差动保护工作原理

2024-05-20

差动保护工作原理（共7篇）

差动保护工作原理篇1

1 引言

变压器的故障可分为内部故障和外部故障两类。内部故障主要是变压器绕组的相间短路、匝间短路和中性点接地侧单相接地短路。内部故障是和危险的, 因为短路电流产生的电弧不仅会破坏绕组的绝缘, 烧毁铁心, 而且由于绝缘材料和变压器油受热分解会产生大量的气体, 可能引起变压器邮箱的爆炸。变压器最常见的外部故障, 是引出线绝缘套管的故障, 它可能引起引出线相间短路或接地 (对变压器外壳) 短路。变压器的不正常工作情况有:由于外部短路或过负荷引起的过电流、油面的降低和温度升高等。

2 纵联差动保护的工作原理

变压器纵联差动保护是反应变压器一、二次侧电流差值的一种快速动作的保护装置。用来保护变压器内部以及引出线和绝缘套管的相间短路, 并且也可用来保护变压器的匝间短路, 其保护区在变压器一、二次侧所装电流互感器之间。

变压器纵联差动保护的单相原理接线如下图所示, 在变压器的两侧装有电流互感器, 两侧电流互感器同级性端子相连接, 电流继电器接在差流回路内。将变压器看成是一个节点 (将两侧电流归算至同一个电压等级) , 设一次侧的电流为I1和I'2。二次侧的电流为I"1和I"2, 流入电流继电器的电流IKA。在正常运行和外部k-1点短路时, 如果TA1的二次电流I"1和TA2的二次电流I"2相等 (或相差极小) 则流入继电器KA的电流为IKA=I"1-I"2=0 (或差流值极小) , 继电器KA不动作。而在差动保护的保护区内k-2点短路时, 对于单端供电的变压器来说I"2=0, 所以I-KA=I"1, 超过继电器KA所整定的动作电流IOP, 使KA瞬时动作, 然后通过出口继电器KM使断路器QF1和QF2跳闸, 切除故障变压器, 同时由信号继电器KS1和KS2发出信号。

3 变压器差动保护的不平衡电流及减少措施

变压器差动保护是利用保护区内发生短路故障时变压器两侧电流在差动回路中引起的不平衡电流而动作的一种保护。该不平衡电流用IUN表示, IUN=I'1-I'2, 在正常运行和外部k-1点短路时, 希望IUN尽可能地减小, 理想情况下是IUN=0。但这几乎是不可能的, 不仅与变压器和电流互感器的接线方式及结构性能等因素有关, 而且与变压器的运行方式有关, 因此只能设法使之尽可能地减小。下面简述不平衡电流产生的原因及其减小或消除的措施。

(1) 由于变压器一、二次侧接线不同引起的不平衡电流, 工厂总降压变电所采用Y, dll接线的变压器, 其高、低压侧电流之间就有30度的相位差, 因此, 即使高、低压侧电流互感器二次侧电流做到大小相等, 其差也不会为零, 因而出现由相位差引起的不平衡电流。

为了消除这一不平衡电流, 必须消除上述30度的相位差。为此, 将变压器Y型界限册的电流互感器接成d形接线;而d形接线电流互感器接成Y形接线。这样, 可以使电流互感器二次连接臂 (差动臂) 上的每相电流相位一致, 如下图所示。这样即可消除因变压器高。低压侧电流相位不同而引起的不平衡电流。

(2) 由两侧电流互感器变比的计算值与标准值不同引起的不平衡电流采用上述方法可以使Y, dll变压器的差动保护连接臂上电流相位一致, 但还没做到其大小相等, 这样两者的差仍然不为零。如果变压器两侧电流互感器选的变比与计算结果完全一样, 则不平衡电流=0。但实际所选电流互感器变比不可能与计算值完全相同, 而只能选择与计算值接近的标准变比。故两连接臂撒谎能够还是存在不平衡电流。为了消除这一不平衡电流, 可以在电流骨干起二次回路接入自耦电流互感器来进行平衡, 或利用专门的差动继电器中的平衡线圈来进行补偿, 消除不平衡电流。

(3) 各侧电流互感器型号和特性不同引起的不平衡电流当变压器两侧电流互感器的型号和特性不同时, 其饱和特性也不同 (即使型号相同, 其特性也不会完全相同) 。在变压器差动保护范围外发生短路时, 各侧电流互感器在短路电流作用下其饱和成都相差更大, 因此, 出现的不平衡电流也就更大。这个不平衡电流, 可采用提高保护动作电流躲过。

(4) 由于变压器分接头改变引起的不平衡电流变压器在运行时, 往往采用改变分接头未知 (即改变高压绕组的匝数) 进行调压。因为分接头的改变, 就是变压器变比的改变, 因此, 电流互感器二次侧电流将改变, 引起新的不平衡电流。也可采用提高保护动作电流的措施躲过。

(5) 由于变压器励磁涌流引起的不平衡电流变压器的励磁电流仅流过变压器电源侧, 因此, 本身就是不平衡电流。在正常运行及外部故障时, 此电流很小, 引起的不平衡电流可以忽略不计。但在变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时, 则可能有很大的励磁电流 (即励磁涌流) 。

励磁涌流产生的原因是由于变压器铁心中的磁通不能突变引起过度过程产生的。因此, 在变压器差动保护中减小励磁涌流影响的方法是如下。

(1) 采用具有速饱和铁心的差动继电器。

(2) 采用比较波形间断角来鉴别内部故障和励磁涌流的差动保护。

(3) 利用二次谐波制动而躲开励磁涌流。

在常规保护中现普篇使用的是BCH-2型 (DCD-2型、DCD-2M型) 带速饱和变流器短路线圈的差动继电器。

综合上述分析可知, 变压器差动保护中的不平衡电流要完全消除是不可能的, 但采取措施, 减小其影响, 用以提高差动保护构成的差动保护。

4 变压器的保护配置

电力变压器的微机保护的配置原则与常规保护的配置是基本相同, 但是由于微机保护软件的特点, 一般微机保护的配置较齐全, 灵活。

4.1 中、低压变电所主变压器的保护配置

4.1.1 主保护配置

(1) 比率制动式差动保护。由于中, 低压变电所容量不大, 通常采用二次谐波闭锁原理的比率制动差动保护。 (2) 差动速断保护。 (3) 本体重瓦斯、有载调压重瓦斯和压力释放。

4.1.2 后备保护配置

主变压器后备保护按侧配置, 各侧后备之间、各侧后备保护与主保护之间软件、硬件均相互独立。 (1) 中性点不接地系统变压器过电流保护。Ⅰ段动作跳本侧分段断路器, Ⅱ段动作跳本侧断路器, Ⅲ段动作断开三侧断路器。 (2) 三段过负荷保护。Ⅰ段发信, Ⅱ段启动风冷, Ⅲ段闭锁有载调压。 (3) 冷控失电, 主变压器过温报警。

4.1.3 中线点直接接地系统变压器后备保护的配置。

对于高压侧中性点接地的变压器, 除了上述保护外应考虑设置接地保护。1) 中性点直接接地运行, 配置二段式零序过电流保护。2) 中性点可能接地或不接地运行, 配置一段两实现间隙零序过电流保护。3) 中性点经放电间隙接地运行, 配置一段两实现间隙零序过地阿牛保护。对于双绕组变压器, 后备保护可以配置一套, 装于降压变压器的高压侧 (或升压变压器的低压侧) 。对于三绕组变压器, 后备保护可以配置两套:一套装于高压侧作为变压器本身的后备保护;另一套装于中压侧或低压的电源侧, 并只作为相邻元件的后备保护, 饿日不作为变压器本身的后备保护。

4.2 高压变电所主变压器的保护配置

4.2.1 主保护配置

(1) 比率制动式差动保护, 除采用二次谐波闭锁原理外, 还可以采用波形鉴别闭锁原理或对称识别原理以客服励磁涌流误动。 (2) 工频变化量比率差动保护。 (3) 差动速断保护。 (4) 本体重瓦斯、有载调压重瓦斯和压力释放。

4.2.2 后备保护配置

高压侧后备保护可按下列方式配置: (1) 相间阻抗保护, 方向阻抗元件带3%的偏移度。 (2) 两段零序方向过流保护。 (3) 反时限过激磁保护。 (4) 过负荷报警。

中压侧后备保护同高压侧。低压侧后备保护设两实现过电流保护及零序过电压保护。

摘要：在工厂供电系统中, 变压器占有很重要的地位。因此, 提高变压器工作的可靠性, 对保证工厂安全供电具有非常重要的意义。本文分析了纵联差动保护的工作原理原理, 探讨了其保护配置。

关键词：变压器,纵联差动保护,保护配置

参考文献

[1]杨新民.电力系统微机保护培训教材.北京;中国电力出版社, 2000

[2]丁毓山、南俊星.微机保护与综合自动化系统.北京:中国水利水电出版社, 2002

[3]葛耀中.微机式自适应电压保护研究.继电器.2001第1期

差动保护工作原理篇2

关键词：光纤,电流差动保护,调试

1 光纤电流差动保护的原理

光纤电流差动保护原理是基于基尔霍夫电流第一定律, 利用光纤作为数据传输通道将所保护的输电线路一侧的电流值传送至另一侧, 然后保护装置通过计算线路两侧的电流值来判断是否发生了故障。可以说在理想状态下 (即不考虑输电线路的分布电容、电导以及并联电抗器等因素的影响) , 电流差动保护对任何线路故障的检测都有效。由于电流差动保护所需要传输的信息量很大, 包括了电流的幅值以及相位等信息, 因此其对数据传输通道的要求较高。而光纤具有抗电磁干扰性能良好以及数据传输量大等优点, 正好可以满足上述要求。图1是光纤电流差动保护原理图, 定义从母线流向本保护线路的方向为电流正方向, 则动作电流Id=|IM+IN|, 制动电流Ir=|IM-IN|。

比例制动特性方程为:

Id>Iqd (1)

Id>K×Ir (2)

式中, Iqd为差动继电器的启动电流;K为比率制动系数。

若动作电流同时满足上述方程, 则差动保护动作切除故障[1]。

图2是比率制动特性图, 若输电线路内部发生故障, 则Id很大, 而Ir却很小, 工作点处于动作区内, 保护动作;如果输电线路外部发生故障, 则流过该输电线路的Id很小, 而Ir却很大, 工作点处于非动作区, 保护不动作。

2 光纤电流差动保护的优点及存在的缺陷

2.1 光纤电流差动保护的优点

光纤电流差动保护具有以下优点:以基尔霍夫定律为基础, 原理简单且具备天然的选相功能;能够迅速对故障进行响应并将其快速切除;能够自动适应系统运行方式的变化, 不会受到振荡的影响;PT断线不会对其造成影响。此外, 光纤电流差动保护还不受功率逆向的影响, 适用于短线路和串补线路。

2.2 光纤电流差动保护存在的缺陷

光纤电流差动保护存在的缺陷主要有:其对于光纤传输通道有很强的依赖性, 不仅要求传输不能中断, 还要求很低的误码率;此外, 不同的光纤差动保护所需要的通道也不同, 只能和相同型号的光纤差动保护构成整套保护。

虽然光纤电流差动保护存在一定的缺陷, 但其所具有的种种优点使其在输电线路保护领域有着极为广泛的应用。

3 光纤电流差动保护对光纤通道的要求

光纤传输通道对于光纤电流差动保护极为重要, 电流信息的传输是完全依赖光纤通道来进行的, 因此光纤传输通道的安全性和可靠性就显得尤为重要。由于纵差保护一般都是用作高压输电线路的主保护, 而光纤传输通道在纤芯受潮或断芯等故障情况下会导致传输数据出现大量误码甚至传输中断, 为了保证高压输电线路和电网的安全稳定运行, 必须确保纵差保护不会因为光纤传输通道问题而退出运行。因此, 为纵差保护配置备用光纤通道是十分有必要的。在进行电力通信工程的设计时, 无论是采用复用光纤通道还是专用光纤通道, 都要考虑光纤通道的双重化配置, 所敷设的光缆要预留一定的备用纤芯。如果采用普通光缆则要求敷设2根光缆, 且2根光缆最好要分开2个管道敷设;而采用OPWG光缆, 由于其安全性较高, 所以可以只配置1根光缆, 但要增加备用纤芯, 以确保通道的冗余。在确定备用通道所需纤芯数时, 应按100%后备考虑, 即1根工作纤芯就要同时配置1根备用纤芯[2]。

4 光纤电流差动保护运行维护中的注意事项

对于采用复用PCM通道的光纤电流差动保护, 其与复用PCM之间并无直接联系。正常运行情况下, 可通过环路试验来检查保护装置与光电转换接口之间光纤连接的完好性;可通过光纤网管系统来对PCM设备进行实时检查。但是当光纤转换接口—数字配线架—复用PCM之间的连接出现问题而导致光纤通道告警或者保护退出运行时, 由于运行维护人员缺乏处理故障的经验和有效的检测手段, 往往难以及时发现问题, 使得电流差动保护无法恢复正常运行, 从而影响到电网的安全与稳定。而对于专用光纤通道, 其也会存在断芯、光纤受潮、熔纤工艺不良、接头松动或积灰导致损耗增大等问题, 这些都是运行维护过程中容易忽视的地方。例如, 在实际现场敷设光缆时, 需要经过光缆终端箱, 通过熔纤工序和尾纤熔接在一起, 再和光纤跳线与保护的光纤接口连接。但在实际操作过程中, 往往在熔纤后是将工作通道和备用通道的尾纤都捆放在一起, 需要哪个通道就将哪个通道的尾纤接至保护装置。这种做法容易导致尾纤折断, 并混淆通道, 在操作上也十分不方便, 需要予以纠正[3]。

5 光纤电流差动保护的现场调试

高压输电线路的光纤电流差动保护现场调试工作一直以来难度都比较大, 输电线路两端的距离使得两侧保护不能调用相位处于同一基准的试验电源, 所以难以定量模拟分析线路区内及区外故障。因此, 调试过程中一般都是定性做故障的跳闸试验, 由断路器的跳闸来判断保护是否正确动作[4]。

(1) 在图1的M侧光纤电流差动保护加入三相电流并让N侧保护接收, 如果接收所显示的三相电流有效值处于误差范围以内, 则停止继续加电流;然后再换由N侧加电流, 由M侧接收并查看电流有效值是否符合要求。 (2) 将图1中M侧的断路器合闸, 而N侧断路器则处于分闸位置, 然后往M侧光纤差动电流保护中加入模拟的故障电流信号, 使得其保护动作并造成M侧断路器跳闸;再把M侧和N侧的断路器都合上, 并往N侧PT的二次回路中加入正常电压, 往M侧光纤差动电流保护中加入模拟的故障电流, M侧保护装置应动作但断路器不跳闸;继续保持M侧及N侧断路器处于合闸状态, 然后在N侧将PT二次回路所加的电压去掉, 并向其发送PT断线信号, 同时在M侧光纤差动电流保护中加入模拟的故障电流, 使得保护动作且M侧和N侧的断路器都跳闸。上述调试步骤都完成后再换由N侧重复进行, 直到断路器动作都正确无误, 才结束对光纤电流差动保护的调试。

6 结语

作为在高压输电线路主保护中有着广泛应用的保护装置, 光纤电流差动保护以基尔霍夫电流定律为基础, 能够有效而可靠地对区内和区外故障进行判断, 快速响应并将故障切除。而在实际的运行维护与调试过程中, 继保人员除了要集中精力做好保护装置本身的运维及调试之外, 还要积极与通信系统专业进行沟通与对接, 充分认识到光纤传输通道的安全对保证光纤电流差动保护可靠运行的重要意义, 要重视光纤通道以及备用通道的日常检修工作, 以保证电网的安全稳定运行。

参考文献

[1]刘小利, 姚宗溥, 祝石厚.光纤电流差动保护在固原电网中的应用[J].继电器, 2007 (10) :68～71

[2]夏建矿.关于输电线路光纤电流差动保护的若干问题讨论[J].电力系统保护与控制, 2010 (5) :141～144

[3]陈昌黎, 杨斌.GPS技术在光纤差动保护调试中的应用[J].湖北电力, 2010 (6) :16～17

差动保护工作原理篇3

为提高输电的经济性能,不断满足大容量、远距离输电的需求,中国正规划建设特高压骨干电网。第1条1 000 kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程已建成投运。在该示范工程的线路上配置了2套完整独立的保护系统,其中一套主保护为分相电流差动保护[1]。但是,由于特高压输电线路的分布电容电流很大,使得传统纵联差动保护的灵敏度和可靠性下降严重[2]。目前在保护装置内部解决该问题有2种方法,一是采用电流补偿算法来消除电容电流的影响[3,4],二是采用受电容电流影响小或甚至不受影响的电流差动保护新原理[5,6]。

建立在输电线电磁波传播过程基础上的贝瑞隆模型是一种在系统稳态和暂态过程均能够适用的精确模型。文献[6]提出了一种基于贝瑞隆模型的差动保护原理,通过贝瑞隆模型中的公式得到线路两侧电流的计算值,然后与同侧的实测值进行比较,形成了保护的动作量。该原理比较的是同侧量,与传统的相量差动原理相比不受分布电容电流的影响,也无需另外计算补偿电流。文献[7]将上述判据进行了细化和改进,使之在区内故障时灵敏度提高,允许过渡电阻的能力增强。

基于贝瑞隆模型的计算过程中,输电线路的参数被理想化为固定不变的数值;但在实际的电磁暂态过程中,线路的电阻和电感是频变参数,线路对不同频率分量呈现不同的传输特性。因此,由固定参数的贝瑞隆公式计算的电流数值必然存在一定的误差,使保护性能变差。为克服该缺点,本文提出一种基于Marti模型的线路差动保护原理及其判据,考虑了线路参数的频变特性,使得计算结果更精确,提高了保护的性能。

1 频变参数的线路Marti模型[9]

当线路参数成为频率的函数时,需在频域写出线路方程并求解。线路k-m两侧电流用下式表达:

式中:Ik,Uk分别为线路k-m的k侧电流和电压;Im,Um分别为线路k-m的m侧电流和电压;Zc为线路特征阻抗,

R,L,C均为频率的函数;A为传输函数,,l为线路长度。

Zc与A随频率而变化。由于电力系统的暂态过程易于在时域计算,所以如何将Zc与A的频率特性以及最终结果反映到时域成为解决问题的关键。Marti模型的思路是在复频域中用2个有理函数分别来拟合Zc(ω)与A(ω),将这2个有理函数展开为部分分式并变换到时域后,变化成指数项之和的形式,然后可以对每一指数项进行卷积再求和。

经推导和化简变换到时域后,频变参数的线路模型如下:

式中:Rk为等效电阻;Ikh(t),Imh(t)为全部与历史记录有关的等值电流。

限于篇幅,只给出Ikh(t)的计算公式(Imh(t)的计算与之类似,只需代入m端的电压和电流值):

式中:

ki和pi分别为Zc(ω)拟合函数的各项比例系数和极点;li和qi分别为A(ω)拟合函数的各项比例系数和极点;n为极点个数;fm(t)为式(1)中Fm的时域表达式。

Marti模型考虑了线路参数的频变特性,较之贝瑞隆模型可以更真实地反映线路内部无故障的稳态过程或外部故障时的暂态过程。

2 基于Marti模型的电流差动保护工作原理及判据

对于一条两端点为k,m的三相输电线路,若两侧装有基于Marti模型的电流差动保护装置,其工作过程如下:

1)在k侧的保护装置通过采样得到本侧各时刻的三相电压值和电流值;通过光纤或微波通道得到m点(对侧)同步后的电压、电流采样值。

2)利用Karrenbauer相模变换,将相分量转换为3个没有耦合的α,β,0模分量。

3)利用Marti模型的计算公式得出k,m两侧当前时刻6个电流模分量的计算值,并将模分量转换为相分量。

4)用全周期差分傅里叶算法对6个电流计算值进行滤波,得到基波相量;同样得到6个电流实测值(其中n=a,b,c)。

5)将各相电流计算值与实测值进行比较,形成保护的动作量和制动量,通过判据来判别是否区内故障。

将常规电流差动保护判据[8]进行改进,使之克服电容电流的影响。改进后的判据如下:

式中:ICD为判据的动作量,

为制动系数;IZD为制动量,

I0为固定门槛值。

与常规的保护判据不同,此时的动作电流为两侧的电流计算值与实测值进行比较后之和,制动电流为两侧比较值之差。由于先将同侧量进行比较,因此该原理不受电容电流的影响。

当线路内部无故障时,用Marti模型得到的电流计算值与实测值理论上基本相等,动作量很小,此时,制动量的数值也较小,但是可以通过固定门槛I0来保证保护装置的可靠性。如果线路发生内部故障,则线路两侧的比较值差异很大,必然产生较大的动作量,从而使保护装置动作。I0的选取应考虑各种暂态情况的影响,同时满足大于区内单相接地故障时非故障相最大可能的动作电流和外部故障及故障切除、空载合闸时产生的最大不平衡动作电流的要求。

3 仿真分析

本文利用EMTPE仿真软件建立中国第1条1 000 kV特高压交流输电线路模型(见图1)。然后,利用MATLAB软件在区内故障、区外故障和空载合闸的条件下,分别将基于贝瑞隆模型的差动保护(简称贝瑞隆差动)和基于Marti模型的差动保护原理(简称Marti差动)的性能进行比较。

华北电网等值电源及内阻抗如下:,Zk1=Zk2=(3.2+j105.31)Ω,Zk0=(1.63+j97.3)Ω;华中电网等值电源及内阻抗如下:,Zn1=Zn2=(3.32+j102.53)Ω,Zn0=(6.45+j102.7)Ω。

本文中,仿真步长为0.01 ms,采样频率为每周期48点,故障时刻和开关操作的时间均为0.02 s。

3.1 参数设置

仿真中的线路参数采用国家电网公司相关文件[10]提供的数据,该示范工程由晋东南—南阳(晋南线,358.651 km)和南阳—荆门(南荆线,281.276 km)2段组成。线路为单回路架设,全线均匀换位。相线采用8×LGJ-500/35钢芯铝绞线,八分裂导线,正八边形对称布置,分裂间距400 mm;地线一根采用LBGJ-150-20AC铝包钢绞线,另一根采用OPGW-150光缆。晋南线主要采用酒杯塔,导线水平排列,导线平均对地高度30 m,地线平均对地高度50 m,土壤电阻率500Ω·m。南荆线主要采用猫头塔,导线三角排列,下相导线平均对地高度30 m,上相导线平均对地高度48.5 m,地线平均对地高度63 m,土壤电阻率100Ω·m。晋东南侧装设1组并联电抗器,容量为960 Mvar;南阳侧装设2组并联电抗器,每组容量均为720 Mvar;荆门侧装设1组并联电抗器,容量为600 Mvar。

3.2 电流计算值的结果和分析

图2为南荆线线路首端发生A相接地(区外故障)情况下Marti模型的电流计算值、贝瑞隆模型的电流计算值以及实测值。

由图2可见,贝瑞隆模型的电流计算值与实测值的平均误差为4.83%,而Marti模型的电流计算值与实测值的平均误差为1.45%。贝瑞隆模型的电流计算值的振荡严重,暂态过程误差较大;而Marti模型考虑了线路参数随频率变化的特性,因此其计算结果更加精确。

表1给出了Marti模型中晋南线上Zc和A拟合函数的极点个数。

在计算量大小方面,与贝瑞隆模型相比,Marti模型并没有增加过多的计算量。因为当具体线路条件已知后,相对于每一频率,R(ω),L(ω)和C(ω)有确定值,特征阻抗Zc与传输函数A在各频率点的数值也已知晓,所以Zc与A拟合函数的比例系数和极点均可事先计算出来,减少了在线计算的时间。在上位机进行仿真时,贝瑞隆模型的计算时间为0.016 5 s;Marti模型的计算时间为0.019 1 s,为前者的1.19倍。Marti模型的计算时间虽有所增加,但增加量不大,可满足保护装置动作时间的要求。

3.3 保护特性的仿真结果和分析

3.3.1 区外故障

图3为南荆线首端发生A相接地时的贝瑞隆差动与Marti差动的动作电流。

贝瑞隆差动的保护判据采用文献[7]提出的形式,如下式所示(以A相为例):

式中:动作量的计算同式(4);制动量采用固定门槛I0'加上其他两相动作电流大者的权值。

由图3可见,虽然2种原理的动作量的计算方法相同,但是贝瑞隆差动的动作量比Marti差动大,数值最大可达660 A,约为Marti差动的2.64倍,这是由贝瑞隆模型的电流计算值与实测值的差异较大造成的。此外,贝瑞隆差动的动作电流暂态过程的持续时间较长,如果要使保护装置可靠不动作,其门槛整定值亦需较大。

3.3.2 区内故障

区内故障时,本文主要讨论保护在单相接地故障情况下的灵敏度以及允许过渡电阻能力2个问题。该线路距晋东南侧160 km处发生A相接地故障时2种保护的故障相动作电流的大小见图4。非故障相(B相)的动作量和动作门槛见图5。

从图4可以看出,Marti差动保护中故障相的动作量约为贝瑞隆差动保护动作量的1.34倍。大量的仿真工作表明,Marti差动保护的最大不平衡电流出现在区内单相接地故障时非故障相的最大动作电流时,其值为0.58 kA,取可靠系数为2,则I0应取为1.16 kA。Kz取0.1,针对新判据,灵敏度K值的表达式如下式所示:

因此可以得到Marti差动的灵敏度K1=11.502/(0.1×0.7+1.16)=9.35。

贝瑞隆差动的最大不平衡电流出现在区外故障时,数值可达0.66 kA,取可靠系数2,则I0'为1.32 kA,得到贝瑞隆差动的灵敏度K2=8.43/(0.1×0.872+1.32)=5.99,比Marti差动的灵敏度低。

2种保护的动作门槛都会根据实际电流的大小自动升高,可以更安全地躲过不平衡电流。计算可知,贝瑞隆差动保护的动作门槛与动作量的比值为2.42,而Marti差动保护的动作门槛与动作量的比值为3.10,其选相性能更优。

表2给出了不同过渡电阻情况下2种保护的动作电流。当过渡电阻为600Ω时,贝瑞隆模型差动保护的灵敏度K2=1.908/(0.1×0.872+1.32)=1.356<1.5,此时无法满足保护灵敏度的要求。而Marti模型差动保护的灵敏度K1=2.581/(0.1×0.7+0.85)=2.10,其允许过渡电阻的能力有所增强。

3.3.3 空载合闸

使晋南线首端三相断路器同时空载合闸,对侧断路器始终处于断开状态,A相的动作电流见图6。

从图6可以看到,贝瑞隆差动和Marti差动的动作量都小于动作门槛值,保护不会动作;但Marti差动中由于电流计算值与实测值更为接近,所以补偿暂态电容电流的效果更优,可靠性更高。

4 结语

本文提出一种基于Marti模型的电流差动保护原理。相对于基于贝瑞隆模型的差动保护[6],该原理不受电容电流影响,同时,考虑了线路参数的频变特性,使得计算结果更加精确。改进了常规判据,使之适合基于Marti模型的差动保护原理。仿真计算表明该原理的计算精度高于基于贝瑞隆模型的差动保护:在区外故障和空载合闸时的可靠性优于后者,区内故障时的灵敏度及允许过渡电阻的能力也明显改善。

摘要：为解决特高压长线路上的电流差动保护易受分布电容电流影响的问题,提出了一种基于Marti模型的电流差动保护原理和判据。与基于贝瑞隆模型的差动保护相比,该原理考虑了线路参数的频变特性,使计算结果更加精确。在中国第1条交流特高压示范线路上的仿真结果表明,基于该原理差动保护的可靠性和灵敏度均有明显提高。

关键词：特高压线路,电流差动保护,贝瑞隆模型,Marti模型

参考文献

[1]晋东南-南阳-荆门1 000kV交流特高压试验示范工程二次系统技术条件[R].北京:国家电网公司,2006.

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[9]吴维韩,张芳榴,等.电力系统过电压数值计算[M].北京:科学出版社,1989.

差动保护工作原理篇4

1 变压器各侧电流幅值相位调整及零序电流的消除方式

1.1 接线组别对差动保护的影响及调整方式

对于Y, y0接线的变压器, 由于一、二次绕组对应相电流的相位几乎完全相同。而常见Y, d11接线的变压器, 由于三角形侧的线电压与星形侧相应相的线在相位上相差30°, 故其相应相的电流相位关系也相差30°。即三角形侧的电流比星形侧的同一相电流, 在相位上超前30°, 因此即使变压器两侧电流互感器二次电流的数值相等, 在差动保护回路中也会出现不平衡电流。

1.2 接线组别的常规补偿措施

为了消除由于变压器Y, d11接线引起的不平衡电流影响, 传统方式的相位补偿法是将变压器星形侧电流互感器二次侧接成三角形, 而将变压器三角形侧电流互感器二次侧接成星形, 从而把电流互感器二次电流的相位校正过来。如图1所示。

图中IAY、IBY、ICY分别表示变压器星形侧三相电流 (均表示向量以下同) , 对应的电流互感器二次电流为I’a Y、I’b Y、I’c Y。由于电流互感器二次绕组接成三角形, 故流入差动臂的三相电流为Ia Y=I’a Y-I’b Y、Ib Y=I’b Y-I’c Y、Ic Y=I’c Y-I’a Y分别超前同名相一次侧电流IAY、IBY、ICY30°。这样便可补偿Y, d11型变压器两侧电流30°的相位差, 使变压器在正常运行情况和外部短路时, 同名相流入差动臂的二次电流保持同相位, 从而减小了由于变压器接线组别相位差形成的不平衡电流。

1.3 消除流入差动保护零序电流的必要性及措施

变压器运行过程中, 往往会出现在区外接地故障时, 零序电流流过变压器一侧情况, 如YN, d11型变压器, 当高压侧区外发生接地故障时, 将有零序电流流过高压侧, 而由于低压绕组为d形接线, 在变压器低压侧将无零序电流输出, 若不采取措施使得零序电流不流入差动元件, 在变压器高压侧系统中发生接地故障时, 差动保护可能有误动的危险。

2 比率制动解决区外故障不平衡电流增大的影响

变压器在正常负荷状态下, 电流互感器的误差很小, 这时差动保护的不平衡电流也很小, 但随着外部短路电流的增大, 电流互感器就可能饱和, 误差也随着增大, 这时, 不平衡电流也随之增大, 当不平衡电流超过动作电流时, 差动保护就可能误动。

3 励磁涌流对差动保护的影响及其解决措施

3.1 变压器的励磁涌流

变压器的高低压侧是通过电磁联系的, 故仅在电源的一侧存在励磁电流, 它通过电流互感器构成差回路中不平衡电流的一部分。正常运行时, 其值很小, 一般小于变压器额定电流的3%, 当发生外部故障时, 由于电源侧母线电压降低, 励磁电流将更加减少。

3.2 各种涌流制动方案在实际运行过程中的比较

目前, 国内各保护厂家在涌流制动逻辑上一般有两种不同的方案。

一种采用“一相出现涌流特征, 三相纵差保护全部闭锁”, 即交叉闭锁。某厂PST1200型主变保护二次谐波闭锁逻辑即采用是该种方案。该方案的优点在于提高了变压器空载合闸时差动保护的可靠性, 但同时也牺牲了空投于故障主变时保护的灵敏性。

另一种是采用“涌流的分相制动, 即哪相出现涌流特征, 仅闭锁该相差动”即分相闭锁。某厂的RCS978型主变保护即是采用的该种制动方案。

差动保护工作原理篇5

关键词：电机,纵联差动保护,非周期分量

0 引言

工业应用中的大部分电机为异步电机。传统的电机差动保护是通过比较电机两端的各相电流量来判断电机内部是否发生短路故障的。类似于其它电气主设备的纵联差动保护, 为了在保证可靠性的前提下尽量提高灵敏度, 电机微机纵联差动保护同样采用比率制动特性。

对于发电厂单辅机等较为重要的电机, 其继电保护要求等同于发电机组的主保护要求, 所以需要装设多套不同原理的继电保护来满足其可靠性要求。由于单纯一种传统纵联差动保护显得比较单一, 因此本文提出一种基于非周期分量的电机纵联差动保护新原理。

1 传统的纵联差动保护

具有6个定子引出端的大容量电机 (2MW以上) , 通常采用纵联差动保护作为主保护, 接线如图1所示。机端电流互感器电流与中性点电流互感器电流比较 (机端与中性点的电流互感器型号、变比相同) , 保护装置根据动作电流大小动作于跳闸或信号。

传统纵联差动保护利用电机两侧电流差值来反映故障, 受外部系统震荡影响较大。其动作量为:

制动量为:

式中分别为电机两侧的电流测量向量值;Iop为动作电流;Ires为制动电流。

纵联差动保护的最大不平衡电流按躲过电机最大启动电流考虑。

2 电机暂态非周期分量的特点

电机故障时, 其电流的非周期分量大小和方向与故障时间相关。当且仅当电机电流的故障初始相角为0°时, 其直流分量为零;而当电机电流的故障初始相角不为0°时, 故障分量都有一个比较明显的峰值。因此, 将电机的暂态电流非周期分量作为保护判据的依据, 为电机提供一个辅助保护。

如图1所示, 电机保护范围内故障点K1发生故障后, 保护安装处与中性点处所测得的电流非周期分量的方向是相同的。而当保护范围外故障点K2发生故障后, 保护安装处与中性点处所测得的电流非周期分量的方向是相反的, 表现为穿越电流。当外部系统发生震荡或电压变化时, 保护安装处与中性点处所测得的电流非周期分量方向是相同的。故障发生时, 电机两侧电流非周期分量方向见表1。

由表1可知, 根据故障位置对电流非周期分量方向的影响, 可正确判断故障情况, 从而实现继电保护的正确动作。

3 基于非周期分量的纵差保护

在传统的纵差保护接线基础上, 利用所测数据Ia1、Ia2、Ib1、Ib2、Ic1、Ic2, 令I1=[Ia1, Ib1, Ic1], I2=[Ia2, Ib2, Ic2]。其中, I1、I2分别为电机定子始端与中性点处所测得的三相电流。先利用快速傅里叶变换将所测得的量测数据进行傅里叶变换, 获得暂态直流分量Idc1与Idc2;然后, 通过对所得的暂态直流分量进行逻辑处理, 得到一个判据, 从而对电机的故障情况进行有效判断。

基于非周期分量的动作电流为:

式中, Idc1、Idc2分别为电机两侧所测非周期分量的三维列向量。

当保护区外发生故障时, 非周期分量表现为穿越电流, 保护两侧的直流分量测量值方向相反, 因而Iop为一个较小的值;但是, 当保护区内发生故障时, 非周期分量在保护两侧的方向相同, 因而Iop为一个较大的值。

在此基础上, 加入一定的制动电流来防止误动, 以提高继电保护的灵敏性。令制动电流为:

当保护区外发生故障时, 保护两侧的直流分量测量值方向相反, 因而Ires为一个较大的值;而当保护区内发生故障时, 非周期分量在保护两侧的方向是相同的, 因而Ires为一个较小的值。

非周期分量电机纵联差动保护新判据:

式中, Iset按躲过最大不平衡电流来整定。新判据逻辑原理如图2所示。

4 仿真验证

利用PSCAD/EMTDC软件对图1接线和图2逻辑判据进行仿真, 以某电厂一次风机参数作为电机参数, 采用快速傅里叶变换来获得非周期分量, 完成对故障的判断。按照内部故障与外部故障, 不同故障位置的单相故障、两相故障、两相接地故障、三相故障分别进行仿真, 来验证该判据的灵敏性和可靠性。故障开始时间为5s, 仿真结果如下。

(1) 母线发生对称故障 (区外故障) 时, 电机电流非周期分量纵联差动保护动作判据值如图3所示, 电机两侧直流分量方向相反, 各相判据电流小于零。

(2) 母线发生不对称故障 (A、C相短路, 区外故障) 时, 电机电流非周期分量纵联差动保护动作判据值如图4所示, 电机两侧直流分量方向相反, 故障相判据电流小于零, 非故障相判据电流波动不大, 保护可以可靠不动作。

由 (1) 、 (2) 分析可知, 该判据在区外故障时可靠性良好, 能满足电机保护要求。

(3) 电机保护内发生对称故障时, 电机电流非周期分量纵联差动保护动作判据电流值如图5所示, 电机两侧直流分量方向相同, 各相判据电流远大于零, 保护可以可靠动作。

(4) 电机发生非对称故障 (A、C相, 区内故障) 时, 电机电流非周期分量纵联差动保护动作判据电流值如图6所示, 电机两侧直流分量方向相同, 故障相判据电流远大于零, 保护可以可靠动作。非故障相判据电流基本在零值, 有小的波动。

由 (3) 、 (4) 分析可知, 该判据在区内故障时灵敏性优良, 能满足电机保护要求。

仿真试验结果表明, 利用暂态非周期分量构成的电机纵联差动保护能够准确判别电机区内、区外故障。但是, 若某相电流绝对过零时此相正好发生单相接地故障, 则会因没有暂态非周期分量出现而导致非周期分量纵联差动保护不启动, 因此要采取相应措施。

5 结束语

理论分析和仿真结果表明:利用电机两侧的初始暂态电流中暂态非周期分量可准确判断、区分区内、区外故障;基于非周期分量的电机纵联差动保护不受故障类型影响, 能够准确找出故障相;因电流过零点时发生故障, 非周期分量会消失, 故基于非周期分量的电机纵联差动保护需与其它保护配合使用。

参考文献

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差动保护工作原理篇6

目前国内外数字式差动保护的种类很多,有关差动电流、制动电流计算公式不尽相同,现场调试人员在检测差动保护制动特性时一般分相测试,给测试相的其中两侧加入两相电流,此两相电流必须根据差动电流、制动电流计算公式首先计算好。在计算时还需根据各侧TA变比及运行接线方式对各侧电流加以修正。目前,大多数单位采用微机保护测试仪来进行此项工作,大大方便了调试工作,提高了工作效率[1]。

1 保护原理

1.1 动作判据

如图1所示,被测对象为发电机变压器组单元接线,主变为Y,d11接线。主变高压侧、发电机机端及高厂变高压侧分别加装保护用电流互感器TA1、TA2、TA3。尽管主变为双绕组,但由于差动保护用TA接于三个分支电路中,因此动作特性方程与三绕组变压器一致。如考虑补偿电流,同时测试三个分支的差流则需要四路电流。由于保护用测试仪只能提供三路电流的输入,因此实际测试过程中只接入主变高压侧电流 $\dot{Ι}_{h}$ 和发电机机端电流 $\dot{Ι}_{l}$ ,差动电流、制动电流、动作特性及二次谐波制动如公式(1)-(4)所示。

差动电流: $\dot{Ι}_{d} = | \dot{Ι}_{h} + \dot{Ι}_{l} | (1)$

制动电流: $\dot{Ι}_{z} = \max [Ι_{h}, Ι_{l}] (2)$

动作特性:

$\begin{array}{l} Ι_{d} \geq Ι_{q} (Ι_{z} ＜ Ι_{g}) \\ Ι_{d} \geq Κ_{z} (Ι_{z} - Ι_{g}) + Ι_{q} (Ι_{z} \geq Ι_{g}) \\ Ι_{d} \geq Ι_{s} \end{array}} (3)$

二次谐波制动特性: Id2≥ ηId (4)

其中,Iq:启动电流;Ig:拐点电流;Kz:比率制动系数;Is:速断电流;Id2:差动电流中的二次谐波电流分量;η:二次谐波制动比。

由公式(3)可画出保护的动作特性,如图2所示。

1.2 逻辑框图及保护整定原则

保护逻辑框图如图3所示。

1.2.1 启动电流Iq

躲过变压器正常运行时的最大不平衡差流。

Iq=(0.4～0.5)IN

IN:变压器基准侧的额定电流。

1.2.2 拐点电流Ig

躲过区外远处故障或近区故障切除瞬间产生较大不平衡差流的影响。

Iq=(0.5～0.7)IN

1.2.3 比率制动系数Kz

躲过变压器出口三相短路时产生的最大暂态不平衡差流,取0.4～0.5。

1.2.4 二次谐波制动比η

躲过变压器空投时的励磁涌流,确保变压器内部故障导致故障电流波形畸变时,差动保护能可靠动作。η取0.13～0.2。

1.2.5 差动速断电流Is

躲过变压器空投时的励磁涌流或外部短路时的最大不平衡电流。

Is=KIN

1.2.6 速断电流倍数K

取4～10。

2 计算分析过程

2.1 电流相位补偿

为保证Y,d11纵差动保护用TA二次侧电流相位保持一致,在接线上采用相位补偿和数值补偿的方法。在微机保护中通过软件来实现,允许变压器各侧TA二次侧都按Y形连接,在进行差动计算时由软件对变压器Y侧TA二次侧电流进行电流相位补偿。

设变压器Y侧TA二次侧三相电流经取样和数字滤波后得到的电流为 $\dot{Ι}_{A}$ 、 $\dot{Ι}_{B}$ 、 $\dot{Ι}_{C}$ ,软件按公式(5)可求得用作差动计算的三相电流 $\dot{Ι} ´_{A}$ 、 $\dot{Ι} ´_{B}$ 、 $\dot{Ι} ´_{C}$ 。

$\begin{array}{l} \dot{Ι} ´_{A} = \dot{Ι}_{A} - \dot{Ι}_{B} \\ \dot{Ι} ´_{B} = \dot{Ι}_{B} - \dot{Ι}_{C} \\ \dot{Ι} ´_{C} = \dot{Ι}_{C} - \dot{Ι}_{A} (5) \end{array}$

由上式可知,用软件实现了电流相位的转换,使高低压侧电流相位保持一致[2]。

2.2 计算电流平衡调整系数Kb

用软件进行相位补偿后,由于变压器各侧一次额定电流不等及各侧TA接差动回路的变比不等,还必须对各侧计算电流进行平衡调整,才能消除不平衡电流对变压器纵差动保护的影响。

如图2所示,主变采用Y,d11接线,变比为20/550kV,高压侧TA1变比nY=2500/1,发电机出口TA2变比n△=25000/5,以低压侧TA2电流为基准,可计算出高、低压侧Kb。

由于主变电流互感器的极性端都指向变压器,每相差动回路的电流为:

$Ι_{d} = | \dot{Ι}_{2 C . h} Κ_{b h} + \dot{Ι}_{2 C . l} Κ_{b l} | (6)$

其中, $\dot{Ι}_{2 C . h}$ 为高压侧TA1二次计算电流; $\dot{Ι}_{2 C . l}$ 为发电机出口TA2二次计算电流;Kbh为高压侧电流平衡调整系数;Kbl为低压侧电流平衡调整系数。

∵以低压侧电流为基准,∴Kbl=1,正常时 $\dot{Ι}_{2 C . h}$ 与 $\dot{Ι}_{2 C . l}$ 反向,取差动电流Id=0,由公式(6)可知, $\dot{Ι}_{2 C . h} Κ_{b h} = \dot{Ι}_{2 C . l}$ ,即:

$\begin{array}{l} Κ_{b h} = \frac{\dot{Ι}_{2 C . l}}{\dot{Ι}_{2 C . h}} = \frac{S_{e} / \sqrt{3} U_{△} n_{△}}{S_{e} / U_{Y} n_{Y}} = \frac{U_{Y} n_{Y}}{\sqrt{3} U_{△} n_{△}} = \\ \frac{550 \times 2500}{\sqrt{3} \times 20 \times 5000} = 7.94 (7) \end{array}$

3 测试过程

3.1 输入TA/TV定义

将微机保护测试仪与发变组保护柜端子排按表1进行连接。

3.2 电流补偿

测试时,从主变高压侧TA二次侧A相加入电流,即加入 $\dot{Ι}_{A}$ ,由公式(5)可知,由于装置软件对角度的调整作用,在通道监测界面上可以看到A、C相都有电流显示,即 ${\dot{Ι}}^{'}_{A} = \dot{Ι}_{A} ‚ {\dot{Ι}}^{'}_{C} = - {\dot{Ι}}^{'}_{A}$ 。为了测量变压器A相差动保护的比率制动特性,需要同时在发电机c相加入相应的补偿电流,以消除C相差流对A相差动比率制动特性测试的影响。

为求得A相差流,取两侧电流相位相差180°。设发电机a相电流 $\dot{Ι}_{a} = Ι ∠ 0 °$ ,利用公式(1)-(3)及给定的定值,可以计算出高压侧A相折算到低压侧时所加电流的幅值,该电流即为发电机c相应补偿的电流值。设该电流幅值为IX,根据公式(7)将其折算到变压器高压侧后,其幅值为IX/7.94,高压侧A相电流为 $\dot{Ι}_{A} = \frac{\dot{Ι}_{X}}{7.94} = \frac{Ι_{X}}{7.94} ∠ 180 °$ 。根据公式(5),可知 ${\dot{Ι}}^{'}_{A} = \dot{Ι}_{A} = \frac{Ι_{X}}{7.94} ∠ 180 °$ ,高压侧C相差流 ${\dot{Ι}}^{'}_{C} = - \dot{Ι}_{A} = \frac{Ι_{X}}{7.94} ∠ 0 °$ ,为抵消 ${\dot{Ι}}^{'}_{C}$ 所产生的差流,在发电机c相应通入的电流 $\dot{Ι}_{c} = Ι_{X} ∠ 180 °$ 。

3.3 测试过程

以表2中的整定值为例,对启动电流Iq、二次谐波制动系数η、比率制动系数Kz、速断区斜率KS进行测试。

3.3.1 测试启动电流Iq

在测试仪b相输入发电机a相电流 ${\dot{Ι}}^{'}_{a} = 1.49 ∠ 0 ° A$ ,测试仪a、c相电流均为零,变量为Ib,步长为0.01A,则差流Id=1.49A,制动电流Iz=1.49A,初始测量坐标为(1.49,1.49)。启动后增加Ib,则图2中的初始测试点按斜率为1的直线向右上方移动,直至保护动作,记录启动电流测试值为1.52A,如表2所示。

3.3.2 测试二次谐波制动系数η

在测试仪b相输入发电机a相电流 $\dot{Ι}_{a} = 1.6 ∠ 0 ° A$ ,则根据公式(4)可知,二次谐波的理论制动电流为0.32A。测试仪c相输入0.3A的二次谐波电流,频率为100Hz,将测试仪c相电流首末端分别接入端子1X:19和1X:34,即与发电机a相电流并联,变量为Ic,步长为0.01A。启动后保护动作,增加Ic至保护返回,测试值为0.33A,计算制动系数η为0.33/1.6=0.206,如表2所示。

3.3.3 测试比率制动系数Kz

①计算速断电流Is及D点横坐标IzD。速断电流Is=KIN=3×3=9A,将其代入公式(3)中,比率制动系数测试如图4所示,可得D点横坐标IzD=20.75A。

②在线段AD上任取两点B、C,保证两点的横坐标位于Ig和IzD之间。例如,设IzB=5A,IzC=8A(为保证测试的准确性,两个电流值不宜太接近)。

③在测试B点时,如果在测试仪b相通入发电机a相电流为5A,相位角为0°;理论上变压器高压侧折算至低压侧的临界动作值为X,根据公式(3)可知:(5-X)=0.4(5-2)+1.5,X=2.3A,理论上B点临界差流IdB=5-2.3=2.7A。由计算结果也可验证,B点制动电流IzB=max[5,2.3]= 5A。将X折算到变压器高压侧,得到变压器A相理论临界动作电流为2.3/7.94=0.29A,相位为180°。

为保证初始测试点B′点可靠位于制动区,即初始测试差流I′dB<2.7A,变压器A相实际通入电流应略大于0.29A。由以上分析可知,测试点B′的横坐标同B点,IzB=5A;纵坐标I′dB<2.7A,即B′点位于B点正下方。

为消除变压器C相差流对A相差动比率制动特性测试的影响,发电机c相应通入的电流为2.3∠180°A,实际测试期间即便变压器高压侧A相电流略有调整(即实际A相电流可能在0.29A附近),在C相所产生的差流也不足以引起保护误动作。

经上述分析,在测试仪b相通入发电机a相电流 $\dot{Ι}_{a} = 5 ∠ 0 ° A$ ;测试仪a相通入变压器A相电流 $\dot{Ι}_{A} = 0.3 ∠ 180 ° A$ ;测试仪c相通入发电机c相电流 $\dot{Ι}_{c} = 2.3 ∠ 180 ° A$ 。变量为Ia,步长为0.01A,启动后保护不应该动作,缓慢减小Ia,则测试点由B′点向B点移动,直至保护动作,记录测试值为0.28A,实测差流计算值I″dB=5-0.28×7.94=2.78A。

④同理,在测试C点时,IzC=8A。在测试仪b相通入发电机a相电流 $\dot{Ι}_{a} = 8 ∠ 0 ° A$ 测试仪a相通入变压器A相电流 $\dot{Ι}_{A} = 0.52 ∠ 180 ° A$ ;测试仪c相通入发电机c相电流 $\dot{Ι}_{c} = 4.1 ∠ 180 ° A$ 。变量为Ia,步长为0.01A,启动后保护不应该动作,缓慢减小Ia,则测试点由C′点向C点移动,直至保护动作,记录测试值为0.51A,如图5所示。实测差流计算值值I″dC=8-0.51×7.94=3.95A。

⑤比率制动系数测试值K″z的计算,如表2所示。

$Κ^{″}_{z} = \frac{Ι^{″}_{d C} - Ι^{″}_{d B}}{Ι_{z C} - Ι_{z B}} = \frac{3.95 - 2.78}{8 - 5} = 0.41$

3.3.4 测试速断区斜率KS

由于速断区斜率为微机保护固化值,理论上为0,因此该参数不可调,可采用与测试比率制动系数Kz相似的方法进行测试,此处不再赘述。

注:由于该项测试时通入测试仪的电流较大,应加快测试速度,防止测试仪烧坏。

摘要：针对目前大型变压器差动保护广泛采用比率制动的原理,以国电南京自动化股份有限公司生产的DGT801系列数字式发电机变压器组保护装置为例,说明保护的测试方法。

关键词：比率制动,变压器,差动保护,测试

参考文献

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差动保护工作原理篇7

在《可再生能源法》及相关配套政策支持下, 我国风电产业得到了快速发展。按照国家风电发展规划, 2015年我国风电规模将达到1亿kW。随着风机装机容量的增加, 风电系统及设备的运行安全问题也逐步暴露出来[1,2,3,4,5,6]。

早期建设的风电场35 kV汇集线系统通常采用中性点不接地或者经消弧线圈接地的接地方式, 并且通常不安装母线保护装置, 而是依靠线路保护装置相过流Ⅱ段、Ⅲ段保护切除汇集线母线故障。中性点不接地或者经消弧线圈接地系统的母线在发生单相故障时, 故障电流特征不明显, 导致线路保护的相过流判据可能存在灵敏度不足的问题, 很难在短时间内切除故障。而风力发电机与箱变的电缆接头处由于绝缘程度相对较差, 若故障长时间存在, 容易引发爆炸导致三相故障, 进而拉低系统电压, 最终会造成风力发电机脱网。为避免此类情况的发生, 国家电网公司特别对风电场35 k V汇集线的单相接地问题提出了事故反措要求。反措中明确要求:对于新建风电场, 建议汇集线系统采用经电阻接地方式, 并配置单相接地故障保护;汇集线系统35 k V母线应配置母差保护[7]。

然而, 在中性点经高阻接地的情况下, 汇集线母线发生单相故障时, 同样面临着常规母线差动保护灵敏度不足的问题。

1 常规母线差动保护存在的主要问题

1.1 常规母线差动保护方法

以国内应用较为广泛的BP系列母线保护装置为例, 采用比率差动保护来切除母线故障[8,9,10]。

母线差动保护的启动判据为和电流突变量判据与差电流越限判据取“或”逻辑, 任一判据满足, 差动保护启动。

和电流突变量判据为

式中:Δir为和电流瞬时值比前一周波的突变量;ΔIdset为突变量门槛值。

差电流越限判据为

式中:Id为差电流;Idset为差动保护启动电流定值。

母线差动保护动作判据由复式比率差动判据及差动复合电压闭锁判据取“与”逻辑, 两个判据都满足, 差动保护动作。

复式比率差动判据如下

式中:Kr为复式比率系数, 由厂家内部固定, 在母线并列运行取值为1, 在母线分列运行取值为0.3;Ir为和电流。

差动复合电压闭锁判据由相电压、零序电压、负序电压取“或”逻辑组成。相电压门槛值、零序电压门槛值、负序电压门槛值均由厂家内部固定, 不能进行整定。其中, 相电压门槛值为0.7倍相电压额定值;零序电压门槛值固定为6 V;负序电压门槛值固定为4 V。

1.2 主要问题

1) 启动门槛值存在的问题

经高阻接地的汇集线母线上发生单相故障时, 产生的大差三相差电流值较小, 可能达不到常规差动电流启动门槛定值。

2) 动作门槛值存在的问题

风电系统负荷变化时, 由于常规差动动作门槛值固定不变, 可能会存在系统低负荷运行时差动保护动作门槛值灵敏度不足, 系统重负荷运行时差动保护动作门槛值可靠性不足的问题。

3) 比率判据存在的问题

经高阻接地的汇集线母线上发生经过渡电阻的单相故障时, 通常伴随着较大的流出电流, 无法满足常规差动比率复式比率判据;并且在发生区内外故障时, CT传变误差及非周期分量可能会对差动保护造成影响。

4) 差动复合电压判据存在的问题

经高阻接地的汇集线母线上发生经过渡电阻的单相故障时, 母线电压可能无法降落, 导致差动复合电压判据无法开放。

文献[11]提出了一种基于零序电流量的母线差动方法, 但对于经高阻接地的母线发生经过渡电阻接地故障时, 依然可能面临差动灵敏度不足的问题, 并且需要增加交流采样数目。

基于传统母线差动保护存在上述问题, 本文提出了一种基于波形识别原理的高灵敏度差动保护方法并对此解决方案进行了详细的仿真分析。

2 高灵敏度差动保护方法

1) 启动判据

采用固定启动门槛值判据, 启动后则进行自适应动作门槛值判据判断。

固定启动门槛值判据为

式中:Ida、Idb、Idc分为大差回路大差A相、B相、C相差电流;In为基准CT变比的二次额定值。固定启动门槛值取值0.05In, 保证了在母线故障情况下有很大流出电流时启动判据仍具有可靠性, 大差回路三相差电流达到0.05In即可启动, 启动值非常小, 灵敏性高。

2) 自适应动作门槛值判据

根据风电系统中负荷大小自动调整差动动作门槛值, 以解决系统低负荷运行时差动保护的灵敏度和系统重负荷运行时差动保护的可靠性问题。

自适应动作门槛值判据为

式中:Iida、Iidb、Iidc分别为第i母线小差回路小差A相、B相、C相差电流;Idseta、Idsetb、Idsetc分别为A相、B相、C相自适应动作门槛值, 取值方法为:若连接在该母线上的各支路的电流均小于1.2In, 三相自适应动作门槛值均取值为0.05In;若连接在该母线上的各支路的电流均大于等于1.2In, 三相自适应动作门槛值均取值为0.05倍的大差回路三相和电流。

三相自适应动作门槛值表达式为

式中:Ia max、Ib max、Ic max分别为母线上电流最大支路的A相、B相、C相电流有效值;Ira、Irb、Irc分别为大差回路A相、B相、C相和电流。

3) 自适应差动比率判据

自适应比率判据在母线区内故障时高灵敏差动保护比率极易满足, 区外故障时则具有很强的制动特性, 以解决系统发生区内外故障时CT传变误差及非周期分量对高灵敏差动保护的影响。

自适应差动比率判据为

式中, Iira、Iirb、Iirc为i母线小差回路A相、B相、C相和电流。

Kr的取值方式为

式中:Dm为谐波档位, 根据相电流谐波含量占该相基波含量的百分比分档确定取值:当相电流谐波含量占该相基波含量小于10%时, Dm=1;当相电流谐波含量占该相基波含量在10%至30%之间时, Dm=2;当相电流谐波含量占该相基波含量在30%至50%之间时, Dm=3;当相电流谐波含量占该相基波含量在50%以上时, Dm=4。

4) 电压突变判据

根据系统从稳态向故障态变化过程中电压瞬时值的突变特点, 使得高灵敏差动保护迅速灵敏的捕捉到系统发生的变化, 以解决系统故障期间电压有效值门槛值不满足开放条件问题。

电压突变判据为

式中:ΔUia、ΔUib、ΔUic分别为第i条母线A相、B相、C相电压瞬时值相比前一周波瞬时值的突变量;Un为相电压二次额定值, 为

5) 和电流突变判据

为防止CT断线情况下的电压波动对高灵敏差动可靠性造成影响, 利用母线区内发生故障时和电流变大, 而CT断线时和电流变小的特点, 增加和电流突变判据, 排除CT断线等异常情况对高灵敏差动保护造成的影响, 确保高灵敏差动保护动作的正确性及可靠性。

和电流突变判据为

式中, ΔIra、ΔIrb、ΔIrc分别为大差回路A相、B相、C相和电流瞬时值相比前一周波瞬时值的突变量。

逻辑框图如图1所示。

3 仿真分析

为验证本文所提出的新原理, 利用RTDS在图2的基础上进行仿真验证。其中L1与110 kV系统S相连, L2、L3、L4与风机相连, L5、L6与SVG相连。L1支路的CT变比为1200/5, 其余支路的CT变比均为800/5。变压器中性点接地电阻设置为200Ω。故障点f1设置在母线上, f2设置在L2风机支路上。

在故障点f 1处仿真A相单相接地故障, 保护可靠动作, RTDS仿真波形如图3所示。

图3中, U1A、U 1B、U 1C分别代表母线三相电压;I1A~I 6C分别代表L1~L6支路的三相电流;TZ1代表跳闸信号;由于通道数较多, 图中省略了其他支路跳闸信号。由图3分析可得, 在母线发生故障时, 有较大的流出母线电流, 不能满足常规母线差动保护比率判据, 常规母线差动保护无法动作。而采用本文提出的新方法, 能够及时、可靠动作。采用同样的方法, 在f 1点进行B、C相单相接地、两相接地、相间及三相短路故障, 保护装置均可靠动作。

在f 2点进行分别进行单相接地故障、两相接地故障、两相相间故障、经过渡电阻接地故障的仿真测试, 高灵敏度差动保护均可靠不动作。

模拟L2支路CT断线的情况, RTDS仿真波形如图4所示, 高灵敏度差动保护可靠不动作。

仿真结果表明采用本文提出的新方法, 在母线发生故障时, 高灵敏度差动保护均能可靠动作, 在母线区外发生故障时, 高灵敏度差动保护均能可靠不动作。

4 结论

风电场汇集线母线发生单相接地故障时若不尽快切除, 将严重威胁设备及人身安全以及电网稳定运行。为了快速切除母线故障, 本文提出了一种高灵敏度差动保护方案。根据这一方案, 利用故障后的波形信息, 构建了自适应动作门槛值及比率判据, 能够快速识别母线单相故障, 并有效避免谐波的影响, 防止区外误动。通过RTDS仿真试验, 验证了所提方法的有效性。

摘要：针对风电场中性点经高阻接地系统汇集线母线单相故障时常规母线差动保护灵敏度不足的问题, 提出一种基于波形识别原理的高灵敏度差动保护方法。该方法识别故障波形特征, 根据负荷情况实时调整浮动门槛值, 同时, 根据系统谐波含量实时调整差动比率系数, 有效避免因谐波引起的高灵敏度差动保护误动作。RTDS的仿真结果表明, 该方法能够保证中性点经高阻接地系统在发生单相故障时, 迅速切除故障。该方案的应用, 对于保护电气设备、维护风电系统稳定运行具有重要意义。

关键词：风电场,母线保护,波形识别,差动保护,灵敏度

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