

(1) 流入变压器T1的中性点电流为3A

此时CT仍处于正常工作状态，其中流经M侧电流互感器的实际电流A与测量电流SA波形如图8(a)所示，保护动作特性如图8(b)所示，整个过程的阻抗圆特性如图8(c)所示。

图8 区内故障下线路距离保护示意图()

其中，图8(b)中“0”表示保护不动作，“1”表示保护动作，可以看出，当0.4 s发生单相接地故障时，距离保护可靠动作。

(2) 流入变压器T1的中性点电流为50 A

此时CT仍处于正常工作状态，其中流经M侧电流互感器的实际电流A与测量电流SA波形如图9(a)所示，保护动作特性如图9(b)所示，整个过程的阻抗圆特性如图9(c)所示。

图9 区内故障下线路距离保护示意图()

可以看出，随着偏磁电流的逐渐增大，传统距离保护从可靠动作转变为拒动，失去其可靠性。

4.2 偏磁电流导致变压器保护失效的验证

为探究直流偏磁对变压器保护的影响，搭建图10所示模型，其中，部分重要元器件参数如表1所示，线路参数如前文所述，在此不赘述。

图10 直流偏磁影响下含变压器的典型电路

设置仿真条件如下：偏磁电源0在0.1 s时接入变压器T1的接地极，且一直持续到仿真结束；系统在0.2 s时于F处发生单相金属性接地故障，故障持续5 s。

1) 直流偏磁对时差法的影响

仿真对比变压器T1实际电流波形与测量电流波形的畸变程度，其结果如图11所示。其中，图11(a)为未发生直流偏磁时的电流波形，图11(b)为发生直流偏磁时的电流波形。

图11 直流偏磁影响下电流互感器的起始饱和时间

由图11可知，无直流偏磁影响以及受到直流偏磁影响这两种情形下的测量电流起始饱和的时间分别为0.204 4 s和0.203 1 s，其差值约为1.2 ms。可以看出，发生外部短路故障后，CT在未发生偏磁时的起始饱和时间明显小于发生直流偏磁时CT的起始饱和时间，对时差法的可靠性造成严重威胁。

2) 直流偏磁对二次谐波制动法的影响

(1) 无直流偏磁发生

无直流偏磁发生时，流入变压器中性点的电流大小为0 A，此时变压器T1两侧差动电流的大小及其二次谐波含量波形如图12所示。

由图12可知，发生区外故障后，由于CT饱和，差动电流显著增大且含有大量二次谐波分量。第2.020 s的二次谐波含量为41.7%，大于门槛值15%，差动保护闭锁；2.576 s时二次谐波含量减至门槛值15%以下，差动保护开放，但由于此时差动电流标幺值为0.24 p.u.，小于制动电流0.62 p.u.，差动保护不会误动。综上，无偏磁情况下变压器差动保护不会误动。

图12 无偏磁情况下变压器二次谐波制动法结果

(2) 发生直流偏磁现象

当发生直流偏磁时，设置流入变压器中性点的电流大小为20 A，此时变压器T1两侧差动电流的大小及二次谐波含量波形如图13所示。

图13 直流偏磁下变压器二次谐波制动法结果

由图13可知，在偏磁场景下，发生区外故障后，由于CT饱和，差动电流显著增大且含有大量二次谐波分量，2.020 s时二次谐波含量约为13.8%，小于门槛值15%，差动保护不会闭锁。此时，差动电流大于制动电流，差动保护误动。

上述算例说明，若CT长时间处于直流偏磁工况下，其传变特性将发生明显畸变。特别地，在故障发生后的第一个周波内，差动电流的二次谐波含量将显著降低，对传统二次谐波制动判据的可靠性造成严重威胁。

4.3 基于相空间轨迹识别的继电保护改进方案的可靠性验证

相比于传统相空间轨迹识别方案，所提改进方案通过适当延迟数据信息采集时间，躲过故障后第一个周波内的最严重CT饱和，进而实现保护的正确动作。接下来，分别从线路保护以及变压器保护两方面验证所提改进方案的可靠性及优越性。其中，后文统一将3.1节所提保护方案命名为保护方案1，将3.2节所提的改进方案命名为保护方案2。

1) 所提改进方案在线路保护中的应用

为证明所提改进方案在线路保护中的可靠性，选取不同大小的偏磁电流作为场景，仿真对比保护方案2与保护方案1之间的优劣性。

(1) 短时间注入幅值为50 A的偏磁电流，发生区内单相金属性故障

采用4.1节所构建的仿真模型，假设注入偏磁电流0= 50 A，此时分别采用传统方案与改进判据对故障进行分析，具体结果如下所述。

首先结合式(8)针对瞬时功率进行相空间重构，其中故障后3个周波的相空间轨迹如图14所示。

图14 针对瞬时功率的相空间轨迹重构图(场景①)

根据仿真结果可知，此时故障后数个周波内所有的相空间轨迹重心一直落在第III象限，保护方案1与保护方案2的动作情况均如图15所示，相空间判据均可靠动作。

图15 场景①下线路保护的保护动作情况

(2) 长时间注入幅值为50 A的偏磁电流，发生区外单相金属性故障

在场景①的基础上，保持仿真模型不变，改变故障发生位置，选择区外故障F2。进一步地，分别利用传统方案与所提改进方案对区外故障进行判断，其流程同(1)所述，故障后3个周波内的相空间轨迹如图16所示。

图16 针对瞬时功率的相空间轨迹重构图(场景②)

结合图16可知，此时故障后数个周波内所有相空间轨迹重心一直落在第III象限以外的象限，保护方案1与保护方案2的动作情况均如图17所示，相空间判据均可靠不动作。

图17 场景②下线路保护的保护动作情况

2) 所提改进方案在变压器保护中的应用

为证明所提改进方案在变压器保护的优越性及可靠性，选取不同大小的偏磁电流作为场景，仿真对比保护方案1与保护方案2之间的优劣性。

(1) 长时间注入幅值为3 A的偏磁电流，发生区外单相金属性故障

同上述仿真流程，首先获取故障后3个工频周波内的相空间轨迹如图18所示。

图18 针对瞬时功率的相空间轨迹重构图(场景③)

需要注意的是，尽管偏磁电流仅有3 A，但由于存在时间较长，累积效应的存在使得故障前CT已经工作在了近饱和点的局部磁滞回环中，进而使得故障后第一个周波电流饱和时间大幅缩短、CT进入深度饱和区域。因此，故障后前10个(2.5 ms)相空间轨迹重心点均落在第III象限，保护方案1将误动，第11个点及以后的相空间轨迹重心点均未落在第III象限，保护方案2将可靠不动作。保护方案1和保护方案2的动作情况分别如图19(a)和图19(b)所示。

(2) 短时间注入幅值为50 A的偏磁电流，发生区外单相金属性故障

在场景③的基础上，保持仿真模型不变，增大偏磁电流幅值至50 A，其余流程同(1)所述。故障后3个周波内的相空间轨迹如图20所示。

图20 针对瞬时功率的相空间轨迹重构图(场景④)

此时，CT迅速进入深度饱和区域，导致故障后第一个周波计算得到的相空间轨迹周期重心向第III象限发生了显著偏移。计算可得，发生区外故障后第一个完整轨迹周期的轨迹包络图形重心为(-16.6 kVA，-23.3 kVA)，故障后保护动作情况如图21所示，故障发生后的前14个相空间轨迹重心点均落在第III象限，因此保护方案1将误动；然而，从第15个点及以后相空间轨迹重心均未落在第III象限，保护方案2将可靠不动作。保护方案1和保护方案2的动作情况分别如图21(a)和图21(b)所示。

4.4 基于相空间轨迹识别的继电保护改进方案的可行性分析

4.3节分析了改进方案的可靠性，接着分析该方案的可行性。正如3.2节分析可知，所提方案通过适当延后数据信息采集时间，躲过最严重饱和时刻，牺牲保护的速动性来换取保护的可靠性。除此之外，所提保护改进判据还在流程初期对直流偏磁电流进行了检测，该检测流程与信息传递时间均发生在故障之后，同样将对保护的速动性产生不利影响。综上，所提保护方案的可行性需进一步论证。

首先，探讨偏磁电流检测对速动性的影响。研究表明，直流检测所需时间主要由通信时延和传输时间两部分构成。目前变电站一般采用光纤通信作为传输手段，其通信时延约为1 ms。当两台设备通过光纤通道进行通信时，其来回的时长不会超过4 ms，即使考虑2倍的通信时延，保护装置从发出通信请求到最终收到偏磁电流信息的时间间隔也不会超过8 ms。此外，传输时间仅与传输包大小、传输带宽等因素有关，考虑到传输信号只需要包含单个用于判别偏磁状态的字符，传输包大小、传输带宽对传输时间的影响可忽略不计。综上，直流检测所需时间约为8 ms。

在完成偏磁电流判断后，若判断无偏磁电流，为尽可能兼顾保护的可靠性及速动性，所提保护判据按照原先设计无延时地快速动作。考虑到直流偏磁现象发生概率整体较低，且一般持续时间也不超过数个小时，因此所提改进方案能保证在绝大部分时间下变压器主保护能无延时地快速动作。

综上可知，所提新保护方案的总动作时间约为13 ms，远小于国标《继电保护和安全自动装置装置技术规程》(GB/T 14285-2016)和电力行业标表《3～110 kV电网继电保护装置运行整定规程》(DL/T 584-2007)中规定的速动性门槛值。

5 结论

本文理论分析了直流偏磁对CT饱和的影响，并由此揭示了直流偏磁诱发继电保护失效的机理。进一步地，提出了一种基于相空间轨迹识别的继电保护改进方案，兼顾保护的可靠性及速动性。最后，利用PSCAD软件对所提改进方案进行仿真验证，形成了以下结论：

1) 由于直流偏磁对保护用CT测量的不利影响，以纵联电流差动保护、距离纵联保护为代表的线路保护与以变压器差动保护为代表的变压器保护均会失去可靠性，对电网的安全运行造成严重威胁。

2) 在传统保护方案基础上，进一步考虑继电保护类型、发生故障种类、偏磁影响程度等多方面因素，设计了一种基于相空间轨迹识别的继电保护改进方案。与传统方案相比，所提改进方案能更全面地应对不同场景下的保护失效问题，具备普适性。

3) 通过定量化分析可知，所提改进保护方案的总动作时间约为13 ms，其数值上小于国家标准规定的速动性门槛值，因此所提保护改进方案在满足速动性的前提下提高了保护的可靠性，具有显著的优越性。

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Analysis and countermeasures of relay protection false rejection mechanism under the influence of DC bias

MA Shumin1, RONG Zirui1, LIN Xiangning1, LI Zhengtian1, WANG Zhixun1, ZHANG Peifu1, XU Haibo2

(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China; 2.EAST GROUP CO., LTD., Dongguan 523808, China)

Once DC with high amplitude penetrates the power system through the neutral point of the transformer, line CT will saturate to some extent.This saturation will affect the measurement and control of the secondary system.When the DC bias is very serious, it will even induce an incorrect relay protection of the system.This poses a serious threat to the safe and stable operation of the power system.Therefore, an improved scheme of relay protection based on phase space trajectory identification is proposed.First, the adverse effect of DC bias on protective CT is analyzed.Then, taking line protection and transformer protection as examples, the failure mechanism of relay protection under the influence of DC bias is revealed.An improved relay protection scheme based on phase space trajectory identification is proposed, one which can effectively deal with the protection failure problem caused by CT saturation, based on the characteristic that the phase space trajectory is not affected by time-domain saturation.Finally, taking a typical protection failure scenario as an example, the effectiveness and superiority of the proposed scheme are verified by comparing the protection actions of the traditional method and the proposed scheme.

DC bias; CT saturation; line protection; phase space trajectory recognition; improvement scheme of relay protection

10.19783/j.cnki.pspc.210870

2021-07-09；

2021-11-03

马书民(1998—)，男，硕士研究生，研究方向为直流系统保护与控制；E-mail: 1007057798@qq.com

戎子睿(1996—)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护；

林湘宁(1970—)，男，二级教授，博士生导师，研究方向为电力系统保护与控制、新能源发电等。

国家自然科学基金面上项目资助(51877088);东莞市引进创新科研团队计划项目资助(201536000200036)

This work is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (No.51877088).

(编辑 葛艳娜)