连续大负荷冲击下光差保护动作原因分析与改进措施

金波　白庭河

摘 要 通过分析电力运行中连续大负荷冲击下线路光差保护的动作原因，结合某变电所异常差动保护动作的案例进行具体剖析，对其主要采集元件——电流互感器（CT）的特性进行分析，找出电流互感器的磁滞效应及参数设置对光差保护的影响，分析避免光差保护误动的原因，进而提出提高和优化电力线路稳定运行的具体措施。

关键词 电流互感器 差动保护 准确限值系数 磁饱和 大负荷冲击

中图分类号 TM452   文献标识码 B   文章编号 1000?3932（2023）02?0262?06

在石油化工生产企业的电力配电网中，保护电力线路的安全是非常重要的。为了保证电力线路运行质量，减少线路故障的发生，大多采用光纤差动保护进行快速线路保护。光纤差动保护在对线路进行保护的同时，还能防止一些棘手故障的发生。但在实际应用中，由于不同工况下的特殊环境条件、穿越性故障等，会导致光纤差动保护发生误动作。除去定值不合理的因素，還存在电流互感器的制造偏差和特性曲线不佳造成磁饱和而导致的误动等情况。

1 故障概况

某变电所3#中央变电站和下级分变电所72/149侧6 kV线路电气设备相关系统如图1所示。

从现场西门子7SJ62保护装置提取事件记录（图2、3），分析如下：72/149变电所6103柜Z2501出线柜所接负载（1 500 kW）大电机送电，运行5 min后，电机自身的一个外部开入点保护工艺联锁跳闸，然后此跳闸开入也消失，造成开关柜西门子保护第1次跳闸，346 ms后电机再次合上；此时跳闸开入又产生，第2次把电机跳开；此后造成电机所在72/149变电所Ⅰ段进线与3#中央变电站Ⅰ段线路的阿海珐MiCOM P521光差保护动作，光差带动72/149快切装置ABB SUE3000启动，58 ms后快速将母联600断路器合闸。

2 原因分析

2.1 电流互感器的磁饱和特性分析

根据《工业与民用供配电设计手册》（第四版）中电流互感器的性能要求可知，保护用电流互感器（CT）在系统运行和故障时均需满足运行参数，且完成一、二次电流转换后误差需符合性能曲线并在定值范围内，其中铁芯饱和参数对CT的影响最大。启动电流有时会超过15～20倍的额定电流，当CT变流比较大时，实际分析较难。

利用伏安特性测试电流互感器CT的饱和点时，在通过大电流工作时，为保证线性输出，需尽量延后饱和时长，铁芯磁通密度通过CT上的感应电势体现。

因原方开路，所以二次侧所加交流电压U产生的二次电流I等于激磁电流I。由于没有原方电流的去磁作用，故在小电流下铁芯即可达到饱和，无需增大电流即可实现伏安特性测试。U的计算式如下：

72/149变电所线路发生大电流冲击时，由于短路电流较大并伴有非周期分量，使得CT在暂态区域发生磁饱和。剩磁一旦产生，因正常运行电流的小磁滞回线使得剩磁不易消除，故剩磁在铁芯中一直要保留到后续去磁才能消除。通常采用的去磁方法是每次扰动后用外部去磁法将互感器去磁，但对于运行中的电流互感器来说，这种方法在实际中是无法实现的。

过早的磁饱和将导致微机保护动作异常，线路故障跳闸后重合于故障时主变差流速断保护误动就是明显的例证。所以必须在设计、基建调试、运行检验等环节采取措施，抑制磁饱和对保护造成的影响。

2.2 电流互感器准确限值系数对差动保护的影响

电流互感器作为高压配电网中基本的检测和保护转换装置，必须满足保护装置的准确级参数要求。图4为差动保护与电流互感器的交流回路示意图。

电流互感器二次阻抗Z=2Z+Z，其对应的额定二次负载阻抗为Z，当0.2Z≤Z≤Z时，CT才能达到标称的准确级。当CT低于标称值时，会引起采样偏差，严重时会引起误动或拒动从而造成电气事故，所以有必要对其进行校核。

首先比较72/149和中3线路两侧的CT实测参数，详见表1。由表1可以看到，两侧CT型号及额定变流比均相同，但准确度等级不同，中3侧为5P15，72/149侧为5P10，两侧二次负荷的测量值也不同。

DL/T 866—2015《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》规定，保护用电流互感器准确级以该准确级在额定准确限值一次电流下的最大允许复合误差的百分数标称，P前的数字越小精度越高，后面的10、15、20…表示其准确限值系数，例如：5P15表示当一次电流是额定一次电流的15倍时，该绕组的复合误差不大于±5%。如果一次电流较大，就要选用更高的5P20或5P30。

表1中，中3侧额定变流比为800/5、准确度等级为5P15，额定二次容量为15 VA，通过计算一次侧额定电流应该在800 A×15倍=12000 A=12 kA时，误差不大于±5%；实测二次侧阻抗为1.2 Ω。72/149变电所侧额定变流比为800/5、准确度等级为5P10，额定二次容量为10 VA，通过计算一次侧额定电流应该在800 A×10倍=8000 A=8 kA时，误差不大于±5%；实测二次侧阻抗为0.4 Ω。由此可计算出中3侧电流互感器额定二次负载阻抗为：

计算得到的实际准确限值系数仅为原设计值5P15的一半，即实际为5P7.5的准确级，因此所提供的CT不满足系统特性，当提高一次电流时，CT会提前出现局部饱和，该线路选型的CT准确限值系数不符合要求。

2.3 光差保护定值参数动作情况分析

光差保护（P521）启动时电流差值及相角差值见表2。

P521差动保护定值见表3。

从现场启动值、电流差等数据看，两侧P521保护时钟存在时差，两侧CT变流比均为800/5，根据P521的故障记录值（图5），用C相故障电流来分析。C相差动电流为812 A，两侧P521采样所得的差流相近；两侧三相电流中，均为C相电流最大，动作时的制动电流I=（I+I）/2=（1468+1087）/2=1277.5 A。

根据P521的动作特性，知其制动电流I（1 277.5 A）大于制动电流门槛值I（800 A），说明动作区间在k斜率上（图6），对应的理论差动电流（根据现场保护整定值计算得出）为k×I-（k-k）×I+I=1277.5×0.5-（0.5-0.25）×800+240=678.7 A，P521所采样的差动电流（812.000 A）大于制动电流对应的理论差动电流值678.7 A，所以P521差动应该动作。

从谐波产生的原因分析有以下可能：大电机启动过程中跳闸，产生较大的剩磁；第2次合闸造成了电压骤降（时长约40 ms），恢复正常后由于还有其他负荷存在，故产生涌流。

从P521差动动作前的波形来看，正常运行时，三相基本平衡，而且谐波量很低，大电流出现时，就有很大的谐波量，而且還造成2CT合成的B相电流比其他两相偏小，很大的不平衡电流造成了CT断线（负序电流/正序电流>40%）；然后不平衡电流较小时，CT断线恢复，此时差动电流仍然达到动作条件，所以保护动作。

从光差保护原理看，设置第2段曲线（图7中的k斜率）就是为了在区外发生严重穿越性电气故障时提高装置稳定性。而在设置该定值时未注<＼＼Pc18＼本地磁盘（e）＼李玲＼化工自动化及仪表＼2023年自动化仪表＼第2期＼金波7.tif>

意该参数的主要作用，现场实际设置如图8所示。

根据P521保护说明书，发现差动保护动作定值需要重新校验。P521用户手册中k值为经典整定值，已广泛用于3～500 kV范围的高压供电线路保护中，并取得了良好的效果，故按照推荐值将第2段斜率k由50%调整为150%以适应严重穿越性故障时的稳定性。

I是k值起效时的制动电流值，一般情况下的推荐值2 pu是差动动模测试值，现场一次电缆最大承载电流为540 A，推荐最大负载应不超过这个值，故原整定值800 A是合适的。

k需要考虑区外重故障时导致的不平衡电流，包括CT饱和。由于P521没有独立的判定饱和算法，第2段斜率不应小于100%，推荐的150%是差动保护动模测试时既考虑了差动的灵敏度又考虑了区外故障稳定性所选取的值。所以其他厂家的差动保护整定值不具有参考性。

第2段斜率由50%调整为150%时，需重新计算：C相差动电流不会随斜率调整而变化，故仍为812 A；C相制动电流不会随斜率调整而变化，故依旧为（1468+1087）/2=1277.5 A；根据新的调整值，制动电流1 277.5 A所对应的理论差动电流为：

采样差流值比理论动作点小，可躲过，此时差动不动作。

3 改进措施

差动保护在大电流多次冲击下，易造成多个特性的偏差甚至产生误动，可通过以下改进措施提高可靠性：

a. 为了避免线路差动保护的CT在大电流工作时出现误动，差动保护两侧需要选用相同厂家、相同型号的CT。这是因为不同厂家、不同批次的CT特性不一样，两侧CT在区外故障及故障恢复时，暂态特性偏差较大，且容量还需满足最大负载的保护级CT。同时需校验实测保护CT的饱和点是否满足伏安特性曲线，是否会产生误动的可能性，否则需更换精度及容量更大的CT或加大二次侧电缆截面，以确保采样精度。

b. 光纤差动保护装置本身制动特性差，制动电流门槛值受大电流冲击产生的励磁涌流的直流和二次谐波分量影响，易使CT饱和在非线性区，使线路两侧CT采样波形误差较大，引起保护误动，但可根据P521这类专用光差保护中的特殊高制动斜率k参数的正确设置来保证在严重穿越性故障时装置的可靠性。

c. 电流互感器的准确限值系数是判定电流互感器是否满足大电流冲击下数据波动范围有效的重要参数，可通过模拟二次负荷或励磁曲线测量法进行数据核查，对于电流互感器正确选用准确值防止误动极为有效。

4 结束语

差动保护作为电力系统提高线路大电流冲击保护的重要手段，其可靠性越来越受到重视，尤其配合快速开关进行投切关键开关尤为重要，同时也使其配合上下级保护应用前景十分广阔。因此保证差动保护相应参数设置准确是电网安全运行的一项重要课题，通过配置合适的差动保护不仅对就地保护的可靠性提供了保障，也可提供远端后备保护。通过研究可以更加精准地提供保护相关元件的选型及保护定值的相关参数确定，最终使石油化工企业的电气系统构成强有力的保护机制。

（收稿日期：2022-07-29，修回日期：2023-02-13）

作者简介：金波（1975-），工程师，从事石油化工企业电力自动控制及保护试验等工作，jinbo@petrochina.com.cn。

引用本文：金波，白庭河.连续大负荷冲击下光差保护动作原因分析与改进措施［J］.化工自动化及仪表，2023，50（2）：262-267.