變壓器差動(dòng)保護(hù)的研究

變壓器差動(dòng)保護(hù)的研究

0變壓器差動(dòng)保護(hù)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(nèi)部和外部故障，識(shí)別勵(lì)磁涌流對(duì)壓力系統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)算法提出了更高的要求。目前應(yīng)用的勵(lì)磁涌流鑒別方法有諧波識(shí)別法、電流波形特征和變壓器模型識(shí)別法、以及基于波形相關(guān)性和阻抗模型的識(shí)別法等。外部存在長(zhǎng)線分布電容或無(wú)功補(bǔ)償電容的高壓、超高壓變壓器發(fā)生內(nèi)部短路時(shí),因諧振產(chǎn)生各種諧波,電流會(huì)出現(xiàn)畸變。若依據(jù)諧波識(shí)別或電流波形識(shí)別方法來(lái)判斷故障,保護(hù)動(dòng)作時(shí)間往往在25ms以上,有時(shí)可達(dá)80ms甚至更長(zhǎng),這對(duì)高壓或超高壓變壓器的快速保護(hù)是不利的。變壓器差動(dòng)保護(hù)的原則是:在變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)應(yīng)快速動(dòng)作;故障變壓器空投時(shí)亦應(yīng)盡快動(dòng)作;外部故障有很大穿越電流時(shí),應(yīng)可靠不動(dòng)作;正?？胀稇?yīng)可靠不動(dòng)作。本文采用差流和序電壓的特征來(lái)識(shí)別故障電流和勵(lì)磁涌流,并利用差流和制動(dòng)電流的異步關(guān)系構(gòu)成新的比率差動(dòng)算法,保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可以達(dá)到10~15ms,對(duì)變壓器空投略微嚴(yán)重的內(nèi)部故障情況仍具有很高靈敏性,有效地保護(hù)了變壓器。1變壓器端電壓基頻分量的動(dòng)態(tài)特性文獻(xiàn)介紹了一種基于電壓閉鎖的勵(lì)磁涌流判別方法,即根據(jù)空投時(shí)端電壓升高、故障時(shí)端電壓降低的特點(diǎn)來(lái)辨別故障。但該方法無(wú)法靈敏區(qū)分空投內(nèi)部故障這種情況,因?yàn)榭胀堵晕?yán)重內(nèi)部故障時(shí)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(duì)端電壓基頻分量作對(duì)稱(chēng)變換,變換矩陣為其中α=ej120uf06f,變換可得零序、負(fù)序和正序電壓。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),正常運(yùn)行發(fā)生不對(duì)稱(chēng)區(qū)內(nèi)外故障時(shí),零序和負(fù)序電壓升高(從0升高到某一值),同時(shí)正序電壓降低(從某一值降到一個(gè)低值)。正常運(yùn)行發(fā)生對(duì)稱(chēng)故障時(shí),故障初期電壓可能不對(duì)稱(chēng),會(huì)短時(shí)出現(xiàn)很小的零序和負(fù)序電壓,同時(shí)正序電壓降低。當(dāng)變壓器空投或過(guò)激磁時(shí),端電壓會(huì)發(fā)生畸變,由不對(duì)稱(chēng)逐漸變化到對(duì)稱(chēng),零序和負(fù)序電壓分量出現(xiàn)短時(shí)升高,然后逐漸降低,但正序電壓分量升高至穩(wěn)定值。當(dāng)2臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí),一臺(tái)變壓器發(fā)生故障,另一臺(tái)變壓器端電壓的變化情況為:故障時(shí)零序和負(fù)序電壓升高,故障切除后零序和負(fù)序電壓降低到最小;故障時(shí)正序電壓降低,故障切除后正序電壓升高到一個(gè)穩(wěn)定值。2變形量的確定變壓器的差流Id、制動(dòng)電流Ir以及區(qū)內(nèi)外故障時(shí)的保護(hù)動(dòng)作約束條件為式中:ik為第k側(cè)電流;j為變壓器總側(cè)數(shù);Id.set為差動(dòng)動(dòng)作門(mén)檻;Ir.set為制動(dòng)電流門(mén)檻;K為比例系數(shù)。故障時(shí)電壓和電流發(fā)生突變,可以由式(2)確定故障啟動(dòng)時(shí)刻,并作為保護(hù)的啟動(dòng)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(mén)檻值。采用這種浮動(dòng)門(mén)檻啟動(dòng)方式可以有效克服負(fù)荷變化、系統(tǒng)振蕩、頻率偏移等引起的誤啟動(dòng)。區(qū)外發(fā)生故障時(shí),在保護(hù)啟動(dòng)初始一段時(shí)間內(nèi)差流很小,然后受不平衡因素的影響會(huì)有所增加,而制動(dòng)電流在保護(hù)啟動(dòng)后即變得很大,因此制動(dòng)電流和差流的增加存在時(shí)間差,呈異步關(guān)系。區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí),保護(hù)啟動(dòng)后差流變得很大,同時(shí)制動(dòng)電流也變得很大,呈同步變化。當(dāng)區(qū)外發(fā)生故障且CT飽和時(shí),即使短路電流達(dá)到額定電流的100倍,CT仍有2ms左右的線性傳變時(shí)間,差流和制動(dòng)電流不同時(shí)增大,亦呈異步變化?？傊?區(qū)內(nèi)外故障時(shí),保護(hù)突變啟動(dòng)后,在t∈(t0,t0+nTs)(t0為啟動(dòng)時(shí)刻,nTs=2~5ms,Ts為采樣間隔)時(shí)間段內(nèi),若發(fā)現(xiàn)差流和制動(dòng)電流有異步現(xiàn)象,則自動(dòng)投入比率差動(dòng)保護(hù)。3快速比例差動(dòng)配算法3.1半周波數(shù)據(jù)窗判據(jù)借鑒文獻(xiàn)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(shì)閉鎖比率差動(dòng),同時(shí)采用1/4周波小矢量算法]或半波遞歸算法計(jì)算相關(guān)變化量,利用異步法輔助快速識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障,保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間可以提高到10~15ms。以半周波數(shù)據(jù)窗為例計(jì)算相關(guān)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(mén)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(diǎn)數(shù);u1.set為正序電壓高值門(mén)檻,通常取0.65~0.75Un(Un為額定電壓)。(2)負(fù)序電壓u2降低且小于某一門(mén)檻值,記作條件B。式中u2.set為負(fù)序電壓低值門(mén)檻,通常取0.03~0.09Un。(3)零序電壓u0降低條件C,與式(4)類(lèi)似,零序電壓低值門(mén)檻u0.set取值為0.10~0.15Un。由上述A、B、C三個(gè)條件共同構(gòu)成電壓閉鎖邏輯,如圖1所示。3.2差流動(dòng)動(dòng)力學(xué)引入電壓閉鎖條件,結(jié)合差流和制動(dòng)電流的異步關(guān)系,可得對(duì)稱(chēng)序電壓閉鎖的異步法快速比率制動(dòng)邏輯,如圖2所示。圖中電流或電壓的突變啟動(dòng)條件為式(2),區(qū)內(nèi)外發(fā)生故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作條件為式(1)。對(duì)于漸變性故障或高阻抗接地故障,突變量可能無(wú)法啟動(dòng)(即式(2)判據(jù)失效),這時(shí)利用差流動(dòng)作門(mén)檻進(jìn)行啟動(dòng),自動(dòng)投入比率制動(dòng)。差動(dòng)的啟動(dòng)條件為或由理論分析可知,在變壓器空投產(chǎn)生勵(lì)磁涌流、并聯(lián)變壓器產(chǎn)生和應(yīng)涌流或故障切除后產(chǎn)生恢復(fù)性涌流的情況下,變壓器端電壓升高,零序、負(fù)序、正序電壓的變化規(guī)律滿足閉鎖條件,保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。正常負(fù)載或無(wú)載運(yùn)行情況下,變壓器發(fā)生匝間故障或內(nèi)部高阻抗接地故障時(shí),依據(jù)比率制動(dòng)特性以及設(shè)定的電壓閉鎖條件,保護(hù)可以可靠動(dòng)作。當(dāng)空投于略微嚴(yán)重的內(nèi)部故障時(shí),正序、負(fù)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(hù)的動(dòng)作時(shí)間在10~15ms范圍內(nèi)。4變壓器空投保護(hù)仿真結(jié)果采用220kV原型系統(tǒng)的縮小模型分析保護(hù)的動(dòng)作特性,具體參數(shù)見(jiàn)圖3,變壓器短路阻抗13.5%,高壓側(cè)匝間短路1%~10%可調(diào)。模擬高、中、低壓側(cè)區(qū)內(nèi)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(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證新算法的可靠性。圖4為空投變壓器高壓側(cè)時(shí)勵(lì)磁涌流和端電壓變化情況,正序、負(fù)序、零序電壓的變化規(guī)律滿足閉鎖條件,保護(hù)沒(méi)有誤動(dòng)?？胀蹲儔浩鞲邏簜?cè)A相發(fā)生3.6%左右匝間故障時(shí)的結(jié)果見(jiàn)圖5,端電壓的正序、負(fù)序、零序分量不滿足電壓閉鎖條件,保護(hù)正確動(dòng)作。圖6、7分別為變壓器空載和負(fù)載時(shí),高壓側(cè)A相發(fā)生1.7%匝間短路的仿真結(jié)果,端電壓的正序、負(fù)序、零序分量不滿足閉鎖條件,保護(hù)正確動(dòng)作。圖7(b)中:Iha、Ihb、Ihc分別為高壓側(cè)A、B、C三相電流;Ima、Imb、Imc分別為中壓側(cè)A、B、C三相電流;低壓側(cè)由于電流值很小,故省略。以上試驗(yàn)表明,任何情況下變壓器空投時(shí)保護(hù)都能可靠閉鎖,不會(huì)誤動(dòng);對(duì)于變壓器空載或負(fù)載時(shí)發(fā)生匝間故障等略微嚴(yán)重的區(qū)內(nèi)故障情況,保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)1個(gè)周波,短路匝比小到1.7%時(shí)保護(hù)仍有很高的靈敏性。變壓器空投于略微嚴(yán)重的匝間故障時(shí),保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)2個(gè)周波,與設(shè)定的負(fù)序、零序低值門(mén)檻有關(guān)。短路匝比小到3%左右仍可以快速動(dòng)作,但短路匝比很小的情況下,保護(hù)會(huì)延緩動(dòng)作。根據(jù)對(duì)稱(chēng)等值網(wǎng)絡(luò)可知,區(qū)內(nèi)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(fù)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(hù)(1)新算法以變壓器端電壓序分量的大小和變化趨勢(shì)作為比率差動(dòng)的閉鎖條件,其可靠性不受變壓器空投的勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流以及故障切除后恢復(fù)性涌流的影響。(2)對(duì)略微嚴(yán)重的區(qū)內(nèi)外故障,利用電壓或電流的突變啟動(dòng),能夠找出差流和制動(dòng)電流的異步關(guān)系,有利于高壓或超高壓大型變壓器的保護(hù)。