一起因CT饱和引起母线保护误动的事故分析

2013 第十四届全国保护和控制学术研讨会
= B 由图 3 和图 4 可以可见 A 相接地故障发展
为三相接地故障后，A 相未发生饱和，而 B、 C 相均发生饱和。 另外虽然 C 相先于 B 相饱和， 但 B 相饱和的速度要大于 C 相， 主要是由于 B 相故障电流的直流分量较 C 相更大一些，通过 与故障录波对比，可以看出仿真很好的再现了 电流互感器发生饱和的过程。图 5 为故障电流 的直流分量，可以看到，B 相故障电流的直流 分量最大，A 相最小。由此可见直流分量是造 成 B 相和 C 相饱和的原因所在， 从而也验证了 事故分析得到的结论。
3
一起因 CT 饱和引起母线保护误动的事故分析
白加林 等
Ireal 1
运行中采用的变比是 600/5。 表 1 为抽头调整前 后互感器实测拐点电动势和暂态欲度系数的对 比。可见若将 104 间隔的电流互感器变比由 600/5 调整为 1200/5，可以很大程度的提高此 障下的仿真结果。图中 Ict_A、Ict_B、Ict_C 依 次为 A、B、C 相电流互感器输出的二次电流， Ia、Ib、Ic 依次为 A、B、C 相电流互感器输出 二次理论电流。可以看到，变比调整为 1200/5 后互感器没有出现饱和。
(
(
)
= Tb
( Lct + Lb )
Rs ； δ = tan −1 ωTs ； Le —励磁电抗；
ϕ = tan −1 ωTb ；
K n —互感器变比； A —铁芯截面积； N s —二次绕组匝数； Ts 、 Tb —分别为二次回路时间常数和负载
回路时间常数。 当铁芯励磁磁通密度 B 超过一定数值后， 随着 H 变化的能力将大大降低，即铁芯将进入 饱和状态。由此，可见电流互感器饱和不仅与 铁芯的磁滞回线特性、铁芯剩磁有关，还与短 路电流幅值、 短路电流的偏移角、 二次回路 （包 括互感器二次绕组）的阻抗、电流互感器的工 频励磁阻抗、电流互感器变比、电流互感器匝 数、铁芯截面积等诸多因素有关。 由于式 （2） 是假定互感器工作于励磁特性 的线性部分，即互感器工作在未饱和状态，且 没有考虑剩磁的影响，因此不适用于铁芯饱和 后的特性分析，对于剩磁引起的暂态饱和分析 需另作推导。为进一步了解电流互感器的暂态 特性，本文在所建立的此次事故仿真模型基础 上，对互感器的暂态特性做了仿真分析。 4.1 增大电流互感器变比 由式（2） ，在其它各参数不变的情况下， 增大变比磁通密度将降低，从而可以提高电流 互感器的抗饱和能力。对于抽头在二次绕组的 互感器，由于在高变比时互感器的变比、二次 绕组匝数均为低变比的 2 倍，若不考虑调整抽 头引起的互感器阻抗变化，根据式（2）可见在 同一故障电流下低变比时的励磁磁通密度为高 变比时的 1/4。 即使考虑调整抽头引起的互感器 阻抗变化，同一故障电流下励磁磁通密度在高 变比时应约为低变比的 2 倍。 本文分析的事故中，104 间隔电流互感器 的变比为 2×600/5， 且抽头在互感器二次绕组，
由于电流互感器的励磁特性的高度非线
性，使得其暂态过程的解析计算很复杂。在使 用上，为了简化，通常是假定互感器工作于励 磁特性的线性部分，求取在不同时刻的工作特 性。这种特性在互感器铁芯未饱和前是近似可 用的 。由电力系统故障分析理论可以得到， 短路时一次电流瞬时值可以用下式表示：
[1]
= ip (t )
30 20 10 0 -10 -20 -30 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 50 40 30 20 10 0 -10 0.000 Ia_dc
2 I pac Le 1 + ω 2Tb2 cos (θ + ϕ − δ ) e −t /Ts − cos N s K n A 1 + ω 2Ts2 T −T (ωt + θ + ϕ − δ ) ) + Tp − Tb e−t /Tp − e−t /Ts cos θ p s （2） 式中： Ls = Le + Lct + Lb ； Ts = Ls Rs ；
0
引言
电流互感器作为电力系统的重要测量元
器的饱和特性的方法进行讨论。
1
事故概况
近年，我省某 220kV 变电站的一回 110kV
件，广泛应用于保护、测量、监控等各个领域。 保护用电流互感器性能应满足系统或设备故障 工况的要求，即在短路时，将电流互感器所在 回路的一次电流传变到二次回路，且误差不超 过规定值[1]。造成电流互感器的误差主要因素 是铁芯的非线性与饱和，其中铁芯饱和是影响 其性能的最重要因素。电流互感器的饱和主要 分为由大容量短路稳态对称电流引起的稳态饱 和由短路电流的直流分量和铁心剩磁引起的暂 态饱和两类。铁芯的严重饱和将会使电流互感 器二次电流产生严重失真，进而导致保护装置 的误动或拒动。 目前，在电力系统中广泛采用电流差动式 保护来实现母线快速保护。然而由于高压母线 短路电流很大，且在外部故障时流过各支路的 电流差别也很可能很大。这将会造成某些支路 的电流互感器出现饱和，不能正确传变一次电 流，导致母线保护装置中产生差流而误动。随 着电网的不断发展， 系统的短路容量不断增大， 电流互感器的饱和问题变得更加棘手。 近几年， 国内发生了多起因电流互感器饱和造成保护误 动或拒动的事故[2~5]。 我省也发生了一起因区外 故障电流互感器饱和导致 110kV 母线保护误动 的事故。为了对电流互感器的饱和行为有更深 入的认识，文中将针对我省发生的这起母线保 护区外动作行为进行分析，并对改善电流互感
I (A)
T (Sபைடு நூலகம்) B c B a
Fig.3
B b
0 .0 0 0
0 .0 2 0
0 .0 4 0
0 .0 6 0
0 .0 8 0
0 .1 0 0
0 .1 2 0
0 .1 4 0
0 .1 6 0
图4 Fig.4
电流互感器磁通密度仿真结果 Simulation result of flux density 2
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白加林 等
提供故障电流 15.4A，108 间隔提供故障电流 7A （电流互感器变比 600/5 ，按照基准变比 1200/5 折算为 3.5A） ，104 间隔电流 68.2A（以 A 相电流推算，间隔电流互感器变比为 600/5， 按照基准变比 1200/5 折算为 34.1A） 。 母线保护 动作时差流值为 27.8A，和电流值为 40.76A， B 相满足比率制动条件，母线保护装置动作跳 110kV Ⅱ母所有间隔。 事故发生后，试验检修人员对母线保护回 路接地情况，电流互感器介损、绝缘、伏安特 性、变比、二次负载等进行试验，均未发现异 常。 由图 2 所示的 104 间隔故障录波可以看出， 三相短路时，104 间隔 B、C 相故障电流中有 较大的直流分量，且 B 相最大。50ms 时 B 相 电流互感器开始出现严重饱和，导致进入母线 保护装置的电流波形出现严重畸变，装置感受 到差电流，在 58.3ms 时刻动作跳闸。因此，电 流互感器暂态饱和使得二次传变电流严重畸 变，是造成此次母线保护在区外故障时动作跳 闸的主要原因。
I ct A 1 0 0 5 0 I a
[5]
，
PSCAD/EMTDC 中的电流互感器模型正式采
IA (A)
0 -5 0 -1 0 0 1 0 0 5 0 I ct B I b
IB (A)
0 -5 0 -1 0 0
0 ms 启动
-1 5 0 1 5 0 1 0 0 I ct_ C I c
IC (A)
图2 Fig.2
104 间隔故障录波
5 0 0 -5 0
Fault recorder of 104 interval
-1 0 0 T (S ) 0 .0 0 0 0 .0 2 0 0 .0 4 0 0 .0 6 0 0 .0 8 0 0 .1 0 0 0 .1 2 0 0 .1 4 0 0 .1 6 0
Ic_dc (A)
Ib_dc
Ib_dc (A)
Ic_dc
Ia_dc (A)
T (S )
0.020
0.040
0.060
0.080
0.100
0.120
0.140
0.160
图5
104 间隔故障电流直流分量仿真结果 DC component of fault current
Fig.5
4
防止电流互感器饱和的方法
2013 第十四届全国保护和控制学术研讨会
一起因 CT 饱和引起母线保护误动的事故分析
白加林，王宇恩，赵武智
(贵州电网公司电力调度控制中心，贵州贵阳 550002)
摘要：针对现场运行中发生的一起 110kV 母线保护区外故障动作的行为进行了分析，并 通过 PSCAD/EMTDC 再现了事故。根据事故分析和仿真结果表明此次事故是由于故障电 流中的直流分量造成电流互感器饱和，进而导致保护装置误动作。通过理论和仿真分析 了防止电流互感器饱和的方法，分析表明增大电流互感器变比、绕组匝数、铁芯截面积， 减小二次回路阻抗、铁芯剩磁等可以有效提高电流互感器的抗饱和能力。 关键词：电流互感器；饱和；暂态仿真；PSCAD/EMTDC
2 I pac e
− t / Tp
cos θ − cos (ωt + θ )
（1）
式中： I pac —稳态短路电流的有效值；
θ —短路初始时刻电流与电压的夹角； TP —系统一次回路时间常数。
若不考虑剩磁的影响，根据文献[1]的附录 A 中的公式可以推导得到励磁磁通密度 B 的公 式：
1
出线（104 间隔）发生 A 相接地故障，40ms 左右后发展为三相接地故障，58.3ms 时 110kV 母线保护动作跳 110kV Ⅱ母所有间隔，81ms 时 104 间隔线路保护相间距离Ⅰ段保护动作跳 104 间隔，故障持续约 99ms。故障前此变电站 110kV 系统的运行方式见图 1，110kV Ⅰ、Ⅱ 组母线并列运行， 104 间隔运行在 110kV Ⅱ母。