基于采樣值差動(dòng)原理的變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)抗飽和優(yōu)化措施

（長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)的主要功能是在變壓器嚴(yán)重區(qū)內(nèi)故障時(shí)快速動(dòng)作，切除故障變壓器。變壓器速斷保護(hù)要求在1.5倍定值下，20 ms可靠動(dòng)作出口[1]。變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)可理解為差流的過(guò)流保護(hù)，一般整定門(mén)檻值較高，且不受勵(lì)磁涌流、CT（電流互感器）斷線及CT飽和的閉鎖。差動(dòng)速斷定值通常按躲過(guò)變壓器空投時(shí)的最大勵(lì)磁涌流或外部故障時(shí)的最大不平衡電流整定，而勵(lì)磁涌流和外部故障時(shí)的不平衡電流很難準(zhǔn)確計(jì)算，尤其當(dāng)區(qū)外故障時(shí)會(huì)因CT飽和產(chǎn)生不平衡電流，因此在實(shí)際工程中通常采用經(jīng)驗(yàn)值。現(xiàn)場(chǎng)曾發(fā)生多起由于CT飽和導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)作情況[2-9]。

本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)一起由于CT飽和引起的差動(dòng)速斷動(dòng)作行為進(jìn)行分析，提出了一種基于采樣值差動(dòng)原理的差動(dòng)速斷保護(hù)抗飽和措施。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況說(shuō)明

某220 kV變電站主接線方式如圖1所示。其中220 kV雙母線接線，110 kV，35 kV單母雙分接線，2臺(tái)180 MW三圈變壓器（220 kV/110 kV/35 kV）。故障前運(yùn)行狀態(tài)為1號(hào)主變壓器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“主變”）高壓側(cè)、中壓側(cè)斷路器合位運(yùn)行，低壓側(cè)斷路器分位。2號(hào)主變高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)斷路器合位運(yùn)行，低壓側(cè)分段合位。

圖1 主接線圖

運(yùn)行中，35 kVⅡ段母線一條出線間隔發(fā)生接地短路故障，線路保護(hù)裝置正確動(dòng)作，跳開(kāi)線路斷路器，同時(shí)2號(hào)主變雙套保護(hù)的差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)2號(hào)主變?nèi)齻?cè)斷路器。

現(xiàn)場(chǎng)變壓器保護(hù)裝置定值見(jiàn)表1，變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻的差動(dòng)電流幅值見(jiàn)表2。

表1 變壓器保護(hù)定值

35 kV線路故障期間，變壓器高、中、低各側(cè)電流波形如圖2所示。

表2 保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻差流幅值

圖2 變壓器各側(cè)電流波形

2 保護(hù)動(dòng)作原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)波形分析，變壓器區(qū)外低壓側(cè)發(fā)生故障時(shí)流經(jīng)變壓器的故障電流較大，低壓側(cè)A相CT二次電流最大峰值到達(dá)140.7 A，CT發(fā)生飽和，波形傳變異常，畸變嚴(yán)重。

從變壓器自身安全角度出發(fā)，差動(dòng)速斷保護(hù)的設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單可靠，不受CT飽和閉鎖，當(dāng)差流幅值滿(mǎn)足差動(dòng)速斷門(mén)檻值時(shí)即滿(mǎn)足差動(dòng)速斷動(dòng)作條件。

現(xiàn)場(chǎng)差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻，A相差流幅值為7.811 A，大于差動(dòng)速斷門(mén)檻值（7.06 A），滿(mǎn)足差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作條件，因此保護(hù)動(dòng)作。

3 CT飽和原因及波形特征分析

從保護(hù)動(dòng)作波形分析可知，在區(qū)外故障期間，變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)電流波形均傳變正常，低壓側(cè)電流在故障開(kāi)始時(shí)傳變正常，隨著故障的持續(xù)發(fā)展，三相電流傳變異常，出現(xiàn)飽和特征。

3.1 CT飽和原因分析

一般情況下引起CT飽和的主要原因有[10-12]：

（1）與CT的故障電流和二次負(fù)載有關(guān)。在短路時(shí)，可能有較大的故障電流流經(jīng)變壓器，當(dāng)電流使CT鐵心磁密增大時(shí)，可能會(huì)引起CT飽和。

（2）與CT的故障電流的直流分量和非周期分量有關(guān)。當(dāng)電流含有較大的直流分量或者非周期分量時(shí)，即使電流幅值較小，也可能引起CT飽和。

（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(shí)，故障電流中通常有較大的直流分量，CT鐵心中交流穩(wěn)態(tài)磁通增大，直流分量引起的非周期磁通增大，若鐵心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(huì)加劇CT的飽和程度。

3.2 CT飽和波形特征分析

CT飽和的典型波形特征如圖3所示，圖中IA1為CT一次電流，IA2為CT二次電流。當(dāng)流過(guò)CT的一次電流值較小時(shí)，未達(dá)到CT鐵心磁通飽和的條件，此時(shí)電流正常傳變。隨著電流值的增大，當(dāng)CT的鐵心磁通達(dá)到飽和后，二次電流值呈指數(shù)規(guī)律衰減。飽和后的波形出現(xiàn)缺損狀態(tài)。當(dāng)一次電流減0，進(jìn)而反向增加時(shí)，鐵心磁通退出飽和狀態(tài)，電流再次正常傳變。

圖3 CT飽和典型波形

CT飽和情況下，一般在每個(gè)周波內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)2個(gè)線性傳變區(qū)，可以根據(jù)線性傳變區(qū)特征識(shí)別飽和，當(dāng)前主流應(yīng)用的識(shí)別CT飽和的時(shí)差法判據(jù)即采用了此原理[13-16]。

變壓器區(qū)外故障引起CT飽和時(shí)，在波形線性傳變的區(qū)域，變壓器各側(cè)電流均正常，此時(shí)無(wú)差流。在非線性傳變區(qū)域，將出現(xiàn)差流，如圖4所示。其中：I3A，I3B，I3C為飽和側(cè)電流波形，其他側(cè)電流傳變正常；IDA，IDB，IDC為縱差差流波形。為便于對(duì)比分析，僅列出飽和側(cè)電流和差流波形，正常傳變側(cè)電流波形未列出，下同。

圖4 RTDS仿真變壓器區(qū)外故障CT飽和波形

CT飽和后的相電流和差流波形呈現(xiàn)間斷角、高諧波含量等特征，其中以二次諧波、三次諧波為主，比率差動(dòng)保護(hù)的CT飽和判據(jù)中常以諧波判據(jù)作為飽和識(shí)別后的開(kāi)放邏輯，當(dāng)諧波含量低于內(nèi)部門(mén)檻時(shí)，延時(shí)開(kāi)放比率差動(dòng)保護(hù)。

3.3 減少CT飽和發(fā)生的措施

隨著電網(wǎng)容量的增大，區(qū)外故障時(shí)流過(guò)CT回路中的短路電流有逐漸增大的趨勢(shì)，CT較容易發(fā)生飽和。針對(duì)此情況，建議采取以下措施：

（1）合理選用電流互感器，一般選用抗飽和性能好的TPY級(jí)CT。

（2）減少CT二次回路阻抗，提高抗飽和特性。

（3）調(diào)整運(yùn)行方式。當(dāng)站內(nèi)有多臺(tái)變壓器時(shí)，盡量避免多臺(tái)變壓器并列運(yùn)行，可減小故障時(shí)的短路電流，從而減小CT飽和發(fā)生的概率。

除對(duì)一次設(shè)備采取預(yù)防措施外，保護(hù)原理也可進(jìn)行優(yōu)化，減少CT飽和時(shí)保護(hù)誤動(dòng)的情況。

4 差動(dòng)速斷保護(hù)原理優(yōu)化措施

在保證差動(dòng)速斷保護(hù)可靠性、速動(dòng)性基礎(chǔ)上，軟件方面可采取一些抗飽和優(yōu)化措施，以減少CT飽和引起的差動(dòng)速斷動(dòng)作情況。

4.1 調(diào)整速斷保護(hù)定值

在保證速斷靈敏度的前提下提高速斷保護(hù)定值，減少CT飽和產(chǎn)生的不平衡電流導(dǎo)致的差動(dòng)速斷動(dòng)作，但該方案在實(shí)際操作中存在一定難度。

4.2 增加制動(dòng)特性措施

差動(dòng)速斷只判斷門(mén)檻值，無(wú)比率制動(dòng)特性。在變壓器區(qū)內(nèi)嚴(yán)重故障情況下，區(qū)內(nèi)故障差流與制動(dòng)電流的比率較大，一般情況下大于區(qū)外飽和情況下的制動(dòng)系數(shù)，因此增加制動(dòng)特性可以達(dá)到一定的抗飽和目的。

增加制動(dòng)特性的抗飽和措施難點(diǎn)在于制動(dòng)系數(shù)的選取。根據(jù)此次現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，在保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻，比率達(dá)到了1.45，如采用大于1.45的門(mén)檻值，速斷的保護(hù)范圍明顯減少，降低了速斷的靈敏度。因此采用增加制動(dòng)措施的方案不能有效解決此次現(xiàn)場(chǎng)遇到的CT飽和問(wèn)題。

4.3 采用比率差動(dòng)的飽和判據(jù)

比率差動(dòng)CT飽和動(dòng)作判據(jù)采用時(shí)差法進(jìn)行判斷，該方案可快速判別CT飽和的情況，因此將此判據(jù)應(yīng)用于差動(dòng)速斷保護(hù)CT飽和情況下的快速閉鎖。

為避免CT飽和情況下比率差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，飽和的返回判據(jù)較嚴(yán)格，當(dāng)發(fā)生區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)嚴(yán)重故障同時(shí)CT飽和時(shí)，比率差動(dòng)保護(hù)的飽和返回判據(jù)無(wú)法快速開(kāi)放，需依靠差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作來(lái)切除故障，因此比率差動(dòng)的飽和返回判據(jù)不能滿(mǎn)足差動(dòng)速斷的抗飽和措施快速返回的要求。

5 采樣值差動(dòng)原理

采樣值差動(dòng)是微機(jī)保護(hù)特有的一種差動(dòng)保護(hù)，它將傳統(tǒng)的相量轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞑蓸狱c(diǎn)（瞬時(shí)值）的比率差動(dòng)，并依靠多點(diǎn)重復(fù)判斷來(lái)保證可靠性。其動(dòng)作方程為：

式中：id為采樣值差動(dòng)電流，；ir為采樣值制動(dòng)電流，（i1，…，in分別為變壓器各側(cè)電流的瞬時(shí)采樣值）；Iicdqd為采樣值差動(dòng)啟動(dòng)電流；k為采樣值差動(dòng)比率制動(dòng)系數(shù)。

由于采樣值隨時(shí)間周期性變化，因此對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，其制動(dòng)關(guān)系不同。為保證采樣值差動(dòng)判據(jù)的正確性，需要采用多點(diǎn)重復(fù)判斷的方法，即連續(xù)R個(gè)點(diǎn)中需有S個(gè)點(diǎn)以上滿(mǎn)足動(dòng)作判據(jù)，才滿(mǎn)足動(dòng)作條件。

采樣值差動(dòng)保護(hù)充分利用了各個(gè)采樣時(shí)刻的采樣值數(shù)據(jù)，較采用傅里葉算法計(jì)算的方式，可以充分利用瞬時(shí)的采樣值特征。采用多點(diǎn)重復(fù)判斷原理的采樣值差動(dòng)保護(hù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力[17-19]，其原理本身具備識(shí)別CT飽和特征的優(yōu)勢(shì)，不需另外附加抗CT飽和閉鎖的措施。

6 基于采樣值差動(dòng)原理的抗CT飽和方案

結(jié)合采樣值差動(dòng)保護(hù)的原理特點(diǎn)、飽和特征以及區(qū)內(nèi)故障特征，本文提出一種基于采樣值差動(dòng)原理的可用于差動(dòng)速斷保護(hù)的抗CT飽和措施，該原理如下：

（1）采樣值差動(dòng)比率特性：采樣值差動(dòng)采用比率制動(dòng)特征，公式同式（1）。根據(jù)變壓器各側(cè)電流瞬時(shí)值計(jì)算瞬時(shí)差流和瞬時(shí)制動(dòng)電流，其中采樣值差動(dòng)門(mén)檻值Iicdqd取差動(dòng)速斷門(mén)檻值對(duì)應(yīng)的第一個(gè)采樣點(diǎn)的瞬時(shí)值，即差動(dòng)速斷基波門(mén)檻值×1.414×sin15°（每周波24點(diǎn)采樣）；k可取0.4～0.6。

（2）根據(jù)瞬時(shí)差流和瞬時(shí)制動(dòng)電流，連續(xù)判斷R個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)窗內(nèi)數(shù)據(jù)的比率特性，如果有S個(gè)點(diǎn)滿(mǎn)足采樣值差動(dòng)比率條件，則滿(mǎn)足采樣值差動(dòng)條件。

（3）R選取：當(dāng)采樣值差動(dòng)作為主判據(jù)時(shí)，為保證快速性，在保證可靠性的前提下，R的選取一般小于一周波的數(shù)據(jù)窗。在此邏輯中采樣值差動(dòng)僅作為在飽和情況下防止誤動(dòng)的輔助判據(jù)，選取盡可能多的樣本數(shù)據(jù)對(duì)正確判斷更有利，因此R選取一周波數(shù)據(jù)窗（24點(diǎn)）。

（4）S選取：在飽和特征明顯的情況下，S取較大值，增強(qiáng)閉鎖性；在飽和特征不明顯的情況下，S取較小值，減弱閉鎖性，增強(qiáng)開(kāi)放性。

由于CT飽和后保護(hù)裝置采集的電流含有豐富的諧波分量，以二次諧波和三次諧波為主，因此S的選取可根據(jù)飽和相別的諧波含量動(dòng)態(tài)變化。

比率差動(dòng)具有完善的CT飽和判據(jù)，在CT飽和的情況下，可采用比率差動(dòng)保護(hù)中已經(jīng)判斷出的飽和特征標(biāo)志和飽和相別標(biāo)志。當(dāng)飽和相諧波含量高，說(shuō)明飽和特征明顯，S選取較大值；隨著飽和相諧波含量降低，逐漸減小S，直至到達(dá)正常點(diǎn)數(shù)；S可取16～22。根據(jù)仿真模擬及試驗(yàn)測(cè)試，選取的一組S取值與諧波含量對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 S取值與諧波含量對(duì)應(yīng)關(guān)系

在CT飽和情況下，當(dāng)差動(dòng)速斷的差流和制動(dòng)電流滿(mǎn)足采樣值差動(dòng)保護(hù)開(kāi)放邏輯后，開(kāi)放差動(dòng)速斷保護(hù)。

與比率差動(dòng)CT飽和開(kāi)放判據(jù)相比較，基于采樣值差動(dòng)原理的CT飽和開(kāi)放判據(jù)采用了瞬時(shí)采樣點(diǎn)算法，充分利用了飽和中的間斷角特征，同時(shí)該判據(jù)并未閉鎖保護(hù)，而是采用動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣點(diǎn)的方式，較采用傅里葉算法的飽和開(kāi)放判據(jù)更加靈活。

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證方案的有效性，分別采用RTDS（實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀）仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)波形回放的方式對(duì)優(yōu)化前后的差動(dòng)速斷保護(hù)邏輯進(jìn)行驗(yàn)證。

7.1 RTDS仿真分析

參照現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)信息搭建RTDS模型，主要參數(shù)見(jiàn)表4、表5。

表4 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

RTDS仿真模型如圖5所示。其中：K1—K8為故障點(diǎn)；S1，S2為無(wú)窮大電源系統(tǒng)；CT1—CT5為高、中、低各側(cè)CT；PT1—PT4為高、中、低各側(cè)電壓互感器；G1—G3為發(fā)電機(jī)；BRK1—BRK5為高、中、低各側(cè)斷路器。

表5 變壓器主要參數(shù)

圖5 RTDS仿真接線

試驗(yàn)共設(shè)置K1—K8共8個(gè)故障點(diǎn)，可以模擬各種類(lèi)型的金屬性及經(jīng)過(guò)渡電阻短路故障。除常規(guī)測(cè)試項(xiàng)目外，重點(diǎn)模擬低壓側(cè)發(fā)生區(qū)外相間故障同時(shí)CT飽和的情況，對(duì)比分析優(yōu)化前后的差動(dòng)速斷保護(hù)特性。

7.1.1 CT二次負(fù)載引起的CT飽和

調(diào)整模型中CT的二次負(fù)載，模擬由于CT二次負(fù)載導(dǎo)致的CT飽和情況，其仿真波形如圖6、圖7所示。

7.1.2 剩磁引起的CT飽和

調(diào)整模型參數(shù)，更改故障發(fā)生時(shí)刻相角，模擬CT剩磁對(duì)CT飽和的影響，仿真波形如圖8—10所示。

圖6 RTDS仿真波形（二次負(fù)載200Ω）

圖7 RTDS仿真波形（二次負(fù)載800Ω）

圖8 RTDS仿真波形（0°）

圖9 RTDS仿真波形（135°）

對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明：未優(yōu)化的差動(dòng)速斷保護(hù)，當(dāng)飽和后的差流達(dá)到門(mén)檻值時(shí)保護(hù)即動(dòng)作；采用新原理的速斷保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)有效閉鎖。

圖10 RTDS仿真波形（240°）

7.1.3 故障轉(zhuǎn)換測(cè)試

圖11為中壓側(cè)區(qū)外A相轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)A，B相故障期間的波形。

圖11 飽和轉(zhuǎn)換波形

區(qū)外飽和轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)故障的測(cè)試過(guò)程中，在區(qū)外飽和期間有效閉鎖，轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障后差動(dòng)速斷可以快速動(dòng)作。

7.2 波形回放

使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的波形進(jìn)行波形回放，驗(yàn)證邏輯的有效性。回放波形如圖12所示。

圖12 回放波形

通過(guò)波形回放驗(yàn)證，該方案可以有效解決現(xiàn)場(chǎng)在CT飽和情況下誤動(dòng)的問(wèn)題。

8 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一起由于CT飽和導(dǎo)致的差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作案例，分析了CT飽和的原因及電流波形特征，根據(jù)采樣值差動(dòng)保護(hù)的原理及特點(diǎn)，提出了在差動(dòng)速斷邏輯中增加采樣值差動(dòng)輔助判據(jù)的原理。根據(jù)仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)波形回放結(jié)果，優(yōu)化后的原理可以有效解決CT飽和引起的差動(dòng)速斷保護(hù)誤動(dòng)，同時(shí)不影響差動(dòng)速斷在嚴(yán)重區(qū)內(nèi)故障時(shí)的動(dòng)作特性。

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