母线保护在多种电流互感器混用模式下的仿真研究

邵昱 王超 李丰克 李陆军

摘 要：不同种类的电流互感器具有不同特性，常规变电站进行智能化改造时，母线保护会面临同时接入电子式互感器与电磁式互感器的情况。针对此种特殊情况进行研究，对于母线保护正常运行具有重要意义。本文运用仿真方式，研究不同类型电流互感器的混合使用对母线差动保护动作性能的影响。

关键词：电流互感器;母线保护;电子式互感器;区外故障

中圖分类号：TM77文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）32-0032-03

Abstract： Different types of current transformers have different characteristics， when the conventional substation is undergoing intelligent transformation， the busbar protection will face the situation of simultaneous access to the electronic transformer and the electromagnetic transformer. Research on this special situation is of great significance to the normal operation of busbar protection. This paper used simulation to study the effect of the mixed use of different types of current transformers on the performance of bus differential protection.

Keywords： current transformer;busbar protection;electronic transformer;out-of-zone fault

系统出现故障时，电流互感器（CT）受短路电流中非周期分量与铁芯剩磁的影响，电磁式互感器在暂态过程中进入饱和状态的概率较大，而电子式互感器不会饱和[1-3]。当电子式互感器与电磁式互感器同时接入母线保护时，母线区外短路，保护装置可能出现较大差流，这对母线保护的正常运行是极为不利的。

1 电子式互感器与电磁式互感器并用时的问题分析

1.1 两种互感器同时接入母差的运行模式

电子式互感器输出为光电信号，电磁式互感器的二次输出为模拟量。为解决两种互感器共存时数据输出类型不同的问题，系统需要接入母线保护转换子站，它可将电磁式互感器输出的模拟量转化为符合IEC61850规约的数字量，再通过光纤接入智能化的母线保护装置。

1.2 两种互感器的数据同步问题

电磁式互感器经过保护子站转换，其最终的输出同步由保护子站决定，此时存在保护子站与电子式互感器之间的同步问题。为了解决该问题，智能化母线保护装置需要采用插值算法进行数据同步。插值过程如下：根据母线保护的实际采样数据，确定延时参数并进行时间补偿，计算出与基准时间为同一时刻的采样值，从而消除两种互感器的数据幅值差与相角差，实现同步采样。

1.3 两种互感器接入对不平衡电流的影响

本文采用PSCAD软件仿真分析两种互感器接入时产生的不平衡电流。母线外部短路时，流过各互感器的电流差别可能较大，尤其是故障支路的互感器，其电流为其他支路元件总的短路电流;若故障点位于电磁式互感器所在支路，则该电磁式互感器可能会进入饱和状态，要求母线保护具有抗互感器暂态饱和的能力[4-5]。

2 仿真分析

2.1 仿真模型说明

本研究仿真模拟一座220 kV变电站的110 kV母线保护。仿真主要研究母线保护对不同原理电流互感器混用的适应性，分析大差电流特性，不考虑小差计算。模型中各元件参数如下：变压器的额定容量为180 000/180 000/90 000 kVA;额定电压为220/121/10.5 kV;连接组别为YNyn0d11;短路电压百分比分别为[Ud1-2=14.5%]、[Ud1-3=24%]、[Ud2-3=7.5%];时间常数为0.06 s。

各支路互感器变比为1 200/1。电磁式互感器采用J-A铁磁互感器模型;电子式互感器的数学模型为：

式中，[M]为导体间的互感;[Rs]和[L]分别为线圈的内阻与自感;[C0]为杂散电容;[Ra]为取样电阻;[R]、[C]均为运放电路参数;H为感抗;U0为电压;I为电流;S为功率。

电磁式互感器参数如下：变比为1200/1，保护用CT的参数为5P20，[Sn]=30 VA，二次绕组电阻[RCT]=9.5 Ω，所带的实际二次负荷电阻[Rb]为8Ω。

计算考虑最大运行方式，时间常数为0.02s。

2.2 仿真逻辑说明

2.2.1 仿真条件设定。本文采用的保护判据为常规比率制动判据，即

对于本次仿真，比率制动系数[K]=0.7。差流起动值[Iop0=0.5In]，即0.5 A。Id为差动电流，Iop0为启动电流，K为比率制动系数，Ires为制动电流，In为额定电流。

设三相故障发生时刻为故障支路的A相电压过零时，[cosθ≈-1]，此时非周期分量含量最大，A相短路电流出现负序偏移。设采样频率[fs]=1 200 Hz;短路发生时刻为0.5 s，短路持续时间为0.1 s，仿真时长为1 s。

2.2.2 仿真方案。各支路均采用电磁式互感器，区外故障时，比较故障支路互感器在不同饱和程度时对差动保护的影响;各支路均采用电子式互感器，区外故障时，比较其传变特性及对母线保护的影响;不同类型的电流互感器混用时，比较其对母线保护的影响。

2.3 电磁式互感器与电子式互感器混搭区外故障数字仿真

区外故障时，按两种模式进行仿真：模式一是故障支路采用电磁式互感器（有同向剩磁），其余各支路均用电子式互感器;模式二是故障支路用电子式互感器，其余各支路均用电磁式互感器（各支路有同向剩磁）。

2.3.1 故障支路为电磁式互感器（有剩磁），其余各支路为电子式互感器。区外三相短路时，母线保护的差动电流、制动电流如图1所示。

如图1所示，区外故障的最大差流为6.8 A，其值大于全电磁式互感器仅故障支路互感器有剩磁时的差流值，说明电磁式互感器与电子式互感器混用引起的差流要大于全电磁式互感器的情况。此时依靠比率制动特性的母线差动保护不会误动。

2.3.2 故障支路为电子式互感器，其余各支路为电磁式互感器（有剩磁）。区外三相短路的差动电流、制动电流如图2所示。

如圖2所示，此种情况下区外故障时产生的最大差流为4.6 A。其值大于全电磁式互感器各支路均有剩磁时的差流，与第一种情况类似，说明在此情况下，电磁式互感器与电子式互感器混用引起的差流要大于全电磁式互感器的情况。其值小于故障支路为电子式互感器、其余各支路为电磁式互感器且有剩磁时的差流，说明用电子式互感器取代已处于饱和状态的电磁式互感器时，区外故障时的差流会减小。这种情况下，比率制动特性的母线保护能够保证区外故障时不误动。

2.4 改变互感器参数的仿真分析

为模拟实际中可能出现的电磁式互感器容量与准确限值系数较小、实际二次负载较大的情况，设定互感器容量为15 VA，互感器二次负荷为10 Ω，准确限值系数为20，其他参数如上。下面选取最严重的情况（即仅故障支路采用电磁式互感器且有剩磁，而其余各支路均为电子式互感器）进行仿真。改变参数后的差动电流与制动电流如图3所示。

如图3所示，此时的最大差流为7.9 A，说明电磁式互感器容量减小，二次负荷增大，使区外故障的差流增大。这是因为互感器因额定容量的减小，二次负荷增大，饱和程度更加严重。电磁式互感器容量降低与二次负荷增大时，仅依靠比率制动特性不能防止区外故障时保护误动，此时就需要采取其他措施来防止保护误动。

不同种类互感器混用的仿真结果表明，母线各支路采用电磁式互感器与电子式互感器混用方式，并与母线保护的抗互感器饱和措施相配合，可以防止外部故障差动保护误动作。条件为电磁式互感器具有较高的准确限值系数，如不符合此条件，则应根据电磁式互感器的校验方法进行计算，以确定该互感器能否用于混搭。

3 结论

电磁式互感器与电子式互感器混合应用于母线保护，能在最严重的外部故障情况下保证差动保护不误动。影响电磁式互感器饱和程度的因素有多个，人们应根据实际参数对电磁式互感器进行性能校验，再决定该类互感器能否与电子式互感器混搭用于差动保护。电磁式互感器容量降低与二次负荷增大时，仅靠比率制动特性不能保证区外故障差动保护不误动，此时必须依靠母线保护的其他抗互感器饱和措施来防止差动保护误动。

参考文献：

[1]徐良骏.基于多Agent的分布式母线保护在数字化变电站中的应用研究[D].上海：上海交通大学，2011：12-13.

[2]谷成，徐超，谢珂，等.数字化技术在220 kV变电站改造中的应用[J].电力系统保护与控制，2010（22）：215-219.

[3]马力，林瑞，王建勋.常规变电站数字化改造的关键技术分析[J].电力自动化设备，2011（9）：104-107.

[4]梁国坚.基于母线差动保护的电子式与电磁式互感器同步应用[J].电力系统自动化，2011（3）：97-99.

[5]曹团结，尹项根，张哲，等.通过插值实现光纤差动保护数据同步的研究[J].继电器，2006（18）：4-8.