异步法在T型线路电流差动保护中的应用

金恩淑，杨 健，张有才，赵 越，李全杰

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林132012;2.华能长春第四热电厂，长春130216)

在T型线路中，由于外部故障流过互感器的电流过大，会引起电流互感器(CT)的饱和，造成二次电流发生畸变。CT饱和引起的传变误差给继电保护带来了很不利的影响［1］，尤其是目前广泛应用的电流差动保护，会严重影响其动作的可靠性。因此CT饱和是研究T型线路电流差动保护时必须考虑的一个问题［2］。

异步法是基于内部故障时差动电流ΔId幅值的上升与制动电流ΔIr幅值的上升基本同步，而外部故障时差动电流ΔId幅值的上升明显滞后于制动电流ΔIr幅值的上升的原理［3］，即使在CT饱和情况下也能准确判别出内部故障和外部故障。目前，异步法只被应用在母线、发电机及变压器的差动保护中，还没有应用于T型线路里。

本文分析了现有的T型线路故障分量电流差动保护的方法，基于异步法的原理，利用发生内、外部故障时差动电流和制动电流异步变化的规律，来判别内部故障和外部故障，在外部故障情况下闭锁差动保护，以避免由CT饱和而引起的保护误动作。

1 CT饱和特性

如图1所示为CT等效电路模型图，其中u1、i1为CT一次电压和电流，u2、i2为折算后的二次电压和电流，um、im为励磁电压和电流，uL、iL为负载ZL上的电压和电流，Z1、Z2分别为一二次绕组阻抗，Zm为励磁阻抗。

图1 CT等效电路模型

CT是一个具有铁芯的非线性元件。当铁芯不饱和时，Zm的数值很大且基本不变，励磁电流im很小，近似地认为励磁支路开路，此时可认为一次电流i1和二次电流i2成正比且误差很小［4］。当接有互感器的一次主回路发生短路故障时，较大的故障电流即一次电流i1容易使CT发生饱和，Zm下降，励磁电流im增大，导致二次电流i2不能准确传变一次电流i1，一、二次电流之间的误差增大，从而影响继电保护装置的正常工作［5］。

2 T型线路的电流差动保护

图2所示线路是典型的T型线路，其中m、n、p表示T型线路的三端，k1、k2是发生内、外部故障时的故障点。

用Δm、Δn、Δp分别表示由m、n、p三端流向故障点的故障分量电流，用Δmax表示三个电流中幅值最大者，另外两个电流矢量和用ΔΣ表示。

图2 T型线路图

目前，最常用的基于故障分量电流差动保护的传统判据如下:

式(1)为辅助判据，al是动作门槛值，其目的是为了防止线路充电或稳态情况下装置误动作而引起的跳闸。式(2)为比率制动判据，用于判断保护是否跳闸，取其制动系数0＜K＜1，不等号的左边和右边分别为差动电流ΔId和制动电流ΔIr。

当发生外部故障CT饱和时，式(2)中的差动电流ΔId将增大，保护可能会误动作。虽然增大制动系数K值可以提高保护动作的可靠性，但其增大的幅度有限，并且随着制动系数K的增大会降低差动保护内部故障的灵敏性。由此可见，若要防止外部故障由于CT饱和引起的差动保护误动作，仅依靠比率制动是不够的［5］。因此，本文将异步法应用于T型线路的电流差动保护中，以判别内部故障和外部故障。

3 异步法在T型线路电流差动中的分析

3.1 异步法的判据

异步法的判据如式(3)和式(4)所示:

式中，Ith1、Ith2为槛值。

若式(3)经小延时(通常取5 ms)后满足式(4)，则判别为外部故障，反之为内部故障。若判别出是外部故障后则闭锁差动保护。

将如式(3)和式(4)所示的异步法判据应用到T型线路的电流差动保护中进行分析。

3.2 外部故障a相短路

图3所示为外部故障时a相的差动电流和制动电流波形图。

图3 外部故障a相短路

由图3(a)可见，外部故障CT未饱和时，差动电流ΔId很小，小于制动电流ΔIr，保护能正确不动作;当饱和时如图3(b)所示，在故障时刻到CT达到饱和前差动电流ΔId仍很小，一旦达到饱和后才会迅速增大，当其大于了K倍的制动电流ΔIr时，保护可能会误动作，其局部放大如图4所示。

图4 局部放大图

由图4可以看出，ΔId幅值的上升明显滞后于ΔIr幅值的上升。

3.3 内部故障a相短路

图5所示为内部故障时a相的差动电流和制动电流波形图。

图5 内部故障a相短路

由图5(a)可见，内部故障CT未饱和时，差动电流ΔId很大，大于K倍的制动电流ΔIr，保护能正确动作;当CT饱和时如图5(b)所示，虽然差动电流ΔId会减小，但也仍大于K倍的制动电流ΔIr，保护仍能正确动作。其局部放大图如图6所示。

图6 局部放大图

由图6可以看出，ΔId幅值的上升与ΔIr幅值的上升基本同步。

4 仿真验证

利用PSCAD(EMTDC)搭建如图1所示的500 KV仿真系统，取Ith1=0.1，Ith2=0.6。

事例1:外部故障。

图7是a相短路接地且CT未饱和的动作情况，图中依次给出了a相的差动电流ΔId及制动电流ΔIr，比率制动“87R”，制动信号“87BL”及跳闸“Trip”的波形。由图可见，“87R”不动作，即使基于异步法原理，可判别为外部故障，“87BL”会发出制动信号，但“Trip”也正确不动作。

图8是a相短路接地且CT饱和的动作情况，由图可见，“87R”在207 ms时动作，ΔId在202 ms时值为0.06小于Ith1，经5 ms延时后即207 ms时ΔIr值为0.774 8大于Ith2，基于异步法原理，可判别为外部故障，“87BL”在207 ms发出制动信号，“Trip”正确不动作。

事例2:内部故障。

图9是a相短路接地且CT未饱和的动作情况，由图可见，“87R”在201 ms动作，ΔId在201 ms时值为0.44小于Ith1，经5 ms延时后即206 ms时ΔIr值为0.548 4小于Ith2，基于异步法原理，可判别为内部故障，“87BL”未发出制动信号，“Trip”正确动作。

图10是a相短路接地且CT饱和的动作情况，由图可见，“87R”在201 ms动作，ΔId在201 ms时值为0.44小于Ith1，经5 ms延时后即206 ms时ΔIr值为0.196 7小于Ith2，基于异步法原理，可判别为内部故障，“87BL”未发出制动信号，“Trip”正确动作。

图7 外部故障CT未饱和

图8 外部故障CT饱和

图9 内部故障CT未饱和

图10 内部故障CT饱和

5 结 论

本文将异步法应用到T型线路中，利用差动电流ΔId和制动电流ΔIr出现的相互关系，明确地判别出T型线路的内部故障和外部故障。大量仿真表明，该方法既能在内部故障时正确动作，也解决了外部故障因CT饱和导致的保护误动的问题，确保了差动保护的可靠性。

［1］陈国清.浅析电流互感器饱和对继电保护的影响及对策［J］.自动化技术与应用，2007，26(10):115-116.

［2］雷振锋，李旭，倪传昆，等.关于T接线路差动保护应用的特殊问题探讨［J］.电力系统保护与控制，2009，37(17):57-64.

［3］沈全荣，严伟，梁乾兵，等.异步法电力互感器饱和判别新原理及其应用［J］.电力系统自动化，2005，29(16):84-86.

［4］李瑞生，路光辉，王强.用于线路差动保护的电流互感器饱和判据［J］.电力自动化设备，2004，24(4):70-73.

［5］陈明世.关于电流差动保护的比率制动特性及CT饱和检测［J］.电站设备自动化，2007，23(l):10-13.