Abstract ：

电流差动保护作为目前广泛采用的电力设备主保护，具有原理简单等优点，在现场应用中取得了良好的效果和运行经验。但因CT饱和造成差动保护误动的情形仍时有发生，对设备的安全和系统的稳定运行造成严重影响。目前，国内广泛采用的电磁式CT是基于铁芯内磁场的耦合，由于铁芯具有非线性励磁特性，当一次故障电流很大，尤其是非周期分量以及铁芯剩磁的存在，CT的铁芯会被大幅度单方向励磁而进入饱和状态，引起励磁电流增大，二次侧电流波形严重畸变，其幅值和相位等出现较大偏差，进而对差动保护动作性能带来不利影响。为提高电网安全稳定运行水平，研究CT暂态饱和对差动保护的影响以及电流差动保护抗CT饱和算法具有重要意义。本文主要开展了以下研究工作： 首先，论文研究了两种抗CT暂态饱和的短窗工频量提取算法。一种是改进TLS-ESPRIT算法，通过二阶导数法确定有效阶数，无需阈值的人为选取，使定阶具有自适应性，补偿AR模型系数确保输出含有工频量；另一种是改进Prony算法，通过二阶导数法确定有效阶数、给定工频特征根以及QR分解算法提高Prony算法的性能。讨论了算法的参数选择，主要包括模型阶数、采样频率以及时间窗长。最后对比分析了不同短窗工频量提取算法的性能，包括算法准确度和时间复杂度。 其次，论文分析了CT暂态饱和对线路、变压器和母线差动保护的影响。分别给出了3/2接线方式侧的特高压短线路和长线路差动保护抗CT饱和方案，保护方案主要包括故障启动、CT线性传变段数据窗选取、短窗工频量提取和保护判据四个部分；论文针对变压器差动保护提出了励磁涌流与弱馈系统内部故障的附加鉴别区，并采用时差法和基于变压器等效励磁电感时域计算变化对励磁涌流进行快速鉴别；针对电网智能化改造可能出现的母线差动保护采用不同原理CT的情况，提出相应的保护方案。借鉴行波母线保护思路，提出了基于短窗小波工频段信号分量的母线纵联保护，实现母线区内外故障的快速鉴别。 对本文的保护算法和方案进行了仿真验证，结果表明，短窗算法可以利用不饱和数据段准确提取电流相量，抗CT饱和保护方案不受电流互感器饱和影响.

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差动保护 电流互感器 改进Prony算法 改进TLS-ESPRIT算法 暂态饱和

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Abstract ：

随着陕西电网的不断发展，系统运行负荷逐年增长，早年安装的330kV电流互感器（Current Transformer，CT）因其饱和特性已不满足系统运行要求。影响电流互感器饱和的因素较多，如系统短路电流水平、非周期分量及衰减时间大小、互感器铁心结构、材料，以及二次负载阻抗等。因此，电流互感器饱和特性在系统发生故障时易发生继电保护不正确动作情况，造成输电线路故障。由于陕西电网结构薄弱、运行方式特殊等情况，无法采用一次设备停电的方式来获取330kV电流互感器实际传变特性，因此本文通过分析研究，采取基于J-A的电流互感器模型，并对其修正和参数优化，开发出测试精度和有效性较高的电流互感器分析评估系统，作为间接测试陕西范围内在运行的330kV电流互感器传变特性新手段，为电网运行方式调整、电流互感器更换、继电保护装置防误动措施等提供较为准确的数据资料。 本文从原理上分析了电流互感器在稳态和暂态情况下的饱和特性、传变误差。结合陕西电网330kV电流互感器运行实际情况，对选定典型的几组电流互感器实施符合现场运行工况的通流测试，包括小电流测试，大电流稳态、暂态测试，对测试波形进行饱和误差的分析，找到了产生误差的根本原因；并通过对现有的CT仿真模型与暂态饱和机理进行研究，发现J-A模型对磁化过程的描述最为准确，且求解过程的复杂度以及数据、参数的特殊均符合现场实际，最终选定采用优化的J-A模型为基础，拟合励磁回路曲线；而作为传统的J-A电流互感器模型，也存在着一些不足，因此本文重点针对其磁滞曲线不闭合或者磁导率为负值的问题，从而构建J-A修正电流互感器数学模型，并采用退火算法对J-A模型进行参数优化，利用C#语言开发出基于J-A修正优化模型的电流互感器评估分析系统；为验证J-A修正优化模型下评估系统的高准确性和实用性，特采取现场试验获取电流互感器曲线和误差数据作为真值，并与J-A修正模型下的结果进行比对分析，同时与传统J-A模型下的实验结果比较，证明了本评估系统具有较高的波形还原精度和误差评估，缩短了评估分析时间，避免了现场试验带来的人身、设备风险，对CT暂态饱和特性的进一步研究具有良好的工程实用价值。 本文通过采用J-A修正评估系统对陕西省330kV电流互感器进行评估，发现30%电流互感器的饱和电流过小、误差较大，其中3%的电流互感器因其安装较早、电流饱和倍数和误差已严重不满足系统运行要求，影响继电保护及安全自动装置正确动作，需立即采取措施以防继电保护和安全自动装置误动作。

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J-A模型 大电流测试 电流互感器 评估系统 优化 暂态饱和

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电流互感器（CT）作为电力系统中重要的测量和保护元件，其能否正确测量和传变一次电流对继电保护至关重要。全球能源互联网推动电网容量逐渐增加，系统短路电流随之倍增，短路电流中非周期分量引起CT暂态饱和问题日益突出，直接影响到电力系统继电保护能否正确动作。为提高电力系统安全稳定运行水平，深入研究CT暂态饱和机理，提出能够准确定位CT进、出饱和时刻的识别方法，将二次电流波形划分为未饱和区段、饱和区段，提出饱和波形的恢复算法，实现用未饱和区段数据恢复饱和区段波形，从而得到不受CT饱和影响的二次电流波形具有重要意义。 首先，本文从物理过程和数学表达式两方面研究了CT暂态饱和的工作原理，得到了CT对一次电流的传变特性，通过仿真研究了一次侧短路电流稳态分量值、非周期分量大小、二次侧负载功率因数、铁芯剩磁的大小和方向以及CT变比、匝数大小等因素对暂态饱和的影响。 其次，本文提出了改进差分法实现对CT进、出饱和时刻的准确定位。该方法克服了传统差分法可靠性差，对相邻判别结果过于依赖的缺点，采用每个单调区间内三阶差分模极大值个数来定位CT进、出饱和时刻，并且能够确定CT的饱和程度。本文给出了算法流程图，并且对CT发生轻度、中度及严重饱和进行仿真分析，验证了改进算法的可行性。 再次，本文首次将数字信号处理新方法多分辨SVD应用于CT饱和识别。CT进、出饱和点处二次电流波形具有奇异点特征，多分辨SVD多层分解的细节信号则有很强的奇异点识别能力，且每层分解出细节信号的奇异点都处于同一点上，不会出现小波变换的奇异点偏移现象，可以非常精确地定位波形奇异点。该方法同样在CT轻度、中度及严重饱和情况下进行了仿真，并与改进差分法的识别结果作对比，证明了改进差分法识别的饱和区段较真实值长，识别结果较为保守，而该方法具有很高的准确度和稳定性，可以用于改进差分法的验证。 最后，提出了基于快速相量提取算法的二次波形恢复方案。在上述CT饱和识别方法将二次电流波形划分成未饱和区段、饱和区段的基础上，对未饱和区段采样点应用快速相量提取算法得到工频量幅值、相角，再通过数学运算直接求得各采样点衰减直流分量值，该方法避开了直接求解衰减非周期分量初始值、时间常数过程中，对数求解对误差放大导致数据无法使用的现象，准确度高。文章对线路两侧CT发生不同程度饱和时的恢复情况进行仿真，以电流比值误差、相角误差及标准均方根误差为标准对恢复的电流波形进行准确度衡量，并且分析了电力系统发生区内、区外故障时，采用恢复算法前后差动保护动作性能的改善情况。

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饱和识别 波形恢复 电流互感器 暂态饱和

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零序电流差动保护对接地故障灵敏度高，动作电流与变压器调压分接头无关，受励磁涌流影响小，原理简单等优点，在超高压自耦变压器保护上得到广泛应用。但零序电流差动保护由于反应自耦变压器三侧零序电流的相量和而动作，受电流互感器饱和影响较大，不易整定，在区外故障切除时常常导致保护的误动。据此提出“基于零序电流的超高压自耦变压器相位比较纵联保护方案”。该方案比较自耦变压器两侧保护处零序电流相位，根据相位相同或相反作为故障判据来区分自耦变压器内部故障或外部故障。动模试验数据和数字仿真验证结果表明，该方案具有对超高压自耦变压器接地故障灵敏度高，选择性好，能够正确反应自耦变压器各种轻微匝间故障，保护判据均不受零序电流非周期分量和故障侧电流互感器（CT）饱和深度的影响等优点。

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CT饱和 非周期分量 接地故障 零序电流 相位比较 匝间故障 自耦变压器

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跳闸式纵联距离保护是一种很有潜力的纵联保护方案。与电流差动保护相比，跳闸式纵联保护的通信通道只需传递跳闸信号，无需传送电流量数据，同时两端数据不需要同步采集。与传统允许式或闭锁式纵联保护相比，跳闸式纵联保护不用传递允许信号或者闭锁信号，因此保护装置无需延时5-15ms以确保允许信号或者闭锁信号被可靠接收。跳闸式纵联保护一旦接收到跳闸信号就不带延时立刻动作于跳闸，因此动作速度明显快于方向比较式纵联保护。并且，当通道退出或运行中通道发生障碍时仍具有距离保护的原有功能。换言之，跳闸式纵联距离保护是在距离保护的基础上增加通信接口和必要的动作逻辑实现纵联保护，达到快速切除全线故障的目的。 但它同时也要求两端的保护装置具有独立区分区内故障和区外故障的能力，保护性能应不受暂态过程和长线分布电容的影响。然而现有距离保护元件的性能受分布电容影响较大，存在故障距离的计算结果可能小于实际故障距离的可能性，即存在“负误差现象”。当长线末端发生区外故障时，“负误差现象”会引起距离元件判为区内故障，保护继而误动。因此现有的距离保护元件不适宜构造跳闸式纵联保护方案。 为此，本文从高压线路中最常见的单相接地故障入手，研究了一种采用时域方法的求解线性微分方程的长距离输电线路快速距离保护算法，该算法针对高压输电线路变压器普遍采用直接接地方式这一特点，仅利用本端信息量，将故障后的对端系统等效为一个电感，通过求解线性微分方程可识别故障距离等参数。实验证明该算法可在10ms内快速切除故障，不受分布电容影响，耐过度电阻能力强，且在末端测距精准，有效克服了传统距离保护的暂态超越问题。 在此基础上，本文进一步探讨了适配该距离保护算法的选相元件以及方向元件，并据此设计了一种新的跳闸式快速纵联距离保护方案。 理论分析和EMTP仿真实验证明，该保护方案逻辑简单清晰、动作快速可靠，耐过渡电阻能力强，不受系统运行方式及故障非周期分量影响，有望实际应用于高压输电线路主保护。

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时域方法参数识别距离保护长距离输电线路纵联距离保护

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Abstract ：

自动重合闸在输电线路上得到了广泛应用。传统自动重合闸在重合前不判别故障性质（即永久性和瞬时性故障），以固定延时重合。它可能造成：(1)重合时故障电弧尚未熄灭，导致重合失败。(2)故障电弧持续时间短，却因固定延时丧失快速重合机会。自适应重合闸旨在通过判别故障性质提高重合成功率。目前，单相自适应重合闸已得到充分研究。但特/超高压线路采用单相重合闸，存在二次电弧不易熄灭、非全相运行及断路器操作机构复杂等问题。随着电网网架结构的加强，单相重合闸的不利因素将会成为主要矛盾，特/超高压线路将会采用三相重合闸。因此，开展三相自适应重合闸的研究具有重要意义。采用三相重合闸的输电线路，故障后保护动作跳开三相断路器，线路与系统断开联系，成为“零输入电路”。对于不带并联电抗器线路，线路电压快速衰减。但对于带并联电抗器线路，由于并联电抗器和线路电容的储能，并联电抗器电流和线路电压呈现自由振荡，基于此可判别故障性质。 针对带并联电抗器输电线路，本文研究了并联电抗器电流的频率特性和衰减特性，以并联电抗器电流为输入信号，提出了适用于各种条件的三相重合闸故障性质判别方法。本文开展的具体研究工作包括： 1)从频率特性、衰减特性两方面，研究了线路两端断路器三相跳闸后、不同故障性质下并联电抗器电流的特征。通过研究输电线路模量网络发现：瞬时性故障时，零模网络与线模网络中并联电抗器电流具有不同的自由振荡频率和衰减因子，其数值与并联电抗器和线路的参数有关。永久性故障时，不同故障类型下的并联电抗器电流特性不同。其中，单相接地故障时零模网络与线模网络经故障点串联连接；两相接地故障时零模网络与线模网络经故障点并联连接。因此接地故障时并联电抗器零模电流的自由振荡频率与瞬时性故障时不同。相间故障时故障相线模网络可等效为并联电抗器电感、线路电阻和电感、过渡电阻的串联，对应线模电流主要包含非周期分量。分析表明，并联电抗器模电流中自由振荡分量的衰减特性几乎不受故障位置、过渡电阻的影响，但非周期分量的衰减特性受故障位置和过渡电阻影响较大。通过EMTP建立典型线路模型，仿真验证了分析结论的正确性。以上结论为研究带并联电抗器线路故障性质判别方法奠定了理论基础。 2)提出了模量参数识别原理的故障性质判别方法。以瞬时性故障时输电线路模量网络的&#61552型或T型等效电路作为参考模型建立参数识别方程，分别以并联电抗器电感参数和线路电容参数作为待识别参数，应用最小二乘算法求解待识别参数，以参数估计值与实际值之间的差异判别故障性质。仿真结果表明：瞬时性故障，参数估计值与实际值几乎相等；永久性故障，参数估计值偏离实际值。在实用化方面，通过计算待识别参数对背景参数的参数灵敏度，提出了简化参考模型的方法，降低了方程阶数、显著减小了计算量。利用参数灵敏度给出了参数识别原理故障性质判别方法的整定计算方法。提出的参考模型简化方法和整定计算方法可推广至参数识别原理保护中。 3)提出了基于并联电抗器电流频率特性的故障性质判别方法。利用瞬时性故障和永久性故障时并联电抗器电流频率特性的差异，提出了两种实现方法。其一，针对接地故障，应用最小二乘矩阵束算法求取并联电抗器零模电流自由振荡频率，与零模网络固有频率主频进行比较，判别故障性质。其二，接地故障时，建立并联电抗器零模电流模型，包含衰减非周期分量及不同故障性质自由振荡频率分量。应用最小二乘拟合算法分析零模电流获取自由振荡分量幅值，比较不同频率分量幅值判别故障性质。相间故障时，建立并联电抗器线模电流模型，包含衰减非周期分量及线模自由振荡分量。应用最小二乘拟合算法分析故障特征最明显相间线模电流获取自由振荡分量幅值，依据幅值大小判别故障性质。基于频率特性的故障性质判别方法不需要通信通道，灵敏度高、不受故障位置和过渡电阻的影响，解决了参数识别原理判别方法在单相接地故障时灵敏度不足的问题。 4)提出了模型识别原理的故障性质判别方法。以瞬时性故障时线路模型为参考模型，建立反应故障性质的特征电流表达式，分析了永久性故障、不同故障类型下特征电流的特点。利用特征电流大小判别故障性质。理论分析及仿真表明，瞬时性故障，各特征电流几乎均为0。而永久性故障，根据故障类型的不同，全部或部分特征电流不为0。该方法不依赖选相结果，但可利用选相结果减小计算量。 5)比较了上述故障性质判别方法的性能、适用条件及优缺点，研究了其实时性。根据判别方法的特点，提出了适用于单端、双端带并联电抗器输电线路自适应熄弧时刻的三相重合闸方案。新方案在减小重合闸时间的同时，可提高重合成功率。此外，还研究了三相重合闸故障性质判别方法应用于同杆并架平行双回线路的适应性问题。

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继电保护自适应重合闸参数识别自由振荡频率

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电流互感器（TA）作为继电保护系统的重要组件，其正确传变一次电流是保护正确动作的首要前提。国内220kV、330kV电网电流互感器以P级为标准配置，P类电流互感器按最大稳态短路电流来选择，随着电网规模增加短路电流倍增，受短路电流非周期分量及铁芯剩磁的影响暂态饱和问题日益严重，由此引起的继电保护不正确动作逐年增加。为提高电网安全稳定运行水平，研究电流互感器暂态饱和对继电保护的影响，并提出不受电流互感器暂态饱和影响的保护算法具有重要意义。 首先，论文阐述了电磁式TA基本原理及等值电路，采用理论分析与试验数据相结合的技术手段研究了电流互感器暂态传变特性，分析了P级电流互感器暂态饱和特征及衰减直流分量、剩磁、铁心材料及几何尺寸等因素对P级电流互感器暂态传变性能的影响。 其次，论文分析了TA暂态饱和对各种原理保护动作性能的影响。定义TA暂态传变系数，并通过仿真分析其幅值、相位的取值范围。结合TA暂态传变系数，研究了线路差动保护、变压器差动保护以及母线差动保护分别发生区内、区外故障情况下，TA暂态饱和对各保护动作性能的影响，并通过理论计算给出临界动作时暂态传变系数轨迹。对TA暂态饱和对电流保护的影响进行了简单讨论，结合常见的各种圆阻抗特性对距离保护在TA发生暂态饱和情况下的动作特性进行了简要分析。 再次，论文针对TA暂态饱和引起保护不正确动作的问题，提出相应的短窗抗饱和算法，算法的核心思想是利用TA暂态饱和二次电流中的非饱和段数据提取故障电流工频分量。论文基于Prony算法和小矢量算法原理，从确定信号有效阶数、合理分频以及给定工频分量特征根三个方面进行改进，提出改进短窗Prony算法，结合一阶差分补偿环节提出可用于TA暂态饱和计算中的小矢量算法。以论文提出的两种抗饱和算法为核心内容，给出了应用于继电保护抗TA暂态饱和的方案。 最后，通过TA暂态饱和试验数据及实际的故障录波数据对两种算法性能进行验证；通过PSCAD仿真算例，验证了文章提出的继电保护抗TA暂态饱和方案在线路差动保护中的有效性。

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电流互感器暂态饱和继电保护改进短窗Prony算法小矢量算法

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方向元件是纵联方向保护的核心元件，其性能的好坏会直接影响保护的动作。传统的方向元件是由傅氏算法提取工频分量构成。虽然傅氏算法本身有一定的滤波能力，但是全周傅氏算法对非周期分量引起的低频分量抑制能力较差，半周傅氏算法消除直流分量和偶次谐波的效果比全周傅氏算法差。对于高压长距离输电线路，线路分布电容大，使得在故障发生后的电压、电流暂态分量中含有衰减高频分量；另外，线路上还接有串联补偿电容器和并联电抗器，造成电压、电流的暂态分量中含有衰减的低频分量和衰减非周期分量，使得傅氏算法在故障暂态过程中提取工频量时产生误差，从而导致传统方向元件的灵敏度差，甚至可能误判方向。 本文首先分析了几种典型的方向元件，指出了其特点和不足。然后通过对矩阵束算法的研究，提出了一种基于改进矩阵束算法的方向元件。通过大量仿真分析表明改进矩阵束算法基本不受整次和非整次谐波的影响，衰减非周期分量对算法的影响也很小。并且仿真分析了采样频率、数据窗长和A/D位数对改进矩阵束算法的影响。通过与传统傅氏算法的结果对比表明改进矩阵束算法能够快速、准确地提取工频量信息，适用于方向元件的研究和实现。本文采用改进矩阵束算法提取故障电压、电流信号的工频量构成方向元件，从而判断区内外故障。 最后，本文用ATP搭建了分布参数线路仿真模型，研究了不同故障类型,，不同过渡电阻，不同故障时刻下基于改进矩阵束算法的方向元件和传统方向元件的性能。仿真结果表明，基于改进矩阵束算法的方向元件的性能比傅氏方向元件的性能优越。

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方向元件工频分量傅氏算法改进矩阵束算法

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高压输电线路是国家电力能源分配和供应的纽带，其安全可靠的运行，影响到能源供需平衡及社会的和谐发展，在电力系统中的地位日益重要。高压输电线路的距离保护，保护区稳定，灵敏度高，动作迅速，能够准确、快速、可靠的切除输电线路故障，同时具有较高的定位精确度，可以用作单端故障测距。但随着电力系统规模的扩大，高压线路日益增多，网架结构越来越复杂，使得基于集中参数模型，且耐过渡电阻能力有限的传统距离保护面临严峻的考验。 我国110kV及以下的输电线路除了距离保护装置和故障录波装置，并没有装设专门的故障测距装置，故障测距只能依靠距离保护和故障录波装置计算。本文针对传统距离保护在应用于中长距离输电线路故障测距时精度不足，影响到国家电网公司短时间内迅速排除故障，按时恢复供电服务社会的承诺的这一问题，分别从故障测距原理、原始数据处理方式和输电线路参数模型入手，对4种现有的单端电气量故障测距的方法存在的缺陷与不足进行对比分析。整理并选取了常用的故障分析法改进算法，来克服输电线路过渡电阻影响故障测距的精度；傅氏算法对电力系统故障后电气量信号中含有的衰减非周期分量的抑制能力差；输电线路参数模型选取影响测距结果等问题。 通过阅读文献梳理各种算法的验证结果，发现大量文献偏重于利用电磁暂态仿真程序验证，而仿真程序存在不能完全真实再现电网运行方式，仿真参数与电网元件故障实际参数并不完全一致的问题。针对这一问题，本论文重点立足于工程实际应用，提取现场的有代表性的故障波形数据，在MATLAB程序中，对单相、两相和三相故障测距算法进行验证并对测距误差分析。通过分析验证可知，在中短距离输电线路故障测距时，采用四种故障分析算法，均能满足测距精度要求；而在长距离输电线路发生故障时，受线路分布电容的影响，需采用更精确的线路分布参数模型，以提高测距精度；受过渡电阻的影响，利用故障分量电流对电压分布进行补偿较未补偿的电压分布算法，测距精度较高，且能够准确定位实际故障。 基于以上分析结果，利用单端电气量的110千伏输电线路故障测距中，采用补偿线路沿线分布电压法，建立在精确测距模型下，较好减小了过渡电阻及线路参数模型对测距结果的影响，适合于短、中、长距离故障测距，具有较高实际应用价值。

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110千伏 单端电气量 故障测距 解微分方程

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　　为了提高母线差动保护的正确动作率，通过对现场一起母线差动保护误动事故的原因进行研究，从理论上分析了交流二次回路中性线阻抗的存在对母线差动保护的动作行为可能造成的影响。研究结果表明，当母线上所连支路发生故障时，若线路空载或轻载，故障相的短路电流及非周期分量均达到一定水平时，由于交流二次回路中性线阻抗的存在，会造成非故障相的电流互感器反向饱和，从而可在非故障相中产生异常电流，造成母线差动保护误动作。EMTP 仿真结果证明了上述分析结论的正确性和合理性。对此进一步提出了相应的防范措施和建议，以避免现场类似事故的发生。

Keyword ：

饱和 差动保护 电流互感器 母线 中性线 阻抗

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