比率制动差动保护

比率制动差动保护（精选6篇）

比率制动差动保护 篇1

0 引言

差动保护以基尔霍夫电流定律为基础, 原理简单且不受系统振荡影响, 具有天然选相能力[1,2]。在各种新技术的优势下, 差动保护从最初单纯利用两端相电流逐渐发展到各种分量[3], 如工频变化量、零序电流分量等[4], 主要有分段比率制动的电流差动保护[5]、电流相位差动保护[6]、故障分量差动保护[7,8]、零序电流差动保护[9]、暂态电流差动保护[10]、采样值差动保护[11]、行波差动保护[12]、电荷量差动保护[13]等。差动量和制动量不同的构成方式决定了差动保护不同的动作特性, 总的原则是保证差动量和制动量在区内外故障时有明显的区分性和对比性, 以实现区内故障保护灵敏度高, 区外故障可靠不误动的目标。目前, 线路差动保护主要有以下待完善之处。

1) 基于相量的差动保护原理需要一定的数据窗, 一般在1个周期后才能发出跳闸命令, 对于严重内部故障的情况而言, 动作速度略显不够快[11]。

2) 基于采样值的差动保护原理存在模糊动作区, 且此模糊区受采样频率、整定方式以及差动电流和制动电流相位的影响[11]。

3) 区外故障电流互感器 (TA) 饱和对差动保护的影响较大, TA严重饱和时可能引起保护误动[14]。

4) 超/特高压电网系统中, 电容电流较大, 会降低差动保护可靠性, 尤其在轻载系统中, 可能引起保护误动;负荷电流、过渡电阻会降低差动保护在区内故障时的灵敏性, 可能引起保护拒动。

受差动保护思想启发, 本文尝试舍弃基波相量体系, 直接利用全波电流数据判断故障, 在差动量和制动量的构成方式上进行了探索和尝试。从电荷量的角度, 构造出了差动电荷量和制动电荷量的表达式, 并基于正弦波对比分析了两者之间的关系;然后基于全波电流提出了比率制动电荷量线路差动保护判据及其整定原则。详细分析了保护判据抗TA饱和、避免电容电流影响的思路以及微机保护利用采样值实现的方法。最后利用PSCAD搭建了双端电源系统进行仿真验证。

1 差动/制动电荷量概念

以母线指向线路为电流正方向, 设两侧电流分别为:im (t) =Imsin (ωt) , in (t) =Insin (ωt-α) , 取数据窗为半周期。

定义差动电荷量为:

式中:Im和In分别为电流im (t) 和in (t) 的幅值;T为波形周期, t为当前时刻 (即数据窗结束时刻) 。

定义制动电荷量为:

易知:

由式 (1) 、式 (2) 可知, 两侧电流幅值及相角差α确定后, Qd (t) 和Qr (t) 就是恒定值, 大小不随数据窗的移动而改变, 若数值变化, 只可能与电流幅值或相角差α变化有关。式 (3) 可作为一个自检条件, 检验式 (1) 和式 (2) 的计算结果是否正确。

2 Qd (t) 和Qr (t) 关系分析

1) 相等关系

若Qd (t) =Qr (t) , 由式 (1) 和式 (2) 可得:

因此, Qd (t) =Qr (t) 的条件为:Im=0或In=0或α=-90°或90°。

2) 大于关系

若Qd (t) >Qr (t) , 可得:

因此, Qd (t) >Qr (t) 的条件为:Im和In均不为0且α∈ (-90°, 90°) 。

3) 小于关系

若Qd (t)

因此, Qd (t)

综上可得结论: (1) 电流幅值和相角差α确定后, Qd (t) 和Qr (t) 就是恒定量, 不随数据窗的移动而改变, 若数值变化, 只可能与电流幅值或相角差α的变化有关; (2) Qd (t) 和Qr (t) 间的大小关系 (除等于外) 与电流幅值无关, 只与电流相角差α有关。

式 (1) —式 (3) 是基于正弦波分析的, 由结论 (2) 可知, 差动电荷量和制动电荷量间的数量关系可反映出两电流间的相角关系, 理论上可利用此关系构成一种新形式的电流相差保护, 但鉴于两者均是基于基波分量计算得到, 而基波分量需经过滤波算法才可得到, 此过程无疑会降低差动保护的动作速度, 这正是引言所指出的差动保护不足之处, 违背了本文初衷:尝试舍弃基波相量体系, 直接利用全波电流构成差动量和制动量, 以提高差动保护的快速性。

3 电荷量差动保护原理

3.1 保护判据

以母线指向线路为电流正方向, 设两侧的全波电流分别为im (t) 和in (t) , 分析由式 (1) 和式 (2) 所定义的差动电荷量Qd (t) 和制动电荷量Qr (t) 。

式 (1) 在物理上表现为电流|im (t) +in (t) |在半个工频周期内的积分值, 在几何上表现为在半个工频周期内, 全波电流im (t) 与-in (t) 之间所夹的面积;式 (2) 在物理上表现为电流|im (t) -in (t) |在半个工频周期内的积分值, 在几何上表现为在半个工频周期内, 全波电流im (t) 与in (t) 之间所夹的面积。

在忽略线路电容电流的理想情况下, 系统正常运行或区外故障时, 两侧电流im (t) 和in (t) 的瞬时值大小基本相等, 正负相反, 两侧全波电流之和会在一定程度上相互抵消两侧电流中谐波分量和直流分量的不良影响, 则式 (1) 所示的差动电荷量Qd (t) 基本为0, 而两侧全波电流之差为故障全波电流的两倍, 并且式 (2) 为在T/2数据窗内绝对值积分的算法, 理想情况下, 式 (2) 能够滤去所有偶次谐波以及大部分奇次谐波, 以避免谐波对保护性能的不良影响;区内故障时, 类似区外故障时的分析思路, 理想情况下, 式 (1) 能够滤去所有偶次谐波以及大部分奇次谐波, 式 (2) 会在一定程度上相互抵消两侧电流的谐波分量和直流分量的不良影响, 由此可以看出, 本文算法自身具备一定程度的滤波功能。

在实际系统中, 考虑到线路电容电流、负荷电流、信号长距离传输延时引起的误差, 以及测量、计算等各类误差[15,16,17], 两侧电流相对于理想情况有一定偏差, 系统正常时差动电荷量Qd (t) 存在一定的不平衡量, 构造保护判据必须躲过Qd (t) 的最大不平衡量, 综合考虑保护的灵敏性和可靠性要求, 可利用差动电荷量Qd和制动电荷量Qr构成比率制动保护判据:

式中:ε为动作门槛值;Qr0为拐点电荷量;k为特性曲线斜率, 其动作特性如图1所示。

在微机保护中, 式 (1) 、式 (2) 可利用采样值计算得到, 为减小误差, 采用梯形面积法, 则有

式中:N=T/Ts, N为一周期内采样点数;Ts为采样间隔;im (k) 和in (k) 分别为两侧全波采样值。

若式 (8) 和式 (9) 同时除以Ts/2可知, Qd (t) 和Qr (t) 物理本质也是电流量, 电荷量差动保护实质上是采样值差动保护的一种变形, 但相比之下有两点不同: (1) 电荷量差动基于全波分量; (2) 对单一采样点而言, 不单单只是判断该点动作与否, 而是进一步提取该采样点动作与否的“权重”, 进而统筹分析数据窗内所有采样点的“权重”后再判断线路是否故障。

3.2 TA饱和影响及数据窗调整

TA饱和对差动保护的影响为:区外故障时TA饱和导致差动保护误动。主要原因是过长的数据窗使得基于相量的差动保护原理不可避免地引入了TA线性传变区之后的饱和数据。而一般来说, TA在故障开始后的1/4工频周期内不会出现饱和, 存在线性传变区[13], 假如存在一种短数据窗相量算法, 只利用TA线性传变区的数据便能得到相应相量, 那么基于相量的差动保护原理便不再受TA饱和的影响, 从此角度来看, 差动保护的快速性与应对TA饱和是辩证统一的, 但目前的相量算法还达不到此效果, 这也是本文舍弃基波相量体系, 利用短数据窗积分所得的电荷量构造保护判据的原因。

本文所提保护判据的数据窗若为T/2, 同样会受TA饱和影响, 鉴于此, 同时兼顾保护速动性和可靠性要求, 可将数据窗作如下调整:故障后T/4到故障后T/2时间段内, 保护数据窗为时变数据窗, 随故障时间推移为T/4~T/2;故障后T/2之后的时间期间内, 保护数据窗为T/2。调整之后, 即使出现TA饱和, 在故障开始到故障后T/4时间期间内, 保护只利用线性传变区内的数据识别故障, 不会受TA饱和的影响;在故障后T/4到故障后T/2时间期间内, 线性传变区内的数据依然起作用, 这在一定程度上延长了线性传变区数据的有效作用时间, 利于保护正确识别故障情况。

3.3 电容电流影响及整定方法

电容电流对差动保护的影响为:系统正常运行 (尤其轻载运行) 和线路空投时的电容电流可能引起保护误动。为便于分析, 以π型等值电路为基础, 设两侧电压幅值相等, 线路阻抗角为90°, 见图2 (a) 。

依据图2 (a) 所示等值电路及各电气量的参考方向, 可得系统正常运行时的相量分析图, 如图2 (b) 所示, 其中。

由图2 (b) 可知, 系统正常运行时, 随着负荷电流减小 (即两侧电压相角差φ减小) , 电容电流对两侧电流相角差影响随之增大, 差动保护误动的可能性增大, 反之, 差动保护误动的可能性减小。区外故障时, 相当于几乎为0, 此时为故障电流, 故障电流很大, 而电容电流保持不变 (甚至减小) , 由图2 (b) 可知, 此时两侧电流间的相角差很小, 电容电流对差动保护的影响很小, 可忽略不计。同时, 线路空投时, 空投侧电流为电容电流, 对侧电流基本为0, 保护判据的差动量和制动量均是由电容电流引起的。

电流相量在时间/幅值体系中表现为周期性的电流时变曲线, 而式 (1) 和式 (2) 所定义的电荷量表现为在时间/幅值体系中, 电流时变曲线在数据窗内的积分值, 由此可知, 电荷量实际上为电流相量在时间/幅值体系中积分值的一种体现, 为此, 以上基于相量体系的分析及结论同样适用于电荷量体系。

综上所述, 系统正常运行和线路空投时, 考虑线路电容电流的影响, 所提判据的差动量和制动量在动作特性曲线中的位置如图3阴影区域所示, 其中Qdz, Qrz分别为最大电容电流造成的差动量和制动量, 当线路空载和空投时, Qdz=Qrz。

保护整定时需要躲过图3中的阴影区域, 兼顾保护灵敏性和可靠性, 门槛值ε可整定为0.8Qdz, 拐点Qr0可整定为0.3Qrz, 特性斜率k可整定为0.3。这样可避免系统正常运行和线路空投时的电容电流引起的保护误动, 并可以躲过系统正常时差动电荷量Qd (t) 存在的不平衡量。一般来说, 线路空投于故障时的电流大于整定时的电容电流, 可满足判据动作条件, 保护判据能够正确动作。

3.4 负荷电流和过渡电阻影响

区内故障时, 负荷电流和过渡电阻的不良影响会降低差动保护的灵敏性, 可能引起保护拒动。区内故障时, 仅就负荷电流而言, 其不良影响会扩大元件两侧电流的相位差, 仅就过渡电阻而言, 其不良影响会减小元件两侧电流的幅值大小, 本质上, 两者均降低区内故障时的差动电流和制动电流的对比性, 从而引起保护拒动。

由于文中所提保护判据利用的是两侧全波电流, 其依然会受到负荷电流和过渡电阻的影响。若基于故障分量电流, 得益于故障分量网络是无源零状态网络的特点, 理论上来说, 保护判据便不再受过渡电阻和负荷电流的不良影响, 此部分内容有待进一步研究。

4 算例仿真验证

为验证保护判据的动作性能, 基于仿真软件PSCAD搭建如图4所示的简单系统进行仿真验证。

仿真参数:M, N两端电压分别为230kV和220kV, M侧系统参数为R=1.051 5Ω, L=137.43mH, N侧系统参数为R=26Ω, L=142.98mH;线路长度为300km, R1=0.029 4Ω, X1=0.278 0Ω, Y1=4.139Ω, R0=0.205 2Ω, X0=0.651 9Ω, Y0=2.848μΩ, 采样频率4kHz。

当两端电压相角差φ为30°, 分别在图4所示故障点F1, F2, F5发生AB两相经100Ω过渡电阻接地故障, 故障后5~10ms期间, 各相所对应差动量和制动量在动作特性示意图中的位置如附录A所示 (为方便作图, 将差动量、制动量和整定值均扩大50倍) , 按一次值, ε整定为0.25kA·s, Qr0整定为0.1kA·s, 斜率k整定为0.3。

本文还仿真验证了两端电压相角差φ分别为10°, 30°, 60°, 在故障点F1至F5发生A (AB, ABC) 相直接接地, 经50Ω过渡电阻接地, 经100Ω过渡电阻接地, 共135种故障情况。仿真结果表明:保护判据能在5~10ms内快速准确识别区内故障, 区外故障时可靠闭锁保护, 但受负荷电流过大和过渡电阻过大的不良影响, 保护的灵敏度会降低, 极端情况下会出现拒动情况。鉴于其余动作情况类似附录A图A1—图A3, 此处不再罗列。

5 结论

本文提出了比率制动电荷量差动保护判据及其整定原则, PSCAD仿真验证了保护判据的有效性和可行性。

1) 区内故障时, 保护判据利用故障后5~10ms的数据能快速准确识别故障;区外故障时, 保护判据可靠闭锁, 具有一定程度的抗TA饱和能力;依据整定原则合理整定定值, 保护判据能避免电容电流对保护性能的不良影响。

2) 保护算法自身具有较强的滤波能力, 能在一定程度上克服高次谐波的不良影响。

3) 保护算法舍弃基波相量体系, 利用全波电流在短数据窗内的积分值识别区内外故障, 在差动量和制动量的构成方式上进行了有益的探讨。

必须承认的是, 因所提保护判据利用元件两侧全波电流, 不可避免地仍然受到负荷电流和过渡电阻的不良影响, 鉴于故障分量网络是无源零状态网络的特点, 基于故障分量电流的电荷量差动保护将不再受两者的不良影响, 此部分内容有待进一步研究。

附录见本刊网络版 (http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx) 。

摘要：文中提出了差动电荷量和制动电荷量的概念, 并分析了两者间的关系。提出了将两者作为差动量和制动量的比率制动电荷量线路差动保护判据及其整定原则, 利用全波电流识别区内外故障。阐述了保护判据抗电流互感器饱和、避免电容电流影响的思路。仿真验证结果表明:区内故障时, 保护判据利用故障后5~10ms内的数据能快速准确识别故障;区外故障时, 判据能可靠闭锁。

关键词：差动电荷量,制动电荷量,全波电流,线路差动保护

比率制动差动保护 篇2

厂用变压器的正常运行保证着整个生产过程供电系统的安全、连续、稳定的运行, 因此对于变压器主保护的差动保护就显得尤为重要。

差动保护原理简单, 基于基尔霍夫定理, 目前在差动保护的基础上又延伸出比率制动特性, 使变压器的差动保护更为严谨, 保证和完善了继电保护的准确性、选择性的特性。

目前我厂使用的是基于四方CSC系统三段式双斜率动作特性, 本文针对四方公司的差动特性进行试验验证。

1 变压器差动保护的应用

2.1 差动保护的动作特性

比率制动特性差动保护简单说就是使差动电流定值随制动电流的增大而成某一比率的提高。使制动电流在穿越性电流时有制动作用而不误动。而在内部故障时, 制动作用最小保证动作正确。其动作如图1:

2.2 差动保护在变压器保护中的应用

3 变压器比率制动式差动保护试验

测试仪设置:A相接M侧A相电流1.25∠0°A;B相接N侧A相电流1.6∠180°A;C相接N侧C相电流6.25∠180°A;将B相作为幅值变化量, 变化步长设置为0.01A。

测试仪设置好, 接通电流后保护装置屏显示有电流, 按照步长降低B相幅值, 至1.27A时, 比率差动保护动作, 变压器两侧开关跳闸, 装置发比率制动式差动信号。

4 结论

通过本次变压器差动边界值的计算, 能够确定比率制动式差动保护动作范围, 将使以后的变压器检修工作提供理论依据。

参考文献

[1]国家电网公司继电保护培训教材 (上册) [M].北京:中国电力出版社, 2009.

[2]四方继保, CSC-213光纤纵联差动保护测控装置说明书, 2009.

变压器比率差动保护校验方法探讨 篇3

1 主变差动保护原理

差动保护是按比较主变各侧电流大小和相位而构成的一种保护, 虽然主变各侧电流不等, 且各侧之间在电路上互不相通, 但可以根据主变正常工作及发生主变外部短路时流入和流出变压器的功率相等或者各侧电流产生的安匝之和近似为零的条件建立差动保护平衡方程。在变压器发生内部故障时, 应有差动电流流过差动回路, 差动继电器动作。

1.1 不平衡电流产生的原因

当变压器外部发生短路时, 在差动保护的差流回路中会产生很大的不平衡电流。其原因是:两侧TA的二次阻抗不完全匹配;实际选择TA时标准变比无法满足;变压器各侧分接头变动等均能产生不平衡电流。一旦不平衡电流超过整定定值时, 会导致差动保护误动作。

1.2 防止不平衡电流产生的措施

(1) 为了防止变压器励磁涌流所产生的不平衡电流引起差动保护误动作, 主变差动保护采用间断角制动原理、二次谐波制动原理、波形对称原理躲过变压器励磁涌流的影响;

(2) 为防止两侧TA型号不同所产生的不平衡电流引起差动保护误动作, 则增大启动电流值以躲开主变保护范围外部短路时的最大不平衡电流;

(3) 为了防止因变压器接线组别、TA变比不同引起的不平衡电流则采用软件进行相位补偿及电流数值补偿使其趋于平衡。

1.3 变压器各侧电流平衡的调整

以PST1200U系列微机差动保护装置为例, 保护装置在软件内部以电流矢量差来消除相位角误差, 主变差动用TA均以Y型法接入主变差动回路, 简化了差动二次回路接线。保护装置制造厂家采取以变压器Y侧向△侧归算的补偿方式。微机保护对于变压器各侧电流幅值的调整, 则根据主变变比及TA变比计算主变各侧TA二次电流平衡系数, 并将各侧TA二次电流归算到同侧进行补偿。本装置各侧电流均折算至高压侧, 平衡系数计算方法如下:

高压侧平衡系数:Kh=In.h/In.h=1;

中压侧平衡系数:Km=In.h/In.m;

低压侧平衡系数:Kl=In.h/In.l;

式中In.h、In.m、In.l分别为三绕组变压器高压侧、中压侧、低压侧的频定电流。

1.4 变压器各侧电流相位补偿方法

PST1200U主变差动保护装置对主变高压侧 (Y型侧) 二次电流相位校准, 计算纵差差流时, 变压器各侧TA二次电流相位由软件调整, 装置采用由Y→△变换计算差流, 计算算法如下:

对于Y侧:

对于d-11侧:

Iai, Ibi, Ici………测量到的各侧电流的二次矢量值;

Idai, Idbi, Idci……经折算和转角后的各侧线电流矢量值;

Ki………变压器高、中、低侧的平衡系数 (Kh, Km, Kl) 。

2 差动保护比率制动特性

变压器在正常负荷状态下, 电流互感器的误差很小, 此时差动回路中的不平衡电流也很小, 但随着外部短路电流的增大, 电路互感器可能饱和, 误差也随之增大, 这时的不平衡电流也随之增大。为了防止变压器区外故障时差动保护误动作, 差动保护引入一种继电器, 其动作特性是:它的动作电流将随着不平衡电流的增大而按比例增大, 并且比不平衡电流增大得还要快, 这样误动就不会出现。因此, 引入比率制动式差动继电器, 它除了以差动电流作为动作电流外, 还引入外部短路电流作为制动电流。当外部短路电流增大时, 制动电流也随之增大, 使继电器的动作电流也相应增大, 从而有效地防止了变压器区外故障发生时差动保护误动作, 稳态比率差动特性曲线如图1所示。由图1可知, 该保护继电器能可靠地躲过外部故障时的不平衡电流, 能有效地防止变压器区外故障发生时保护误动作。因此, 差动保护的比率制动特性曲线的精确性是决定保护装置正确动作的关键, 故制动特性曲线的测试是整套保护装置的调试重点。

3 主变保护比率制动特性曲线校验

3.1 比率差动保护参数计算

本文以PST1200U主变保护为例, 说明Y0/Y0/△-11型三绕组变压器比率差动保护参数计算方法。变压器各侧二次计算公式如下:

式中:S——变压器高压侧额定容量;TA为全Y接线;

Uh、Um、Ul——变压器高、中、低压侧铭牌电压;

na.h、na.m、na.l——变压器高、中、低压侧TA变比。

根据式 (3) 、式 (4) 、式 (5) 就可以计算出变压器各侧的二次额定电流。现以娄底电业局某变电站#1主变为例, 系统参数如表1:

3.2 比率差动保护制动特性曲线校验接线方法

现场试验时使用的测试仪为博电PW4361继电保护测试仪, 使用三相电流输出。由 (1) 式、 (2) 式可知, 因相位补偿, 在高、中压侧都会产生一个补偿电流, 所以在做高压侧对低压侧及中压侧对低压侧的差动试验时, 需要加入一个补偿电流。现以高压侧A相对低压侧A相比率差动试验为例, 介绍现场试验接线方法。在高压侧A相加入电流, 高压侧C相会出现大小相等、方向相反的电流, 但是低压侧加入A相电流, C相不会出现电流。所以在调试时, 采用图2所示接线方式, 在低压侧C相加入一个电流来补偿高压侧C相的电流, 使得C相差流为零, 以不至于影响试验。

3.3 比率差动保护试验方法分析

根据保护装置说明书及系统定值通知单, 可知稳态比率差动启动值Iopmin为0.5Ie, 斜率K1=0.5, K2=0.7, 拐点1 (Ir1=1Ie) , 拐点2 (Ir2=3Ie) 。PST1200U保护装置稳态比率差动保护的动作特性如图3所示。本次调试试验以高压侧A相对低压侧a相为例, 验证斜线K1=0.5这段直线的斜率。试验时, 在K1=0.5这段直线上Ir1与Ir2之间任意取A、B两个点来验证制动系数K。

具体试验过程是:

(1) 先确定制动电流的大小, 计算出高压侧、低压侧动作临界值;

(2) 计算出高压侧A相、低压侧a、c相所需要加的电流大小, 使得A、C相差流为0;

(3) 减小低压侧a相电流至差动保护动作。

根据差动方程:

可计算出试验时所需加的高低压侧电流如表2所示。

在高压侧A相、低压侧a、c相加入上表中所示的电流值后, 差流为零, 然后在减少低压侧a相电流值, 直至差动保护动作。此时, 从继电保护测试仪上记录下差动动作时的电流值, 并计算出A、B两点的差流与制动电流, 试验数据如表3。

注:计标时固定A点制动电流1.6Ie, B点制动电流2Ie。

由表3数据可计算出斜线斜率K1= (Id B-Id A) / (Ir B-Ir A) =0.503, 与整定值0.5比较, 在误差允许范围内。第三段斜线K2系数的验证方法与此相同。

4 结束语

比率制动差动保护 篇4

1 差动保护动作区域分析

参考文献[1]中介绍了一种分析电流差动保护的动作特性法,这种方法并非以差动保护的动作量和制动量为坐标轴作出动作特性曲线,而是把动作量和制动量以实部和虚部的形式反映在复平面图上,动作量和制动量均对应一定的几何曲线,通过分析几何曲线之间的位置关系,可以确定差动保护的动作区域。相对于传统的分析方法,该方法不仅可以清晰直观地反映两侧电流相位差对差动保护的影响,而且动作曲线和制动曲线的位置关系能够反映保护的动作区域,直观地显示出不同条件下保护动作的灵敏度和保护在外部短路时制动特性的优劣。

但是经分析可发现,其动作区域分析有所偏差,分析过程如下:

以双绕组变压器为例,设两侧电流分别为Im和In(以流入变压器为正方向),以最简单的差动保护判据为例,其动作判据式为:

式中I0为差动保护动作整定电流。令。,In=q Iejφ。其中,q为两端电流幅值比,φ为两端电流相位差。

则式(1)为:

式(2)反映在复平面当中,即如图1所示。动作量对应于以(1,0)为圆心,以q为半径的圆,制动量对应于以(0,0)为圆心,以I0/I为半径的圆。参考文献[1]认为,若两圆之间有交点,则动作圆圆心S与两个交点之间的线段即为某一q值下保护动作的边界线,并且如图1所示,SA、SA'以及它们右边的动作圆边界一起构成该q值的动作区域。但实际情况并非如此。

考虑一种典型的情况,当I0/I取值比较大,而允许的q的最大值又比较小的情况,可以作出相应的复平面图形如图1所示,取I0/I=1.8,按参考文献[1]中的动作区域判定方法,可以看到,在φ=0,即两侧电流相位差为0的情况下,无论q如何小(q→0),保护均能正确动作。而实际情况是,由于I0/I取值较大,即相对于两侧电流幅值,差动保护动作阈值I0很大,而此时一侧电流近似为0,动作量近似只有I,此时保护根本不可能动作。因此保护动作区域被错误地扩大了。

由上述分析,参考文献[1]中介绍的这种方法存在以下几个误区:(1)以q≤q0(q0为某个定值)下的保护区域误作为q=q0的保护区域;(2)没有正确定义动作量在复平面图形上对应的曲线;(3)未能正确定义保护边界线。

分析式(2),可以看出对于某一个q值(设q=q0),反映在图1中,只是满足方程(q0cosφ+1)2+(q0sinφ)2=q02的一个圆。该圆内的区域是由在[0,q0]区间内取值的不同q值构成的无数个圆构成的。因此图1所示的动作圆内区域不能认为是q=q0时的动作区域,而应该是0≤q≤q0时的动作区域(q为幅值之比,故非负值,但单侧电源情况下,可以取为0)。这样动作区域的确定就不能只凭q取最大允许值q0时的情况来判断,而应该全面分析q在[0,q0]区间内取值的各种情况后,再加以确定。

参考文献[1]并没有明确指出动作量在复平面图形上对应的是哪条曲线,这也是造成保护区域不能正确判定的重要原因。分析式(2)可以发现,动作量与制动量都是从复平面原点出发的向量的模值。因此如图2所示,对于某一个q和φ值,其动作量对应于OC,在该方向上的制动量对应于OD,这样,通过比较OC和OD,可以很清楚地看到在该方向上动作量与制动量孰大孰小,不会作出错误的判断。

综合以上两点,可以正确定义出q≤q0时的保护边界线,如图2所示。可以看到保护动作区域左侧边界线,正是制动区域与动作圆相交的边界线。如果从原点出发作出动作向量,可以清楚看到,不管q和φ取为何值,只要动作向量模值大于制动圆半径,即判断保护动作。这从另一个侧面证明保护边界线确应如图2所示。

以上分析的是最简单的差动保护动作判据,实际上,参考文献[1]中对于比率制动式差动保护判据,动作区域的确定同样也存在着这个问题。实际的动作区域,都应该以制动圆边界线与动作圆相交的部分作为边界线的一部分。

2 比差判据1中动作整定值I0的必要性探讨

对于比率差动原理,参考文献[1]主要提出了以下几种判据:

判据1:|Im+In|-Kres.1(|Im|+|In|)≥I0;

判据2:|Im+In|-Kres.2{|Im|+|In|-Id}+≥I0';

判据3:|Im+In|≥Kres.3|Im-In|。

Kres.1、Kres.2、Kres.3分别表示不同判据中的制动系数,以示区别。{|Im|+|In|-Id}+表示当|Im|+|In|-Id≤0时式子取0,否则按|Im|+|In|-Id的值取值。I0、I0'分别表示判据1、2中的动作整定值。

参考文献[1]认为,判据3表示的动作量和制动量能明确区分区内、区外故障,故没有必要增设动作门坎值I0,并据此分析后得出结论,判据3的灵敏度要比判据1高得多。只有当判据1中的I0/I→0时,两者才具有相近的灵敏度,因此判据3具有优越性。如果是基于这种分析,那么不得不提出疑问:影响判据1灵敏度的动作整定值I0是否有存在的必要。

分析判据2,可以看到当|Im|+|In|-Id≤0时,制动量只有I0'。这时两侧电流幅值都较小,因此内部、外部短路的可能性都很小,I0'需要躲过正常运行时的不平衡电流。因此该动作门坎值必不可少。

对于判据1,分析制动项I0的作用。在内部短路时希望制动量尽可能小。考虑动作灵敏度最差的一侧匝间短路,此时另一侧电流流出,动作量|Im+In|=1-q|·I,而制动量为Kres.1(1+q)·I+I0。制动项Kres.1(1+q)·I相对于动作量已经相当大,如果再加上制动项I0的作用,故障情况下保护的灵敏度势必更低。而在外部短路或正常运行的情况下,Im、In都是穿越性电流,(|Im|+|In|)相对|Im+In|是大值,只要合理选择制动系数Kres.1,完全可以凭制动项Kres.1(|Im|+|In|)取得很好的制动作用。此时制动项I0不能起到如判据2中I0'那样的躲过不平衡电流的作用。

再分析判据1和3的灵敏度和可靠性。两者的动作量完全相同,主要考虑制动量。这里先假设制动系数Kres.1=Kres.3。

当发生内部相间短路时,φ的值在0。附近,此时,制动项:

制动项:

比较(3)、(4)两式,当φ的值在0。附近时,式(3)的值大得多,即判据1的制动项Kres.1(|Im|+|In|)本来已经较判据3的制动项大,如果再加上I0的制动作用,判据1的动作灵敏度将更低。

如果发生一侧匝间短路,则φ的值在180。附近,这时(3)、(4)两式的值相差不多,式(3)略微大一点。这时I0仍将降低判据1的动作灵敏度。

考虑外部故障或正常运行的情况,φ的值在180。附近,仍有式(3)略大于式(4),即不计I0时,判据1不误动的可靠性要高于判据3。

参考文献[1]论证了判据3有足够的保护闭锁区,那么不计I0作用时已经有更大保护闭锁区的判据1理应取消I0,因为I0的存在,对提高保护不误动的性能没有实质性帮助,在内部故障时却成为影响灵敏度的因素。

3 比差判据2中Id的取值问题

参考文献[1]中提出的比差判据2是针对判据1,在内部因一侧匝间短路而在另一侧有电流流出时,保护动作灵敏度较差,动作区域过小而提出的一种改进判据。Id的引入,有效减小了制动量,使内部故障时允许有更大的电流流出。

如图3所示,直线GD为比差判据2的差动特性曲线,曲线右侧为保护动作区域。注意到当|Im|、|In|较小时,动作边界为折线AP,其中AP平行于外部故障线Im=In,P点为GD直线Im-In=Id的交点。参考文献[1]中,由GD与横轴的交点必小于0,确定出Id的取值范围,即:

由式(5)可得,Id与q成正比,即q的值越大,Id的值也越大。所以Id的变化情况反应在图3上,即当Id增大后,直线Im-In=Id向右平移,直线GD斜率变大,与坐标横轴交点向左移动,其结果是P点的纵横坐标都变大,A点向左移动。反映在保护动作曲线上的含义就是,保护区域变大,灵敏度提高。尤其在Im、In幅值都比较小时,发生内部匝间短路而有较大电流流出时,保护灵敏度显著提高。

那么,Id是否可以取大于这个值的所有数值呢,下面来做一分析。Id反应的是对q的要求,即内部匝间短路时保护的灵敏度要求。如果对q的要求过高,则会出现Id值过大的问题。参考文献[1]只是指出q<1,而没有给出一个确定的值。而从图3可以看出,若对q值要求过高,使之非常接近于1,则P点以下的动作特性曲线将非常接近于外部故障线Im=In,即此时不能区分内部匝间短路与外部故障。故q值不应选取得过大,也就是说对于十分轻微的内部匝间短路故障,保护可以不动作。否则,过分追求灵敏度将使保护误动的可能性大大增加。当然,以上只是理论分析,实际的保护装置不会也没有能力去追求内部轻微匝间短路的灵敏度。

4 结语

变压器比率制动式差动保护,是目前作为变压器主保护应用得最广泛的一种保护原理。要确保其分析方法的准确无误,保护判据的合理有效,显得非常重要。文中就比率制动式差动保护与应用中可能存在的几个问题,作了一些初步的分析,提出了几点看法,以供参考。

摘要：针对变压器比率差动保护与整定过程中的问题作了分析。指出在电流差动保护动作特性分析法中,动作区域判定有误,并提出了正确的分析与判断方法。通过分析比较变压器比率差动常用判据,对制动量阈值设定与内部故障时允许流出的电流数值,提出了改进意见。

关键词：变压器比率差动保护,动作特性分析法,制动量

参考文献

-浅析换流变压器比率差动保护 篇5

1.1保护配置

±800k V金华换流站换流变保护为三重化配置, 三套保护均采用许继公司的SBH-101A成套保护装置。保护以三取二原理运行, 即完成一个保护动作至少需要三套保护系统中的两套系统同时检测到同一故障。换流变保护主要包括换流变差动保护、换流变引线和换流变差动保护、换流变零序差动保护和后备保护及饱和保护、非电量保护。

1.2差动保护特点及保护范围

换流变差动保护是换流变的主保护, 主要用来保护换流变绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障, 同时也保护换流变单相匝间层间短路故障, 换流变压器主保护由比率差动、增量差动、差流速断和差流越限告警组成。由于差动保护对保护区外故障不会动作, 因此差动保护不需要与保护区外相邻元件保护在动作值和动作时限上配合。所以在区内故障时可以瞬时动作。

下面以许继公司的SBH-101A换流变成套保护装置为例简述换流变差动保护的构成和保护范围。如图1所示。

TA1、TA2为网侧引线1、2支路TA, TA3.1为网侧套管角接换流变差动TA, TA3.2为网侧套管角接引线差动TA, TA6.1为网侧套管星接换流变差动TA, TA6.2为网侧套管星接引线差动TA, TA4为阀星侧首端套管TA, TA7为阀角侧首端套管TA, TA5为套管角接外接零序TA, TA8为套管星接外接零序TA。

通过差动原理分析并考虑TA极性的影响, 得到差流平衡方程式如表1所示。

2换流变差动保护现场校验

2.1比率差动保护动作特性

差动保护是按比较各侧电流大小和相位而构成的一种保护[1]。比例差动保护用来区分感受到的差流是由于内部故障还是外部故障时引起。装置采用初始带制动的变斜率比率制动, 特性曲线如图2所示。

比率差动作方程如下:

式中, Iop为差动电流, Iop.0为差动最小动作电流整定值, Ires为制动电流, Ires.0为最小制动电流整定值, S为比率制动系数整定值, 各侧电流的方向都以指向变压器为正方向。角变、星变差动采用两侧差动, 动作方程如下:

式中:i1, i2分别为换流变压器网侧、阀侧电流互感器二次侧的电流。

对于三侧及以上的差动动作方程如下:

式中:3≤K≤4, i1, i2, …ik分别为换流变压器各侧电流互感器二次侧的电流。大差保护采用四侧差动[2]。

换流变在运行时, 差动回路不可避免地存在不平衡电流, SHB-100A型保护根据换流变变比及CT变比计算换流变各侧CT二次电流平衡系数并将各侧CT二次电流归算到同侧进行幅值补偿。但换流变的TA一般装在各侧绕组上, 因此原、副边绕组电流相位相同, 不需进行相位补偿。

2.2比率差动特性曲线现场校验

设差动电流起动定值Iop.0为0.5Ie, 最小制动电流整定值Ires.0为1Ie, 比例系数S为0.5, 角变差动以网侧为基准电流。

试验时, 角变网侧电流I1和角变阀侧电流I2的同名相分别正极性接入测试仪两相, 相位相差180°。在I网侧首端加1Ie, 2Ie, 相应地在I阀侧首端侧加入1Ie, 2Ie, 使其保护无差流, 然后逐渐降低I网侧首端的输入电流值至差动动作。以上述方法取3点, 数据如表2所示。

3结束语

(注:S= (Iop2-Iop1) / (Ires2-Ires1) )

换流变差动保护是换流变最主要的保护之一, 与常规的主变差动保护其原理一样, 主要区别在于换流变差动分类更细, 且每类所取的CT电流是唯一的。

由于比率差动保护需要识别换流变压器的励磁涌流和过励磁运行状态, 当换流变内部发生严重故障时, 不能够快速切除故障, 所以还需配置差流速断保护, 用来快速切除变压器严重的内部故障[3]。当任一相差流电流大于差动速断整定值时差流速断保护瞬时动作, 跳开断路器。

参考文献

[1]王维俭.电力设备继电保护原理及应[M].北京:中国电力出版社, 1996.

[2]SBH-100A系列流变压器保护装置技术说明书[Z].许昌:许继直流公司.

比率制动差动保护 篇6

针对被人们广泛使用的比率制动式差动保护, 讨论并分析了什么是故障分量保护以及它的基本原理、整定值的选取和在实际中应用的一些问题。

1 故障分量比率差动保护

什么是故障分量比率差动保护呢?简单说就是为了防止穿越故障电流造成变压器的误动。当穿越故障电流通过变压器时, 变压器故障分量比率差动保护动作电流随着比例增大, 以躲过穿越故障电流。当差动回路发生短路时, 其不平衡电流与短路电流之间成正比关系, 同时为了让Ibp最小, 这就需要我们自己来设计了, 因为差动回路的接线方式不是唯一的, 所以这就需要我们在连接的时候用心了, 可以通过不断地调整不平衡系数以达到目的。变压器在空载运行, 或者在故障消除后运行的一瞬间, 会产生一种叫做励磁涌流的电流, 它的大小可以达到额定电流的6～8倍, 这个时候如果选择的差动保护电路合适, 那么流过差动电路的变压器的短路电流就会小于上面所说的励磁涌流。所以, 一般在整定的时候, 只考虑躲过变压器空载投入电网时励磁涌流是被允许的。也就是Icdsd= (6～8) Is/nlh, 其中nlh叫做平衡系数, 它和kph是等价的, 而Is叫做变压器的额定电流。用来对主变各侧因ct变比不同引起的误差进行校正, 以变压器副边电流的二次值为基准, 将变压器原边电流二次值乘以kph来进行差流判断。kph=I2nl/I2nh, 式中I2nl—流入保护装置低压侧二次电流;I2nh—流入保护装置高压侧二次电流。

所说的故障分量电流, 其实就是由从故障后电流中去掉负荷分量后剩余的电流, 比率差动保护就是由它构成的。人们经常用“Δ”来表示故障分量, 故障分量比率差动保护的动作方程表达式为:

上面公式中, Id叫做差动电流;I dmin为差动电流阈值;

Irmin为拐点制动电流值;K为动作特性斜线段的斜率, 其特性如图1所示。

2 故障分量比率差动保护整定值的选取

2.1 故障分量比率差动差流阈值的选取 (ΔIdmin)

由于负荷电流的误差很小, 所以在实际的运用中是经常被忽略的, 而人们通常就会认为这时的故障分量原理与传统原理的动作量是相同的, 而且, 由于之前我们已经对常规差动的ΔIdmin的取值有了一定的了解, 这让我们对于故障分量差流阈值ΔIdmin的选取有一定的借鉴意义。

理论上说, 动作特性在坐标原点附近死区可以很小, 也就是故障分量拐点制动电流和故障分量差流阈值可以取较小值, 这是因为故障分量比率差动保护可以有效地消除正常负荷分量下不平衡电流, 但是, 在实践中, 你也要考虑到所使用的电路以及装置还有一些别的可能存在的外在影响, 因为这些都可能影响到ΔIdmin和ΔIrmin, 所以, 选取差流故障分量阈值 (ΔIdmin) 是必不可少的一件事, 而且此故障分量差流阈值 (ΔIdmin) 也不能取得太小, 这样可以有效地避免在发生外部故障时保护不会发生误动的情况, 一般情况下ΔIdmin可以取为0.2～0.5 In。

2.2 故障分量拐点制动电流ΔIrmin及K的选取

(1) 制动特性曲线可以分为过原点和不过原点2种, 其中过原点的通用特性为:

表1中就是目前常用的取值方法, 选取的原理不同, 那么最后所得到的特性也是不同的, 所以, 应该根据实际情况来选取适合我们的原理, 不要盲目选取。

(2) 制动系数Kz和斜率之间是存在着一定的转换关系的, 对于Kz来说, 人们对它是这样定义的:

图2给出了制动系数和制动曲线斜率之间关系的几何说明。

注:a=cos (180°-θ) ;I′=max (I1, I2, …) (│I1+I2+…-max (I1, I2, …) │) 。

Kz在区外发生最严重故障的时候取得最大值, 而这个时候, 你只要把Iz=Izmax代入到上面的公式 (6) 中, 就可以得到你想要的制动系数的最大值Kzmax了。

从上面的关系可以看出, 实际上比率制动系数的大小是随制动电流的大小而发生变化的, 根本就不是一个定值, 而是一个会受到外界影响而变化的数。表2说明了最大比率制动系数和比率制动斜率之间的关系。假定Iq=0.8A;Ig=5A;Iz, max=30A。

注:从表中可看出, Kzmax和Ks的关系是一条不过原点的直线关系, 实际工程中Ks一般大于Kzmax

从表2我们可以得出Kzmax与Ks之间的的关系, 在一般情况下Ks是大于Kzmax的, 而且他们之间的关系是一条不过原点的直线。

上面所说的是区外发生严重故障时的情况, 那么当发生区外轻微故障时的情况是怎么样的呢?考虑到如果发生故障的时候, 负荷电流是占了较大的比例, 那么这个时候受到暂态误差的影响的差动电流可能会增大, 再加上制动电流会变小的原因, 这样就会导致故障分量差动保护的制动性能会比较弱一些。这个时候应该怎么办呢?一般情况下, 为了提高区外故障时的可靠性, 经常采取的措施就是把故障分量差动保护的拐点 (制动电流) 取得相对小一些, 简单说就是适当地将斜线向横轴左方平移 (ΔIrmin>ΔIdmin) 。其实, 当你有了一定时间的经验之后, 遇到问题的时候自然而然就知道该怎么处理了, 理论加实践才是成功的基础。

3 故障分量差动保护外部故障动作行为实例分析

整定值 (以发电机额定容量为基值, 实际额定二次电流为I2e=2.5 A) 为:

(1) 差电流阈值ΔIdmin=0.32 A (二次值为0.8A) ;

(2) 拐点制动电流整定值ΔIrmin=1.04 A (二次值为2.6 A) ;

(3) 制动特性曲线斜率K=0.6。

根据保护动作后给出的数据报告所指出的, ΔId>ΔIdmin, 他的数值是0.895安培, ΔIr=ΔIrmin, 都是2.6安培, 这说明, 他们目前还是在差动保护阶段, 还没有进入到制动的阶段。

为什么会发生这次这样的事故呢?根本原因就是整定值的选取出现了问题, 具体问题就是把常规的差动保护整定值的选取运用到了故障分量的整定值选取上, 上面已经分析过了, 这两种整定值是不能够混为一谈的, 这就导致了问题的出现。

怎么解决这样的问题呢, 我们在前面已经分析过了, 我们可以改变拐点处的电流 (制动电流) , 也就是ΔIrmin, 使得ΔIrmin≤ΔIdmin, 即0.32安培/0.6安培=0.53安培。这样做之后, 就不会发生上面所发生的问题了, 如果在区外发生了故障, 保护也不至于会发生误动作。这个例子很具有典型性, 应该注意。

4 结语

安全生产, 不论对谁都是好处多多, 可以避免人力和财力的损失, 在电力系统中, 如果发生事故, 后果是不堪设想的, 所以对于电力系统我们不能掉以轻心, 而且故障分量比率差动保护不仅能够保护电路, 同时还能够提高电力系统的灵敏度。本文对故障分量比率差动保护的整定值选取做了一定的分析和探讨, 得到了一些结论, 减小差电流阈值可以保证内部故障的灵敏度, 拐点制动电流不能取得太大, 这样可以确保发生外部故障时保护不误动作。

参考文献

[1]国家电力调度通信中心.电力系统继电保护典型故障分析[M].北京:中国电力出版社, 2001.

[2]李晓华, 张哲.故障分量比率差动保护整定值的选取[J].电网技术, 2001, (4) :47-50.

[3]邓祥力, 权宪军, 杨泽平, 等.故障分量比率差动对变压器轻微故障检测的研究[J].电力设备, 2004, (8) :31-34.