重合于故障時TA飽和對差動保護的影響及對策

郝后堂，史澤兵，江衛(wèi)良

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

0 引言

差動保護原理簡單、性能可靠，是電氣主設備的關鍵主保護之一。電流差動保護中的電流互感器（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的動作可靠性。目前，國內(nèi)差動保護的抗飽和能力越來越強，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（如母差保護）可能會誤動，嚴重影響系統(tǒng)的安全。本文主要分析了該種情況下TA飽和對母差保護的影響，并提出相應的對策，在不犧牲區(qū)內(nèi)故障時差動保護快速性的基礎上，提高差動保護裝置的可靠性，以便提高系統(tǒng)安全運行水平。

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，當鐵芯中的磁密達到飽和時，鐵芯的磁導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?，導致二次電流嚴重畸變?/p>

圖2為飽和波形示意圖。i1為一次電流，i2為二次電流，兩者之差可認為是勵磁電流iu。當電力系統(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，導致波形在故障初始時刻即產(chǎn)生嚴重畸變。

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要求的技術指標是不同的，一般要求母線差動保護在10～15 ms內(nèi)判別故障，其他差動保護（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 的差動保護為快速差動保護，要求25～30 ms的差動保護為慢速差動保護。慢速差動保護由于判據(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現(xiàn)，而主要以母差保護為例討論時差法利弊。

母差保護裝置一般配有快速差動保護和慢速差動保護，快速差動保護解決區(qū)內(nèi)故障的快速切除，慢速差動保護解決區(qū)外故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障的快速切除?？焖俨顒颖Ｗo使用的前提條件就是要在故障初期快速準確識別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。

飽和檢測門檻取值、滯后點數(shù)設計、裝置采樣率是影響裝置抗TA飽和及其可靠性的關鍵因素，本文不再對這些因素進行詳細分析。長期運行及各種嚴格的試驗證明，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）。

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個點測得ΔIda為1.14 A、ΔIra為1.15 A，在故障開始后的第2個點測得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（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，滿足快速差動保護動作條件，快速差動保護誤動。

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，當發(fā)生此類故障時，系統(tǒng)的安全運行存在隱患。

4 對策

上文提到快速差動保護的數(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。

快速差動保護與時差法結合對于母差保護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。但是差動保護一般采用根據(jù)差動電流和單元電流情況快速復歸，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，可設計一個快速差動整組復歸時間T，在差動保護啟動元件啟動后時間T內(nèi)只啟用快速差動保護一次。邏輯流程如圖5所示。圖5中滿足快速差動復歸時間是指從差動保護第1次啟動至故障發(fā)生的時間小于T。

快速差動整組復歸時間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；快速差動整組復歸時間T不能太短，否則在重合于故障、TA直接飽和時失效?？焖俨顒诱M復歸時間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，差動保護啟動元件啟動后由快速差動保護直接跳閘切除故障；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完成，線路重合無故障，差動保護啟動元件啟動，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，由線路保護切除故障，當線路重合于故障時，差動保護啟動元件啟動，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)嚴格飽和判據(jù)，判斷為無故障，差動保護返回，故障仍由線路保護切除。綜上所述，快速差動整組復歸時間T不會影響區(qū)內(nèi)故障時差動保護快速性，同時提高了重合于故障時，TA因強剩磁直接飽和的情況下，差動保護的可靠性。該方法已在實際的保護裝置中成功應用。

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

5 結論

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。增設快速差動整組復歸時間T提高了差動保護的可靠性，徹底消除了安全隱患。