淺議超高壓輸電線路保護(hù)中電流互感器對差動電流保護(hù)的影響及對策

1、大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）模板 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院專 科 生 畢 業(yè) 大 作 業(yè) 題 目：淺議超高壓輸電線路保護(hù)中電流互感器對差動電流保護(hù)的影響及對策學(xué)習(xí)中心： 奧鵬遠(yuǎn)程教育杭州學(xué)習(xí)中心 層 次： 高中起點(diǎn)?？?專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 0809年秋 學(xué) 號： 081324209001 學(xué) 生： 王 文 成 指導(dǎo)教師： 熊 文 強(qiáng) 完成日期： 2010年07月16日 ii淺議超高壓輸電線路保護(hù)中電流互感器對差動電流保護(hù)的影響及對策內(nèi)容摘要超高壓輸電線路在傳送巨大功率的過程中扮演著重要的角色，對整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響極大，因此對超高壓輸電線路的繼電保護(hù)提出了更高的要

2、求。本文將介紹電流互感器數(shù)學(xué)模型，以及在繼電保護(hù)中出現(xiàn)飽和時的原因、特征、影響，最后還介紹了及抗飽和措施。關(guān)鍵詞：超高壓輸電；線路保護(hù)；電流互感器；差動電流目 錄內(nèi)容摘要i引 言11 超高壓線路保護(hù)概述21.1 輸電線路縱聯(lián)保護(hù)21.2 電流差動縱聯(lián)保護(hù)21.3 距離縱聯(lián)保護(hù)32 電流互感器概述43 電流互感器模型53.1 電流互感器等效模型53.2 磁化曲線模擬63.2.1 基本磁化曲線63.2.2 磁滯回環(huán)73.3 ta飽和特征及影響因素73.3.1 ta飽和時的電流特征83.3.2 影響ta飽和的因素94 ta飽和對電流差動保護(hù)的影響及抗飽和措施104.1 ta飽和對電流差動保護(hù)的影響1

3、04.2 抗ta飽和措施104.2.1 比率制動104.2.2 直流閉鎖114.2.3 限制短路電流114.2.4 增大保護(hù)級ta的變比114.2.5 減小電流互感器的二次負(fù)載115 結(jié)語12參考文獻(xiàn)13引 言電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面起著非常重要的作用。繼電保護(hù)的主要作用的是在電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障時將故障元件從電力系統(tǒng)中盡快切除，使故障元件免于遭受更大的破壞并保證電力系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常運(yùn)行。隨著大規(guī)模聯(lián)合電力系統(tǒng)的建立，對系統(tǒng)運(yùn)行安全性和可靠性的要求也在不斷提高。由于現(xiàn)代大電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式復(fù)雜多變，系統(tǒng)的運(yùn)行方式和故障類型越來越

4、復(fù)雜，對繼電保護(hù)的要求也越來越高。隨著輸電線路電壓等級的提高，電流互感器的問題成為繼電保護(hù)重點(diǎn)的研究方向。1 超高壓線路保護(hù)概述超高壓線路保護(hù)有不同的原理，本文主要介紹的是電流差動縱聯(lián)保護(hù)。1.1 輸電線路縱聯(lián)保護(hù)由于輸電線路的特性，只能采用縱聯(lián)保護(hù)原理來保護(hù)輸電線路，以實(shí)現(xiàn)全長范圍內(nèi)故障的無時限切除。輸電線路縱聯(lián)保護(hù)，就是用某種通信通道將輸電線路兩端或者對應(yīng)于多端系統(tǒng)的各端的保護(hù)裝置縱向連接起來，將各端的電氣量傳送到對端，將各端的電氣量進(jìn)行比較，以判斷故障在本線路范圍內(nèi)還是在在線路范圍之外，從而決定是否切斷被保護(hù)線路。理論上，這種縱聯(lián)保護(hù)具有絕對的選擇性。根據(jù)縱聯(lián)保護(hù)所利用通道的不同類型可以

5、為4種，通?？v聯(lián)保護(hù)也按此命名，它們是：（1） 導(dǎo)引線縱聯(lián)保護(hù)；（2） 電力線載波保護(hù)；（3） 微波縱聯(lián)保護(hù)；（4） 光纖縱聯(lián)保護(hù)；導(dǎo)引線保護(hù)現(xiàn)在己經(jīng)被光纖保護(hù)取代。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖保護(hù)最有發(fā)展前途。1.2 電流差動縱聯(lián)保護(hù)電流差動保護(hù)的原理是上個世紀(jì)初提出，迄今為止，已約有將近百年的歷史。由于其原理簡單可靠而被廣泛地用作電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變壓器、母線和大型電動機(jī)等元件的主保護(hù)。電流差動保護(hù)原理在電力線路上的應(yīng)用，最早就是傳統(tǒng)的導(dǎo)引線保護(hù)。它可作為高、中壓電網(wǎng)中的短距離線路的全線速動主保護(hù)。電流差動保護(hù)判據(jù)是一種簡單、可靠和廣泛適用的繼電保護(hù)原理，它是電力系統(tǒng)的主要保護(hù)之一。長期的

6、運(yùn)行考驗(yàn)也證明了它的優(yōu)越性。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，超高壓、遠(yuǎn)距離的輸電線路和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)（如同桿雙回線路、t型分支路、環(huán)網(wǎng)等）的增多，以及電力系統(tǒng)通信技術(shù)的進(jìn)一步迅速發(fā)展，毫無疑義，電流差動保護(hù)將會在高壓、超高壓輸電線路上，得到更為廣泛的應(yīng)用。差動保護(hù)基于基爾霍夫電流定律，比較被保護(hù)設(shè)備各引出線上的電流。規(guī)定電流的正方向?yàn)榱魅氡槐Ｗo(hù)設(shè)備。當(dāng)各引出線之間在電路上相聯(lián)時，被保護(hù)設(shè)備可以看作是電路中的一個節(jié)點(diǎn)。在正常運(yùn)行或者外部故障時有（1-1）式中ij （t）為引出線j上流入被保護(hù)設(shè)備的相電流，該式對各相都成立。在內(nèi)部故障的時候，當(dāng)總短路電流可以在故障點(diǎn)流入地或者其他支路時（1-2）式中if為故障點(diǎn)的總

7、短路電流。令 ，稱iop （t）為差動電流，簡稱差流。也可以用iop的形式，例如圖1-1的兩端系統(tǒng)，差流 圖1-1 簡單兩端系統(tǒng)則差動保護(hù)的基本判據(jù)就是 （1-3）在不考慮ta（電流互感器）誤差時，在正常及外部故障時，差流為零，差動保護(hù)不動作；在內(nèi)部故障時，差流大于零，可靠地動作?？v聯(lián)差動保護(hù)有絕對的選擇性，保護(hù)動作不需要延時。1.3 距離縱聯(lián)保護(hù) 距離保護(hù)是反應(yīng)故障點(diǎn)至保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的距離（阻抗），并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近（阻抗的大?。┒_定動作時間的一種電力系統(tǒng)保護(hù)原理。距離保護(hù)的核心元件是距離繼電器，也叫阻抗繼電器，它根據(jù)端上所加的電壓和電流測量保護(hù)安裝處至短路點(diǎn)的阻抗值，而方向阻抗繼電器不僅

8、能測量阻抗而且還能測量出故障點(diǎn)的方向。因輸電線路阻抗大小即反映1線路的長度，故繼電器的測量阻抗也反映了故障點(diǎn)與保護(hù)安裝處之間的距離。距離縱聯(lián)保護(hù)原理上同距離保護(hù)一致，主要是通信及接線方式上要符合線路保護(hù)的要求。距離縱聯(lián)保護(hù)利用通道傳輸閉鎖或者允許信號，實(shí)現(xiàn)有選擇性快速切除全線故障。距離縱聯(lián)保護(hù)并非采用距離繼電器作為方向判別元件，而是當(dāng)通道或運(yùn)行中通道發(fā)生故障時便是完整的階段式保護(hù)，換而言之，距離縱聯(lián)保護(hù)是在階段式距離保護(hù)的基礎(chǔ)上增加通信接口和必要的動作邏輯實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)保護(hù)，達(dá)到快速切除故障的目的。2 電流互感器概述為保證電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需要對電力系統(tǒng)及其中各電力設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，以

9、便對其進(jìn)行必要的計量、監(jiān)控和保護(hù)。通常的測量和保護(hù)裝置不能直接接到高電壓，大電流的電力回路上，而需要將高電平的電力參數(shù)按比例變換成低電平的參數(shù)或信號。電流互感器（ta）是電力系統(tǒng)中重要的測量元件，在繼電保護(hù)中更有著舉足輕重的作用。其功能主要是在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程中準(zhǔn)確傳變一次電流，但隨著超高壓系統(tǒng)、大容量機(jī)組的投入使用，一方面使得暫態(tài)時間常數(shù)增大；另一方面，為了保證系統(tǒng)可靠性，又必須提高保護(hù)裝置的速動性，這對ta性能有了更高要求，尤其是ta的飽和問題。由于電流互感器鐵芯的非線性以及磁滯特性，故障情況時，較大的故障電流尤其是含有很大非周期分量，很容易使ta工作在勵磁特性的非線性區(qū)而進(jìn)入嚴(yán)重飽和狀態(tài)，

10、此時大部分一次電流流入勵磁支路，二次電流幾乎為零，造成很大的傳變誤差，極有可能引起保護(hù)誤動或拒動，因此迅速、準(zhǔn)確地檢測出ta飽和顯得極為重要。電流互感器（ta）是將一次回路的大電流成正比地變換為二次小電流。其基本電流圖如圖2-1。圖2-1 電流互感器基本電路3 電流互感器模型3.1 電流互感器等效模型設(shè)電流互感器一次側(cè)故障電流i1已知。且i1和i均已歸算到二次側(cè)。圖3-1 ta等效電路圖（1）求tn時的勵磁電流i（n）：設(shè)時間間隔內(nèi)的勵磁電流變化量為i（n），則在時間tn+1=tn+t時的勵磁電流可近似記作：i（n+1）=i（n）+i （n） （3-1）（2）求t時間內(nèi)勵磁電流的增量i（n），

11、有圖1-1所示電流互感器等值電路可知，電壓與電流的方程式為： （3-2） i2= i1-i （3-3）解上兩方程可得： （3-4）設(shè) ， ，在微機(jī)保護(hù)中，由于二次負(fù)載極小，且多為純電阻，而且支路主抗角一般為=030°， ，所以tct很小，可以認(rèn)為tct0。又llct，于是（3-4）式可以變?yōu)椋篸i即 （3-5）假如時間間隔t取得很小，則 ，于是（3-5）式又可改寫為 （3-6）在時間tn+1，時，上式可寫為： 即 （3-7）所以： （3-8）于是，由上式及式（3-1）、（3-3）可以求得勵磁電流和二次電流，其中 ，l（n）由電流互感器磁化曲線的仿真模型動態(tài)求得。3.2 磁化曲線模擬電

12、流互感器的仿真模型分為基本磁化曲線和磁滯回環(huán)兩部分如圖3-2所示。圖3-2 基本磁化曲線和磁滯回環(huán)3.2.1 基本磁化曲線設(shè)勵磁電流為i，鐵芯磁鏈為。我們知道，電感為磁鏈對勵磁電流的導(dǎo)數(shù)i。先考察函數(shù)反正切函數(shù)y=arctan（）。其導(dǎo)數(shù)為 。顯然y為經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)的奇對稱函數(shù)，并且在+和-時的漸近線分別為 和- 。1時y變化很小，接近于1；1后y隨的增加而迅速增加。由此可以看見反正切函數(shù)的變化形狀與磁化曲線的變化曲線接近，故我們在反正切函數(shù)基礎(chǔ)上來模擬磁化曲線。由于反正切函數(shù)是奇對稱函數(shù)，故只可討論i0的情況。令 （3-9）基本磁化曲線為（3-10）由于1，+兩條曲線在（sat，isat）點(diǎn)相

13、交，故式（3-10）又可表示為顯然l0為i=0點(diǎn)的電感，l為ta完全飽和（i）時的線性電感，此時ta相當(dāng)于沒有鐵芯。（sat，isat）為1和+兩條曲線的交點(diǎn)。、l1為調(diào)整系數(shù)，使得ta飽和點(diǎn)附近的磁化曲線與實(shí)際吻合。要注意ll1l0。參見圖3-2，當(dāng)勵磁電流iisat，時，磁鏈與勵磁電流之間的關(guān)系是采用曲線1來模擬的；當(dāng)iisat，時，磁鏈與勵磁電流之間的關(guān)系是采用直線+。來模擬的。圖3-2中，j+是i+時1的漸近線，顯然同理可知i0時的反向磁鏈，也存在1的漸近線和ta深度飽和時的線性磁鏈線分別為通常，廠家或參考文獻(xiàn)提供的磁化曲線只是勵磁電流比較小的一段，遠(yuǎn)未達(dá)到交點(diǎn)（sat，isat）。故

14、交點(diǎn)（sat，isat）要進(jìn)行假設(shè)，這里假設(shè)： 即 3.2.2 磁滯回環(huán)先討論極限磁滯回環(huán)。圖3-2所示即為ta的極限磁滯回環(huán)，j+為極限磁滯回環(huán)的上升線，j-為下降線。極限磁滯回環(huán)與坐標(biāo)橫軸分別有兩個交點(diǎn)，相應(yīng)的勵磁電流分別為ic和-ic。ic反映了磁滯回環(huán)的胖瘦，稱為ta極限磁滯回環(huán)的寬度電流。ic的大小由鐵芯材料決定。極限磁滯回環(huán)是采用基本磁化曲線分別向右和向左平移ic來模擬的，即 （3-11） （3-12）顯然，m+和m-與基本磁化曲線1具有相同的漸近線。因此它們與ta深度飽和線+和-。均有交點(diǎn)。例如上升線m+與+的交點(diǎn)為b，與基本磁化曲線的處理方法相同，當(dāng)磁鏈經(jīng)過交點(diǎn)后，就沿著+變化

15、。參見圖3-2，假設(shè)勵磁電流i周期性變化，幅值為im，則磁鏈也是周期性變化，其變化軌跡為abcdedfba。3.3 ta飽和特征及影響因素電流互感器在輸電線路發(fā)生故障后很快飽和，于是一次電流全部變?yōu)閯畲烹娏?，二次電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，幾乎為零，由此而產(chǎn)生的差流將造成輸電線路電流差動保護(hù)誤動作。正常情況下，ta鐵芯工作在低磁密條件下，勵磁阻抗很大，流入勵磁回路的電流很小，勵磁電流能夠真實(shí)傳變一次電流。在故障情況下由于故障電流大及故障暫態(tài)電流含有衰減的直流分量，引起ta飽和（穩(wěn)態(tài)飽和及暫態(tài)飽和）。ta暫態(tài)飽和是由故障暫態(tài)電流含有衰減的直流分量造成的，直流分量很大。圖3-3 電流互感器暫態(tài)飽和時的一次，

16、二次電流由圖3-3可見，故障后一次電流的波形位于時間軸上，逐漸下降；二次電流開始1/4周期內(nèi)波形正常，接著發(fā)生嚴(yán)重波形畸變，以后才逐漸增大。這是由于故障時，在短路電流中的直流分量和剩磁的共同作用下，ta鐵芯在短路后很快飽和，于是一次電流全部變?yōu)閯畲烹娏?，二次電流幾乎為零。隨著勵磁電流中直流分量的衰減，二次電流才逐漸增大，ta逐漸退出飽和。在短路后最初的1/4周期內(nèi)，直流分量的持續(xù)時間還沒有使ta達(dá)到飽和，ta誤差很小，能夠正確傳變。3.3.1 ta飽和時的電流特征由以上分析可知，ta飽和時電流有如下特征：（1） 一次電流中含有較大的非周期分量，例如一次電流100%偏移，飽和后二次電流產(chǎn)生較大的

17、畸變，二次電流波形出現(xiàn)缺損，幅值降低。此時二次電流偏向坐標(biāo)軸的一邊，與變壓器勵磁涌流相似。（2） 故障發(fā)生后，ta不會馬上飽和，而是存在一個線性傳變區(qū)，二次側(cè)能正確傳變一次電流。這是因?yàn)榇沛湹脑黾邮请娏髟跁r間上的積分，要使磁鏈達(dá)到飽和點(diǎn)需要一定的時間。這一時間至少要2ms，并且隨故障程度而變短。（3） ta飽和后，二次電流的波形出現(xiàn)缺損，幅值降低。ta嚴(yán)重飽和時，二次電流輸出為零，一次電流全部變?yōu)閯畲烹娏鳌６坞娏鞑ㄐ稳睋p的形狀受二次負(fù)載的影響，二次負(fù)載越接近純阻性，波形的不對稱性就越明顯，當(dāng)二次負(fù)載有電感存在時，二次電流在退出飽和前波形存在“尾巴”現(xiàn)象。（4） 在每個周期內(nèi)由于穩(wěn)態(tài)工頻電流

18、的負(fù)向去磁作用，在ta飽和后，當(dāng)一次電流的瞬時值降為零并反極性時，ta又退出飽和，在一段時間內(nèi)處于線性區(qū)，而這段線性區(qū)的長短與ta飽和的深度有關(guān)。此時，鐵芯中有相當(dāng)大的剩磁。（5） 對主要由一次電流中的非周期分量引起的ta飽和（暫態(tài)飽和），飽和后二次電流產(chǎn)生較大的畸變，二次電流和勵磁電流波形都偏向時間軸的一側(cè)，造成正負(fù)半波的波形不對稱，諧波含量主要是二次諧波。（6） 對主要由一次電流中的周期分量引起的ta飽和（穩(wěn)態(tài)飽和），二次電流波形在正負(fù)半波均發(fā)生畸變。二次電流和勵磁電流波形相對時間軸呈奇對稱，諧波含量主要是三次諧波。（7） 由于存在ta線性傳變區(qū)，因此勵磁電流最大值滯后二次電流最大值一個時

19、間，這個時間和線性傳變區(qū)的時間近似相等。3.3.2 影響ta飽和的因素電流互感器飽和的因素多種多樣，總體說來，引起電流互感器飽和的因素主要有以下幾種：（1） 一次側(cè)暫態(tài)短路電流中非周期分量的大小，與短路電流水平和短路時刻有關(guān)。一次暫態(tài)電流中非周期分量越大，ta飽和也就越嚴(yán)重。（2） 一次側(cè)系統(tǒng)的時間常數(shù)。一次系統(tǒng)時間常數(shù)越大，ta飽和的時間也就越長。（3） 二次側(cè)負(fù)荷的大小與性質(zhì)。ta二次負(fù)載越大，ta就越容易飽和。（4） 電流互感器鐵芯中的剩磁。由于在正常運(yùn)行情況下，電流互感器鐵芯工作在低密條件下，發(fā)生短路后剩磁對電流互感器飽和影響不大，但當(dāng)短路切除后，鐵芯中的磁通將沿著磁滯回線下降到剩磁值

20、，如果剩磁的極性與故障時短路電流所產(chǎn)生的極性相同，鐵芯將更快地趨于飽和。（5） ta鐵心飽和的時間與一次系統(tǒng)時間常數(shù)、ta二次時間常數(shù)以及ta二次負(fù)載有關(guān)。4 ta飽和對電流差動保護(hù)的影響及抗飽和措施4.1 ta飽和對電流差動保護(hù)的影響電流差動保護(hù)原理簡單可靠，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、大型電動機(jī)等元件的主保護(hù)中。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，高壓、超高壓輸電線路越來越多地采用電流差動保護(hù)作為線路的主保護(hù)。所以電流差動保護(hù)的可靠運(yùn)行直接影響到電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。超高壓系統(tǒng)中，電流差動保護(hù)的研究應(yīng)注重以下幾個原則：（1） 外部故障，即使ta完全飽和時應(yīng)可靠不誤動。（2） 內(nèi)部故障快

21、速檢測及跳閘，即使在ta完全飽和時應(yīng)可靠動作。由于ta的飽和不是發(fā)生在故障瞬間，如果保護(hù)在ta飽和之前便完成判別，保護(hù)的正確動作就得到保證，而且對ta的要求相應(yīng)也降低。根據(jù)這個要求，保護(hù)的動作時間在l0ms左右。（3） 自適應(yīng)能力強(qiáng)。當(dāng)線路發(fā)生近端外部故障時，ta可能飽和。當(dāng)ta飽和時，二次電流發(fā)生畸變，嚴(yán)重時可能接近于零，此時差動保護(hù)將出現(xiàn)較大的差流，差動保護(hù)判據(jù)將反映為內(nèi)部故障，差動保護(hù)將誤動。這種情況對線路保護(hù)正確動作都有影響。因此較高的抗ta飽和特性關(guān)系到線路保護(hù)的可靠性。由以上所述可以看出，電流互感器飽和對電流差動保護(hù)的影響確實(shí)是一個不容忽略的問題，但對于超高壓輸電線路來說，因?yàn)槠渚?/p>

22、有不同于中低壓輸電線路的一些特征，所以需要我們進(jìn)一步進(jìn)行研究。4.2 抗ta飽和措施針對電流互感器飽和的問題，一直以來就有很多這方面的研究，并且提出了一些解決電流互感器飽和問題的措施，為了全面考慮起見，本文對防止電流互感器飽和的措施進(jìn)行了總結(jié)，主要包括以下幾個方面：4.2.1 比率制動采用比率制動的初衷是穿越短路電流越大，電流互感器誤差形成的差流也越大，需要相應(yīng)增大制動電流，以防止差動保護(hù)誤動。實(shí)際上由于短路電流非周期分量的影響，即使短路電流值不大，也可能產(chǎn)生嚴(yán)重暫態(tài)飽和而形成很大誤差。差動保護(hù)兩側(cè)即使特性相同，但如果剩磁不同，也可能飽和程度差別很大。極端情況，在外部故障時故障支路電流越大，如該支路互感器嚴(yán)重飽和導(dǎo)致輸出電流很小，則流入差動保護(hù)的動作電流與制動電流相差很小，即要求制動系數(shù)大于1。這當(dāng)然時不可以接受的，因?yàn)檫@樣則內(nèi)部故障也無法動作了。所以，僅靠比率制動是難以保證互感器飽和時保護(hù)不誤動的。4.2.2 直流閉鎖直流制動的根據(jù)時很多情況下差動電流中有明顯的直流分量。我國早期廣泛使用的速飽和變流器即采用這種原理防止差動保護(hù)誤動。但直流制動中同樣存在著一些問題：差流中能否可靠出現(xiàn)直流，如短路電流無非周期分量，差流中可能不出現(xiàn)直流分量。內(nèi)部故障短路電流中的非周期分量可能延遲保護(hù)動作。4.2