变压器主变差流速断保护动作判据的改进

变压器主变差流速断保护动作判据的改进

0差流速断保护主变差动保护随着超高压和特高压电网的出现，电网容量急剧增加，高压电压等多道电流装置越来越多。为了保证压源厂的安全运行和系统的稳定，提出了对主变差动保护的速度的新要求。传统的比率差动保护受变压器励磁涌流的闭锁,动作时间有时无法满足变压器的安全运行和系统稳定的要求,因此,通常配置差流速断保护作为主变差动保护的一个辅助保护,当变压器内部发生严重故障时能快速动作切除故障。但是,差流速断保护提高了主变差动保护的快速性之外也带来了一些新问题,现场也出现了多起由于区外故障CT饱和导致主变差流速断保护误动的情况。主变差流速断保护是一个简单的差动过电流继电器,保护定值通常按躲过变压器空投时的最大励磁涌流或外部故障时的最大不平衡电流整定,而变压器空投时的励磁涌流或外部故障时的最大不平衡电流在实际应用时又无法准确测量和计算,文献也只是给出了一个推荐范围,实际使用时通常都按照各地区的经验值来整定。本文通过对现场的几起事故进行分析,提出了一种可以提高区外故障时主变差流速断保护抗CT饱和能力又不降低区内故障灵敏度的方案,与广大继电保护同行探讨。1保护措施简要说明变压器区外故障或线路重合于永久性故障时,如果变压器某一侧CT严重饱和,可能造成主变差流速断保护的误动作。1.1保护动作幅值某220kV变电站主变低压侧区外由单相接地故障发展成为三相短路故障,低压侧出线过流二段保护动作后切除故障,150ms后低压侧出线重合,主变低压侧B相、C相CT饱和时主变差流速断保护动作,保护动作时差动电流采样的幅值如表1所示。从动作报告看,主变C相差流26.77A大于差流速断保护定值22A(按6Ie整定,Ie为主变高压侧额定负荷电流,下同),保护动作时的录波如图1所示。1.2ct饱和情况下保护动作幅值某110kV变电站两圈变压器低压侧区外发生BC相间短路故障,低压侧B相、C相CT饱和时主变差流速断保护动作,保护动作时差动电流采样的幅值如表2所示。从动作报告看,主变C相差流22.11A大于差流速断保护定值21A(按6Ie整定),保护动作时的录波如图2所示。1.3主变低压侧主变差流速断保护动作幅值某110kV变电站三圈变压器低压侧由区外CA相间短路故障发展成区外三相短路故障,主变低压侧A相、B相CT饱和时主变差流速断保护动作,保护动作时差动电流采样的幅值如表3所示。从动作报告看,主变B相差流13.75A大于差流速断保护定值10.0A(按6.29Ie整定),保护动作时的录波如图3所示。2变压器区外故障ct饱从主变差流速断保护动作时的录波图上看,保护动作的原因都是由于变压器区外故障时某侧CT出现了严重饱和,而主变差动保护中差流的计算实际是将各侧电流进行矢量相加,某侧CT饱和后就会产生很大的差流。差流速断保护定值通常按(4~8)Ie整定,保护本身具备一定的抗CT饱和能力,同时为了保证变压器内部发生严重故障时保护能快速动作,差流速断保护中通常不再增设CT饱和判据。因此,区外故障CT严重饱和时可能造成主变差流速断保护的误动作。220kV及以下电压等级变压器的差动保护通常采用P级CT,故障时容易出现饱和,CT饱和的原因与以下几个方面有关:(1)与CT的二次负载和故障电流的大小有关。在短路容量很大的系统中线路近端发生故障时会产生很大的故障电流,如果CT二次负载过大或CT额定准确限值系数选择不好,当一次故障电流过大时,会引起CT铁芯中的磁通密度增大,造成CT出现饱和。(2)与故障电流中的直流分量和非周期分量有关。P级CT的误差只考虑一次电流为稳态电流的情况,没有考虑暂态过程中的非周期分量,即P级CT在暂态过程中不能保证其误差要求。当冲击电流中含有大量非周期分量时,差流回路中的不平衡电流就会急剧增大。(3)与CT中剩磁的大小和方向有关。变压器区外故障或线路重合于永久性故障时故障电流中通常有较大的直流分量,CT铁芯中交流稳态磁通增大,直流分量引起的非周期磁通增大,若铁芯中的剩磁较大且与非周期磁通方向一致,三者叠加后大于CT的饱和磁通,就会加剧CT的饱和程度。变压器区外故障CT饱和时,由于主变比率差动保护中都有专用的CT饱和判据,故障时能正确区分故障类型是区内故障或区外故障,区外故障CT饱和时能可靠闭锁保护,通常不会造成主变比率差动保护误动作。对于变压器后备保护,变压器区外故障CT饱和时可能造成过流保护的延迟动作。当CT严重饱和时,装置计算的电流幅值小于过流保护定值,过流保护无法启动。对于220kV的变压器,120ms后直流分量和非周期分量衰减后CT逐渐退出饱和,这时过流保护能可靠动作。通常后备保护相互配合的间隔时间Δt为0.3~0.5s,不会造成上一级后备保护越级跳闸,因此,变压器区外故障CT饱和时不会造成后备保护的误动或拒动。通过以上分析,变压器区外故障CT饱和时主要影响主变差流速断保护,因此,需要采取措施防止区外故障CT严重饱和时主变差流速断保护误动。3差流速断保护动作方程P级CT在故障时容易饱和,为了防止差流速断保护在变压器区外故障CT饱和时误动,可通过抬高差流速断保护定值或提高P级CT的额定准确限值系数及降低CT的二次负载来解决,但前者会降低变压器区内故障时保护的灵敏度,后者会增加工程的造价。除此之外,随着电网容量的增大,区外故障时流过CT回路中的短路电流也会越来越大,这些措施依然无法从根本上解决问题。因此,有必要根据不同的故障类型对主变差流速断保护的算法进行改进,借用主变比率差动保护中CT饱和判据可正确区分故障类型是区内故障或区外故障,不会额外增加装置的计算工作量。CT饱和判别的方法可采用同步识别法,即根据铁磁元件的“B-H”曲线,区外故障起始时刻和一次电流过零点附近CT会存在一个线性传变区,对于区内故障,差动保护的差流在故障起始时刻就会出现;而对于区外故障,在故障起始时刻的CT线性传变区内不存在差流。可以根据差流跟故障时刻是否同步的方法来区分故障类型是区内故障或区外故障。主变差流速断保护要求1.5倍定值下的保护动作时间小于20ms,通常采用半周差分或半周傅里叶算法来保证保护的动作时间,事实上采用全周傅里叶算法能更好地滤除非周期分量的影响,只是由于全周傅里叶算法需要20ms的数据窗,无法满足保护对动作时间要求。因此,需要对差流速断保护的动作方程进行改进,改进后的动作方程如下:式(1)只在同步识别法判为区内故障时投入,式(2)固定投入。式中:Iop(半周)为采用半周差分或半周傅立叶算法计算的差动电流;Iop(全周)为采用全周傅立叶算法计算的差动电流;Iop.0为差流速断保护定值;K为比率制动系数;Ires(全周)为制动电流。改进后差流速断保护的动作特性如图4所示。差动保护启动后,首先利用CT饱和判据识别本次故障是区内故障或区外故障,如果故障类型为区内故障,保护采用半周差分或半周傅里叶算法计算差流,当式(1)满足时差流速断保护动作;如果故障类型不是区内故障,保护采用全周傅里叶算法计算差流并增加比率制动系数,当式(2)满足时差流速断保护动作,保证故障由区外故障发展为区内故障时保护能可靠动作。差流速断改进算法增加了Iop(半周)和Ires(全周)的判别,这两个数据已经在比率差动保护中计算,不会增加装置的计算工作量,因此对差流速断保护的动作时间没有影响,对于正常的区内故障,20ms内保护能可靠动作;对于转换性故障,20ms后保护也能可靠动作。4动态模型试验验证4.1动模试验模型根据变压器的原型参数,在实时数字仿真装置(RTDS)上建立了变压器保护动模试验模型,并用两台相同型号的装置进行了试验,一台装置采用改进前的半周算法,另一台装置采用改进后的保护判据,通过试验对改动前后的主变差流速断保护性能进行比较,变压器模型参数如表4所示,变压器电气接线图如图5所示。4.2差流速断保护动作模拟两台装置的差流速断保护定值都按5Ie整定,同时进行了区内金属性故障、区外CT饱和试验和线路永久性故障试验,区内故障时差流速断保护动作时间基本相同。模拟中压侧区外K5点A相接地故障时中压侧CT饱和,电流波形正常时间3.0ms时,改进前的差流速断保护动作,改进后的差流速断保护可靠不动作,录波波形如图6所示。录波图中I1A、I1B、I1C为高压侧三相电流,I2A、I2B、I2C为中压侧三相电流,I3A、I3B、I3C为低压侧三相电流。模拟110kV侧的线路A相永久性接地故障,首次故障120ms跳开线路开关,600ms重合于永久性故障,重合后的中压侧CT出现不同程度的饱和,电流波形正常时间3.5ms时改进前的差流速断保护动作,改进后的差流速断保护仍可靠不动作,录波波形如图7所示。通过试验可以得出结论,当变压器发生区外故障或线路故障重合闸时,如果变压器侧CT出现饱和,改进后的主变差流速断保护能显著提高保护装置的抗CT饱和能力。5半周差分或半周傅立叶通过对现场的几起事故进行分析,220kV及以下电压等级变压器区外故障时CT饱和是造成主变差流速断保护误动的直接原因。分析了P级电流互感器容易饱和的原因后,根据不同的故障类型对差流速断保护动作判据进行了改进。区内故障时仍采用半周差分或半周傅立叶算法保证差流速断保护的快速性,区外故障后采用全周傅里叶算法并增加比率制动系数保证差流速断保护的可靠性和选择性。通常主变差动保护CT饱和判据中已经对区内外故障进行了识别,可直接利用同步识别法判别区