母線(xiàn)保護(hù)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(lèi)的電流互感器具有不同特性，常規(guī)變電站進(jìn)行智能化改造時(shí)，母線(xiàn)保護(hù)會(huì)面臨同時(shí)接入電子式互感器與電磁式互感器的情況。針對(duì)此種特殊情況進(jìn)行研究，對(duì)于母線(xiàn)保護(hù)正常運(yùn)行具有重要意義。本文運(yùn)用仿真方式，研究不同類(lèi)型電流互感器的混合使用對(duì)母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能的影響。

關(guān)鍵詞：電流互感器;母線(xiàn)保護(hù);電子式互感器;區(qū)外故障

中圖分類(lèi)號(hào)：TM77文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，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(tài)過(guò)程中進(jìn)入飽和狀態(tài)的概率較大，而電子式互感器不會(huì)飽和[1-3]。當(dāng)電子式互感器與電磁式互感器同時(shí)接入母線(xiàn)保護(hù)時(shí)，母線(xiàn)區(qū)外短路，保護(hù)裝置可能出現(xiàn)較大差流，這對(duì)母線(xiàn)保護(hù)的正常運(yùn)行是極為不利的。

1 電子式互感器與電磁式互感器并用時(shí)的問(wèn)題分析

1.1 兩種互感器同時(shí)接入母差的運(yùn)行模式

電子式互感器輸出為光電信號(hào)，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(shí)數(shù)據(jù)輸出類(lèi)型不同的問(wèn)題，系統(tǒng)需要接入母線(xiàn)保護(hù)轉(zhuǎn)換子站，它可將電磁式互感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為符合IEC61850規(guī)約的數(shù)字量，再通過(guò)光纖接入智能化的母線(xiàn)保護(hù)裝置。

1.2 兩種互感器的數(shù)據(jù)同步問(wèn)題

電磁式互感器經(jīng)過(guò)保護(hù)子站轉(zhuǎn)換，其最終的輸出同步由保護(hù)子站決定，此時(shí)存在保護(hù)子站與電子式互感器之間的同步問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題，智能化母線(xiàn)保護(hù)裝置需要采用插值算法進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。插值過(guò)程如下：根據(jù)母線(xiàn)保護(hù)的實(shí)際采樣數(shù)據(jù)，確定延時(shí)參數(shù)并進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償，計(jì)算出與基準(zhǔn)時(shí)間為同一時(shí)刻的采樣值，從而消除兩種互感器的數(shù)據(jù)幅值差與相角差，實(shí)現(xiàn)同步采樣。

1.3 兩種互感器接入對(duì)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(shí)產(chǎn)生的不平衡電流。母線(xiàn)外部短路時(shí)，流過(guò)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(diǎn)位于電磁式互感器所在支路，則該電磁式互感器可能會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，要求母線(xiàn)保護(hù)具有抗互感器暫態(tài)飽和的能力[4-5]。

2 仿真分析

2.1 仿真模型說(shuō)明

本研究仿真模擬一座220 kV變電站的110 kV母線(xiàn)保護(hù)。仿真主要研究母線(xiàn)保護(hù)對(duì)不同原理電流互感器混用的適應(yīng)性，分析大差電流特性，不考慮小差計(jì)算。模型中各元件參數(shù)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(shí)間常數(shù)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(shù)學(xué)模型為：

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

電磁式互感器參數(shù)如下：變比為1200/1，保護(hù)用CT的參數(shù)為5P20，[Sn]=30 VA，二次繞組電阻[RCT]=9.5 Ω，所帶的實(shí)際二次負(fù)荷電阻[Rb]為8Ω。

計(jì)算考慮最大運(yùn)行方式，時(shí)間常數(shù)為0.02s。

2.2 仿真邏輯說(shuō)明

2.2.1 仿真條件設(shè)定。本文采用的保護(hù)判據(jù)為常規(guī)比率制動(dòng)判據(jù)，即

對(duì)于本次仿真，比率制動(dòng)系數(shù)[K]=0.7。差流起動(dòng)值[Iop0=0.5In]，即0.5 A。Id為差動(dòng)電流，Iop0為啟動(dòng)電流，K為比率制動(dòng)系數(shù)，Ires為制動(dòng)電流，In為額定電流。

設(shè)三相故障發(fā)生時(shí)刻為故障支路的A相電壓過(guò)零時(shí)，[cosθ≈-1]，此時(shí)非周期分量含量最大，A相短路電流出現(xiàn)負(fù)序偏移。設(shè)采樣頻率[fs]=1 200 Hz;短路發(fā)生時(shí)刻為0.5 s，短路持續(xù)時(shí)間為0.1 s，仿真時(shí)長(zhǎng)為1 s。

2.2.2 仿真方案。各支路均采用電磁式互感器，區(qū)外故障時(shí)，比較故障支路互感器在不同飽和程度時(shí)對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響;各支路均采用電子式互感器，區(qū)外故障時(shí)，比較其傳變特性及對(duì)母線(xiàn)保護(hù)的影響;不同類(lèi)型的電流互感器混用時(shí)，比較其對(duì)母線(xiàn)保護(hù)的影響。

2.3 電磁式互感器與電子式互感器混搭區(qū)外故障數(shù)字仿真

區(qū)外故障時(shí)，按兩種模式進(jìn)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(qū)外三相短路時(shí)，母線(xiàn)保護(hù)的差動(dòng)電流、制動(dòng)電流如圖1所示。

如圖1所示，區(qū)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(shí)的差流值，說(shuō)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(shí)依靠比率制動(dòng)特性的母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。

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(qū)外三相短路的差動(dòng)電流、制動(dòng)電流如圖2所示。

如圖2所示，此種情況下區(qū)外故障時(shí)產(chǎn)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(shí)的差流，與第一種情況類(lèi)似，說(shuō)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(shí)的差流，說(shuō)明用電子式互感器取代已處于飽和狀態(tài)的電磁式互感器時(shí)，區(qū)外故障時(shí)的差流會(huì)減小。這種情況下，比率制動(dòng)特性的母線(xiàn)保護(hù)能夠保證區(qū)外故障時(shí)不誤動(dòng)。

2.4 改變互感器參數(shù)的仿真分析

為模擬實(shí)際中可能出現(xiàn)的電磁式互感器容量與準(zhǔn)確限值系數(shù)較小、實(shí)際二次負(fù)載較大的情況，設(shè)定互感器容量為15 VA，互感器二次負(fù)荷為10 Ω，準(zhǔn)確限值系數(shù)為20，其他參數(shù)如上。下面選取最嚴(yán)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(jìn)行仿真。改變參數(shù)后的差動(dòng)電流與制動(dòng)電流如圖3所示。

如圖3所示，此時(shí)的最大差流為7.9 A，說(shuō)明電磁式互感器容量減小，二次負(fù)荷增大，使區(qū)外故障的差流增大。這是因?yàn)榛ジ衅饕蝾~定容量的減小，二次負(fù)荷增大，飽和程度更加嚴(yán)重。電磁式互感器容量降低與二次負(fù)荷增大時(shí)，僅依靠比率制動(dòng)特性不能防止區(qū)外故障時(shí)保護(hù)誤動(dòng)，此時(shí)就需要采取其他措施來(lái)防止保護(hù)誤動(dòng)。

不同種類(lèi)互感器混用的仿真結(jié)果表明，母線(xiàn)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(xiàn)保護(hù)的抗互感器飽和措施相配合，可以防止外部故障差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。條件為電磁式互感器具有較高的準(zhǔn)確限值系數(shù)，如不符合此條件，則應(yīng)根據(jù)電磁式互感器的校驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算，以確定該互感器能否用于混搭。

3 結(jié)論

電磁式互感器與電子式互感器混合應(yīng)用于母線(xiàn)保護(hù)，能在最嚴(yán)重的外部故障情況下保證差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng)。影響電磁式互感器飽和程度的因素有多個(gè)，人們應(yīng)根據(jù)實(shí)際參數(shù)對(duì)電磁式互感器進(jìn)行性能校驗(yàn)，再?zèng)Q定該類(lèi)互感器能否與電子式互感器混搭用于差動(dòng)保護(hù)。電磁式互感器容量降低與二次負(fù)荷增大時(shí)，僅靠比率制動(dòng)特性不能保證區(qū)外故障差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng)，此時(shí)必須依靠母線(xiàn)保護(hù)的其他抗互感器飽和措施來(lái)防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

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