智能變電站母線保護TA飽和新判據研究

國網湖北省電力公司電力科學研究院 王作維 張侃君 黎恒烜 國網湖北省電力公司 張 洪 鄂士平

南京南瑞繼保電氣有限公司 丁 杰 程 立

1 引言

隨著傳統機電配電系統向全智能網絡轉變的趨勢日益明顯，全球許多電網公司都在其系統監控和運行中傾向于采用智能電網技術，其中智能變電站由于可以自動對信息進行采集、監測、智能調節等，成為了未來變電站的重要發展方向。但新技術往往帶來新的挑戰，其給運維工作帶來的問題也無法忽略，智能變電站的內部設備較多，設備之間的關聯性較強，變電站的內部某一設備出現問題，會影響整個變電站的穩定運行，而變電站母線作為電力系統中的一個重要元件，關系到整個系統的穩定運行，內部故障時拒動或外部故障時的誤動，都會對電力系統安全造成極大的負面影響，甚至可能造成大規模停電事故[1]。母線保護的原理是基于電流差動原理，而TA 飽和會導致測量所得的差流嚴重失真，進而影響保護的判斷。

電流互感器飽和時，可將其二次電流在一個周期內分為階段飽和期和非飽和期。在非飽和期電流能線性傳變，而飽和期故障二次電流近似為零，因此區外故障時差流有所增加，容易造成母線差動保護誤動。不同時刻發生的飽和程度不同，若為發生在周波內的深度飽和，則會在電流過零點后左右開始飽和，這會對母線差動保護的可靠性帶來極大的影響。若能準確判定出區內外故障是否飽和，為開放或閉鎖差動保護提供準確的判據，則會大大提高差動保護的可靠性。

為了解決TA 飽和所帶來的問題，繼保領域的科研工作者也做了許多研究，如時差法[2]、倒數法[3]和波形識別法[4]等，其中時差法應用最為廣泛，但其受所使用的突變原件影響較大，區外故障發生嚴重TA 飽和時檢測到的時差可能為零，造成保護誤判。導數法 抗干擾能力差，波形識別法往往需要一個周期以上才能識別成功，由以上分析可知，尋找一種識別母線保護TA 飽和的新判據有其重要性。

基于CT 飽和時二次側電流在飽和區畸變，在非飽和區能準確反映一次側電流波形這一特性，本文提出一種檢測TA 飽和的新判據，經仿真驗證，該方法能準確識別TA 飽和，提高了智能變電站母線保護的可靠性。

2 TA 飽和電流特性分析

在母線保護中的TA 等值電路如圖1所示，為一次側電流，為二次側電流，為勵磁電流。一次側電流通過電流互感器傳變為二次側電流，但由于磁感應強度B 與磁場強度H 之間不是線性關系，當鐵芯未飽和時，勵磁阻抗很大，二次側電流可以準確反映出一次側電流，但當鐵芯飽和后，勵磁電流增大，二次側電流受其影響而產生畸變，如圖2。

圖1 TA 等值電路圖

圖2 TA 飽和的一二次電流波形圖

3 基于TA 飽和二次側電流特征的變電站母線保護新判據

3.1 各工況下母線差流分析

以圖3所示的變電站母線模型為例，母線B 分別與各支路電源G1-G4相連，R1-R4分別為各支路TA，l1-l4為各支路輸電線路。

圖3 變電站母線模型

取支路l1電流向量為1，支路l2、l3、l4電流之和為2，規定與母線相連的所有支路電流均以流出母線為正方向，令KA=1+2

由基爾霍夫電流定律可知，線路正常工作或者區外故障時，KA應等于0。發生區外故障導致CT 飽和時，在飽和區，由于發生TA 飽和二次側電流發生畸變，KA不為0，但是在非飽和區時，KA仍為0，所以在每個周期KA都有一段時間為零。而區內故障產生TA飽和時，KA除了在少數-1和2交匯點時出現為零的情況外，其余時刻均不為零。因為區外故障發生CT 飽和時，一個周期內有兩段線性區，而起始線性區一般大于3ms，非線性區小于17ms，所以可以17ms 為輔助判據，如果非線性區大于17ms，則保護動作，小于17ms 判斷為TA 飽和，保護無需動作。

圖4 母線保護判據流程圖

3.2 基于TA 飽和二次側電流特征的變電站母線保護新判據

根據3.1節分析，本文設置如保護判據流程如圖所示，本方法設置一固定門檻值set，當KAset時，保護開始進行17ms 的計時，計時期間如果出現KA

4 仿真驗證

利用MATLAB/Simulink 對本文提出的母線保護TA 新判據進行仿真驗證，仿真模型如圖3，其中EG1=330∠0°，EG2=330∠-25°，EG3=330∠-15°，EG4=330∠-20°，l1=10km，l2=45km，l3=50km，l4=60 km，其中線路阻抗的參數為r1=0.027Ω/km，l1=0.9mH/km，r0=0.195Ω/km，r1=2.21mH/km，整定值set=0.5A。

圖6 區外故障

4.1 正常運行及區外故障

系統正常運行時的電流波形如圖5，|KA|

圖5 正常情況

4.2 區內故障

在圖3母線上分別設置三相接地和A 相接地故障來模擬嚴重和輕微區內故障，故障時刻為0.205s，通過圖7、圖8可以看出，|KA|遠大于整定值，且計時t 也大于17ms，保護正確動作。

4.3 區內故障時發生TA 飽和

設置母線B 在t=0.205s 時發生三相金屬線接地短路，區內故障伴隨TA 飽和時，該線路電流發生了一定畸變，但是整體波形與區內故障接近，|KA|略微減小，如圖9，但仍遠大于整定值，保護依然可以正確動作。

4.4 區外故障時發生TA 飽和

在圖3中l2末端設置A 相金屬接地故障，故障 在0.205s 時 發 生， 如 圖10。|KA|在0.2065s時，即1.5ms 后大于整定值，保護開始計時，一直持續到0.21625s 時低于整定值，持續時間為9.65ms，低于17ms，判斷為TA 發生飽和，保護不動作。

圖7 嚴重區內故障

圖8 輕微區內故障

圖9 區內故障時發生TA 飽和

圖10 區內故障時發生TA 飽和

5 結語

本文提出的基于TA 飽和二次側電流特征的變電站母線保護新判據，利用TA 飽和時二次側電流存在兩個非飽和區這一特征，加入計時t 去規避區外故障發生TA 飽和的情況。經過仿真分析，該方法在各種工況條件下都準確動作，一個周波內即可準確給保護提供判斷，為防TA 飽和對保護的干擾具有一定的意義。