继电保护受电流互感器饱和的影响及防误动措施.pdf

2013 年 第 7 卷 第 1 期 南 方 电 网 技 术 系统运行管理 2013，Vol. 7，No. 1 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY System Operation saturation; relay protection 2011 年，南方电网连续发生了几起区外故障导 致保护误动事件。例如，4 月 5 日，贵州鸡场变电 站 110 kV 鸡云线发生单相转三相转换性故障， 鸡云 线相间距离段保护动作，同时鸡场变电站 110 kV 母差保护动作跳 110 kV 号母线所有间隔，事故 中 110 kV 母联 110 断路器、 鸡云线 104 断路器在本 次故障中出现饱和。 5 月 22 日，贵州恒盛变电站 35 kV 恒双线路发 生三相故障， 线路保护过流段保护动作， 跳开 304 断路器， 重合闸于故障后合闸加速动作， 跳开 35 kV 恒双线 304 断路器，同时由于故障时电流互感器 （TA）饱和导致 1 号主变压器 A、B 套保护均“差 速保护”出口跳开变压器两侧断路器。 这两起事故伴随的TA饱和现象值得深入研究。 1 电流互感器饱和机理分析 1.1 电流互感器稳态饱和 TA 稳态饱和的原因是系统短路时， 一次短路时 的二次感应电动势超过了 TA 的二次极限电动势， 导致 TA 磁通饱和，不能线性传变一次电流。 只要在一次短路时 TA 的二次感应电动势 Es不超过 TA 的二次极限电动势 Es1，就能防范 TA 稳态饱和。 1.2 电流互感器暂态饱和 图 1 显示电流互感器暂态饱和情况。 图 1 电流互感器暂态饱和 Fig. 1 Current Transformer Transient Saturation 66 南方电网技术 第 7 卷 从图 1 可以看出， TA 暂态饱和是由于系统短路 时，由于短路电流直流分量的影响，导致 TA 的磁 通单向偏移，若 TA 磁通有剩磁，且剩磁方向与直 流分量产生的剩磁方向相同则饱和情况会更加严 重。电流互感器暂态饱和的影响因素包括短路电流 大小、短路电流非周期分量，一次事件常数 Tp、二 次时间常数 Ts和剩磁等，需引入暂态系数1Ktd， tdks /KEE， （1） 式中，Ek为 TA 二次极限电动势，Es为 TA 二次感 应电动势。 TA 的暂态系数越大， 其抗暂态饱和能力 越强。 2 TA 饱和对继电保护的影响 我们组织继电保护厂家对 TA 饱和影响继电保 护的情况进行了 RTDS 动模试验，试验结果如下： 2.1 对差动保护的影响 区外故障时 TA 饱和会使差动保护出现差流， 可能导致差动保护误动，特别是对于变压器差动速 断保护，由于采用单纯差流速断，不做饱和检测， 需要重点关注。部分厂家认为目前对于饱和时有 5 ms 以上线性传变区的饱和， 带饱和检测的差动保护 （如线路、变压器、母线保护比例差动）不会误动。 2.2 对距离保护的影响 TA 饱和时波形产生畸变， 对电流的幅值和相位 都会产生影响。对于常规距离保护主要影响保护范 围，距离保护的测量阻抗偏大，保护范围缩短。实 际上尚未出现因 TA 轻微饱和而导致距离保护超越 的现象。对工频变化量阻抗有可能因相位变化导致 失去方向而误动， 仿真实验结果对于 5 ms 以上线性 传变的 TA 饱和，未见工频变化量阻抗失去方向性。 2.3 对过流保护的影响 TA 饱和时的电流基波幅值小于实际故障电流， 故过流保护的灵敏度会降低。 2.4 对零序保护的影响 不对称接地故障时， TA 饱和时的零序电流基波 幅值小于实际故障电流，零序过流保护的灵敏度会 降低，方向性影响较小。 对称故障或不接地故障时， TA 饱和会产生零序 电流，此时理论上没有零序电压，可由零序功率方 向来闭锁零序过流保护，但若电压互感器（TV）的 不对称度较大，出现零序电压，则不能保证方向。 从保护厂家对 RTDS 仿真分析来看， TA 若存在 5 ms 以上线性传变区，则区外故障时带饱和检测的 差动保护不会误动，距离保护不会失去方向性，过 流及零序方向不会失去方向性。但可能造成差动速 断保护误动，距离保护范围缩小，过流及零序保护 灵敏度降低。 3 开展 TA 抗饱和能力校核工作 3.1 校核 CT 是否满足其铭牌标称值要求 计算二次极限电动势4： s1alfsnctbn EK IRR（）， （2） 式中，Es1为 CT 额定二次极限电动势（稳态） ；Kalf 为准确限制值系数；Isn为额定二次电流；Rct为二次 绕组电阻；Rbn为 CT 额定二次负载。 校核额定二次极限电动势： 有实测拐点电动势时，要求额定二次极限电动 势 Es1应小于实测拐点电动势 Ek，即 Es1 Ek。 说明：当二次极限电动势 Es1小于实测拐点电 动势 Ek时，证明 CT 符合其铭牌保证值，性能满足 设计要求。 3.2 校核 TA 抗饱和能力是否满足运行要求 计算最大短路电流时的二次感应电动势： sscmaxnTAb /EIKRR（）， （3） 式中，Kn为采用的变流比；Iscmax为最大短路电流； RTA为二次绕组电阻；Rb为 TA 实际二次负荷电阻。 计算最大短路电流时的暂态系数： tdks /KEE， （4） 式中，Ek为实测极限电动势。 TA 的暂态系数需大于 2.0，才能满足抗饱和裕 度要求。 4 防范 TA 饱和导致保护误动的几点措施 更换不满足暂态饱和要求的 TA 是最为直接有 效的方法。否则，需要研究有效的反措。 4.1 开展变比调整工作 我们提出在开展TA抗饱和能力校核的基础上， 最大短路电流达到额定准确限值一次电流 80%以 上， 能通过调大变比提高抗饱和能力的 TA， 均需开 展 TA 变比调整工作。TA 变比调整后需重新测量相 关参数并进行校核。 4.2 明确 TA 新设备选型要求 对 TA 的新设备选型提出的如下要求： 第 1 期 陈宏山，等：继电保护受电流互感器饱和的影响及防误动措施 67 1） 电流互感器额定准确限值一次电流应大于 最大短路电流，最大短路电流的计算应综合考虑电 网发展的情况，并保留一定裕度； 2） 110 kV 及以上新建变电站应选用额定二次 电流为 1 A 的电流互感器； 3） 电流互感器暂态系数应大于 2.0。 4.3 严把继电保护入网关 要防止 TA 饱和引起继电保护误动作，必须从 提高TA抗饱和能力以及继电保护抗TA饱和性能两 方面入手， 在提高 TA 抗饱和能力方面， 要求 TA 暂 态系数必须大于 2.0，以保证 TA 在系统短路时有一 定的抗饱和能力，至少可以有效抵御 TA 稳态饱和 问题。 但是从 TA 饱和机理分析， 我们知道 TA 在非 周期分量、剩磁等方面的影响下发生的暂态饱和是 很难靠 TA 自身能力去抵御的， 若要求 TA 能有效抵 御暂态饱和， 要求 TA 的暂态系数至少达到 20 以上， 可见利用继电保护抗饱和算法来分析 TA 饱和情况 并有效闭锁相关保护，防止继电保护误动作也是及 其重要的。 从上述分析中我们知道 TA 饱和对继电保护的 影响主要是差动保护及工频变化量阻抗保护。在电 流过零点的时刻 TA 能够有几毫秒时间正确传变一 次电流，只要有效利用这几毫秒的线性传变区就能 有效判断 TA 是否进入饱和状态，从而闭锁相关保 护， 为此须严把继电保护入网测试关， 对区外故障 时 TA 深度饱和、 区外故障 TA 饱和转区内故障等复 杂故障进行严格试验，对继电保护抗 TA 饱和性能 严格把关。特别对于采样点差动保护原理的差动保 护装置，需在快速动作与抗饱和能力上取得平衡， 不能因为过分追求快速动作性能而牺牲继电保护抗 TA 饱和能力。 4.4 细化差动速断保护定值整定范围 我们知道线路光纤纵差保护、母差保护及主变 比率差动保护是具有 TA 饱和判据的， 在 TA 饱和时 能够有效判断并闭锁差动保护，但主变差动速断保 护是不允许经过 TA 饱和判据闭锁的，若在区外故 障时 TA 饱和严重，则有可能导致主变差动速断保 护误动作。 综合考虑躲变压器励磁涌流、最大不平衡电流 以及考虑低压侧故障情况下的灵敏度2，变压器差 动速断保护整定可以考虑适当抬高整定值，特别是 对于 120 MVA 以上三卷变压器， 若差动速断保护无 法保证变低引线有灵敏度的情况下可以在规程允许 范围内差动速断保护定值适当取高值，以有效避免 区外故障时 TA 饱和引起差动速断保护误动作。 4.5 规范 TA 试验方法 剩磁是引起 TA 饱和的因素之一，电力系统所 用 TA 的铁心一般都是采用硬磁材料制作，所以剩 磁的存在将加大 TA 饱和的风险3。 因此在运行维护 中应尽可能减少 TA 的剩磁。一般来说剩磁的产生 主要有两种原因： 1） 试验操作不当产生剩磁。 在进行 TA 高压试 验（测量伏安特性曲线、内阻等） ，由于操作不当导 致剩磁存在 TA 内部没有消退。 此时 TA 在励磁曲线 的高位运行，极易饱和。 2） 由于系统短路电流的直流分量产生的剩 磁。系统短路故障时，会产生直流分量，直流分量 进入 TA 后会在铁心产生剩磁，不易消退。但是由 于系统每次短路故障产生直流分量的方向都是随机 的，由短路电流导致 TA 饱和概率较低，且为不可 控因素。 综上，规范 TA 试验步骤是可控的、有效的防 止剩磁产生的方法，应作为必须执行的作业要求。 5 结语 本文分析了电流互感器饱和机理及其对继电保 护的影响，认为电流互感器饱和可能引起差动保护 误动，缩小距离保护的范围，降低过流保护和零序 保护的灵敏度，并提出相关的反施，其中电流互感 器的校核及调整变比工作正在南方电网开展。 参考文献： 1 DL/T8862004，电流互感器及电压互感器选择及计算导则S. 2 汪际锋. 地区电网继电保护整定原则M. 北京：中国电力出版 社，2010. 3 GB12082006，电流互感器S. 4 袁季修. 保护用电流互感器应用指南M. 北京：中国电力出版 社，2004. 收稿日期：2012-04-20 作者简介： 陈宏山（1979） ，男，广东人，工程师，硕士，从事继电保护运行 管理与研究（Tel）020-38121763（e-mail）； 余江（1975） ，女，湖北人，高级工程师（教授级） ，博士，从事继 电保护运行管理与研究； 周红阳（1969） ，男，浙江人，高级工程师（教授级） ，硕士，从事 继电保护管理与研究。