变压器差动保护的研究

变压器差动保护的研究

0变压器差动保护随着高压和超高压压力系统的增加，如何正确区分压力系统的内部和外部故障，识别励磁涌流对压力系统的差动保护算法提出了更高的要求。目前应用的励磁涌流鉴别方法有谐波识别法、电流波形特征和变压器模型识别法、以及基于波形相关性和阻抗模型的识别法等。外部存在长线分布电容或无功补偿电容的高压、超高压变压器发生内部短路时,因谐振产生各种谐波,电流会出现畸变。若依据谐波识别或电流波形识别方法来判断故障,保护动作时间往往在25ms以上,有时可达80ms甚至更长,这对高压或超高压变压器的快速保护是不利的。变压器差动保护的原则是:在变压器发生内部故障时应快速动作;故障变压器空投时亦应尽快动作;外部故障有很大穿越电流时,应可靠不动作;正常空投应可靠不动作。本文采用差流和序电压的特征来识别故障电流和励磁涌流,并利用差流和制动电流的异步关系构成新的比率差动算法,保护动作时间可以达到10~15ms,对变压器空投略微严重的内部故障情况仍具有很高灵敏性,有效地保护了变压器。1变压器端电压基频分量的动态特性文献介绍了一种基于电压闭锁的励磁涌流判别方法,即根据空投时端电压升高、故障时端电压降低的特点来辨别故障。但该方法无法灵敏区分空投内部故障这种情况,因为空投略微严重内部故障时变压器端电压同样是升高的。为分析变压器端电压的突变情况,对端电压基频分量作对称变换,变换矩阵为其中α=ej120uf06f,变换可得零序、负序和正序电压。经分析发现,正常运行发生不对称区内外故障时,零序和负序电压升高(从0升高到某一值),同时正序电压降低(从某一值降到一个低值)。正常运行发生对称故障时,故障初期电压可能不对称,会短时出现很小的零序和负序电压,同时正序电压降低。当变压器空投或过激磁时,端电压会发生畸变,由不对称逐渐变化到对称,零序和负序电压分量出现短时升高,然后逐渐降低,但正序电压分量升高至稳定值。当2台变压器并联运行时,一台变压器发生故障,另一台变压器端电压的变化情况为:故障时零序和负序电压升高,故障切除后零序和负序电压降低到最小;故障时正序电压降低,故障切除后正序电压升高到一个稳定值。2变形量的确定变压器的差流Id、制动电流Ir以及区内外故障时的保护动作约束条件为式中:ik为第k侧电流;j为变压器总侧数;Id.set为差动动作门槛;Ir.set为制动电流门槛;K为比例系数。故障时电压和电流发生突变,可以由式(2)确定故障启动时刻,并作为保护的启动条件。式中:T为采样周期;X代表电压和电流,φ代表A、B、C三相;K为比例系数,通常取1.1∼1.3;ΔXφt是突变量,取半波有效值;X0是固定门槛值。采用这种浮动门槛启动方式可以有效克服负荷变化、系统振荡、频率偏移等引起的误启动。区外发生故障时,在保护启动初始一段时间内差流很小,然后受不平衡因素的影响会有所增加,而制动电流在保护启动后即变得很大,因此制动电流和差流的增加存在时间差,呈异步关系。区内发生故障时,保护启动后差流变得很大,同时制动电流也变得很大,呈同步变化。当区外发生故障且CT饱和时,即使短路电流达到额定电流的100倍,CT仍有2ms左右的线性传变时间,差流和制动电流不同时增大,亦呈异步变化。总之,区内外故障时,保护突变启动后,在t∈(t0,t0+nTs)(t0为启动时刻,nTs=2~5ms,Ts为采样间隔)时间段内,若发现差流和制动电流有异步现象,则自动投入比率差动保护。3快速比例差动配算法3.1半周波数据窗判据借鉴文献介绍的端电压闭锁方法,根据端电压序分量的大小和变化趋势闭锁比率差动,同时采用1/4周波小矢量算法]或半波递归算法计算相关变化量,利用异步法辅助快速识别区内外故障,保护的动作时间可以提高到10~15ms。以半周波数据窗为例计算相关电压值(也可以选用更小的数据窗),具体判据包括:(1)正序电压u1升高且大于某一门槛值,记作条件A。式中:m,n=N/2,N/2+1,(43),N,N为每周采样点数;u1.set为正序电压高值门槛,通常取0.65~0.75Un(Un为额定电压)。(2)负序电压u2降低且小于某一门槛值,记作条件B。式中u2.set为负序电压低值门槛,通常取0.03~0.09Un。(3)零序电压u0降低条件C,与式(4)类似,零序电压低值门槛u0.set取值为0.10~0.15Un。由上述A、B、C三个条件共同构成电压闭锁逻辑,如图1所示。3.2差流动动力学引入电压闭锁条件,结合差流和制动电流的异步关系,可得对称序电压闭锁的异步法快速比率制动逻辑,如图2所示。图中电流或电压的突变启动条件为式(2),区内外发生故障时保护的动作条件为式(1)。对于渐变性故障或高阻抗接地故障,突变量可能无法启动(即式(2)判据失效),这时利用差流动作门槛进行启动,自动投入比率制动。差动的启动条件为或由理论分析可知,在变压器空投产生励磁涌流、并联变压器产生和应涌流或故障切除后产生恢复性涌流的情况下,变压器端电压升高,零序、负序、正序电压的变化规律满足闭锁条件,保护不会误动。正常负载或无载运行情况下,变压器发生匝间故障或内部高阻抗接地故障时,依据比率制动特性以及设定的电压闭锁条件,保护可以可靠动作。当空投于略微严重的内部故障时,正序、负序、零序电压不满足闭锁条件,按照上述逻辑均可以正确选择,采用短数据窗算法,保护的动作时间在10~15ms范围内。4变压器空投保护仿真结果采用220kV原型系统的缩小模型分析保护的动作特性,具体参数见图3,变压器短路阻抗13.5%,高压侧匝间短路1%~10%可调。模拟高、中、低压侧区内外故障以及高阻抗接地故障等情况,选取具有代表性的试验数据验证新算法的可靠性。图4为空投变压器高压侧时励磁涌流和端电压变化情况,正序、负序、零序电压的变化规律满足闭锁条件,保护没有误动。空投变压器高压侧A相发生3.6%左右匝间故障时的结果见图5,端电压的正序、负序、零序分量不满足电压闭锁条件,保护正确动作。图6、7分别为变压器空载和负载时,高压侧A相发生1.7%匝间短路的仿真结果,端电压的正序、负序、零序分量不满足闭锁条件,保护正确动作。图7(b)中:Iha、Ihb、Ihc分别为高压侧A、B、C三相电流;Ima、Imb、Imc分别为中压侧A、B、C三相电流;低压侧由于电流值很小,故省略。以上试验表明,任何情况下变压器空投时保护都能可靠闭锁,不会误动;对于变压器空载或负载时发生匝间故障等略微严重的区内故障情况,保护动作时间不超过1个周波,短路匝比小到1.7%时保护仍有很高的灵敏性。变压器空投于略微严重的匝间故障时,保护动作时间不超过2个周波,与设定的负序、零序低值门槛有关。短路匝比小到3%左右仍可以快速动作,但短路匝比很小的情况下,保护会延缓动作。根据对称等值网络可知,区内外相间故障、三相故障、单相或两相接地故障等情况下的正序、负序、零序电压变化非常明显,均不满足闭锁条件。5区外故障的保护(1)新算法以变压器端电压序分量的大小和变化趋势作为比率差动的闭锁条件,其可靠性不受变压器空投的励磁涌流、和应涌流以及故障切除后恢复性涌流的影响。(2)对略微严重的区内外故障,利用电压或电流的突变启动,能够找出差流和制动电流的异步关系,有利于高压或超高压大型变压器的保护。