电流采样值差动保护技术分析

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摘要：电流采样值差动保护在各种差动保护中逐渐体现了其独具的优越性。文章结合实例重点分析了采样值差动在线路保护中的2个重要作用。采样值差动保护的引入可以同时解决这2个问题，从而使传统变电站和数字化变电站的线路差动保护得到有机统一。

关键词：线路差动保护；采样值差动保护；电流互感器饱和

中图分类号：TM152 文献标识码：A

相量值差动保护动作特性曲线上的启动电流、制动电流拐点值和比率系数都有其明确的含义，能够明确整定、准确测量。采样值差动在一个数据窗内连续重复多次判断，如果均满足保护动作判据，保护动作。由于信号量初相角的随机性，采样值差动保护判据存在很大的模糊区，模糊区的存在直接影响了保护的动作精度。采样值差动保护的定值除了差流门槛定值、比率制动系数外，还有数据窗长度尺和重复判断次数S需要整定。R、S值没有明确的物理意义，但其值的选取影响动作特性模糊区的大小。

1采样值差动的实现方式

与常规相量差动保护类似，采样值差动判据一般由折线式制动特性曲线构成。其动作曲线如图1所示。

采样值差动的单点动作判据如下：

式中： 和 为线路本侧和线路对侧的电流瞬时值； 为采样值差动的门槛值； 为采样值差动的制动系数。

在采样值差动中，为保证动作判据的可靠性，通常采用多次重复判别的方法，即连续R个采样点判

别中有不少于S个符合动作条件，则保护动作。其中，R和S的选择将决定采样值差动的性能。

目前，部分元件保护装置中直接设置了采样值差动动作判据，采样值差动动作则保护直接出口。采样值差动保护引入线路保护的作用则有所不同，采样值差动保护的主要目的是防止快速相量差动在TA饱和或采样值数据异常时误动，因此在线路保护中，可以将采样值差动动作作为快速相量差动出口的必要条件。因此，在采样值差动动作判据的设计中，必须保证采样值差动的灵敏度。采样值差动的主要技术指标如下：

（1） 一般设置较小，主要是确保差动电流的存在，可以设置为装置的有流门槛（一般为0.05In）或按照一次电流大小（如120A）设定；

（2） 一般选择较小，为相量差动保护制动系数的一半即可，可设为0.2～0.3。

（3）R和S的选取需要满足灵敏度的要求。针对保护装置采用每周期24点采样的情况，选取原则为：启动后前半个周期内使用"8取5"的判据；启动半周期后使用"20取16"的判据。

采样值差动保护和常规相量差动保护同时进行计算，采样值差动保护动作之后设置允许快速相量差动（一般动作时间100ms以内的认为是快速相量差动）动作标志，该允许标志在采样值差动复位之后展宽半个周期。常规相量差动保护满足动作条件后，检查是否存在允许标志，如果存在允许标志，则直接出口；如果允许标志不存在则继续等待。允许标志分相设置，如A相差动保护动作只允许A相快速相量差动保护出口。

采样值差动保护不影响带有较长延时的相量保护（一般为100ms以上的保护段），对线路保护而言，即为零序差动保护。具有较长延时的线路零序差动保护，作为对高阻接地故障的最后保障判据，一般故障特征不明显，但需要保证足够的灵敏度，因而不适宜采用采样值差动元件作为出口的必要条件。就零序差动的抗饱和能力而言，较长的动作延时足以抵消暂态饱和对零序差动的影响；而同时，零序差动保护所针对的高阻接地故障的特殊性以及动作延时长的特征，很容易采取一些其他的附加判据增强其对稳态饱和的影响。

2 采样值差动抗TA饱和

线路差动保护中需要考虑电磁式电流互感器的饱和问题，现有的饱和判据主要采用时差法，其所依据的主要原理如下：在短路刚发生后的很短时间内，TA未饱和，因此对于区外严重故障，差动保护动作

时间与启动时间之间存在时差，而对区内故障，保护的启动与保护的动作基本同时，因此，通过检验时差就可以判断差动保护是正确动作还是由TA饱和引起的误动作。通过时差法检测出TA饱和之后，将闭锁差动保护一段时间。

通过时差法，能够有效防止区外故障引起暂态饱和时发生误动。但在现场运行过程中多次出现如下情况：①在区外故障发生的第1个周期互感器并不饱和，但由于剩磁等多方面原因，在故障发生之后的第2个或第3个周期互感器出现了饱和现象，经过一段时间之后互感器恢复正常传变，该类饱和仍属于暂态饱和；②由于电网规模不断扩大，故障电流增大导致部分老的互感器发生了稳态饱和。传统的时差法不能检测出这2类互感器饱和。对于第1类特殊形式的暂态饱和，线路保护装置必须加以考虑；对于第2类稳态饱和，传统的线路保护装置并未考虑，而是寄希望于电力部门的合理规划及更换互感器。对时差法检测，如果在这段时间内再发生区内故障，保护会放慢动作速度。因此，有必要应用采样值差动保护对饱和判据进行适当改进。采样值差动保护可以有效防止快速相量保护在第1类特殊暂态饱和情况下发生误动，也可以有效抵消稳态保护对差动保护的影响。

采样值差动的一个突出特点是它不是计算某一数据窗的差流值，而是通过多点重复判别来判定动作与否。利用这个特点，通过合理选择重复判别次数R和S，可以有效抑制区外故障时TA暂态响应不一致对差动保护的影响。当被保护元件存在外部故障时，可能由于短路电流大而导致TA饱和，从而使传变到二次侧的电流波形发生畸变。由于两侧TA暂态响应存在差异，在二次侧可能得到较大的差流。若采用采样值差动，则可利用电流过零点附近TA不会饱和、差流很小、不满足动作条件这些特点，适当选择S值来躲开不平衡电流，从而避免保护误动。采样值差动保护实时进行计算，若启动一段时间后再发生饱和，电流过零点畸变小，采样值差动判据仍然不动作，可有效防止差动保护误动；如果区外饱和转区内故障，在区内故障时，采样值差动判据可靠动作，从而保证了装置的动作速度不受影响。

2009年4月，某变电站内线路差动保护装置在主变充电时差动保护动作，经查线路无故障，属于不正确动作。该保护动作时的波形如图2所示。

根据原始数据得到各相的差动电流和制动电流如图3所示。

通过波形可以看出：从启动起第2个周期之后，B相和C相明显存在差动电流，可知由于TA容量不够，从而导致TA发生了稳态饱和。

传统的时差法无法准确检测出该类饱和，而且依靠制动系数也已无法确保保护不误动。通过相量差动保护和采样值差动保护计算得到的差动电流和制动电流的比较分别如图4和图5所示。

通过仿真计算和分析可知，如果采用采样值差动作为快速相量差动出口的必要条件，可以有效预防稳态TA饱和引起的误动，此时线路差动保护不会误动作。

3 采样值差动防数据"坏点"

随着智能电网的发展，数字化变电站技术的应用越来越广泛，数字化变电站与常规变电站的一个主要差异是数字化变电站采用电子式互感器取代了传统的电磁式互感器。电子式互感器在实际应用中受到变电站现场电磁环境的干扰偶尔会输出异常数据；同时在传输过程中，传输设备也有可能在数据转发过程中，形成异常数据（坏点）。在电子式互感器产生异常数据时，应采取必要的措施避免保护产生不正确的动作行为。目前常用的方法有：

（1）通过电压来闭锁电流相关保护，电压闭锁最大的问题在于电压判据门槛值不易选择，错误的整定甚至会导致保护拒动。

（2）通过判断电流波形正负半周期的对称度来检测电流是否正常，该方法类似于励磁涌流的判别方法，将使保护装置的动作速度变慢。

（3）增加电流波形异常检测方式，就提到一种方法来实现对电子式TA数据的检测。

对于线路差动保护来说，采样值差动是处理异常数据（坏点）的一种有效手段。根据电子式互感器的设计原理和积累的异常数据分析，电子式互感器产生的异常数据通常包括以下几种：偶然的单点大

数，坏点之间不连续；连续几点大数据；一直连续产生大数据，呈现直流特性。

采样值差动的一个突出特点是它不是计算某一数据窗的差流值，而是通过多点重复判别来判定动作与否。对于每周期24点采样的线路差动保护来说，即使启动后前半个周期采用"8取5"的采样值差动保护，也只有坏5个数据才有可能误动，坏数据的概率达到了60%；而启动半周期后采用"20取16"的采样值差动保护，必须达到16个坏数据保护才可能误动，坏数据的概率需要达到80%。对于数字化变电站来说，坏数据的概率一般不可能达到如此大的比例。

对于一直产生的呈现直流特性的大数据，采样值差动并不能有效避免该类异常数据对保护的影响，但可以使用其他方法进行排除。例如：保护采用滤波算法之后，得出的工频量将很小；或是长时间存在差流闭锁保护等方法。

在某种程度上，电子式互感器中的异常数据与传统电磁式互感器中受到电磁干扰后产生的奇异波形（如尖脉冲）类似，采样值差动也能有效避免传统电磁式互感器受到电磁干扰后产生的奇异波形对保

护的影响。

结语

采样值差动保护在元件保护中已有成熟应用，将其引入线路差动保护中，作为快速相量差动保护出口的必要条件，将大大提高线路差动保护的可靠性和适应性。对于传统变电站来说，采样值差动可以提高保护装置抗TA饱和（特别是稳态饱和）的能力；对于数字化变电站来说，可以提高抗异常数据（坏点）的能力。

参考文献

[1] 冯建勤； 宋寅卯 基于电流采样值的相敏过电流保护 2006-06-30

[2] 隋国正 FTU中电流采样值准确性问题研究 2008-09-15