變壓器差動保護的研究

0變壓器差動保護隨著高壓和超高壓壓力系統(tǒng)的增加，如何正確區(qū)分壓力系統(tǒng)的內部和外部故障，識別勵磁涌流對壓力系統(tǒng)的差動保護算法提出了更高的要求。目前應用的勵磁涌流鑒別方法有諧波識別法、電流波形特征和變壓器模型識別法、以及基于波形相關性和阻抗模型的識別法等。外部存在長線分布電容或無功補償電容的高壓、超高壓變壓器發(fā)生內部短路時,因諧振產生各種諧波,電流會出現(xiàn)畸變。若依據(jù)諧波識別或電流波形識別方法來判斷故障,保護動作時間往往在25ms以上,有時可達80ms甚至更長,這對高壓或超高壓變壓器的快速保護是不利的。變壓器差動保護的原則是:在變壓器發(fā)生內部故障時應快速動作;故障變壓器空投時亦應盡快動作;外部故障有很大穿越電流時,應可靠不動作;正常空投應可靠不動作。本文采用差流和序電壓的特征來識別故障電流和勵磁涌流,并利用差流和制動電流的異步關系構成新的比率差動算法,保護動作時間可以達到10~15ms,對變壓器空投略微嚴重的內部故障情況仍具有很高靈敏性,有效地保護了變壓器。1變壓器端電壓基頻分量的動態(tài)特性文獻介紹了一種基于電壓閉鎖的勵磁涌流判別方法,即根據(jù)空投時端電壓升高、故障時端電壓降低的特點來辨別故障。但該方法無法靈敏區(qū)分空投內部故障這種情況,因為空投略微嚴重內部故障時變壓器端電壓同樣是升高的。為分析變壓器端電壓的突變情況,對端電壓基頻分量作對稱變換,變換矩陣為其中α=ej120uf06f,變換可得零序、負序和正序電壓。經分析發(fā)現(xiàn),正常運行發(fā)生不對稱區(qū)內外故障時,零序和負序電壓升高(從0升高到某一值),同時正序電壓降低(從某一值降到一個低值)。正常運行發(fā)生對稱故障時,故障初期電壓可能不對稱,會短時出現(xiàn)很小的零序和負序電壓,同時正序電壓降低。當變壓器空投或過激磁時,端電壓會發(fā)生畸變,由不對稱逐漸變化到對稱,零序和負序電壓分量出現(xiàn)短時升高,然后逐漸降低,但正序電壓分量升高至穩(wěn)定值。當2臺變壓器并聯(lián)運行時,一臺變壓器發(fā)生故障,另一臺變壓器端電壓的變化情況為:故障時零序和負序電壓升高,故障切除后零序和負序電壓降低到最小;故障時正序電壓降低,故障切除后正序電壓升高到一個穩(wěn)定值。2變形量的確定變壓器的差流Id、制動電流Ir以及區(qū)內外故障時的保護動作約束條件為式中:ik為第k側電流;j為變壓器總側數(shù);Id.set為差動動作門檻;Ir.set為制動電流門檻;K為比例系數(shù)。故障時電壓和電流發(fā)生突變,可以由式(2)確定故障啟動時刻,并作為保護的啟動條件。式中:T為采樣周期;X代表電壓和電流,φ代表A、B、C三相;K為比例系數(shù),通常取1.1～1.3;ΔXφt是突變量,取半波有效值;X0是固定門檻值。采用這種浮動門檻啟動方式可以有效克服負荷變化、系統(tǒng)振蕩、頻率偏移等引起的誤啟動。區(qū)外發(fā)生故障時,在保護啟動初始一段時間內差流很小,然后受不平衡因素的影響會有所增加,而制動電流在保護啟動后即變得很大,因此制動電流和差流的增加存在時間差,呈異步關系。區(qū)內發(fā)生故障時,保護啟動后差流變得很大,同時制動電流也變得很大,呈同步變化。當區(qū)外發(fā)生故障且CT飽和時,即使短路電流達到額定電流的100倍,CT仍有2ms左右的線性傳變時間,差流和制動電流不同時增大,亦呈異步變化?？傊?區(qū)內外故障時,保護突變啟動后,在t∈(t0,t0+nTs)(t0為啟動時刻,nTs=2~5ms,Ts為采樣間隔)時間段內,若發(fā)現(xiàn)差流和制動電流有異步現(xiàn)象,則自動投入比率差動保護。3快速比例差動配算法3.1半周波數(shù)據(jù)窗判據(jù)借鑒文獻介紹的端電壓閉鎖方法,根據(jù)端電壓序分量的大小和變化趨勢閉鎖比率差動,同時采用1/4周波小矢量算法]或半波遞歸算法計算相關變化量,利用異步法輔助快速識別區(qū)內外故障,保護的動作時間可以提高到10~15ms。以半周波數(shù)據(jù)窗為例計算相關電壓值(也可以選用更小的數(shù)據(jù)窗),具體判據(jù)包括:(1)正序電壓u1升高且大于某一門檻值,記作條件A。式中:m,n=N/2,N/2+1,(43),N,N為每周采樣點數(shù);u1.set為正序電壓高值門檻,通常取0.65~0.75Un(Un為額定電壓)。(2)負序電壓u2降低且小于某一門檻值,記作條件B。式中u2.set為負序電壓低值門檻,通常取0.03~0.09Un。(3)零序電壓u0降低條件C,與式(4)類似,零序電壓低值門檻u0.set取值為0.10~0.15Un。由上述A、B、C三個條件共同構成電壓閉鎖邏輯,如圖1所示。3.2差流動動力學引入電壓閉鎖條件,結合差流和制動電流的異步關系,可得對稱序電壓閉鎖的異步法快速比率制動邏輯,如圖2所示。圖中電流或電壓的突變啟動條件為式(2),區(qū)內外發(fā)生故障時保護的動作條件為式(1)。對于漸變性故障或高阻抗接地故障,突變量可能無法啟動(即式(2)判據(jù)失效),這時利用差流動作門檻進行啟動,自動投入比率制動。差動的啟動條件為或由理論分析可知,在變壓器空投產生勵磁涌流、并聯(lián)變壓器產生和應涌流或故障切除后產生恢復性涌流的情況下,變壓器端電壓升高,零序、負序、正序電壓的變化規(guī)律滿足閉鎖條件,保護不會誤動。正常負載或無載運行情況下,變壓器發(fā)生匝間故障或內部高阻抗接地故障時,依據(jù)比率制動特性以及設定的電壓閉鎖條件,保護可以可靠動作。當空投于略微嚴重的內部故障時,正序、負序、零序電壓不滿足閉鎖條件,按照上述邏輯均可以正確選擇,采用短數(shù)據(jù)窗算法,保護的動作時間在10~15ms范圍內。4變壓器空投保護仿真結果采用220kV原型系統(tǒng)的縮小模型分析保護的動作特性,具體參數(shù)見圖3,變壓器短路阻抗13.5%,高壓側匝間短路1%~10%可調。模擬高、中、低壓側區(qū)內外故障以及高阻抗接地故障等情況,選取具有代表性的試驗數(shù)據(jù)驗證新算法的可靠性。圖4為空投變壓器高壓側時勵磁涌流和端電壓變化情況,正序、負序、零序電壓的變化規(guī)律滿足閉鎖條件,保護沒有誤動?？胀蹲儔浩鞲邏簜華相發(fā)生3.6%左右匝間故障時的結果見圖5,端電壓的正序、負序、零序分量不滿足電壓閉鎖條件,保護正確動作。圖6、7分別為變壓器空載和負載時,高壓側A相發(fā)生1.7%匝間短路的仿真結果,端電壓的正序、負序、零序分量不滿足閉鎖條件,保護正確動作。圖7(b)中:Iha、Ihb、Ihc分別為高壓側A、B、C三相電流;Ima、Imb、Imc分別為中壓側A、B、C三相電流;低壓側由于電流值很小,故省略。以上試驗表明,任何情況下變壓器空投時保護都能可靠閉鎖,不會誤動;對于變壓器空載或負載時發(fā)生匝間故障等略微嚴重的區(qū)內故障情況,保護動作時間不超過1個周波,短路匝比小到1.7%時保護仍有很高的靈敏性。變壓器空投于略微嚴重的匝間故障時,保護動作時間不超過2個周波,與設定的負序、零序低值門檻有關。短路匝比小到3%左右仍可以快速動作,但短路匝比很小的情況下,保護會延緩動作。根據(jù)對稱等值網絡可知,區(qū)內外相間故障、三相故障、單相或兩相接地故障等情況下的正序、負序、零序電壓變化非常明顯,均不滿足閉鎖條件。5區(qū)外故障的保護(1)新算法以變壓器端電壓序分量的大小和變化趨勢作為比率差動的閉鎖條件,其可靠性不受變壓器空投的勵磁涌流、和應涌流以及故障切除后恢復性涌流的影響。(2)對略微嚴重的區(qū)內外故障,利用電壓或電流的突變啟動,能夠找出差流和制動電流的異步關系,有利于高壓或超高壓大型變壓器的保護。