多判据综合的变压器差动保护方案

多判据综合的变压器差动保护方案

1间断角基本原理二次振动源压缩器的差动保护是对当前大型压缩器内部故障的主要保护，具有丰富的现场操作经验。但随着变压器容量的不断增大和电网电压等级的提高,二次谐波制动的变压器差动保护存在的不足也日益显现,主要表现在:对于Y0/Ä接线变压器,由于在0Y侧的CT二次电流流向差动回路的是两相电流之差,空载合闸于带有匝间短路变压器时,非故障相的励磁涌流可能会将保护闭锁,直至涌流衰减得足够低时,才能将故障变压器切除。另一方面,在超高压输电线路中,由于线路分布电容存在以及电网中日益增多的无功补偿装置的影响,使得变压器内部故障时,故障电流中也存在着各种谐波分量,当二次谐波分量比例足够大时,保护被制动,直至此谐波分量衰减得足够低时,才能开放保护,使变压器动作的时间延长,这种延时可达0.1~0.2s。间断角原理是目前使用较多的另一种变压器主保护实现方案,当采用微机技术实现该原理时,主要通过计算采样的点数得到间断角,这就造成了间断角差动保护原理在实际工程应用中的一些困难:一是对AD采样的精度要求很高;二是对采样频率要求较高。正因为基于二次谐波和间断角制动原理的变压器保护在性能上越来越难以满足对大型和超大型变压器保护的要求,因此继电保护工作者不断地提出了一些新的变压器保护原理。但多种原理之间的协同工作和相互配合却研究不多。本文主要研究多判据综合的变压器差动保护及其实现,其重点是基于多种继电保护判据的多层次联合故障判断。2多判断基于综合压力损失运动的保护思想2.1冗余性和互补性电力系统继电保护对故障信息进行提取、综合、分析,以判断电力设备及线路是否发生故障或计算故障点位置,它是一个信息综合利用的过程。电力系统故障过程非常复杂,影响因素多,会因系统故障初始状态不同而表现出不同的物理特征,从而使电力系统的故障信息具有一定的冗余性、互补性和不确定性。传统的基于单个保护继电器或单一判据的保护装置,能有效利用的信息量有限,不足以提供对各种故障的广泛准确检测。由于继电保护实时性强,要求故障发生后瞬时动作,在计算机技术没有高度发展的条件下,难于在故障瞬间对故障信息进行综合处理。目前DSP处理器在继电保护中的推广,为深层次的信息综合技术在继电保护领域中的应用提供了可能。2.2虚拟三次谐波制动传统的变压器主保护,都是由一种主要原理而构成的,如二次谐波制动的变压器差动保护或基于间断角的变压器差动保护,基于多判据综合思想的变压器差动保护,由多个相对独立的保护判据组成。本文的变压器差动保护判据配置如下:(1)采样值差速断保护;(2)虚拟三次谐波制动相量差动保护;(3)采样值差动保护;(4)二次谐波制动相量差动保护;(5)故障分量虚拟三次谐波制动相量差动保护;(6)故障分量采样值差动保护;(7)五次谐波及U/f过激磁闭锁;(8)CT断线闭锁。各判据主要原理:(1)采样值差流速断保护采样值差流速断保护的判据为式中ii为第i支路电流的采样值;iset为差速断整定值;n为支路数。保护启动后采样值的6点中如有4点满足式(1)则保护动作。采用基于采样值的差速断判据,可以提高抗CT饱和的能力。(2)虚拟三次谐波制动相量差动保护为了克服二次谐波制动变压器差动保护的动作速度满足不了大容量变压器要求的不足,装置采用了变压器差动保护新的制动判据,即虚拟三次谐波制动新判据。由于变压器铁心磁化特性的非线性,在变压器空载合闸时会产生励磁涌流,励磁涌流大小受合闸前的剩磁和合闸时刻电压的初相角等因素影响。励磁涌流波形呈现明显的非对称性,在前半周内表现为尖顶波的特性,依据这一特征,以此半周采样数据为基础将波形平移半周后翻转,则波形为奇对称波形,如图1所示。波形中三次谐波含量较大,而且在对称性涌流时经虚拟后的波形也含有较大的三次谐波。因此在采用分相制动方式时,它可以避免二次谐波制动原理在对称性涌流下因一相谐波过低而引起的差动保护误动。当变压器发生内部故障时,其波形基本为正弦波,无论以半周还是全周数据窗进行分析,三次谐波含量均较小,由此可区分出变压器内部故障和励磁涌流。虚拟三次谐波在实际的涌流中是不存在的,它是涌流前半周尖顶波经平移反相后虚拟构成的一个奇对称波形,这种虚拟波形中所含的三次谐波,被称之为虚拟三次谐波。由于虚拟三次谐波制动仅使用工频半周期信息,因而其数据窗短于二次谐波制动,其动作速度要快于二次谐波制动相量差动保护。三次谐波制动的相量差动保护判据为式中为第i支路电流相量值;K1为制动系数;Id0为最小动作电流;Ir0为制动电流拐点;n为支路数。计算差流中的虚拟三次谐波与虚拟基波幅值之比K31=Iv3/Iv1是否大于整定值,若大于整定值则制动差动,K31一般不大于20%,通常取15%。经过差分滤直和连续判别等处理后,虚拟三次谐波制动差动保护发跳闸令时间为启动后12ms。(3)采样值比例差动保护采样值差动保护由折线式制动特性组成,动作判据为式中K1为制动系数;n为支路数;id0为最小动作电流。其动作特性如图2所示。相量差动保护的动作量和制动量,在消除非周期分量和谐波的影响后,相量的幅值或有效值基本是恒定的,因而在稳态过程中,其制动特性不会因数据窗的移动而发生变化。采样值差动保护则以瞬时采样值直接构成差动判据,因而其动作量和制动量都是随时间而变化的,其制动关系也是不恒定的,致使有一些采样点的制动效果好,另一些点的制动效果较差。为保证保护动作的正确性,采用重复多次的判别方法,即连续R次采样中有S及以上次满足式(3),才输出动作信号。理论分析表明,当S的取值大于四分之一个周期时,在区外故障时采样值差动保护的制动效果等于或优于常规相量差动。在实际应用中除满足S>N/4(N为每周期的采样点数)这一基本条件外,S的选取还应考虑被保护对象的特点,对于变压器保护重点要考虑的就是励磁涌流和CT饱和问题。由于励磁涌流波形在一个周期内存在间断角,会导致有一些采样点满足不了采样值差动动作条件,而内部故障时仅在过零点附近使采样值差动条件不满足,因而通过选择合适的S,R值,采样值差动保护可运用于变压器的保护而且不需要另加谐波闭锁。此外即使在CT饱和非常严重的情形下,CT在过零点附近都有一段线性传变区,从而使差流满足动作条件的点数达不到S值,保护不会误动,这表明采样值差动保护抗CT饱和的能力要强于常规相量差动保护。对于每周波20点采样的变压器保护,可取R=16,S=13。采样值差动保护,由于其所用数据窗比全周相量差动短,又具有自动识别励磁涌流的能力,因此保护出口速度快。因取S=13,所以采样值差动保护最快出口时间是启动后13ms。(4)常规二次谐波制动相量差动保护其判据为式中K1为制动系数;Id0为最小动作电流;Ir0为制动电流拐点;n为支路数。同时计算差流中的二次谐波与基波幅值之比K21=Id2/Id1是否大于整定值,若不小于整定值则对差动保护进行制动,K21一般不大于20%,通常取15%。二次谐波制动相量差动保护采用全周富氏算法,数据窗为一个周波,加上重复判别,因此发跳闸令时间为启动后22ms。(5)故障分量虚拟三次谐波制动相量差动保护故障分量的差动保护与常规相量差动保护相比,其突出特点是可提高保护灵敏度,并可较好地解决重负荷下变压器轻微匝间短路差动保护所存在的缺陷。故障分量虚拟三次谐波闭锁相量差动保护判据为式中为第i支路突变量电流相量值;K1为制动系数;Id0为最小动作电流;n为支路数。若故障分量虚拟三次谐波与基波之比不大于定值(定值可取为15%),则保护动作。故障分量差动保护在启动后2个周期判据退出,其发跳闸令时间为启动后12~40ms。(6)故障分量采样值比例差动保护故障分量采样值差动保护同样可在重负荷下提高变压器内部轻微匝间故障的灵敏度,其判据为式中1K为制动系数;n为支路数;id0为最小动作电流。启动后40ms判据退出,其发跳闸令时间为13~40ms。(7)CT断线闭锁判据为式中分别为变压器低压侧A、B、C三相电流;分别为变压器高压侧A、B、C三相电流;为变压器中性点电流;Id,CT,b,ICT,b,Io,CT,b为整定值。(8)过激磁闭锁大型变压器工作磁密接近饱和,在电压升高或频率降低时会出现过激磁,可能引起差动保护的误动作,防止过激磁引起差动保护误动,有2种方法可供选取,一是计算差流中5次谐波与基波的幅值之比K51=I5/I1是否大于整定值,如大于则闭锁差动保护,二是在(U/Un)/(f/fn)大于定值时闭锁差动保护。2.3分时段安排保护采用合理安排各保护整定值的配合,在充分保证各个判据可靠性的前提下,根据各判据的特点,综合判断保护是否应该出口。其主要原则如下:(1)各保护的协同工作是在合理安排各判据定值,充分保证保护可靠性前提下。也就是说在任何情况下的区外故障保证保护不应误动。(2)根据各判据特点,采用分时段安排各保护工作。采样值差流速断保护只在保护启动后6ms投用(对于20点采样就是6个采样点)。6ms以后差速断退出以防CT严重饱和引起差速断误动。虚拟三次谐波和故障分量虚拟三次谐波在半个周期左右的数据窗就能识别励磁涌流,因此其主要工作时段为启动后的12ms左右。故障分量采样值差动保护根据故障分量保护的特点,保护启动两个周波后退出。(3)在同一时段共同工作的各保护,在合理安排定值配合的前提下,采用“或门”出口。(4)各时段工作的保护,以最早动作的保护,作为发跳闸令时间(保护出口时间)。(5)过激磁闭锁(五次谐波闭锁或U/f闭锁)、CT断线闭锁判据不闭锁差速断保护。3变压器主保护装置葛洲坝大江电厂主接线采用联合扩大单元接线方式,两台300MVA变压器的高压侧经约1km的架空线接入大江500kV开关站,开关站侧为3/2断路器接线,每台变压器的低压侧接有2台发电机和1台厂用变压器(或制动电阻分支)。整个系统的保护包括①变压器主保护;②变压器后备保护;③架空线路保护;④变压器组和短线组成的大差保护。原保护系统采用的是阿城继电器厂生产的集成电路型保护装置,装置从投运至今已多年,元件老化,给运行和维护带来很大困难,严重影响着供电的可靠性,为此葛洲坝能达电器公司与华中科技大学联合开发新型微机保护装置。新型保护装置的变压器主保护和变压器后备保护为两个独立机箱,并与管理机一起组合成1号屏,变压器组短线组成的大差保护与架空线路保护及其管理系统组合成2号屏,本文以下主要介绍基于多判据综合思想的变压器主保护装置研制。变压器主保护的硬件平台,采用的是北京康拓公司与华中科技大学、葛洲坝能达电器公司联合开发的APCI5000系列工业控制机。其基本配置如图3所示。交流输入板设有16个模拟量的输入变换器,包括变压器高压侧的三相电流,变压器中性点的零序电流,变压器低压侧三相电压,低压侧2台发电机分支三相电流和厂用变压器分支(或制动电阻分支)三相电流,这16个模拟量经变换器变换后通过交流滤波板上的RC滤波电路输出至DSP(APCI5469)板,DSP板为装置的核心,完成数据采集(采样率为1kHz,每周期20点采样),装置自检,保护启动计算与判断,保护判据的实现,告警和跳闸信号的发出等功能。V40(APCI5087)板用于与486板(APCI5094)通信,实现DSP板和486板的信息交互,并与信号转接板、信号板和跳闸板配合,完成告警信号和跳闸信号的开出。486板为高性能的工控PC,作为上层机管理系统核心,变压器主保护和后备保护共用一个管理系统,相互之间采用RS485进行通信,显示部分采用液晶式触摸屏,可以对下层机进行实时监控,完成定值的整定与修改、保护的投退、故障波形的分析、故障报告的打印等功能。正是因为有32位浮点的DSP和高性能的工控PC机构成硬件平台,才使多判据综合思想得以在大型变压器差动保护中实现。4空投变压器数据系统故障保护动作特性动模试验模型如图4所示。图4中6号发电机机端所接变压器为被保护变压器,主要试验内容包括:1)高压侧外部故障;2)短线内部故障;3)变压器高压侧内部故障;4)变压器低压侧内部故障;5)变压器低压侧外部故障;6)低压负荷侧外部故障;7)高压侧长线路故障;8)变压器匝间短路;9)空投变压器(包括正常空投、串联长线空投、并联长线空投和带故障空投);10)CT饱和试验;11)CT断线试验;12)振荡试验(包括振荡过程中故障);13)外部故障切除;14)转移性故障(区外转区内,区内转区外)。图5~8给出几个波形。数据均取自下层机记录的启动报告(启动前3个周期和启动后8个周期数据)和故障报告(保护出口前3个周期和出口后5个周期),波形由上层管理机通过对下层机上传上来的数据进行分析而生成。装置自身录的波形与另一套电力系统故障录波器所录波形一致。图5为并联长线空投变压器中压匝间短路故障(短路点位于B相,短路匝比为2.3%)时差流波形。采样值比例差动保护动作,发跳闸令时间为22ms。因为变压器高压侧为0Y接线,高压侧电流为两相电流之差。故障电流中含有非故障相的励磁涌流,虚拟三次谐波、二次谐波都将闭锁差动保护,根据采样数据分析二次谐波制动差动会在73ms动作。而采样值差动判据,没有谐波制动,能在启动后22ms发跳闸令。图6是空投变压器时产生的励磁涌流差流波形,在启动后第12点