電流采樣值差動(dòng)保護(hù)技術(shù)分析

姜延軍

（重慶市開縣供電有限責(zé)任公司，重慶 405400）

相量值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性曲線上的啟動(dòng)電流、制動(dòng)電流拐點(diǎn)值和比率系數(shù)都有其明確的含義，能夠明確整定、準(zhǔn)確測(cè)量。采樣值差動(dòng)在一個(gè)數(shù)據(jù)窗內(nèi)連續(xù)重復(fù)多次判斷，如果均滿足保護(hù)動(dòng)作判據(jù)，保護(hù)動(dòng)作。由于信號(hào)量初相角的隨機(jī)性，采樣值差動(dòng)保護(hù)判據(jù)存在很大的模糊區(qū)，模糊區(qū)的存在直接影響了保護(hù)的動(dòng)作精度。采樣值差動(dòng)保護(hù)的定值除了差流門檻定值、比率制動(dòng)系數(shù)外，還有數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度尺和重復(fù)判斷次數(shù)S需要整定。R、S值沒有明確的物理意義，但其值的選取影響動(dòng)作特性模糊區(qū)的大小。

1 采樣值差動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式

圖1

與常規(guī)相量差動(dòng)保護(hù)類似，采樣值差動(dòng)判據(jù)一般由折線式制動(dòng)特性曲線構(gòu)成。其動(dòng)作曲線如圖1所示。

圖1采樣值差動(dòng)動(dòng)作曲線采樣值差動(dòng)的單點(diǎn)動(dòng)作判據(jù)如下：

式中：和 為線路本側(cè)和線路對(duì)側(cè)的電流瞬時(shí)值；為采樣值差動(dòng)的門檻值；為采樣值差動(dòng)的制動(dòng)系數(shù)。

在采樣值差動(dòng)中，為保證動(dòng)作判據(jù)的可靠性，通常采用多次重復(fù)判別的方法，即連續(xù)R個(gè)采樣點(diǎn)判

別中有不少于S個(gè)符合動(dòng)作條件，則保護(hù)動(dòng)作。其中，R和S的選擇將決定采樣值差動(dòng)的性能。

目前，部分元件保護(hù)裝置中直接設(shè)置了采樣值差動(dòng)動(dòng)作判據(jù)，采樣值差動(dòng)動(dòng)作則保護(hù)直接出口。采樣值差動(dòng)保護(hù)引入線路保護(hù)的作用則有所不同，采樣值差動(dòng)保護(hù)的主要目的是防止快速相量差動(dòng)在TA飽和或采樣值數(shù)據(jù)異常時(shí)誤動(dòng)，因此在線路保護(hù)中，可以將采樣值差動(dòng)動(dòng)作作為快速相量差動(dòng)出口的必要條件。因此，在采樣值差動(dòng)動(dòng)作判據(jù)的設(shè)計(jì)中，必須保證采樣值差動(dòng)的靈敏度。采樣值差動(dòng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）一般設(shè)置較小，主要是確保差動(dòng)電流的存在，可以設(shè)置為裝置的有流門檻（一般為0.05In）或按照一次電流大小（如120A）設(shè)定；

（2）一般選擇較小，為相量差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)的一半即可，可設(shè)為0.2～0.3。

（3）R和S的選取需要滿足靈敏度的要求。針對(duì)保護(hù)裝置采用每周期24點(diǎn)采樣的情況，選取原則為：?jiǎn)?dòng)后前半個(gè)周期內(nèi)使用"8取5"的判據(jù)；啟動(dòng)半周期后使用"20取16"的判據(jù)。

采樣值差動(dòng)保護(hù)和常規(guī)相量差動(dòng)保護(hù)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作之后設(shè)置允許快速相量差動(dòng)（一般動(dòng)作時(shí)間100ms以內(nèi)的認(rèn)為是快速相量差動(dòng)）動(dòng)作標(biāo)志，該允許標(biāo)志在采樣值差動(dòng)復(fù)位之后展寬半個(gè)周期。常規(guī)相量差動(dòng)保護(hù)滿足動(dòng)作條件后，檢查是否存在允許標(biāo)志，如果存在允許標(biāo)志，則直接出口；如果允許標(biāo)志不存在則繼續(xù)等待。允許標(biāo)志分相設(shè)置，如A相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作只允許A相快速相量差動(dòng)保護(hù)出口。

采樣值差動(dòng)保護(hù)不影響帶有較長(zhǎng)延時(shí)的相量保護(hù)（一般為100ms以上的保護(hù)段），對(duì)線路保護(hù)而言，即為零序差動(dòng)保護(hù)。具有較長(zhǎng)延時(shí)的線路零序差動(dòng)保護(hù)，作為對(duì)高阻接地故障的最后保障判據(jù)，一般故障特征不明顯，但需要保證足夠的靈敏度，因而不適宜采用采樣值差動(dòng)元件作為出口的必要條件。就零序差動(dòng)的抗飽和能力而言，較長(zhǎng)的動(dòng)作延時(shí)足以抵消暫態(tài)飽和對(duì)零序差動(dòng)的影響；而同時(shí)，零序差動(dòng)保護(hù)所針對(duì)的高阻接地故障的特殊性以及動(dòng)作延時(shí)長(zhǎng)的特征，很容易采取一些其他的附加判據(jù)增強(qiáng)其對(duì)穩(wěn)態(tài)飽和的影響。

2 采樣值差動(dòng)抗TA飽和

線路差動(dòng)保護(hù)中需要考慮電磁式電流互感器的飽和問題，現(xiàn)有的飽和判據(jù)主要采用時(shí)差法，其所依據(jù)的主要原理如下：在短路剛發(fā)生后的很短時(shí)間內(nèi)，TA未飽和，因此對(duì)于區(qū)外嚴(yán)重故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作

時(shí)間與啟動(dòng)時(shí)間之間存在時(shí)差，而對(duì)區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)的啟動(dòng)與保護(hù)的動(dòng)作基本同時(shí)，因此，通過檢驗(yàn)時(shí)差就可以判斷差動(dòng)保護(hù)是正確動(dòng)作還是由TA飽和引起的誤動(dòng)作。通過時(shí)差法檢測(cè)出TA飽和之后，將閉鎖差動(dòng)保護(hù)一段時(shí)間。

通過時(shí)差法，能夠有效防止區(qū)外故障引起暫態(tài)飽和時(shí)發(fā)生誤動(dòng)。但在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中多次出現(xiàn)如下情況：①在區(qū)外故障發(fā)生的第1個(gè)周期互感器并不飽和，但由于剩磁等多方面原因，在故障發(fā)生之后的第2個(gè)或第3個(gè)周期互感器出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象，經(jīng)過一段時(shí)間之后互感器恢復(fù)正常傳變，該類飽和仍屬于暫態(tài)飽和；②由于電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，故障電流增大導(dǎo)致部分老的互感器發(fā)生了穩(wěn)態(tài)飽和。傳統(tǒng)的時(shí)差法不能檢測(cè)出這2類互感器飽和。對(duì)于第1類特殊形式的暫態(tài)飽和，線路保護(hù)裝置必須加以考慮；對(duì)于第2類穩(wěn)態(tài)飽和，傳統(tǒng)的線路保護(hù)裝置并未考慮，而是寄希望于電力部門的合理規(guī)劃及更換互感器。對(duì)時(shí)差法檢測(cè)，如果在這段時(shí)間內(nèi)再發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)會(huì)放慢動(dòng)作速度。因此，有必要應(yīng)用采樣值差動(dòng)保護(hù)對(duì)飽和判據(jù)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。采樣值差動(dòng)保護(hù)可以有效防止快速相量保護(hù)在第1類特殊暫態(tài)飽和情況下發(fā)生誤動(dòng)，也可以有效抵消穩(wěn)態(tài)保護(hù)對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響。

采樣值差動(dòng)的一個(gè)突出特點(diǎn)是它不是計(jì)算某一數(shù)據(jù)窗的差流值，而是通過多點(diǎn)重復(fù)判別來判定動(dòng)作與否。利用這個(gè)特點(diǎn)，通過合理選擇重復(fù)判別次數(shù)R和S，可以有效抑制區(qū)外故障時(shí)TA暫態(tài)響應(yīng)不一致對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響。當(dāng)被保護(hù)元件存在外部故障時(shí)，可能由于短路電流大而導(dǎo)致TA飽和，從而使傳變到二次側(cè)的電流波形發(fā)生畸變。由于兩側(cè)TA暫態(tài)響應(yīng)存在差異，在二次側(cè)可能得到較大的差流。若采用采樣值差動(dòng)，則可利用電流過零點(diǎn)附近TA不會(huì)飽和、差流很小、不滿足動(dòng)作條件這些特點(diǎn)，適當(dāng)選擇S值來躲開不平衡電流，從而避免保護(hù)誤動(dòng)。采樣值差動(dòng)保護(hù)實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算，若啟動(dòng)一段時(shí)間后再發(fā)生飽和，電流過零點(diǎn)畸變小，采樣值差動(dòng)判據(jù)仍然不動(dòng)作，可有效防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)；如果區(qū)外飽和轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障，在區(qū)內(nèi)故障時(shí)，采樣值差動(dòng)判據(jù)可靠動(dòng)作，從而保證了裝置的動(dòng)作速度不受影響。

2009 年4 月，某變電站內(nèi)線路差動(dòng)保護(hù)裝置在主變充電時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，經(jīng)查線路無故障，屬于不正確動(dòng)作。該保護(hù)動(dòng)作時(shí)的波形如圖2所示。

圖2 本側(cè)和對(duì)側(cè)電流動(dòng)作波形

根據(jù)原始數(shù)據(jù)得到各相的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流如圖3所示。

圖3 差動(dòng)電流和制動(dòng)電流波形

通過波形可以看出：從啟動(dòng)起第2個(gè)周期之后，B相和C相明顯存在差動(dòng)電流，可知由于TA容量不夠，從而導(dǎo)致TA發(fā)生了穩(wěn)態(tài)飽和。

傳統(tǒng)的時(shí)差法無法準(zhǔn)確檢測(cè)出該類飽和，而且依靠制動(dòng)系數(shù)也已無法確保保護(hù)不誤動(dòng)。通過相量差動(dòng)保護(hù)和采樣值差動(dòng)保護(hù)計(jì)算得到的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的比較分別如圖4和圖5所示。

圖4 由相量差動(dòng)保護(hù)計(jì)算的差動(dòng)電流和0.6倍制動(dòng)電流比較

通過仿真計(jì)算和分析可知，如果采用采樣值差動(dòng)作為快速相量差動(dòng)出口的必要條件，可以有效預(yù)防穩(wěn)態(tài)TA飽和引起的誤動(dòng)，此時(shí)線路差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。

圖5 由采樣值差動(dòng)保護(hù)計(jì)算的差動(dòng)電流和0.3倍制動(dòng)電流比較

3 采樣值差動(dòng)防數(shù)據(jù)"壞點(diǎn)"

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)字化變電站技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)字化變電站與常規(guī)變電站的一個(gè)主要差異是數(shù)字化變電站采用電子式互感器取代了傳統(tǒng)的電磁式互感器。電子式互感器在實(shí)際應(yīng)用中受到變電站現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的干擾偶爾會(huì)輸出異常數(shù)據(jù)；同時(shí)在傳輸過程中，傳輸設(shè)備也有可能在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，形成異常數(shù)據(jù)（壞點(diǎn)）。在電子式互感器產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)采取必要的措施避免保護(hù)產(chǎn)生不正確的動(dòng)作行為。目前常用的方法有：

（1）通過電壓來閉鎖電流相關(guān)保護(hù)，電壓閉鎖最大的問題在于電壓判據(jù)門檻值不易選擇，錯(cuò)誤的整定甚至?xí)?dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)。

（2）通過判斷電流波形正負(fù)半周期的對(duì)稱度來檢測(cè)電流是否正常，該方法類似于勵(lì)磁涌流的判別方法，將使保護(hù)裝置的動(dòng)作速度變慢。

（3）增加電流波形異常檢測(cè)方式，就提到一種方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式TA數(shù)據(jù)的檢測(cè)。

對(duì)于線路差動(dòng)保護(hù)來說，采樣值差動(dòng)是處理異常數(shù)據(jù)（壞點(diǎn)）的一種有效手段。根據(jù)電子式互感器的設(shè)計(jì)原理和積累的異常數(shù)據(jù)分析，電子式互感器產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)通常包括以下幾種：偶然的單點(diǎn)大

數(shù)，壞點(diǎn)之間不連續(xù)；連續(xù)幾點(diǎn)大數(shù)據(jù)；一直連續(xù)產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)直流特性。

采樣值差動(dòng)的一個(gè)突出特點(diǎn)是它不是計(jì)算某一數(shù)據(jù)窗的差流值，而是通過多點(diǎn)重復(fù)判別來判定動(dòng)作與否。對(duì)于每周期24點(diǎn)采樣的線路差動(dòng)保護(hù)來說，即使啟動(dòng)后前半個(gè)周期采用"8取5"的采樣值差動(dòng)保護(hù)，也只有壞5個(gè)數(shù)據(jù)才有可能誤動(dòng)，壞數(shù)據(jù)的概率達(dá)到了60%；而啟動(dòng)半周期后采用"20取16"的采樣值差動(dòng)保護(hù)，必須達(dá)到16個(gè)壞數(shù)據(jù)保護(hù)才可能誤動(dòng)，壞數(shù)據(jù)的概率需要達(dá)到80%。對(duì)于數(shù)字化變電站來說，壞數(shù)據(jù)的概率一般不可能達(dá)到如此大的比例。

對(duì)于一直產(chǎn)生的呈現(xiàn)直流特性的大數(shù)據(jù)，采樣值差動(dòng)并不能有效避免該類異常數(shù)據(jù)對(duì)保護(hù)的影響，但可以使用其他方法進(jìn)行排除。例如：保護(hù)采用濾波算法之后，得出的工頻量將很小；或是長(zhǎng)時(shí)間存在差流閉鎖保護(hù)等方法。

在某種程度上，電子式互感器中的異常數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)電磁式互感器中受到電磁干擾后產(chǎn)生的奇異波形（如尖脈沖）類似，采樣值差動(dòng)也能有效避免傳統(tǒng)電磁式互感器受到電磁干擾后產(chǎn)生的奇異波形對(duì)保護(hù)的影響。

結(jié)語(yǔ)

采樣值差動(dòng)保護(hù)在元件保護(hù)中已有成熟應(yīng)用，將其引入線路差動(dòng)保護(hù)中，作為快速相量差動(dòng)保護(hù)出口的必要條件，將大大提高線路差動(dòng)保護(hù)的可靠性和適應(yīng)性。對(duì)于傳統(tǒng)變電站來說，采樣值差動(dòng)可以提高保護(hù)裝置抗TA飽和（特別是穩(wěn)態(tài)飽和）的能力；對(duì)于數(shù)字化變電站來說，可以提高抗異常數(shù)據(jù)（壞點(diǎn)）的能力。

[1]馮建勤;宋寅卯 基于電流采樣值的相敏過電流保護(hù) 2006-06-30

[2]隋國(guó)正 FTU中電流采樣值準(zhǔn)確性問題研究2008-09-15