基于暫態信號的電流互感器差動保護方法

福建三寶鋼鐵有限公司 宋海明

1 電流互感器差動保護在實際應用中存在的問題

發生電流互感器故障時，由于受到機械振動和溫度等影響，很難準確判斷出故障電流的大小和方向。如果在低壓線路上安裝一臺電流互感器，一旦發生故障，會給附近設備帶來很大影響。在電流互感器差動保護中，檢測高壓系統故障電流大小和方向的裝置主要一次側回路二次側用來檢測低壓系統中的故障電流。一次側回路有很多個回路，一般情況下不會有多條線路同時發生短路故障。因此，只能對其中一個一次側回路進行檢查，難以發現多條短路線路同時出現在同一高壓等級上。由于低壓系統線路長度增加、分支較多等因素，造成在一條線路上同時安裝多臺電流互感器。導致在發生短路事故時，會出現相互影響、相互干擾等現象。在這種情況下，如果使用單獨的多臺互感器進行測量比較困難，此時就需要對低壓線路各回路進行檢測和隔離。四是為保證測量結果準確與完整。

目前常用的低壓線路電流互感器差動保護有兩種，一種是單相短路保護（也稱單相Ⅰ段保護），另一種是三相短路保護（也稱三相Ⅱ段保護）。單相短路保護一般都用單相Ⅰ段和雙級Ⅱ段，而三相短路保護一般為雙級Ⅱ段和三級Ⅲ段。其中三級Ⅲ段由單相Ⅰ+單級Ⅱ+三級Ⅱ構成。三級Ⅰ又分三檔，1、2、3 檔分別對應三臺互感器，每一檔是1 個差流。當三相電壓存在單相Ⅰ或Ⅱ故障時，三相差流不能通過第一級和第二級聯成單相Ⅲ或3.1-3、3.1-4 等差流向低壓線路傳輸。因此，為了提高低壓系統的絕緣水平及線路質量，在發生單相等三相回路時應優先選擇雙級Ⅲ段。而在正常情況下，由于故障電流較小或不產生單相等三相回路，一般只需對三相互感器進行檢測并作出對應判別[1]。

2 差動保護原理

不同運行狀態下TA的磁化曲線如圖1所示。

圖1 不同運行狀態下TA的磁化曲線

電流互感器錯誤接線如圖2所示。

圖2 電流互感器錯誤接線

由圖1、圖2可以看出，當三相電流發生不平衡故障時，如果A、B、C 三相的三個繞組都有故障，那么C繞組就會出現兩個對稱故障。利用這個原理，可以得出A 繞組相電流為零，C 繞組相量為零。在實際運行中，如果兩相電流不平衡時，其中一相A的電流會大于另一相的電流，那么就可以利用差動保護原理進行區分。由于兩相電流不平衡時的相量有差別,因此就可以利用相量判斷A、B、C 繞組在故障點處是否存在短路，從而判斷出故障位置。

假設一個三相三線四線系統中，兩相繞組A、B、C 故障。假設在三相正常運行時A、B、C 三個繞組并沒有短路時，則對三相繞組回路中的A、C三個繞組分別進行故障判斷。若在正常運行時A 繞組回路中的一相短路，則對A 繞組回路中的一相短路；若在正常運行時B 繞項回路中的一相短路，則對B繞組回路中的一相繞組短路。

2.1 電流互感器差動保護原理

如果電流互感器發生不平衡故障，則A、B 兩相電流差會隨著C 相電流增大，同時A、B 兩相電流也會隨著C 相電流增大而減小。設為電壓互感器的有效負載率，即。

根據這一原理可得,設電壓互感器的有效負載率為P，S為有效負載率，則S= A/C=P/S。

如果不平衡故障點處有電壓降，則將引起電流互感器差動保護的動作。當發生三個不平衡故障時，其對三相系統的影響不同。其中一個為對稱故障，另外兩個為不對稱故障[2]。

2.2 差動保護動作判據

在差動保護的動作判據中，可以將電流互感器的暫態信號分為兩部分，一部分是正常運行時的電流信號，另一部分是差動保護的動作信號。在正常運行時，只要兩相電流不平衡，暫態信號中就會含有一、二、三相故障電流所產生的一、三相不平衡電流。而當發生兩相短路時，暫態信號中則不含任何故障電流。而在差動保護啟動時，由于其在暫態過程中沒有電壓產生，因此不存在差動保護的動作判據。根據這個原理，可以計算出在某相差動后發生非對稱故障的相量值。但由于實際運行中兩相電流并不完全相等，因此還可以根據電壓相量差判斷。根據這個原理就可以得到當一相負載為零時發生電壓不平衡時產生的電壓值，如果三相負載不平衡時產生的電壓差小于非對稱短路相量值，或者說在三相電源供電區域內三相負載不平衡時產生電壓差超過了非對稱故障引起電流值，則會造成非對稱故障。由此可知，兩相繞組都有短路時會造成電流值增大。

2.3 運行時的影響

在正常運行時，電流互感器差動保護的電流互感器側輸出信號中V 和N 分別為正常時的有效值，且都有一個最低值，此時保護動作后，電流互感器輸出電流為零。在不平衡發生時，由于兩相電流存在差異（正相、負相），因此在兩相正常運行時并沒有發生差動。其中的V 為正常時的有效電阻值，N指的是電流互感器側輸出信號的峰值。因此，電流互感器側在正常運行時產生有差異的有效電阻值。在不平衡發生后如果沒有出現差動保護動作，則可以認為差動保護動作是正確的。因為差動保護對正常時沒有要求，就導致了其對正相序比較敏感。從而導致出現差動保護不正確動作的情況。因此需要對差動保護進行定期校驗。

3 暫態信號在差動保護中的應用

目前，電流互感器差動保護一般都采用單相或三相短路電流檢測方法，其中電壓互感器差動保護應用比較廣泛。當電流互感器發生單相短路故障時，其輸出電壓V（1）是正常運行電壓V（2）的2 倍。同時，當發生三相短路故障時，其輸出電壓V（1）為正常運行電壓V（2）的2.5 倍。電流互感器在正常運行過程中不會產生三相電源，因此在進行保護的時候無須考慮三相電流與兩相電流之間的相互影響。當電流互感器發生單相或三相短路故障時，其輸出的電壓分量與電流分量存在正相關性和負相關性，此時可以采用如下方法實現保護，一是將測量信號直接接入差動保護繼電器中。二是通過差動保護對測量信號進行校正或整定。在實際應用中，需對暫態信號進行正確處理來提高保護功能的靈敏度和準確性[3]。

3.1 暫態信號處理流程

暫態信號的處理流程如下。一是數據采集，由于電流互感器是三相供電，因此其差動保護中對單相和三相電流采集方式是相同的。二是信號預處理，電流互感器是一種非理想型設備，在采樣過程中會產生不確定的暫態干擾，影響保護裝置的正常工作。因此，需對電流互感器進行故障隔離處理并將其接入差動保護繼電器中。三是信號濾波，對于電流互感器的故障，應采用數字濾波器來對暫態信號進行處理。四是數據分析及提取。數據分析過程中，需要根據故障類型來提取暫態信號。如果故障類型為電壓互感器故障，則需要提取出三相電壓信號和輸出電流信號。如果故障類型為電阻、電容和電感等非線性設備，則需要提取出這些非線性設備的暫態信號。

3.2 差動保護的基本動作原則

由于互感器差動保護是通過測量電流互感器二次側電壓實現，因此必須遵守以下原則。一是在不考慮故障點對負載和故障位置的情況下，當電流互感器一次側電壓為零時進行保護。二是當線路存在短路故障時，不允許將整定值的最大值設置在一次側。三是當發生單相接地故障時，差動保護的電流、電壓值應按規定動作值計算和校核。四是對于同相接地故障發生后而電流互感器一次側差動極性相反（如電流從差動方向為正，反相保護應為差動方向為正，而不能向反方向轉），此時反極性就成為差動保護動作的關鍵。五是對于同相接地故障發生后電流互感器二次側差頻帶較寬的情況下，為了避免差頻帶較寬的差動保護誤動作。六是當出現同相或三相短路故障時，應在第一時間動作進行隔離和切除[4]。

4 暫態信號處理方法分析

對電流互感器差動保護的暫態信號處理方法進行分析，主要有以下幾種方式。一是在故障時不能獲取電流互感器的差電信息，但可以從正常運行狀態下電流互感器的零序電流變化曲線中獲得信號，再通過對電流互感性故障特性的分析，判斷出來。二是利用電壓波動、諧波等影響參數來提取暫態信號特征。三是利用數字濾波器對暫態信號進行處理后，獲取差動保護范圍內的暫態數據。四是利用小波變換的自適應濾波方法對暫態信號進行處理，獲取故障位置信息。

4.1 數字濾波器的應用

數字濾波器是一種基于數字信號處理的新型濾波器，其能夠有效濾除來自模擬電路中的非正弦波諧波，對電網輸入的低頻信號具有良好的濾波效果，因此在電力系統中得到了廣泛應用。數字濾波算法有最小二乘算法、自適應算法、最小二乘自適應濾波器以及基于指數平滑算法。其中基于指數平滑數字濾波器由于其具有較高的增益和低通頻率，被廣泛應用于實際工程領域。采用此種方法可以有效去除高頻信號噪聲對系統產生的影響，并能夠保留電流互感器差動保護所需要的低頻信號特征。數字濾波法對電流互感器差動保護具有良好的抑制效果，同時其不會對信號產生較大影響，適合于各種復雜系統以及非線性動態參數。但當系統中存在著大量低頻噪聲時，數字濾波法對故障電流信號去除效果不理想。同時在電網系統中由于非線性負載等原因導致信號受到影響時會使得故障電流幅值發生改變，并且隨著數字濾波器輸出端輸入信號幅值增大，會造成系統性能下降。

4.2 小波變換應用

采用小波變換對暫態信號進行分析，利用小波變換具有自適應性、可伸縮性以及對諧波等的濾波效果。當故障位置在3 層小波上時，可以從電流互感器差動保護中提取信號，但是在實際的應用中需要考慮到電壓波動、諧波等因素。在對暫態信號進行分析時需要選擇合適的小波基，選取最優小波基函數是十分重要的。電流互感器差動保護范圍內的暫態信號可分為兩個區間，即故障點和非故障點。在故障發生時，會有電壓電流同時變化，可以利用電壓電流和相位信息來判斷出故障位置及性質。當對不同類型暫態信號進行分析時發現，由于差動保護不需要采集電流等信息，可以直接從差動保護量測系統中獲取數據。

5 結論

本文所述電流互感器差動保護，其原理是在電流互感器差動保護中加入暫態信號處理，該信號在系統運行時具有較高的信噪比。通過對CT故障電流的提取以及對三相電流差動保護原理的分析，能滿足目前低壓線路高電壓等級下的電流互動差開保護要求。且所述暫態信號處理方法，具有成本低、故障識別能力強、響應速度快等優點。