郝后堂，史澤兵，江衛(wèi)良

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院／南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

差動保護(hù)原理簡單、性能可靠，是電氣主設(shè)備的關(guān)鍵主保護(hù)之一。電流差動保護(hù)中的電流互感器（TA）飽和造成了對短路電流的變換誤差，從而影響了差動保護(hù)的動作可靠性。目前，國內(nèi)差動保護(hù)的抗飽和能力越來越強(qiáng)，但快速識別TA飽和的理論基本為從故障發(fā)生到TA飽和，TA至少有3～5 ms的時間能正確傳變一次電流，即時差法[1-3]。線路故障后再重合于故障時，由于TA強(qiáng)剩磁的極性與下次故障時短路電流產(chǎn)生的磁通極性相同，TA在重合于故障時立即飽和，幾乎沒有所謂的時差，一些快速保護(hù)（如母差保護(hù)）可能會誤動，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全。本文主要分析了該種情況下TA飽和對母差保護(hù)的影響，并提出相應(yīng)的對策，在不犧牲區(qū)內(nèi)故障時差動保護(hù)快速性的基礎(chǔ)上，提高差動保護(hù)裝置的可靠性，以便提高系統(tǒng)安全運(yùn)行水平。

1 TA模型

了解TA在暫態(tài)過程中各電氣量的動態(tài)變化規(guī)律是解決TA飽和問題的前提條件。圖1為將一次電流和勵磁電流折算到二次側(cè)后的TA等值電路。其中Lu為勵磁電感，R、L為二次電阻和電感，忽略了鐵芯的鐵損，勵磁支路認(rèn)為是純電感[4-5]。

圖1 TA等值電路Fig.1 Equivalent circuit of CT

在正常情況下，TA的鐵芯工作在低磁密的條件下，Lu很大，流入勵磁回路的勵磁電流很小，二次電流能夠真實(shí)傳變一次電流。在一次系統(tǒng)故障時，引起TA誤差的重要原因是鐵芯的非線性特性，當(dāng)鐵芯中的磁密達(dá)到飽和時，鐵芯的磁導(dǎo)率很快下降到一個很小的值，勵磁電流急劇上升，大部分一次電流變?yōu)閯畲烹娏?，?dǎo)致二次電流嚴(yán)重畸變。

圖2為飽和波形示意圖。i1為一次電流，i2為二次電流，兩者之差可認(rèn)為是勵磁電流iu。當(dāng)電力系統(tǒng)短路故障被切除時，TA的鐵芯中將留有剩磁，如果剩磁的極性與下一次故障短路電流所產(chǎn)生的磁通極性相同，TA的鐵芯將更快趨于飽和，導(dǎo)致波形在故障初始時刻即產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。

圖2 TA飽和電流Fig.2 Saturated current of CT

2 常規(guī)飽和識別方法

不同對象的差動保護(hù)要求的技術(shù)指標(biāo)是不同的，一般要求母線差動保護(hù)在10～15 ms內(nèi)判別故障，其他差動保護(hù)（除差動速斷外）一般要求為25～30 ms[6-9]。 筆者定義要求 10～15 ms 的差動保護(hù)為快速差動保護(hù)，要求25～30 ms的差動保護(hù)為慢速差動保護(hù)。慢速差動保護(hù)由于判據(jù)數(shù)據(jù)窗較長（至少為1個周期數(shù)據(jù)），故針對慢速差動保護(hù)除了時差法外，還有波形識別、諧波測量、磁制動等多種方法[10-16]，本文不討論這些方法的實(shí)現(xiàn)，而主要以母差保護(hù)為例討論時差法利弊。

母差保護(hù)裝置一般配有快速差動保護(hù)和慢速差動保護(hù)，快速差動保護(hù)解決區(qū)內(nèi)故障的快速切除，慢速差動保護(hù)解決區(qū)外故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障的快速切除?？焖俨顒颖Ｗo(hù)使用的前提條件就是要在故障初期快速準(zhǔn)確識別TA飽和。一般采用時差法判別TA飽和，不同廠家具體實(shí)現(xiàn)方法可能不同，其基本依據(jù)為短路發(fā)生后，TA不會立即飽和，在短路發(fā)生的初始階段至少有3～5 ms時間TA不會飽和。

其中，ΔIr為和電流突變采樣值；ΔId為差電流突變采樣值；m為差動間隔數(shù)。

在發(fā)生區(qū)外故障且TA飽和時，故障初期TA不會立即飽和，表現(xiàn)為ΔId滯后于ΔIr幾個采樣點(diǎn)才會大于飽和檢測門檻。一旦判定故障為區(qū)外飽和故障，則閉鎖快速差動保護(hù)。

飽和檢測門檻取值、滯后點(diǎn)數(shù)設(shè)計、裝置采樣率是影響裝置抗TA飽和及其可靠性的關(guān)鍵因素，本文不再對這些因素進(jìn)行詳細(xì)分析。長期運(yùn)行及各種嚴(yán)格的試驗(yàn)證明，采用時差法檢測TA飽和是非常有效合理的。

3 線路重合帶來的問題

線路發(fā)生故障不一定造成TA飽和，線路保護(hù)跳閘后TA剩磁很高，線路重合于故障時，由于剩磁極性和重合于故障時短路電流產(chǎn)生的磁通極性相同，TA將快速飽和，甚至出現(xiàn)線性傳變時間幾乎為0的情況。圖3為線路重合于故障時某現(xiàn)場錄波圖，Ia1為進(jìn)線A相電流，Ia2為故障線路A相電流，Ida為差動電流，Ira為制動電流。第1次線路故障時，TA基本沒有飽和，波形較好，但在線路重合于故障時，線路支路電流（Ia2）波形在故障初始時刻就出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。出現(xiàn)上述電流異常的主要原因是在大電流情況下切除故障，造成TA有強(qiáng)剩磁。

根據(jù)圖3中第1個周期波形，通過工具得到第1個周期內(nèi)的差動電流與制動電流的突變量ΔIda和ΔIra如圖4所示（錄波圖為每周期24個采樣點(diǎn)）。

圖3 故障波形Fig．3 Waveforms of fault

圖4 差動電流和制動電流突變量波形Fig．4 Waveforms of ΔIdaand ΔIra

波形分析如下。

a.在故障開始后的第1個點(diǎn)測得ΔIda為1.14 A、ΔIra為1.15 A，在故障開始后的第2個點(diǎn)測得ΔIda為2.88 A、ΔIra為 2.76 A，可知 ΔIda和 ΔIra沒有時差，不會閉鎖快速差動保護(hù)（ΔIr和ΔId的飽和檢測門檻為0.4 In（2 A）；In為 TA 二次額定電流，為 5 A）。

b.定義k=Ida／Ira。在故障后首個半周期，k大于比率定值kset（0.5）的有11個點(diǎn)，滿足快速差動保護(hù)動作條件，快速差動保護(hù)誤動。

c.由于故障后整周期數(shù)據(jù)窗的后半周期數(shù)據(jù)窗中的差動電流很小、制動電流很大，慢速差動保護(hù)不會動作出口。

通過上述分析可知，裝置如果采用時差法判斷飽和，無其他的配合措施，當(dāng)發(fā)生此類故障時，系統(tǒng)的安全運(yùn)行存在隱患。

4 對策

上文提到快速差動保護(hù)的數(shù)據(jù)窗較小，小于半個周期，在較短的數(shù)據(jù)窗內(nèi)實(shí)現(xiàn)TA飽和檢測，時差法最為有效，波形識別、諧波制動等方法在較短數(shù)據(jù)窗中很難實(shí)現(xiàn)。但在出現(xiàn)圖3的故障波形時，時差法失效。

快速差動保護(hù)與時差法結(jié)合對于母差保護(hù)快速切除故障是行之有效的方法，不可能取消。在更好的TA飽和識別方法出現(xiàn)前，解決上述問題的最好方法就是在出現(xiàn)圖3所示情況時不使用快速差動保護(hù)。但是差動保護(hù)一般采用根據(jù)差動電流和單元電流情況快速復(fù)歸，故無法區(qū)分這種情況。

由于類似圖3的波形一般出現(xiàn)在線路故障后再重合于故障時，不會在第1次故障發(fā)生初始階段就出現(xiàn)，因此，可設(shè)計一個快速差動整組復(fù)歸時間T，在差動保護(hù)啟動元件啟動后時間T內(nèi)只啟用快速差動保護(hù)一次。邏輯流程如圖5所示。圖5中滿足快速差動復(fù)歸時間是指從差動保護(hù)第1次啟動至故障發(fā)生的時間小于T。

快速差動整組復(fù)歸時間T不能太長，否則在區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時故障不能快速切除；快速差動整組復(fù)歸時間T不能太短，否則在重合于故障、TA直接飽和時失效。快速差動整組復(fù)歸時間T選取以躲過線路重合的時間為宜。

若發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，差動保護(hù)啟動元件啟動后由快速差動保護(hù)直接跳閘切除故障；若瞬時性故障發(fā)生在區(qū)外線路，差動保護(hù)啟動但快速差動邏輯與慢速差動邏輯均判為區(qū)外而不動作，故障切除由線路保護(hù)完成，線路重合無故障，差動保護(hù)啟動元件啟動，不經(jīng)過快速差動邏輯判斷，由慢速差動邏輯判斷為無故障，差動保護(hù)返回；若永久性故障發(fā)生在區(qū)外線路，第1次啟動與瞬時性故障情況一致，由線路保護(hù)切除故障，當(dāng)線路重合于故障時，差動保護(hù)啟動元件啟動，不經(jīng)過快速差動邏輯判斷，經(jīng)慢速差動邏輯判斷且經(jīng)嚴(yán)格飽和判據(jù)，判斷為無故障，差動保護(hù)返回，故障仍由線路保護(hù)切除。綜上所述，快速差動整組復(fù)歸時間T不會影響區(qū)內(nèi)故障時差動保護(hù)快速性，同時提高了重合于故障時，TA因強(qiáng)剩磁直接飽和的情況下，差動保護(hù)的可靠性。該方法已在實(shí)際的保護(hù)裝置中成功應(yīng)用。

圖5 差動保護(hù)啟動流程圖Fig.5 Flowchart of differential protection startup

5 結(jié)論

電力系統(tǒng)短路故障被切除時，TA的鐵芯中將留有剩磁，如果剩磁的極性與下一次故障短路電流所產(chǎn)生的磁通極性相同，則TA的鐵芯將更快趨于飽和，TA線性傳變時間很短甚至幾乎為0，傳統(tǒng)TA飽和檢測方法，即時差法可能失效。增設(shè)快速差動整組復(fù)歸時間T提高了差動保護(hù)的可靠性，徹底消除了安全隱患。