（电力系统及其自动化专业论文）变压器负序差动保护的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力变压器在整个系统中起着至关重要的作用，因此必须为它装设合适的继电 保护装置。本文提出一种基于负序差动原理的变压器保护方案，它利用体现不对称 故障本质的负序电流来实现差动保护，能够以较高的灵敏度反映变压器内部匝间故 障，同时给出了附加判据和正序电流制动判据来提高保护的抗饱和能力，从而有效 防止误动作发生。论文还从励磁涌流、转换性故障、振荡等方面进行了研究，探讨 了负序差动保护在实现中可能遇到的问题，进而证明保护原理的可行性。 关键词：负序差动原理，匝间故障，正序电流制动 本论文得到了”国家自然科学基金”项目( 项目号5 0 2 7 7 0 1 2 ) 的资助 a b s t r a c t i t i s n e c e s s a r yt o i n s t a l lr i g h tp r o t e c t o r sf o rp o w e rt r a n s f o r m e ra si tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei np o w e rs y s t e m o nt h eb a s i so fn e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n t ，w h i c h i n d i c a t e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fa s y m m e t r i cf a u l t s ，t h en e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n t d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d i tc a nd i s t i n g u i s ht u r n t o t u r nf a u l t sw i t ha h i g hs e n s i t i v i t y t h e a d d i t i o n a lc r i t e r i o na n dp o s i t i v e s e q u e n c ec u r r e n tr e s t r a i n i n g t e c h n i q u ea r eu s e dt oh e i g h t e nr e s i s t a n c et oc ts a t u r a t i o na n da v o i dm a l o p e r a t i o n i t d i s c u s s e sp r o b l e m sm e ti nu s a g e ，s u c ha sm a g n e t i z i n gi n r u s h ，d e v e l o p e df a u l ta n d o s c i l l a t i o n ，w h i c ht e s t i f yt h ea l g o r i t h m sf e a s i b i l i t y y a n gh u i h u i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i z a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i a n f e i k e y w o r d s ：n e g a t i v e - s e q u e n c ec u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na l g o r i t h m ，t u r n t o t u r n f a u l t ，p o s i t i v e s e q u e n c ec u r r e n tr e s t r a i n i n g p r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n s f c ) ( n o 5 0 2 7 7 0 1 2 ) 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文变压器负序差动保护的研究，是本人 在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引 用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名：拉盘盘日期：垫! ：! ：! 生 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目 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：盘鱼 日期：迦! ：! ：! 生 导师签名 日期：迦! ! 妒 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章引言 随着我国电力事业的快速发展，系统互联程度迅速增大，机组容量也越来越高， 整个电力系统的安全运行显得更为重要。作为电气主设备之一的变压器是整个系统 电能传输的枢纽，其安危将直接影响到电力系统的安全稳定运行，并且大型变压器 的造价高，一旦损坏，长时间、高难度的检修都将会造成很大的经济损失。因此现 代电力系统对变压器的保护提出了更高的要求。 然而，近年来我国2 2 0 k v 及以上电压等级的变压器保护正确动作率一直停留在 较低水平，远不及线路保护。主要原因是由于变压器不仅包含有电路，还包含有磁 路，它是各次绕组通过磁路联系的非线性元件，一直缺乏科学有力的工具来研究其 内部故障的机理。因此变压器差动保护如果和发电机差动保护一样，也采用普通的 比率制动方式和标积制动方式，来实现外部故障不误动和内部故障较灵敏动作的目 的，显然有着较大的动作死区，尤其是内部的匝间故障时更不利。同时大容量变压 器更多地投入使用，纠结式绕组发生匝间故障的可能性又很大，因此需要深入分析 变压器的特征，不断探索适用于变压器的新保护原理和技术，以提高变压器保护的 水平。 1 2 变压器主保护研究的现状 电气主设备内部故障的主保护方案之一是差动保护，但是作为变压器内部故障 的主保护在实现时有许多特点和困难。差动保护的理论基础是基尔霍夫电流定律， 对于仅包含电路的差动保护对象，如发电机、线路、电抗器等，本身没有故障时， 诸端子电流相量和恒为零，而变压器有一条所有绕组公用的磁路，各端子电流相量 和将不再为零，而是励磁支路电流，这是变压器纵差保护不平衡电流的主要来源。 虽然在一般情况下，这一电流很小，不会影响保护的工作性能，但是在变压器铁芯 磁通密度过高的稳态过励磁工况下，铁心严重饱和，励磁电流会剧增，对于较小动 作电流的差动保护，势必造成误动作。更为严重的是变压器在空载合闸或外部故障 切除时的暂态过励磁电流，其数值会高达额定电流的几倍甚至是几十倍。所以变压 器保护方案主要包含有两大问题，一是如何区分故障电流和励磁涌流，二是如何区 分内部故障和外部故障。 i 2 1 变压器内部短路时流出电流对差动保护的影响 前边已经介绍变压器每相原副边电流之差将作为变压器差动保护不平衡电流 的一种来源。除此之外，变压器具有两个及更多个电压等级，构成差动保护所用的 华北电力大学硕士学位论文 电流互感器的额定参数各不相同，在外部短路的暂态过程中，工频交流的非周期电 流分量将使保护各侧的电流互感器饱和特性严重不一致，另外，正常运行中的变压 器根据电力系统的要求需要调节分接头，这些都会造成差动回路不平衡电流的增 大。所以为了保证保护在外部故障时可靠不动作，定值的整定要留有一定的裕度， 以防止误动作的发生。 变压器差动保护应能反应高、低压绕组的匝间短路，而匝间短路时虽然短路环 电流很大，但是流入差动保护的电流可能不大；变j 盘器差动保护还应能反应高压侧 ( 中性点直接接地系统) 经高阻接地的单相短路，但是此时的短路电流也较小；当 变压器绕组匝间短路时，变压器仍带有负荷，即变压器内部故障时被保护设备仍有 流出电流，这些都会影响保护的灵敏度。 为了争取变压器匝间故障时差动保护具有更大的灵敏度，需要改进保护的动作 判据，使之允许在内部故障时存在更大的流出电流，但是这样做的结果必然使差动 保护在外部短路时更有可能误动作。目前对这种情况进行了一些分析，在匝间故障时 能够得到改善。 1 2 1 1 具有通用特性的变压器比率差动继电器 文献【1 】指出在外部短路时误差不仅产生不平衡的差动电流，而且也使制动 电流减少，不再等于穿越性电流，并且在选择制动特性时，可按区内故障时可靠动 作的条件使动作特性尽量靠近区内故障的区域，与传统使制动特性最大限度地靠近 外部短路时不平衡差电流区域的做法不同，这样在区外故障使允许的误差最大，必 然有最好的选择性。文献分析在内部故障时最小的，。i i ，= 2 ，建议下图的差动电流 门槛值取( o 3 o 5 ) l ，制动特性曲线斜率取m = 1 。 图1 1 二折线型比率差动继电器动作特性 文献【2 】分析，在轻微匝间短路时可能送出满负荷电流，最小的故障电流可 能为0 5 1 ，即两端电流为0 = 1 5 1 ，f 。= ，则，= 1 ，2 5 x ，拐点，。就取在1 2 5 附 近，这样在轻微匝问短路时就没有制动电流，可以得到较大的灵敏度。比率差动继 电器采用这样的特性和整定值，称为具有通用特性的继电器，可以适用于任何系统 中的任何变压器。 2 华北电力大学硪学位论文 1 2 1 2 突变量熬动保护 突交量差凌继逢器绦护轻微堑阗复路簸漳吴骞鞠羲戆霞熹。在突蹙量差动熬电 器中差动电流和制动电流都是突变量，即蝇和越，其比率制动判摇可采用常规的 动作特性。出。悬羞动电流的突变量，不反映稳态差动不平衡电流，因此定值可以 取得鞍低，其次铡动电流也是一耪突变量，不反映受蕊分量。在变援器轻微匝潮短 路辩送出豹负荷彀流在突变薰麓动保护审不起作露，不会限制院率铷动判据的灵敏 度。 1 2 1 3 变压器负序差动功率比率保护算法 文献【3 】认为传统交舔器傺护算法健鬻拳一酌一辩电量，蟊癜筮或电滚爨， 信息含量少，局限性较大，同时利用多种电量，如电流和电压量，倍息含量较大， 有利于较全面地皮映变压器运行工况，因为变压器的电压和电流是系统中两组独立 熬交潼。歇瑟疆爨了变压器受旁差羲功率魄率霖护算法。定义受窍麓渗臻率灸 驴鲁 ct 刊 式中s 2 = u 2 鸽，= g ，鲳； 量、s 一负序、正序羞渤功率； 眠、一变鹾器一次侧负序电压、藏序电压； 她、越一变压器负序、芷序差动电流。 变压器受穿慈动功率魄搴绦护算法包括溺帮分，在蒸翔舞辞稻内帮敲障露识采 用传统比例制动方法，在区别空载合闸和内部不对称故障时采用的是负序差动功率 比率。外部故障和空载合闸时，能可靠不动作，在内部故障，尤其怒轻微故障时， 豫护帮能歪臻魂俸，著且甏佟灵敏菠毙簧绞辍护罄要褰。 1 2 2 常规涌流谈别方法 髓前识别涌流的方法很多，主要有电愿削据和电流判据，它们镑有优缺点，在 实琢缆蠲当中瘦羧獾兵薅要求俸穗痤魏选强，氇可戳尼耱一莛霞麓，夏程弥 不越， 以提黼涌流识别的可靠性。 1 2 2 1 电压判据 6 5 。或最 墨。，。( 2 ) ( 2 - - 2 ) 其中l o p 。一负序差动回路中的差动电流 k 。一负序差动回路制动电流； k 。一制动系数a 2 2 负序差动保护的动作判据 2 2 ，1 常规差动保护的动作判据 根据制动量构成的不同可以形成不同的差动保护判据，不同的差动保护有其不 同的特点。在目前的差动保护原理中较常用的有比率制动式和标积制动式两种。 2 2 1 1 比率制动式【1 0 】 比率制动式差动保护已经广泛用于电气主设备，其典型的动作判据为： 差动电流f 。= i ，。+ j 。l ( 2 3 ) 8 华北电力大学硕士学位论文 制动电流，。= o 5 i t t i ( 2 - - 4 ) 槲幡乏笼卷二嚣酆h 时 c 2 吲 式中t 、t 一被保护设备两端电流向量( 以流入被保护设备为正方向) ； i o p 。一最小动作电流； i 。一制动电流的门槛值： k 一制动特性曲线的斜率。 虽然常规的比率制动式差动保护的动作电流会随着外部短路电流的变化而变 化，在反映内部故障时具有较高的灵敏度。但是由于电流互感器在外部短路暂态过 程中会造成纵差保护不平衡电流增大和饱和效应使制动电流减少，可能产生误动作；并 且被保护设备故障时一侧可能存在的不大的流出电流会影响保护动作的灵敏性，甚 至还会造成保护的拒动。 2 2 1 2 标积制动式【1 1 】 把相位比较引入到动作判据中，有利于提高保护的动作可靠性。改进的标积制 动式差动保护的判据为： 差动电流l o p = i l + 厶l ( 2 - - 6 ) 制动电流 k 2 一i m i n 。0 8 盯，。0 8 盯 0 动作判据 ( 1 百i r e s b ，每 b ，寺 b 同时成立时，让动作电流i d * ，保护一定 不会动作o ( 2 ) 若以上条件不满足，按以下方式判断动作： 乏；乏：翥k 7 ”( i 二二嚣，当，。时 c 2 一s ， 。+。一，g ) 当，。，。时 式中t 2 一t 和j 。的夹角( 各电流以流入被保护设备为正方向) ； ，。一被保护设备基本侧的额定电流； b 一判饱和系数。 外部故障时，9 0 。 口 2 7 0 。，标积制动原理的制动量起制动作用，在内部故障 时，一般有_ 9 0 。 罡拿 b ( 2 9 ) i n in i n 其中i h2 、- i m l , c o s a ，。0 8 口刊( 2 1 0 ) ，h = 0 ，c o s d 0 式中 j 。一相制动电流； 口一t 和t 的夹角( 各电流以流入被保护设备为正方向) ； j 。一被保护设备基本侧的额定电流； 曰一判饱和系数。 当判据( 1 ) 成立时，判为外部严重故障，令l m ) = 一1 0 ，这样不会影响保护的 动作特性和整定值，同时也保证了保护可靠不动作； 当判据( 1 ) 不满足时，由判据( 2 ) 的比率制动式特性来判断保护是否动作， 其制动特性曲线如图2 6 所示。 2 叩1 2 m 缸 0 动作判据( 2 ) k c 2 ) 图2 6 负序差动保护的制动特性 1 0 华北电力大学硕士学位论文 弼篡：盛群动时溉狐艚(2-11)lopl g ( 2 ) i ( 2 ) 叩( 2 ) 删n + k 2 ( ，j ( 2 ) 一 ) ，当，w ( 2 ) g ( 2 ) 时 其中l o p ( ：，= i t 。：) + t 。) i ( 2 1 2 ) 式中，。、一负序差动回路中制动电流的拐点值； k 。一负序差动继电器的最小动作电流； 墨一负序制动特性曲线的斜率。 事实上如果不考虑外部严重故障情况，提高保护的灵敏度就不在于采用什么形 式的制动电流，而在于取较小的制动系数。同时结合现有成熟的比率制动式差动保 护整定方法，仍然采用代数平均值作为制动电流。文献【1 3 1 也有这样的做法。 用来表示l 。和0 ：，2 _ f 日q 的夹角，当一9 0 。 1 5 1 。， 保护在判据( 1 ) 的制约下绝不会动作，即使外部短路电流再增大，保护更不会动 作；j 。 。 m 、也一。 d j c c ( a )( b ) 图2 7 三相负荷电流相量图 因为砑= j 。+ n 2 j 。+ “。，所以：) 。= 妻k 。 根据以上分析，知道c f ：，最大可以取值1 3 。 一般情况下k ( 2 ) 。= o 1 1 一0 2 1 。 2 3 1 3 拐点电流i g 。的取值 制动电流拐点可按下式取为 ) 。0 5 嚣( 2 - - 1 6 ) 2 3 1 4 制动特性曲线的斜率 在外部不对称短路时，差动继电器以短路电流的负序分量为制动量，而作为动 作量的差动电流理论上为零，但事实上一定存在着不平衡电流。外部故障时，负序 差动回路中的不平衡电流可以表示为 l 岬) ：( k k k + 幽) & 盘 ( 2 1 7 ) r - r a 式中，。一外部故障时的短路电流。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 考虑暂态过程中的非周期分量，非周期分量系数可取为1 5 2 。此时电流互感 器的比误差取为0 1 。 为防止差动保护在外部短路时误动，继电器的动作电流应该躲过这一不平衡电 流，可以由此确定动作特性的最大制动系数。 判据( 1 ) 已经在很大程度上解决了外部故障时t a 饱和引起的误动，所以从提 高内部故障保护灵敏度角度出发，不考虑t a 互感器_ 次侧的断线，制动曲线斜率 可较常规差动保护取得小一些，一般可取k 2 = o 2 o 3 。 2 3 2 变压器负序差动保护的微机实现 变压器各侧电流互感器均采用星形接线，- 次电流进入保护装置后先进行电流 的相位校正和平衡调整，由校正后的电流计算得到各电流的负序分量，从而计算负 序差动保护的差动电流和制动电流。 ( a ) 电流相位校正 由于变压器y n d 接线的关系，变压器两侧电流问存在相位移动，为保证正常 运行或外部故障时j 。和j 。有反相关系，必须进行相位校正。 l ，1 _ j 保护 图2 8 保护接线 l - t - 一 傈护 如图2 8 ，变压器y n d 1 1 接线，图示i a r 、厶，、j 。，和屯、j 驴屯均是流入变压 器的。l ，侧电流进行相位校正，表示为 ( b ) 电流平衡调整 珞= 专( j 。，一o ) 、，j 矗，：去( 毛，一t ，) 、，j = 妥t b i 。、 、，j ( 2 1 8 ) 兰韭皇塑奎兰婴主兰堡堕壅 _ - _ 一一 由于电流互感器是按标准变比生产的，同时变压器的变比一般来说也是固定 的，所以必须进行幅值的平衡调整以保证正常运行和外部故障情况下差动回路中没 有电流。先计算变压器各侧电流互感器的二次额定电流，品，计算式为 ，一上土( 2 - - 1 9 ) ”9 3 ( ，。 式中s 。一变压器的额定容量； u ，。一变压器某侧的额定电压； 一某侧电流互感器的变比。 以变压器的高压侧为基准侧，则低压侧的电流平衡系数为( ，麓和，五分别为高、 低压侧的电流互感器_ 次额定电流值) = 孕 ( 2 2 0 ) l m 最后只需将各侧的相电流与其对应的平衡系数相乘即实现了平衡调整。 ( c ) 负序电流的算法 负序分量电流的算法可以有相量法和采样点法。装有三相电流互感器的的负序 电流相量算法公式为： j 。、：；( j 。+ j 。e 一t e 宁) ( 2 2 1 ) 离散化后的形式为： l a ( 2 ) ( 炉；( 水) w 七一争+ + 争) ( 2 1 2 ) 式中一工频周期内的采样点数。 2 4 负序差动保护灵敏度分析 以下仿真和分析中不考虑为提高保护的灵敏度而设定的内部故障制动电流为 零这一条件，即在内、外部故障时制动电流都取为两侧负序电流的代数平均值。这 样便于和其它保护进行更准确的比较，有利于对负序差动保护原理本身的特性进行 分析。 2 4 1 定值分析 当系统发生不对称故障时，系统中各处流过的负序电流是由故障处的同一负序 电动势产生的，和常规差动保护不同，它不会受制于各个电源电势的差别，不会受 负荷的影响，因此，负序差动保护回路中的不平衡电流较相差动保护回路中的小， 即在同样的制动特性下，动作门槛值可以取的更低。单从这一方面来看，负序差动 保护在反映内部不对称故障时灵敏度应该较常规差动保护高。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 4 2 差动电流和制动电流分析 2 4 2 1 仿真分析 用e m t p 仿真软件对一个双端电源系统中y d 接线变压器的各种内部故障情 况进行分析，计算各个差动回路中的电流。该变压器额定电流l = 2 0 6 ( a ) 。以下数 据均为故障后第一个周期的计算结果。 表2 1 各种故障时的差动电流和制动电流 常规著动保护( a )负序差动保护( a ) 故障类型 著动电流 制动电流差动制动 a 相 b 相 c 相a 相b 相c 相电流电流 星接侧a 相 接地故障 1 0 7 6 10 61 0 7 6 7 1 6 3 6 2 0 5 63 2 9 86 2 1 51 1 8 1 星接侧a b 相短路故障 1 9 7 29 8 5 99 8 64 0 2 18 1 63 7 0 89 8 5 81 8 5 1 星接侧a b 相短路接地 1 9 7 1 41 1 7 0 41 1 0 4 64 0 1 8】9 4 23 4 1 96 5 8 51 2 0 三角侧1 0 匝间短路 2 1 7 10 5 7 6 12 1 7 61 7 7 62 0 5 62 7 4 6 1 2 5 ，5 6 1 6 星接侧1 0 匝间短路 1 3 0 50 5 4 9 71 3 1 11 8 9 12 0 5 62 1 4 37 5 5 61 4 6 6 星接侧l o 匝处接地 1 3 0 5o 5 4 9 71 3 1 11 8 9 12 0 5 6 2 1 4 37 5 5 6 1 4 6 6 从上表中的数据可以看出，同一故障下，常规相差动回路中的差动电流并不比 负序差动电流小，反而常较其大很多，这也是显而易见的。同时常规差动保护的制 动电流也比负序差动保护的要大，所以由差动电流和制动电流共同决定的保护动作 单从这一点上并不容易区分出灵敏度的高低。 表2 2 匝间故障时差动电流和制动电流之比 故障类型常规差动保护负序差动保护 三角侧1 0 匝间短路 1 2 22 0 4 星接侧1 0 匝问短路 0 6 95 1 5 星接侧1 0 匝处接地 o 6 95 1 5 然而在匝间故障中，常规差动保护的差动电流与制动电流的比值小于负序差动 保护中的这一比值，这也表明在相同的动作特性下，相比常规差动保护而言，负序 华北电力大学硕士学位论文 差动保护应该具有更高的灵敏度。 2 4 2 2 理论分析 崔铲# 镝 一k 事一k _ k 协一k 鼎目 ( a )( b ) 图2 9 变压器内部匝间故障示意图及其等效形式 一个k y 接线的变压器，如果在绕组内发生k 侧的绕组的单相接地或y 侧的匝 间短路，如图2 9 ( a ) 示。如前分析知道可将短路部分划分出来组成y 。接线的第 三绕组，第三绕组的匝数正好等于故障匝数。匝间短路看成在该绕组端部发生接地 故障，如图2 9 ( b ) 示。设故障相为a 相。 图中示出了变压器内部故障时负荷电流和故障分量电流的流向。其中、屯为 、l 中的故障分量电流，屯为负荷电流。设负序故障分量i k 。在i n 侧的分配系 数为c 爪( 正序故障分量在m 侧的分配系数相同) 。考虑到等效变压器的第三绕组是 空载情况，所以等效并不会影响变压器外部的电流分布。因为a 相的三序电流相等， 为短路电流的1 3 倍，所以有 1 j h = ( 1 ) + q i k ( 2 ) + i k ( o ) = ( 2 c 卅+ 1 ) i k ( 2 - - 2 3 ) ， k = ( 1 一c m ) i k ( 1 ) + ( 1 一c 卅) i k ( 2 ) = 詈( 1 一巴) ( 2 2 4 ) 常规比率差动保护的差动电流和制动电流为 ，叩= h + l i = l ( k + 屯) + ( 屯一屯) i _ l l + 气= ( 2 2 5 ) k = o 5 k t l = o 5 l ( 屯+ t ) 一( 屯一k ) i = o 5 i ( l 一屯) + 2 屯l ( 2 2 6 ) 考虑到负荷电流和故障分量电流有接近9 0 度的相角差，所以上式可写为 j 。= 吉托再而= 2 4 4 1 乞+ 丢( 4 c m - 1 ) 2 ( 2 - - 2 7 ) 负序差动保护的差动电流和制动电流为 0 ( 2 ) 2 l ( 2 ) + l ( 2 ) j 2 i q 厶( 2 ) + ( 1 一q ) t ( 2 ) i = ( 2 ) - 三，i t ( 2 - - 2 8 ) ，。：，= 专i l 。：，一t 。：，i = 寺i o 。：，一( 1 - c , ) i k 。：，l = 去1 2 巳一1 i ( 2 2 9 ) 比较式( 2 2 5 ) 和( 2 - 2 8 ) ，当负序差动保护的差动电流乘以3 时，负序差 动保护和常规比率制动式差动保护具有相同的差动电流，均等于内部故障时的短路 华北电力大学硕士学位论文 电流。比较式( 2 - - 2 6 ) 和( 2 m 2 9 ) ，当负序差动保护的制动电流也乘以3 时，若 为较轻微的故障，负序差动保护的制动电流小于常规比率制动式差动保护的制动电 流，即3 k 。：) z o 。，将导致负序差动保护的误动作，尤其 是在电流互感器暂态特性差异较大、电流互感器发生饱和时，误动作更容易发生。 3 1 3 外部对称故障保护闭锁判据 3 1 3 1 对称故障保护闭锁原理 变压器负序差动保护主要反映变压器内部不对称故障而动作，在对称故障情况 下，为了防止误动的发生，应该在对称故障时将负序差动保护闭锁住。可以采用正 序电流制动的方法来实现闭锁。 外部三相对称故障时，理论上不会有负序分量。而不平衡电流的存在，使保护 各侧出现较大的正序电流和较小的负序电流，这一负序电流实质上就是不平衡电 华北电力大学硕士学位论文 流。此时下式不满足 i(2)屈i(3-1) 式中i ( ：】、i ( 。) 一保护各侧的负序电流、正序电流； 屈一设定系数。 即差动回路任一侧不满足( 3 1 ) 式时，可认为是发生对称故障，将负序差动保护 闭锁。 发生不对称短路故障时，对任一侧，负序电流和丁f 序电流可表示为 2)=c2(2)(3-2) ，( 1 ) = c l ，) ( 3 - - 3 ) 计及l ( 2 ) = t k ( 1 ) ( t 1 ) ，故有关系式 i ( 2 ) n ( 7 1 1 1 ( 3 4 ) 式中c 2 和c l 为保护某一侧的负序电流、正序电流的分配系数。可见取屈 0 5 。 综上分辑，0 5 k i t e s = 0 5 + p l u 瓜 31 7 一 ( ) 整理后为 “j 1 - ( 芋2 ( 3 - - 1 8 ) s 1 5 时保护肯定不动作，所以只有在下述条件成立的情况下，才有保护误动的可能性 华北电力大学硕士学位论文 1 5 j o 1 1 l o p ( 2 ) = q 2 ) p l 4 1 一s 2 k i 。= o 2 去c ( 2 ) p l 1 + 3 j 2 32 41 一 ( 一) 整理后有 ( 3 2 5 ) s g 时的s m = 0 9 8 ， 误差更小，抗饱和能力相对就更差。 ( 1 ) 的约束作用，同样的，在p g 时，对应不同的p 有不同的，根据和0 9 8 的关系，有两种情况出现： ( a ) 5 ， l ，则k = ，。，差动电流主要表现为故障电流， 否则差动电流由故障电流和励磁电流共同决定。 根据以上分析，若变压器空投到内部故障时，由于涌流的作用，差动电流不再 只是表现故障电流的特征，某些情况下明显的涌流特征可能使负序差动保护被闭 锁，保护无法反映内部故障，直至涌流衰减完，保护被开放，此时保护才能对故障 作出判断。 现对几种变压器空投到内部故障的情况进行仿真，采用波形对称原理来识别涌 流和内部故障，当有一相波形对称时，即开放负序差动保护。 当变压器有涌流时，发生内部较严重故障，如在0 0 0 5 s 时从角形接线侧( 此处 的低压侧) 投入变压器，若内部故障为绕组2 0 匝短路或更严重的故障，保护都能 够瞬时动作；故障严重程度减小，如1 0 匝附近的短路故障，保护将躲过一定的延 时动作；若为某些较轻微故障，保护需要躲过较长的延时才能反映，当延时达到一 定程度时，相当于保护已经拒动。这仍是需要改进的地方。 牮托电力大擎硕士学位论文 表4 4 变压器掇投到内部故障时的保护动作行为 台阐侧合闸时刻f s )内部故障类耀延时动住( m s )动作冤敏度 麓形接线秘 o 藤莲铡单籀接逸蔽障 3 29 2 5 0 9 低压绕组6 砥短路 1 0 6 53 6 7 7 9 o 低压绕组1 0 峨短路 5 8 46 2 5 1 5 低压绕组2 0 暇短路o1 2 9 4 6 3 低缝绕组6 疆短魏3 7 94 9 8 5 3 角形接线侧 0 0 0 2 5 低压绕组1 0 瞧短路2 5 0 8 1 5 0 5 低压绕组2 0 吼短路 o 1 6 5 3 7 7 低压绕组6 暾短路1 0 4 03 9 1 6 0 0 。0 0 5低惩绕组1 0 隧短路4 1 66 。9 7 1 4 低捱绕组2 0 曦短路 01 5 8 6 0 8 4 2 电流互感器断线 变压器带载逡行时，若菜一电流互感器出现二次侧断线情况，即使是带对称负 荷正常运行，该侧= 次三相电流也会表现出不对称性，从而在负序麓动回路中出现 差动墩流，可能引起保护的误动手# ：即馒变压器负荷电流很小甚至壑载时，若发缴 区井瓣短路故障，也会造成蘩渤傈护静误动作。因忿，在壅现毫滚嚣感器二次铡鞭 线时应采取相应措施防止变压器负序差动保护的误动作。 变遥器的负序差动保护设有起动元件，起动元件不动作，保护工作在正常远行 莲澎，起动元转动终，爨护转入蔽薅溺量稳滓。瑟叛霪黉在臻护起凌粒未起动瑟耱 情况下分别考虑断线对策。 ( 1 ) 保护没有起动时，为与变压器空载情况区分，电流互感器二次断线判据 为； 所有耱羽静电流中任一耩光电流，羹该稽静对衡曦流大予一个瓮僮，朝羚为该 相t a 断线。 此情况下判麟线后延时发告警信号，不用闭锁负序差动保护。邋也兼起到了保 护装鬟交滚强魏鹣耋捡功戆。 为了防止变滕器负荷太辍时误判为t a 断线，在越动元件动作前若某侧最大相 电流小于设定值( 如o 1 0 2 f 。) ，则不进行电流互感器断线判别。 ( 2 ) 若在保护起动对检嬲龋线，需要瓣爵 i l 锁负黪差动嫖护。判据为： 变压器起动元件动作螽菜稚电流减小，表现为无嚷流，而其它襁刹和其它德静 相电流均无变化。满足以上条件时即判为t a 二次回路断线。 考虑到一般的故障电流都大于变压器的额定电流，当任一相的电流大于硝：融 ( n ) ，不论受序差动保护怒否被阕壤，聱应穆筵傈护开教。 采用此判据，即可以在正常运行情况时防止电流互感器二次回路断线变压器负 华北电力大学硕士学位论文 序差动保护误动作，又可以在发生故障时自动解除闭锁，可靠切除故障。 4 3 转换性故障问题 4 3 1 转换性故障对负序差动保护的影响 由于故障后的电力系统处于非正常运行状态，很容易发展成为转换性故障，从 而引起网络拓扑结构的变化，这会引起系统中电流和电压量的变化，进而造成还未 动作的继电保护装置的误动或者是拒动。本处首先考虑在区外故障转为区内故障的 情况下，保护如何快速投入以切除故障。 表4 5 转换性故障后变压器两侧相电流 一次二次相 高压侧电流( a )低压侧电流( a )相角差n 1 日( a ) 扰动扰动 别 高压 角形 a 1 1 4 0 4 么一6 6 4 r4 2 1 8 l 1 8 3 6 。 一8 4 7 70 侧单 绕组 相断 6 匝 b 2 0 5 2 9 l 13 4 9 8 。2 0 5 8 7 l 一4 5 1 1 0 1 8 0 0 92 0 5 5 8 线故 短路 障c 1 0 7 3 3 l 一2 2 4 1 。2 2 7 8 8 2 1 4 4 5 2 。 一1 6 6 9 31 5 4 3 3 低压 角形 a 1 2 8 8 1 l 一6 4 3 8 。 06 4 3 80 侧单 绕组 相断 6 匝 b 2 2 5 1 6 2 1 5 2 6 6 。2 2 5 7 7 l 一2 7 4 4 。 1 8 0 12 2 5 4 7 线故 短路 障c 1 4 4 6 3 l 4 9 3 。2 2 5 8 1 2 1 5 2 6 6 。 一1 4 7 7 31 6 6 1 1 高压 a 6 6 5 8 9 2 1 3 8 9 2 。7 9 1 3 5 l 一4 1 8 7 。 1 8 0 87 2 5 8 8 侧单 角形 相接 绕组 b 2 0 5 2 9 2 1 3 4 9 8 。 2 0 5 8 7 z 一4 5 1 1 。 1 8 0 0 92 0 5 5 8 地故 6 匝 短路 障c 8 7 0 8 z 一4 2 1 。9 9 6 9 6 l 1 3 7 5 5 。 一1 7 9 6 59 3 1 7 4 表4 5 为外部故障转换为内部故障的情况，其中有数据表现出了外部严重故 障的特征。结果如表4 6 所示，当考虑相标积制动判据时，因为判据( 1 ) 或门不 动作的作用，导致了某些转换性故障时的保护拒动。由上可知，在内外部故障的共 同作用下，判据( 1 ) 不能准确反映故障特征。 华北电力大学硕士学位论文 表4 6 考虑相标积制动判据( 1 ) 的保护动作情况 一次扰动二次扰动负序差流( a )负序制动电流( a )动作情况灵敏度 高压侧单角形绕组 相断线6 匝短路 7 2 4 58 6 9 2 动作 3 5 1 7 0 低压侧单角形绕组 相断线6 匝短路 7 4 6 99 7 0 7动作3 6 2 5 9 高压侧单角形绕组 相接地 6 匝短路 一1 0 拒动 不考虑相标积制动判据的作用，如表4 7 所示，在外部故障不平衡度相对内 部故障较弱的情况下，表现为内部故障的性质，保护能够动作；然而当外部故障不 平衡度大时，最终会判为外部故障，仍会出现保护拒动的情况。 表4 7 不考虑相标积制动判据( 1 ) 的保护动作情况 一次扰动二次扰动负序差流( a )负序制动电流( a )动作情况灵敏度 高压侧单角形绕组 相断线6 匝短路 7 2 4 58 6 9 2 动作 3 5 1 7 0 低压侧单角形绕组 相断线 6 匝短路 7 4 6 99 7 0 7 动作 3 6 2 5 9 高压侧单 角形绕组 相接地6 匝短路 7 2 7 94 8 5 2 9拒动 根据以上分析，总的相电流无法很好的反映各种转换性故障。如果在保护动作 于内部故障前转换为外部故障，并且外部故障的不平衡度较大，保护将可能拒动； 如果外部故障转换为内部故障，同时内部故障的不平衡度较弱，外部故障特性表现 明显，也有可能将负序差动保护制动住，引起拒动。 4 3 2 提高转换性故障下保护可靠性的方法 称正常运行的电力系统发生的故障为一次扰动，把随后出现的转换性故障称为 二次扰动，整个系统近似看成线性网络，利用叠加原理有 式中j 。一转换性故障后，保护安装处的复负序电流； 。一一次扰动在保护安装处产生的负序电流； j 。、一二次扰动在保护安装处产生的负序电流。 由式( 4 - - 3 ) 很容易知道发生转换性故障后的复负序量受各次扰动的共同影响， 若某次扰动不平衡度较其它扰动所占的份额大很多，则复负序量会优先体现此扰动 的性质，保护的动作情况也主要取决于此。 在外部故障转化为内部故障的情况下，由于外部故障仍然存在，保护不能准确 华北电力大学硕士学位论文 反映继发糕的内黎故障，正露表4 6 霸4 7 甄体现的酃样。为了傻保护程爱映各 次扰动时稽飘独立，互不影响，可氍嘏据式( 4 3 ) 提出j ：( 2 ) ，由j ：( ：) 反映二次扰动 的特点。 在不考虑衰减的前掇下，表4 8 列出了各次扰动后变压器两侧的负序电流。 表4 8 各种扰动后的变压器两侧负序电流 一次二次 各次扰动 高压侧低压侧 扰动 扰动( a )( a ) 一次撬动 7 3 6 8 l 2 0 。0 7 。7 3 8 3 l 1 6 0 0 2 。 负序量 高压侧单角形绕组 相断线 6 匝短路 复负序量 7 8 7 7 l 1 3 ，4 。 1 0 7 3 8 l 一1 2 4 2 4 。 二次撬动 1 0 2 3 l 一4 3 4 8 46 4 。l v 4 z 一8 1 9 5 。 负序量 一次扰动 9 7 7 1 l 7 4 6 8 。 1 0 3 5 2 l 一1 0 5 1 6 负序量 低压侧精惫形绕缝 指断线6 匝短鼹 复囊痔量 6 8 1 3 l 3 7 妫41 3 0 3 5 l 一1 1 7 4 8 。 一次扰动 负序量 6 0 0 9 z 一6 1 8 7 。3 6 7 1 么一1 5 4 6 9 。 一次扰动 4 2 7 5 6 l 9 5 9 1 。4 2 8 。4 9 l 一8 4 ，1 8 9 受疼量 高压侧单角形绕组 相接地6 匝短路 复负序量 4 4 9 3 1 2 9 5 1 9 。5 2 1 3 2 l 一8 3 6 4 4 二次扰动 2 2 。4 3 l 8 1 。4 2 49 2 骛霹z - 8 1 。1 3 4 受穿量 从角度上看，一次扰动负序量表现为外部故障特征c o sa 0 ；复负序避并没有 表现出内部故障相角差c o s 0 或者憝终部故障的特点，而是腰子两者之间，也正 魏表4 6 帮4 7 中繇示兹爨样，建簸受痔量来实蕊傈护将是不准确静，鸯疆凄静 可能性：二次扰动负序量在反映内部故障时能力较复负序量强，表4 9 为二次扰 动负序量实现保护的动作情况。 袭4 9 蠲二次撬韵受序量爱跃教障特征豹缣j 护动作蘩嚣 一次扰动二次扰动 负序差流( a )负序制动电流( a )动作情况灵敏度 高压侧单角形绕组 相断线6 匝短路 7 2 4 30 动作 3 5 1 6 1 低匿餐萃角形绕组 相断线6 匝短路 6 8 ，8 9 3 5 9 6韵律3 3 4 幸0 高压侧单角形绕组 相接地6 匝短路 7 1 8 75 7 2 6 动作 3 4 8 9 0 华北电力大学硕士学位论文 根据以上分析，在网络近似线性的前提下，二次扰动负序量能够较真实的反映 二次扰动的本质，在故障性质上不易受其它因素( 如一次扰动) 的影响。对各次扰 动量分别进行判断，可以较好的解决转换性故障时的拒动问题。 考虑到转换性故障继发性的特点，一次扰动和二次扰动之间存在着时间差，在 保护整组复归之前，若出现相继的电流突变，用第二次起动后的负序量减去第一次 起动后的负序量，所得到的结果近似当成仅由二次扰动产生，对此结果也进行负序 比率式差动保护判断。 这样的分析目的在于尽量使各次扰动相互独立，在故障性质上互不影响，理论 上能够满足各种转换性故障的情况，保护具有较高的可靠性。 4 4 系统振荡 输电线路输送功率过大，超过静稳定极限时，会引起整个电力系统的振荡，短 路故障切除缓慢或者是自动重合闸不成功也会导致这一现象出现。系统振荡时，各 点的电压、电流和功率的幅值和相位都将发生周期性的变化，有可能会使某些继电 保护装置误动作。 图4 - - 3 是简单的双侧电源系统，设岛= z o 。，重。= e n 么万，并假令系统阻 抗角等于线路阻抗角。系统发生振荡时的相量图如4 4 。 e 嗵mi h 奁n 2 m 甓卜帮 图4 - - 3 简单双侧电源系统接线图 由m 侧流向n 侧的电流可以表示为 j ：二鱼 图4 4 相量图 e n ( 4 4 ) 线路两侧母线电压为 u m = 一z u l ( 4 5 ) u = e n + z n ， ( 4 6 ) 线路m n 上任一点的电压相量端点都落在岛一西上，随着占角度的摆动，各点 的电压电流都随之变化，振荡中心t 在振荡角度j 下的电压最小，其中j = 1 8 0 。时的 电压为零，并且由式( 4 4 ) 知道电流最大，从电压电流的角度看就如同此点发生 三相短路故障一样。 通常情况下系统全相运行，振荡时三相完全对称，不会出现负序分量和零序分 华北电力大学硕士学位论文 量：当系统非全相运行时，由于变压器一般是不能非全相运行的，这对变压器保护 来说相当于外部故障，也不会引起负序差动保护的误动作，即使此时发生系统振荡。 所以当电力系统振荡时，变压器保护或者判为内部三相对称故障，或者判为外 部三相对称故障、不对称故障，这些都不会引起保护的误动。即系统振荡本身不会 造成负序差动保护误动作，无需振荡闭锁措施。 即使振荡电流很大，引起的不平衡电流可以使保护误动作，但在误动前，对称 故障闭锁措施会将此种情况判为对称故障从而将负序差动保护闭锁，最终不会导致 误动的发生。 若在振荡的同时发生不对称故障，从出现负序量的时候开始负序差动保护便开 始进行故障判断，无延时或定值的影响，保护仍会快速作出反映。 4