1、一種采用縱向阻抗的變壓器保護(hù)算法夏經(jīng)德1，袁玉寶1，劉歡慶1，高淑萍2，西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048； 2. 西安科技大學(xué) 電氣與控制學(xué)院，西安 710054）摘要：針對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)需要通過(guò)二次諧波等算法來(lái)識(shí)別勵(lì)磁涌流的問(wèn)題，在縱向阻抗保護(hù)原理的基礎(chǔ)上提出一種基于故障序分量的變壓器保護(hù)算法。利用故障序分量縱向阻抗在內(nèi)部故障小于變壓器漏阻抗，在外部故障、空載合閘大于變壓器漏阻抗的特點(diǎn)，算法能夠可靠識(shí)別故障區(qū)域。在變壓器空載合閘時(shí)依據(jù)輸電系統(tǒng)中穩(wěn)定的阻抗關(guān)系，可以有效抵御勵(lì)磁涌流的影響，使得保護(hù)算法在空載合閘時(shí)可靠不動(dòng)作。同時(shí)考慮區(qū)外故障電流互感器可能發(fā)生的各種飽和情況，算法能

2、夠正確識(shí)別故障區(qū)域，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。通過(guò)在PSCAD中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明算法不受電流互感器飽和、勵(lì)磁涌流的影響，具備較強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，擁有良好的工程應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：變壓器；序分量；縱向阻抗；漏阻抗；電流互感器飽和中圖分類(lèi)號(hào)：TM731 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1001-1390（2019）00-0000-00A transformer protection algorithm using longitudinal impedanceXia Jingde1,Yuan, Yuan Yubao1,Liu, Liu Huanqing1,Gao Gao Shuping2,(1. D

3、epartment School of Electronic and Information, Xian Polytechnic University, Xian 710048, China. 2. School of electrical Electrical and controlControl, Xi an university University of science Science and technologyTechnology, Xian 710054, China)Abstract：In view of that problem that the differential p

4、rotection of the transformer need needs to identify excitation current through the algorithm of second secondary harmonic and so on, a transformer protection algorithm based on the fault sequence component is put forward on the basis of the longitudinal impedance protection principle.Usingprinciple.

5、 longitudinal impedance fault sequence component in internal fault is less than the leakage impedance of transformer, the external fault, no-load closing is greater than the transformer leakage impedance.The. The characteristics of the algorithm can reliably identify fault zonezone according to the

6、characteristics that the longitudinal impedance fault sequence component in internal fault is less than the leakage impedance of transformer, and the external fault, no-load closing is greater than the transformer leakage impedance. It can effectively resist the that influence of excitation current

7、due to the stable impedance relation in the transmission system, so that it can be reliable with no-action when the power is no-load close.Atclosing. Meanwhile the same time, considering all the saturated conditions that can occur in the out-of-zone malfunctioning current transformer, the algorithm

8、is able to correctly identify the fault area, and it has a strong anti-interference ability.Throughability. Through simulation experiments in PSCAD, the results show that the algorithm is not affected by current transformer saturation and magnetizing inrush current, and has strong reliability and an

9、ti-interference ability, and which has good engineering application prospects.Keywords：transformer,sequencetransformer, sequence component, longitudinal impedance, the leakage impedance, saturation of current transformer0 引言隨著1 000 kV特高壓交流輸電和800 kV直流輸電等輸電技術(shù)的發(fā)展，線(xiàn)路的輸電容量快速增大，供電區(qū)域內(nèi)的主變壓器將承擔(dān)更大的電能傳輸任務(wù)，因此電力

10、變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行將至關(guān)重要1。目前，一般選擇電流差動(dòng)保護(hù)作為大型變壓器的主保護(hù)，能夠可靠識(shí)別發(fā)生于變壓器內(nèi)部的各類(lèi)故障，實(shí)現(xiàn)保護(hù)變壓器穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，電流差動(dòng)保護(hù)易受變壓器勵(lì)磁涌流的影響，如何有效識(shí)別勵(lì)磁涌流成為了變壓器差動(dòng)保護(hù)所要解決的重要問(wèn)題2。針對(duì)勵(lì)磁涌流，差動(dòng)保護(hù)使用二次諧波、波形對(duì)稱(chēng)原理、采樣值差動(dòng)等方法來(lái)識(shí)別勵(lì)磁涌流，從而在變壓器空載合閘時(shí)通過(guò)閉鎖電流差動(dòng)保護(hù)來(lái)躲避勵(lì)磁涌流。對(duì)此已經(jīng)進(jìn)行了一些改進(jìn)工作3-6。文獻(xiàn)3對(duì)二次諧波制動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)，采用二次諧波、間斷角、CT飽和判據(jù)構(gòu)成的綜合判據(jù)進(jìn)行勵(lì)磁涌流識(shí)別，可在多種情況下進(jìn)行正確識(shí)別勵(lì)磁涌流；文獻(xiàn)4對(duì)差動(dòng)電流采樣數(shù)據(jù)

11、進(jìn)行處理后計(jì)算峭度系數(shù)，以峭度系數(shù)是否大于零作為區(qū)別變壓器勵(lì)磁涌流和故障電流的區(qū)別，算法計(jì)算量較小，具備一定的抗噪聲能力，較二次諧波制動(dòng)方式有明顯優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)5依據(jù)Hausdorff原理，利用勵(lì)磁涌流和故障差流存在的波形差異進(jìn)行識(shí)別，可有效識(shí)別變壓器空載合閘、帶故障空載合閘、區(qū)內(nèi)故障等故障，對(duì)采樣頻率沒(méi)有要求，且算法可抵御部分采樣值缺失的問(wèn)題，具備較強(qiáng)的抗干擾能力。此外，還出現(xiàn)一些新的變壓器保護(hù)原理6-8。本文是一種基于故障分量縱向阻抗原理的變壓器保護(hù)算法，以縱向阻抗保護(hù)原理為基礎(chǔ)，區(qū)內(nèi)故障縱向阻抗小于變壓器漏阻抗；區(qū)外故障、空載合閘時(shí)，縱向阻抗大于變壓器漏阻抗。算法采用瞬時(shí)電流差動(dòng)為保護(hù)的啟動(dòng)

12、條件，以縱向阻抗為保護(hù)的判據(jù)，能夠識(shí)別發(fā)生于內(nèi)部的接地故障、各類(lèi)匝間故障；在區(qū)外故障時(shí)能夠可靠不動(dòng)作，并具備較強(qiáng)的抗干擾能力來(lái)抵御勵(lì)磁涌流和電流互感器飽和的影響。通過(guò)進(jìn)行相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明該算法能可靠識(shí)別變壓器的內(nèi)部故障，在勵(lì)磁涌流、電流互感器飽和時(shí)均能夠正確判別，保護(hù)算法具備較強(qiáng)的抗干擾能力。1基于縱向阻抗的變壓器保護(hù)原理?yè)?jù)文獻(xiàn)9中縱向阻抗原理的定義，和文獻(xiàn)10中的關(guān)于縱向阻抗的推導(dǎo)過(guò)程。以單相變壓器T型等效電路對(duì)縱向阻抗原理進(jìn)行分析。圖1中，1和2分別是變壓器的兩個(gè)測(cè)量端，、為1側(cè)、2側(cè)的等效系統(tǒng)阻抗，、為變壓器內(nèi)部1側(cè)、2側(cè)的等效漏阻抗，為勵(lì)磁阻抗，為勵(lì)磁電流，；、，、分別為1

13、、2側(cè)的電壓故障分量、電流故障分量，參考方向?yàn)槟妇€(xiàn)指向變壓器。縱向阻抗幅值判據(jù)為： (1)1.1區(qū)外故障的縱向阻抗圖1為區(qū)外故障時(shí)單相變壓器T型等效電路。圖1 區(qū)外故障時(shí)單相變壓器T型等效電路Fig.1 The tT-type equivalent circuit of single-phase transformer in the case of out-of-area fault圖1中，為故障點(diǎn)電壓，為故障電流，、為區(qū)外故障后分離出來(lái)的兩個(gè)等效阻抗，其中有。當(dāng)變壓器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可不考慮分流的影響。在變壓器區(qū)外故障時(shí)，可以得到以下推論： (2)將式(2)帶入式(1)可以得到： (3)

14、由于不考慮分流的影響，與在幅值上基本相同有，即。當(dāng)考慮電流互感器飽和時(shí)，參照文獻(xiàn)9中分析結(jié)果，可能出現(xiàn)的最大穩(wěn)態(tài)飽和電流為，帶入式(3)，有。即區(qū)外故障時(shí)，總會(huì)存在。區(qū)外故障時(shí)，縱向阻抗大于變壓器漏阻抗。1.2區(qū)內(nèi)故障的縱向阻抗圖2中，為故障點(diǎn)電壓，為故障電流，、為內(nèi)部故障時(shí)在故障位置處分離出的兩個(gè)等效漏阻抗，有，而此時(shí)變壓器未發(fā)生飽和，可不考慮分流的影響。則有以下推論：(4)將式(4)帶入式(1)可以得到如下： (5)由于式(4)中、與參考電流的方向相同，有、，據(jù)式(5)則。若考慮勵(lì)磁電流、電流互感器差異時(shí)，將發(fā)生變化，但都能夠保證和,即上式總會(huì)不大于1，能夠保證。區(qū)內(nèi)故障時(shí)，縱向阻抗小于變

15、壓器漏阻抗。圖2 區(qū)內(nèi)故障時(shí)單相變壓器T型等效電路Fig.2 The tT-type equivalent circuit of single-phase transformer in fault zone1.3空載合閘的縱向阻抗當(dāng)變壓器內(nèi)部磁場(chǎng)出現(xiàn)飽和時(shí)，即變壓器空載合閘后，磁場(chǎng)飽和將會(huì)使變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，此電流較大且與變壓器型式、容量有關(guān)，一般為正常運(yùn)行電流的6-8倍。故需要分析勵(lì)磁涌流對(duì)縱向阻抗原理的影響。變壓器空載合閘后，在圖3中1側(cè)斷路器閉合，2側(cè)斷路器斷開(kāi)，此時(shí)會(huì)有：， (6)當(dāng)1側(cè)的斷路器投入后，采用突變量算法對(duì)空載合閘過(guò)程進(jìn)行分析：根據(jù)圖3，相關(guān)狀態(tài)可以表示為： (7) (8

16、)式中 為電源側(cè)的電動(dòng)勢(shì)；為1側(cè)的電壓；為1側(cè)突變量電壓；為1側(cè)突變量電流。則在1側(cè)的突變量縱向阻抗為： (9)根據(jù)縱向阻抗保護(hù)原理，變壓器空載合閘時(shí)，將依據(jù)1側(cè)的系統(tǒng)阻抗與變壓器漏阻抗的關(guān)系來(lái)進(jìn)行勵(lì)磁涌流的分析。圖3 空載合閘時(shí)的單相變壓器等效電路Fig.3 Equivalent circuit of single-phase transformer when no no-load closing據(jù)GB50059-2011主變壓器的容量選擇需要考慮近期建設(shè)與遠(yuǎn)期發(fā)展，單臺(tái)連接的變壓器容量一般取的1.251.5倍，為發(fā)電機(jī)容量。據(jù)文獻(xiàn)14，發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)阻抗標(biāo)幺值為0.120.25 pu，變壓

17、器的暫態(tài)阻抗標(biāo)幺值為0.10 pu，經(jīng)過(guò)式(10)則等效到發(fā)電機(jī)同等容量時(shí)的暫態(tài)阻抗，為0.0670.08 pu。(10)當(dāng)考慮發(fā)電機(jī)與容量相匹配的變壓器直接相連（發(fā)電機(jī)與變壓器不直接相連時(shí)，可以將其等效在同一輸電功率下直接相連的電網(wǎng)絡(luò)中），發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)阻抗大于變壓器的暫態(tài)阻抗，即。使得基于縱向阻抗的變壓器保護(hù)在空載合閘時(shí)能夠可靠不動(dòng)作，達(dá)到抗勵(lì)磁涌流的效果。2 基于縱向阻抗原理的變壓器保護(hù)算法對(duì)YNd11接線(xiàn)的變壓器，兩側(cè)電氣量存在偏差，其中幅值偏差可通過(guò)電流互感器選擇時(shí)進(jìn)行校正，而30o的相位偏移需要通過(guò)保護(hù)算法進(jìn)行校正。2.1 相位校正通過(guò)分析文獻(xiàn)8中相位校正的方法，采用其中的校正方式

18、2進(jìn)行計(jì)算，其校正方式如下：對(duì)Y側(cè)電氣量進(jìn)行濾除零序分量操作： (11)對(duì)側(cè)電氣量進(jìn)行相位變化，(12)通過(guò)上述方式校正后，可實(shí)現(xiàn)30o的相位校正，使得兩側(cè)的電氣量的相位相同。如圖4、圖5所示，校正方式1為文獻(xiàn)8中的方式1，將Y側(cè)數(shù)據(jù)校正至側(cè)；校正方式2為文獻(xiàn)7中的方式2，將側(cè)數(shù)據(jù)校正至Y側(cè),并將Y側(cè)數(shù)據(jù)濾除零序分量。兩種校正方式在正常運(yùn)行時(shí)，相對(duì)誤差相同，圖4中存在的相位偏差是Y側(cè)與側(cè)的相位差，約30o；區(qū)外故障時(shí)，方式1的校正情況與正常運(yùn)行時(shí)基本相同，沒(méi)有反映較多的故障信息，方式2在區(qū)外故障時(shí)差流較正常運(yùn)行時(shí)幅值較大，含有較多的故障電流能夠反映故障信息，可供保護(hù)算法在之后的計(jì)算中進(jìn)行故障判

19、別。分析結(jié)果與文獻(xiàn)8的描述基本相同，因此方式2相對(duì)方式1具備明顯優(yōu)勢(shì)，因此本文采用方式2進(jìn)行相位校正。圖4 正常運(yùn)行時(shí)校正方式Fig.4 Calibration mode during normal operation圖5 區(qū)外故障時(shí)校正方式Fig.5 Calibration mode during external fault2.2 保護(hù)的起動(dòng)方式保護(hù)的起動(dòng)方式是在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)將保護(hù)切換到故障處理程序，起動(dòng)條件的可靠性和快速性有利于加速和提高整套保護(hù)裝置的動(dòng)作可靠性和速動(dòng)性。參考文獻(xiàn)16中電流突變量差動(dòng)繼電器的設(shè)計(jì)，算法設(shè)定電流互感器二次電流為動(dòng)作門(mén)檻，為： (13)當(dāng)其連續(xù)3點(diǎn)大于整定值

20、時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)；當(dāng)起動(dòng)條件滿(mǎn)足，保護(hù)程序進(jìn)入故障處理階段，計(jì)算故障序分量縱向阻抗，進(jìn)行故障判定。2.3 保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)據(jù)縱向阻抗保護(hù)原理的分析，保護(hù)在區(qū)外故障時(shí)，縱向阻抗大于變壓器漏阻抗；變壓器空載合閘時(shí)，保護(hù)依據(jù)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電抗與變壓器暫態(tài)電抗的關(guān)系來(lái)可靠制動(dòng)勵(lì)磁涌流的影響。即保護(hù)在區(qū)外故障、空載合閘，縱向阻抗大于變壓器漏阻抗；在內(nèi)部故障，縱向阻抗小于變壓器漏阻抗。保護(hù)的動(dòng)作條件為： (14)保護(hù)定值,為變壓器的等效漏阻抗，依據(jù)變壓器短路試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，得到變壓器漏阻抗。當(dāng)保護(hù)的啟動(dòng)條件滿(mǎn)足時(shí)進(jìn)入保護(hù)判定環(huán)節(jié)：縱向阻抗小于，保護(hù)判定為內(nèi)部故障，保護(hù)動(dòng)作；縱向阻抗大于，保護(hù)判定為非內(nèi)部故障

21、，保護(hù)不動(dòng)作?？v向阻抗保護(hù)原理動(dòng)作流程圖如圖6所示。圖6 縱向阻抗保護(hù)原理動(dòng)作流程圖Fig.6 Flow chart of longitudinal impedance protection principle3 仿真驗(yàn)證依據(jù)文獻(xiàn)12所述模型在PSCAD中搭建一個(gè)YNd11聯(lián)結(jié)方式的三相三柱式變壓器，其額定容量為40 MVA；有載調(diào)壓，變比為，短路損耗為195 kW，短路電壓為10.5%。圖7為系統(tǒng)中故障設(shè)置的位置，圖中表示在距變壓器端口2km處發(fā)生故障；表示在變壓器出線(xiàn)處發(fā)生內(nèi)部接地故障；表示發(fā)生內(nèi)部匝間故障(此處只考慮匝間故障的匝數(shù)，未考慮故障的相對(duì)位置，所設(shè)置的故障在繞組中央位置)。圖7

22、 系統(tǒng)中故障設(shè)置的位置Fig.7 The lLocation of the fault setting in the system表1為不同故障位置時(shí)的保護(hù)原理動(dòng)作情況從中可以看出基于序分量縱向阻抗的保護(hù)原理能在故障發(fā)生后的20ms內(nèi)識(shí)別出故障區(qū)域，最快可在10ms內(nèi)識(shí)別故障區(qū)域。保護(hù)在區(qū)外故障時(shí)，阻抗均大于；在區(qū)內(nèi)故障時(shí)，阻抗小于；在內(nèi)部單相5%的匝間故障時(shí)，啟動(dòng)條件和保護(hù)判據(jù)都能滿(mǎn)足并且保護(hù)可靠動(dòng)作；在1%的匝間故障時(shí)，保護(hù)的啟動(dòng)條件不滿(mǎn)足，而縱向阻抗卻小于，可以對(duì)啟動(dòng)條件進(jìn)行改進(jìn)，使得縱向阻抗保護(hù)原理具有一定的匝間故障識(shí)別能力。表1 不同故障位置時(shí)的保護(hù)原理動(dòng)作情況Tab.1 Prote

23、ction principle action at different fault locations故障位置縱向阻抗()起動(dòng)電流10ms20ms空載合閘10.08180.5157.09區(qū)外故障AG0.32148.36145.13AB0.73120.21118.08ABCG1.0473.2671.71區(qū)內(nèi)故障AG10.488.447.77AB12.088.647.26A相匝間故障1%0.0332.3931.932%0.0927.6426.785%0.2427.2126.02在區(qū)外故障時(shí)，故障電流會(huì)使電流互感器發(fā)生飽和，進(jìn)而影響保護(hù)性能18。在區(qū)外故障時(shí)，變壓器的高壓側(cè)電流較低壓側(cè)電流小，因而低

24、壓側(cè)電流互感器更易發(fā)生飽和。以下將主要分析各種短路情況時(shí)低壓側(cè)電流互感器的飽和情況。圖8為電流互感器在含有0.5pu剩磁的基礎(chǔ)上施加10A的直流偏磁，在區(qū)外A相接地故障，其基本的傳變電流如圖8所示。從中可以看出，電流互感器在傳變時(shí)產(chǎn)生了較大的波形畸變，并且幅值有衰減，相位有偏移，此時(shí)計(jì)算的縱向阻抗為136歐姆，保護(hù)仍具備足夠的靈敏裕度。圖8 電流互感器穩(wěn)態(tài)飽和Fig.8 Steady state saturation of current transformer圖9為電流互感器在傳變10時(shí)，在區(qū)外A相接地故障，其基本的傳變電流如圖9所示。從中可以看出，電流互感器由于在第一個(gè)周期內(nèi)傳變幅值較大的

25、一次電流而進(jìn)入深度飽和，從而影響電流互感器在傳變時(shí)產(chǎn)生了較大的波形畸變，并隨著時(shí)間的進(jìn)行，電流互感器的飽和有所緩減，逐步向正常工作狀態(tài)調(diào)整。在整個(gè)變化過(guò)程中，傳變電流的第三個(gè)周波的影響最大，此時(shí)的縱向阻抗為78W，保護(hù)仍有裕度。圖9 電流互感器暫態(tài)飽和Fig.9 Transient saturation of current transformer從以上結(jié)果可知，基于縱向阻抗算法的變壓器保護(hù)算法在電流互感器發(fā)生不同程度的飽和時(shí)仍能夠可靠判別，可以抵御電流互感器飽和對(duì)保護(hù)算法帶來(lái)的影響。從表2中可以看出，在不同采樣頻率時(shí)，縱向阻抗存在波動(dòng)，但均大于保護(hù)的動(dòng)作門(mén)檻。由此可知，基于縱向阻抗原理的保護(hù)

26、原理能夠可靠識(shí)別出故障區(qū)域，不受采樣頻率的干擾。表2 不同采樣頻率時(shí)保護(hù)的動(dòng)作情況Tab. 2 .Action of protection at different sampling frequencies采樣頻率（kHz）故障位置啟動(dòng)方式縱向阻抗1.8區(qū)外AG0.17144.5區(qū)內(nèi)AG6.8217.482.4區(qū)外AG0.33108.11區(qū)內(nèi)AG9.159.294區(qū)外AG0.28111.62區(qū)內(nèi)AG8.969.104 結(jié)束語(yǔ)提出了一種基于故障序分量縱向阻抗的變壓器保護(hù)算法。算法采用軟件進(jìn)行相位校正、由電流突變量差動(dòng)構(gòu)成保護(hù)的起動(dòng)條件，在區(qū)外故障、空載合閘，保護(hù)判據(jù)中縱向阻抗大于動(dòng)作門(mén)檻，算法判

27、定為區(qū)外故障；在區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)判據(jù)中縱向阻抗小于動(dòng)作門(mén)檻，算法判定為區(qū)內(nèi)故障。同時(shí)考慮了區(qū)外故障電流互感器可能發(fā)生的各種飽和情況，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，保護(hù)算法能夠可靠不動(dòng)作，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。采用的基于故障序分量縱向阻抗算法，算法判定原理簡(jiǎn)單，可靠性高，能夠可靠抵御電流互感器飽和、勵(lì)磁涌流帶來(lái)的影響，可適用于YNd11接線(xiàn)的變壓器中，具有良好的工程應(yīng)用前景。參 考 文 獻(xiàn)張烈, 呂鵬飛, 申華, 等. 2013年國(guó)家電網(wǎng)公司220kV及以上電壓等級(jí)交流系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備及其運(yùn)行情況分析J. 電網(wǎng)技術(shù), 2015, 39(4): 1153-1159. Zhang Lie, Lv Pengfei, S

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