基于暂态信号的电流互感器差动保护方法

2023-05-17福建三宝钢铁有限公司宋海明

电力设备管理 2023年3期

福建三宝钢铁有限公司宋海明

1 电流互感器差动保护在实际应用中存在的问题

发生电流互感器故障时，由于受到机械振动和温度等影响，很难准确判断出故障电流的大小和方向。如果在低压线路上安装一台电流互感器，一旦发生故障，会给附近设备带来很大影响。在电流互感器差动保护中，检测高压系统故障电流大小和方向的装置主要一次侧回路二次侧用来检测低压系统中的故障电流。一次侧回路有很多个回路，一般情况下不会有多条线路同时发生短路故障。因此，只能对其中一个一次侧回路进行检查，难以发现多条短路线路同时出现在同一高压等级上。由于低压系统线路长度增加、分支较多等因素，造成在一条线路上同时安装多台电流互感器。导致在发生短路事故时，会出现相互影响、相互干扰等现象。在这种情况下，如果使用单独的多台互感器进行测量比较困难，此时就需要对低压线路各回路进行检测和隔离。四是为保证测量结果准确与完整。

目前常用的低压线路电流互感器差动保护有两种，一种是单相短路保护（也称单相Ⅰ段保护），另一种是三相短路保护（也称三相Ⅱ段保护）。单相短路保护一般都用单相Ⅰ段和双级Ⅱ段，而三相短路保护一般为双级Ⅱ段和三级Ⅲ段。其中三级Ⅲ段由单相Ⅰ+单级Ⅱ+三级Ⅱ构成。三级Ⅰ又分三档，1、2、3 档分别对应三台互感器，每一档是1 个差流。当三相电压存在单相Ⅰ或Ⅱ故障时，三相差流不能通过第一级和第二级联成单相Ⅲ或3.1-3、3.1-4 等差流向低压线路传输。因此，为了提高低压系统的绝缘水平及线路质量，在发生单相等三相回路时应优先选择双级Ⅲ段。而在正常情况下，由于故障电流较小或不产生单相等三相回路，一般只需对三相互感器进行检测并作出对应判别[1]。

2 差动保护原理

不同运行状态下TA的磁化曲线如图1所示。

图1 不同运行状态下TA的磁化曲线

电流互感器错误接线如图2所示。

图2 电流互感器错误接线

由图1、图2可以看出，当三相电流发生不平衡故障时，如果A、B、C 三相的三个绕组都有故障，那么C绕组就会出现两个对称故障。利用这个原理，可以得出A 绕组相电流为零，C 绕组相量为零。在实际运行中，如果两相电流不平衡时，其中一相A的电流会大于另一相的电流，那么就可以利用差动保护原理进行区分。由于两相电流不平衡时的相量有差别,因此就可以利用相量判断A、B、C 绕组在故障点处是否存在短路，从而判断出故障位置。

假设一个三相三线四线系统中，两相绕组A、B、C 故障。假设在三相正常运行时A、B、C 三个绕组并没有短路时，则对三相绕组回路中的A、C三个绕组分别进行故障判断。若在正常运行时A 绕组回路中的一相短路，则对A 绕组回路中的一相短路；若在正常运行时B 绕项回路中的一相短路，则对B绕组回路中的一相绕组短路。

2.1 电流互感器差动保护原理

如果电流互感器发生不平衡故障，则A、B 两相电流差会随着C 相电流增大，同时A、B 两相电流也会随着C 相电流增大而减小。设为电压互感器的有效负载率，即。

根据这一原理可得,设电压互感器的有效负载率为P，S为有效负载率，则S= A/C=P/S。

如果不平衡故障点处有电压降，则将引起电流互感器差动保护的动作。当发生三个不平衡故障时，其对三相系统的影响不同。其中一个为对称故障，另外两个为不对称故障[2]。

2.2 差动保护动作判据

在差动保护的动作判据中，可以将电流互感器的暂态信号分为两部分，一部分是正常运行时的电流信号，另一部分是差动保护的动作信号。在正常运行时，只要两相电流不平衡，暂态信号中就会含有一、二、三相故障电流所产生的一、三相不平衡电流。而当发生两相短路时，暂态信号中则不含任何故障电流。而在差动保护启动时，由于其在暂态过程中没有电压产生，因此不存在差动保护的动作判据。根据这个原理，可以计算出在某相差动后发生非对称故障的相量值。但由于实际运行中两相电流并不完全相等，因此还可以根据电压相量差判断。根据这个原理就可以得到当一相负载为零时发生电压不平衡时产生的电压值，如果三相负载不平衡时产生的电压差小于非对称短路相量值，或者说在三相电源供电区域内三相负载不平衡时产生电压差超过了非对称故障引起电流值，则会造成非对称故障。由此可知，两相绕组都有短路时会造成电流值增大。

2.3 运行时的影响

在正常运行时，电流互感器差动保护的电流互感器侧输出信号中V 和N 分别为正常时的有效值，且都有一个最低值，此时保护动作后，电流互感器输出电流为零。在不平衡发生时，由于两相电流存在差异（正相、负相），因此在两相正常运行时并没有发生差动。其中的V 为正常时的有效电阻值，N指的是电流互感器侧输出信号的峰值。因此，电流互感器侧在正常运行时产生有差异的有效电阻值。在不平衡发生后如果没有出现差动保护动作，则可以认为差动保护动作是正确的。因为差动保护对正常时没有要求，就导致了其对正相序比较敏感。从而导致出现差动保护不正确动作的情况。因此需要对差动保护进行定期校验。

3 暂态信号在差动保护中的应用

目前，电流互感器差动保护一般都采用单相或三相短路电流检测方法，其中电压互感器差动保护应用比较广泛。当电流互感器发生单相短路故障时，其输出电压V（1）是正常运行电压V（2）的2 倍。同时，当发生三相短路故障时，其输出电压V（1）为正常运行电压V（2）的2.5 倍。电流互感器在正常运行过程中不会产生三相电源，因此在进行保护的时候无须考虑三相电流与两相电流之间的相互影响。当电流互感器发生单相或三相短路故障时，其输出的电压分量与电流分量存在正相关性和负相关性，此时可以采用如下方法实现保护，一是将测量信号直接接入差动保护继电器中。二是通过差动保护对测量信号进行校正或整定。在实际应用中，需对暂态信号进行正确处理来提高保护功能的灵敏度和准确性[3]。

3.1 暂态信号处理流程

暂态信号的处理流程如下。一是数据采集，由于电流互感器是三相供电，因此其差动保护中对单相和三相电流采集方式是相同的。二是信号预处理，电流互感器是一种非理想型设备，在采样过程中会产生不确定的暂态干扰，影响保护装置的正常工作。因此，需对电流互感器进行故障隔离处理并将其接入差动保护继电器中。三是信号滤波，对于电流互感器的故障，应采用数字滤波器来对暂态信号进行处理。四是数据分析及提取。数据分析过程中，需要根据故障类型来提取暂态信号。如果故障类型为电压互感器故障，则需要提取出三相电压信号和输出电流信号。如果故障类型为电阻、电容和电感等非线性设备，则需要提取出这些非线性设备的暂态信号。

3.2 差动保护的基本动作原则

由于互感器差动保护是通过测量电流互感器二次侧电压实现，因此必须遵守以下原则。一是在不考虑故障点对负载和故障位置的情况下，当电流互感器一次侧电压为零时进行保护。二是当线路存在短路故障时，不允许将整定值的最大值设置在一次侧。三是当发生单相接地故障时，差动保护的电流、电压值应按规定动作值计算和校核。四是对于同相接地故障发生后而电流互感器一次侧差动极性相反（如电流从差动方向为正，反相保护应为差动方向为正，而不能向反方向转），此时反极性就成为差动保护动作的关键。五是对于同相接地故障发生后电流互感器二次侧差频带较宽的情况下，为了避免差频带较宽的差动保护误动作。六是当出现同相或三相短路故障时，应在第一时间动作进行隔离和切除[4]。

4 暂态信号处理方法分析

对电流互感器差动保护的暂态信号处理方法进行分析，主要有以下几种方式。一是在故障时不能获取电流互感器的差电信息，但可以从正常运行状态下电流互感器的零序电流变化曲线中获得信号，再通过对电流互感性故障特性的分析，判断出来。二是利用电压波动、谐波等影响参数来提取暂态信号特征。三是利用数字滤波器对暂态信号进行处理后，获取差动保护范围内的暂态数据。四是利用小波变换的自适应滤波方法对暂态信号进行处理，获取故障位置信息。

4.1 数字滤波器的应用

数字滤波器是一种基于数字信号处理的新型滤波器，其能够有效滤除来自模拟电路中的非正弦波谐波，对电网输入的低频信号具有良好的滤波效果，因此在电力系统中得到了广泛应用。数字滤波算法有最小二乘算法、自适应算法、最小二乘自适应滤波器以及基于指数平滑算法。其中基于指数平滑数字滤波器由于其具有较高的增益和低通频率，被广泛应用于实际工程领域。采用此种方法可以有效去除高频信号噪声对系统产生的影响，并能够保留电流互感器差动保护所需要的低频信号特征。数字滤波法对电流互感器差动保护具有良好的抑制效果，同时其不会对信号产生较大影响，适合于各种复杂系统以及非线性动态参数。但当系统中存在着大量低频噪声时，数字滤波法对故障电流信号去除效果不理想。同时在电网系统中由于非线性负载等原因导致信号受到影响时会使得故障电流幅值发生改变，并且随着数字滤波器输出端输入信号幅值增大，会造成系统性能下降。

4.2 小波变换应用

采用小波变换对暂态信号进行分析，利用小波变换具有自适应性、可伸缩性以及对谐波等的滤波效果。当故障位置在3 层小波上时，可以从电流互感器差动保护中提取信号，但是在实际的应用中需要考虑到电压波动、谐波等因素。在对暂态信号进行分析时需要选择合适的小波基，选取最优小波基函数是十分重要的。电流互感器差动保护范围内的暂态信号可分为两个区间，即故障点和非故障点。在故障发生时，会有电压电流同时变化，可以利用电压电流和相位信息来判断出故障位置及性质。当对不同类型暂态信号进行分析时发现，由于差动保护不需要采集电流等信息，可以直接从差动保护量测系统中获取数据。