金波　白庭河

摘 要 通過分析電力運(yùn)行中連續(xù)大負(fù)荷沖擊下線路光差保護(hù)的動(dòng)作原因，結(jié)合某變電所異常差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的案例進(jìn)行具體剖析，對其主要采集元件——電流互感器（CT）的特性進(jìn)行分析，找出電流互感器的磁滯效應(yīng)及參數(shù)設(shè)置對光差保護(hù)的影響，分析避免光差保護(hù)誤動(dòng)的原因，進(jìn)而提出提高和優(yōu)化電力線路穩(wěn)定運(yùn)行的具體措施。

關(guān)鍵詞 電流互感器 差動(dòng)保護(hù) 準(zhǔn)確限值系數(shù) 磁飽和 大負(fù)荷沖擊

中圖分類號 TM452? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B? ?文章編號 1000?3932（2023）02?0262?06

在石油化工生產(chǎn)企業(yè)的電力配電網(wǎng)中，保護(hù)電力線路的安全是非常重要的。為了保證電力線路運(yùn)行質(zhì)量，減少線路故障的發(fā)生，大多采用光纖差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行快速線路保護(hù)。光纖差動(dòng)保護(hù)在對線路進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，還能防止一些棘手故障的發(fā)生。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于不同工況下的特殊環(huán)境條件、穿越性故障等，會導(dǎo)致光纖差動(dòng)保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作。除去定值不合理的因素，還存在電流互感器的制造偏差和特性曲線不佳造成磁飽和而導(dǎo)致的誤動(dòng)等情況。

1 故障概況

某變電所3#中央變電站和下級分變電所72/149側(cè)6 kV線路電氣設(shè)備相關(guān)系統(tǒng)如圖1所示。

從現(xiàn)場西門子7SJ62保護(hù)裝置提取事件記錄（圖2、3），分析如下：72/149變電所6103柜Z2501出線柜所接負(fù)載（1 500 kW）大電機(jī)送電，運(yùn)行5 min后，電機(jī)自身的一個(gè)外部開入點(diǎn)保護(hù)工藝聯(lián)鎖跳閘，然后此跳閘開入也消失，造成開關(guān)柜西門子保護(hù)第1次跳閘，346 ms后電機(jī)再次合上；此時(shí)跳閘開入又產(chǎn)生，第2次把電機(jī)跳開；此后造成電機(jī)所在72/149變電所Ⅰ段進(jìn)線與3#中央變電站Ⅰ段線路的阿?，mMiCOM P521光差保護(hù)動(dòng)作，光差帶動(dòng)72/149快切裝置ABB SUE3000啟動(dòng)，58 ms后快速將母聯(lián)600斷路器合閘。

2 原因分析

2.1 電流互感器的磁飽和特性分析

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》（第四版）中電流互感器的性能要求可知，保護(hù)用電流互感器（CT）在系統(tǒng)運(yùn)行和故障時(shí)均需滿足運(yùn)行參數(shù)，且完成一、二次電流轉(zhuǎn)換后誤差需符合性能曲線并在定值范圍內(nèi)，其中鐵芯飽和參數(shù)對CT的影響最大。啟動(dòng)電流有時(shí)會超過15～20倍的額定電流，當(dāng)CT變流比較大時(shí)，實(shí)際分析較難。

利用伏安特性測試電流互感器CT的飽和點(diǎn)時(shí)，在通過大電流工作時(shí)，為保證線性輸出，需盡量延后飽和時(shí)長，鐵芯磁通密度通過CT上的感應(yīng)電勢體現(xiàn)。

因原方開路，所以二次側(cè)所加交流電壓U產(chǎn)生的二次電流I等于激磁電流I。由于沒有原方電流的去磁作用，故在小電流下鐵芯即可達(dá)到飽和，無需增大電流即可實(shí)現(xiàn)伏安特性測試。U的計(jì)算式如下：

72/149變電所線路發(fā)生大電流沖擊時(shí)，由于短路電流較大并伴有非周期分量，使得CT在暫態(tài)區(qū)域發(fā)生磁飽和。剩磁一旦產(chǎn)生，因正常運(yùn)行電流的小磁滯回線使得剩磁不易消除，故剩磁在鐵芯中一直要保留到后續(xù)去磁才能消除。通常采用的去磁方法是每次擾動(dòng)后用外部去磁法將互感器去磁，但對于運(yùn)行中的電流互感器來說，這種方法在實(shí)際中是無法實(shí)現(xiàn)的。

過早的磁飽和將導(dǎo)致微機(jī)保護(hù)動(dòng)作異常，線路故障跳閘后重合于故障時(shí)主變差流速斷保護(hù)誤動(dòng)就是明顯的例證。所以必須在設(shè)計(jì)、基建調(diào)試、運(yùn)行檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)采取措施，抑制磁飽和對保護(hù)造成的影響。

2.2 電流互感器準(zhǔn)確限值系數(shù)對差動(dòng)保護(hù)的影響

電流互感器作為高壓配電網(wǎng)中基本的檢測和保護(hù)轉(zhuǎn)換裝置，必須滿足保護(hù)裝置的準(zhǔn)確級參數(shù)要求。圖4為差動(dòng)保護(hù)與電流互感器的交流回路示意圖。

電流互感器二次阻抗Z=2Z+Z，其對應(yīng)的額定二次負(fù)載阻抗為Z，當(dāng)0.2Z≤Z≤Z時(shí)，CT才能達(dá)到標(biāo)稱的準(zhǔn)確級。當(dāng)CT低于標(biāo)稱值時(shí)，會引起采樣偏差，嚴(yán)重時(shí)會引起誤動(dòng)或拒動(dòng)從而造成電氣事故，所以有必要對其進(jìn)行校核。

首先比較72/149和中3線路兩側(cè)的CT實(shí)測參數(shù)，詳見表1。由表1可以看到，兩側(cè)CT型號及額定變流比均相同，但準(zhǔn)確度等級不同，中3側(cè)為5P15，72/149側(cè)為5P10，兩側(cè)二次負(fù)荷的測量值也不同。

DL/T 866—2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算規(guī)程》規(guī)定，保護(hù)用電流互感器準(zhǔn)確級以該準(zhǔn)確級在額定準(zhǔn)確限值一次電流下的最大允許復(fù)合誤差的百分?jǐn)?shù)標(biāo)稱，P前的數(shù)字越小精度越高，后面的10、15、20…表示其準(zhǔn)確限值系數(shù)，例如：5P15表示當(dāng)一次電流是額定一次電流的15倍時(shí)，該繞組的復(fù)合誤差不大于±5%。如果一次電流較大，就要選用更高的5P20或5P30。

表1中，中3側(cè)額定變流比為800/5、準(zhǔn)確度等級為5P15，額定二次容量為15 VA，通過計(jì)算一次側(cè)額定電流應(yīng)該在800 A×15倍=12000 A=12 kA時(shí)，誤差不大于±5%；實(shí)測二次側(cè)阻抗為1.2 Ω。72/149變電所側(cè)額定變流比為800/5、準(zhǔn)確度等級為5P10，額定二次容量為10 VA，通過計(jì)算一次側(cè)額定電流應(yīng)該在800 A×10倍=8000 A=8 kA時(shí)，誤差不大于±5%；實(shí)測二次側(cè)阻抗為0.4 Ω。由此可計(jì)算出中3側(cè)電流互感器額定二次負(fù)載阻抗為：

計(jì)算得到的實(shí)際準(zhǔn)確限值系數(shù)僅為原設(shè)計(jì)值5P15的一半，即實(shí)際為5P7.5的準(zhǔn)確級，因此所提供的CT不滿足系統(tǒng)特性，當(dāng)提高一次電流時(shí)，CT會提前出現(xiàn)局部飽和，該線路選型的CT準(zhǔn)確限值系數(shù)不符合要求。

2.3 光差保護(hù)定值參數(shù)動(dòng)作情況分析

光差保護(hù)（P521）啟動(dòng)時(shí)電流差值及相角差值見表2。

P521差動(dòng)保護(hù)定值見表3。

從現(xiàn)場啟動(dòng)值、電流差等數(shù)據(jù)看，兩側(cè)P521保護(hù)時(shí)鐘存在時(shí)差，兩側(cè)CT變流比均為800/5，根據(jù)P521的故障記錄值（圖5），用C相故障電流來分析。C相差動(dòng)電流為812 A，兩側(cè)P521采樣所得的差流相近；兩側(cè)三相電流中，均為C相電流最大，動(dòng)作時(shí)的制動(dòng)電流I=（I+I）/2=（1468+1087）/2=1277.5 A。

根據(jù)P521的動(dòng)作特性，知其制動(dòng)電流I（1 277.5 A）大于制動(dòng)電流門檻值I（800 A），說明動(dòng)作區(qū)間在k斜率上（圖6），對應(yīng)的理論差動(dòng)電流（根據(jù)現(xiàn)場保護(hù)整定值計(jì)算得出）為k×I-（k-k）×I+I=1277.5×0.5-（0.5-0.25）×800+240=678.7 A，P521所采樣的差動(dòng)電流（812.000 A）大于制動(dòng)電流對應(yīng)的理論差動(dòng)電流值678.7 A，所以P521差動(dòng)應(yīng)該動(dòng)作。

從諧波產(chǎn)生的原因分析有以下可能：大電機(jī)啟動(dòng)過程中跳閘，產(chǎn)生較大的剩磁；第2次合閘造成了電壓驟降（時(shí)長約40 ms），恢復(fù)正常后由于還有其他負(fù)荷存在，故產(chǎn)生涌流。

從P521差動(dòng)動(dòng)作前的波形來看，正常運(yùn)行時(shí)，三相基本平衡，而且諧波量很低，大電流出現(xiàn)時(shí)，就有很大的諧波量，而且還造成2CT合成的B相電流比其他兩相偏小，很大的不平衡電流造成了CT斷線（負(fù)序電流/正序電流>40%）；然后不平衡電流較小時(shí)，CT斷線恢復(fù)，此時(shí)差動(dòng)電流仍然達(dá)到動(dòng)作條件，所以保護(hù)動(dòng)作。

從光差保護(hù)原理看，設(shè)置第2段曲線（圖7中的k斜率）就是為了在區(qū)外發(fā)生嚴(yán)重穿越性電氣故障時(shí)提高裝置穩(wěn)定性。而在設(shè)置該定值時(shí)未注<＼＼Pc18＼本地磁盤（e）＼李玲＼化工自動(dòng)化及儀表＼2023年自動(dòng)化儀表＼第2期＼金波7.tif>

意該參數(shù)的主要作用，現(xiàn)場實(shí)際設(shè)置如圖8所示。

根據(jù)P521保護(hù)說明書，發(fā)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作定值需要重新校驗(yàn)。P521用戶手冊中k值為經(jīng)典整定值，已廣泛用于3～500 kV范圍的高壓供電線路保護(hù)中，并取得了良好的效果，故按照推薦值將第2段斜率k由50%調(diào)整為150%以適應(yīng)嚴(yán)重穿越性故障時(shí)的穩(wěn)定性。

I是k值起效時(shí)的制動(dòng)電流值，一般情況下的推薦值2 pu是差動(dòng)動(dòng)模測試值，現(xiàn)場一次電纜最大承載電流為540 A，推薦最大負(fù)載應(yīng)不超過這個(gè)值，故原整定值800 A是合適的。

k需要考慮區(qū)外重故障時(shí)導(dǎo)致的不平衡電流，包括CT飽和。由于P521沒有獨(dú)立的判定飽和算法，第2段斜率不應(yīng)小于100%，推薦的150%是差動(dòng)保護(hù)動(dòng)模測試時(shí)既考慮了差動(dòng)的靈敏度又考慮了區(qū)外故障穩(wěn)定性所選取的值。所以其他廠家的差動(dòng)保護(hù)整定值不具有參考性。

第2段斜率由50%調(diào)整為150%時(shí)，需重新計(jì)算：C相差動(dòng)電流不會隨斜率調(diào)整而變化，故仍為812 A；C相制動(dòng)電流不會隨斜率調(diào)整而變化，故依舊為（1468+1087）/2=1277.5 A；根據(jù)新的調(diào)整值，制動(dòng)電流1 277.5 A所對應(yīng)的理論差動(dòng)電流為：

采樣差流值比理論動(dòng)作點(diǎn)小，可躲過，此時(shí)差動(dòng)不動(dòng)作。

3 改進(jìn)措施

差動(dòng)保護(hù)在大電流多次沖擊下，易造成多個(gè)特性的偏差甚至產(chǎn)生誤動(dòng)，可通過以下改進(jìn)措施提高可靠性：

a. 為了避免線路差動(dòng)保護(hù)的CT在大電流工作時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)，差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)需要選用相同廠家、相同型號的CT。這是因?yàn)椴煌瑥S家、不同批次的CT特性不一樣，兩側(cè)CT在區(qū)外故障及故障恢復(fù)時(shí)，暫態(tài)特性偏差較大，且容量還需滿足最大負(fù)載的保護(hù)級CT。同時(shí)需校驗(yàn)實(shí)測保護(hù)CT的飽和點(diǎn)是否滿足伏安特性曲線，是否會產(chǎn)生誤動(dòng)的可能性，否則需更換精度及容量更大的CT或加大二次側(cè)電纜截面，以確保采樣精度。

b. 光纖差動(dòng)保護(hù)裝置本身制動(dòng)特性差，制動(dòng)電流門檻值受大電流沖擊產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流的直流和二次諧波分量影響，易使CT飽和在非線性區(qū)，使線路兩側(cè)CT采樣波形誤差較大，引起保護(hù)誤動(dòng)，但可根據(jù)P521這類專用光差保護(hù)中的特殊高制動(dòng)斜率k參數(shù)的正確設(shè)置來保證在嚴(yán)重穿越性故障時(shí)裝置的可靠性。

c. 電流互感器的準(zhǔn)確限值系數(shù)是判定電流互感器是否滿足大電流沖擊下數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍有效的重要參數(shù)，可通過模擬二次負(fù)荷或勵(lì)磁曲線測量法進(jìn)行數(shù)據(jù)核查，對于電流互感器正確選用準(zhǔn)確值防止誤動(dòng)極為有效。

4 結(jié)束語

差動(dòng)保護(hù)作為電力系統(tǒng)提高線路大電流沖擊保護(hù)的重要手段，其可靠性越來越受到重視，尤其配合快速開關(guān)進(jìn)行投切關(guān)鍵開關(guān)尤為重要，同時(shí)也使其配合上下級保護(hù)應(yīng)用前景十分廣闊。因此保證差動(dòng)保護(hù)相應(yīng)參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確是電網(wǎng)安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要課題，通過配置合適的差動(dòng)保護(hù)不僅對就地保護(hù)的可靠性提供了保障，也可提供遠(yuǎn)端后備保護(hù)。通過研究可以更加精準(zhǔn)地提供保護(hù)相關(guān)元件的選型及保護(hù)定值的相關(guān)參數(shù)確定，最終使石油化工企業(yè)的電氣系統(tǒng)構(gòu)成強(qiáng)有力的保護(hù)機(jī)制。

（收稿日期：2022-07-29，修回日期：2023-02-13）

作者簡介：金波（1975-），工程師，從事石油化工企業(yè)電力自動(dòng)控制及保護(hù)試驗(yàn)等工作，jinbo@petrochina.com.cn。

引用本文：金波，白庭河.連續(xù)大負(fù)荷沖擊下光差保護(hù)動(dòng)作原因分析與改進(jìn)措施［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2023，50（2）：262-267.