基于檢測電流變化量的母線快速CT斷線判斷方案

康豐，周小波，唐治國

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211100)

0 引言

電力系統(tǒng)中發(fā)生電流互感器(CT)斷線時，要求各種保護不要誤動［1－4］，此要求對于母線保護來說尤其重要［5－8］。若斷線單元的斷線電流大于母線保護的動作電流值，且母線保護的比率制動特性也滿足要求，母線保護往往會發(fā)差動保護動作［9］。在220kV電壓等級及其以下的母線保護往往由電壓閉鎖來防止大電流CT斷線導致的母線保護誤動。然而，330 kV及其以上電壓等級的母線保護往往由于電壓靈敏度的問題取消了電壓閉鎖邏輯，此時大電流CT斷線往往會導致母線保護動作出口，切除母線上所有單元。目前，CT斷線的判別往往通過母線差流產(chǎn)生的時刻開始計時，差流一直存在且滿足一定的延時，母線保護才發(fā)CT斷線閉鎖信號來提示母線保護已經(jīng)被閉鎖［10－11］。此方法不能快速地反映CT斷線，且存在母線保護誤動的風險。本文提出的方案是利用母線保護數(shù)據(jù)采集量大的特點，通過分析故障時刻的數(shù)據(jù)量及CT斷線時刻數(shù)據(jù)量的特征，快速、有效地分析出母線保護的CT斷線。

1 母線保護的數(shù)據(jù)量特征分析

1.1 母線保護的區(qū)內外故障波形特征分析

圖1為典型3/2接線的母線實時數(shù)字仿真儀(RTDS)模型，此模型含有2個串回路、1個大電源發(fā)生器及線路雙回回路等。交流互感器IBUR5(以下簡稱I5)和IBUR6(以下簡稱I6)的二次電流接入母線保護。在母線發(fā)生故障時對I5和I6的電流波形進行分析。

圖1 母線保護仿真模型接線

母線保護發(fā)生區(qū)內或區(qū)外故障時，其顯著特征為母線保護制動電流發(fā)生明顯變化，如圖2(母線區(qū)外故障)和圖3(母線區(qū)內故障)所示。從圖2可以看出，母線的制動電流(IFA)發(fā)生變化，其IFA增大，但母線保護無差動電流(IDCA);從圖3可以看出，母線保護的IFA也發(fā)生了變化，其IFA變大，但母線保護存在IDCA。從圖2和圖3還可以看出，每個母線間隔電流都有變化，特別在其故障相，每個間隔電流往增大的方向增加。在故障期間，間隔三相電流的平衡被打破，導致間隔單元存在零序電流。

1.2 母線保護CT斷線時的波形特征分析

當母線發(fā)生CT斷線時，其波形如圖4(母線CT斷線)所示。從圖4可以看出，I5A的電流斷線，母線保護的制動電流發(fā)生了變化，但 IFA變小;在波形圖中也可以看出母線保護產(chǎn)生了IDCA，其大小為斷線相的電流大小。再觀察母線保護間隔的電流，發(fā)現(xiàn)只有斷線間隔有零序電流，其他間隔無零序電流。由于現(xiàn)在母線保護的差動判據(jù)能在20 ms內判出差動故障，而目前母線CT斷線判據(jù)的延時往往為秒級，故圖4的波形往往容易造成母線保護誤動。

圖2 母線保護區(qū)外故障波形

圖3 母線保護區(qū)內故障波形

2 母線保護快速CT斷線關鍵技術

為了解決母線保護裝置在大電流CT斷線(斷線相的電流大于母線保護的差動定值)時易誤動的問題，該技術利用電流變化量的變化特征，配合其他輔助判據(jù)，能有效區(qū)分故障與斷線，達到母線保護不誤動的目的。

2.1 基于電流變化量的母線保護快速CT斷線技術方案

通過分析目前應用較為廣泛的CT斷線方案，提出以下技術方案:通過分析母線上連接的各單元(母聯(lián)、線路、變壓器等)的電流變化量特征來判斷CT斷線。電流變化量與預設門檻比較可分為向上變化、向下變化及無變化3種，統(tǒng)計母線上的3種電流變化量，將統(tǒng)計值與制動電流的變化量結合，使得母線保護CT斷線行為正確而且快速。

圖4 母線保護的CT斷線波形圖

2.2 技術實現(xiàn)

以圖5為例，母線上有3個單元，分別為單元1、單元2和單元3，其步驟如下。

圖5 3個單元的母線示意

2.2.1 步驟1:數(shù)據(jù)采集

對母線上各連接單元A，B，C三相電流以恒定的采樣頻率進行電流采樣。母線上所有連接單元如圖5所示:以單母線為例，連接單元為 I1，I2，I3，其中I1，I2，I3可定義為主變壓器、線路等。

2.2.2 步驟2:計算各單元每相電流變化量和零序電流

分別計算母線上各連接單元A，B，C三相電流變化量，然后電流變化量與預設定值(Iset1)相比較判斷電流變化方向，并記住每相電流的變化方向。其計算方法如下:

式中:I為前采樣點電流;I1為前兩周波采樣點電流，Φ分別為A，B，C三相;n表示母線上的第n個連接單元;ΔI表示在當前采樣點的電流與前n個周波對應采樣點的電流之差。在圖5所示連接單元中，各單元電流變化量(以I1C為例)為

式中:I1Cj為當前計算點C相電流;I1Cn為上n周波對應采樣點。

計算每個單元的零序電流

式中:InL為n支路的當前零序采樣點電流;InA，InB，InC為n支路當前采樣點電流。

以第1單元的零序電流示例，則I1L=I1A+I1B+I1C。據(jù)此可求出各單元的零序電流I1L，I2L，I3L。經(jīng)過如下處理后，判別出零序電流存在支路，具體比較如下(第1單元為例):I1L＞Iset1時，第1單元判存在零序電流，NL1=1;否則判無零序電流，NL1=0。

2.2.3 步驟3:計算差流及制動電流及其變化量

分別依據(jù)母線的差流和制動電流計算公式

求出母線保護每相的差流和制動電流(以C相為例):

計算制動電流的變化量

式中:ΔIf為制動電流變化量;If1為前n個周波的制動電流;If為當前采樣點的制動電流。

以C相為例，ΔIfCj=IfCj－If1Cj?？蓳?jù)此求出A，B，C三相制動電流的變化量，并與母線保護的差動定值做比較，判別制動電流的變化(以C相為例):當ΔIfCj＞母線保護的差動定值時，制動電流向上變化，NFUC=1;否則制動電流無向上變化，NFUC=0;以此類推，可計算出A，B相的差流和制動電流及制動電流的變化量NFUA，NFUB。

2.2.4 步驟4:電流變化量的統(tǒng)計

統(tǒng)計電流變化量，主要統(tǒng)計電流向上的變化量(N1)、向下的變化量(N2)以及制動電流向上的變化量(N4)、零序電流產(chǎn)生單元的數(shù)量(N3)。以圖5所連接的3個單元為例:

2.2.5 步驟5:通過統(tǒng)籌判斷CT斷線

(1)電流變化量向上的總數(shù)(N1)大于0。

(2)電流變化量向下的總數(shù)(N2)大于1。

(3)零序電流的總數(shù)(N3)大于1。

(4)制動電流向上變化量的總數(shù)(N4)大于0。

當上面4個條件有1個滿足時，則不進行快速CT斷線判別。當上面的條件都不滿足時，則進行快速CT斷線判別，其步驟如下。

第1步:若判斷電流向下的總數(shù)(N2)為1，則記住電流向下變化的單元及其相別。

第2步:若零序電流的總數(shù)(N3)等于1，則記住零序電流存在的單元。

第3步:母線保護的差流Id大于CT斷線閉鎖的定值，則記住差流存在的相別。

第4步:當差流存在的相別與電流向下變化的相別一致且電流變化的單元與零序存在的單元一致時，則進一步判斷快速CT斷線。

第5步:前面4步都滿足時，則對斷線單元的電流進行比較。電流向下變化的相別電流要最小，其他兩相電流都比斷線相電流大且大小相近。

當這5步運行完畢且條件都滿足時，則認為母線保護的快速CT斷線條件滿足，為了滿足可靠性要求，連續(xù)判斷M(M小于1個周波的采樣點數(shù))個點，如果M個點全面滿足條件，則認為母線保護CT斷線，發(fā)CT斷線信號，閉鎖母線保護，其邏輯如圖6所示。

2.3 技術的應用

利用上面的5個步驟分析圖2(母線區(qū)外故障)、圖3(母線區(qū)內故障)和圖4(母線大電流CT斷線)的波形，來檢驗此技術的正確與有效。

(1)圖2為母線區(qū)外故障(A相)錄波圖，利用上面的公式可以算出 N1=2，N2=0，N3=2，N4=1。由于N1＞0或N3＞1，則認為母線發(fā)生了故障而不是發(fā)生了CT斷線，不閉鎖母線保護。

(2)圖3為母線區(qū)內故障(A相)錄波圖，利用上面的公式可以算出 N1=1，N2=0，N3=1，N4=0。由于N1＞0或N3＞1，故認為母線發(fā)生了故障而不是發(fā)生了CT斷線，不閉鎖母線保護。

圖6 基于電流變化量的母線保護快速CT斷線邏輯

(3)圖4為CT斷線時的錄波圖，圖4中母線I5 A相斷線，A相為大電流CT斷線，斷線時產(chǎn)生的差流大于斷線閉鎖定值且還大于母線保護動作定值。利用上面的公式則可以算出:N1=0，N2=1，N3=1，N4=0。此時差流產(chǎn)生的相別與電流變化的相別一致，電流變化的單元與零序存在的單元一致，C相的電流斷線后降到了無流門檻以下，A和B相電流的幅值遠大于C相電流且A和B相電流大小相差不大。故此判據(jù)很快地判出第1單元C相斷線并閉鎖母線保護。如果無此判據(jù)，母線保護由于差流滿足條件會誤動作。

3 結束語

綜上所述，利用基于電流變化量的母線保護的快速CT斷線判斷方案，能準確地判斷出CT斷線單元及其斷線相，能及時閉鎖母線保護，防止母線保護誤動。尤其對沒有電壓閉鎖的母線保護，此判據(jù)能夠有效地防止其大電流CT斷線引起的母線保護誤動。電流變化量的快速CT斷線有效地解決了母線保護大電流CT斷線誤動的難題，該技術可用于母線保護裝置，提高母線保護的安全性。

［1］GB/T 14285—2006繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程［S］.

［2］周玉蘭.1999—2003年全國電網(wǎng)元件保護運行情況分析［J］.中國電力，2005，38(5):13 －19.

［3］周玉蘭，許勇，王俊永，等.2000年全國電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置運行情況［J］.電網(wǎng)技術，2001，25(8):63－75.

［4］朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護原理與技術［M］.北京:中國電力出版社，1995.

［5］周玉蘭，王俊永.2001年全國電網(wǎng)主設備保護預先分析［J］.電力自動化設備，2002，22(11):78 －82.

［6］周玉蘭.2003年上半年全國電網(wǎng)元件保護運行情況分析［J］.中國電力，2004，37(5):43 －46.

［7］陸征軍，呂航，李力.輸電線路分布電容對快速母線差動保護的影響［J］.繼電器，2005，33(1):68－72.

［8］王春生，卓樂友，艾素蘭.母線保護［M］.北京:中國電力出版社，1987.

［9］汪覺恒，唐衛(wèi)華.國內外各類母線保護技術特性分析［J］.電力自動化設備，2000，20(1):43 －45.

［10］王梅義.電網(wǎng)繼電保護應用［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［11］DL/T 587—2007微機繼電保護裝置運行管理規(guī)程［S］.