變壓器主變差流速斷保護(hù)動(dòng)作判據(jù)的改進(jìn)

變壓器主變差流速斷保護(hù)動(dòng)作判據(jù)的改進(jìn)

0差流速斷保護(hù)主變差動(dòng)保護(hù)隨著超高壓和特高壓電網(wǎng)的出現(xiàn)，電網(wǎng)容量急劇增加，高壓電壓等多道電流裝置越來越多。為了保證壓源廠的安全運(yùn)行和系統(tǒng)的穩(wěn)定，提出了對(duì)主變差動(dòng)保護(hù)的速度的新要求。傳統(tǒng)的比率差動(dòng)保護(hù)受變壓器勵(lì)磁涌流的閉鎖,動(dòng)作時(shí)間有時(shí)無法滿足變壓器的安全運(yùn)行和系統(tǒng)穩(wěn)定的要求,因此,通常配置差流速斷保護(hù)作為主變差動(dòng)保護(hù)的一個(gè)輔助保護(hù),當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)能快速動(dòng)作切除故障。但是,差流速斷保護(hù)提高了主變差動(dòng)保護(hù)的快速性之外也帶來了一些新問題,現(xiàn)場(chǎng)也出現(xiàn)了多起由于區(qū)外故障CT飽和導(dǎo)致主變差流速斷保護(hù)誤動(dòng)的情況。主變差流速斷保護(hù)是一個(gè)簡(jiǎn)單的差動(dòng)過電流繼電器,保護(hù)定值通常按躲過變壓器空投時(shí)的最大勵(lì)磁涌流或外部故障時(shí)的最大不平衡電流整定,而變壓器空投時(shí)的勵(lì)磁涌流或外部故障時(shí)的最大不平衡電流在實(shí)際應(yīng)用時(shí)又無法準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算,文獻(xiàn)也只是給出了一個(gè)推薦范圍,實(shí)際使用時(shí)通常都按照各地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)值來整定。本文通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的幾起事故進(jìn)行分析,提出了一種可以提高區(qū)外故障時(shí)主變差流速斷保護(hù)抗CT飽和能力又不降低區(qū)內(nèi)故障靈敏度的方案,與廣大繼電保護(hù)同行探討。1保護(hù)措施簡(jiǎn)要說明變壓器區(qū)外故障或線路重合于永久性故障時(shí),如果變壓器某一側(cè)CT嚴(yán)重飽和,可能造成主變差流速斷保護(hù)的誤動(dòng)作。1.1保護(hù)動(dòng)作幅值某220kV變電站主變低壓側(cè)區(qū)外由單相接地故障發(fā)展成為三相短路故障,低壓側(cè)出線過流二段保護(hù)動(dòng)作后切除故障,150ms后低壓側(cè)出線重合,主變低壓側(cè)B相、C相CT飽和時(shí)主變差流速斷保護(hù)動(dòng)作,保護(hù)動(dòng)作時(shí)差動(dòng)電流采樣的幅值如表1所示。從動(dòng)作報(bào)告看,主變C相差流26.77A大于差流速斷保護(hù)定值22A(按6Ie整定,Ie為主變高壓側(cè)額定負(fù)荷電流,下同),保護(hù)動(dòng)作時(shí)的錄波如圖1所示。1.2ct飽和情況下保護(hù)動(dòng)作幅值某110kV變電站兩圈變壓器低壓側(cè)區(qū)外發(fā)生BC相間短路故障,低壓側(cè)B相、C相CT飽和時(shí)主變差流速斷保護(hù)動(dòng)作,保護(hù)動(dòng)作時(shí)差動(dòng)電流采樣的幅值如表2所示。從動(dòng)作報(bào)告看,主變C相差流22.11A大于差流速斷保護(hù)定值21A(按6Ie整定),保護(hù)動(dòng)作時(shí)的錄波如圖2所示。1.3主變低壓側(cè)主變差流速斷保護(hù)動(dòng)作幅值某110kV變電站三圈變壓器低壓側(cè)由區(qū)外CA相間短路故障發(fā)展成區(qū)外三相短路故障,主變低壓側(cè)A相、B相CT飽和時(shí)主變差流速斷保護(hù)動(dòng)作,保護(hù)動(dòng)作時(shí)差動(dòng)電流采樣的幅值如表3所示。從動(dòng)作報(bào)告看,主變B相差流13.75A大于差流速斷保護(hù)定值10.0A(按6.29Ie整定),保護(hù)動(dòng)作時(shí)的錄波如圖3所示。2變壓器區(qū)外故障ct飽從主變差流速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)的錄波圖上看,保護(hù)動(dòng)作的原因都是由于變壓器區(qū)外故障時(shí)某側(cè)CT出現(xiàn)了嚴(yán)重飽和,而主變差動(dòng)保護(hù)中差流的計(jì)算實(shí)際是將各側(cè)電流進(jìn)行矢量相加,某側(cè)CT飽和后就會(huì)產(chǎn)生很大的差流。差流速斷保護(hù)定值通常按(4~8)Ie整定,保護(hù)本身具備一定的抗CT飽和能力,同時(shí)為了保證變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)保護(hù)能快速動(dòng)作,差流速斷保護(hù)中通常不再增設(shè)CT飽和判據(jù)。因此,區(qū)外故障CT嚴(yán)重飽和時(shí)可能造成主變差流速斷保護(hù)的誤動(dòng)作。220kV及以下電壓等級(jí)變壓器的差動(dòng)保護(hù)通常采用P級(jí)CT,故障時(shí)容易出現(xiàn)飽和,CT飽和的原因與以下幾個(gè)方面有關(guān):(1)與CT的二次負(fù)載和故障電流的大小有關(guān)。在短路容量很大的系統(tǒng)中線路近端發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的故障電流,如果CT二次負(fù)載過大或CT額定準(zhǔn)確限值系數(shù)選擇不好,當(dāng)一次故障電流過大時(shí),會(huì)引起CT鐵芯中的磁通密度增大,造成CT出現(xiàn)飽和。(2)與故障電流中的直流分量和非周期分量有關(guān)。P級(jí)CT的誤差只考慮一次電流為穩(wěn)態(tài)電流的情況,沒有考慮暫態(tài)過程中的非周期分量,即P級(jí)CT在暫態(tài)過程中不能保證其誤差要求。當(dāng)沖擊電流中含有大量非周期分量時(shí),差流回路中的不平衡電流就會(huì)急劇增大。(3)與CT中剩磁的大小和方向有關(guān)。變壓器區(qū)外故障或線路重合于永久性故障時(shí)故障電流中通常有較大的直流分量,CT鐵芯中交流穩(wěn)態(tài)磁通增大,直流分量引起的非周期磁通增大,若鐵芯中的剩磁較大且與非周期磁通方向一致,三者疊加后大于CT的飽和磁通,就會(huì)加劇CT的飽和程度。變壓器區(qū)外故障CT飽和時(shí),由于主變比率差動(dòng)保護(hù)中都有專用的CT飽和判據(jù),故障時(shí)能正確區(qū)分故障類型是區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障,區(qū)外故障CT飽和時(shí)能可靠閉鎖保護(hù),通常不會(huì)造成主變比率差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。對(duì)于變壓器后備保護(hù),變壓器區(qū)外故障CT飽和時(shí)可能造成過流保護(hù)的延遲動(dòng)作。當(dāng)CT嚴(yán)重飽和時(shí),裝置計(jì)算的電流幅值小于過流保護(hù)定值,過流保護(hù)無法啟動(dòng)。對(duì)于220kV的變壓器,120ms后直流分量和非周期分量衰減后CT逐漸退出飽和,這時(shí)過流保護(hù)能可靠動(dòng)作。通常后備保護(hù)相互配合的間隔時(shí)間Δt為0.3~0.5s,不會(huì)造成上一級(jí)后備保護(hù)越級(jí)跳閘,因此,變壓器區(qū)外故障CT飽和時(shí)不會(huì)造成后備保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)。通過以上分析,變壓器區(qū)外故障CT飽和時(shí)主要影響主變差流速斷保護(hù),因此,需要采取措施防止區(qū)外故障CT嚴(yán)重飽和時(shí)主變差流速斷保護(hù)誤動(dòng)。3差流速斷保護(hù)動(dòng)作方程P級(jí)CT在故障時(shí)容易飽和,為了防止差流速斷保護(hù)在變壓器區(qū)外故障CT飽和時(shí)誤動(dòng),可通過抬高差流速斷保護(hù)定值或提高P級(jí)CT的額定準(zhǔn)確限值系數(shù)及降低CT的二次負(fù)載來解決,但前者會(huì)降低變壓器區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)的靈敏度,后者會(huì)增加工程的造價(jià)。除此之外,隨著電網(wǎng)容量的增大,區(qū)外故障時(shí)流過CT回路中的短路電流也會(huì)越來越大,這些措施依然無法從根本上解決問題。因此,有必要根據(jù)不同的故障類型對(duì)主變差流速斷保護(hù)的算法進(jìn)行改進(jìn),借用主變比率差動(dòng)保護(hù)中CT飽和判據(jù)可正確區(qū)分故障類型是區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障,不會(huì)額外增加裝置的計(jì)算工作量。CT飽和判別的方法可采用同步識(shí)別法,即根據(jù)鐵磁元件的“B-H”曲線,區(qū)外故障起始時(shí)刻和一次電流過零點(diǎn)附近CT會(huì)存在一個(gè)線性傳變區(qū),對(duì)于區(qū)內(nèi)故障,差動(dòng)保護(hù)的差流在故障起始時(shí)刻就會(huì)出現(xiàn);而對(duì)于區(qū)外故障,在故障起始時(shí)刻的CT線性傳變區(qū)內(nèi)不存在差流?？梢愿鶕?jù)差流跟故障時(shí)刻是否同步的方法來區(qū)分故障類型是區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障。主變差流速斷保護(hù)要求1.5倍定值下的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間小于20ms,通常采用半周差分或半周傅里葉算法來保證保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間,事實(shí)上采用全周傅里葉算法能更好地濾除非周期分量的影響,只是由于全周傅里葉算法需要20ms的數(shù)據(jù)窗,無法滿足保護(hù)對(duì)動(dòng)作時(shí)間要求。因此,需要對(duì)差流速斷保護(hù)的動(dòng)作方程進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后的動(dòng)作方程如下:式(1)只在同步識(shí)別法判為區(qū)內(nèi)故障時(shí)投入,式(2)固定投入。式中:Iop(半周)為采用半周差分或半周傅立葉算法計(jì)算的差動(dòng)電流;Iop(全周)為采用全周傅立葉算法計(jì)算的差動(dòng)電流;Iop.0為差流速斷保護(hù)定值;K為比率制動(dòng)系數(shù);Ires(全周)為制動(dòng)電流。改進(jìn)后差流速斷保護(hù)的動(dòng)作特性如圖4所示。差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)后,首先利用CT飽和判據(jù)識(shí)別本次故障是區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障,如果故障類型為區(qū)內(nèi)故障,保護(hù)采用半周差分或半周傅里葉算法計(jì)算差流,當(dāng)式(1)滿足時(shí)差流速斷保護(hù)動(dòng)作;如果故障類型不是區(qū)內(nèi)故障,保護(hù)采用全周傅里葉算法計(jì)算差流并增加比率制動(dòng)系數(shù),當(dāng)式(2)滿足時(shí)差流速斷保護(hù)動(dòng)作,保證故障由區(qū)外故障發(fā)展為區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)能可靠動(dòng)作。差流速斷改進(jìn)算法增加了Iop(半周)和Ires(全周)的判別,這兩個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)在比率差動(dòng)保護(hù)中計(jì)算,不會(huì)增加裝置的計(jì)算工作量,因此對(duì)差流速斷保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間沒有影響,對(duì)于正常的區(qū)內(nèi)故障,20ms內(nèi)保護(hù)能可靠動(dòng)作;對(duì)于轉(zhuǎn)換性故障,20ms后保護(hù)也能可靠動(dòng)作。4動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn)驗(yàn)證4.1動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)變壓器的原型參數(shù),在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真裝置(RTDS)上建立了變壓器保護(hù)動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ?并用兩臺(tái)相同型號(hào)的裝置進(jìn)行了試驗(yàn),一臺(tái)裝置采用改進(jìn)前的半周算法,另一臺(tái)裝置采用改進(jìn)后的保護(hù)判據(jù),通過試驗(yàn)對(duì)改動(dòng)前后的主變差流速斷保護(hù)性能進(jìn)行比較,變壓器模型參數(shù)如表4所示,變壓器電氣接線圖如圖5所示。4.2差流速斷保護(hù)動(dòng)作模擬兩臺(tái)裝置的差流速斷保護(hù)定值都按5Ie整定,同時(shí)進(jìn)行了區(qū)內(nèi)金屬性故障、區(qū)外CT飽和試驗(yàn)和線路永久性故障試驗(yàn),區(qū)內(nèi)故障時(shí)差流速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間基本相同。模擬中壓側(cè)區(qū)外K5點(diǎn)A相接地故障時(shí)中壓側(cè)CT飽和,電流波形正常時(shí)間3.0ms時(shí),改進(jìn)前的差流速斷保護(hù)動(dòng)作,改進(jìn)后的差流速斷保護(hù)可靠不動(dòng)作,錄波波形如圖6所示。錄波圖中I1A、I1B、I1C為高壓側(cè)三相電流,I2A、I2B、I2C為中壓側(cè)三相電流,I3A、I3B、I3C為低壓側(cè)三相電流。模擬110kV側(cè)的線路A相永久性接地故障,首次故障120ms跳開線路開關(guān),600ms重合于永久性故障,重合后的中壓側(cè)CT出現(xiàn)不同程度的飽和,電流波形正常時(shí)間3.5ms時(shí)改進(jìn)前的差流速斷保護(hù)動(dòng)作,改進(jìn)后的差流速斷保護(hù)仍可靠不動(dòng)作,錄波波形如圖7所示。通過試驗(yàn)可以得出結(jié)論,當(dāng)變壓器發(fā)生區(qū)外故障或線路故障重合閘時(shí),如果變壓器側(cè)CT出現(xiàn)飽和,改進(jìn)后的主變差流速斷保護(hù)能顯著提高保護(hù)裝置的抗CT飽和能力。5半周差分或半周傅立葉通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的幾起事故進(jìn)行分析,220kV及以下電壓等級(jí)變壓器區(qū)外故障時(shí)CT飽和是造成主變差流速斷保護(hù)誤動(dòng)的直接原因。分析了P級(jí)電流互感器容易飽和的原因后,根據(jù)不同的故障類型對(duì)差流速斷保護(hù)動(dòng)作判據(jù)進(jìn)行了改進(jìn)。區(qū)內(nèi)故障時(shí)仍采用半周差分或半周傅立葉算法保證差流速斷保護(hù)的快速性,區(qū)外故障后采用全周傅里葉算法并增加比率制動(dòng)系數(shù)保證差流速斷保護(hù)的可靠性和選擇性。通常主變差動(dòng)保護(hù)CT飽和判據(jù)中已經(jīng)對(duì)區(qū)內(nèi)外故障進(jìn)行了識(shí)別,可直接利用同步識(shí)別法判別區(qū)