基于暫態(tài)信號的電流互感器差動保護(hù)方法

福建三寶鋼鐵有限公司 宋海明

1 電流互感器差動保護(hù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題

發(fā)生電流互感器故障時(shí)，由于受到機(jī)械振動和溫度等影響，很難準(zhǔn)確判斷出故障電流的大小和方向。如果在低壓線路上安裝一臺電流互感器，一旦發(fā)生故障，會給附近設(shè)備帶來很大影響。在電流互感器差動保護(hù)中，檢測高壓系統(tǒng)故障電流大小和方向的裝置主要一次側(cè)回路二次側(cè)用來檢測低壓系統(tǒng)中的故障電流。一次側(cè)回路有很多個(gè)回路，一般情況下不會有多條線路同時(shí)發(fā)生短路故障。因此，只能對其中一個(gè)一次側(cè)回路進(jìn)行檢查，難以發(fā)現(xiàn)多條短路線路同時(shí)出現(xiàn)在同一高壓等級上。由于低壓系統(tǒng)線路長度增加、分支較多等因素，造成在一條線路上同時(shí)安裝多臺電流互感器。導(dǎo)致在發(fā)生短路事故時(shí)，會出現(xiàn)相互影響、相互干擾等現(xiàn)象。在這種情況下，如果使用單獨(dú)的多臺互感器進(jìn)行測量比較困難，此時(shí)就需要對低壓線路各回路進(jìn)行檢測和隔離。四是為保證測量結(jié)果準(zhǔn)確與完整。

目前常用的低壓線路電流互感器差動保護(hù)有兩種，一種是單相短路保護(hù)（也稱單相Ⅰ段保護(hù)），另一種是三相短路保護(hù)（也稱三相Ⅱ段保護(hù)）。單相短路保護(hù)一般都用單相Ⅰ段和雙級Ⅱ段，而三相短路保護(hù)一般為雙級Ⅱ段和三級Ⅲ段。其中三級Ⅲ段由單相Ⅰ+單級Ⅱ+三級Ⅱ構(gòu)成。三級Ⅰ又分三檔，1、2、3 檔分別對應(yīng)三臺互感器，每一檔是1 個(gè)差流。當(dāng)三相電壓存在單相Ⅰ或Ⅱ故障時(shí)，三相差流不能通過第一級和第二級聯(lián)成單相Ⅲ或3.1-3、3.1-4 等差流向低壓線路傳輸。因此，為了提高低壓系統(tǒng)的絕緣水平及線路質(zhì)量，在發(fā)生單相等三相回路時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇雙級Ⅲ段。而在正常情況下，由于故障電流較小或不產(chǎn)生單相等三相回路，一般只需對三相互感器進(jìn)行檢測并作出對應(yīng)判別[1]。

2 差動保護(hù)原理

不同運(yùn)行狀態(tài)下TA的磁化曲線如圖1所示。

圖1 不同運(yùn)行狀態(tài)下TA的磁化曲線

電流互感器錯(cuò)誤接線如圖2所示。

圖2 電流互感器錯(cuò)誤接線

由圖1、圖2可以看出，當(dāng)三相電流發(fā)生不平衡故障時(shí)，如果A、B、C 三相的三個(gè)繞組都有故障，那么C繞組就會出現(xiàn)兩個(gè)對稱故障。利用這個(gè)原理，可以得出A 繞組相電流為零，C 繞組相量為零。在實(shí)際運(yùn)行中，如果兩相電流不平衡時(shí)，其中一相A的電流會大于另一相的電流，那么就可以利用差動保護(hù)原理進(jìn)行區(qū)分。由于兩相電流不平衡時(shí)的相量有差別,因此就可以利用相量判斷A、B、C 繞組在故障點(diǎn)處是否存在短路，從而判斷出故障位置。

假設(shè)一個(gè)三相三線四線系統(tǒng)中，兩相繞組A、B、C 故障。假設(shè)在三相正常運(yùn)行時(shí)A、B、C 三個(gè)繞組并沒有短路時(shí)，則對三相繞組回路中的A、C三個(gè)繞組分別進(jìn)行故障判斷。若在正常運(yùn)行時(shí)A 繞組回路中的一相短路，則對A 繞組回路中的一相短路；若在正常運(yùn)行時(shí)B 繞項(xiàng)回路中的一相短路，則對B繞組回路中的一相繞組短路。

2.1 電流互感器差動保護(hù)原理

如果電流互感器發(fā)生不平衡故障，則A、B 兩相電流差會隨著C 相電流增大，同時(shí)A、B 兩相電流也會隨著C 相電流增大而減小。設(shè)為電壓互感器的有效負(fù)載率，即。

根據(jù)這一原理可得,設(shè)電壓互感器的有效負(fù)載率為P，S為有效負(fù)載率，則S= A/C=P/S。

如果不平衡故障點(diǎn)處有電壓降，則將引起電流互感器差動保護(hù)的動作。當(dāng)發(fā)生三個(gè)不平衡故障時(shí)，其對三相系統(tǒng)的影響不同。其中一個(gè)為對稱故障，另外兩個(gè)為不對稱故障[2]。

2.2 差動保護(hù)動作判據(jù)

在差動保護(hù)的動作判據(jù)中，可以將電流互感器的暫態(tài)信號分為兩部分，一部分是正常運(yùn)行時(shí)的電流信號，另一部分是差動保護(hù)的動作信號。在正常運(yùn)行時(shí)，只要兩相電流不平衡，暫態(tài)信號中就會含有一、二、三相故障電流所產(chǎn)生的一、三相不平衡電流。而當(dāng)發(fā)生兩相短路時(shí)，暫態(tài)信號中則不含任何故障電流。而在差動保護(hù)啟動時(shí)，由于其在暫態(tài)過程中沒有電壓產(chǎn)生，因此不存在差動保護(hù)的動作判據(jù)。根據(jù)這個(gè)原理，可以計(jì)算出在某相差動后發(fā)生非對稱故障的相量值。但由于實(shí)際運(yùn)行中兩相電流并不完全相等，因此還可以根據(jù)電壓相量差判斷。根據(jù)這個(gè)原理就可以得到當(dāng)一相負(fù)載為零時(shí)發(fā)生電壓不平衡時(shí)產(chǎn)生的電壓值，如果三相負(fù)載不平衡時(shí)產(chǎn)生的電壓差小于非對稱短路相量值，或者說在三相電源供電區(qū)域內(nèi)三相負(fù)載不平衡時(shí)產(chǎn)生電壓差超過了非對稱故障引起電流值，則會造成非對稱故障。由此可知，兩相繞組都有短路時(shí)會造成電流值增大。

2.3 運(yùn)行時(shí)的影響

在正常運(yùn)行時(shí)，電流互感器差動保護(hù)的電流互感器側(cè)輸出信號中V 和N 分別為正常時(shí)的有效值，且都有一個(gè)最低值，此時(shí)保護(hù)動作后，電流互感器輸出電流為零。在不平衡發(fā)生時(shí)，由于兩相電流存在差異（正相、負(fù)相），因此在兩相正常運(yùn)行時(shí)并沒有發(fā)生差動。其中的V 為正常時(shí)的有效電阻值，N指的是電流互感器側(cè)輸出信號的峰值。因此，電流互感器側(cè)在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生有差異的有效電阻值。在不平衡發(fā)生后如果沒有出現(xiàn)差動保護(hù)動作，則可以認(rèn)為差動保護(hù)動作是正確的。因?yàn)椴顒颖Ｗo(hù)對正常時(shí)沒有要求，就導(dǎo)致了其對正相序比較敏感。從而導(dǎo)致出現(xiàn)差動保護(hù)不正確動作的情況。因此需要對差動保護(hù)進(jìn)行定期校驗(yàn)。

3 暫態(tài)信號在差動保護(hù)中的應(yīng)用

目前，電流互感器差動保護(hù)一般都采用單相或三相短路電流檢測方法，其中電壓互感器差動保護(hù)應(yīng)用比較廣泛。當(dāng)電流互感器發(fā)生單相短路故障時(shí)，其輸出電壓V（1）是正常運(yùn)行電壓V（2）的2 倍。同時(shí)，當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，其輸出電壓V（1）為正常運(yùn)行電壓V（2）的2.5 倍。電流互感器在正常運(yùn)行過程中不會產(chǎn)生三相電源，因此在進(jìn)行保護(hù)的時(shí)候無須考慮三相電流與兩相電流之間的相互影響。當(dāng)電流互感器發(fā)生單相或三相短路故障時(shí)，其輸出的電壓分量與電流分量存在正相關(guān)性和負(fù)相關(guān)性，此時(shí)可以采用如下方法實(shí)現(xiàn)保護(hù)，一是將測量信號直接接入差動保護(hù)繼電器中。二是通過差動保護(hù)對測量信號進(jìn)行校正或整定。在實(shí)際應(yīng)用中，需對暫態(tài)信號進(jìn)行正確處理來提高保護(hù)功能的靈敏度和準(zhǔn)確性[3]。

3.1 暫態(tài)信號處理流程

暫態(tài)信號的處理流程如下。一是數(shù)據(jù)采集，由于電流互感器是三相供電，因此其差動保護(hù)中對單相和三相電流采集方式是相同的。二是信號預(yù)處理，電流互感器是一種非理想型設(shè)備，在采樣過程中會產(chǎn)生不確定的暫態(tài)干擾，影響保護(hù)裝置的正常工作。因此，需對電流互感器進(jìn)行故障隔離處理并將其接入差動保護(hù)繼電器中。三是信號濾波，對于電流互感器的故障，應(yīng)采用數(shù)字濾波器來對暫態(tài)信號進(jìn)行處理。四是數(shù)據(jù)分析及提取。數(shù)據(jù)分析過程中，需要根據(jù)故障類型來提取暫態(tài)信號。如果故障類型為電壓互感器故障，則需要提取出三相電壓信號和輸出電流信號。如果故障類型為電阻、電容和電感等非線性設(shè)備，則需要提取出這些非線性設(shè)備的暫態(tài)信號。

3.2 差動保護(hù)的基本動作原則

由于互感器差動保護(hù)是通過測量電流互感器二次側(cè)電壓實(shí)現(xiàn)，因此必須遵守以下原則。一是在不考慮故障點(diǎn)對負(fù)載和故障位置的情況下，當(dāng)電流互感器一次側(cè)電壓為零時(shí)進(jìn)行保護(hù)。二是當(dāng)線路存在短路故障時(shí)，不允許將整定值的最大值設(shè)置在一次側(cè)。三是當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，差動保護(hù)的電流、電壓值應(yīng)按規(guī)定動作值計(jì)算和校核。四是對于同相接地故障發(fā)生后而電流互感器一次側(cè)差動極性相反（如電流從差動方向?yàn)檎?，反相保護(hù)應(yīng)為差動方向?yàn)檎?，而不能向反方向轉(zhuǎn)），此時(shí)反極性就成為差動保護(hù)動作的關(guān)鍵。五是對于同相接地故障發(fā)生后電流互感器二次側(cè)差頻帶較寬的情況下，為了避免差頻帶較寬的差動保護(hù)誤動作。六是當(dāng)出現(xiàn)同相或三相短路故障時(shí)，應(yīng)在第一時(shí)間動作進(jìn)行隔離和切除[4]。

4 暫態(tài)信號處理方法分析

對電流互感器差動保護(hù)的暫態(tài)信號處理方法進(jìn)行分析，主要有以下幾種方式。一是在故障時(shí)不能獲取電流互感器的差電信息，但可以從正常運(yùn)行狀態(tài)下電流互感器的零序電流變化曲線中獲得信號，再通過對電流互感性故障特性的分析，判斷出來。二是利用電壓波動、諧波等影響參數(shù)來提取暫態(tài)信號特征。三是利用數(shù)字濾波器對暫態(tài)信號進(jìn)行處理后，獲取差動保護(hù)范圍內(nèi)的暫態(tài)數(shù)據(jù)。四是利用小波變換的自適應(yīng)濾波方法對暫態(tài)信號進(jìn)行處理，獲取故障位置信息。

4.1 數(shù)字濾波器的應(yīng)用

數(shù)字濾波器是一種基于數(shù)字信號處理的新型濾波器，其能夠有效濾除來自模擬電路中的非正弦波諧波，對電網(wǎng)輸入的低頻信號具有良好的濾波效果，因此在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字濾波算法有最小二乘算法、自適應(yīng)算法、最小二乘自適應(yīng)濾波器以及基于指數(shù)平滑算法。其中基于指數(shù)平滑數(shù)字濾波器由于其具有較高的增益和低通頻率，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域。采用此種方法可以有效去除高頻信號噪聲對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，并能夠保留電流互感器差動保護(hù)所需要的低頻信號特征。數(shù)字濾波法對電流互感器差動保護(hù)具有良好的抑制效果，同時(shí)其不會對信號產(chǎn)生較大影響，適合于各種復(fù)雜系統(tǒng)以及非線性動態(tài)參數(shù)。但當(dāng)系統(tǒng)中存在著大量低頻噪聲時(shí)，數(shù)字濾波法對故障電流信號去除效果不理想。同時(shí)在電網(wǎng)系統(tǒng)中由于非線性負(fù)載等原因?qū)е滦盘柺艿接绊憰r(shí)會使得故障電流幅值發(fā)生改變，并且隨著數(shù)字濾波器輸出端輸入信號幅值增大，會造成系統(tǒng)性能下降。

4.2 小波變換應(yīng)用

采用小波變換對暫態(tài)信號進(jìn)行分析，利用小波變換具有自適應(yīng)性、可伸縮性以及對諧波等的濾波效果。當(dāng)故障位置在3 層小波上時(shí)，可以從電流互感器差動保護(hù)中提取信號，但是在實(shí)際的應(yīng)用中需要考慮到電壓波動、諧波等因素。在對暫態(tài)信號進(jìn)行分析時(shí)需要選擇合適的小波基，選取最優(yōu)小波基函數(shù)是十分重要的。電流互感器差動保護(hù)范圍內(nèi)的暫態(tài)信號可分為兩個(gè)區(qū)間，即故障點(diǎn)和非故障點(diǎn)。在故障發(fā)生時(shí)，會有電壓電流同時(shí)變化，可以利用電壓電流和相位信息來判斷出故障位置及性質(zhì)。當(dāng)對不同類型暫態(tài)信號進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于差動保護(hù)不需要采集電流等信息，可以直接從差動保護(hù)量測系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文所述電流互感器差動保護(hù)，其原理是在電流互感器差動保護(hù)中加入暫態(tài)信號處理，該信號在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)具有較高的信噪比。通過對CT故障電流的提取以及對三相電流差動保護(hù)原理的分析，能滿足目前低壓線路高電壓等級下的電流互動差開保護(hù)要求。且所述暫態(tài)信號處理方法，具有成本低、故障識別能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。