故障時(shí)母線差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)判別方案

故障時(shí)母線差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)判別方案

0差動(dòng)保護(hù)的不足及對(duì)策由于動(dòng)作速度快、抗電流平衡（ta）的良好性能，采樣值差的動(dòng)態(tài)保護(hù)可以廣泛應(yīng)用于高壓電網(wǎng)的再壓保護(hù)中。在正常情況下,TA鐵芯工作在低磁密的條件下,勵(lì)磁阻抗很大,互感器能真實(shí)傳變一次電流。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí),由于互感器受剩磁和一次故障電流的非周期分量的影響,互感器可能會(huì)進(jìn)入暫態(tài)飽和狀態(tài)。二次電流的波形可能出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變,因此會(huì)造成保護(hù)不正確動(dòng)作,特別是區(qū)外故障時(shí)的誤動(dòng)?？梢?jiàn),差動(dòng)保護(hù)能正確動(dòng)作有2個(gè)關(guān)鍵:區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別以及區(qū)外故障轉(zhuǎn)為區(qū)內(nèi)故障時(shí)解除區(qū)外故障的閉鎖,特別是后者。區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障是差動(dòng)保護(hù)的第2次動(dòng)作判別,由于區(qū)外故障TA飽和與區(qū)內(nèi)故障在模擬量特征上均表現(xiàn)為有差流,如果判據(jù)不夠準(zhǔn)確很容易將區(qū)外故障TA飽和判為區(qū)內(nèi)故障進(jìn)而開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)的再動(dòng)作判據(jù)。目前,差動(dòng)保護(hù)還有以下方面需要進(jìn)一步研究。1)盡快判定故障的起始時(shí)刻,為準(zhǔn)確判別出區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障提供有效時(shí)間。2)在區(qū)外故障的過(guò)程中又轉(zhuǎn)換為區(qū)內(nèi)故障時(shí),需要解除對(duì)差動(dòng)保護(hù)的閉鎖。3)區(qū)外故障發(fā)展為區(qū)內(nèi)故障且在區(qū)外故障階段TA已經(jīng)飽和,保護(hù)先判為T(mén)A飽和并閉鎖差動(dòng)保護(hù),區(qū)外故障切除后如何解除TA飽和對(duì)差動(dòng)保護(hù)的閉鎖。4)區(qū)外故障非故障相TA飽和引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。本文針對(duì)母線差動(dòng)保護(hù),分別從區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別和區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障再動(dòng)作2個(gè)方面論述了一種可用于采樣值差動(dòng)保護(hù)的判別原理。提出了基于三點(diǎn)算法的區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別方案。通過(guò)選取合適的判據(jù)和門(mén)檻,區(qū)內(nèi)、內(nèi)外故障判別中可以很好地解決TA飽和的識(shí)別問(wèn)題。對(duì)于再動(dòng)作判別,提出了基于差流采樣值計(jì)數(shù)原理的差動(dòng)保護(hù)區(qū)外故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障的再動(dòng)作判據(jù)。為應(yīng)對(duì)故障時(shí)的非周期分量對(duì)再動(dòng)作判據(jù)的影響,論文還提出了基于差分算法的再動(dòng)作方案。1區(qū)域內(nèi)的外缺陷評(píng)估1.1制動(dòng)電流突變母線差動(dòng)保護(hù)中,制動(dòng)電流為母線上各連接支路電流的標(biāo)量和。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),母線上各有源支路電流會(huì)快速增加,制動(dòng)電流急劇增大,保護(hù)利用制動(dòng)電流突變來(lái)判別系統(tǒng)是否發(fā)生了故障,判據(jù)如下:式中:Iri為當(dāng)前采樣點(diǎn)的制動(dòng)電流;Ir(i-nT)為n個(gè)周期(1個(gè)周期的時(shí)長(zhǎng)為T(mén))前的制動(dòng)電流;kTB為突變系數(shù),為防止振蕩中頻繁啟動(dòng),kTB的取值應(yīng)大于1;Imk為突變門(mén)檻值,用于防采樣漂動(dòng)及誤差。若式(1)滿足后,則認(rèn)為系統(tǒng)中發(fā)生了故障,此時(shí)需要瞬時(shí)投入該采樣點(diǎn)的區(qū)內(nèi)外故障判別判據(jù)。1.2差動(dòng)元件區(qū)內(nèi)外故障判別母線故障時(shí),系統(tǒng)提供的故障電流分散在各有源支路中,通過(guò)各有源支路流向故障點(diǎn)。所以,除母聯(lián)支路外其他支路一般不會(huì)飽和。區(qū)內(nèi)故障時(shí)差動(dòng)電流滿足以下3個(gè)特征。1)差動(dòng)電流與制動(dòng)電流同時(shí)增大。因此,大差和小差元件均可用以下公式進(jìn)行區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別:式中:Idi為差動(dòng)電流采樣值;Id(i-2T)為2周期前差動(dòng)電流采樣值;Imk1為差流穩(wěn)態(tài)量門(mén)檻值;Imk2為差流變化量門(mén)檻值;kZD為制動(dòng)系數(shù)。式(2)、式(3)動(dòng)作門(mén)檻值的選取與常規(guī)差動(dòng)保護(hù)方案相同,為保證足夠的靈敏度,可以適當(dāng)降低穩(wěn)態(tài)量門(mén)檻值。式(4)表示差流變化量大于固定門(mén)檻值:一般情況下在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)差流會(huì)急速升高,該判據(jù)用于識(shí)別故障電流的急速升高。為保證區(qū)內(nèi)故障時(shí)第1個(gè)采樣點(diǎn)即能判別出區(qū)內(nèi)故障特征,Imk2不能超過(guò)正弦曲線上第1個(gè)采樣點(diǎn)的幅值。按每周期24點(diǎn)采樣計(jì)算,其幅值為Imsin15°=0.258Im。因此,Imk2可取為0.2Im。某采樣點(diǎn)同時(shí)滿足式(2)至式(4)時(shí),標(biāo)識(shí)其為區(qū)內(nèi)故障采樣點(diǎn),否則標(biāo)識(shí)為區(qū)外故障采樣點(diǎn),這里的區(qū)內(nèi)外故障采樣點(diǎn)標(biāo)識(shí)并非差動(dòng)保護(hù)最終使用的區(qū)內(nèi)外故障標(biāo)識(shí),差動(dòng)元件所用區(qū)內(nèi)外故障判別為三點(diǎn)算法,這里僅為其中1個(gè)采樣點(diǎn)的區(qū)內(nèi)外判別。采樣點(diǎn)的區(qū)內(nèi)外故障判別流程如圖1所示。1.3區(qū)外故障判別考慮到裝置采樣的精度、采樣延時(shí)的不一致性、采樣數(shù)據(jù)的有效性,可能會(huì)存在誤判區(qū)內(nèi)外故障的情況,所以不能僅憑1個(gè)采樣點(diǎn)即判別系統(tǒng)發(fā)生區(qū)外故障還是區(qū)內(nèi)故障。為保證區(qū)內(nèi)外故障判別的準(zhǔn)確性,保護(hù)對(duì)連續(xù)3個(gè)采樣點(diǎn)區(qū)內(nèi)外故障判別的結(jié)果進(jìn)行三取二抽樣,抽樣的結(jié)果作為差動(dòng)保護(hù)使用的區(qū)內(nèi)外故障標(biāo)志。抽樣判別方法為:若連續(xù)3個(gè)點(diǎn)中有2個(gè)采樣點(diǎn)判為區(qū)內(nèi),則認(rèn)為故障類型為區(qū)內(nèi)故障,差動(dòng)元件置區(qū)內(nèi)故障標(biāo)志,否則認(rèn)為是區(qū)外故障,差動(dòng)元件置區(qū)外故障標(biāo)志,閉鎖差動(dòng)保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)用區(qū)內(nèi)外故障特征判別流程如圖2所示。1.4ta飽和的識(shí)別特征區(qū)外故障時(shí),故障支路TA容易飽和,此飽和支路電流的非正常傳變使保護(hù)產(chǎn)生差流。但是在故障初期都會(huì)存在一個(gè)正常傳變區(qū)即線性區(qū),線性區(qū)內(nèi)差動(dòng)電流的變化明顯晚于制動(dòng)電流的變化,這個(gè)差動(dòng)電流變化的延時(shí)是區(qū)外故障TA飽和的重要特征,如圖3所示。從圖3可見(jiàn),故障初期短暫的線性傳變區(qū)的存在,使得保護(hù)差動(dòng)電流明顯晚于制動(dòng)電流出現(xiàn),在此時(shí)段內(nèi)的采樣值,均不可能滿足式(2)、式(3),單個(gè)采樣點(diǎn)會(huì)判為區(qū)外故障。根據(jù)三取二的原則,若能在3個(gè)采樣點(diǎn)中有2個(gè)判為區(qū)外故障,則可以將差動(dòng)元件置區(qū)外故障標(biāo)志,實(shí)現(xiàn)對(duì)差動(dòng)元件的閉鎖,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)區(qū)外故障有支路TA飽和時(shí)差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng)。對(duì)于三點(diǎn)算法,保護(hù)能夠準(zhǔn)確識(shí)別出區(qū)外故障TA飽和所需要的采樣點(diǎn)數(shù)最少為2個(gè),最多為3個(gè)。當(dāng)為24點(diǎn)采樣時(shí),3個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)間窗長(zhǎng)度為2.5ms。因此,抗TA飽和所需線性區(qū)的長(zhǎng)度應(yīng)不小于2.5ms,也可以說(shuō)保護(hù)的抗TA飽和指標(biāo)為2.5ms。2差流再動(dòng)作預(yù)防若保護(hù)在啟動(dòng)后判定為區(qū)外故障,在區(qū)外故障的過(guò)程中還需要實(shí)時(shí)判別是否已經(jīng)發(fā)展或轉(zhuǎn)換為區(qū)內(nèi)故障。保護(hù)可以利用差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的關(guān)系進(jìn)行判別,如果已經(jīng)符合區(qū)內(nèi)故障特征,則解除區(qū)外故障標(biāo)志對(duì)差動(dòng)元件的閉鎖,開(kāi)放差動(dòng)保護(hù),該判別過(guò)程稱為再動(dòng)作。本文針對(duì)差流采樣值提出2種再動(dòng)作方案:差流再動(dòng)作方案和差分差流再動(dòng)作方案。2種再動(dòng)作方案的采樣率均為每周期24點(diǎn),從判為區(qū)外故障的第1個(gè)采樣點(diǎn)開(kāi)始投入再動(dòng)作判別。2.1差流采樣再動(dòng)作系數(shù)的確定在區(qū)外故障TA飽和時(shí),若差流采樣值接近于0的動(dòng)作點(diǎn)數(shù)少于所定義的目標(biāo)點(diǎn)數(shù),則認(rèn)為區(qū)外故障已經(jīng)消失或飽和已經(jīng)消失,在這里將這個(gè)接近于0的模擬值定義為啟動(dòng)計(jì)數(shù)門(mén)檻值。依差流數(shù)據(jù)計(jì)算的再動(dòng)作條件,基于差動(dòng)電流曲線(差流采樣值)進(jìn)行判別。在區(qū)外故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障時(shí),差流會(huì)增大,假若此時(shí)區(qū)外故障消除,以區(qū)內(nèi)金屬性故障且TA未飽和的差流曲線圖(圖4)為例說(shuō)明,故障發(fā)生時(shí)刻為圖中采樣點(diǎn)1。在抽樣周期內(nèi),計(jì)數(shù)采樣值大于動(dòng)作門(mén)檻值的計(jì)數(shù)值多于整定的動(dòng)作點(diǎn)數(shù)時(shí)則認(rèn)為滿足再動(dòng)作判據(jù);反之繼續(xù)閉鎖。為靈活適應(yīng)于TA暫態(tài)特性過(guò)程,啟動(dòng)計(jì)數(shù)門(mén)檻值與1個(gè)采樣周期內(nèi)采樣點(diǎn)的最大值相關(guān)聯(lián)。圖4縱坐標(biāo)為差流采樣值Id(標(biāo)幺值),保護(hù)采樣頻率為24點(diǎn)/周期。設(shè)定Idi為第i點(diǎn)差流采樣值(i=1,2,…,N),Idmax為最大采樣值,有式中:k1為低再動(dòng)作系數(shù);k1Idmax為啟動(dòng)計(jì)數(shù)門(mén)檻值。當(dāng)1個(gè)采樣周期內(nèi)滿足式(6)的計(jì)數(shù)值大于設(shè)定的啟動(dòng)點(diǎn)數(shù)時(shí)即可認(rèn)為滿足再動(dòng)作條件。為力求準(zhǔn)確無(wú)誤地?cái)M合區(qū)內(nèi)故障時(shí)的正弦波形,且考慮到防止因非周期分量引起再動(dòng)作方案誤動(dòng)作,再動(dòng)作方案采用高、低再動(dòng)作系數(shù)配合使用的方式,引入下式:式中:k2為高再動(dòng)作系數(shù),k2>k1。采樣周期內(nèi)動(dòng)作點(diǎn)數(shù)也相應(yīng)低于式(6)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作點(diǎn)數(shù)。高、低再動(dòng)作系數(shù)配合是指同時(shí)滿足式(6)和式(7)才認(rèn)為滿足再動(dòng)作條件,開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)。這里以k1為例簡(jiǎn)要推導(dǎo)再動(dòng)作系數(shù)的取值原則。由于過(guò)零點(diǎn)附近的采樣點(diǎn)采樣值較小,受計(jì)算誤差和采樣誤差的影響較大,所以首先考慮把過(guò)零點(diǎn)附近的采樣點(diǎn)去除掉,其余的采樣點(diǎn)用于再動(dòng)作判別計(jì)數(shù)。過(guò)零點(diǎn)附近共有6個(gè)采樣點(diǎn)分別為1,12,13,14,24,這樣就可以定義差流再動(dòng)作的點(diǎn)數(shù)為19點(diǎn)。由于采樣延時(shí)、誤差等因素的影響,采樣點(diǎn)不會(huì)嚴(yán)格按照?qǐng)D4所示采樣點(diǎn)的位置分布。2個(gè)采樣點(diǎn)的角差為15°,根據(jù)正態(tài)分布原理,可近似認(rèn)為在2個(gè)采樣點(diǎn)之間平均值處即7.5°作為采樣誤差的最大值,并把7.5°對(duì)應(yīng)的幅值作為計(jì)算再動(dòng)作系數(shù)的下限。從圖4中可以看出,只要采樣延時(shí)或誤差稍微存在,按照上面的定義,過(guò)零點(diǎn)附近的點(diǎn)可能就多于5個(gè),所以為防止最嚴(yán)酷的5個(gè)點(diǎn)的情況下的再動(dòng)作判別失效,再動(dòng)作系數(shù)應(yīng)稍微小于采樣點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的采樣值(標(biāo)幺值情況下為sin15°)。綜上,不滿足再動(dòng)作判據(jù)的門(mén)檻值要滿足以下條件:sin7.5°<k1<sin15°,即0.13<k1<0.258。2.2差分再動(dòng)作方案系統(tǒng)故障時(shí)若二次系統(tǒng)中存在非周期分量,則會(huì)對(duì)差流再動(dòng)作判據(jù)造成較大的影響,非周期分量較大時(shí)可能會(huì)造成差流再動(dòng)作判據(jù)拒動(dòng),為應(yīng)對(duì)這種情況,這里提出差分差流再動(dòng)作判據(jù)。差分再動(dòng)作采用將差流原始曲線經(jīng)過(guò)差分計(jì)算處理后得到的曲線,通過(guò)差分計(jì)算可以將非周期分量濾除。與差流再動(dòng)作判據(jù)相同,差分方案也是基于采樣點(diǎn)判別,將圖4的差流曲線差分處理得到圖5,即為差分再動(dòng)作方案所用的電流曲線。圖5縱坐標(biāo)為差分差流采樣值(標(biāo)幺值),采樣頻率為24點(diǎn)/周期。設(shè)Idi和Id(i-1)為相鄰的2點(diǎn)原始差流采樣值,ΔIdk為差流采樣值差分后的數(shù)值:求出變化量的最大值ΔIdmax作為判別用的啟動(dòng)計(jì)數(shù)門(mén)檻值:求出ΔIdmax之后,滿足式(10)的采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)為動(dòng)作點(diǎn)數(shù):kCF為差分再動(dòng)作系數(shù)。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)差動(dòng)電流曲線為:式中:Δθ為采樣間隔之間的角度差?？芍?差分再動(dòng)作系數(shù)可取值為2sin7.5°=0.261。差分再動(dòng)作同樣需要去除過(guò)零點(diǎn)附近那些對(duì)判別影響較大的采樣點(diǎn)。如圖5所示,考慮最嚴(yán)酷情況下,差分曲線一周期內(nèi)有4個(gè)過(guò)零點(diǎn)(6,7,18,19),因此差分再動(dòng)作的動(dòng)作點(diǎn)數(shù)一般取為20。由于TA飽和時(shí),差動(dòng)電流曲線與正弦波有較大差別,每個(gè)過(guò)零點(diǎn)附近前后均有較多采樣點(diǎn)偏離正常的正弦曲線軌跡,無(wú)論是差流再動(dòng)作方案或者是差分再動(dòng)作方案均不會(huì)誤開(kāi)放。因此,差流再動(dòng)作判據(jù)和差分再動(dòng)作判據(jù)均不會(huì)因TA飽和而誤判為滿足再動(dòng)作條件。與其他TA飽和的再動(dòng)作方案相比,上述2種方案開(kāi)放速度快,滿窗即能動(dòng)作,且基于差分原理的再動(dòng)作判據(jù)具有明顯的抗暫態(tài)特性功能。2.3高制動(dòng)特性的再動(dòng)作判據(jù)線路上發(fā)生故障時(shí),母聯(lián)TA可能會(huì)因較大的短路電流流過(guò)而發(fā)生TA飽和。若此時(shí)線路故障轉(zhuǎn)換到母線故障,母聯(lián)TA飽和依然存在,差動(dòng)元件的再動(dòng)作判據(jù)可能會(huì)因母聯(lián)TA飽和而無(wú)法動(dòng)作。在區(qū)內(nèi)故障母聯(lián)TA飽和時(shí),若不考慮算法和采樣誤差,差動(dòng)電流等于制動(dòng)電流。據(jù)此可設(shè)計(jì)高制動(dòng)特性的再動(dòng)作判據(jù),判據(jù)根據(jù)采樣周期內(nèi)采樣點(diǎn)的制動(dòng)電流與差動(dòng)電流幅值關(guān)系判別。式(14)為飽和開(kāi)放的主體判據(jù)(制動(dòng)關(guān)系滿足,且制動(dòng)系數(shù)近似為1),式(15)將過(guò)零點(diǎn)附近的采樣點(diǎn)忽略:式中:Id為差動(dòng)電流;Ir為制動(dòng)電流;k為高制動(dòng)特性再動(dòng)作系數(shù),Imk為過(guò)零點(diǎn)門(mén)檻值,一般取0.1Im。區(qū)內(nèi)故障母聯(lián)TA飽和,理論上1個(gè)周期內(nèi)所有的采樣點(diǎn)滿足式(14)或式(15)。考慮設(shè)計(jì)裕度可將動(dòng)作點(diǎn)數(shù)定義為22,1個(gè)周期內(nèi)滿足動(dòng)作點(diǎn)數(shù)時(shí)即為滿足區(qū)內(nèi)故障TA飽和再動(dòng)作條件,開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)。2.4非故障相確定在區(qū)外單相接地故障時(shí),故障線故障相TA二次的中性線上會(huì)有1/2的負(fù)載電壓降,此電壓降與故障相二次電流的瞬時(shí)值成正比,并作為電源作用于非故障相TA的二次端子。若非故障相在線性段工作,勵(lì)磁阻抗很大,將無(wú)任何電流倒流入非故障相TA二次側(cè);若非故障相因TA剩磁而處于接近飽和段傳送負(fù)荷電流,則會(huì)在非故障相二次回路出現(xiàn)類似故障的毛刺或者異常尖波電流。上述再動(dòng)作方案是針對(duì)故障相與非故障相同時(shí)進(jìn)行區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別,當(dāng)非故障相各TA飽和情況不一致時(shí),基于采樣值算法的區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別很有可能出錯(cuò),使非故障相誤判為區(qū)內(nèi)故障。例如,附錄A圖A1所示為一線路兩側(cè)TA的三相電流波形,某次線路發(fā)生A相區(qū)內(nèi)故障,一側(cè)TA因二次回路負(fù)載壓降引起了非故障相產(chǎn)生電流,B相、C相上出現(xiàn)異常尖波,即非故障電流出現(xiàn)類似飽和的異常尖波。C相差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的關(guān)系滿足差動(dòng)動(dòng)作條件,非故障相誤動(dòng)作。若母線保護(hù)也取用了非故障相發(fā)生飽和的TA,則母線保護(hù)也極有可能引起誤動(dòng)作。這里提出基于故障相差流和最大相制動(dòng)電流的制動(dòng)特性作為防誤措施,且該制動(dòng)特性應(yīng)與最小運(yùn)行方式下的差動(dòng)制動(dòng)特性相配合?？紤]母線分列運(yùn)行方式下差動(dòng)保護(hù)有足夠的靈敏度,差動(dòng)最小制動(dòng)系數(shù)習(xí)慣上取為0.3,最大相制動(dòng)的制動(dòng)系數(shù)也可取為0.3。根據(jù)式(16)求出最大相制動(dòng)電流,三相差動(dòng)方程均經(jīng)該最大相制動(dòng)電流的制動(dòng)關(guān)系把關(guān)。式中:IrA,IrB,IrC為三相制動(dòng)電流。制動(dòng)電流為所有支路電流的標(biāo)量和,宜使用半周期積分算法。以B相為例,其計(jì)算表達(dá)式為:將三相差動(dòng)電流分別與最大相制動(dòng)電流相比較,以B相為例:式中:Icd.B為B相差動(dòng)電流。在分相的差動(dòng)元件動(dòng)作出口之前按相增加式(18)的最大相制動(dòng)把關(guān),如不滿足把關(guān)條件,則閉鎖該相差動(dòng)