（电力系统及其自动化专业论文）考虑电流互感器饱和影响的差动保护新判据的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文考虑电流互感器饱和影响的 差动保护新判据的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指 导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致 谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蔓勃虿 日 期：趁丑：墨：垡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为1 7 1 的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丛盏 日 期：回：三：1 6 导师签名： 日 期：回：圭：垡 华北电力大学硕十学f i ) = 论文 1 1 课题背景和研究意义 第一章绪论 电流差动保护原理简单可靠，灵敏度高，动作速度快，并具有天然的选相功能， 已广泛作为电力系统线路、发电机、变压器、母线及电动机等电气主设备的关键主 保护之一。 ( 1 ) 变压器电流差动保护 当其应用于保护变压器时，有两个关键问题需要解决，即如何保证发生励磁涌 流和t a 饱和时差动保护的稳定性m 】。针对前者，目前已有多种解决方案 3 - 1 3 】。相对 而言，后者的研究还有待深入。其中的经典方案有比率制动法、时差法【l6 】等方法。 比率制动式差动保护，其动作电流随外部短路电流的变化而同时变化，外部短 路电流越大，制动量也越大，因此对区外故障引起的t a 饱和有一定的制动作用。然 而，在区外故障t a 深度饱和的情况下，差动电流仍可能位于跳闸区，仅仅依靠比率 制动往往不能避免保护的误动【1 4 之”。 时差法是利用t a 在发生区外故障时不会立即饱和的特点，通过检测故障发生时 刻和差流出现时刻是否同步来判别区内、外故障，在判为区外故障后将差动保护闭 锁一段时间，防止保护误动。时差法的采用基本上保证了变压器差动保护在区外故 障时的安全性，但是何时解除闭锁又成为新的问题。针对这个问题，通常有两种处 理方法f 2 引，一是持续闭锁到差流动作元件复归后再解除闭锁，但是其问若发生区外 转区内故障，差动保护将长时间拒动。二是闭锁后持续检测差流的波形是否仍处于 饱和状态，如果饱和，则认为没有发生转换型故障，否则则认为故障转换为区内， 差动保护解除闭锁。对于变压器差动保护而言，因为两侧t a 线性度很难做到一致， 故在区外故障时菜一侧的t a 总是更容易出现饱和，而差流中必然包括饱和t a 的电 流。此时，根据差流饱和特征开放保护的判据将误闭锁差动保护，直至饱和特征消 失，这显然不能满足速动性的要求。 ( 2 1 线路电流差动保护 超高压线路的电能输送容量大，输电损耗小，对于我国西部开发建设和“西电 东送”工程具有显著意义。采用快速、准确的继电保护装置，保证超高压线路安全 稳定运行对于整个电力系统的正常运行具有重要意义。 在各种线路保护原理中，电流差动保护因其原理简单、动作速度快，能够适应 各种故障和不正常状态，已被广泛应用于高压和超高压输电线路的主保护1 2 4 1 。然而 在保护原理上，电流差动保护要受到分布电容电流的影响。这主要是由于分布电容 电流的存在使得线路两端的测量电流不再满足基尔霍夫电流定律，从而直接影响了 华北电力大学硕士学位论文 保护的灵敏度和可靠性。据资料显示，5 0 0 k m 的7 5 0 k v 或1 1 5 0 k v 输电线路的稳态电 容电流将达到自然电流的5 0 【2 ”。目前，克服线路分布电容电流影响的主要方法是 通过电容电流的相量补偿来做一定的弥补 2 6 - 3 3 1 。但是，在短路初始阶段，暂态电容 电流比稳态电容电流要大很多。相量补偿方法只能补偿稳态电容电流，尤其是在单 端供电或者空投于故障情况下，基于相量补偿方法的电流差动保护的各种方案( 包括 故障分量差动) 均无法满足实际电力系统继电保护的要求。 1 2 本论文的主要工作 【l 】对电流互感器的稳态特性和暂态特性进行了理论分析，并利用a t p 电磁暂态仿 真程序对t a 的暂态过程进行了仿真计算，从而得到影响t a 饱和的主要因素。 2 】针对在变压器外部故障下，由于某一侧t a 饱和而产生大量的不平衡电流时可能 会影响变压器差动保护的正确动作行为，提出一种具有抗t a 饱和影响，在区外故 障时能够及时闭锁差动保护的新原理。该原理是选择两侧相电流突变量的最大有效 值与差电流的突变量有效值进行比较，在区外故障时实时闭锁差动保护，保证差动 保护可靠不误动；同时又能保证在变压器轻微匝问短路时适时解除闭锁信号，开放 保护，灵敏动作。 【3 】针对分布电容电流对线路差动保护的影响，提出了一种无需考虑电容电流补偿的 线路差动保护新原理。该原理是通过比较线路两侧相电流突变量的最大有效值与差 电流突变量有效值的大小来区分内外部故障。 4 】对于t a 饱和后若发生转换型故障，差动保护是否能够快速开放的问题，本文提 出一种快速识别转换性故障的变压器差动保护新方法。该方法是选择差动电流综合 负序分量与两侧电流综合负序分量最大值进行比较，不仅能够快速准确的识别区内 外故障，而且在区外故障t a 饱和后又发生区外转区内故障时，差动保护也能够快 速开放。 【5 】论文使用c 语言编写了算法程序，并将a t p 及h y b r i s i m 仿真数据与算法综合 分析，对提出的新判据进行了仿真验证。大量仿真实验验证了以上方法的可行性和 有效性。 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章电流互感器简介及模型研究 2 1 电流互感器概述删 为保证电力系统的安全和经济运行，需要对电力系统及其中各电力设备的相关 系数进行测量，以便对其进行必要的计算、监控和保护。通常的测量和保护装置不 能直接接到高电压、大电流的电力回路上，而需要将高电平的电力参数按比例变换 成低电平的参数或信号。电流互感器( t 舢是将一次回路的大电流成正比的变换为二 次小电流。其基本电流图如图2 - 1 所示。电流互感器的一次绕组和二次绕组绕在同 一个磁路闭合的铁心上，如果一次绕组带电而二次绕组开路，互感器成为一个带铁 心的电抗器。一次绕组中的电压降等于铁心磁通在该绕组中引起的电动势，铁心磁 通也在二次绕组中感应出相应的电动势。如果二次回路突破难关国一个阻抗形成闭 路，则二次回路将产生一个电流，此电流在铁心中产生的磁通趋向于抵消一次阻抗 电流产生的磁通。忽略误差时，二次回路电流与一次回路电流之比等于一次绕组匝 数与二次绕组匝数之比。 n in t 图2 - 1 电流互感器基本电路 电流互感器的一次绕组通常串联于被测量的一次电路中，二次绕组通过导线或 电缆仪表及继电保护等二次设备。电流互感器二次电流在正常运行及规定的故障条 件下，应与一次电流成正比，其比值和误差不超过规定值。 电流互感器按其性能和用途可分为两大类： 8 测量用互感器：电力系统正常运行时，将相应电路的电流变换供给给测量仪 表、积分仪表和其他类似电器，用于运行状态监视、记录和电能计量等用途。 b 保护用互感器：电力系统非正常运行和故障状态下，将对应电路的电流变换 供给继电保护装置和其他类似电器。 测量用和保护用两类电流互感器的工作范围和性能差别很大，一般不能共用。 本论文主要对保护型电流互感器展开讨论研究。 华北电力大学硕十学位论文 2 2 电流互感器饱和特性的分析口1 2 2 1t 的稳态饱和 t a 稳态饱和是指一次侧电流处于稳态时，t a 铁心磁通的饱和情况。为简化分 析，假设t a 具有理想的励磁特性，如图2 2 所示。在t a 未饱和时励磁电流为零， t a 一次侧电流能够完全传变到二次侧；当t a 饱和后，铁心磁通将保持在饱和磁密 的水平而不再变化。 譬。 囊 量 曲势i t ， 图2 - 2t a 理想励磁特性 。妥茹1 i 嗣心毒遢弋 i i l 嘏和磁通 刁 图2 - 3t a 二次负荷为纯电阻时稳态饱和情况 根据t a 二次侧所接负荷性质的不同，二次电流波形表现出不同的畸变特征。 如果t a 二次负荷为纯电阻，在铁心磁通达到饱和后，二次电流立即下降到零，一 次电流全部转变为励磁电流以维持铁心在饱和状态。当一次电流过零并反向变化 时，铁心磁通退出饱和并开始下降，感应出二次电动势，直至铁心磁通达到反向饱 和，二次电流再次变为零，如图2 3 所示。如果t a 二次负荷为纯电感，在铁心磁 通达到饱和后，二次电动势为零，而此时二次电流值保持恒定，等于饱和瞬间值。 当一次电流降至0 饱和发生时的幅值，励磁安匝重新为零，铁心磁通退出饱和并反向 4 华北电力大学硕十学位论文 变化，直至反向饱和。该情况下的各波形变化情况如图2 4 所示。对于t a 二次负 荷为阻抗的情况，在铁心磁通达到饱和后，二次电流值既不会维持恒定，也不会突 降为零，而是按指数规律衰减，当励磁安匝重新为零时，铁心磁通退出饱和并开始 反向变化，直至反向饱和，此时的波形变化情况如图2 - - 5 所示。 2 2 2t 的暂态饱和 y 7 ，。， l 一和 厶，。 g 。其中l 。为最小动作电流，k 0 为锖r 动系数。制动系数k 。可采用多 个数值实现不同制动特性。 采用比率制动的初衷是穿越短路电流越大，电流互感器误差形成的差流也越 大，需要相应增大制动电流，以防止差动保护误动。实际上由于短路电流非周期分 量的影响，即使短路电流值不大，也可能产生严重暂态饱和而形成很大误差。差动 保护两侧即使特性相同，但如果剩磁不同，也可能饱和程度差别很大。极端情况， 如母线保护，在外部故障时故障支路电流越大，如该支路互感器严重饱和导致输出 电流很小，则流入差动保护的动作电流与制动电流相差很小，即要求制动系数大于 1 。这当然是不可以接受的，因为这样则内部故障也无法动作了。所以，仅依靠比 华北电力大学硕十学位论文 率制动是难以保证互感器饱和时保护不误动的。 3 2 2 2 直流制动( 闭锁) 直流制动的根据是很多情况下差动电流中有明显的直流分量。我国早期广泛使 用的速饱和变流器即采用这种原理防止差动保护误动。 但直流制动中同样存在着一些问题： 1 ) 差流中能否可靠出现直流，如短路电流无非周期分量，差流中可能不出 现直流分量。 2 ) 内部故障短路电流中的非周期分量可能延迟保护动作。 3 2 2 3 提高差动继电器阻抗 适当选择差动继电器阻抗和电流互感器励磁阻抗特性可保证区内可靠动作，区 外故障不动作。如高阻抗母线差动保护、中阻抗母线差动保护。 采用高阻抗差动继电器是克服电流互感器饱和对母线保护影响的方法之一，一 般此时采用励磁阻抗较高的低漏磁电流互感器，各支路电流互感器的变比和励磁特 性应相同。 中阻抗母线保护是一种利用提高差动回路阻抗克服电流互感器饱和影响的比例 差动保护( 带制动特性的差动保护) 。一般环流法带制动差动保护，在故障回路互感 器保护情况下，可能失去最大的一支制动电流，如提高差动回路电阻，将迫使其他 回路二次电流流经饱和互感器回路，则不致失去制动。 3 2 2 4 方向( 相位) 比较 内部故障，各支路故障电流相位基本相同；外部故障，至少有一个支路相位相 反。实际应用时可取9 0 。作为门槛值以区别是内部故障还是外部故障。 实现相位比较方法，一种是电压为极化量，比较各分支电流与电压相位。另一 种方法是比较每一分支电流相量，与其余分支电流相量和( i d 一，；) ，这样可不需要 电压值作为基准。 需要解决的问题是： a ) 内部故障时，可能由于负荷电流的流出影响保护正确动作。 b ) 互感器饱和时相位将发生较大误差。 3 2 3t a 饱和检测方法 3 2 3 1 时差法 研究表明，即使发生很严重的穿越性故障，电流互感器也不会立即饱和，至少 在故障产生后3 - 5 m s 内，电流互感器能正确传送一次侧电流，在这段时间内，差流 华北电力大学硕士学位论文 是不会出现的“。因此，即使电流互感器快速饱和，从故障发生到产生虚假差流涌 流间的时间间隔依旧存在。而发生内部故障时，即使出现电流互感器饱和，在故障 初期的t a 线性传变时段，相电流变化和差流理论上同时出现，不存在上述时间差”。 时差法利用这一特点来区分区内外故障，在判为区外故障后将差动保护闭锁一段时 间，避免保护误动作。因此，该时间差可用来作为差动保护快速动作的判据”。然 而，当故障发生和t a 饱和之间的时间差很短时，对其进行精确界定依然是个难题。 3 2 3 2 通过计算谐波比确定t a 的饱和” 流入电流互感器一次侧的电流信号是5 0 h z 的工频信号，如果电流互感器不发生 饱和，则二次侧得到的电流等于一次电流，其中的谐波含量( 谐波比) 为零。但是当 电流互感器发生饱和时，二次电流波形出现缺损和畸变，电流波形中具有丰富的高 次谐波。因此只要计算出二次电流中的谐波分量，就能确定电流互感器是否发生了 饱和。谐波比的算式如下： i ，； 口= ! ! 二l 一 ( 3 1 ) l 其中，口为谐波比，七为二次电流中所含的谐波次数，押为所需考虑的谐波的最高 次数，l 为七次谐波的幅值，为二次电流中基波的幅值。 通过a t p 仿真发现，暂态饱和时二次电流中的谐波成分主要是二次谐波和三次 谐波，两者之和占了谐波总量的绝大部分。因此在实用中，完全可以只用二次和三 次谐波的含量作为所有谐波的含量，为了尽可能的追求精确，则可以计算到六次谐 波。 由前面的分析可知，一次电流中的直流分量是引起t a 饱和的主要因素。当一次 电流中的直流分量含量很大时，利用全波傅式算法计算得到的谐波含量会受到一定 的影响，由图3 - 1 ( a ) 可以看出，谐波比会有一定程度的波动，同时，t a 轻微饱和 时，谐波比很小，当门槛值设置的较高时，可能不能判断出轻微饱和。 嘲_ ! i ：鼻磊j 二lj ：j ? - o ? j 乙了 。“”i l s j n ，t ，+，! j ； “ ，一 ： j 二| ：一：；! ： 一 ：l 。t 。去山。_ ：。汽一t 公农矗 l ，、 ， ir 0 誊鬟鞠 “：二_ ：一引 c 坫i ；i o 盎詹矗1 奄1 蕾- ；譬。i 自r z ， a ：一次电流具有较高的直流分量b ：一次电流中直流分量为零 图3 - l 计算谐波比检测t a 饱和 1 3 华北电力大学硕+ 学位论文 该方法是根据饱和电流的波形特点来鉴别饱和的，与保护类型无关。所以可以 用在各种保护中解决t 饱和引起的误动问题。 3 2 3 3 磁制动检测t a 饱和 文献 4 0 提出了基于磁链检测的磁制动t a 饱和判别方法，在物理本质上解决了 t a 的判别问题，但其基本方法忽略了t a 的剩磁，离实际应用还存在距离。 1 ) 磁制动t a 饱和判据的基本原理 圈3 - 2 电流瓦感器( 1 a ) 等效电路图 电流互感器( t a ) 等效电流如图3 2 所示，所有阻抗归算到二次侧。其中：工。为 励磁电感，风、厶分别为t a 二次负载电阻和电感，它们由二次绕组、连接电缆以 及测量装置的阻抗构成。励磁电感的磁链y 满足以下关系： 掣：厶拿+ r a ( 3 2 ) d ld l 对式( 3 - 2 ) 等式两边积分得 i 矿( f ) = l 2 v d t ) - i a t o ) 】+ r 2i f 2 d t + v ( t o ) ( 33 ) t o 式中t o 为初始积分时刻，矿( f 0 ) 为初始磁链。 设为t a 铁心磁化曲线正向饱和点得磁链。磁制动原理得饱和判据为 f i p ：x 【f 2 ( ) 一“) 】+ r ：f 2 西+ y ) | y 。( 3 - 4 ) l l 式( 34 ) 满足是表明t a 处于饱和状态，闭锁保护；否则表明t a 处于不饱和状态， 开放保护。 2 ) 消除剩磁影响的磁制动t 饱和判别方法 磁制动饱和判别方法在理论上解决了t a 处于饱和还是线性区的判别问题，但 在实际应用时，需要知道初始磁通v ( t o ) ，而实际上妒( t o ) 是很难预先确定的。在系 统从正常运行时，发生故障，如在故障开始时开始积分，通常矿( f 。) 很小，可以忽略。 但经过短路故障后，t a 中会产生剩磁此剩磁在t 正常运行后仍需要相当长的时 间才能衰减完，t a 可能在一次电流远低于正常饱平值时即过早饱和。尤其是微机保 1 4 华北电力大学硕十学位论文 护中，电阻性负荷使得故障电流断开后，铁心中的剩磁可能接近峰值。但剩磁的不 易消除以及难测量都给t a 饱和检测带来一定的困难。特别是在重合于区外永久性 故障时这种情况更加突出，在装有重合闸的线路上，在第一次故障造成的暂态过程 尚未衰减完毕的情况下，再叠加另一次的暂态过程。由于电流互感器铁心剩磁的存 在，有可能使得t a 因此更加快的饱和。因此，为了能够准确对t a 饱和进行判别， 必须采取措施来消除妒) 的影响。 假设t a 发生正向饱和，设f 。为t a 初始饱和时刻。如在式( 3 4 ) 中将初始计算 时刻t o 取为么，易知矿( f 0 ) = ，则磁制动t a 饱和判据可表示为： 三2 ( i s ( f ) 一屯( 么) ) + r 2i 屯破 0 ( 3 - 5 ) 当满足式( 3 5 ) 时，表明t a 处于饱和状态，闭锁差动保护；否则表明t a 退出饱 和，处于线性区，开放差动保护。 而式( 3 5 ) 中不含妒( “) ，故剩磁不会影响t a 饱和的判别，同时不受测量饱和磁 链所带来的误差影响，提高了t a 饱和检测的精度。 t a 饱和通常在t a 二次负载比较重的系统中发生。在采用数字式保护装置后， 这些系统的t a 负载主要成分是二次电缆，而二次电缆的阻抗角很小。在实际运行 中，也可能由于某些元件连接处接触不良造成接触电阻增大，造成二次负载比较大 的情况。这些情况下电感都远小于电阻，故在实际应用时可忽略电感。这样，式( 3 4 ) 可进一步简化为： l j ：d t 0 ( 3 6 ) 图3 - 3 是一个t a 发生正向饱和的波形，负载阻抗角为2 3 。由图3 3 可见， 在t a 饱和阶段，总是i ：( f ) 一i 2 ( f 。) ”改为“ ”，就可得到t a 发生反向饱和时 的磁制动t a 饱和判据： l 2 ( 屯( f ) 一i 2 ( ，埘) ) + r 2fi 2 d t 七2 ，一( 2 s i n 等) 3 ( 3 1 0 ) 式中，i f 一为最大故障电流；k 为可靠系数。 t h j 一采置二灰电蠢一 i l 。l 卜 一f 一 。 。 i1 。 t t i 伯j = 擞毫i l l 三费董势t 蓐 图3 - 4 二次电流及其三阶差分波形 1 6 o量t一_-q 华北电力大学硕十学位论文 但在实际中仅仅依靠阈值识别模极大值来检测t a 是否饱和确难以取得理想的 效果。首先，从图3 4 中看到，t a 出入饱和区时，d e l 3 n 】中出现的极值并非单个 采样点，其个数往往是随机的。极值点个数的不确定性增加了饱和检测的难度，因 此也严重影响了t a 饱和检测的稳定性。由于判据( 3 - 1 0 ) 在检测处突变量时，需要 依靠以前的饱和状态来确定现在的检测结果，一旦发生误判会导致后续结果完全错 误。其次，在d e l 3 在f ，退出饱和时会出现极值，但其值较小，很容易被噪声湮没， 从而使得判别逻辑不能正常工作，容易引起误判。另外，如图3 - 4 所示，在重合闸 的过程中，d e l 3 也会出现与t a 退饱和时相似的极值，而在此过程中保护不会复归， 若此时饱和检测算法一直投入，单纯依靠三阶差分则有可能使判别逻辑造成混乱。 但是对t a 初始饱和点的检测，三阶差分却有很大的优点。由于初始饱和时刻突 变显著，极易和噪声、重合闸等引起的突变量分离出来，阈值设定容易，检测精度 高，稳定性好。并且不存在延时，适合在线瞬时、快速检测。 3 2 3 5 利用小波变换判别t a 饱和” 小波理论是近年来发展起来的用于数字信号处理的有力工具。它具有自动改变 窗长的功能，可以很好的把信号在空间和频率上局部化，赋予了信号的局部奇异性， 从而可以对奇异点进行准确分析定位。t a 在进饱和与退饱和时刻电流波形发生畸 变，体现了信号的奇异性特征，利用小波变换可以很好的检测t a 饱和时刻和退饱 和时刻，同时也可以检测故障发生时刻，从而能实现线性区开放差动保护。 若函数厂( x ) u ( 工) i z ( r ) ) 在某处间断或某阶导数不连续，则称该函数在此处有 奇异性；若函数f ( x ) 在其定义域有无限次导数，则称厂( x ) 是光滑的或没有奇异性。 一个突变信号在其突变点必然是奇异的。检测识别信号的突变点，并用奇异性指数 三枷c h e t 口来刻画它，就是信号的奇异性检测理论。 设0 s 口s 1 ，在点若存在常数k ，对的领域j 使得下式成立： i ，( 工) 一厂( m 小- x o l 4 ( 3 - 1 1 ) 则称函数厂( x ) 在是l i p s c h e t 口。 如果口= 1 ，则函数f ( x ) 在x 。是可微的，称函数f ( x ) 在点没有奇异性。如果口 = 0 ，则函数，( 功在点是间断的。口越大，说明奇异函数f ( x ) 越接近规则，奇异 性越小；口越小，说明奇异函数厂( 曲在x 。点的变化尖锐，奇异性越大。 函数( 或信号) 的奇异性可用其枷c h e t 口来刻画，其数值可以通过小波变换模 极大值在不同尺度的数值计算出来。 用于信号奇异性检测的小波定义不是通常所用的内积形式： i ，一 叨：( ，f ) x ( t ) ，纯，( f ) - 二i - l 工( f ) 妒二弦 ( 3 1 2 ) 而是卷积形式： 1 7 华北电力大学硕士学位论文 l 工( f ) = 工吼( f ) = ! b ( r ) 认尘三) a t吼( f ) = 三烈三) ( 3 1 3 ) 日。口口a 从某种意义上讲，卷积计算就是求两个函数相似度的运算，这种意义上的小波 变换呢x ( o 可以看作是信号工( ，) 通过冲击相应为伊( f ) 的系统后的输出。 一般取口= 2 j ，z ，而f 取连续变化的值，则上述小波变换被称为卷积型二 进小波变换。 若选小波函数y 1 ( ，) 为光滑函数的一阶导数。即缈1 ( f ) = d o l d t ，同样记 o a ( t ) = o l a ) o ( t a ) ，这时信号f ( t ) 的小波变换可以写成： 吸厂( f ) = 厂( f ) y ：( ，) = 口导【厂( f ) * o a t ) 】 ( 3 1 4 ) “l 即信号f ( t ) 的小波变换w a f ( t ) 可表示成厂( f ) 在尺度口被o a ( t ) 平滑后的一阶导数。由 图3 5 比较信号f ( t ) 与其小波变换w a f ( t ) 的波形，可以清楚的看到：w e c f ( t ) 幅值的 极大值点对应域f ( t ) 的突变点“及t ：。因此，如果选择小波函数为光滑函数的一阶 导数，则由小波变换w a f ( t ) 的幅值极大值点可以检测到信号f ( t ) 的突变点。 厂 一 一 i ! ii l r ， l t 、纵 图3 5 信号f i t ) 的突变点与矽d ，( f ) 幅值极大值点的对虑关系 t a 未饱和时，通过其励磁回路的励磁电流位于线性区，且数值较小。当一次系 统故障时，二次电流是含有衰减直流分量的正弦波。由于正弦分量过零点奇异性最 大，因而t a 二次电流经过小波变换后，正弦分量的过零点会出现模极大值。考察 这两个模极大值可知，这两个模极大值符号相反，时间问隔为半个周波。利用这个 特征，我们可判断当连续三模极大值点相邻异号且时间间隔约为l o m s ，认为t a 完 全退出饱和或不饱和。 t a 饱和后，二次电流进入饱和与退出饱和形成两奇异点，其小波波形在此形成 两个模极大值。另外二次电流线性传变区内过零( 指其中交流分量过零) 也存在一模 极大值，并且两突变点对应的模极大值同号，与过零点对应的极大值反号。从图3 7 可以看出，在t a 进饱和时，形成一个模极大值，t a 退出饱和时，又形成另一个模 极大值。这两个极大值同号，t a 退出饱和过零时( 二次电流具有直流分量) ，形成一 个模极大值，其符号与前面两个模极大值相反；而在直流饱和时，进饱和与退饱和 兰! ! 皇塑查兰堡主兰堡丝塞 时的模极大值符号相同，正向饱和与负向饱和模极大值符号相反。利用这个特征， 小波变换中若连续两极值点同号，则t a 在第一个极值点已进入饱和；在两个异号 的极值点之间，t a 处于线性工作区。 象： 4 l ：；砖= i ：她饱耐：ji 0d l0 n 0 3n mn 触n 僬 n 怕 m i ! i! 上i! ： “ o 9 1o 筘蹲4o p 4o 芦。簿。弘。严。乒o l 毒。：a 。扣；0 ：0 。0 。：；蓐。 lji； ijj ，0 n l00 2 0 0 30 0 400 1 ；0 a g0 0 7 qd 8凸d i 一囊二二二善姝，0 。：暑毋一是“二 i： l；： 】0 0 1 0 0 2n 0 30 0 0 0 s0 眶 0d 700 b00 90 卜毒毒。毒菇：冬失：芬0 l： ；i ：；一： 图3 0 7t a 二次电流小波变换( 次电流中直流分量含量较大1 华北电力大学硕士学位论文 3 3 抗饱和的变压器差动保护闭锁新判据h “蜩 在变压器正常运行时，变压器两侧t a 正常传变，差动电流为很小数值。当发 生区外故障时，会产生较大的穿越性电流，差动回路的不平衡电流可能会增大，传 统差动保护要求有足够的制动作用，才能保证保护不误动。新的闭锁方法是将差动 电流突变量有效值与变压器两侧电流突变量有效值中的最大值相比较。区外故障 时，由于t a 饱和需要一定的时间( 2 m s 5 m s ) ，并且该判据采用了滚动计算突变量有 效值的方法，因此差动电流突变量有效值小于两侧中电流突变量的最大有效值，以 此闭锁差动保护，就大大减小了差动保护误动的可能性。 图3 - 8 保护接线原理示意图 差动保护闭锁的新判据如下： i 乙i _ _ m a x i m 。i ，i ，。i ) ( 3 - 1 5 ) 式中，a m , ，一分别为两侧电流突变量有效值；，一为两侧差流突变量有效值。 式( 3 1 5 ) 成立时，判为区内故障，差动保护开放；反之，判为区外故障，闭锁差动 保护。其中，电流突变量采用滚动求取有效值的算法。电流采用突变量主要是为了 消除两侧系统电流相位不同带来的影响。电流突变量按照( 3 1 6 ) 式求取，其中k 指故 障后第k 周期。 a i ( n ) = f ( 盯) 一i ( n k r )( 3 1 6 ) 所谓滚动求取有效值算法即是将一周波数据窗滑动计算电流突变量的有效值。 该方法利用故障前的电流突变量为0 的特征，从故障时刻开始，逐点录入故障状态， 实现滚动计算有效值，即按式( 3 1 7 ) 得到电流突变量的有效值的变化规律。 i = 阿 ( 3 - 1 7 ) 由以上判据可知，刖。为“m 芦k 之差的有效值，在区外故障时，它总是小于 刖m ，刖一的最大值；同理，当发生区内故障时，刖一为i m ，a 一之和的有效值，它总是 大于等于刖一，刖一的最大值。针对t a 饱和后在过零点附近可能会出现局部“m 与“一 异号的情况( 如图( 3 9 ) 所示) ，对判据不利。采取对策是先判断出电流变化的异号点， 然后采取停止滚动运算，将其后的电流突变量有效值的数值始终保留为两侧电流出 现异号之前的状态，就有效防止了这些局部特殊点对判据造成的不利因素。 2 0 华北电力大学硕十学位论文 图3 - 9 区外故障t a 饱和后，两侧电流以及差流波形 对于单侧电源的情况，当发生区外故障时，本章的闭锁方法能够可靠闭锁差动 保护，不会误动。当发生区内故障时，若系统阻抗很大，则一侧电流近似为0 ，考 虑到t a 传变、刖d 转换以及计算等环节的误差影响，差流突变量有效值可能小于 两侧电流突变量的最大有效值。针对上述问题，考虑在两侧电流瞬时值得到之后， 设定一门槛值( 取o 1 0 2 1 e ) ，若电流小于该门槛，则将其置零，从而使得差流突变 量有效值等于两侧电流突变量的最大有效值，闭锁开放。 3 。4 仿真分析 3 4 1 仿真模型 采用1 1 0 k v 输电系统利用a t p 仿真软件进行方案验证。系统包括一台发电机、 一台变压器、一条5 0 k m 输电线路和一个无穷大系统，如图3 1 0 所示。 用此模型仿真变压器差动保护所经历的、伴随t a 饱和的内外部故障，其中包 含t a 快速深度饱和的情况，以考察本文闭锁判据的有效性。仿真计算中，采样频 率为1 8 0 0 h z 。 在t a 饱和的研究中，选择合理的t a 模型非常重要。本文采用a t p 元件库中 的t a n l i n d 9 6 模型，通过分别调节t a 的励磁特性以及二次负载大小，对变压器区 内外故障t a 饱和进行了仿真。主要以区外故障时入饱和点的不同，选取仿真了几 种典型的情况( 一周波采样3 6 点) 。对从仿真得到的变压器原、副边电流数据先用 零、极点滤波算法滤波，然后用滚动计算的算法算出m 侧、n 侧电流以及差电流的 故障分量有效值变化曲线。 塑j o 图3 1 0 仿真系统模型 华北电力大学硕士学位论文 3 4 2t a 饱和仿真波形 3 4 2 1 区外故障t a 饱和的情况 ( 1 ) 区外故障t a l o m s 饱和 图3 1 1 给出了变压器高压侧发生区外a 相接地故障时，低压侧t a 在1 0 m s 出 现饱和( 采样点为故障后第1 8 点处) ，而高压侧t a 不饱和，此时变压器两侧的a 相电流波形( 见图3 - 1 l ( a ) ) 以及相应的差流波形( 见图3 - 1 1 ( b ) ) 。图3 - 1 l ( a ) 中细实线表 示低压侧t a 饱和后的电流波形情况。 ( 8 ) a 相两侧电流波形( b ) a 相差流波形 图3 1 l 变压器高压侧区外a 相故障，低压侧t a 饱和时两侧电流以及差流波形 按照本文所提方法，对两侧电流以及差流突变量滚动计算，得到电流突变量的 有效值变化曲线如图3 1 2 所示。由图3 1 2 可知，尽管t a 饱和后差流上升，但是差 流突变量有效值始终小于两侧电流突变量的最大有效值，且有足够的裕度发出闭锁 信号，能够确保差动保护不误动。 图3 1 2 变压器高压侧区外a 相故障，低压侧t a 饱和时， 两侧电流以及差流故障分量的有效值变化曲线 ( 2 ) 区外故障t a 2 m s 饱和 为考验本文所提判据的可靠性，特仿真了发生区外a 相接地故障后，低压侧t a 在2 m s 快速饱和的情况。 图3 1 3 给出了变压器高压侧a 相接地故障时，低压侧t a 在2 m s 左右出现饱和 ( 采样点为故障后第3 点处) ，此时变压器两侧的a 相电流波形( 见图3 - 1 3 ( a ) ) 以及相 应的差流波形( 见图3 - 1 3 ( b ) ) 。图3 - 1 3 ( a ) q b 细实线表示低压侧电流波形情况，粗实线 表示高压侧电流波形情况。 华北电力大学硕十学位论文 ( a ) a 相两侧电流波形( b ) a 相差流波形 图3 1 3 变压器高压侧区外a 相故障，低压侧t a 饱和时两侧电流以及差流波形 按照本文所提方法得到的电流突变量的有效值变化曲线如图3 1 4 所示。从图 3 1 4 可以看出，即使差流增加较之第一种情况要早，但是仍能快速可靠闭锁保护， 保证差动保护可靠不误动。 图3 1 4 变压器高压侧区外a 相故障，低压侧t a 饱和时 两侧电流以及差流故障分量的有效值变化曲线 3 4 2 2 区内故障时t a 饱和的情况 图3 1 5 给出了变压器高压侧区内a 相接地故障时，低压侧t a 出现饱和时变压 器两侧a 相电流波形( 见图3 - 1 5 ( a ) ) 以及相应的差流波形( 见图3 - 1 5 ( b ) ) 。图3 - 1 5 ( a ) 中细实线表示低压侧电流波形情况，粗实线表示高压侧电流波形情况。 ( a ) a 相两侧电流波形( b ) a 相差流波形 图3 1 5 变压器高压侧区内a 相故障，低压侧t a 饱和 时两侧电流以及差流故障分量的有效值变化曲线 图3 一1 6 为按照本文方法得到的两侧电流突变量与差流突变量的有效值变化曲 线。由图3 1 6 可知，在区内故障时，即使t a 饱和，本文提出的判据仍然能够可靠 华北电力大学硕士学位论文 动作使差动保护开放。 图3 1 6 变压器高压侧区内a 相故障，低压侧t a 饱和时 两侧电流以及差流故障分量的有效值变化曲线 3 4 3 变压器绕组内部轻微匝问短路故障的识别呻1 变压器绕组发生轻微匝间短路故障时，表现出来的一个特征是差动电流较小。 本文提出的原理通过对电流突变量滚动求取有效值，对变压器绕组内部发生轻微匝 间短路故障时，仍具有较强的反应能力，闭锁判据开放。 利用我校从加拿大t e q s i m 公司购置的h y b r i s i m ( h y b r i ds i m u l a t o r ) 电力系统 数字模拟混合式实时仿真系统，进行有关变压器绕组匝间故障所得的实验数据，来 验证本文判据的有效性。 3 4 3 1 实验变压器模型” h y b r i s i m 仿真系统中的变压器采用低漏抗型的物理变压器，为三绕组y y a 接线方式，等值电路如图3 一1 7 所示。变压器漏抗可以根据实验的需要由外接的电感 元件来等值，在图3 1 7 中用l l 等效电感表示。变压器绕组匝间故障实验主要针对 其中的饱和变压器t s a t 而进行，可根据实验需要将线圈两端的抽头进行短接，来模 拟变压器绕组的匝间短路实验。实验数据直接取自物理变压器，与其它的变压器绕 组匝间故障仿真方法相比较，所得实验数据比较真实，与动模实验的情况最为接近。 呸 图3 1 7 实验变压器的等值电路图 3 4 3 2 仿真验证 实验采用单机一无穷大系统，变压器采用y n d l 接线。仿真系统模型如图3 1 8 所示。 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 1 8 仿真系统模型 ( 1 ) 星形侧a 相绕组短接1 2 匝( 即2 6 ) 图3 1 9 给出了变压器星形侧a 相绕组短接1 2 匝时，变压器角形侧各相电流波 形( 见图3 - 1 9 ( a ) ) 以及星形侧各相电流波形( 见图3 - 1 9 ( b ) ) 。图3 - 2 0 为按照本文方法滚 动计算得到的两侧电流与差流突变量的有效值变化曲线。 ( a ) 角形侧三相电流波形( b ) 星形侧三相电流波形 图3 1 9 变压器高压侧a 相绕组匝问短路时，变压器两侧电流波形 图3 2 0 变压器高压侧a 相匝间短路时，变压器 两侧电流以及差流突变量的有效值变化曲线 由图3 2 0 可见，当变压器绕组发生轻微匝间短路故障时，构造出的差动电流突 变量的有效值总是大于两侧电流突变量的最大有效值，闭锁判据开放，使得差动保 护能够可靠动作。 ( 2 ) 星形侧a 相绕组短接4 匝( 即0 9 ) 图3 2 1 给出了变压器星形侧a 相绕组短接4 匝时，变压器角形侧各相电流波 形( 见图3 - 2 1 ( a ) ) 以及星形侧各相电流波形( 见图3 2 i ( b ) ) 。图3 - 2 2 为按照本文方法得 到的两侧电流与差流突变量的有效值变化曲线。 华北电力大学硕士学位论文 s 蠢s 藕 ( a ) 角形侧三相电流波形( b ) 星形侧三相电流波形 图3 2 l 变压器高压侧a 相绕组轻微匝间短路时，变压器两侧电流波形 图3 - 2 2 变压器高压侧a 相轻微匝问短路时，变压器 两侧电流以及差流突变量的有效值变化曲线 由图3 2 2 可见，即使变压器绕组发生轻微的匝间短路故障，构造出的差动电流 突变量的有效值仍然大于两侧电流突变量的最大有效值，闭锁判据能够灵敏可靠的 开放差动保护，从而确保了差动保护的正确动作。h y b r i s i m 系统仿真结果验证了 该判据的可行性与可靠性。 3 5 结语 本章利用变压器差流突变量有效值与变压器两侧电流突变量的最大有效值的 相对关系，构成了一种简单可靠的抗t a 饱和的变压器差动保护闭锁新判据。该判 据不仅能在变压器区外故障t a 饱和时( 即使t a 快速饱和( 2 m s 左右) ) 可靠的闭锁差 动保护；而且能在变压器区内轻微匝间短路时灵敏的开放差动保护。该判据原理简 单，易于实现，可以大大提高变压器差动保护的可靠性。a t p 仿真与h y b r i s i m 仿 真实验验证了该方法的可行性和有效性。 华北电力大学硕士学位论文 4 i 引言 第四章一种线路纵差保护新原理 为了满足日益增长的电力需求，尽可能的增大电能输送容量，较少输电损耗， 超( 特) 高压输电技术得到了大力发展。作为联合输电系统或远距离输电系统的骨架， 超( 特) 高压系统对继电保护的性能要求很高。在各种线路保护原理中，纵联差动保 护因其原理简单，灵敏性高等优点，被广泛作为高压和超高压输电线路的主保护之 一。因此，研究超( 特) 高压输电线路电流差动保护的原理和方法以提高输电线路保 护的性能是继电保护研究领域的一个重要课题。 但是在保护原理上，电流差动保护受到分布电容电流的影响。5 0 0 k m 的7 5 0 k v 或1 1 5 0 k v 输电线路的稳态电容电流将达到自然电流的5 0 【2 “。这使得线路两端的 测量电流不再满足基尔霍夫电流定律，从而会直接影响保护的灵敏度和可靠性。 目前，克服线路分布电容电流影响的主要方法是通过电容电流的相量补偿来做 一定的弥补。但是，在短路初始阶段，暂态电容电流比稳态电容电流要大很多。相 量补偿方法只能补偿稳态电容电流，尤其是在单端供电或者空投于故障情况下，基 于相量补偿方法的电流差动保护的各种方案( 包括故障分量差动) 均无法满足实际电 力系统继电保护的要求。 本章提出了一种无需考虑电容电流补偿的线路差动保护新原理。该原理是通过 比较线路两侧相电流突变量的最大有效值与差电流突变量有效值的大小来区分内 外部故障。大量仿真实验验证了该原理的正确有效性。 4 2 超高压输电线路的特点及其对差动保护的要求 超高压线路差动保护与中低压线路保护相比存在一些特殊性，以下几方面的特 点均将影响差动保护的动作性能“： ( 1 ) 由于高压电网线路参数的分布性及某些线路中装设的串联补偿电容和并联 电抗器的影响，在短路故障的暂态过程中将出现无穷多频率的自由分量，同时在高 压线路中电感与电阻的比值大，非周期分量和自由分量的衰减都较缓慢； ( 2 ) 输电线路的相与相和相与地之间都存在分布电容，对于超高压输电线路， 由于采用了分裂导线，分布电容增大，而且在超高压长距离线路中，分布电容的等 值容抗大大减小，导致电容电流进一步增大。分布电容在暂态过程中将引起各种高 频分量，在稳态过程中将使输电线路中的电流和电压的大小和相位都产生严重的畸 变。这些都将影响保护迅速，可靠的动作； 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 超高压输电线路线间距离较大，绝缘子较长，有些输电线路可能经过山区 森林，发生短路故障时可能有较大的接地过渡电阻，过渡电阻的存在会影响某些保 护的工作性能； ( 4 ) 超高压线路上往往配置有单相自动重合闸或综合自动重合闸，在单相跳闸 后尚未重合的过程中可能出现非全相运行状态，也可能发生断线加短路的复故障工 作状态，非全相运行状态和复故障运行状态都会对保护产生各种影响1 ； ( 5 ) 线路上装设的串联补偿电容是一个集中的负电抗，它的存在会对保护装置 的工作产生影响； ( 6 ) 某些电网中可能出现的多端线路或同杆并架线路对保护的工作也会带来一 定的影响； ( 7 ) 超高压电网中往往装设电容式电压互感器( c v t ) ，电容式电压互感器的暂 态过程也会影响保护装置的工作，此外，超高压电网中由于时间常数较大，电流互 感器的饱和问题比较突出，电流互感器的暂态过程同样也会影响继电保护装置的正 确工作； ( 8 ) 高压线路常为重负荷线路，在长距离输电线路末端的短路电流可能低于负 荷电流，且使线路两端功角摆开较大，并容易诱发系统振荡等“”。由于超高压线路 的重要性，尽管有以上诸多因素在不同方面影响超高压线路差动保护的性能，但对 于这些继电保护性能的要求不但没有降低，反而更高。超高压线路差动保护的要求 常表现在快速切除故障、高度的可靠性、选择性和足够的灵敏度。 快速性。对超高压线路保护的快速性一般要求在5 0 l o o m s 内切除故障，即保护 出口时间约在2 0 m s 左右