电流互感器暂态误差对发电机纵差保护影响的对策

第18卷第5期2005年10月

常州工学院学报

Journal of

Changzhou I nstitute of Technol ogy

Vol.18　No.5

Oct.2005

收稿日期:2005203230电流互感器暂态误差对发电机纵差保护影响的对策

张忠禄　李东侠

(常州工学院电子信息与电气工程学院,江苏常州213002)

摘要:讨论了电流互感器的暂态误差对纵差保护的影响,分析了保护用P级电流互感器在暂态过程的技术性能。指出考虑暂态特性的TP级电流互感器虽然可解决纵差保护误动问题,但其造价较高,互感器体积大,安装有困难,特别是大型发电机出口封闭母线很难安装TP级互感器。现有P级电流互感器适当提高制动系数,尽量减小二次负荷,提高额定准确限值系数等,都是行之有效的措施。

关键词:电流互感器;纵差保护;误动;制动系数

中图分类号:T M452 文献标识码:B文章编号:1671-0436(2005)05-0040-04　

0　引言

被保护元件外部短路时,由于电流互感器饱和所引起的暂态不平衡电流造成的纵差动保护误动作,一直是纵差动保护中的一大技术难题。在比率制动式发电机纵差保护整定计算中,通常只考虑在发电机外部短路的稳态时,因两侧电流互感器特性不一致而产生的不平衡电流,并讨论如何在这种情况下保证保护不误动作,而不考虑因制动电流的减小是否也会引起保护的误动作。事实上,在外部短路的暂态过程中,由于短路电流非周期分量使电流互感器的励磁电流急剧增加而呈饱和状态,因而暂态误差比稳态误差大得多,差动不平衡电流可能比按乘非周期分量系数确定的值要大,而作为制动量的制动电流却比不饱和时要小。如不充分考虑由此而带来的影响,就可能使比率制动式发电机纵差保护在外部短路的暂态过程中出现误动作。

笔者从历年保护统计资料中发现,归结为原因不明的误动作次数占有一定的比例。对原因不明的误动作,人们往往只注重保护装置的检查,而忽视电流互感器的选择和正确使用。其实,有些纵差保护的误动作是由于电流互感器暂态过程中的误差造成的。当前国内生产的发电机差动保护等保护装置一般未采取专门减缓电流互感器暂态饱和影响的措施,而需要在选择电流互感器时,考虑暂态饱和的影响,本文即从这个侧面讨论问题。

1　TP级和P级电流互感器[1][2]

电流互感器的准确级次分测量级、稳态保护(P)级和暂态保护(TP)级。差动保护的快速动作应使发电机两侧电流互感器在变换电流时的暂态特性好并尽可能一致,以免出现过大的暂态不平衡差动电流和比按线性计算值小的制动电流,从而避免纵差保护的误动作,为此,人们采用暂态保护(TP)级电流互感器。

然而,目前国内只生产TPY型、TPZ型暂态电流互感器,均属于具有气隙铁芯的电流互感器。因其

第5期有气隙,体积大,造价高。又由于大型发电机引出线均采用封闭母线,很难装设TP 型电流互感器,所以一般仍选用10P 、5P 型电流互感器。

P 级电流互感器用于继电保护,并不考虑暂态误差,仅考虑稳态误差。按国际统一定义,在稳态条件下电流互感器的复合误差为

εc =100I 11T ∫T 0(K i i 2-i 1)2d t (1)

式中I 1为一次电流的有效值;i 1,i 2分别为一次、二次电流的瞬时值;K i 为互感器额定电流比;T 为工频周期。K i i 2-i 1就是互感器励磁电流的瞬时值i 0。若忽略谐波分量,式(1)根号内的值就是励磁电流的有效值。

P 级电流互感器只保证稳态误差要求,其额定准确限值系数K sscn 为额定准确限值一次电流I 1与额定一次电流I n 之比,标准值为5、10、15、20、30。例如,5P15表示5P 级电流互感器在15倍一次额定电流下,其复合误差εc ≤5%;10P20表示10P 级电流互感器在20倍一次额定电流下,其复合误差εc ≤10%。

P 级电流互感器的额定二次负荷S 2n 是指二次绕组在规定的准确级下所承担的容量,即

S 2n =I 2

2n Z 2n (V ?A )

(2)式中I 2n 为互感器额定二次电流;Z 2n 为额定二次负荷阻抗,通常把Z

2n 作为互感器的额定二次负荷。2　选用P 级电流互感器防止纵差保护误动的措施

2.1　整定计算时适当提高最大制动系数K res .max

图1　比率制动特性比率制动式发电机纵差保护的制动特性曲线如图1中折线

所示AB C,特性曲线中最大动作电流I op .max 是按外部短路时差动

不平衡电流最大值I unb .max (对应曲线中的KT )保护不误动条件

确定的

I unb .max =K ap K cc K er I k .max /K i

(3) I op .max =K rel I unb .max =K rel K ap K cc K er I k .max /K i

(4)按制动系数定义K res =I op /I res ,最大制动系数为

K res .max =K rel K ap K cc K er

(5)式(3)～(5)中,K rel 为可靠系数,取1.3～1.5;K ap 为非周期分量

系数,取1.5～2.0;K cc 为同型系数,发电机两侧T A 同型取0.5;K er 为稳态误差,10P 级互感器取0.1;

I k .max 为外部短路穿越电流周期分量最大值;K i 为互感器额定电流比。上述整定计算不能绝对保证暂态过程的选择性,再考虑到暂态过程中制动电流I res 的实际值有可能

比计算值小,就更有出现误动的可能。如果提高I op .max 到KC ′,即增大K res .max ,当I res 实际值减小到O K 1,最大动作电流仍有K 1D =KC,这样出现误动的可能就会小一些。由于使用P 级电流互感器的暂态误差是无法估计的,只能根据实际情况适当增大最大制动系数K res .max ,即增大保护的最大动作值I op .max ,这样在内部短路时能否满足灵敏度的要求,一定要按参考文献[3]的多回路分析法进行短路计算和灵敏度分析才能确定。

推荐比率制动特性斜率m =013～015的做法,就是从上述担心误动考虑的。如果按式(3)～(5)整定,各系数均取上限,则最大制动系数K res .max =0115,最大动作电流(一次标幺值)I op .max =0115I k .max 。笔者统计的11台国产200MW 及以上汽轮发电机的平均次电抗暂态X ″d =01167,按此计算发电机外部出口短路电流约为6I gn 。(I gn 为发电机额定电流),则I op .max =019I gn ,如果整定时取最小动作电流I op .o =

012I gn ,拐点电流I res .o =I gn ,则比率制动特性的斜率m =ΔI op /

ΔI res =(I op .max -I op .o )/(I res .max -I res .o )=14张忠禄,李东侠:电流互感器暂态误差对发电机纵差保护影响的对策

常州工学院学报(019I gn -012I gn )/(6I gn -I gn )=0114。提高最大制动系数也就提高了制动特性的斜率,表1列出了汽轮发电机纵差保护比率制动特性中取不同m 值时对应的K res .max 和I op .max 值。由表1可见,m =015时,I op .max 提高到m =0114时的3倍,灵敏度大幅度下降,但如经过校验,只要灵敏度满足要求,提高制动系数和斜率的方法对于抗误动能力还是可取的。

表1　制动系数与斜率关系

K r es .max

0.150.200.250.300.400.45I op .max

0.90I gn 1.20I gn 1.50I gn 1.80I gn 2.40I gn 2.70I gn m 0.140.200.260.320.440.50

2.2　适当增大P 级电流互感器一次额定电流,减小二次额定电流

对于P 级互感器,如果在选择其变比时适当增大一次额定电流,则在同一外部最大短路电流作用下,它的最大短路电流倍数(I k .max /I 1n )将减小,互感器的饱和程度降低,暂态误差必然减小。

在确定一次额定电流之后,二次额定电流选择5A 还是1A ,允许的准确限额电流是不同的。例如,型号相同的互感器,I 2n =5A ,额定二次负荷为S 2n =50VA ,如果I 2n =1A ,则S 2n =30VA ,前者二次负荷阻抗Z 2n =S 2n /I 22n =50/52=2Ω,而后者Z 2n =30/12

=30Ω,是前者的15倍。如果所带二次负荷阻抗不变,则允许的准确限额电流可增大(但不是15倍),亦即准确限值系数提高了。

2.3　选择二次额定容量S 2n 较大的互感器,尽量减小二次实际负荷S 2a 电流互感器在运行中的实际二次负荷S 2a 小于额定二次负荷S 2n 实际准确限值系数K ssca 就可以大于

额定准确限值系数K sscn ,仍可以保证在要求的误差范围之内。设互感器二次绕组本身消耗的负荷为S i =I 2

2Z i ,则: K ssca =K sscn (S i +S 2n )/(S i +S 2a )

互感器的二次负荷中,除继电器阻抗和接触电阻之外,主要决定于二次电缆,如有必要可适当增大电缆截面,以减少二次负荷,从而提高实际准确限值系数K ssca 。

2.4　采用标积制动原理的比率制动式纵差保护新方案[3]

采用这种新方案的纵差保护,可使用P 级互感器。虽然很大短路电流使互感器饱和,但保护不误动;在内部短路时,即使是有电流流出,仍有较高的灵敏度。这种纵差保护不要求采用考虑暂态特性的TP 级电流互感器,这是它最可取的一个优点。

3　结论与展望

发电机等电气主设备的纵差保护采用P 级电流互感器在经济上是合理的,在技术上为了保证纵差保护动作的选择性,整定计算中要适当提高比率制动式差动继电器的制动系数,可提高抗差动不平衡电流的能力和减少因制动电流减小而使保护误动的机率。在选择电流互感器时,适当增大一次额定电流,减小二次额定电流,选择二次额定容量较大的互感器,减小电流互感器二次负载都是行之有效的措施。

在当前普遍应用微机保护条件下,保护装置完全有可能采用多种有效措施来减缓暂态饱和的影响,因而可对互感器选择不提出特殊要求,这样可产生重大经济效益。

例如:有一种利用小波原理防止变压器差动保护误动的新算法[4],从理论上分析和证明了当发生区外短路故障时电流互感器不会立即饱和,饱和后的暂态不平衡电流也不会立即出现的现象。基于这一认识,提出了一种利用小波精确测定故障发生时刻,利用故障发生时刻与差流出现时刻不同时的现象来防止因电流互感器饱和后产生的暂态不平衡电流所引起的变压器差动保护误动现象。从傅立叶变换发展而来的小波变换,具有多尺度分析和良好的时频局部化特性,可以准确地捕捉突变信号的特征,并能在不同频带(尺度)上考察信号频率的演化,可对奇异点进行准确分析和定位,从而可以较好地检测

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第5期故障发生时刻,根据时差法的基本原理,有效地防止由于电流互感器饱和而引起的不平衡电流导致变压器差动保护误动作。理论分析和E MTP 仿真表明:该原理在理论上是成立的,仿真效果明显,容易实现。

又如,一种基于相关度的发电机采样值差动保护新判据[5],提出利用发电机机端和中性点侧电流的

采样值波形的相关度来区分内部相间故障和外部相间故障。分析了数据窗的长度,两侧电流的幅值、相位,以及采样的同步对相关度的影响,利用短数据窗来连续计算相关度,并根据多点相关度的情况可以清楚地区分内部和外部相间故障,提出了基于相关度的发电机采样值完全纵差保护新判据,理论分析和仿真验证了该判据能够快速、可靠地切除内部故障;外部故障时,即使电流互感器严重饱和也不会误动。基于这种方法的判据能够在小于1/4周期内可靠动作,且不受频率偏移的影响。

希望继电保护开发制造部门能在这方面取得更积极有效的成果。

[参考文献]

[1]国家技术监督局1G B1208-97电流互感器[S]1北京:中国标准出版社,19971

[2]机械工程手册电机工程手册编辑委员会1电机工程手册第4卷(第2版)[M ]1北京:机械工业出版社,19971

[3]王维俭1电气主设备继电保护原理与应用[M ]1北京:中国电力出版社,19961

[4]李贵存,刘万顺,贾清泉等1一种利用小波原理防止变压器差动保护误动的新算法[J ]1电网技术,2001,25(7):48-511

[5]肖仕武,刘万顺,黄少锋1基于相关度的发电机采样值差动保护[J ]1电力系统自动化,2003,27(17):59-631

Effect and Coun term ea sure of Tran si en t Error of Curren t M utua l

I ndun t ance I m ple m en t to Genera tor L ong itud i n a l M istake Protecti on

ZHAN 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 213002)

Abstract: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 2operati on on l ongitudinal differencial p r otecti on,but it cost much and is difficult t o be installed .The cubage of the current transf or mer is als o great .It is particularly difficult t o install the TP current transf or mer in the cl ose busbar of large 2scale generat or .A ll of these measures are effective such as increasing the braking coefficient of the P cur 2rent transf or mer p r operly ,reducing the quadratic charge and increasing the rated restrictive coefficient etc .

Key words:current transfor mer;l ongitudinal differential p r otecti on;mal 2operati on;braking coefficient

责任编辑:张秀兰

34张忠禄,李东侠:电流互感器暂态误差对发电机纵差保护影响的对策