電流互感器c飽和時(shí)母線保護(hù)的安全運(yùn)行

電流互感器c飽和時(shí)母線保護(hù)的安全運(yùn)行

1抗ct飽和方法現(xiàn)有的微型線條保護(hù)廣泛應(yīng)用于短暫電流差動(dòng)的保護(hù)中。根據(jù)ct二次電流的瞬時(shí)值差動(dòng)原理，可以快速保護(hù)母性。然而,影響現(xiàn)有微機(jī)型母線保護(hù)動(dòng)作正確性的最大問題是CT暫態(tài)飽和問題。當(dāng)母線發(fā)生外部故障特別是母線近端發(fā)生外部故障時(shí),不但故障電流很大,而且還伴隨著較大的直流分量,故障支路CT有可能進(jìn)入飽和狀態(tài),如果CT飽和,它的二次電流就會(huì)發(fā)生畸變,不能真實(shí)地代表一次電流,差動(dòng)保護(hù)將出現(xiàn)較大的差流,差動(dòng)保護(hù)判據(jù)將反映為內(nèi)部故障,使母線保護(hù)誤動(dòng)。這種情況對各種類型的母線保護(hù)正確動(dòng)作都有影響。因此,抗CT飽和方案關(guān)系到母線保護(hù)的可靠性。文獻(xiàn)提出通過計(jì)算支路的諧波含量確定母線保護(hù)中CT的飽和,這種方法雖然能夠準(zhǔn)確的判別出CT是否發(fā)生飽和,但需要計(jì)算每條支路電流的諧波含量,計(jì)算量很大,適用于分布式微機(jī)母線保護(hù)。而現(xiàn)有的微機(jī)母線保護(hù)多為集中式微機(jī)母線保護(hù),實(shí)現(xiàn)分布式微機(jī)母線保護(hù)仍有一定的困難。本文利用差流中的諧波波形特點(diǎn)判斷CT是否發(fā)生飽和,減少了計(jì)算量,適用于集中式微機(jī)母線保護(hù)。2ct飽和過程和電流特性2.1次電流的創(chuàng)造CT的簡化等效電路如圖1.1。其中Zm為勵(lì)磁阻抗Zm、R2為二次電阻和電感。在正常情況下,CT的鐵芯工作在低磁密的條件下,L2很大,流入勵(lì)磁回路的勵(lì)磁電流很小,二次電流能夠真實(shí)傳變一次電流。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),由于短路電流往往含有一定幅值的非周期分量而使CT鐵芯的磁密很快達(dá)到飽和值,此時(shí),Zm值降低,流入勵(lì)磁回路的勵(lì)磁電流將增大,二次電流的波形可能出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變現(xiàn)象。特別地,當(dāng)CT嚴(yán)重飽和時(shí),Zm的值變得很低,一次電流大部分流入勵(lì)磁回路。二次電流變得很小,此時(shí)差動(dòng)回路將產(chǎn)生很大的不平衡電流,這是導(dǎo)致母線保護(hù)誤動(dòng)的根本原因。2.2ct飽和過程圖2、圖3是模擬暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)飽和條件下CT的一、二次電流波形(橫軸為時(shí)間,縱軸為電流放大倍數(shù))。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)CT飽和波形具有以下主要特征:1)短路發(fā)生后,CT不會(huì)立即進(jìn)入飽和。從大量的仿真數(shù)據(jù)看來,在發(fā)生飽和的初始階段至少3ms內(nèi)CT不會(huì)飽和。2)CT二次電流的負(fù)向過零點(diǎn)提前,嚴(yán)重飽和時(shí)可能提前達(dá)90度;但正向過零點(diǎn)偏差不大,且在此過零點(diǎn)附近CT有一段線性傳變區(qū)。3)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)生較大的畸變,二次電流波形出現(xiàn)缺損,幅值降低。如圖1.2所示。4)一次電流中含有較大的周期分量,造成鐵心在正、負(fù)半波均進(jìn)入飽和,二次電流正、負(fù)半波均畸變,正、負(fù)半波是對稱的。如圖1.3所示。3濾波器的基本原理作為對首半波比率差動(dòng)保護(hù)的補(bǔ)充,現(xiàn)代微機(jī)母差保護(hù)方案中仍設(shè)置了反應(yīng)穩(wěn)態(tài)量的比率差動(dòng)保護(hù)。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),差流的波形反映的是一次系統(tǒng)的短路電流;而發(fā)生區(qū)外故障伴隨CT飽和時(shí),差流的波形實(shí)際上是飽和CT勵(lì)磁支路的電流波形。通過對CT飽和電流的分析可以知道,暫態(tài)飽和時(shí)的諧波主要成分為二次諧波,而穩(wěn)態(tài)飽和時(shí)諧波的主要成分為三次諧波。由此可以推斷出在CT由暫態(tài)飽和向穩(wěn)態(tài)飽和過渡時(shí),二次、三次諧波會(huì)有一個(gè)彼此相當(dāng)?shù)倪^程,因此單獨(dú)依靠二次或三次諧波來制動(dòng),諧波制動(dòng)量的大小不易整定。既然二次三次諧波制動(dòng)量不易單獨(dú)確定,因此考慮用綜合的諧波制動(dòng)量,即將差流中的非周期分量及基波分量濾掉,余下的所有諧波量作為飽和的特征量。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)陷波器濾除差流中的非周期分量及基波分量,濾波算法益采用數(shù)據(jù)窗較短的算法,以提高判據(jù)的開放速度。首先對差流進(jìn)行差分,濾除直流分量的影響,表達(dá)式為:H1(z)=1-z-2;其次,設(shè)法濾除基波分量。向量法是利用各次諧波采樣點(diǎn)向量之間的相位關(guān)系,進(jìn)行加減運(yùn)算以獲得預(yù)期濾波效果的一種濾波器設(shè)計(jì)方法。用向量法設(shè)計(jì)基波陷波器,可以得到濾波器表達(dá)式為H2(z)=1-z-4-z-8。最后由H1(z)、H2(z)級(jí)聯(lián)構(gòu)成陷波器的表達(dá)式:幅頻特性如圖4:從幅頻特性可以看出,濾波器達(dá)到了濾除非周期分量及基波分量的目的,并且能夠放大反映飽和特性的二次諧波和三次諧波。對圖2、圖3所示電流的差流進(jìn)行濾波計(jì)算,得到諧波分量波形如圖5、圖6所示(實(shí)線為差流波形,虛線為濾出的諧波波形)。從圖5可以看到暫態(tài)飽和時(shí)的諧波不是一直保持不變的,而是隨時(shí)間振蕩變化,并有增大的趨勢。從圖6可以看到在發(fā)生穩(wěn)態(tài)飽和時(shí),諧波的含量相對穩(wěn)定,穩(wěn)態(tài)飽和越嚴(yán)重,差流諧波占基波的比例越小。事實(shí)上,若選擇CT時(shí)使其在最大穩(wěn)態(tài)短路電流下滿足10%誤差曲線,常規(guī)的比率差動(dòng)不可能動(dòng)作。下面對濾波器濾出的諧波進(jìn)行半波積分并采用全波傅氏算法計(jì)算差流中的基波分量幅值其中ki為差分后的采樣值。諧波的半波積分值與基波分量幅值的比值圖7示出了暫態(tài)飽和時(shí)諧波分量半波積分Ixb。從圖中可以發(fā)現(xiàn):由于ixb波形的周期性缺損使其半波積分值Ixb也周期性振蕩,而隨著時(shí)間的推移CT的飽和程度逐漸減輕,反映差流諧波分量的Ixb逐漸增大。圖8示出了穩(wěn)態(tài)飽和時(shí)諧波分量半波積分Ixb。從圖中可以發(fā)現(xiàn):由于穩(wěn)態(tài)飽和時(shí),ixb波形是穩(wěn)定的(如圖6),所以半波積分值Ixb基本保持不變。諧波與基波的比值K1=Ixb/I可以反映差流中諧波含量的相對大小,諧波比隨時(shí)間的變化情況如圖9、圖10所示。可見諧波比Ixb/I與諧波Ixb有類似的變化規(guī)律,在每個(gè)周波內(nèi)存在一個(gè)最大值。通過以上分析,我們便可以初步建立起基于諧波波形特點(diǎn)的判CT飽和方案:當(dāng)每周波內(nèi)時(shí),則鑒別出CT飽和,閉鎖保護(hù)一個(gè)周波;而若K1max>k,則認(rèn)為故障已由母線區(qū)外轉(zhuǎn)為區(qū)內(nèi),開放保護(hù)。判據(jù)中參數(shù)k的選取應(yīng)保證在CT最嚴(yán)重飽和的情況下,判據(jù)不誤開放,在此k可取0.5。該判據(jù)充分利用了CT飽和時(shí)仍存在線性傳變區(qū)的特點(diǎn),利用一周波內(nèi)諧波比的最大值來選取參數(shù)k,這有利于轉(zhuǎn)換性故障時(shí)判據(jù)的迅速開放。此外判據(jù)的開放時(shí)間較短,這也有利于快速切除轉(zhuǎn)換性故障。但是,由于諧波制動(dòng)判據(jù)采用CT飽和時(shí)差流波形中的諧波分量對保護(hù)進(jìn)行制動(dòng),所以發(fā)生轉(zhuǎn)換性故障時(shí),故障電流中的諧波分量對判據(jù)的快速開放仍存在一定的影響。試驗(yàn)表明,某些不利情況下發(fā)生轉(zhuǎn)性故障,判據(jù)可能延時(shí)100多ms才開放,這對于母線保護(hù)顯然是不能滿足要求的,必須對判據(jù)加以改進(jìn)。4短路電流的影響為提高轉(zhuǎn)換性故障時(shí)判據(jù)的開放速度,必須區(qū)分系統(tǒng)短路過程和CT飽和時(shí)差流中諧波分量的不同特點(diǎn)。根據(jù)參考文獻(xiàn)分析可知短路電流的諧波分量都是按指數(shù)規(guī)律衰減或保持一定數(shù)值,因此諧波分量的半波積分值都是單調(diào)遞減或保持不變的。利用諧波分量的這一特點(diǎn),可以找到諧波制動(dòng)的另一個(gè)判據(jù)。以發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路為例進(jìn)行說明:當(dāng)發(fā)電機(jī)端發(fā)生三相短路,發(fā)電機(jī)的d、q軸不對稱時(shí),產(chǎn)生的二次諧波分量不容忽視。我們用PSCAD軟件對機(jī)端三相短路的情況進(jìn)行了仿真,同步發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)如下:額定線電壓3.976kV、額定電流2.3kA、功率因數(shù)0.85以A相短路電流為例,圖11為機(jī)端三相短路時(shí)A相電流波形(實(shí)線)及根據(jù)公式2.1濾出的諧波波形(虛線)諧波半波積分值及諧波半波積分值與基波的比值K1如圖12、圖13所示:從圖11、圖12可以看出,在短路的初始時(shí)刻,短路電流中的諧波含量最大,而隨著時(shí)間的推移,諧波分量逐漸降低,不會(huì)出現(xiàn)大的振蕩,這與暫態(tài)飽和時(shí)是不同的。由圖13可知,諧波占基波的比例大于0.5,由上文所建立的比例判據(jù)將閉鎖差動(dòng)保護(hù),延遲了差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。CT暫態(tài)飽和時(shí),由于每個(gè)周期內(nèi)CT存在線性傳變區(qū),差流的半波積分值周期性振蕩(見圖7)。所以可以用諧波是否振蕩來區(qū)分諧波分量是飽和引起的還是由于系統(tǒng)的暫態(tài)過程引起的,即可以用的大小來反映(其中:Ixbmax每周波內(nèi)諧波半波積分值的最大值;Ixbmin每周波內(nèi)諧波半波積分值的最小值)。短路時(shí)K2的波性如圖14所示,暫態(tài)飽和時(shí)的波形如圖15所示。可見,暫態(tài)飽和時(shí)K2的值遠(yuǎn)大于短路時(shí)K2的值。所以,當(dāng)K2大于某一整定值時(shí)證明是CT飽和,閉鎖母差保護(hù),當(dāng)K2小于某一整定值時(shí)開放母差保護(hù)。需要注意的是當(dāng)發(fā)生穩(wěn)態(tài)飽和時(shí),CT二次側(cè)的電流正負(fù)半波是對稱的,沒有直流分量,所以它的半波積分值是穩(wěn)定的,基本上不振蕩,K2值較小,但是正如上文提到的,若選擇CT時(shí)使其在最大穩(wěn)態(tài)短路電流下滿足10%誤差曲線,常規(guī)的比率差動(dòng)不可能動(dòng)作,即使比率差動(dòng)動(dòng)作,差流中的諧波含量仍然會(huì)很大(如圖10),為了保證可靠性,當(dāng)K1max大于某一定值時(shí)直接閉鎖保護(hù),不對K2進(jìn)行判別。至此我們得到了飽和判別改進(jìn)后的方案,邏輯框圖如圖16所示。5傳統(tǒng)電流諧波濾波器的特性1)分析了引起CT飽和的原因,以及CT飽和電流的特征,提出利用差流中的總諧波作為判別CT飽和的依據(jù);2)設(shè)計(jì)了一個(gè)陷波器,該陷波器不但能夠?yàn)V除