摘　要　变压器、发电机、电动机、母线等电气主设备的差动保护，在被保护设备完好的状况下，经常发生误动作，且同样的保护误动行为反复发生，误动原因分析归结为“原因不明”者也不少见。这类问题涉及面广，多年绵延不绝。文中分析了保护用P级电流互感器在暂态过程中的技术性能。指出考虑暂态特性的保护用TP级电流互感器在经济上为中、低压设备所不能接受，而且TP级电流互感器体积大，安装有困难；现有P级电流互感器应尽可能减小二次负荷，提高额定准确限值系数，适当增大制动系数。随着微机保护的推广使用，数字光电流变送器（DOCT）的成功开发和运用，为根本解决上述问题提供了可能。
关键词　差动保护　数字光电流变送器　误动
分类号　TM 77　TM 452

ANALYSIS AND COUNTERMEASURE FOR MISOPERATION OF LONGITUDINAL DIFFERENTIAL PROTECTION WITH UNCLEAR REASON

Wang Weijian，Li Fuying
Tsinghua University, 100084, Beijing, China

Abstract　Longitudinal differential protections for electric main equipments (transformer, generator, motor, busbar, etc.) misoperate frequently under normal operation, and the same misoperation occurs over and over again.“Cause is not clear” is often the conclusion. This paper analyzes the transient performance of current transformer in the protective level. It is pointed out that TP class current transformer is too expensive for medium and low voltage device, and also difficult to install because of its bulky size. Digital optical current transducer (DOCT) has been developed successfully, which provides possibility to solve the said problems.
Keywords　differential protection　DOCT　misoperation

0　引言
　　多年来，作为主设备主保护的纵联差动(简称纵差或差动)保护，正确动作率始终在50%～60%徘徊，个别的如零序差动保护甚至低到30%左右，这对主设备的安全和系统的稳定运行很不利。造成这种局面的原因是多方面的，设计研究、制造、安装调试和运行维护部门都有或多或少的责任，实际工作中也在不断改进。但是“原因不明”的主设备保护不正确动作事例仍然为数不少。本文作者在与各方面同行交流讨论之后，就纵差保护长期以来正确动作率低的问题，提出自己的看法，与同行共商。

1　纵差保护误动情况
　　变压器差动保护误动次数较多，空载合闸励磁涌流冲击下保护误动是最常见的。不仅是被合闸的变压器，而且与之并联运行的变压器，其纵差保护发生误动并非绝无仅有。容量较小(2 MVA以下)的配电变压器，由于它的额定电流I_n小，保护用电流互感器(TA)变比也小，但外部短路电流往往很大，有时可高达100 I_n以上，在这种条件下纵差保护误动更是常见。超高压变压器也有在外部短路时纵差保护误动的实例。
　　发电机纵差保护可以说是最简单的应用，但也有“原因不明”的误动事故发生，实例之一是在同期操作(人工或自动)过程中发生的，现象是由于操作不规范，偏离同期三要素(频率、电压幅值、相位)的要求，合闸时发电机发出轰鸣声，随即纵差保护跳闸。
　　大容量异步电动机台数很多，不仅大型火电厂有，大型化工等非电力企业也有，当异步电动机自启动时，纵差保护误动现象屡见不鲜。
　　对于超高压母线各种原理的纵差保护，最担心的是母线某一出线短路时，纵差保护误动作。
　　上面列举的纵差保护误动事例，除了空载合闸励磁涌流以外，其余各种误动情况下，被保护设备的各侧一次电流总是符合基尔霍夫电流定律的，纵然上述各种工况时诸电流波形有畸变，幅值可能很大，但是每一工况下诸端子一次电流的输入量恒等于输出量，只要电流互感器是理想的(线性传变)，纵差保护的不平衡电流总是零，决不会误动。变压器空载合闸的暂态励磁涌流和稳态过励磁电流，对纵差保护来说，由于纵差保护未包括励磁支路电流，变压器虽然完好无损，但诸端子一次电流不再满足基尔霍夫定律，造成纵差保护极大的不平衡电流，世界各国同行为防止其误动，提出和应用了各种防误动技术措施，但随着电力系统的发展，对变压器纵差保护的要求也越高，纵差保护方案的缺陷愈加明显和严重^［1］。

2　P级电流互感器的技术性能
　　对于电气主设备，特别是110 kV及以下，它们的保护用电流互感器总是选用10P或5P型号的，这首先是经济问题，不会因考虑暂态性能而改用TP级互感器(个别场合国内也有在大型发电机或超高压变压器纵差保护上使用TP级)，而且TP级互感器体积大，常常难以安装。那种在超高压变压器纵差保护中，高压侧用TP级，低压和中压侧用P级的做法，是很不恰当的，既费钱，技术效果又差，实在不可取。
　　顾名思义，保护用P级互感器当然适合于继电保护，但是P级互感器对保护(特别对于快速主保护)的技术要求适合到什么程度?
　　众所周知，电流互感器有测量级和保护级之分，保护级又分普通保护级(P)和考虑暂态特性保护级(TP)。P级电流互感器在技术特性上有以下特点。
2.1　P级电流互感器只保证稳态误差要求^［2，3］
　　注意到P级电流互感器(TA)虽用于继电保护，但不考虑暂态误差。
2.1.1　在额定一次电流(稳态)和额定二次负荷下的误差
　　5P型号：电流误差±1%，相位误差±60′(即±0.017 5 rad)；
　　10P型号：电流误差±3%，相位误差不做规定。
2.1.2　在额定准确限值一次电流(稳态)和额定二次负荷下的复合误差
　　5P型号为5%；10P型号为10%。按国际统一定义，在稳态条件下复合误差ε_c为：
　　　　　　　　　　　　　　　(1)
式中　I₁为一次电流有效值；i₁为一次电流瞬时值；i₂为二次电流瞬时值；N_a为额定电流比(变比)；T为工频周期。
　　因为TA铁心的非线性特性，虽然一次电流为纯正弦波，二次电流却有高次谐波分量，为考虑这些高次谐波(而不是考虑暂态非周期分量)电流的影响，采用式(1)所定义的复合误差是科学的。复合误差中包含i₁和i₂，但决非计及暂态影响。
2.2　额定准确限值系数K_sscn
　　额定准确限值系数K_sscn为额定准确限值一次电流与额定一次电流之比，该系数的标准值为5，10，15，20，30。例如10P/30表示该10P型电流互感器在30倍一次额定电流下，复合误差不超过10%；5P/20表示该5P型电流互感器在20倍一次额定电流下，复合误差不超过5%。再次强调，这里所有讨论仅限于稳态。
2.3　额定二次负荷值
　　额定二次负荷S_2n的标准值(滞后功率因数为0.8)有5 VA，10 VA，15 VA，20 VA，25 VA，30 VA，40 VA，50 VA，60 VA，80 VA，100 VA。
　　额定二次负荷阻抗Z_2n为：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
式中　I_2n为互感器额定二次电流。
2.4　剩磁
　　P级互感器完全不计剩磁的影响，上述误差计量均在剩磁为零的条件下测定。
2.5　电流互感器“同型”的含义
　　电流互感器“同型”的含义是：安匝数相同，几何尺寸一致，铁心和二次线圈的材料完全一样，但不限其变比是否相同。
　　不再专设纵差保护用D级或д级电流互感器。
2.6　TA实际二次负荷S_2a小于额定二次负荷S_2n
　　此情况下，实际准确限值系数K_ssca可以超过K_sscn，仍可保证对误差的要求。
　　　　　　　　　　　　　　　
式中　S_in为电流互感器二次绕组本身消耗的负荷。
　　由于电流互感器是继电保护的信息源，它的误差和能否正确使用，直接影响保护的运行水平。继电保护工作人员往往对保护装置的原理、整定工作十分注意，但对电流互感器反而重视不够，若果真如此，将严重妨碍保护工作的提高和改进。

3　电磁型P级TA并不充分满足纵差保护的技术要求
　　对照第1节纵差保护误动情况和第2节P级TA的技术特性，一个突出的现象是：被保护设备两侧(或多侧)一次电流完全相同(或)，经过两侧(或多侧)TA传变后二次电流却不同了，相应产生了暂态过程中的不平衡电流，使纵差保护误动作，问题的症结就在于：P级TA并不保证暂态误差要求。
　　大家一定会想到，整定计算时已考虑到非周期暂态电流的影响，采用非周期分量系数K_ap，例如，最大动作电流：
　　　　　　　　　　　　　I_op.max=K_relK_apK_ccK_erI_k.max　　　(2)
最大制动系数：
　　　　　　　　　　　　　K_res.max=K_relK_apK_ccK_er　　　(3)
式中　K_rel为可靠系数，取1.3～1.5；K_ap为非周期分量系数，取1.5～2.0；K_cc为同型系数，发电机取0.5，变压器取1.0；K_er为稳态误差，10P型TA取0.10，5P型TA取0.05。
　　从式(2)、式(3)可知，外部短路暂态过程中，非周期分量电流只使I_op.max或K_res.max增大到稳态误差K_er的1.5倍～2.0倍。以10P型TA为例，发电机纵差保护只增加到0.075～0.10(K_ccK_er=0.05)；变压器纵差保护只增加到0.15～0.20(K_ccK_er=0.10)。试问纵差保护两个TA在稳态时的不平衡差流与在暂态(有非周期分量)时的不平衡差流仅仅相差这么小吗?习惯上K_ap取1.5～2.0能充分反映非周期分量电流对P级TA误差的影响吗?举一个极端的例子，变压器一侧TA的剩磁为零或负值，另一侧TA的剩磁为很大的正值，在外部短路暂态过程中某相短路电流全偏移(非周期分量有最大值)，两侧二次电流的差别何止0.15～0.20，如果一个不饱和，另一个极度饱和以致二次电流近于零，这时不平衡差流将达I_k.max/N_a，I_k.max为最大外部短路电流(周期分量)，N_a为TA变比。
　　P级TA在纵差保护中产生的暂态不平衡差流实例^［4］：1台6 kV，5.6 MW，658 A(N_a=800/5)异步电动机自启动，纵差保护I_op=2.5 A(I_2n=658 A×5/800=4.1 A，I_op=60.8% I_2n)，保护误动。实录纵差保护A相和C相差流，高达35 A和25 A，为额定电流的8.51倍和6.08倍。自启动是一个较长的暂态过程，从差流波形(见图1)中看到TA产生不平衡差流机理的复杂性，要求P级TA两侧暂态传变特性一致是完全不可能的。

(a)A相差流	(b)C相差流