变压器差动保护空充误动的分析

变压器差动保护空充误动的分析

0关于波形对称原理目前，220kv和以上的源氏故障误差动源保护通常采用二次波形和波形对称原理作为磁强涌流的识别资本。二次谐波原理应用时间最长,但其整定值一直存在较大争议,理论上也很难计算出三相变压器在空载合闸时各相涌流的大小及谐波比例,国内广泛采用10%～15%的经验定值(两相涌流之差)。但是各个地方应用时均有误动的报道,原因在于合闸时二次谐波比例可能小于10%～15%;考虑到变压器内部故障时也可能存在谐波,谐波制动的比例又不能整定得太低,如果二次谐波采用的是或门制动,合闸于内部故障时可能延迟动作。波形对称原理用来判别差流波形在一个工频周期内前后半波的对称性,根据对称点数的多少来判断是否内部故障。由于采用分相制动方式,大家一直认为波形对称原理优于二次谐波原理。实际上,这2种原理是从不同的角度去反映涌流的一些特征,并不存在孰优孰劣的问题,相反,二者之间还存在定量联系。如果定值设置恰当,二次谐波也可以采用分相制动,在动作效果上完全可以等效于波形对称。1基于采样值的波形对称原理波形对称原理来源于间断角原理,常用的判据为:比较差流正负半周的波形,取Idec=itit-N/2,Isum=it+it+N/2,半个周期内满足Isum<KIdec的点数小于某一定值,判为涌流。其中,K为不对称度。二次谐波原理为:Idf2>Kxb2/dφ判为涌流,其中Idφ2为差流中的二次谐波分量,Idφ为差流中的基波分量。以上2种原理是从不同的角度去提取涌流的特征,方法不同,根本原理却类似,但波形对称采用的是采样值计算方式,工程中一般无法像二次谐波那样定量地试验。以下以单相变压器为例,推算2种原理的等价关系,以便于分析。仿真过程中采用文献中有关波形对称原理的算法,同时控制涌流中的二次谐波比例在1%～30%范围内变化,记录波形对称原理的判断结果如图1所示。图中,波形对称计算结果用1和0分别表示判断差流为涌流和故障电流。可见,波形对称原理的临界值是13%的二次谐波比例,举个极端的例子,如果二次谐波比例按照经验值整定为15%,而涌流中仅含有13%的二次谐波,那么2种原理均要误动。实际上,二者的对应关系并非如此简单,波形对称原理采用采样值算法,利用涌流中所有的谐波信息,因此对涌流的灵敏度一般要高于二次谐波,也正是由于波形对称的“等效”谐波制动作用要强于二次谐波,才会使波形对称原理看起来比二次谐波可靠。来自工程的大量录波表明,很多情况下波形对称的动作边界为12%,即波形对称原理等价于定值整定为12%的二次谐波原理。2零序电流与对称涌流相减的转换相位校正方式对差动保护的性能有重大影响。传统的相位校正均由差动电流互感器解决,空充时流入差动继电器的实际上是高压侧两相涌流之差,各相原始涌流中的波形特征在一定程度上将发生改变。如果两相涌流同向,则相减后差流中的二次谐波比例可能大于涌流中的比例;如果两相涌流反向,则相减后差流中的二次谐波比例可能小于涌流中的比例;某种场合下,差流还会呈现为对称性涌流的情况,二次谐波原理和波形对称原理均受到相位校正后差流特征改变的影响。由文献可知,△侧绕组内的电流对高压侧相电流有“助增”效应,导致从高压侧各相电流互感器录到的电流不一定呈现出“偏向时间轴一侧”的特征,有时也会出现对称性的情况。值得注意的是,这种对称性的电流只是由零序性质的△侧绕组电流产生的,因此并非通常所说的对称性涌流。从单相变压器模型来看,励磁涌流肯定是偏向时间轴一侧的,之所以有对称性涌流,完全是相位校正带来的结果。根据文献的介绍,对称性涌流是由剩磁方向相同的两相涌流相减产生的涌流,从本质意义上讲,对称性涌流根本就不是“涌流”,实际中并不存在,完全是保护装置内部“合成”的一种计算用电流(为方便阐述,以下仍称其为对称性涌流)。尽管从波形对称方法的原理上讲,对称性涌流在一个工频周期内对称的角度最多为120°,区分故障电流与对称性涌流的角度范围较大,但从第1节的分析可见,即使波形对称原理比二次谐波原理在涌流识别方面更加灵敏,也总会在两相涌流相减后二次谐波减小到某一临界值时误动。某些进口的差动保护采用在△侧转换的方法,Y侧仅减去零序电流,出发点就是希望保持涌流的原始特征,避开对称性涌流的问题。转换的公式如下:式中:Ia(α=A,B,C)为Y侧三相电流;Iβ(β=a,b,c)为△侧三相电流。虽然相对Y侧转换而言,采用以上方法后,对称性涌流出现的概率变小,但由于需要从Y侧的电流中减去零序电流,实际上转换后的任一相差流包含了三相涌流的信息。文献中给出了多次动模试验的结果,表明大多数情况下,三相差流中总有一相的二次谐波大于15%,国内也因此大面积采用15%作为Y侧相位校正的差动保护的谐波制动定值,但保护必须采用或门制动方式。可见,15%的定值实际上是一个工程经验值,其应用的前提是保护采用Y侧转换方式。因此,15%的比例是否适用于以上△侧转换的方法,非常值得怀疑。图2所示是采用该方法的差动保护某次误动的数据。图2给出的是经△侧转换后的各相差流,由于C相的二次谐波含量仅为102%～13%,因此采用△侧相位校正的基于2种原理(二次谐波和波形对称)的保护装置出现了同时误动的罕见情况。可见,对于△侧相位校正的差动保护,不能简单地借鉴Y侧相位校正时的谐波定值,必须通过大量的工程应用来积累经验,用户对待此种保护也不能轻易地用等同于Y侧转换的传统保护去整定定值。3分相制动方式保护的动作行为传统的二次谐波原理(15%定值)只能采用或门制动方式,在合闸于故障时保护的动作速度将受到非故障相的影响。自从波形对称原理问世以来,也一直以其分相制动的方式优于二次谐波原理。实际上,这2种原理均可以采用分相制动方式。根据第1节的分析可知,波形对称原理等价于采用10%左右定值的二次谐波原理。如果三相中有一相差流的谐波含量达不到12%,保护可能因涌流闭锁不住而误动;合闸于故障时,该原理必然可以快速跳闸。由此可见,波形对称原理采用分相制动时,保护的动作行为偏灵敏。对于采用传统相位校正及15%二次谐波整定值的差动保护,如果设计为分相制动方式,误动可能性就很大,原因在于差流中可能有一相或两相的二次谐波含量小于15%;采用或门制动后,保护的动作行为偏安全。如果将二次谐波的整定值降到12%左右,那么二次谐波原理也可以采用分相制动方式。4采样值设定的困难从原理上讲,波形对称源于二次谐波原理,与偶次谐波基本等效,但与偶次谐波比较,存在计算量小的绝对优势,但由于该原理采用采样值计算方式,无法像二次谐波原理一样得到容易测试的动作边界