采样值差动保护安全性及灵敏度分析

采样值差动保护安全性及灵敏度分析

0采样值差动保护s值的选取在微型计算机的保护中，大多数基于相量值的行为（以下简称相量值的不良行为保护）被广泛使用，并具有丰富的操作经验。相量值差动保护的比率制动特性没有模糊区,但会受到变压器空投和故障恢复时励磁涌流的影响。目前常通过二次谐波闭锁防止励磁涌流引起保护误动,但在空投于变压器内部轻微故障时,需等到二次谐波充分衰减后才能出口,动作时间较长。采样值差动保护,采用差流采样值多点重复判别,其原理具有抗励磁涌流和CT饱和影响的能力,能在空投于变压器内部轻微故障时快速出口,但其灵敏度会受到动作模糊区的影响。数据窗长度R、重复判断次数S值的合理选取是改善采样值差动保护安全性和灵敏度的关键技术之一,也是目前研究的热点。文献指出区外故障时,符合采样值差动保护动作判据的信号的角度范围在半个周波内必须大于90°才能满足安全性要求,但问题是S值若选定得太大,采样值差动保护在区内故障时有可能拒动。文献分析采样值差动保护的差流门槛值与S之间的关系。文献研究采样值差动保护在变压器空投励磁涌流情况下的动作行为,并通过动模试验数据作了分析。但因动模试验的局限性很难对算法进行全面定量的研究。目前相关文献中均没有系统分析采样值差动保护对变压器区内故障检测的灵敏度问题。实际上为了保证采样值差动保护在区外故障、励磁涌流、CT饱和等情况下不误动,期望S值越大越好;但若S值选取的太大,在变压器区内轻微故障时,会发生因满足动作判据的点数小于S,以至于难以检测出故障的情况。研究如何确定S的取值范围,既保证区外故障的安全性,又保证在区内故障的灵敏度具有重要意义。本文以区内故障时的相量模型为基础,分析得出了采样值差动保护区外故障时具有大于相量值差动保护的制动性能、区内故障时具有高于相量值差动保护的灵敏度的条件,并基于此确定了采样值差动保护R、S值的整定范围。进而,本文利用EMTP搭建了变压器内部故障的简化仿真模型,对上述确定的采样值差动保护的R、S值进行了分析和验证。1采样值差动保护的定值相量值差动保护动作特性曲线上的启动电流、制动电流拐点值和比率系数都有其明确的含义,能够明确整定、准确测量。采样值差动在一个数据窗内连续重复多次判断,如果均满足保护动作判据,保护动作。由于信号量初相角的随机性,采样值差动保护判据存在很大的模糊区,模糊区的存在直接影响了保护的动作精度。采样值差动保护的定值除了差流门槛定值、比率制动系数外,还有数据窗长度R和重复判断次数S需要整定。R、S值没有明确的物理意义,但其值的选取影响动作特性模糊区的大小。2分析采样值的差异，选择s值2.1采样点制动特性只要数据窗内全部是故障后的数据,相量值差动保护算法的动作量和制动量都不受初相角的影响,恒定不变。判据如下:式中:Id、Ir为相量值差动保护中的差流、制动电流有效值;为流入变压器两侧的电流相量值;Kzp、I0为相量值差动保护的比率制动系数定值、差流门槛值。采样值差动保护由于采样时刻不同,各采样点之间的制动特性也不同,因此制动特性随时间变化。判据如下:式中:di、ri为采样值差动判据对应的差流、制动电流;Mi、Ni为流入变压器两侧电流的瞬时值;Kzs、I0为采样值差动判据对应的比率制动系数定值、差流门槛定值。从以上判据可以看出,两个判据的制动特性都是过原点的制动曲线,采样值差动的所有计算都是基于采样点瞬时数据。2.2相量值差动保护的整定系数k为分析差动保护的灵敏度和安全性,本文定义了计算制动系数,即差流和制动电流的模值比(相量值差动)或瞬时值比(采样值差动),比率制动系数为整定值,整定后不会变化,瞬时值比随着系统电流的变化而变化。为了分析比较相量值差动保护和采样值差动保护的灵敏度,利用变压器相量模型分别计算相量值差动和采样值差动的计算制动系数,把它们同时标注到差流、制动电流平面上。由图1可知,在区外故障时,相量值差动保护的模值比为常数Kpc,不会随时间变化,采样值差动保护的瞬时值比随时间变化,分布在A区或B区,其中Kzd为相量值差动整定的比率制动系数。A区的瞬时值比小于Kpc,说明此时采样值差动保护的制动性能优于相量值差动保护,B区的瞬时值比大于Kpc,说明此时采样值差动保护的制动性能比相量值差动保护差,区外故障时这部分点有可能误动作。因此,整定采样值差动的S值时,只要S值大于落到B区中的点数,采样值差动保护在区外故障时,保证可靠不动作,从而确定S值的下限。区内故障时,如图2所示,采样值差动保护落在A区内的瞬时值比大于Kpc,此时,采样值差动保护动作性能优于相量值差动保护,即灵敏度比相量值差动保护高;相反,瞬时值比落在B区的保护灵敏度低于相量值差动保护。因此,我们只要找出最严酷的系统情况,即在内部故障时,半个工频周期内符合采样值差动动作判据的点最少,求出进入A区的点个数,S的整定值只要小于A区的点数,就能保证可靠动作,从而确定S值的上限。2.3在采样值差的外部故障期间，s值的范围为2.4动作判据的分辨率首先找出区内故障时,差动保护最不容易动作的条件,然后根据该条件确定图2中A区满足动作判据的点数,只要S取值小于A区的点数就能保证采样值差动保护区内故障可靠动作。在以下分析中,变压器的相量模型作如下简化:变压器为一个线性电感,故障发生在变压器端部,变压器区内、外故障时,保护装置感受到的变压器高、低压侧电流只是相角差和幅值的不同。2.4.1制动系数kphasor计算设区内故障时变压器两侧的电流有效值为IM、IN,IM≥IN,相位差为ϕ。文献中指出,区外故障时,流入变压器的电流,经过变压器高、低压侧CT传变以后,120°≤ϕ≤180°。对于变压器区内故障,既要考虑CT的非线性传变,还要考虑系统阻抗和各种故障类型,相位差取0°≤ϕ≤110°。如果两侧电流的相位差最大为180°,则110°≤ϕ≤120°为动作模糊区(区内、区外故障都没有考虑这个区域),实际情况下很难碰到。选用模值和制动方式时,差流、制动电流和它们的计算制动系数如下:式(3)中差流、制动电流的大小只与流入变压器电流的有效值和它们之间的相位差有关系。比值如下:其中:为模值比,即相量值差动计算制动系数。从公式(4)可以看出,Kphasor值的大小只与变压器高、低压侧的电流幅值比和相位差有关。变压器两侧的电流幅值一定时,相位差为0°时计算制动系数Kphasor取得最大值,比率差动保护动作最灵敏;相位差为110°时,情况最恶劣,计算制动系数Kphasor取最小值。同时,由式(4)可得ϕ=110°时Kphasor和z的关系,如图3所示。当z从0(变压器空载,低压侧电流IN为0)变到1时(区内故障,流入变压器的两侧电流幅值相等),可以计算出Kphasor的值,从图中可以看出,当z等于0时,计算制动系数Kphasor值最大,其值为2,即变压器低压侧不带负荷空投的时候,模值比最大,比率差动元件肯定要动作。当z等于1时,计算制动系数Kphasor值最小,比率差动元件最难动作,为了让区内故障比率差动元件可靠动作,我们选择最严酷的分析条件是ϕ为110°并且变压器高、低压侧的电流幅值相等。2.4.2计算制动系数kspx变压器两侧电流为:式中:θ为ϖt;ω为电力系统的角频率。差流和制动电流表达式如下:采样值差动判据中,差流和制动电流之比为:式中,Kphasor为瞬时值比,即采样值差动保护的计算制动系数。本文研究在最不利的情况下,采样值差动保护计算制动系数和相量值差动计算制动系数的关系,通过确定图2中进入A区的点数来确定合适的S值。如前所述,当ϕ为110°,z等于1时,相量值差动保护中的计算制动系数Kphasor最小,保护最不易动作,这时Kphasor=1.1472,即图2中Kpc。在这种条件下,要求采样值差动保护可靠动作,则Ksample≥Kphasor,但采样值差动保护中计算制动系数受θ值的影响,以θ为变量,分别计算Kphasor和Ksample,如图4所示。图4中Kphasor为一条直线,不受θ值的影响,对应图2中的Kpc直线的斜率,图中Ksample>Kphasor的部分,对应图2中的A区,Ksample<Kphasor的部分对应与图2中的B区。从图中可以看出,在该故障情况下,A区内有121/360N点满足采样值差动保护的动作条件,也就是说θ在半个工频周期π的范围内,在最不利的情况下,采样值差动保护要可靠动作,必须S≤360121N。2.5采样值差动保护由以上分析可以看出,区外故障时,为了保证采样值差动保护的安全性,S>N/4,区内最苛刻的故障条件下采样值差动保护能可靠动作,因此,采样值差动保护在安全性和灵敏度兼顾的情况下,R值的选取可参考文献,当R比S值大3个点时,采样值比率差动动作特性的模糊区最小,所以当每周波24点采样,采样值差动保护采用模值和制动时,S=16,R=19。3模拟分析3.1变压器模型及短路模拟为了检验以上分析,本文使用EMTP建立了一个简化的电力系统模型,系统参数如图5所示。对于变压器内部故障的仿真,采用“黑盒”仿真的原理。变压器内部故障时,我们只对端口的电流、电压感兴趣,所以可以简化变压器内部复杂的电磁暂态过程,研究端口电流、电压和短路匝电流的大小是否符合实际情况。文中还需要研究变压器由于采用了匝间短路模型,其绕组参数(漏感抗、线圈电阻)在正常运行时是否和非故障变压器绕组参数一致。因此,选用三个单相变压器模型构成三相变压器模型,设有匝间短路的变压器模型如图6所示。高压侧绕组为Y0接线,低压侧绕组为△接线。为了仿真变压器内部的匝间短路,在B相的第三绕组线圈中增加了电阻和开关并联的电路(后面分析为什么设在B相),如图6所示。左边为高压侧绕组,额定电压为500kV,右边为低压侧绕组额定电压为230kV,为两个线圈串联,额定电压分别为220kV和10kV,串联电阻R是为了模拟短路匝回路中接触电阻或弧光电阻对短路匝电流的影响。当变压器正常工作时K1闭合,K2断开,低压侧为两个线圈串联供电,当发生匝间短路时,K2闭合,K1断开,低压侧通过220kV绕组供电,10kV绕组为短路匝绕组,绕组电流为短路匝电流,表示4.3%匝短路(10/230=4.3%)。图5中,低压母线A相上设置接地开关,模拟单相接地故障,保护算法计算用数据是流过断路器B1和B2的电流,空投试验时,断开断路器B2,合上断路器B1。3.2变压器短路模型为了保证变压器匝间短路模型和正常绕组模型漏抗、绕组电阻的一致性,必须对短路绕组(图6中的W3绕组)的参数进行归算。式中:Rbase230、Lbase230为变压器正常绕组模型的绕组电阻、漏感的基准值;Rbase2、Rbase3为根据短路匝数比调整绕组额定电压后,计算出的第二、第三绕组电阻、电感基准值;Kn、2V、3V分别为短路匝数比,单相变压器匝间短路模型第二绕组(图6W2)、第三绕组(图6W3)的额定电压。公式(8)中假设正常变压器模型中绕组电阻和漏感标幺值为0.002和0.08。为了检测两个模型参数是否一致,论文在各种工况下进行了仿真,图7为变压器空投时各侧电压、电流值,图8为变压器区外故障时各侧电压、电流值。从中可以看出两个模型的输出电流、电压波形完全重合,仿真表明两个模型内部参数完全相等。3.3采样值差动保护仿真分析变压器的额定电流Ie=519.6152A,差流门槛值整定为20%Ie,Iqd=100A,根据文中2.4节的分析,采样值差动的门槛值为144.1A。空投变压器时采样值差动保护的动作行为如表1所示。A相电压合闸角为0°时的励磁涌流波形如图9所示。从表1可知,电源合闸角(A相电压)为0°时,A相绕组中的磁通初始角为90°,此时的励磁涌流最大。在变压器差动保护中,计算差流和制动电流之前通常需要转角补偿,补偿由于变压器绕组接线方式不同造成的原、副方相电流的角度差,因此由图9可知,由于B、C相励磁涌流均偏向时间轴的一侧,且大小比较接近,A相电流最大,偏向时间轴另一侧,通过转角补偿后,A、C相差流最大,B相差流最小,A、C相中满足采样值差动动作判据的点数最多,分别为14、13个点,但S=16,所以在最大励磁涌流幅值时,采样值差动保护能够可靠闭锁。随着合闸角的增大,励磁涌流的幅值减少,电源合闸角90°时最小,这时采样值差动保护满足动作判据的点数也最少,分别为5、6,从表1可以看出,当合闸角大于30°时采样值差动保护的B相满足动作判据的点数为0,因为转角补偿后差流小于差流门槛值。由空投变压器励磁涌流的仿真分析可知,在三相剩磁分别为0.8,-0.4,0.4、合闸角为0°条件下,B相差流幅值最小,B相采样值差动保护灵敏度最低,所以匝间短路故障应该设在B相上,其他条件不变,研究采样值差动保护对于空投于变压器匝间故障的灵敏度。空投于B相匝间故障时,采样值差动保护的动作行为如表2所示。由表2可知,当短路匝数比小于5.3%时,采样值差动保护将检测不到B相