智能变电站母线保护TA饱和新判据研究

国网湖北省电力公司电力科学研究院 王作维 张侃君 黎恒烜 国网湖北省电力公司 张 洪 鄂士平

南京南瑞继保电气有限公司 丁 杰 程 立

1 引言

随着传统机电配电系统向全智能网络转变的趋势日益明显，全球许多电网公司都在其系统监控和运行中倾向于采用智能电网技术，其中智能变电站由于可以自动对信息进行采集、监测、智能调节等，成为了未来变电站的重要发展方向。但新技术往往带来新的挑战，其给运维工作带来的问题也无法忽略，智能变电站的内部设备较多，设备之间的关联性较强，变电站的内部某一设备出现问题，会影响整个变电站的稳定运行，而变电站母线作为电力系统中的一个重要元件，关系到整个系统的稳定运行，内部故障时拒动或外部故障时的误动，都会对电力系统安全造成极大的负面影响，甚至可能造成大规模停电事故[1]。母线保护的原理是基于电流差动原理，而TA 饱和会导致测量所得的差流严重失真，进而影响保护的判断。

电流互感器饱和时，可将其二次电流在一个周期内分为阶段饱和期和非饱和期。在非饱和期电流能线性传变，而饱和期故障二次电流近似为零，因此区外故障时差流有所增加，容易造成母线差动保护误动。不同时刻发生的饱和程度不同，若为发生在周波内的深度饱和，则会在电流过零点后左右开始饱和，这会对母线差动保护的可靠性带来极大的影响。若能准确判定出区内外故障是否饱和，为开放或闭锁差动保护提供准确的判据，则会大大提高差动保护的可靠性。

为了解决TA 饱和所带来的问题，继保领域的科研工作者也做了许多研究，如时差法[2]、倒数法[3]和波形识别法[4]等，其中时差法应用最为广泛，但其受所使用的突变原件影响较大，区外故障发生严重TA 饱和时检测到的时差可能为零，造成保护误判。导数法 抗干扰能力差，波形识别法往往需要一个周期以上才能识别成功，由以上分析可知，寻找一种识别母线保护TA 饱和的新判据有其重要性。

基于CT 饱和时二次侧电流在饱和区畸变，在非饱和区能准确反映一次侧电流波形这一特性，本文提出一种检测TA 饱和的新判据，经仿真验证，该方法能准确识别TA 饱和，提高了智能变电站母线保护的可靠性。

2 TA 饱和电流特性分析

在母线保护中的TA 等值电路如图1所示，为一次侧电流，为二次侧电流，为励磁电流。一次侧电流通过电流互感器传变为二次侧电流，但由于磁感应强度B 与磁场强度H 之间不是线性关系，当铁芯未饱和时，励磁阻抗很大，二次侧电流可以准确反映出一次侧电流，但当铁芯饱和后，励磁电流增大，二次侧电流受其影响而产生畸变，如图2。

图1 TA 等值电路图

图2 TA 饱和的一二次电流波形图

3 基于TA 饱和二次侧电流特征的变电站母线保护新判据

3.1 各工况下母线差流分析

以图3所示的变电站母线模型为例，母线B 分别与各支路电源G1-G4相连，R1-R4分别为各支路TA，l1-l4为各支路输电线路。

图3 变电站母线模型

取支路l1电流向量为1，支路l2、l3、l4电流之和为2，规定与母线相连的所有支路电流均以流出母线为正方向，令KA=1+2

由基尔霍夫电流定律可知，线路正常工作或者区外故障时，KA应等于0。发生区外故障导致CT 饱和时，在饱和区，由于发生TA 饱和二次侧电流发生畸变，KA不为0，但是在非饱和区时，KA仍为0，所以在每个周期KA都有一段时间为零。而区内故障产生TA饱和时，KA除了在少数-1和2交汇点时出现为零的情况外，其余时刻均不为零。因为区外故障发生CT 饱和时，一个周期内有两段线性区，而起始线性区一般大于3ms，非线性区小于17ms，所以可以17ms 为辅助判据，如果非线性区大于17ms，则保护动作，小于17ms 判断为TA 饱和，保护无需动作。

图4 母线保护判据流程图

3.2 基于TA 饱和二次侧电流特征的变电站母线保护新判据

根据3.1节分析，本文设置如保护判据流程如图所示，本方法设置一固定门槛值set，当KAset时，保护开始进行17ms 的计时，计时期间如果出现KA

4 仿真验证

利用MATLAB/Simulink 对本文提出的母线保护TA 新判据进行仿真验证，仿真模型如图3，其中EG1=330∠0°，EG2=330∠-25°，EG3=330∠-15°，EG4=330∠-20°，l1=10km，l2=45km，l3=50km，l4=60 km，其中线路阻抗的参数为r1=0.027Ω/km，l1=0.9mH/km，r0=0.195Ω/km，r1=2.21mH/km，整定值set=0.5A。

图6 区外故障

4.1 正常运行及区外故障

系统正常运行时的电流波形如图5，|KA|

图5 正常情况

4.2 区内故障

在图3母线上分别设置三相接地和A 相接地故障来模拟严重和轻微区内故障，故障时刻为0.205s，通过图7、图8可以看出，|KA|远大于整定值，且计时t 也大于17ms，保护正确动作。

4.3 区内故障时发生TA 饱和

设置母线B 在t=0.205s 时发生三相金属线接地短路，区内故障伴随TA 饱和时，该线路电流发生了一定畸变，但是整体波形与区内故障接近，|KA|略微减小，如图9，但仍远大于整定值，保护依然可以正确动作。

4.4 区外故障时发生TA 饱和

在图3中l2末端设置A 相金属接地故障，故障 在0.205s 时 发 生， 如 图10。|KA|在0.2065s时，即1.5ms 后大于整定值，保护开始计时，一直持续到0.21625s 时低于整定值，持续时间为9.65ms，低于17ms，判断为TA 发生饱和，保护不动作。

图7 严重区内故障

图8 轻微区内故障

图9 区内故障时发生TA 饱和

图10 区内故障时发生TA 饱和

5 结语

本文提出的基于TA 饱和二次侧电流特征的变电站母线保护新判据，利用TA 饱和时二次侧电流存在两个非饱和区这一特征，加入计时t 去规避区外故障发生TA 饱和的情况。经过仿真分析，该方法在各种工况条件下都准确动作，一个周波内即可准确给保护提供判断，为防TA 饱和对保护的干扰具有一定的意义。