變壓器主變差流速斷保護(hù)動作判據(jù)的改進(jìn)

變壓器主變差流速斷保護(hù)動作判據(jù)的改進(jìn)

0差流速斷保護(hù)主變差動保護(hù)隨著超高壓和特高壓電網(wǎng)的出現(xiàn)，電網(wǎng)容量急劇增加，高壓電壓等多道電流裝置越來越多。為了保證壓源廠的安全運(yùn)行和系統(tǒng)的穩(wěn)定，提出了對主變差動保護(hù)的速度的新要求。傳統(tǒng)的比率差動保護(hù)受變壓器勵磁涌流的閉鎖,動作時間有時無法滿足變壓器的安全運(yùn)行和系統(tǒng)穩(wěn)定的要求,因此,通常配置差流速斷保護(hù)作為主變差動保護(hù)的一個輔助保護(hù),當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時能快速動作切除故障。但是,差流速斷保護(hù)提高了主變差動保護(hù)的快速性之外也帶來了一些新問題,現(xiàn)場也出現(xiàn)了多起由于區(qū)外故障CT飽和導(dǎo)致主變差流速斷保護(hù)誤動的情況。主變差流速斷保護(hù)是一個簡單的差動過電流繼電器,保護(hù)定值通常按躲過變壓器空投時的最大勵磁涌流或外部故障時的最大不平衡電流整定,而變壓器空投時的勵磁涌流或外部故障時的最大不平衡電流在實際應(yīng)用時又無法準(zhǔn)確測量和計算,文獻(xiàn)也只是給出了一個推薦范圍,實際使用時通常都按照各地區(qū)的經(jīng)驗值來整定。本文通過對現(xiàn)場的幾起事故進(jìn)行分析,提出了一種可以提高區(qū)外故障時主變差流速斷保護(hù)抗CT飽和能力又不降低區(qū)內(nèi)故障靈敏度的方案,與廣大繼電保護(hù)同行探討。1保護(hù)措施簡要說明變壓器區(qū)外故障或線路重合于永久性故障時,如果變壓器某一側(cè)CT嚴(yán)重飽和,可能造成主變差流速斷保護(hù)的誤動作。1.1保護(hù)動作幅值某220kV變電站主變低壓側(cè)區(qū)外由單相接地故障發(fā)展成為三相短路故障,低壓側(cè)出線過流二段保護(hù)動作后切除故障,150ms后低壓側(cè)出線重合,主變低壓側(cè)B相、C相CT飽和時主變差流速斷保護(hù)動作,保護(hù)動作時差動電流采樣的幅值如表1所示。從動作報告看,主變C相差流26.77A大于差流速斷保護(hù)定值22A(按6Ie整定,Ie為主變高壓側(cè)額定負(fù)荷電流,下同),保護(hù)動作時的錄波如圖1所示。1.2ct飽和情況下保護(hù)動作幅值某110kV變電站兩圈變壓器低壓側(cè)區(qū)外發(fā)生BC相間短路故障,低壓側(cè)B相、C相CT飽和時主變差流速斷保護(hù)動作,保護(hù)動作時差動電流采樣的幅值如表2所示。從動作報告看,主變C相差流22.11A大于差流速斷保護(hù)定值21A(按6Ie整定),保護(hù)動作時的錄波如圖2所示。1.3主變低壓側(cè)主變差流速斷保護(hù)動作幅值某110kV變電站三圈變壓器低壓側(cè)由區(qū)外CA相間短路故障發(fā)展成區(qū)外三相短路故障,主變低壓側(cè)A相、B相CT飽和時主變差流速斷保護(hù)動作,保護(hù)動作時差動電流采樣的幅值如表3所示。從動作報告看,主變B相差流13.75A大于差流速斷保護(hù)定值10.0A(按6.29Ie整定),保護(hù)動作時的錄波如圖3所示。2變壓器區(qū)外故障ct飽從主變差流速斷保護(hù)動作時的錄波圖上看,保護(hù)動作的原因都是由于變壓器區(qū)外故障時某側(cè)CT出現(xiàn)了嚴(yán)重飽和,而主變差動保護(hù)中差流的計算實際是將各側(cè)電流進(jìn)行矢量相加,某側(cè)CT飽和后就會產(chǎn)生很大的差流。差流速斷保護(hù)定值通常按(4~8)Ie整定,保護(hù)本身具備一定的抗CT飽和能力,同時為了保證變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時保護(hù)能快速動作,差流速斷保護(hù)中通常不再增設(shè)CT飽和判據(jù)。因此,區(qū)外故障CT嚴(yán)重飽和時可能造成主變差流速斷保護(hù)的誤動作。220kV及以下電壓等級變壓器的差動保護(hù)通常采用P級CT,故障時容易出現(xiàn)飽和,CT飽和的原因與以下幾個方面有關(guān):(1)與CT的二次負(fù)載和故障電流的大小有關(guān)。在短路容量很大的系統(tǒng)中線路近端發(fā)生故障時會產(chǎn)生很大的故障電流,如果CT二次負(fù)載過大或CT額定準(zhǔn)確限值系數(shù)選擇不好,當(dāng)一次故障電流過大時,會引起CT鐵芯中的磁通密度增大,造成CT出現(xiàn)飽和。(2)與故障電流中的直流分量和非周期分量有關(guān)。P級CT的誤差只考慮一次電流為穩(wěn)態(tài)電流的情況,沒有考慮暫態(tài)過程中的非周期分量,即P級CT在暫態(tài)過程中不能保證其誤差要求。當(dāng)沖擊電流中含有大量非周期分量時,差流回路中的不平衡電流就會急劇增大。(3)與CT中剩磁的大小和方向有關(guān)。變壓器區(qū)外故障或線路重合于永久性故障時故障電流中通常有較大的直流分量,CT鐵芯中交流穩(wěn)態(tài)磁通增大,直流分量引起的非周期磁通增大,若鐵芯中的剩磁較大且與非周期磁通方向一致,三者疊加后大于CT的飽和磁通,就會加劇CT的飽和程度。變壓器區(qū)外故障CT飽和時,由于主變比率差動保護(hù)中都有專用的CT飽和判據(jù),故障時能正確區(qū)分故障類型是區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障,區(qū)外故障CT飽和時能可靠閉鎖保護(hù),通常不會造成主變比率差動保護(hù)誤動作。對于變壓器后備保護(hù),變壓器區(qū)外故障CT飽和時可能造成過流保護(hù)的延遲動作。當(dāng)CT嚴(yán)重飽和時,裝置計算的電流幅值小于過流保護(hù)定值,過流保護(hù)無法啟動。對于220kV的變壓器,120ms后直流分量和非周期分量衰減后CT逐漸退出飽和,這時過流保護(hù)能可靠動作。通常后備保護(hù)相互配合的間隔時間Δt為0.3~0.5s,不會造成上一級后備保護(hù)越級跳閘,因此,變壓器區(qū)外故障CT飽和時不會造成后備保護(hù)的誤動或拒動。通過以上分析,變壓器區(qū)外故障CT飽和時主要影響主變差流速斷保護(hù),因此,需要采取措施防止區(qū)外故障CT嚴(yán)重飽和時主變差流速斷保護(hù)誤動。3差流速斷保護(hù)動作方程P級CT在故障時容易飽和,為了防止差流速斷保護(hù)在變壓器區(qū)外故障CT飽和時誤動,可通過抬高差流速斷保護(hù)定值或提高P級CT的額定準(zhǔn)確限值系數(shù)及降低CT的二次負(fù)載來解決,但前者會降低變壓器區(qū)內(nèi)故障時保護(hù)的靈敏度,后者會增加工程的造價。除此之外,隨著電網(wǎng)容量的增大,區(qū)外故障時流過CT回路中的短路電流也會越來越大,這些措施依然無法從根本上解決問題。因此,有必要根據(jù)不同的故障類型對主變差流速斷保護(hù)的算法進(jìn)行改進(jìn),借用主變比率差動保護(hù)中CT飽和判據(jù)可正確區(qū)分故障類型是區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障,不會額外增加裝置的計算工作量。CT飽和判別的方法可采用同步識別法,即根據(jù)鐵磁元件的“B-H”曲線,區(qū)外故障起始時刻和一次電流過零點附近CT會存在一個線性傳變區(qū),對于區(qū)內(nèi)故障,差動保護(hù)的差流在故障起始時刻就會出現(xiàn);而對于區(qū)外故障,在故障起始時刻的CT線性傳變區(qū)內(nèi)不存在差流?？梢愿鶕?jù)差流跟故障時刻是否同步的方法來區(qū)分故障類型是區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障。主變差流速斷保護(hù)要求1.5倍定值下的保護(hù)動作時間小于20ms,通常采用半周差分或半周傅里葉算法來保證保護(hù)的動作時間,事實上采用全周傅里葉算法能更好地濾除非周期分量的影響,只是由于全周傅里葉算法需要20ms的數(shù)據(jù)窗,無法滿足保護(hù)對動作時間要求。因此,需要對差流速斷保護(hù)的動作方程進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后的動作方程如下:式(1)只在同步識別法判為區(qū)內(nèi)故障時投入,式(2)固定投入。式中:Iop(半周)為采用半周差分或半周傅立葉算法計算的差動電流;Iop(全周)為采用全周傅立葉算法計算的差動電流;Iop.0為差流速斷保護(hù)定值;K為比率制動系數(shù);Ires(全周)為制動電流。改進(jìn)后差流速斷保護(hù)的動作特性如圖4所示。差動保護(hù)啟動后,首先利用CT飽和判據(jù)識別本次故障是區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障,如果故障類型為區(qū)內(nèi)故障,保護(hù)采用半周差分或半周傅里葉算法計算差流,當(dāng)式(1)滿足時差流速斷保護(hù)動作;如果故障類型不是區(qū)內(nèi)故障,保護(hù)采用全周傅里葉算法計算差流并增加比率制動系數(shù),當(dāng)式(2)滿足時差流速斷保護(hù)動作,保證故障由區(qū)外故障發(fā)展為區(qū)內(nèi)故障時保護(hù)能可靠動作。差流速斷改進(jìn)算法增加了Iop(半周)和Ires(全周)的判別,這兩個數(shù)據(jù)已經(jīng)在比率差動保護(hù)中計算,不會增加裝置的計算工作量,因此對差流速斷保護(hù)的動作時間沒有影響,對于正常的區(qū)內(nèi)故障,20ms內(nèi)保護(hù)能可靠動作;對于轉(zhuǎn)換性故障,20ms后保護(hù)也能可靠動作。4動態(tài)模型試驗驗證4.1動模試驗?zāi)Ｐ透鶕?jù)變壓器的原型參數(shù),在實時數(shù)字仿真裝置(RTDS)上建立了變壓器保護(hù)動模試驗?zāi)Ｐ?并用兩臺相同型號的裝置進(jìn)行了試驗,一臺裝置采用改進(jìn)前的半周算法,另一臺裝置采用改進(jìn)后的保護(hù)判據(jù),通過試驗對改動前后的主變差流速斷保護(hù)性能進(jìn)行比較,變壓器模型參數(shù)如表4所示,變壓器電氣接線圖如圖5所示。4.2差流速斷保護(hù)動作模擬兩臺裝置的差流速斷保護(hù)定值都按5Ie整定,同時進(jìn)行了區(qū)內(nèi)金屬性故障、區(qū)外CT飽和試驗和線路永久性故障試驗,區(qū)內(nèi)故障時差流速斷保護(hù)動作時間基本相同。模擬中壓側(cè)區(qū)外K5點A相接地故障時中壓側(cè)CT飽和,電流波形正常時間3.0ms時,改進(jìn)前的差流速斷保護(hù)動作,改進(jìn)后的差流速斷保護(hù)可靠不動作,錄波波形如圖6所示。錄波圖中I1A、I1B、I1C為高壓側(cè)三相電流,I2A、I2B、I2C為中壓側(cè)三相電流,I3A、I3B、I3C為低壓側(cè)三相電流。模擬110kV側(cè)的線路A相永久性接地故障,首次故障120ms跳開線路開關(guān),600ms重合于永久性故障,重合后的中壓側(cè)CT出現(xiàn)不同程度的飽和,電流波形正常時間3.5ms時改進(jìn)前的差流速斷保護(hù)動作,改進(jìn)后的差流速斷保護(hù)仍可靠不動作,錄波波形如圖7所示。通過試驗可以得出結(jié)論,當(dāng)變壓器發(fā)生區(qū)外故障或線路故障重合閘時,如果變壓器側(cè)CT出現(xiàn)飽和,改進(jìn)后的主變差流速斷保護(hù)能顯著提高保護(hù)裝置的抗CT飽和能力。5半周差分或半周傅立葉通過對現(xiàn)場的幾起事故進(jìn)行分析,220kV及以下電壓等級變壓器區(qū)外故障時CT飽和是造成主變差流速斷保護(hù)誤動的直接原因。分析了P級電流互感器容易飽和的原因后,根據(jù)不同的故障類型對差流速斷保護(hù)動作判據(jù)進(jìn)行了改進(jìn)。區(qū)內(nèi)故障時仍采用半周差分或半周傅立葉算法保證差流速斷保護(hù)的快速性,區(qū)外故障后采用全周傅里葉算法并增加比率制動系數(shù)保證差流速斷保護(hù)的可靠性和選擇性。通常主變差動保護(hù)CT飽和判據(jù)中已經(jīng)對區(qū)內(nèi)外故障進(jìn)行了識別,可直接利用同步識別法判別區(qū)