多判據(jù)綜合的變壓器差動保護(hù)方案

多判據(jù)綜合的變壓器差動保護(hù)方案

1間斷角基本原理二次振動源壓縮器的差動保護(hù)是對當(dāng)前大型壓縮器內(nèi)部故障的主要保護(hù)，具有豐富的現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)。但隨著變壓器容量的不斷增大和電網(wǎng)電壓等級的提高,二次諧波制動的變壓器差動保護(hù)存在的不足也日益顯現(xiàn),主要表現(xiàn)在:對于Y0/?接線變壓器,由于在0Y側(cè)的CT二次電流流向差動回路的是兩相電流之差,空載合閘于帶有匝間短路變壓器時(shí),非故障相的勵磁涌流可能會將保護(hù)閉鎖,直至涌流衰減得足夠低時(shí),才能將故障變壓器切除。另一方面,在超高壓輸電線路中,由于線路分布電容存在以及電網(wǎng)中日益增多的無功補(bǔ)償裝置的影響,使得變壓器內(nèi)部故障時(shí),故障電流中也存在著各種諧波分量,當(dāng)二次諧波分量比例足夠大時(shí),保護(hù)被制動,直至此諧波分量衰減得足夠低時(shí),才能開放保護(hù),使變壓器動作的時(shí)間延長,這種延時(shí)可達(dá)0.1~0.2s。間斷角原理是目前使用較多的另一種變壓器主保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案,當(dāng)采用微機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)該原理時(shí),主要通過計(jì)算采樣的點(diǎn)數(shù)得到間斷角,這就造成了間斷角差動保護(hù)原理在實(shí)際工程應(yīng)用中的一些困難:一是對AD采樣的精度要求很高;二是對采樣頻率要求較高。正因?yàn)榛诙沃C波和間斷角制動原理的變壓器保護(hù)在性能上越來越難以滿足對大型和超大型變壓器保護(hù)的要求,因此繼電保護(hù)工作者不斷地提出了一些新的變壓器保護(hù)原理。但多種原理之間的協(xié)同工作和相互配合卻研究不多。本文主要研究多判據(jù)綜合的變壓器差動保護(hù)及其實(shí)現(xiàn),其重點(diǎn)是基于多種繼電保護(hù)判據(jù)的多層次聯(lián)合故障判斷。2多判斷基于綜合壓力損失運(yùn)動的保護(hù)思想2.1冗余性和互補(bǔ)性電力系統(tǒng)繼電保護(hù)對故障信息進(jìn)行提取、綜合、分析,以判斷電力設(shè)備及線路是否發(fā)生故障或計(jì)算故障點(diǎn)位置,它是一個(gè)信息綜合利用的過程。電力系統(tǒng)故障過程非常復(fù)雜,影響因素多,會因系統(tǒng)故障初始狀態(tài)不同而表現(xiàn)出不同的物理特征,從而使電力系統(tǒng)的故障信息具有一定的冗余性、互補(bǔ)性和不確定性。傳統(tǒng)的基于單個(gè)保護(hù)繼電器或單一判據(jù)的保護(hù)裝置,能有效利用的信息量有限,不足以提供對各種故障的廣泛準(zhǔn)確檢測。由于繼電保護(hù)實(shí)時(shí)性強(qiáng),要求故障發(fā)生后瞬時(shí)動作,在計(jì)算機(jī)技術(shù)沒有高度發(fā)展的條件下,難于在故障瞬間對故障信息進(jìn)行綜合處理。目前DSP處理器在繼電保護(hù)中的推廣,為深層次的信息綜合技術(shù)在繼電保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了可能。2.2虛擬三次諧波制動傳統(tǒng)的變壓器主保護(hù),都是由一種主要原理而構(gòu)成的,如二次諧波制動的變壓器差動保護(hù)或基于間斷角的變壓器差動保護(hù),基于多判據(jù)綜合思想的變壓器差動保護(hù),由多個(gè)相對獨(dú)立的保護(hù)判據(jù)組成。本文的變壓器差動保護(hù)判據(jù)配置如下:(1)采樣值差速斷保護(hù);(2)虛擬三次諧波制動相量差動保護(hù);(3)采樣值差動保護(hù);(4)二次諧波制動相量差動保護(hù);(5)故障分量虛擬三次諧波制動相量差動保護(hù);(6)故障分量采樣值差動保護(hù);(7)五次諧波及U/f過激磁閉鎖;(8)CT斷線閉鎖。各判據(jù)主要原理:(1)采樣值差流速斷保護(hù)采樣值差流速斷保護(hù)的判據(jù)為式中ii為第i支路電流的采樣值;iset為差速斷整定值;n為支路數(shù)。保護(hù)啟動后采樣值的6點(diǎn)中如有4點(diǎn)滿足式(1)則保護(hù)動作。采用基于采樣值的差速斷判據(jù),可以提高抗CT飽和的能力。(2)虛擬三次諧波制動相量差動保護(hù)為了克服二次諧波制動變壓器差動保護(hù)的動作速度滿足不了大容量變壓器要求的不足,裝置采用了變壓器差動保護(hù)新的制動判據(jù),即虛擬三次諧波制動新判據(jù)。由于變壓器鐵心磁化特性的非線性,在變壓器空載合閘時(shí)會產(chǎn)生勵磁涌流,勵磁涌流大小受合閘前的剩磁和合閘時(shí)刻電壓的初相角等因素影響。勵磁涌流波形呈現(xiàn)明顯的非對稱性,在前半周內(nèi)表現(xiàn)為尖頂波的特性,依據(jù)這一特征,以此半周采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)將波形平移半周后翻轉(zhuǎn),則波形為奇對稱波形,如圖1所示。波形中三次諧波含量較大,而且在對稱性涌流時(shí)經(jīng)虛擬后的波形也含有較大的三次諧波。因此在采用分相制動方式時(shí),它可以避免二次諧波制動原理在對稱性涌流下因一相諧波過低而引起的差動保護(hù)誤動。當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí),其波形基本為正弦波,無論以半周還是全周數(shù)據(jù)窗進(jìn)行分析,三次諧波含量均較小,由此可區(qū)分出變壓器內(nèi)部故障和勵磁涌流。虛擬三次諧波在實(shí)際的涌流中是不存在的,它是涌流前半周尖頂波經(jīng)平移反相后虛擬構(gòu)成的一個(gè)奇對稱波形,這種虛擬波形中所含的三次諧波,被稱之為虛擬三次諧波。由于虛擬三次諧波制動僅使用工頻半周期信息,因而其數(shù)據(jù)窗短于二次諧波制動,其動作速度要快于二次諧波制動相量差動保護(hù)。三次諧波制動的相量差動保護(hù)判據(jù)為式中為第i支路電流相量值;K1為制動系數(shù);Id0為最小動作電流;Ir0為制動電流拐點(diǎn);n為支路數(shù)。計(jì)算差流中的虛擬三次諧波與虛擬基波幅值之比K31=Iv3/Iv1是否大于整定值,若大于整定值則制動差動,K31一般不大于20%,通常取15%。經(jīng)過差分濾直和連續(xù)判別等處理后,虛擬三次諧波制動差動保護(hù)發(fā)跳閘令時(shí)間為啟動后12ms。(3)采樣值比例差動保護(hù)采樣值差動保護(hù)由折線式制動特性組成,動作判據(jù)為式中K1為制動系數(shù);n為支路數(shù);id0為最小動作電流。其動作特性如圖2所示。相量差動保護(hù)的動作量和制動量,在消除非周期分量和諧波的影響后,相量的幅值或有效值基本是恒定的,因而在穩(wěn)態(tài)過程中,其制動特性不會因數(shù)據(jù)窗的移動而發(fā)生變化。采樣值差動保護(hù)則以瞬時(shí)采樣值直接構(gòu)成差動判據(jù),因而其動作量和制動量都是隨時(shí)間而變化的,其制動關(guān)系也是不恒定的,致使有一些采樣點(diǎn)的制動效果好,另一些點(diǎn)的制動效果較差。為保證保護(hù)動作的正確性,采用重復(fù)多次的判別方法,即連續(xù)R次采樣中有S及以上次滿足式(3),才輸出動作信號。理論分析表明,當(dāng)S的取值大于四分之一個(gè)周期時(shí),在區(qū)外故障時(shí)采樣值差動保護(hù)的制動效果等于或優(yōu)于常規(guī)相量差動。在實(shí)際應(yīng)用中除滿足S>N/4(N為每周期的采樣點(diǎn)數(shù))這一基本條件外,S的選取還應(yīng)考慮被保護(hù)對象的特點(diǎn),對于變壓器保護(hù)重點(diǎn)要考慮的就是勵磁涌流和CT飽和問題。由于勵磁涌流波形在一個(gè)周期內(nèi)存在間斷角,會導(dǎo)致有一些采樣點(diǎn)滿足不了采樣值差動動作條件,而內(nèi)部故障時(shí)僅在過零點(diǎn)附近使采樣值差動條件不滿足,因而通過選擇合適的S,R值,采樣值差動保護(hù)可運(yùn)用于變壓器的保護(hù)而且不需要另加諧波閉鎖。此外即使在CT飽和非常嚴(yán)重的情形下,CT在過零點(diǎn)附近都有一段線性傳變區(qū),從而使差流滿足動作條件的點(diǎn)數(shù)達(dá)不到S值,保護(hù)不會誤動,這表明采樣值差動保護(hù)抗CT飽和的能力要強(qiáng)于常規(guī)相量差動保護(hù)。對于每周波20點(diǎn)采樣的變壓器保護(hù),可取R=16,S=13。采樣值差動保護(hù),由于其所用數(shù)據(jù)窗比全周相量差動短,又具有自動識別勵磁涌流的能力,因此保護(hù)出口速度快。因取S=13,所以采樣值差動保護(hù)最快出口時(shí)間是啟動后13ms。(4)常規(guī)二次諧波制動相量差動保護(hù)其判據(jù)為式中K1為制動系數(shù);Id0為最小動作電流;Ir0為制動電流拐點(diǎn);n為支路數(shù)。同時(shí)計(jì)算差流中的二次諧波與基波幅值之比K21=Id2/Id1是否大于整定值,若不小于整定值則對差動保護(hù)進(jìn)行制動,K21一般不大于20%,通常取15%。二次諧波制動相量差動保護(hù)采用全周富氏算法,數(shù)據(jù)窗為一個(gè)周波,加上重復(fù)判別,因此發(fā)跳閘令時(shí)間為啟動后22ms。(5)故障分量虛擬三次諧波制動相量差動保護(hù)故障分量的差動保護(hù)與常規(guī)相量差動保護(hù)相比,其突出特點(diǎn)是可提高保護(hù)靈敏度,并可較好地解決重負(fù)荷下變壓器輕微匝間短路差動保護(hù)所存在的缺陷。故障分量虛擬三次諧波閉鎖相量差動保護(hù)判據(jù)為式中為第i支路突變量電流相量值;K1為制動系數(shù);Id0為最小動作電流;n為支路數(shù)。若故障分量虛擬三次諧波與基波之比不大于定值(定值可取為15%),則保護(hù)動作。故障分量差動保護(hù)在啟動后2個(gè)周期判據(jù)退出,其發(fā)跳閘令時(shí)間為啟動后12~40ms。(6)故障分量采樣值比例差動保護(hù)故障分量采樣值差動保護(hù)同樣可在重負(fù)荷下提高變壓器內(nèi)部輕微匝間故障的靈敏度,其判據(jù)為式中1K為制動系數(shù);n為支路數(shù);id0為最小動作電流。啟動后40ms判據(jù)退出,其發(fā)跳閘令時(shí)間為13~40ms。(7)CT斷線閉鎖判據(jù)為式中分別為變壓器低壓側(cè)A、B、C三相電流;分別為變壓器高壓側(cè)A、B、C三相電流;為變壓器中性點(diǎn)電流;Id,CT,b,ICT,b,Io,CT,b為整定值。(8)過激磁閉鎖大型變壓器工作磁密接近飽和,在電壓升高或頻率降低時(shí)會出現(xiàn)過激磁,可能引起差動保護(hù)的誤動作,防止過激磁引起差動保護(hù)誤動,有2種方法可供選取,一是計(jì)算差流中5次諧波與基波的幅值之比K51=I5/I1是否大于整定值,如大于則閉鎖差動保護(hù),二是在(U/Un)/(f/fn)大于定值時(shí)閉鎖差動保護(hù)。2.3分時(shí)段安排保護(hù)采用合理安排各保護(hù)整定值的配合,在充分保證各個(gè)判據(jù)可靠性的前提下,根據(jù)各判據(jù)的特點(diǎn),綜合判斷保護(hù)是否應(yīng)該出口。其主要原則如下:(1)各保護(hù)的協(xié)同工作是在合理安排各判據(jù)定值,充分保證保護(hù)可靠性前提下。也就是說在任何情況下的區(qū)外故障保證保護(hù)不應(yīng)誤動。(2)根據(jù)各判據(jù)特點(diǎn),采用分時(shí)段安排各保護(hù)工作。采樣值差流速斷保護(hù)只在保護(hù)啟動后6ms投用(對于20點(diǎn)采樣就是6個(gè)采樣點(diǎn))。6ms以后差速斷退出以防CT嚴(yán)重飽和引起差速斷誤動。虛擬三次諧波和故障分量虛擬三次諧波在半個(gè)周期左右的數(shù)據(jù)窗就能識別勵磁涌流,因此其主要工作時(shí)段為啟動后的12ms左右。故障分量采樣值差動保護(hù)根據(jù)故障分量保護(hù)的特點(diǎn),保護(hù)啟動兩個(gè)周波后退出。(3)在同一時(shí)段共同工作的各保護(hù),在合理安排定值配合的前提下,采用“或門”出口。(4)各時(shí)段工作的保護(hù),以最早動作的保護(hù),作為發(fā)跳閘令時(shí)間(保護(hù)出口時(shí)間)。(5)過激磁閉鎖(五次諧波閉鎖或U/f閉鎖)、CT斷線閉鎖判據(jù)不閉鎖差速斷保護(hù)。3變壓器主保護(hù)裝置葛洲壩大江電廠主接線采用聯(lián)合擴(kuò)大單元接線方式,兩臺300MVA變壓器的高壓側(cè)經(jīng)約1km的架空線接入大江500kV開關(guān)站,開關(guān)站側(cè)為3/2斷路器接線,每臺變壓器的低壓側(cè)接有2臺發(fā)電機(jī)和1臺廠用變壓器(或制動電阻分支)。整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)包括①變壓器主保護(hù);②變壓器后備保護(hù);③架空線路保護(hù);④變壓器組和短線組成的大差保護(hù)。原保護(hù)系統(tǒng)采用的是阿城繼電器廠生產(chǎn)的集成電路型保護(hù)裝置,裝置從投運(yùn)至今已多年,元件老化,給運(yùn)行和維護(hù)帶來很大困難,嚴(yán)重影響著供電的可靠性,為此葛洲壩能達(dá)電器公司與華中科技大學(xué)聯(lián)合開發(fā)新型微機(jī)保護(hù)裝置。新型保護(hù)裝置的變壓器主保護(hù)和變壓器后備保護(hù)為兩個(gè)獨(dú)立機(jī)箱,并與管理機(jī)一起組合成1號屏,變壓器組短線組成的大差保護(hù)與架空線路保護(hù)及其管理系統(tǒng)組合成2號屏,本文以下主要介紹基于多判據(jù)綜合思想的變壓器主保護(hù)裝置研制。變壓器主保護(hù)的硬件平臺,采用的是北京康拓公司與華中科技大學(xué)、葛洲壩能達(dá)電器公司聯(lián)合開發(fā)的APCI5000系列工業(yè)控制機(jī)。其基本配置如圖3所示。交流輸入板設(shè)有16個(gè)模擬量的輸入變換器,包括變壓器高壓側(cè)的三相電流,變壓器中性點(diǎn)的零序電流,變壓器低壓側(cè)三相電壓,低壓側(cè)2臺發(fā)電機(jī)分支三相電流和廠用變壓器分支(或制動電阻分支)三相電流,這16個(gè)模擬量經(jīng)變換器變換后通過交流濾波板上的RC濾波電路輸出至DSP(APCI5469)板,DSP板為裝置的核心,完成數(shù)據(jù)采集(采樣率為1kHz,每周期20點(diǎn)采樣),裝置自檢,保護(hù)啟動計(jì)算與判斷,保護(hù)判據(jù)的實(shí)現(xiàn),告警和跳閘信號的發(fā)出等功能。V40(APCI5087)板用于與486板(APCI5094)通信,實(shí)現(xiàn)DSP板和486板的信息交互,并與信號轉(zhuǎn)接板、信號板和跳閘板配合,完成告警信號和跳閘信號的開出。486板為高性能的工控PC,作為上層機(jī)管理系統(tǒng)核心,變壓器主保護(hù)和后備保護(hù)共用一個(gè)管理系統(tǒng),相互之間采用RS485進(jìn)行通信,顯示部分采用液晶式觸摸屏,可以對下層機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,完成定值的整定與修改、保護(hù)的投退、故障波形的分析、故障報(bào)告的打印等功能。正是因?yàn)橛?2位浮點(diǎn)的DSP和高性能的工控PC機(jī)構(gòu)成硬件平臺,才使多判據(jù)綜合思想得以在大型變壓器差動保護(hù)中實(shí)現(xiàn)。4空投變壓器數(shù)據(jù)系統(tǒng)故障保護(hù)動作特性動模試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。圖4中6號發(fā)電機(jī)機(jī)端所接變壓器為被保護(hù)變壓器,主要試驗(yàn)內(nèi)容包括:1)高壓側(cè)外部故障;2)短線內(nèi)部故障;3)變壓器高壓側(cè)內(nèi)部故障;4)變壓器低壓側(cè)內(nèi)部故障;5)變壓器低壓側(cè)外部故障;6)低壓負(fù)荷側(cè)外部故障;7)高壓側(cè)長線路故障;8)變壓器匝間短路;9)空投變壓器(包括正?？胀?、串聯(lián)長線空投、并聯(lián)長線空投和帶故障空投);10)CT飽和試驗(yàn);11)CT斷線試驗(yàn);12)振蕩試驗(yàn)(包括振蕩過程中故障);13)外部故障切除;14)轉(zhuǎn)移性故障(區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi),區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)區(qū)外)。圖5~8給出幾個(gè)波形。數(shù)據(jù)均取自下層機(jī)記錄的啟動報(bào)告(啟動前3個(gè)周期和啟動后8個(gè)周期數(shù)據(jù))和故障報(bào)告(保護(hù)出口前3個(gè)周期和出口后5個(gè)周期),波形由上層管理機(jī)通過對下層機(jī)上傳上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而生成。裝置自身錄的波形與另一套電力系統(tǒng)故障錄波器所錄波形一致。圖5為并聯(lián)長線空投變壓器中壓匝間短路故障(短路點(diǎn)位于B相,短路匝比為2.3%)時(shí)差流波形。采樣值比例差動保護(hù)動作,發(fā)跳閘令時(shí)間為22ms。因?yàn)樽儔浩鞲邏簜?cè)為0Y接線,高壓側(cè)電流為兩相電流之差。故障電流中含有非故障相的勵磁涌流,虛擬三次諧波、二次諧波都將閉鎖差動保護(hù),根據(jù)采樣數(shù)據(jù)分析二次諧波制動差動會在73ms動作。而采樣值差動判據(jù),沒有諧波制動,能在啟動后22ms發(fā)跳閘令。圖6是空投變壓器時(shí)產(chǎn)生的勵磁涌流差流波形,在啟動后第12點(diǎn)