一種同名相轉換性故障變壓器差動保護防拒動的研究

陳繼瑞，張營偉，鄧茂軍，姚東曉

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一種同名相轉換性故障變壓器差動保護防拒動的研究

陳繼瑞1，張營偉2，鄧茂軍1，姚東曉1

(1.許繼電氣公司技術中心，河南 許昌 461000；2.許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000)

為解決變壓器差動保護在發(fā)生區(qū)外故障CT飽和轉區(qū)內同名相故障CT飽和導致的差動保護拒動問題，提出一種差流點差飽和開放識別方案。若為單電源CT飽和時飽和段差流采樣點將會很小或出現(xiàn)間斷。若為多電源單CT飽和時差流趨于正常波形。利用差流采樣點的比率制動關系及制動電流間斷角的特性，通過識別一周波內滿足比率制動特性與間斷點的總采樣點數(shù)，來判斷是否區(qū)內故障。仿真結果表明，該方法適用于變壓器差動保護同名相轉換性故障識別。

變壓器；CT飽和；同名相；間斷角；轉換性故障；區(qū)內飽和

0 引言

隨著國民經濟的迅速發(fā)展，對工業(yè)、民用業(yè)等各領域的用電量也大幅度的增加。大容量、高電壓的變壓器不斷投入電網(wǎng)運行，變壓器價格昂貴，在電網(wǎng)中的作用較為重要。因此，變壓器差動保護對保護變壓器本體的可靠性顯的尤為重要；另外，高電壓變壓器的本體結構以及大容量、高電壓等級又會使變壓器發(fā)生故障時，故障電流中往往夾雜大量的諧波、直流非周期分量，容易導致變壓器采樣的CT發(fā)生飽和[1]，特別是當同名相轉換性區(qū)內故障CT飽和時，容易引起差動保護拒動，給電網(wǎng)安全運行帶來隱患。

針對區(qū)外故障引起的CT飽和問題，大多采用比率制動的方法來克服，但是比率制動系數(shù)取值較為困難，制動系數(shù)取太高將導致差動保護靈敏性降低；反之，制動系數(shù)取太低差動保護抗區(qū)外CT飽和能力將降低。因此，常規(guī)做法往往配置時差法、差分法、區(qū)內外故障識別等方法來解決CT飽和帶來的差動保護誤動，但是對于區(qū)外故障CT飽和轉同名相區(qū)內故障CT飽和的情況，上述方法均無法保證變壓器差動保護可靠動作[2-4]。因此，本文提出一種識別一周波內滿足比率制動特性與間斷采樣點總個數(shù)的方法來開放差動保護，并通過RTDS模型仿真驗證了該方法對于發(fā)生區(qū)外轉區(qū)內同名相故障CT飽和時，變壓器差動保護可以有效開放。

1 CT飽和特征分析

變壓器的CT飽和與一次接線型式密切相關，現(xiàn)在變電站運行的大容量、高電壓等級變壓器往往以聯(lián)絡變?yōu)橹鳎ǔ楦?、中壓側均帶有電源，僅高壓側帶有電源兩種情況，其一次接線圖如圖1所示。以220 kV接線型式為例說明，圖中CT1、CT2、CT3與CT4分別是高壓側CT，中壓側CT，低壓側1、2分支CT，構成變壓器差動保護的差流計算方程。從圖1中可以看出，若僅高壓側帶電源，則發(fā)生區(qū)內故障CT飽和時，僅有CT1會飽和；若高、中壓側均帶電源時，發(fā)生區(qū)內飽和時，CT1與CT2均有可能會飽和。

圖1 變壓器一次接線圖

1.1 區(qū)外故障CT飽和特性分析

當電流互感器一次側通過大電流時，CT鐵芯迅速被磁化，磁通維持在飽和值附近不變化，當CT一次側電流增加時，CT鐵芯內的磁通含量將不再隨勵磁電流呈函數(shù)特性增加。因此，這就會導致CT二次側傳變的電流特性與一次側電流的特性不再一致，表現(xiàn)為比實際傳變的電流值偏小，甚至當CT嚴重飽和時，二次側飽和區(qū)的傳變電流將會趨于0[5-7]，CT傳變特性如圖2所示，圖中1為正常傳變電流，2為飽和后的傳變電流。若此時發(fā)生區(qū)外故障就會導致差動平衡方程被打破，出現(xiàn)較大的差動電流，引起差動保護誤動，區(qū)外故障保護誤動錄波如圖3所示。

圖2 CT飽和傳變特性圖

圖3 變壓器區(qū)外故障CT飽和錄波圖

為了彌補區(qū)外故障引起差動保護誤動，常使用時差法的區(qū)內外故障識別判據(jù)，利用CT傳變的線性區(qū)來快速判斷出區(qū)內外故障，線性區(qū)如圖2中1和2曲線重合的部分所示，根據(jù)CT的勵磁特性，往往在電流過零點附近都會出現(xiàn)一段線性區(qū)域，區(qū)內外故障判別可以利用短暫的線性區(qū)來完成判別。

時差法的區(qū)內外判據(jù)方程如下：

當一個周波中連續(xù)3個差流采樣點，滿足式(1)時，啟動區(qū)內外判據(jù)，并對滿足式(1)的采樣點，依次進行式(2)、式(3)、式(4)的方程判別，若該采樣點均滿足，則對該采樣點進行計數(shù)；當一個周波里連續(xù)3個采樣點中有2個采樣點均滿足式(2)-—式(4)，則判為區(qū)內故障；否則，判別為區(qū)外故障。

雖然，該方法可以簡單、快速地判別出區(qū)內外故障，并且對于24點采樣的周波其抗飽和能力達到5 ms，抗飽和能力強；但是，為了保證不多次進行區(qū)內外故障判別，常常以差流判據(jù)來進行保持；所以區(qū)外故障CT飽和時，在線性區(qū)內差流忽略為0，到飽和區(qū)時出現(xiàn)差流，時差法將判別為區(qū)外故障，在區(qū)外故障消失前，差流狀態(tài)保持住區(qū)外狀態(tài)；當同時出現(xiàn)同名相別的轉換性區(qū)內故障時，導致差動保護開放不了，引起差動保護拒動。為解決這種情況常采用CT飽和開放判據(jù)來識別區(qū)內故障進行開放差動保護[8]。

1.2 轉換性區(qū)內故障CT傳變特性分析

220 kV等級變壓器保護常采用P級型號CT ，P級CT的特性只考慮了穩(wěn)態(tài)電流傳變誤差，沒有考慮CT暫態(tài)過程中非周期分量的影響，因此當故障電流中伴隨較大的非周期分量時，差流回路中不平衡電流就會急劇增加，引起CT發(fā)生暫態(tài)飽和，導致采樣回路失真[9-10]，影響差動保護正常動作，CT飽和波形如圖4所示。

圖4 CT飽和波形特性圖

當發(fā)生同名相轉換性區(qū)內故障時，常規(guī)方法是利用延時躲過非周期分量的衰減，當差流中的非周期分量衰減近似于正常故障波形時，通過常規(guī)的CT抗飽和判據(jù)把關驗證，識別差流為正常故障波形時開放差動保護。

常規(guī)的CT抗飽和判據(jù)方程如下：

1) 原始差流采樣值飽和開放判據(jù)

2) 微分差流采樣值飽和開放判據(jù)

微分差流采樣值飽和開放判據(jù)對差流中的直流分量有一定的消減作用，基于一周波點采樣的微分差流采樣波形中有個以上采樣點滿足倍制動關系時，判據(jù)判別為正常故障，開放差動保護。

由于常規(guī)CT抗飽和判據(jù)均是基于當發(fā)生同名相轉換性故障時，故障電流的波形衰減為近似于正常故障波形時，才能正確識別出來；當出現(xiàn)區(qū)外故障CT飽和轉區(qū)內故障CT飽和時，就會導致常規(guī)判據(jù)識別不出來區(qū)內故障，導致差動保護拒動[11-15]。因此，基于常規(guī)CT飽和判據(jù)的弊端，提出一種差流點差飽和開放方法，來避免發(fā)生同名相區(qū)外故障CT飽和轉區(qū)內故障CT飽和時差動拒動的情況。

2 差流點差飽和開放方法原理

差流點差飽和開放方法，考慮到當發(fā)生區(qū)內故障CT飽和時，一般為帶電源側CT容易發(fā)生飽和；若變壓器僅一側帶電源且該CT發(fā)生飽和時，其飽和區(qū)采樣點將減小，嚴重飽和時將趨于0，其特性表現(xiàn)為差動電流與制動電流都較??；若是多側帶電源，僅一側CT發(fā)生飽和時，此時另外一側的電源將會提供一定的差流，其特性表現(xiàn)為差動電流減小，而制動電流變化不明顯。

綜合上述區(qū)內故障CT飽和的特性，差流點差飽和開放方法的判別方程如下：

(8)

該方法通過式(7)差流與制動電流的比率制動關系，找出滿足差動動作方程的采樣點值，并且有一定的抗區(qū)外CT飽和能力；式(8)通過識別制動電流的采樣點值，找出區(qū)內故障CT飽和區(qū)的采樣點，并記錄滿足式(7)或式(8)的采樣點數(shù)，當總采樣點數(shù)大于等于個點時，開放差動保護；配合上述的常規(guī)CT飽和開放判據(jù)，一起把關變壓器差動保護。

2.1 試驗模型接線及參數(shù)

利用實時數(shù)字仿真系統(tǒng)(RTDS)驗證改進后的變壓器同名相區(qū)外故障CT飽和轉區(qū)內故障CT飽和開放判據(jù)的差動保護性能，變壓器仿真模型如圖5所示，變壓器模型參數(shù)如表1所示。

表1 變壓器模型參數(shù)

圖5 變壓器電氣接線圖

Fig. 5 Transformer wiring diagram

2.2 點差CT飽和開放判據(jù)仿真結果

圖6 變壓器轉換性故障波形圖

3 結語

本文通過對CT飽和的特性進行了研究，以及對變壓器保護發(fā)生區(qū)外故障CT飽和時常規(guī)的抗飽和方法的優(yōu)缺點進行了分析，提出了一種差流點差CT飽和開放的方法，來解決當發(fā)生同名相故障區(qū)外轉區(qū)內CT飽和時變壓器差動保護拒動。通過實驗仿真表明了該方法可以有效地開放差動保護。

另外，該方法算法簡單、容易實現(xiàn)，并且對于其他保護在防轉換性區(qū)內故障CT飽和時也適用，只需通過修改判據(jù)的采樣點數(shù)與比率系數(shù)即可。

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(編輯 周金梅)

Research of a transformer differential protection against refusing action about the same phase transformation faults

CHEN Jirui1, ZHANG Yingwei2, DENG Maojun1, YAO Dongxiao1

(1. Technology Center, XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 2. XJ Wind Power Technology Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

To solve the problem of transformer differential protection refusing action, when outside fault CT saturation transfering the same phase inside fault with CT saturation, this paper puts forward a scheme based on differential current sampling points differentia saturated open. For a single power supplying when differential current sampling points of CT saturation periods will be small or presenting interruptive angles; if multiple power supplying and single CT saturation, differential currents return to normal waveforms. It uses ratio braking relations of differential current sampling point and characteristics of the braking current interruptive angle, by identifying total sampling points of meeting ratio braking characteristics and interruptive points within a cyclic wave, to judge whether the fault in the area. The simulation results show that this method is suitable for the identification of the same phase fault about transformer differential protection.

transformer; CT saturation; same phase; interruptiveangle; transform fault; the area of saturation

10.7667/PSPC151312

2015-07-29；

2015-09-08

陳繼瑞(1984-)，男，碩士，中級工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護產品研發(fā)工作；E-mail: 790321152@qq.com張營偉(1962-)，男，本科，高級工程師，從事繼電保護產品質量工作；鄧茂軍(1975-)，男，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護產品研發(fā)工作。