母線保護在多種電流互感器混用模式下的仿真研究

邵昱 王超 李豐克 李陸軍

摘 要：不同種類的電流互感器具有不同特性，常規變電站進行智能化改造時，母線保護會面臨同時接入電子式互感器與電磁式互感器的情況。針對此種特殊情況進行研究，對于母線保護正常運行具有重要意義。本文運用仿真方式，研究不同類型電流互感器的混合使用對母線差動保護動作性能的影響。

關鍵詞：電流互感器;母線保護;電子式互感器;區外故障

中圖分類號：TM77文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）32-0032-03

Abstract： Different types of current transformers have different characteristics， when the conventional substation is undergoing intelligent transformation， the busbar protection will face the situation of simultaneous access to the electronic transformer and the electromagnetic transformer. Research on this special situation is of great significance to the normal operation of busbar protection. This paper used simulation to study the effect of the mixed use of different types of current transformers on the performance of bus differential protection.

Keywords： current transformer;busbar protection;electronic transformer;out-of-zone fault

系統出現故障時，電流互感器（CT）受短路電流中非周期分量與鐵芯剩磁的影響，電磁式互感器在暫態過程中進入飽和狀態的概率較大，而電子式互感器不會飽和[1-3]。當電子式互感器與電磁式互感器同時接入母線保護時，母線區外短路，保護裝置可能出現較大差流，這對母線保護的正常運行是極為不利的。

1 電子式互感器與電磁式互感器并用時的問題分析

1.1 兩種互感器同時接入母差的運行模式

電子式互感器輸出為光電信號，電磁式互感器的二次輸出為模擬量。為解決兩種互感器共存時數據輸出類型不同的問題，系統需要接入母線保護轉換子站，它可將電磁式互感器輸出的模擬量轉化為符合IEC61850規約的數字量，再通過光纖接入智能化的母線保護裝置。

1.2 兩種互感器的數據同步問題

電磁式互感器經過保護子站轉換，其最終的輸出同步由保護子站決定，此時存在保護子站與電子式互感器之間的同步問題。為了解決該問題，智能化母線保護裝置需要采用插值算法進行數據同步。插值過程如下：根據母線保護的實際采樣數據，確定延時參數并進行時間補償，計算出與基準時間為同一時刻的采樣值，從而消除兩種互感器的數據幅值差與相角差，實現同步采樣。

1.3 兩種互感器接入對不平衡電流的影響

本文采用PSCAD軟件仿真分析兩種互感器接入時產生的不平衡電流。母線外部短路時，流過各互感器的電流差別可能較大，尤其是故障支路的互感器，其電流為其他支路元件總的短路電流;若故障點位于電磁式互感器所在支路，則該電磁式互感器可能會進入飽和狀態，要求母線保護具有抗互感器暫態飽和的能力[4-5]。

2 仿真分析

2.1 仿真模型說明

本研究仿真模擬一座220 kV變電站的110 kV母線保護。仿真主要研究母線保護對不同原理電流互感器混用的適應性，分析大差電流特性，不考慮小差計算。模型中各元件參數如下：變壓器的額定容量為180 000/180 000/90 000 kVA;額定電壓為220/121/10.5 kV;連接組別為YNyn0d11;短路電壓百分比分別為[Ud1-2=14.5%]、[Ud1-3=24%]、[Ud2-3=7.5%];時間常數為0.06 s。

各支路互感器變比為1 200/1。電磁式互感器采用J-A鐵磁互感器模型;電子式互感器的數學模型為：

式中，[M]為導體間的互感;[Rs]和[L]分別為線圈的內阻與自感;[C0]為雜散電容;[Ra]為取樣電阻;[R]、[C]均為運放電路參數;H為感抗;U0為電壓;I為電流;S為功率。

電磁式互感器參數如下：變比為1200/1，保護用CT的參數為5P20，[Sn]=30 VA，二次繞組電阻[RCT]=9.5 Ω，所帶的實際二次負荷電阻[Rb]為8Ω。

計算考慮最大運行方式，時間常數為0.02s。

2.2 仿真邏輯說明

2.2.1 仿真條件設定。本文采用的保護判據為常規比率制動判據，即

對于本次仿真，比率制動系數[K]=0.7。差流起動值[Iop0=0.5In]，即0.5 A。Id為差動電流，Iop0為啟動電流，K為比率制動系數，Ires為制動電流，In為額定電流。

設三相故障發生時刻為故障支路的A相電壓過零時，[cosθ≈-1]，此時非周期分量含量最大，A相短路電流出現負序偏移。設采樣頻率[fs]=1 200 Hz;短路發生時刻為0.5 s，短路持續時間為0.1 s，仿真時長為1 s。

2.2.2 仿真方案。各支路均采用電磁式互感器，區外故障時，比較故障支路互感器在不同飽和程度時對差動保護的影響;各支路均采用電子式互感器，區外故障時，比較其傳變特性及對母線保護的影響;不同類型的電流互感器混用時，比較其對母線保護的影響。

2.3 電磁式互感器與電子式互感器混搭區外故障數字仿真

區外故障時，按兩種模式進行仿真：模式一是故障支路采用電磁式互感器（有同向剩磁），其余各支路均用電子式互感器;模式二是故障支路用電子式互感器，其余各支路均用電磁式互感器（各支路有同向剩磁）。

2.3.1 故障支路為電磁式互感器（有剩磁），其余各支路為電子式互感器。區外三相短路時，母線保護的差動電流、制動電流如圖1所示。

如圖1所示，區外故障的最大差流為6.8 A，其值大于全電磁式互感器僅故障支路互感器有剩磁時的差流值，說明電磁式互感器與電子式互感器混用引起的差流要大于全電磁式互感器的情況。此時依靠比率制動特性的母線差動保護不會誤動。

2.3.2 故障支路為電子式互感器，其余各支路為電磁式互感器（有剩磁）。區外三相短路的差動電流、制動電流如圖2所示。

如圖2所示，此種情況下區外故障時產生的最大差流為4.6 A。其值大于全電磁式互感器各支路均有剩磁時的差流，與第一種情況類似，說明在此情況下，電磁式互感器與電子式互感器混用引起的差流要大于全電磁式互感器的情況。其值小于故障支路為電子式互感器、其余各支路為電磁式互感器且有剩磁時的差流，說明用電子式互感器取代已處于飽和狀態的電磁式互感器時，區外故障時的差流會減小。這種情況下，比率制動特性的母線保護能夠保證區外故障時不誤動。

2.4 改變互感器參數的仿真分析

為模擬實際中可能出現的電磁式互感器容量與準確限值系數較小、實際二次負載較大的情況，設定互感器容量為15 VA，互感器二次負荷為10 Ω，準確限值系數為20，其他參數如上。下面選取最嚴重的情況（即僅故障支路采用電磁式互感器且有剩磁，而其余各支路均為電子式互感器）進行仿真。改變參數后的差動電流與制動電流如圖3所示。

如圖3所示，此時的最大差流為7.9 A，說明電磁式互感器容量減小，二次負荷增大，使區外故障的差流增大。這是因為互感器因額定容量的減小，二次負荷增大，飽和程度更加嚴重。電磁式互感器容量降低與二次負荷增大時，僅依靠比率制動特性不能防止區外故障時保護誤動，此時就需要采取其他措施來防止保護誤動。

不同種類互感器混用的仿真結果表明，母線各支路采用電磁式互感器與電子式互感器混用方式，并與母線保護的抗互感器飽和措施相配合，可以防止外部故障差動保護誤動作。條件為電磁式互感器具有較高的準確限值系數，如不符合此條件，則應根據電磁式互感器的校驗方法進行計算，以確定該互感器能否用于混搭。

3 結論

電磁式互感器與電子式互感器混合應用于母線保護，能在最嚴重的外部故障情況下保證差動保護不誤動。影響電磁式互感器飽和程度的因素有多個，人們應根據實際參數對電磁式互感器進行性能校驗，再決定該類互感器能否與電子式互感器混搭用于差動保護。電磁式互感器容量降低與二次負荷增大時，僅靠比率制動特性不能保證區外故障差動保護不誤動，此時必須依靠母線保護的其他抗互感器飽和措施來防止差動保護誤動。

參考文獻：

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