連續大負荷沖擊下光差保護動作原因分析與改進措施

金波　白庭河

摘 要 通過分析電力運行中連續大負荷沖擊下線路光差保護的動作原因，結合某變電所異常差動保護動作的案例進行具體剖析，對其主要采集元件——電流互感器（CT）的特性進行分析，找出電流互感器的磁滯效應及參數設置對光差保護的影響，分析避免光差保護誤動的原因，進而提出提高和優化電力線路穩定運行的具體措施。

關鍵詞 電流互感器 差動保護 準確限值系數 磁飽和 大負荷沖擊

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

在石油化工生產企業的電力配電網中，保護電力線路的安全是非常重要的。為了保證電力線路運行質量，減少線路故障的發生，大多采用光纖差動保護進行快速線路保護。光纖差動保護在對線路進行保護的同時，還能防止一些棘手故障的發生。但在實際應用中，由于不同工況下的特殊環境條件、穿越性故障等，會導致光纖差動保護發生誤動作。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致的誤動等情況。

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6 kV線路電氣設備相關系統如圖1所示。

從現場西門子7SJ62保護裝置提取事件記錄（圖2、3），分析如下：72/149變電所6103柜Z2501出線柜所接負載（1 500 kW）大電機送電，運行5 min后，電機自身的一個外部開入點保護工藝聯鎖跳閘，然后此跳閘開入也消失，造成開關柜西門子保護第1次跳閘，346 ms后電機再次合上；此時跳閘開入又產生，第2次把電機跳開；此后造成電機所在72/149變電所Ⅰ段進線與3#中央變電站Ⅰ段線路的阿海琺MiCOM P521光差保護動作，光差帶動72/149快切裝置ABB SUE3000啟動，58 ms后快速將母聯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《工業與民用供配電設計手冊》（第四版）中電流互感器的性能要求可知，保護用電流互感器（CT）在系統運行和故障時均需滿足運行參數，且完成一、二次電流轉換后誤差需符合性能曲線并在定值范圍內，其中鐵芯飽和參數對CT的影響最大。啟動電流有時會超過15～20倍的額定電流，當CT變流比較大時，實際分析較難。

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

因原方開路，所以二次側所加交流電壓U產生的二次電流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到飽和，無需增大電流即可實現伏安特性測試。U的計算式如下：

72/149變電所線路發生大電流沖擊時，由于短路電流較大并伴有非周期分量，使得CT在暫態區域發生磁飽和。剩磁一旦產生，因正常運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去磁才能消除。通常采用的去磁方法是每次擾動后用外部去磁法將互感器去磁，但對于運行中的電流互感器來說，這種方法在實際中是無法實現的。

過早的磁飽和將導致微機保護動作異常，線路故障跳閘后重合于故障時主變差流速斷保護誤動就是明顯的例證。所以必須在設計、基建調試、運行檢驗等環節采取措施，抑制磁飽和對保護造成的影響。

2.2 電流互感器準確限值系數對差動保護的影響

電流互感器作為高壓配電網中基本的檢測和保護轉換裝置，必須滿足保護裝置的準確級參數要求。圖4為差動保護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，其對應的額定二次負載阻抗為Z，當0.2Z≤Z≤Z時，CT才能達到標稱的準確級。當CT低于標稱值時，會引起采樣偏差，嚴重時會引起誤動或拒動從而造成電氣事故，所以有必要對其進行校核。

首先比較72/149和中3線路兩側的CT實測參數，詳見表1。由表1可以看到，兩側CT型號及額定變流比均相同，但準確度等級不同，中3側為5P15，72/149側為5P10，兩側二次負荷的測量值也不同。

DL/T 866—2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》規定，保護用電流互感器準確級以該準確級在額定準確限值一次電流下的最大允許復合誤差的百分數標稱，P前的數字越小精度越高，后面的10、15、20…表示其準確限值系數，例如：5P15表示當一次電流是額定一次電流的15倍時，該繞組的復合誤差不大于±5%。如果一次電流較大，就要選用更高的5P20或5P30。

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

計算得到的實際準確限值系數僅為原設計值5P15的一半，即實際為5P7.5的準確級，因此所提供的CT不滿足系統特性，當提高一次電流時，CT會提前出現局部飽和，該線路選型的CT準確限值系數不符合要求。

2.3 光差保護定值參數動作情況分析

光差保護（P521）啟動時電流差值及相角差值見表2。

P521差動保護定值見表3。

從現場啟動值、電流差等數據看，兩側P521保護時鐘存在時差，兩側CT變流比均為800/5，根據P521的故障記錄值（圖5），用C相故障電流來分析。C相差動電流為812 A，兩側P521采樣所得的差流相近；兩側三相電流中，均為C相電流最大，動作時的制動電流I=（I+I）/2=（1468+1087）/2=1277.5 A。

根據P521的動作特性，知其制動電流I（1 277.5 A）大于制動電流門檻值I（800 A），說明動作區間在k斜率上（圖6），對應的理論差動電流（根據現場保護整定值計算得出）為k×I-（k-k）×I+I=1277.5×0.5-（0.5-0.25）×800+240=678.7 A，P521所采樣的差動電流（812.000 A）大于制動電流對應的理論差動電流值678.7 A，所以P521差動應該動作。

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

從P521差動動作前的波形來看，正常運行時，三相基本平衡，而且諧波量很低，大電流出現時，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（負序電流/正序電流>40%）；然后不平衡電流較小時，CT斷線恢復，此時差動電流仍然達到動作條件，所以保護動作。

從光差保護原理看，設置第2段曲線（圖7中的k斜率）就是為了在區外發生嚴重穿越性電氣故障時提高裝置穩定性。而在設置該定值時未注<＼＼Pc18＼本地磁盤（e）＼李玲＼化工自動化及儀表＼2023年自動化儀表＼第2期＼金波7.tif>

意該參數的主要作用，現場實際設置如圖8所示。

根據P521保護說明書，發現差動保護動作定值需要重新校驗。P521用戶手冊中k值為經典整定值，已廣泛用于3～500 kV范圍的高壓供電線路保護中，并取得了良好的效果，故按照推薦值將第2段斜率k由50%調整為150%以適應嚴重穿越性故障時的穩定性。

I是k值起效時的制動電流值，一般情況下的推薦值2 pu是差動動模測試值，現場一次電纜最大承載電流為540 A，推薦最大負載應不超過這個值，故原整定值800 A是合適的。

k需要考慮區外重故障時導致的不平衡電流，包括CT飽和。由于P521沒有獨立的判定飽和算法，第2段斜率不應小于100%，推薦的150%是差動保護動模測試時既考慮了差動的靈敏度又考慮了區外故障穩定性所選取的值。所以其他廠家的差動保護整定值不具有參考性。

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

采樣差流值比理論動作點小，可躲過，此時差動不動作。

3 改進措施

差動保護在大電流多次沖擊下，易造成多個特性的偏差甚至產生誤動，可通過以下改進措施提高可靠性：

a. 為了避免線路差動保護的CT在大電流工作時出現誤動，差動保護兩側需要選用相同廠家、相同型號的CT。這是因為不同廠家、不同批次的CT特性不一樣，兩側CT在區外故障及故障恢復時，暫態特性偏差較大，且容量還需滿足最大負載的保護級CT。同時需校驗實測保護CT的飽和點是否滿足伏安特性曲線，是否會產生誤動的可能性，否則需更換精度及容量更大的CT或加大二次側電纜截面，以確保采樣精度。

b. 光纖差動保護裝置本身制動特性差，制動電流門檻值受大電流沖擊產生的勵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，使線路兩側CT采樣波形誤差較大，引起保護誤動，但可根據P521這類專用光差保護中的特殊高制動斜率k參數的正確設置來保證在嚴重穿越性故障時裝置的可靠性。

c. 電流互感器的準確限值系數是判定電流互感器是否滿足大電流沖擊下數據波動范圍有效的重要參數，可通過模擬二次負荷或勵磁曲線測量法進行數據核查，對于電流互感器正確選用準確值防止誤動極為有效。

4 結束語

差動保護作為電力系統提高線路大電流沖擊保護的重要手段，其可靠性越來越受到重視，尤其配合快速開關進行投切關鍵開關尤為重要，同時也使其配合上下級保護應用前景十分廣闊。因此保證差動保護相應參數設置準確是電網安全運行的一項重要課題，通過配置合適的差動保護不僅對就地保護的可靠性提供了保障，也可提供遠端后備保護。通過研究可以更加精準地提供保護相關元件的選型及保護定值的相關參數確定，最終使石油化工企業的電氣系統構成強有力的保護機制。

（收稿日期：2022-07-29，修回日期：2023-02-13）

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

引用本文：金波，白庭河.連續大負荷沖擊下光差保護動作原因分析與改進措施［J］.化工自動化及儀表，2023，50（2）：262-267.