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摘要：母线差动保护的正确动作能够维护电力系统稳定运行并在故障时能及时止损从而减小停电面积。传统的低阻抗母线差动保护具有抗电流互感器饱和能力弱，动作时间长，安全性与灵敏度不能兼得等缺点。高阻抗母线差动保護具备敷设简单、保护动作快、不受TA饱和影响等优良特性，但对TA性能要求更高，故而本文中应用PX类低漏磁电流互感器作为高阻抗差动保护的元件。
关键词：高阻抗；母线差动保护；PX类低漏磁；电流互感器（TA）
一 引言
母线是电力系统输配网络中最为重要的设备，其电气设备接线极为复杂，如若发生故障，不仅会损坏电力设备，同时也直接影响了电力网络的稳定性。因此，高灵敏性、高安全性、高动作速度的母线保护对于维持电力系统的稳定运行有着至关重要的意义。
母线故障通常由电流互感器故障、绝缘子闪络、断路器损坏、人工操作失误、相间短路故障、单相接地故障等。其保护措施满足四个原则：可选择，高灵敏，动作快和高可靠性。常见的母线保护方式有：
（1）母线差动保护：基于基尔霍夫定律，通过差动元件对故障进行定位隔离；
（2）母线充电保护：具有高速动性，能及时切除故障；
（3）母联失灵保护：整定延时后，母联电流仍然大于母联失灵电流定值时，保护启用；
（4）母联死区保护：解决了TA与母联之间发生的故障，具有速动性；
（5）母联过流保护：从母线流过的电流大于标准电流的时候，需要对母线进行电流保护，这种保护方式具有临时性；
在以上保护方式中，母线差动保护最为重要。本文讨论在结合实际的CEM PAC ON澳门220/110kV枢纽变电站项目中，高阻抗保护在母线差动保护中的应用以及PX类电流互感器的应用优势。
二 高阻抗母线差动保护
2.1 母线差动保护的原理及应用
母线差动保护基于基尔霍夫定律，即：
1）正常运行及外部故障时，各线路流入母线的电流和流出母线的电流相等，各元件的电流向量和为零；
2）母线故障时，母线上所有元件的电流的向量和不为零。
这一过程可以用图2.1表示，规定电流互感器正极性端为母线侧，一次电流参考正方向流向母线。
如图所示，该过程中有两个重要的电流参量（差动量和制动量）以及两种差动元件（大差差动元件和小差差动元件）。
定义差动量的值为：
其物理意义是所有支路元件引入的同相电流的和的绝对值；
定义制动量的值为：
其物理意义是所有支路元件引入的同相电流的绝对值之和。
母线差动保护电路的启动条件时：在起动元件、TA回路断线闭锁元件和复合闭锁元件正常运行的情况下，当时，母线差动保护电路启动。式中，为差动电流，为制动电流，K为制动系数。
大差比率差动元件与小差比率差动元件在工作的时候起到的作用各不相同，由于大差元件的工作特性，大差元件在整个电路中起到的作用是检测母线的工作状态是否良好，小差比率差动元主要的作用是对具体的故障进行检查，最终检测出故障的具体位置。两者在工作过程中具有一定的联系，按照工作顺序要求，大差差动元件首先动作，检测出母线出现故障之后，再由小差差动元件进行具体的定位检测。
母线差动保护的工作过程中，结构的复杂度、抗TA饱和能力、接线方式、失灵保护、死区保护等都需要进行考虑。下面将阐述对母线差动保护性能影响较大的TA饱和[1]以及PX类电流互感器规避TA饱和的原理。
2.2 TA饱和对于母线差动保护的影响
电流互感器TA的工作状态有线性传变区和饱和区。造成电流互感器工作在饱和区的因素有：
1）一次侧电流过大；
2）非周期性分量较多；
3）铁芯中剩磁过多；
4）电流互感器二次侧阻抗过大。
TA的饱和过程可以分为三步：
1）饱和前：某一元件TA近饱和时，二次侧存在的电流将骤降，由于铁芯磁通量不能突变，TA在线性传变区有3-5ms的迟滞而不能及时进入饱和区；
2）饱和时：一次侧每周期内电流近零点时会存在不饱和区段；
3）饱和后：励磁电阻下降，内阻降低，存在大量二次和三次谐波分量。
电流互感器TA饱和对母线差动保护的影响主要可以分为外部故障时和母线故障时：
如故障发生在外部区域，电流互感器TA在饱和时不能将电流线性地传入二次侧，由此产生的缺损电流会影响差动元件的工作状态。当TA处于饱和态时，差动元件中的电流将增大，因此造成母线差动保护误动的情形发生；
若故障发生在母线区，电流互感器就会出现工作不良的情况，对于电流的传递失去作用，二次回路的电流降低，电流变化率陡增，影响差动元件的灵敏度，引发母线差动保护拒动的情形发生。
为了消除TA饱和的影响，人们提出了多种抗TA饱和的方式如同步识别法、自适应阻抗加权法、重复多次判别法、谐波制动法等，通过提高闭锁性能的速动性和灵敏性以及轻微短路时的开放保护恢复功能[2]。
采用中阻抗和高阻抗母线差动保护可以很好规避TA饱和对母线差动保护带来的不利影响。
2.3 高阻抗母线差动保护的原理
根据母线差动保护电路回路系统中的阻抗大小特征，可以将母线差动保护分为低阻抗母线差动保护（电流型母线差动保护）、中阻抗母线差动保护和高阻抗母线差动保护。
低阻抗母线差动保护采用的阻抗一般为几欧姆，其抗TA饱和性能较弱，安全性和灵敏度不能兼顾，一般采用同步识别法和谐波制动来进行抗TA饱和；
中阻抗母线差动保护回路阻抗一般为几百欧姆，速动性强，灵敏度高，具有很好的抗TA饱和性能； 高阻抗母线差动保护在差动回路中串联阻抗为几千欧姆的电压继电器，故而也成为电压型母线差动保护，具有接线简单、选择性好、速动性好、灵敏度高等优点，同中阻抗母线差动保护一样具有极强的抗TA饱和的性能，但对于TA的变比一致性要求较高，同时从原理上杜絕了误动的发生。
高阻抗母线差动保护是一种局部差动保护，只反映高压和中压侧的接地故障和相间故障，低压侧电流由于并未接入差动保护，因而其故障不能够得以表征。高阻抗保护中通常采用PX类电流互感器。
当发生母线外部故障时，电流互感器的二次侧回路阻抗可以等效为直流电阻而忽略电抗，通过对比差动电压和继电器的端电压可以发现，在该原理下TA的饱和程度不会引起母线差动保护系统的误动；
当发生母线区内故障时，电流互感器的二次侧回路阻抗可以看做是一个时间常数较大的励磁阻抗，继电器动作较快，能在TA饱和之前做出快速动作[3]。
高阻抗母线差动保护作为一种电压型保护，在外部故障时，电压元件呈现低电压；内部故障时，电压元件呈现高电压，因此天生具备抗TA饱和的能力。不需要像电流型保护一样依靠制动的方式来保证灵敏性[4]。
与低阻抗母线差动保护和中阻抗母线差动保护相比，高阻抗母线差动保护有如下特征：
1）保护速度：低阻抗母线差动保护受制于非周期分量迟滞的影响，判断时间长，保护动作慢；中阻抗和高阻抗母线差动保护原理相近，通过电压元件对于内外部故障的适应性电压变化，能够针对故障快速做出保护动作；
2）抗TA饱和能力：低阻抗母线差动保护由于铁芯磁通量不能突变，抗TA饱和能力弱；中阻抗和高阻抗母线差动保护同样依靠电压元件的灵敏动作提前规避了TA的饱和；
3）误动：当发生外部故障时，低阻抗母线差动保护由于差动阻抗远小于故障TA二次回路阻抗，使得差动继电器接受了大量不平衡电流引发误动；
4）经济性：高阻抗母线差动保护接线简单，但对TA的变比一致性要求高，实际成本与低阻抗母线差动保护相近，而中阻抗母线差动保护由于需要依靠辅助流变装置降低TA二次侧电流，具备更高的成本；
5）适应性：低阻抗母线差动保护由于缺点明显，适应性较弱。中阻抗母线差动保护具有较低的回路阻抗和优秀的比率制动特性，因此适应范围更广。高阻抗母线差动在综合考虑成本和性能的前提下，具有可观的应用前景。
综上，高阻抗母线差动保护满足母线差动保护速动性、高可靠性、高灵敏性和多选择性的原则。
三 PX类电流互感器在澳门变电站项目中的应用
3.1 保护用电流互感器的原理及作用
保护用电流互感器的工作原理是利用电磁感应现象，与变压器的工作方式近似，在故障时切断电路以保护整体电网系统的安全，通常由一次侧绕阻线圈、二次侧绕阻线圈、端子和铁芯等构成。
与测量用电流互感器不同，保护用电流互感器与机电保护设备协同作用，能够在系统发生短路故障时，调节高于额定电流数十倍的短路电流，因此要求电流互感器的保护绕组精度高，误差小，从而得以保证短路故障发生时能够快速采取正确的动作[5]。
3.2 PX类电流互感器
保护用电流互感器一般分为P类和TP类。P类包含PR型和PX型电流互感器。
P型电流互感器的铁芯闭合，短路状态如果持续过长，则可能在铁芯中存有残留剩磁，将严重影响互感器的性能；为了减小剩磁的不利影响，PR型电流互感器规定了剩磁系数小于10%。
PX类电流互感器基于IEC规定，在英标国家应用较多。澳门由于其长期的使用习惯，选择PX类TA更符合其应用环境。PX类TA具有低漏磁的特征，其准确限制是由一次电流为稳态对称电流时的复合误差或励磁特性拐点来确认的，需要根据互感器二次励磁特性、二次绕组电阻、二次负荷电阻和匝数比，来确定其与所接保护系统有关的性能，在设备选型之前首先要确定电流互感器的容量、额定拐点电压、拐点电动势。PX类电流互感器适用于特殊情况。
3.3 PX类电流互感器在高阻抗母线差动电路中的应用
CEM PAC ON澳门220/110kV枢纽变电站项目中，由于澳门地域的特定原因，其电流互感器更多选用基于国际通用规范标准的PX类电流互感器。
在高阻抗母线差动保护中，IEC规定了电流互感器的几项重要参数：额定拐点电压、下的最大励磁电流、匝数比误差绝对值小于0.25%，75℃下二次绕阻电阻值。尤其是对互感器的变比一致性和励磁特性，高阻抗母线差动保护有着更为严苛的规定。
电流互感器具有一定的工作特性，通常称之为励磁特性，其表征二次端子上正弦波电动势与励磁电流之间的关系。
px电流互感器额定拐点电动势规定为，仅在二次端子上施加正弦电压测量励磁电流是，电压每增加10%，励磁电流增幅低于50%[6]。拐点电压的方程和定义如下所示：
大于继电保护动作性能要求的TA二次感生电势，则可以根据的大小选择具备合适额定拐点电压的保护用电流互感器[7]。
澳门项目中的设备选型基于PX类低漏磁TA的容量、额定拐点电压、拐点电动势而确定。由于不同保护体系下TA的计算取值不同，在实际操作中，如面临线路的距离保护相差较大等情况，适宜采用两个独立的PX电流互感器。
四 总结
高阻抗母线差动保护配合PX类电流互感器，具有选择性、速动性、灵敏性和稳定性等运行特征，能够在母线区外区内故障发生时及时隔离切断。在实际的CEM PAC ON澳门220/110kV枢纽变电站项目中，针对地域的特殊性质，采用基于PX类电流互感器的阻抗母差保护方式确保了电网运行的整体安全，具有较高的经济效益，符合澳门地区的使用习惯和规范。
参考文献：
[1]宋方方，王增平，刘颖. 母线保护的现状及发展趋势[J]. 电力自动化设备，2003，23（7）：66-69.
[2]杨青，郑涛，肖仕武，等. 一种防止变压器差动保护区外故障因TA饱和误动的新方法[C]// 2006中国电力系统保护与控制学术研讨会论文集. 2006.
[3]黄秋根. 变压器高阻抗差动保护的应用[J]. 电工技术，2011（6）：10-11.
[4]蔡光宗. 高阻抗母线差动保护在上海电网中的适应性[J]. 上海电力，2001（2）：40-42.
[5]朱声石. 差动保护采用P级电流互感器的问题[J]. 电力系统保护与控制，2000，28（7）：4-7.
[6]汪影，李长安. 浅析PX级保护用电流互感器[J]. 城市建设理论研究：电子版，2011（17）.
[7]桂远乾，张杰，王成明，等. 马来西亚Murum水电站继电保护的若干特殊设计[C]// 中国水力发电工程学会信息化专委会、水电控制设备专委会2014年会暨学术交流会论文集. 2014.
关键词：高阻抗；母线差动保护；PX类低漏磁；电流互感器（TA）
一 引言
母线是电力系统输配网络中最为重要的设备，其电气设备接线极为复杂，如若发生故障，不仅会损坏电力设备，同时也直接影响了电力网络的稳定性。因此，高灵敏性、高安全性、高动作速度的母线保护对于维持电力系统的稳定运行有着至关重要的意义。
母线故障通常由电流互感器故障、绝缘子闪络、断路器损坏、人工操作失误、相间短路故障、单相接地故障等。其保护措施满足四个原则：可选择，高灵敏，动作快和高可靠性。常见的母线保护方式有：
（1）母线差动保护：基于基尔霍夫定律，通过差动元件对故障进行定位隔离；
（2）母线充电保护：具有高速动性，能及时切除故障；
（3）母联失灵保护：整定延时后，母联电流仍然大于母联失灵电流定值时，保护启用；
（4）母联死区保护：解决了TA与母联之间发生的故障，具有速动性；
（5）母联过流保护：从母线流过的电流大于标准电流的时候，需要对母线进行电流保护，这种保护方式具有临时性；
在以上保护方式中，母线差动保护最为重要。本文讨论在结合实际的CEM PAC ON澳门220/110kV枢纽变电站项目中，高阻抗保护在母线差动保护中的应用以及PX类电流互感器的应用优势。
二 高阻抗母线差动保护
2.1 母线差动保护的原理及应用
母线差动保护基于基尔霍夫定律，即：
1）正常运行及外部故障时，各线路流入母线的电流和流出母线的电流相等，各元件的电流向量和为零；
2）母线故障时，母线上所有元件的电流的向量和不为零。
这一过程可以用图2.1表示，规定电流互感器正极性端为母线侧，一次电流参考正方向流向母线。
如图所示，该过程中有两个重要的电流参量（差动量和制动量）以及两种差动元件（大差差动元件和小差差动元件）。
定义差动量的值为：
其物理意义是所有支路元件引入的同相电流的和的绝对值；
定义制动量的值为：
其物理意义是所有支路元件引入的同相电流的绝对值之和。
母线差动保护电路的启动条件时：在起动元件、TA回路断线闭锁元件和复合闭锁元件正常运行的情况下，当时，母线差动保护电路启动。式中，为差动电流，为制动电流，K为制动系数。
大差比率差动元件与小差比率差动元件在工作的时候起到的作用各不相同，由于大差元件的工作特性，大差元件在整个电路中起到的作用是检测母线的工作状态是否良好，小差比率差动元主要的作用是对具体的故障进行检查，最终检测出故障的具体位置。两者在工作过程中具有一定的联系，按照工作顺序要求，大差差动元件首先动作，检测出母线出现故障之后，再由小差差动元件进行具体的定位检测。
母线差动保护的工作过程中，结构的复杂度、抗TA饱和能力、接线方式、失灵保护、死区保护等都需要进行考虑。下面将阐述对母线差动保护性能影响较大的TA饱和[1]以及PX类电流互感器规避TA饱和的原理。
2.2 TA饱和对于母线差动保护的影响
电流互感器TA的工作状态有线性传变区和饱和区。造成电流互感器工作在饱和区的因素有：
1）一次侧电流过大；
2）非周期性分量较多；
3）铁芯中剩磁过多；
4）电流互感器二次侧阻抗过大。
TA的饱和过程可以分为三步：
1）饱和前：某一元件TA近饱和时，二次侧存在的电流将骤降，由于铁芯磁通量不能突变，TA在线性传变区有3-5ms的迟滞而不能及时进入饱和区；
2）饱和时：一次侧每周期内电流近零点时会存在不饱和区段；
3）饱和后：励磁电阻下降，内阻降低，存在大量二次和三次谐波分量。
电流互感器TA饱和对母线差动保护的影响主要可以分为外部故障时和母线故障时：
如故障发生在外部区域，电流互感器TA在饱和时不能将电流线性地传入二次侧，由此产生的缺损电流会影响差动元件的工作状态。当TA处于饱和态时，差动元件中的电流将增大，因此造成母线差动保护误动的情形发生；
若故障发生在母线区，电流互感器就会出现工作不良的情况，对于电流的传递失去作用，二次回路的电流降低，电流变化率陡增，影响差动元件的灵敏度，引发母线差动保护拒动的情形发生。
为了消除TA饱和的影响，人们提出了多种抗TA饱和的方式如同步识别法、自适应阻抗加权法、重复多次判别法、谐波制动法等，通过提高闭锁性能的速动性和灵敏性以及轻微短路时的开放保护恢复功能[2]。
采用中阻抗和高阻抗母线差动保护可以很好规避TA饱和对母线差动保护带来的不利影响。
2.3 高阻抗母线差动保护的原理
根据母线差动保护电路回路系统中的阻抗大小特征，可以将母线差动保护分为低阻抗母线差动保护（电流型母线差动保护）、中阻抗母线差动保护和高阻抗母线差动保护。
低阻抗母线差动保护采用的阻抗一般为几欧姆，其抗TA饱和性能较弱，安全性和灵敏度不能兼顾，一般采用同步识别法和谐波制动来进行抗TA饱和；
中阻抗母线差动保护回路阻抗一般为几百欧姆，速动性强，灵敏度高，具有很好的抗TA饱和性能； 高阻抗母线差动保护在差动回路中串联阻抗为几千欧姆的电压继电器，故而也成为电压型母线差动保护，具有接线简单、选择性好、速动性好、灵敏度高等优点，同中阻抗母线差动保护一样具有极强的抗TA饱和的性能，但对于TA的变比一致性要求较高，同时从原理上杜絕了误动的发生。
高阻抗母线差动保护是一种局部差动保护，只反映高压和中压侧的接地故障和相间故障，低压侧电流由于并未接入差动保护，因而其故障不能够得以表征。高阻抗保护中通常采用PX类电流互感器。
当发生母线外部故障时，电流互感器的二次侧回路阻抗可以等效为直流电阻而忽略电抗，通过对比差动电压和继电器的端电压可以发现，在该原理下TA的饱和程度不会引起母线差动保护系统的误动；
当发生母线区内故障时，电流互感器的二次侧回路阻抗可以看做是一个时间常数较大的励磁阻抗，继电器动作较快，能在TA饱和之前做出快速动作[3]。
高阻抗母线差动保护作为一种电压型保护，在外部故障时，电压元件呈现低电压；内部故障时，电压元件呈现高电压，因此天生具备抗TA饱和的能力。不需要像电流型保护一样依靠制动的方式来保证灵敏性[4]。
与低阻抗母线差动保护和中阻抗母线差动保护相比，高阻抗母线差动保护有如下特征：
1）保护速度：低阻抗母线差动保护受制于非周期分量迟滞的影响，判断时间长，保护动作慢；中阻抗和高阻抗母线差动保护原理相近，通过电压元件对于内外部故障的适应性电压变化，能够针对故障快速做出保护动作；
2）抗TA饱和能力：低阻抗母线差动保护由于铁芯磁通量不能突变，抗TA饱和能力弱；中阻抗和高阻抗母线差动保护同样依靠电压元件的灵敏动作提前规避了TA的饱和；
3）误动：当发生外部故障时，低阻抗母线差动保护由于差动阻抗远小于故障TA二次回路阻抗，使得差动继电器接受了大量不平衡电流引发误动；
4）经济性：高阻抗母线差动保护接线简单，但对TA的变比一致性要求高，实际成本与低阻抗母线差动保护相近，而中阻抗母线差动保护由于需要依靠辅助流变装置降低TA二次侧电流，具备更高的成本；
5）适应性：低阻抗母线差动保护由于缺点明显，适应性较弱。中阻抗母线差动保护具有较低的回路阻抗和优秀的比率制动特性，因此适应范围更广。高阻抗母线差动在综合考虑成本和性能的前提下，具有可观的应用前景。
综上，高阻抗母线差动保护满足母线差动保护速动性、高可靠性、高灵敏性和多选择性的原则。
三 PX类电流互感器在澳门变电站项目中的应用
3.1 保护用电流互感器的原理及作用
保护用电流互感器的工作原理是利用电磁感应现象，与变压器的工作方式近似，在故障时切断电路以保护整体电网系统的安全，通常由一次侧绕阻线圈、二次侧绕阻线圈、端子和铁芯等构成。
与测量用电流互感器不同，保护用电流互感器与机电保护设备协同作用，能够在系统发生短路故障时，调节高于额定电流数十倍的短路电流，因此要求电流互感器的保护绕组精度高，误差小，从而得以保证短路故障发生时能够快速采取正确的动作[5]。
3.2 PX类电流互感器
保护用电流互感器一般分为P类和TP类。P类包含PR型和PX型电流互感器。
P型电流互感器的铁芯闭合，短路状态如果持续过长，则可能在铁芯中存有残留剩磁，将严重影响互感器的性能；为了减小剩磁的不利影响，PR型电流互感器规定了剩磁系数小于10%。
PX类电流互感器基于IEC规定，在英标国家应用较多。澳门由于其长期的使用习惯，选择PX类TA更符合其应用环境。PX类TA具有低漏磁的特征，其准确限制是由一次电流为稳态对称电流时的复合误差或励磁特性拐点来确认的，需要根据互感器二次励磁特性、二次绕组电阻、二次负荷电阻和匝数比，来确定其与所接保护系统有关的性能，在设备选型之前首先要确定电流互感器的容量、额定拐点电压、拐点电动势。PX类电流互感器适用于特殊情况。
3.3 PX类电流互感器在高阻抗母线差动电路中的应用
CEM PAC ON澳门220/110kV枢纽变电站项目中，由于澳门地域的特定原因，其电流互感器更多选用基于国际通用规范标准的PX类电流互感器。
在高阻抗母线差动保护中，IEC规定了电流互感器的几项重要参数：额定拐点电压、下的最大励磁电流、匝数比误差绝对值小于0.25%，75℃下二次绕阻电阻值。尤其是对互感器的变比一致性和励磁特性，高阻抗母线差动保护有着更为严苛的规定。
电流互感器具有一定的工作特性，通常称之为励磁特性，其表征二次端子上正弦波电动势与励磁电流之间的关系。
px电流互感器额定拐点电动势规定为，仅在二次端子上施加正弦电压测量励磁电流是，电压每增加10%，励磁电流增幅低于50%[6]。拐点电压的方程和定义如下所示：
大于继电保护动作性能要求的TA二次感生电势，则可以根据的大小选择具备合适额定拐点电压的保护用电流互感器[7]。
澳门项目中的设备选型基于PX类低漏磁TA的容量、额定拐点电压、拐点电动势而确定。由于不同保护体系下TA的计算取值不同，在实际操作中，如面临线路的距离保护相差较大等情况，适宜采用两个独立的PX电流互感器。
四 总结
高阻抗母线差动保护配合PX类电流互感器，具有选择性、速动性、灵敏性和稳定性等运行特征，能够在母线区外区内故障发生时及时隔离切断。在实际的CEM PAC ON澳门220/110kV枢纽变电站项目中，针对地域的特殊性质，采用基于PX类电流互感器的阻抗母差保护方式确保了电网运行的整体安全，具有较高的经济效益，符合澳门地区的使用习惯和规范。
参考文献：
[1]宋方方，王增平，刘颖. 母线保护的现状及发展趋势[J]. 电力自动化设备，2003，23（7）：66-69.
[2]杨青，郑涛，肖仕武，等. 一种防止变压器差动保护区外故障因TA饱和误动的新方法[C]// 2006中国电力系统保护与控制学术研讨会论文集. 2006.
[3]黄秋根. 变压器高阻抗差动保护的应用[J]. 电工技术，2011（6）：10-11.
[4]蔡光宗. 高阻抗母线差动保护在上海电网中的适应性[J]. 上海电力，2001（2）：40-42.
[5]朱声石. 差动保护采用P级电流互感器的问题[J]. 电力系统保护与控制，2000，28（7）：4-7.
[6]汪影，李长安. 浅析PX级保护用电流互感器[J]. 城市建设理论研究：电子版，2011（17）.
[7]桂远乾，张杰，王成明，等. 马来西亚Murum水电站继电保护的若干特殊设计[C]// 中国水力发电工程学会信息化专委会、水电控制设备专委会2014年会暨学术交流会论文集. 2014.