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1、强馈入线路电流保护新原理的研究与实现丁网林、王汉林、骆健、温传新国网电力科学研究院 南京中德保护控制系统有限公司 江苏省南京市 210003摘要：本文首先分析了国内外电流保护针对线路TA饱和情况下保护原理的研究现状，介绍了几种电流启动元件实现方法和TA饱和判别原理，在此基础上提出一种新型电流保护原理。利用故障电流不同特征采取不同处理方法的电流保护的实现，保证供电的可靠性和系统的安全，值得推广和应用。关键词：TA饱和；电流保护；涌流；二次谐波；电流启动元件 1 概述.1.1国内外电流保护研究情况目前国内线路电流保护主要还是采用三段式电流保护，每段保护带有延时，选取一个周期的数据窗，利用全波傅氏算
2、法计算电流基波有效值用于保护判断。该方法对于解决35kV及以下电压等级线路无TA饱和情况的短路故障是普遍公认的；但是在TA饱和情况下，该方法的使用情况通常不理想，经常拒动，引起上级保护越级跳闸。也有采用反时限过电流保护实现的，但用于保护判据判断的电气量仍是电流基波有效值，其计算方法没有改变，同样解决不了TA饱和情况下保护动作可靠性和选择性的要求。为解决该问题，保证供电的可靠性和系统的安全，国内电流保护采取了一定的措施，采用带有自保持、智能记忆判断的保护。例如：自并励发电机的过流保护就是带负反馈记忆的，只要保护定值达到设定值，就一直记忆直到保护延时时间出口跳闸。这是为了保证机端故障时励磁不足的情
3、况下，保护迅速跳闸。但是本方法也有缺陷，就是在外部故障情况下，要是电流启动，也可能误动。还有一些线路带有变压器或冲击负荷，过流保护带有涌流制动，采用二次谐波制动原理，这也是过流保护原理的一点改善。1.2 国外电流保护抗TA饱和研究情况西门子在90年代初提出了瞬时值过流保护的概念，其基本原理是采用连续三个采样点大于整定值就出口跳闸，保护不设延时。本方法从TA饱和的特性出发，即在故障发生的3-4ms内TA不会立刻饱和，在TA还没有饱和时，保护通过连续三个采样点大于整定值的判断，立即出口跳闸。虽然该方法基本解决了TA饱和拒动的问题，但是本方法也存在如下缺陷：l 采用瞬时值作为保护判据，存在相对的不稳
4、定因素，外界电磁干扰引起的采样点异常可能会误动。l 采用瞬时值保护判据的动作值要躲过外部系统电流瞬时冲击的影响，因而电流值的选取要比较大，否则也会造成误动。对于多级供电的线路，尤其在现代经济急剧发展的今天，大工业用户多级供电的情况更为普遍，这就要求上级保护要跟下级保护进行配合，但是该方法没有解决多级供电线路动作选择性的问题。2.电流启动元件在TA饱和之后电流有效值很可能低于保护整定值，再加上延时限制，过流保护很可能拒动，此时传统利用稳态电流有效值判过流的方法失效，我们需要探索新的电流启动和判别方法。2.1 电流瞬时值突变量动作元件该元件测量电流瞬时值突变量，具体判据为： 式中：表示A、B、C三
5、种相别，为相电流差突变量，为浮动门槛，为电流突变量启动定值，一般取20%In（In为TA二次额定电流）。当任一相电流突变量连续三次满足上式，保护立即动作。电流瞬时值突变量保护动作的前提是至少在短路故障开始的3-4ms内电流不饱和。2.2 过零点斜率突变量检测在过零点准确采样几个点，就可以算出斜率，由斜率突变判断实际故障电流变化情况。2.3 其他电流启动和判别方法方法一：利用电荷变化量。电流值对时间的积分，物理上表现为积分时间段内流过被保护对象的电荷量，几何上表现为电流瞬时值i(t)与时间轴t在t1-t2（5ms）之间所围的面积。电荷变化量抗TA饱和能力强。方法二：利用三个周波相同时刻采样值起动
6、元件起动。为了消除正常负荷电流波动和全相振荡对启动灵敏度的影响，启动元件采用类似于相电流突变量计算方法，具体判式为：。方法三：利用电压信号。发生短路故障时，电压必然发生变化，所以可以利用电压量的突变作为启动元件。上述启动元件动作速度快，对故障起始时刻的界定比较准确，若再根据其动作情况适当前推故障发生时刻也较为可信。该启动元件同时可有效地消除不平衡分量的影响，抑制共模干扰能力强，同时不需分相启动判别，计算量小。方法四：其他还有半波算法、一点算法、三点算法等。3 TA饱和的判别原理3.1 TA饱和判别1） 差动保护中的TA饱和识别法目前对于TA饱和的识别提出的方法很多，但多是围绕差动保护展开的。比
7、如有：时差法。利用饱和后的5ms内TA不会饱和，如果发生区外故障，则在5ms内制动电流增加很多，差动电流很小。如果发生区内故障，则在5ms内差动电流会增加很多，利用这一特征判断出发生区外故障，增加TA饱和闭锁时间。附加制动法，在差动保护动作区内增加一个区域C，作用是防止两侧的电流互感器饱和程度不同导致外部故障时误动作。当外部故障时，如果短路电流较大，使电流互感器工作在非线性的亚饱和区，差动电流将显著增加，两侧的电流互感器饱和程度不同时，差动电流增加得更多，可能使保护装置的工作点落入动作区的C区域，进入该区域后差动保护不立刻动作跳着，而是经一个可设置的延时在动作。谐波识别法，利用各相电流的谐波作
8、为TA饱和的判据，优点是计算简单，其表达式如下：这些方法各有特点,但也存在一些不足,例如准确获取故障发生时刻一直是时差法亟待解决的问题,衰减性非周期分量则一直是影响谐波制动法可靠动作的主要因素,而附加制动区法因判据依赖于过零点的故障电流,因此在某些情况下该判据也会失效。另外,还有根据各侧电流之间的相位关系进行制动的抗TA 饱和措施,如电流比相法,但是在数字式保护装置中,由于电流基波分量的相位需要采用滤波算法来提取，这势必会影响判据的动作速度;而且在TA 严重饱和时,二次电流波形发生严重畸变,算法提取的基波分量相位能否保持实际一次系统的电流相位特征,还有待进一步研究。2）波形识别法： 图1 TA
9、稳态饱和波形图图2 TA暂态饱和波形图从图1可以看出，当TA正常传变时，相邻过零点t0和t3之间为凸型，由凹凸性定义可知t0和t3之间电流波形二次导数小于零；相邻过零点t3和t5之间为凹型，t3和t5之间电流波形二次导数大于零。当TA发生饱和，相邻过零点t0和t2之间，凹凸性会发生变化，t0和t1之间为凸型，即电流波形二次导数小于零；t1和t2之间为凹型，即电流波形二次导数大于零。相邻过零点t3和t4之间的凹凸性也同样会发生变化。利用在相邻过零点之间，凹凸性发生变化后连续几个采样点可检测出TA饱和。 3）波形相关性原理和分析波形相关性原理通过计算两段波形的相关系数来提取波形特征, 对于判别故障
10、电流是否发生畸变有非常好的效果。由于在P (极值) 点后TA 进入饱和, 二次电流波形i2 出现缺损, P 点前后1/4 周期的波形是不对称的(如图2 所示)。随着TA 电流传变误差的增加,这种不对称性将会更加明显。因此, 可通过计算P 点前后1/4 周期波形的相关系数来判别TA 饱和程度。总结以上多种TA饱和识别法，发现大多是用于差动保护的，对于传统的电流保护并没有考虑TA饱和的识别。4新型电流保护的实现当TA严重饱和时电流有效值低于整定值后，为保证电流保护仍能启动，引入电流瞬时值突变量启动元件。因为在短路故障开始的3-4ms内电流一般不饱和，所以利用瞬时值突变量可以保证电流保护启动。电流保
11、护启动后，利用TA饱和判别元件识别是否发生TA饱和。根据TA饱和与不饱和两种情况，采取不同的措施。如果TA不饱和，则利用传统电流保护原理实现；如果TA饱和，则利用辅助判据，引入电压判别元件。具体步骤如下：步骤一：通过交流采样得到当前采样点三相电流的瞬时值，由（1）式电流瞬时值突变量动作判据进行电流保护启动判断，当任一相电流突变量连续三次满足（1）式，保护立即启动进入步骤二，否则重复本步骤。 （1）式中：表示A、B、C三种相别，为相电流差突变量，为浮动门槛，为电流突变量启动定值，一般取（为TA二次额定电流）。步骤二：电流瞬时值突变量动作元件计时变量，并起动计时，当时返回步骤A，否则进入步骤三。步
12、骤三：利用“波形识别法”对电流瞬时值突变量启动相进行TA饱和判断。利用（2）式和（3）式对上述（1）式启动后的一个周波数据，进行波形凹凸性变化判断。如果相邻过零点之间各采样点中连续有两点满足（4）式，则认为TA饱和，进入步骤四，否则进入步骤五； （2） （3） （4）式中：，分别为，时刻电流值； ，分别为，时刻电流值的一次求导值； ，为分别，时刻电流二次求导值；为采样时间间隔；步骤四：判断出某相电流TA饱和后，计算相电流有效值，根据给定的电流保护动作整定值进行电流保护动作判断，若则保护动作出口跳闸；若，根据给定的低电压整定值和负序电压整定值，判断复压元件是否启动，若相电压满足或负序电压满足，则
13、电流保护在延时到后立即出口跳闸；若复压元件不满足，则返回步骤二； 步骤五：如果波形不饱和，则计算相电流有效值，采用传统电流保护判据（有效值大于整定值）进行保护动作出口判断，根据给定的电流保护动作整定值进行电流保护动作判断，若则保护动作出口跳闸；否则返回步骤二。图3 新型电流保护流程图5结论在传统的电流保护原理的基础上，引入电流瞬时值突变量判别，保证在任何故障时保护判据能可靠启动；同时利用“波形识别法”有效的识别TA是否发生饱和。根据“TA饱和”和“不饱和”两种情况分别进行保护逻辑判断，不饱和时依据传统电流保护判据，饱和时利用电流瞬时值突变量启动和复压启动元件。这样可保证在线路故障电流发生严重T
14、A饱和时，电流有效值低于整定值的情况下，电流保护能准确动作。这种利用故障电流不同特征采取不同处理方法的思想不仅适用于线路电流保护，而且对于其他电力系统的保护也具有普遍意义。参考文献：1 程利军、尤 翔 基于采样值的CT饱和检测方案的研究J继电器，2000，28(8)：19-212 李岩、陈德树 鉴别TA饱和的改进时差法研究J继电器，2001，29(11)：l_43 丁琰、郑玉平、唐国庆等 自适应短数据窗抗电流互感器饱和线路差动保护算法. 电力系统自动化,2005 ,29 (21) :67273.作者简介：丁网林，男，高级工程师，主要从事变电站综合自动化和微机保护的研究开发和应用.王汉林，男，工程师，主要从事变电站综合自动化和微机保护的研究开发和应用.骆 健，女，工程师，主要从事微机保护的研究开发和应用温传新，男，工程师，主要从事微机保护的研究开发和应用.- 6 -
