浅议超高压输电线路保护中电流互感器对差动电流保护的影响及对策

网络教育学院专 科 生 毕 业 大 作 业 题 目：浅议超高压输电线路保护中电流互感器对差动电流保护的影响及对策学习中心： 奥鹏远程教育杭州学习中心 层 次： 高中起点专科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 0809年秋 学 号： 081324209001 学 生： 王 文 成 指导教师： 熊 文 强 完成日期： 2010年07月16日 内容摘要超高压输电线路在传送巨大功率的过程中扮演着重要的角色，对整个电力系统的安全稳定运行影响极大，因此对超高压输电线路的继电保护提出了更高的要求。本文将介绍电流互感器数学模型，以及在继电保护中出现饱和时的原因、特征、影响，最后还介绍了及抗饱和措施。关键词：超高压输电；线路保护；电流互感器；差动电流目 录内容摘要I引 言11 超高压线路保护概述21.1 输电线路纵联保护21.2 电流差动纵联保护21.3 距离纵联保护32 电流互感器概述43 电流互感器模型53.1 电流互感器等效模型53.2 磁化曲线模拟63.2.1 基本磁化曲线63.2.2 磁滞回环73.3 TA饱和特征及影响因素73.3.1 TA饱和时的电流特征83.3.2 影响TA饱和的因素94 TA饱和对电流差动保护的影响及抗饱和措施104.1 TA饱和对电流差动保护的影响104.2 抗TA饱和措施104.2.1 比率制动104.2.2 直流闭锁114.2.3 限制短路电流114.2.4 增大保护级TA的变比114.2.5 减小电流互感器的二次负载115 结语12参考文献13引 言电力系统继电保护是电力系统的重要组成部分，它在保证电力系统安全稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。继电保护的主要作用的是在电力系统中电气元件发生故障时将故障元件从电力系统中尽快切除，使故障元件免于遭受更大的破坏并保证电力系统尽快恢复正常运行。随着大规模联合电力系统的建立，对系统运行安全性和可靠性的要求也在不断提高。由于现代大电网的结构和运行方式复杂多变，系统的运行方式和故障类型越来越复杂，对继电保护的要求也越来越高。随着输电线路电压等级的提高，电流互感器的问题成为继电保护重点的研究方向。1 超高压线路保护概述超高压线路保护有不同的原理，本文主要介绍的是电流差动纵联保护。1.1 输电线路纵联保护由于输电线路的特性，只能采用纵联保护原理来保护输电线路，以实现全长范围内故障的无时限切除。输电线路纵联保护，就是用某种通信通道将输电线路两端或者对应于多端系统的各端的保护装置纵向连接起来，将各端的电气量传送到对端，将各端的电气量进行比较，以判断故障在本线路范围内还是在在线路范围之外，从而决定是否切断被保护线路。理论上，这种纵联保护具有绝对的选择性。根据纵联保护所利用通道的不同类型可以为4种，通常纵联保护也按此命名，它们是：（1） 导引线纵联保护；（2） 电力线载波保护；（3） 微波纵联保护；（4） 光纤纵联保护；导引线保护现在己经被光纤保护取代。随着光纤通信技术的发展，光纤保护最有发展前途。1.2 电流差动纵联保护电流差动保护的原理是上个世纪初提出，迄今为止，已约有将近百年的历史。由于其原理简单可靠而被广泛地用作电力系统的发电机、变压器、母线和大型电动机等元件的主保护。电流差动保护原理在电力线路上的应用，最早就是传统的导引线保护。它可作为高、中压电网中的短距离线路的全线速动主保护。电流差动保护判据是一种简单、可靠和广泛适用的继电保护原理，它是电力系统的主要保护之一。长期的运行考验也证明了它的优越性。随着电力系统的发展，超高压、远距离的输电线路和复杂网络（如同杆双回线路、T型分支路、环网等）的增多，以及电力系统通信技术的进一步迅速发展，毫无疑义，电流差动保护将会在高压、超高压输电线路上，得到更为广泛的应用。差动保护基于基尔霍夫电流定律，比较被保护设备各引出线上的电流。规定电流的正方向为流入被保护设备。当各引出线之间在电路上相联时，被保护设备可以看作是电路中的一个节点。在正常运行或者外部故障时有（1-1）式中ij （t）为引出线j上流入被保护设备的相电流，该式对各相都成立。在内部故障的时候，当总短路电流可以在故障点流入地或者其他支路时（1-2）式中if为故障点的总短路电流。令 ，称iop （t）为差动电流，简称差流。也可以用Iop的形式，例如图1-1的两端系统，差流 图1-1 简单两端系统则差动保护的基本判据就是 （1-3）在不考虑TA（电流互感器）误差时，在正常及外部故障时，差流为零，差动保护不动作；在内部故障时，差流大于零，可靠地动作。纵联差动保护有绝对的选择性，保护动作不需要延时。1.3 距离纵联保护 距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（阻抗），并根据距离的远近（阻抗的大小）而确定动作时间的一种电力系统保护原理。距离保护的核心元件是距离继电器，也叫阻抗继电器，它根据端上所加的电压和电流测量保护安装处至短路点的阻抗值，而方向阻抗继电器不仅能测量阻抗而且还能测量出故障点的方向。因输电线路阻抗大小即反映1线路的长度，故继电器的测量阻抗也反映了故障点与保护安装处之间的距离。距离纵联保护原理上同距离保护一致，主要是通信及接线方式上要符合线路保护的要求。距离纵联保护利用通道传输闭锁或者允许信号，实现有选择性快速切除全线故障。距离纵联保护并非采用距离继电器作为方向判别元件，而是当通道或运行中通道发生故障时便是完整的阶段式保护，换而言之，距离纵联保护是在阶段式距离保护的基础上增加通信接口和必要的动作逻辑实现纵联保护，达到快速切除故障的目的。2 电流互感器概述为保证电力系统的安全和经济运行，需要对电力系统及其中各电力设备的相关参数进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护。通常的测量和保护装置不能直接接到高电压，大电流的电力回路上，而需要将高电平的电力参数按比例变换成低电平的参数或信号。电流互感器（TA）是电力系统中重要的测量元件，在继电保护中更有着举足轻重的作用。其功能主要是在稳态和暂态过程中准确传变一次电流，但随着超高压系统、大容量机组的投入使用，一方面使得暂态时间常数增大；另一方面，为了保证系统可靠性，又必须提高保护装置的速动性，这对TA性能有了更高要求，尤其是TA的饱和问题。由于电流互感器铁芯的非线性以及磁滞特性，故障情况时，较大的故障电流尤其是含有很大非周期分量，很容易使TA工作在励磁特性的非线性区而进入严重饱和状态，此时大部分一次电流流入励磁支路，二次电流几乎为零，造成很大的传变误差，极有可能引起保护误动或拒动，因此迅速、准确地检测出TA饱和显得极为重要。电流互感器（TA）是将一次回路的大电流成正比地变换为二次小电流。其基本电流图如图2-1。图2-1 电流互感器基本电路3 电流互感器模型3.1 电流互感器等效模型设电流互感器一次侧故障电流i1已知。且i1和i均已归算到二次侧。图3-1 TA等效电路图（1）求tn时的励磁电流i（n）：设时间间隔内的励磁电流变化量为i（n），则在时间tn+1=tn+t时的励磁电流可近似记作：i（n+1）=I（n）+i （n） （3-1）（2）求t时间内励磁电流的增量i（n），有图1-1所示电流互感器等值电路可知，电压与电流的方程式为： （3-2） i2= i1-i （3-3）解上两方程可得： （3-4）设 ， ，在微机保护中，由于二次负载极小，且多为纯电阻，而且支路主抗角一般为=030， ，所以Tct很小，可以认为Tct0。又LLct，于是（3-4）式可以变为：di即 （3-5）假如时间间隔t取得很小，则 ，于是（3-5）式又可改写为 （3-6）在时间tn+1，时，上式可写为： 即 （3-7）所以： （3-8）于是，由上式及式（3-1）、（3-3）可以求得励磁电流和二次电流，其中 ，L（n）由电流互感器磁化曲线的仿真模型动态求得。3.2 磁化曲线模拟电流互感器的仿真模型分为基本磁化曲线和磁滞回环两部分如图3-2所示。图3-2 基本磁化曲线和磁滞回环3.2.1 基本磁化曲线设励磁电流为i，铁芯磁链为。我们知道，电感为磁链对励磁电流的导数i。先考察函数反正切函数y=arctan（）。其导数为 。显然y为经过坐标原点的奇对称函数，并且在+和-时的渐近线分别为 和- 。1时y变化很小，接近于1；1后y随的增加而迅速增加。由此可以看见反正切函数的变化形状与磁化曲线的变化曲线接近，故我们在反正切函数基础上来模拟磁化曲线。由于反正切函数是奇对称函数，故只可讨论i0的情况。令 （3-9）基本磁化曲线为（3-10）由于1，+两条曲线在（sat，isat）点相交，故式（3-10）又可表示为显然L0为i=0点的电感，L为TA完全饱和（i）时的线性电感，此时TA相当于没有铁芯。（sat，isat）为1和+两条曲线的交点。、L1为调整系数，使得TA饱和点附近的磁化曲线与实际吻合。要注意LL1L0。参见图3-2，当励磁电流iisat，时，磁链与励磁电流之间的关系是采用曲线1来模拟的；当iisat，时，磁链与励磁电流之间的关系是采用直线+。来模拟的。图3-2中，J+是i+时1的渐近线，显然同理可知i0时的反向磁链，也存在1的渐近线和TA深度饱和时的线性磁链线分别为通常，厂家或参考文献提供的磁化曲线只是励磁电流比较小的一段，远未达到交点（sat，isat）。故交点（sat，isat）要进行假设，这里假设： 即 3.2.2 磁滞回环先讨论极限磁滞回环。图3-2所示即为TA的极限磁滞回环，J+为极限磁滞回环的上升线，J-为下降线。极限磁滞回环与坐标横轴分别有两个交点，相应的励磁电流分别为Ic和-Ic。Ic反映了磁滞回环的胖瘦，称为TA极限磁滞回环的宽度电流。Ic的大小由铁芯材料决定。极限磁滞回环是采用基本磁化曲线分别向右和向左平移Ic来模拟的，即 （3-11） （3-12）显然，m+和m-与基本磁化曲线1具有相同的渐近线。因此它们与TA深度饱和线+和-。均有交点。例如上升线m+与+的交点为B，与基本磁化曲线的处理方法相同，当磁链经过交点后，就沿着+变化。参见图3-2，假设励磁电流i周期性变化，幅值为Im，则磁链也是周期性变化，其变化轨迹为ABCDEDFBA。3.3 TA饱和特征及影响因素电流互感器在输电线路发生故障后很快饱和，于是一次电流全部变为励磁电流，二次电流发生严重畸变，几乎为零，由此而产生的差流将造成输电线路电流差动保护误动作。正常情况下，TA铁芯工作在低磁密条件下，励磁阻抗很大，流入励磁回路的电流很小，励磁电流能够真实传变一次电流。在故障情况下由于故障电流大及故障暂态电流含有衰减的直流分量，引起TA饱和（稳态饱和及暂态饱和）。TA暂态饱和是由故障暂态电流含有衰减的直流分量造成的，直流分量很大。图3-3 电流互感器暂态饱和时的一次，二次电流由图3-3可见，故障后一次电流的波形位于时间轴上，逐渐下降；二次电流开始1/4周期内波形正常，接着发生严重波形畸变，以后才逐渐增大。这是由于故障时，在短路电流中的直流分量和剩磁的共同作用下，TA铁芯在短路后很快饱和，于是一次电流全部变为励磁电流，二次电流几乎为零。随着励磁电流中直流分量的衰减，二次电流才逐渐增大，TA逐渐退出饱和。在短路后最初的1/4周期内，直流分量的持续时间还没有使TA达到饱和，TA误差很小，能够正确传变。3.3.1 TA饱和时的电流特征由以上分析可知，TA饱和时电流有如下特征：（1） 一次电流中含有较大的非周期分量，例如一次电流100%偏移，饱和后二次电流产生较大的畸变，二次电流波形出现缺损，幅值降低。此时二次电流偏向坐标轴的一边，与变压器励磁涌流相似。（2） 故障发生后，TA不会马上饱和，而是存在一个线性传变区，二次侧能正确传变一次电流。这是因为磁链的增加是电流在时间上的积分，要使磁链达到饱和点需要一定的时间。这一时间至少要2ms，并且随故障程度而变短。（3） TA饱和后，二次电流的波形出现缺损，幅值降低。TA严重饱和时，二次电流输出为零，一次电流全部变为励磁电流。而二次电流波形缺损的形状受二次负载的影响，二次负载越接近纯阻性，波形的不对称性就越明显，当二次负载有电感存在时，二次电流在退出饱和前波形存在“尾巴”现象。（4） 在每个周期内由于稳态工频电流的负向去磁作用，在TA饱和后，当一次电流的瞬时值降为零并反极性时，TA又退出饱和，在一段时间内处于线性区，而这段线性区的长短与TA饱和的深度有关。此时，铁芯中有相当大的剩磁。（5） 对主要由一次电流中的非周期分量引起的TA饱和（暂态饱和），饱和后二次电流产生较大的畸变，二次电流和励磁电流波形都偏向时间轴的一侧，造成正负半波的波形不对称，谐波含量主要是二次谐波。（6） 对主要由一次电流中的周期分量引起的TA饱和（稳态饱和），二次电流波形在正负半波均发生畸变。二次电流和励磁电流波形相对时间轴呈奇对称，谐波含量主要是三次谐波。（7） 由于存在TA线性传变区，因此励磁电流最大值滞后二次电流最大值一个时间，这个时间和线性传变区的时间近似相等。3.3.2 影响TA饱和的因素电流互感器饱和的因素多种多样，总体说来，引起电流互感器饱和的因素主要有以下几种：（1） 一次侧暂态短路电流中非周期分量的大小，与短路电流水平和短路时刻有关。一次暂态电流中非周期分量越大，TA饱和也就越严重。（2） 一次侧系统的时间常数。一次系统时间常数越大，TA饱和的时间也就越长。（3） 二次侧负荷的大小与性质。TA二次负载越大，TA就越容易饱和。（4） 电流互感器铁芯中的剩磁。由于在正常运行情况下，电流互感器铁芯工作在低密条件下，发生短路后剩磁对电流互感器饱和影响不大，但当短路切除后，铁芯中的磁通将沿着磁滞回线下降到剩磁值，如果剩磁的极性与故障时短路电流所产生的极性相同，铁芯将更快地趋于饱和。（5） TA铁心饱和的时间与一次系统时间常数、TA二次时间常数以及TA二次负载有关。4 TA饱和对电流差动保护的影响及抗饱和措施4.1 TA饱和对电流差动保护的影响电流差动保护原理简单可靠，已广泛应用于电力系统的发电机、变压器、母线、大型电动机等元件的主保护中。随着通信技术的发展，高压、超高压输电线路越来越多地采用电流差动保护作为线路的主保护。所以电流差动保护的可靠运行直接影响到电力系统的安全、稳定运行。超高压系统中，电流差动保护的研究应注重以下几个原则：（1） 外部故障，即使TA完全饱和时应可靠不误动。（2） 内部故障快速检测及跳闸，即使在TA完全饱和时应可靠动作。由于TA的饱和不是发生在故障瞬间，如果保护在TA饱和之前便完成判别，保护的正确动作就得到保证，而且对TA的要求相应也降低。根据这个要求，保护的动作时间在l0ms左右。（3） 自适应能力强。当线路发生近端外部故障时，TA可能饱和。当TA饱和时，二次电流发生畸变，严重时可能接近于零，此时差动保护将出现较大的差流，差动保护判据将反映为内部故障，差动保护将误动。这种情况对线路保护正确动作都有影响。因此较高的抗TA饱和特性关系到线路保护的可靠性。由以上所述可以看出，电流互感器饱和对电流差动保护的影响确实是一个不容忽略的问题，但对于超高压输电线路来说，因为其具有不同于中低压输电线路的一些特征，所以需要我们进一步进行研究。4.2 抗TA饱和措施针对电流互感器饱和的问题，一直以来就有很多这方面的研究，并且提出了一些解决电流互感器饱和问题的措施，为了全面考虑起见，本文对防止电流互感器饱和的措施进行了总结，主要包括以下几个方面：4.2.1 比率制动采用比率制动的初衷是穿越短路电流越大，电流互感器误差形成的差流也越大，需要相应增大制动电流，以防止差动保护误动。实际上由于短路电流非周期分量的影响，即使短路电流值不大，也可能产生严重暂态饱和而形成很大误差。差动保护两侧即使特性相同，但如果剩磁不同，也可能饱和程度差别很大。极端情况，在外部故障时故障支路电流越大，如该支路互感器严重饱和导致输出电流很小，则流入差动保护的动作电流与制动电流相差很小，即要求制动系数大于1。这当然时不可以接受的，因为这样则内部故障也无法动作了。所以，仅靠比率制动是难以保证互感器饱和时保护不误动的。4.2.2 直流闭锁直流制动的根据时很多情况下差动电流中有明显的直流分量。我国早期广泛使用的速饱和变流器即采用这种原理防止差动保护误动。但直流制动中同样存在着一些问题：差流中能否可靠出现直流，如短路电流无非周期分量，差流中可能不出现直流分量。内部故障短路电流中的非周期分量可能延迟保护动作。4.2.3 限制短路电流在已建系统中可在较高一级的电压等级中就采取分列运行的方式以限制短路电流。分列运行后造成的供电可靠性的降低可通过备用电源自动投人等方式补救。在新建系统中短路电流过大可采取串联电抗器的做法来限制短路电流。4.2.4 增大保护级TA的变比不能采用按负荷电流的大小确定保护级电流变比的方法，必须用保护安装处可能出现的最大短路电流和互感器的负载能力与饱和倍数来确定TA的变比。增大了保护级TA的变比后会给继电保护装置的运行带来一些负面影响，主要是不利于TA二次回路和继电保护装置的运行监视。4.2.5 减小电流互感器的二次负载选用交流功耗小的继电保护装置。电磁型的电流差动继电器的交流电流功耗每回路可达8VA，而微机型继电器（如MDM-B1系列）的交流电流功耗每回路仅0.5VA，相差一个数量级，应选用交流功耗小的继电保护装置。5 结语超高压输电线路往往担负着传送巨大功率的任务，对整个电力系统的安全稳定运行影响极大，因此对超高压输电线路的继电保护提出了更高的要求。电流互感器对电流差动保护的影响重大。本文对电流互感器、电流互感器模型和仿真励磁曲线作了介绍，研究了TA饱和的特征及影响，并给出了抗TA饱和的措施。参考文献1 张保会，尹项根.电力系统继电保护.中国电力出版社，2005.2 袁荣湘，陈德树，张哲.高压线路方向保护新原理的研究.中国电机工程学报，2000，20 （3）：20-25.3 李岩，陈德树.鉴别TA饱和的改进时差法研究.水利电力科技，2001，11（4）： 34-38.4 袁季修，盛和乐.电流互感器的暂态饱和及应用计算.继电器，2002，2（2）： 1-5.5 陈建玉，孟宪民，张振旗，王志华.电流互感器饱和对继电保护影响的分析及对策.电力系统自动化，2000，3（6）： 54-56.