電流互感器暫態(tài)誤差對(duì)發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)影響的對(duì)策

1、第18卷第5期2005年10月常州工學(xué)院學(xué)報(bào)Journal of Changzhou I nstitute of Technol ogyVol.18No.5Oct.2005收稿日期:2005203230電流互感器暫態(tài)誤差對(duì)發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)影響的對(duì)策張忠祿李東俠(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院,江蘇常州213002摘要:討論了電流互感器的暫態(tài)誤差對(duì)縱差保護(hù)的影響,分析了保護(hù)用P級(jí)電流互感器在暫態(tài)過程的技術(shù)性能。指出考慮暫態(tài)特性的TP級(jí)電流互感器雖然可解決縱差保護(hù)誤動(dòng)問題,但其造價(jià)較高,互感器體積大,安裝有困難,特別是大型發(fā)電機(jī)出口封閉母線很難安裝TP級(jí)互感器?，F(xiàn)有P級(jí)電流互感器適當(dāng)提高制動(dòng)系數(shù),

2、盡量減小二次負(fù)荷,提高額定準(zhǔn)確限值系數(shù)等,都是行之有效的措施。關(guān)鍵詞:電流互感器;縱差保護(hù);誤動(dòng);制動(dòng)系數(shù)中圖分類號(hào):T M452文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1671-0436(200505-0040-040引言被保護(hù)元件外部短路時(shí),由于電流互感器飽和所引起的暫態(tài)不平衡電流造成的縱差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作,一直是縱差動(dòng)保護(hù)中的一大技術(shù)難題。在比率制動(dòng)式發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)整定計(jì)算中,通常只考慮在發(fā)電機(jī)外部短路的穩(wěn)態(tài)時(shí),因兩側(cè)電流互感器特性不一致而產(chǎn)生的不平衡電流,并討論如何在這種情況下保證保護(hù)不誤動(dòng)作,而不考慮因制動(dòng)電流的減小是否也會(huì)引起保護(hù)的誤動(dòng)作。事實(shí)上,在外部短路的暫態(tài)過程中,由于短路電流非周期分量使電流互

3、感器的勵(lì)磁電流急劇增加而呈飽和狀態(tài),因而暫態(tài)誤差比穩(wěn)態(tài)誤差大得多,差動(dòng)不平衡電流可能比按乘非周期分量系數(shù)確定的值要大,而作為制動(dòng)量的制動(dòng)電流卻比不飽和時(shí)要小。如不充分考慮由此而帶來的影響,就可能使比率制動(dòng)式發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)在外部短路的暫態(tài)過程中出現(xiàn)誤動(dòng)作。筆者從歷年保護(hù)統(tǒng)計(jì)資料中發(fā)現(xiàn),歸結(jié)為原因不明的誤動(dòng)作次數(shù)占有一定的比例。對(duì)原因不明的誤動(dòng)作,人們往往只注重保護(hù)裝置的檢查,而忽視電流互感器的選擇和正確使用。其實(shí),有些縱差保護(hù)的誤動(dòng)作是由于電流互感器暫態(tài)過程中的誤差造成的。當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)等保護(hù)裝置一般未采取專門減緩電流互感器暫態(tài)飽和影響的措施,而需要在選擇電流互感器時(shí),考慮暫態(tài)飽和

4、的影響,本文即從這個(gè)側(cè)面討論問題。1TP級(jí)和P級(jí)電流互感器12電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)次分測(cè)量級(jí)、穩(wěn)態(tài)保護(hù)(P級(jí)和暫態(tài)保護(hù)(TP級(jí)。差動(dòng)保護(hù)的快速動(dòng)作應(yīng)使發(fā)電機(jī)兩側(cè)電流互感器在變換電流時(shí)的暫態(tài)特性好并盡可能一致,以免出現(xiàn)過大的暫態(tài)不平衡差動(dòng)電流和比按線性計(jì)算值小的制動(dòng)電流,從而避免縱差保護(hù)的誤動(dòng)作,為此,人們采用暫態(tài)保護(hù)(TP級(jí)電流互感器。然而,目前國內(nèi)只生產(chǎn)TPY型、TPZ型暫態(tài)電流互感器,均屬于具有氣隙鐵芯的電流互感器。因其第5期有氣隙,體積大,造價(jià)高。又由于大型發(fā)電機(jī)引出線均采用封閉母線,很難裝設(shè)TP 型電流互感器,所以一般仍選用10P 、5P 型電流互感器。P 級(jí)電流互感器用于繼電保護(hù),并不

5、考慮暫態(tài)誤差,僅考慮穩(wěn)態(tài)誤差。按國際統(tǒng)一定義,在穩(wěn)態(tài)條件下電流互感器的復(fù)合誤差為c =100I 11T T 0(K i i 2-i 12d t (1式中I 1為一次電流的有效值;i 1,i 2分別為一次、二次電流的瞬時(shí)值;K i 為互感器額定電流比;T 為工頻周期。K i i 2-i 1就是互感器勵(lì)磁電流的瞬時(shí)值i 0。若忽略諧波分量,式(1根號(hào)內(nèi)的值就是勵(lì)磁電流的有效值。P 級(jí)電流互感器只保證穩(wěn)態(tài)誤差要求,其額定準(zhǔn)確限值系數(shù)K sscn 為額定準(zhǔn)確限值一次電流I 1與額定一次電流I n 之比,標(biāo)準(zhǔn)值為5、10、15、20、30。例如,5P15表示5P 級(jí)電流互感器在15倍一次額定電流下,其復(fù)

6、合誤差c 5%;10P20表示10P 級(jí)電流互感器在20倍一次額定電流下,其復(fù)合誤差c 10%。P 級(jí)電流互感器的額定二次負(fù)荷S 2n 是指二次繞組在規(guī)定的準(zhǔn)確級(jí)下所承擔(dān)的容量,即S 2n =I 22n Z 2n (V A (2式中I 2n 為互感器額定二次電流;Z 2n 為額定二次負(fù)荷阻抗,通常把Z 2n 作為互感器的額定二次負(fù)荷。2選用P 級(jí)電流互感器防止縱差保護(hù)誤動(dòng)的措施2.1整定計(jì)算時(shí)適當(dāng)提高最大制動(dòng)系數(shù)K res .max圖1比率制動(dòng)特性比率制動(dòng)式發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的制動(dòng)特性曲線如圖1中折線所示AB C,特性曲線中最大動(dòng)作電流I op .max 是按外部短路時(shí)差動(dòng)不平衡電流最大值I un

7、b .max (對(duì)應(yīng)曲線中的KT 保護(hù)不誤動(dòng)條件確定的I unb .max =K ap K cc K er I k .max /K i(3I op .max =K rel I unb .max =K rel K ap K cc K er I k .max /K i(4按制動(dòng)系數(shù)定義K res =I op /I res ,最大制動(dòng)系數(shù)為K res .max =K rel K ap K cc K er(5式(3(5中,K rel 為可靠系數(shù),取1.31.5;K ap 為非周期分量系數(shù),取1.52.0;K cc 為同型系數(shù),發(fā)電機(jī)兩側(cè)T A 同型取0.5;K er 為穩(wěn)態(tài)誤差,10P 級(jí)互感器取0.

8、1;I k .max 為外部短路穿越電流周期分量最大值;K i 為互感器額定電流比。上述整定計(jì)算不能絕對(duì)保證暫態(tài)過程的選擇性,再考慮到暫態(tài)過程中制動(dòng)電流I res 的實(shí)際值有可能比計(jì)算值小,就更有出現(xiàn)誤動(dòng)的可能。如果提高I op .max 到KC ,即增大K res .max ,當(dāng)I res 實(shí)際值減小到O K 1,最大動(dòng)作電流仍有K 1D =KC,這樣出現(xiàn)誤動(dòng)的可能就會(huì)小一些。由于使用P 級(jí)電流互感器的暫態(tài)誤差是無法估計(jì)的,只能根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增大最大制動(dòng)系數(shù)K res .max ,即增大保護(hù)的最大動(dòng)作值I op .max ,這樣在內(nèi)部短路時(shí)能否滿足靈敏度的要求,一定要按參考文獻(xiàn)3的多回路分

9、析法進(jìn)行短路計(jì)算和靈敏度分析才能確定。推薦比率制動(dòng)特性斜率m =013015的做法,就是從上述擔(dān)心誤動(dòng)考慮的。如果按式(3(5整定,各系數(shù)均取上限,則最大制動(dòng)系數(shù)K res .max =0115,最大動(dòng)作電流(一次標(biāo)幺值I op .max =0115I k .max 。筆者統(tǒng)計(jì)的11臺(tái)國產(chǎn)200MW 及以上汽輪發(fā)電機(jī)的平均次電抗暫態(tài)X d =01167,按此計(jì)算發(fā)電機(jī)外部出口短路電流約為6I gn 。(I gn 為發(fā)電機(jī)額定電流,則I op .max =019I gn ,如果整定時(shí)取最小動(dòng)作電流I op .o =012I gn ,拐點(diǎn)電流I res .o =I gn ,則比率制動(dòng)特性的斜率m

10、=I op /I res =(I op .max -I op .o /(I res .max -I res .o =14張忠祿,李東俠:電流互感器暫態(tài)誤差對(duì)發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)影響的對(duì)策常州工學(xué)院學(xué)報(bào)(019I gn -012I gn /(6I gn -I gn =0114。提高最大制動(dòng)系數(shù)也就提高了制動(dòng)特性的斜率,表1列出了汽輪發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)比率制動(dòng)特性中取不同m 值時(shí)對(duì)應(yīng)的K res .max 和I op .max 值。由表1可見,m =015時(shí),I op .max 提高到m =0114時(shí)的3倍,靈敏度大幅度下降,但如經(jīng)過校驗(yàn),只要靈敏度滿足要求,提高制動(dòng)系數(shù)和斜率的方法對(duì)于抗誤動(dòng)能力還是可取的

11、。表1制動(dòng)系數(shù)與斜率關(guān)系K r es .max0.150.200.250.300.400.45I op .max0.90I gn 1.20I gn 1.50I gn 1.80I gn 2.40I gn 2.70I gn m 0.140.200.260.320.440.502.2適當(dāng)增大P 級(jí)電流互感器一次額定電流,減小二次額定電流對(duì)于P 級(jí)互感器,如果在選擇其變比時(shí)適當(dāng)增大一次額定電流,則在同一外部最大短路電流作用下,它的最大短路電流倍數(shù)(I k .max /I 1n 將減小,互感器的飽和程度降低,暫態(tài)誤差必然減小。在確定一次額定電流之后,二次額定電流選擇5A 還是1A ,允許的準(zhǔn)確限額電流是

12、不同的。例如,型號(hào)相同的互感器,I 2n =5A ,額定二次負(fù)荷為S 2n =50VA ,如果I 2n =1A ,則S 2n =30VA ,前者二次負(fù)荷阻抗Z 2n =S 2n /I 22n =50/52=2,而后者Z 2n =30/12=30,是前者的15倍。如果所帶二次負(fù)荷阻抗不變,則允許的準(zhǔn)確限額電流可增大(但不是15倍,亦即準(zhǔn)確限值系數(shù)提高了。2.3選擇二次額定容量S 2n 較大的互感器,盡量減小二次實(shí)際負(fù)荷S 2a 電流互感器在運(yùn)行中的實(shí)際二次負(fù)荷S 2a 小于額定二次負(fù)荷S 2n 實(shí)際準(zhǔn)確限值系數(shù)K ssca 就可以大于額定準(zhǔn)確限值系數(shù)K sscn ,仍可以保證在要求的誤差范圍之內(nèi)

13、。設(shè)互感器二次繞組本身消耗的負(fù)荷為S i =I 22Z i ,則:K ssca =K sscn (S i +S 2n /(S i +S 2a 互感器的二次負(fù)荷中,除繼電器阻抗和接觸電阻之外,主要決定于二次電纜,如有必要可適當(dāng)增大電纜截面,以減少二次負(fù)荷,從而提高實(shí)際準(zhǔn)確限值系數(shù)K ssca 。2.4采用標(biāo)積制動(dòng)原理的比率制動(dòng)式縱差保護(hù)新方案3采用這種新方案的縱差保護(hù),可使用P 級(jí)互感器。雖然很大短路電流使互感器飽和,但保護(hù)不誤動(dòng);在內(nèi)部短路時(shí),即使是有電流流出,仍有較高的靈敏度。這種縱差保護(hù)不要求采用考慮暫態(tài)特性的TP 級(jí)電流互感器,這是它最可取的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。3結(jié)論與展望發(fā)電機(jī)等電氣主設(shè)備的縱差

14、保護(hù)采用P 級(jí)電流互感器在經(jīng)濟(jì)上是合理的,在技術(shù)上為了保證縱差保護(hù)動(dòng)作的選擇性,整定計(jì)算中要適當(dāng)提高比率制動(dòng)式差動(dòng)繼電器的制動(dòng)系數(shù),可提高抗差動(dòng)不平衡電流的能力和減少因制動(dòng)電流減小而使保護(hù)誤動(dòng)的機(jī)率。在選擇電流互感器時(shí),適當(dāng)增大一次額定電流,減小二次額定電流,選擇二次額定容量較大的互感器,減小電流互感器二次負(fù)載都是行之有效的措施。在當(dāng)前普遍應(yīng)用微機(jī)保護(hù)條件下,保護(hù)裝置完全有可能采用多種有效措施來減緩暫態(tài)飽和的影響,因而可對(duì)互感器選擇不提出特殊要求,這樣可產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)效益。例如:有一種利用小波原理防止變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的新算法4,從理論上分析和證明了當(dāng)發(fā)生區(qū)外短路故障時(shí)電流互感器不會(huì)立即飽和,飽

15、和后的暫態(tài)不平衡電流也不會(huì)立即出現(xiàn)的現(xiàn)象?；谶@一認(rèn)識(shí),提出了一種利用小波精確測(cè)定故障發(fā)生時(shí)刻,利用故障發(fā)生時(shí)刻與差流出現(xiàn)時(shí)刻不同時(shí)的現(xiàn)象來防止因電流互感器飽和后產(chǎn)生的暫態(tài)不平衡電流所引起的變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)現(xiàn)象。從傅立葉變換發(fā)展而來的小波變換,具有多尺度分析和良好的時(shí)頻局部化特性,可以準(zhǔn)確地捕捉突變信號(hào)的特征,并能在不同頻帶(尺度上考察信號(hào)頻率的演化,可對(duì)奇異點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確分析和定位,從而可以較好地檢測(cè)242005年第5期故障發(fā)生時(shí)刻,根據(jù)時(shí)差法的基本原理,有效地防止由于電流互感器飽和而引起的不平衡電流導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。理論分析和E MTP 仿真表明:該原理在理論上是成立的,仿真效果明顯

16、,容易實(shí)現(xiàn)。又如,一種基于相關(guān)度的發(fā)電機(jī)采樣值差動(dòng)保護(hù)新判據(jù)5,提出利用發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)電流的采樣值波形的相關(guān)度來區(qū)分內(nèi)部相間故障和外部相間故障。分析了數(shù)據(jù)窗的長度,兩側(cè)電流的幅值、相位,以及采樣的同步對(duì)相關(guān)度的影響,利用短數(shù)據(jù)窗來連續(xù)計(jì)算相關(guān)度,并根據(jù)多點(diǎn)相關(guān)度的情況可以清楚地區(qū)分內(nèi)部和外部相間故障,提出了基于相關(guān)度的發(fā)電機(jī)采樣值完全縱差保護(hù)新判據(jù),理論分析和仿真驗(yàn)證了該判據(jù)能夠快速、可靠地切除內(nèi)部故障;外部故障時(shí),即使電流互感器嚴(yán)重飽和也不會(huì)誤動(dòng)?；谶@種方法的判據(jù)能夠在小于1/4周期內(nèi)可靠動(dòng)作,且不受頻率偏移的影響。希望繼電保護(hù)開發(fā)制造部門能在這方面取得更積極有效的成果。參考文獻(xiàn)1國

17、家技術(shù)監(jiān)督局1G B1208-97電流互感器S1北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,199712機(jī)械工程手冊(cè)電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì)1電機(jī)工程手冊(cè)第4卷(第2版M 1北京:機(jī)械工業(yè)出版社,199713王維儉1電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用M 1北京:中國電力出版社,199614李貴存,劉萬順,賈清泉等1一種利用小波原理防止變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的新算法J 1電網(wǎng)技術(shù),2001,25(7:48-5115肖仕武,劉萬順,黃少鋒1基于相關(guān)度的發(fā)電機(jī)采樣值差動(dòng)保護(hù)J 1電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003,27(17:59-631Effect and Coun term ea sure of Tran si en t Error of

18、 Curren t M utua lI ndun t ance I m ple m en t to Genera tor L ong itud i n a l M istake Protecti onZHAN G Zhong 2lu L I D ong 2xia(School of Electr onic I nfor mati on &Electric Enginerring,Changzhou I nstitute of Technol ogy,Changzhou 213002Abstract:This paper discusses the effect of transient err or of current transf or mer t o l ongitudinal p r otec 2ti on .And it analysises the technol ogic capabilities of the p r otective P current transf or mer during the transient p r ocess .The TP current transf or mer that suggests the transient characteristic can res olve the mal 2operat