第六節(jié)變壓器的零序電流保護(hù)

1、第六節(jié)變壓器的零序電流保護(hù)對llOkV以上中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中的電力變壓器，一般應(yīng)裝設(shè)零序電流（接地）保護(hù)，作為變壓器主保護(hù)的后備保護(hù)和相鄰元件短路的后備保護(hù)。大接地電流系統(tǒng)發(fā)生單相或兩相接地短路時(shí)，零序電流的分布和大小與系統(tǒng)中變壓器中性點(diǎn)接地的臺數(shù)和位置有關(guān) 一、變電所單臺變壓器的零序電流保護(hù)零序電流保護(hù)裝于變壓器中性點(diǎn)接地引出線的電流互感器上，其原理接線如圖所示。 保T-跳.、2QF護(hù)動(dòng)作后切除變壓器兩側(cè)的斷路器。1.TArII.F變壓器零序電流保護(hù)原理零序電流保護(hù)的整定計(jì)算：動(dòng)作電流按與被保護(hù)側(cè)母線引出線零序保護(hù)后備段在靈敏度上相配合的條件進(jìn)行整定, 即1°-曲週紅式中K ph

2、配合系數(shù)，Kph取1。1-1.2 ；Kz -零序電流分支系數(shù)。其值為遠(yuǎn)后備范圍內(nèi)故障時(shí)，流過本保護(hù)與流過出線零序 保護(hù)零序電流之比；1/10dz 出線零序電流保護(hù)第三段的動(dòng)作電流。靈敏度校驗(yàn)：為滿足遠(yuǎn)后備靈敏度的要求31丄0山動(dòng)作時(shí)卩艮為式中舞一一熾雯殛史第三段功作時(shí)隈二、變電所多臺變壓器的零序電流保護(hù)當(dāng)變電所有多臺變壓器并列運(yùn)行時(shí)，只允許一部分變壓器中性點(diǎn)接地。中性點(diǎn)接地的變壓器可裝設(shè)零序電流保護(hù)，而不接地運(yùn)行的變壓器不能投入零序電流保護(hù)當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，變壓器接地保護(hù)不能辨認(rèn)接地故障發(fā)生在哪一臺變壓器。若接地故障發(fā)生在不接地的變壓器， 接地保護(hù)動(dòng)作，切除接地的變壓器后， 接地故障并未消除，

3、且變成 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在接地點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的電弧電流，使系統(tǒng)過電壓。同時(shí)系統(tǒng)零序電壓加大，不接地的變壓器中性點(diǎn)電壓升高 ，其零序過電壓可能使變壓器 中性點(diǎn)絕緣損壞。.若故障依然存在，經(jīng)一為此，變壓器的零序保護(hù)動(dòng)作時(shí)，首先應(yīng)切除非接地的變壓器 個(gè)時(shí)限階段 t后，再切除接地變壓器，其原理接線如圖所示。每臺變壓器都裝有同樣的零序電流保護(hù)，它是由電流元件和電壓元件兩部分組成正常時(shí)零序電流及零序電壓很小，零序電流繼電器及零序電壓繼電器皆不動(dòng)作，不會(huì)發(fā)出跳閘脈沖。發(fā)生接地故障時(shí)，出現(xiàn)零序電流及零序電壓，當(dāng)它們大于起動(dòng)值后，零序電流繼電器及零序電壓繼電器皆動(dòng)作。電流繼電器起動(dòng)后，常開觸點(diǎn)閉合，起動(dòng)時(shí)間繼電器

4、KT1。時(shí)間繼電器的瞬動(dòng)觸點(diǎn)閉合， 給小母線A接通正電源，將正電源送至中性點(diǎn)不接地變壓器的零序電 流保護(hù)。不接地的變壓器零序電流保護(hù)的零序電流繼電器不會(huì)動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)閉合。小母線A的正電源經(jīng)零序電壓繼電器的常開觸點(diǎn)、零序電流繼電器的常閉觸點(diǎn)起動(dòng)有較短延時(shí)的時(shí)間繼電器KT2經(jīng)較短時(shí)限首先切除中性點(diǎn)不接地的變壓器.若接地故障消失，零序電流消失 ，則接地變壓器的零序電流保護(hù)的零序電流繼電器返回，保護(hù)復(fù)歸。若接地故障沒有消失，接地點(diǎn)在接地變壓器處，零序電流繼電器不返回，時(shí)間繼電器KTi 一直在起動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)過較長的延時(shí)KT1跳開中性點(diǎn)接地的變壓器。零序電流保護(hù)的整定計(jì)算：動(dòng)作電流：（1）與被保護(hù)側(cè)母線引

5、出線零序電流第三段保護(hù)在靈敏度上相配合，所以（2）與中性點(diǎn)不接地變壓器零序電壓元件在靈敏度上相配合，以保證零序電壓元件的 靈敏度高于零序電流元件的靈敏度。設(shè)零序電壓元件的動(dòng)作電壓為Udz.0，則U dz.0=3l 0X0.T零序電流元件的動(dòng)作電流為T - K丄血0 _動(dòng)作電壓整定：按躲開正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡零序電壓進(jìn)行整定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，零序電壓繼電器的動(dòng)作電壓一般為 5V.當(dāng)電壓互感器的變比為nTV時(shí),電壓繼電器的一次動(dòng)作電壓為Udz.o=5 nTV變壓器零序電流保護(hù)作為后備保護(hù)，其動(dòng)作時(shí)限應(yīng)比線路零序電流保護(hù)第三段動(dòng)作時(shí)限長一個(gè)時(shí)限階段。即t0 = t十 At.tg.j t + A t 1靈

6、敏度校驗(yàn)：按保證遠(yuǎn)后備靈敏度滿足要求進(jìn)行校驗(yàn)I訥返回第二節(jié) 微機(jī)保護(hù)的硬件框圖簡介微機(jī)保護(hù)硬件示意框圖如下圖所示。模擬量輸入端子排來一、電壓形成回路微機(jī)保護(hù)要從被保護(hù)的電力線路或設(shè)備的電流互感器、電壓互感器或其他變換器上取得信息，但這些互感器的二次數(shù)值、輸入范圍對典型的微機(jī)電路卻不適用，故需要降低和變換。在微機(jī)保護(hù)中通常要求輸入信號為土5V或土 10V的電壓信號，具體決定于所用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。電壓變換常采用小型中間變壓器。電流變換有兩種方式，一種是采用小型中間變流器，其二次側(cè)并電阻以取得所需電壓的方式，另一種是采用電抗變壓器。 這些中間變換器還起到屏蔽和隔離的作用，以提高保護(hù)的可靠性。二、采樣保

7、持電路與模擬低通濾波器1.采樣保持器（S/H ）采樣就是將連續(xù)變化的模擬量通過采樣器加以離散化。其過程如下圖所示。2 .模擬低通濾波器（ALF ）按照奈奎斯特（Nyquist ）采樣定理：“如果被采樣信號頻率（或信號中要保留的最高次 諧波頻率）為？ 0,則采樣頻率？ s （每秒鐘采樣次數(shù)）必須大于2?0,否則，由采樣值就不可能 擬合還原成原來的曲線”對微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)來說，在故障初瞬，電壓、電流中可能含有相當(dāng)高的頻率分量，在采樣前 用一個(gè)低通模擬濾波器（ALF ）將高頻分量濾掉，這樣就可以降低？s，以防混疊微機(jī)保護(hù)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采樣頻率不斷地向CPU輸入數(shù)據(jù)，CPU必須要來得及在兩

8、個(gè)相鄰采樣間隔時(shí)間Ts內(nèi)處理完對每一組采樣值所必須作的各種操作和運(yùn)算否則CPU將跟不上實(shí)時(shí)節(jié)拍而無法工作。而采樣頻率過低將不能真實(shí)地反映被采樣信號的情 況。三、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MUX）多路轉(zhuǎn)換開關(guān)又稱多路轉(zhuǎn)換器。在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬量可能是 幾路或十幾路，利用多路開關(guān) MUX流切換各被測量與 A/D轉(zhuǎn)換電路的通路，達(dá)到分時(shí)轉(zhuǎn)換 的目的。在微機(jī)保護(hù)中，各個(gè)通道的模擬電壓是在同一瞬間采樣并保持記憶的，在保持期間各路 被采樣的模擬電壓依次取出并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，但微機(jī)所得到的仍可認(rèn)為是同一時(shí)刻的信息，這樣按保護(hù)算法由微機(jī)計(jì)算得出正確結(jié)果。四、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D是數(shù)據(jù)采

9、集系統(tǒng)的核心，它的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、存儲、控制和顯示。逐位比較（逐位逼近）型 積分型以及計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器主要有'并行比較型I電壓頻率（即V/F）型等就微機(jī)保護(hù)而言， 選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片時(shí)主要考慮兩個(gè)指標(biāo)：一是轉(zhuǎn)換時(shí)間，二是數(shù)字輸出的位數(shù)。對于轉(zhuǎn)換時(shí)間，由于各通道共用一個(gè)A/D,至少要求所有的通道輪流轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間總和小于采樣間隔Ts。微機(jī)保護(hù)對A/D轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)要求較苛刻，因?yàn)楸Ｗo(hù)在工作時(shí)輸入電壓和電流的動(dòng)態(tài) 范圍很大。返回第三節(jié)微機(jī)保護(hù)的算法一、數(shù)字濾波數(shù)字濾波器不同于模擬濾波器，它不是一種純硬件構(gòu)成的濾波器，而是由軟件編程去實(shí)現(xiàn),改

10、變算法或某些系數(shù)即可改變?yōu)V波性能，即濾波器的幅頻特性和相頻特性在微機(jī)保護(hù)中廣泛使用的簡單的數(shù)字濾波器，是一類用加減運(yùn)算構(gòu)成的線性濾波單元。差分濾波它們的基本形式加法濾波積分濾波等以差分濾波為例做簡單介紹。差分濾波器輸出信號的差分方程形式為y(n) x(n) x(n k) (8 i)式中，x(n )、y( n)分別是濾波器在采樣時(shí)刻n(或n)的輸入與輸出；x(n k)是n時(shí)刻以前第k個(gè)采樣時(shí)刻的輸入，k> 1。對式(8-1)進(jìn)行Z變換,可得傳遞函數(shù)H (z)y(z) x(z)(i z k)H(z) Y1 zkX(z)(8 2)j Ts將z e 代入式(8 2)中，即得差分濾波器的幅頻特性和

11、相頻特性分別為式(8-3 )及式(8 4)H(ej TS)(1 cosk Ts)2 sin2k TS 2sin k Ts2(8 3)sin左®兵俎現(xiàn)W碩并選仏丁)?i，應(yīng)使由式(8-3)可知，設(shè)需濾除諧波次數(shù)為 mH(ej TS)=0。令差分步長為(8-4)k( k次采樣),則此時(shí)3 =miw1=m- 2kmf sin則有kmf1l(I 0,1,2,3N l -K(即？ s和？ 1)取值已定時(shí)正弦函數(shù)模型算法1 半周積分算法半周積分算法的依據(jù)是2u mS02U m sin tdt -m lkf1lm0m0,采用不同的Ik和k值，便可濾除m次諧波。(8 5)T 也 TUm(86)即正弦

12、函數(shù)半周積分與其幅值成正比。式(8-6)的積分可以用梯形法則近似求出:1N;2 1S 2UoUkk 1UN/2 Ts(87)式中 Uk -第K次采樣值；N 一周期T內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)；Ukk= 0時(shí)的采樣值；Un 2 - k= N/2時(shí)的采樣值。求出積分值S后，應(yīng)用式(8-6)可求得幅值。2導(dǎo)數(shù)算法導(dǎo)數(shù)算法是利用正弦函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為余弦函數(shù)這一特點(diǎn)求出采樣值的幅值和相位的一種 算法。Umsin t(8 8)I m cos t2U m sin t2 Im sin t很容易得出i2(U)2U2m 或(-)2(%)22Um(8 9)(JIm2或L)2(二)2Im2(8 10)和 根據(jù)式2 2u22i(8-8)

13、Ui ui iIm，我們也可推導(dǎo)出iUmcosImu i ui2ii iUm .sinImu、2U2i(8-12(811)L(8-13 )i對應(yīng)tk時(shí)為Uk、式(8-9)式(8-13 )中，ik+1，也為已知數(shù)，此時(shí)i 為 Uk1、Uk+1、ik-1 、i k,均為已知數(shù)，而對應(yīng)t k 1和t k+1的u、Ukuk 1 uk 12Ts(8 14)ikIk 1 Ik 12Ts(8-15)1 Uk 1 Uk E(WUkTs)12仏1 2Uk 山1) (Ts)1 ik 1 Ik Ik ik 1 1.（）2（Ik1TsTsTs（T；）2導(dǎo)數(shù)算法最大的優(yōu)點(diǎn)是它的“數(shù)據(jù)窗”度快。導(dǎo)數(shù)算法的缺點(diǎn)是當(dāng)采樣頻率

14、較低時(shí)IkIk Ik 12Ik Ik1）（817）即算法所需要的相鄰采樣數(shù)據(jù)是三個(gè), ,計(jì)算誤差較大。即計(jì)算速3 兩采樣值積算法兩采樣值積算法是利用 2個(gè)采樣值以推算出正弦曲線波形，即用采樣值的乘積來計(jì)算電 流、電壓、阻抗的幅值和相角等電氣參數(shù)的方法，屬于正弦曲線擬合法。這種算法的特點(diǎn)是計(jì)算的判定時(shí)間較短。設(shè)有正弦電壓、電流波形在任意二個(gè)連續(xù)采樣時(shí)刻t k、t k+1 （=tk+ Ts ）進(jìn)行采樣，并設(shè)被采樣電流滯后電壓的相位角為e,則tk和tk+1時(shí)刻的采樣值分別表示為式（8-18）和式（8-19 ）.U1 Um Sin tkI1 Im sin( tk)(8u2Ums in tk 1 Um

15、sin (tkTs)I 2Imsin( tk 1) Imsin(tkTs)(8式中，Ts為兩采樣值的時(shí)間間隔，即TS= t k+1 t k。由式（8-18 ）和式（8-19），取兩采樣值乘積，則有18)19)U1I1一UmlmCOS C0S(2 tk )2(820)u2i21 U m I mcos2cos(2 tk 2Ts)(821)u1i21 Um I mcos(Ts)cos(2 tkTs)2(822)u2hUm I mcos(Ts)cos(2 tkTs)2(823)式(8 20)和式（8-21）相加,得u口2：21UmIm2cos2 cos Ts cos(2tkTs)2(8-24 )式（8

16、 22）和（8-23 ）相加，得1 u112 u2I1 U mI m2 cos Ts cos2 cos(2 tk Ts )2(825)將式(8-25 )乘以cos co Ts再與式(8 24)相減，可消去co tk項(xiàng)，得u1I1 u2I2 (u1I2u2I1 )cos Tssin2 Ts同理，由式(822)與式(823)相減消去co t k項(xiàng)，得U m I m cos(826)u,2 uzhU m I m sin(827)sin Ts在式（8-26 ）中，如用同一電壓的采樣值相乘，或用同一電流的采樣值相乘，則 =0，此時(shí)可得22Um2u1 u22u1u2 cos Ts2tsin Ts2 2i1

17、i22i1i2 cos Ts-2T- sin Is( 829)由于Ts、sin 3Ts、cos 3 Ts均為常數(shù)，只要送入時(shí)間間隔 Ts的兩次采樣值，便可按式(8-28) 和式(8 29)計(jì)算出Un、I m。以式(8-29)去除式(826)和式(8 27)還可得測量阻抗中的電阻和電抗分量，即R 土 cosImImu1i1 u2i2 (u1i2 u2i1)cos Ts-2 ilif 2i1i2cos Ts(8 30)U2i1)sin Ts2i1i2 cos Ts由式(828)和式(8-29 )也可求出阻抗的模值x Usin(U7272i1i2(831)2 2U1U2 2U1U2 cos Ts72

18、i1Um2 2Imi1 i2 2i2i1 cos Ts由式(830)和式(831)還可求出 U I之間的相角差.(U1i2 U2h)si n TsarctgU1i1 U2i2 (U1i2 U2i1 ) cos Ts(8-33)若取wTs= 900 ,則式(8-28)式(8 33)可進(jìn)一步化簡，進(jìn)而大大減少了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算 時(shí)間。4、三采樣值積算法三采樣值積算法是利用三個(gè)連續(xù)的等時(shí)間間隔合消去31項(xiàng)以求出u、i的幅值和其它電氣參數(shù)。Ts為時(shí)刻tk+2，此時(shí)的Um Si n (tk 2Ts)設(shè)在t k+1后再隔一個(gè)U3i 3上式兩采樣值相乘，得1U3i3UmlmCOS2上式與式(8-20)ImSin

19、( tk 2 Ts)cos(2 tk4 Ts相加，得1?Umlm2cos 2coS2 T；cos2 tk顯然，將式(8 37)和式(8-21)經(jīng)適當(dāng)組合以消去U1hUais 2U 2i2 cos 2U mIm cos22 sin Ts若要3 Ts = 30o，上式簡化為UmlmCOS 2(U1hWis Uzi?)(8-32)e ,TS的采樣值中兩兩相乘，通過適當(dāng)?shù)慕Mu、i(8)2 T；采樣值為(834)35)(836)Ts用1 m代替Ik (或Un代替Im ),并取=0o，則有Um2(U122U3U；)(8 40)I mQi； i2 1 3i;)(8 41)由式(8 39)和式(8 41)可得

20、UmR cosIm由式(8-27 )和式(8 41)XUmsi nIm由式(8 40)和式(8 41)UmzImud1U3i3U2i22 2 72I1 I3 I2，并考慮到，得u1I2u2I12T2T2i1I312得222(842)(8 43)UU3U2.2. 2. 2i1I 3I 2由式(8-42 )和式(843)得(844)(8 45)三采樣值積算法的數(shù)據(jù)窗是2Ts。從精確角度看，如果輸入信號波形是純正弦的，這種算法沒有誤差，因?yàn)樗惴ǖ幕A(chǔ)是考慮了采樣值在正弦信號中的實(shí)際值。三、傅里葉算法（傅氏算法）1.全周波傅里葉算法根據(jù)傅里葉級數(shù)，我們將待分析的周期函數(shù)電流信號i（t）表示為I t I

21、 0 I nc cos n 11n 1可用和分別乘式(8-461 ncIns s inn 1tn 1）兩邊，然后在t0到t0+ T積分，得到2Tto Tt0i(t) cos n 1tdt(847)2 1T t0 每工頻周期T采樣N次，對式2 NN kI ns1 nc1 nsTi (t )sin n itdt（8 47）和式（8-48）i k cos k1NN i i k2 n ik sin kN（8-48 ）用梯形法數(shù)值積分來代替，則得(8 49)(850)式中k、i k 電流n次諧波幅值-第k采樣及第k個(gè)采樣值（最大值）和相位（余弦函數(shù)的初相）分別為寫成復(fù)數(shù)形式有對于基波分量，36Iic（i

22、i i26Iis9)II 2 I 2nm ； ns ncI n I nc若每周采樣1in）尹is i?1廠2(i1(8(8-52jI ns12 點(diǎn)（N=12），則式（i4 isiio)i6ii2i5i7 i11)3(I2 I4I8I10)51)8 49）和式（8 50 ）可簡化為(8 53)(8 54)在微機(jī)保護(hù)的實(shí)際編程中，為盡量避免采用費(fèi)時(shí)的乘法指令，在準(zhǔn)確度容許的情況下,為了獲得對采樣結(jié)果分析計(jì)算的快速性，可用(1 1/8 )近似代替上兩式中的、3/2，而后1/2和1/8采用較省時(shí)的移位指令來實(shí)現(xiàn)。全周波傅里葉算法本身具有濾波作用，在計(jì)算基頻分量時(shí)，能抑制恒定直流和消除各整數(shù)次諧波，但對

23、衰減的直流分量將造成基頻(或其它倍頻)分量計(jì)算結(jié)果的誤差。另外用近似數(shù)值計(jì)算代替積也會(huì)導(dǎo)致一定的誤差。 算法的數(shù)據(jù)窗為一個(gè)工頻周期，屬于長數(shù)據(jù)窗類型， 響應(yīng)時(shí)間較長。2 半周波傅里葉算法半周波傅里葉算法，其原理和全周波傅里葉算法相同，其計(jì)算公式為-N /24-.2 n1 ns1ik sin kN k 1N(855)4 n/22 n1 nciik coskN k 1N(8 56)半周波傅里葉算法的數(shù)據(jù)窗為半個(gè)工頻周期，響應(yīng)時(shí)間較短，但該算法基頻分量計(jì)算結(jié)果受衰減的直流分量和偶次諧波的影響較大，奇次諧波的濾波效果較好為消除衰減的直流分量的影響，可采用各種補(bǔ)償算法，如采用一階差分法(即減法濾波器)，將濾波后的采樣 值再代入半周波傅里葉算法的計(jì)算公式，將取得一定的補(bǔ)償效果。四、解微分方程算法解微分方程算法是假定保護(hù)線路分布電容可以忽略，故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的線路段可用一電阻和電感串聯(lián)電路，即 R L串聯(lián)模型來表示，于是下述微分方程成立u R1iL1dt(8-65)式中Ri、L分別為故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處線路段的正序電阻和電感，u、i分別為保護(hù)安裝處的電壓和電流。1 差分法為解得R和L必須有兩個(gè)方程式。一種方法是取采樣時(shí)刻 tk-1和tk的兩個(gè)采樣值，則Ik2TsIkL 11 K 1u K 1(8 67