比率差动保护原理

故障分量差动保护深入研究了基于故障分量的数字差动保护的基本原理，并与传统的比率制动差动保护进行了详细的比较。讨论了故障分量差动保护的动作判据。最后介绍了基于该原理的保护在实践中的应用。关键词故障分量差动保护微机保护发电机变压器介绍基于故障分量(又称增量)实现保护的原理最早可以追溯到基于突变原理的保护，但直到微机保护技术出现后，才引起人们的重视和广泛研究。微机具有长记忆功能和强大的数据处理能力，并能获得稳定的故障分量，从而推动了故障分量原理保护1的发展。在过去的20年里，许多基于故障分量的差动保护、方向保护、距离保护和故障选择的新原理相继被提出，并成功地应用于元件保护和线路保护的各个领域。本文论述了发电机和变压器广泛应用的比率制动差动保护的基本原理、判据及应用中的一些问题。1故障分量比率差动保护原理故障分量电流通过从故障后电流中减去负载分量获得，可用于形成比率差动保护。传统上，“”用来表示故障分量，所以它也被称为“差动继电器”2。以两侧纵联差动保护为例，假设两侧电流正向流入被保护设备，故障分量比差动保护的动作方程可表示为：(1)公式中：下标l代表正常载荷分量；下标一和下标二分别代表被保护设备两侧的电量。在故障分量比率差动保护中，命令分别表示动作量(差动动量)和制动量，即(2)由于正常运行，传统比率差动保护的动作量D和制动量R可表示如下：(3)比较等式(2)和等式(3)，可以看出，在忽略变压器两侧负载电流的误差后，两种差动保护原理的动作量是相同的，主要区别在于制动量。可能会发生内部小故障(如单相高阻接地或小匝间短路)。此时，等式(3)中的制动量主要由2I 1L确定，因此由于过大的制动量而降低了传统比率差动保护方案的灵敏度。通过降低K值来提高灵敏度是有限的。由于外部严重故障时需要保证有足够的制动量来防止保护误动，而外部严重故障时，制动量一般主要由r决定，所以基于这两个原则的差动保护制动量是相等的，不会引起误动。从下面的进一步分析可以更清楚地看到这一点。假设一个单相变压器有一个高阻抗接地故障，其特征是一个简化的带双端电源的T型网络，如图1所示。图1单相变压器内部故障的简化等效电路图1简化等效电路单相变压器内部故障短路阻抗为Zf。根据叠加原理，图1所示的电路可以分解为正常网络和故障附加网络。从故障附着网络导出的公式(1)的另一种形式是：(4)从等式(4)可以看出，故障分量原理的灵敏度与Zf无关。对于感应电力系统，ZR和ZS之间的相位差在-90，90之间，因此| ZZS |/| ZR-ZS |的最小值为1。换句话说，当存在内部故障时，故障分量微分原理总是存在的，即如果在双面供电的情况下取K=1，则根据上述分析可以保证对最轻微故障的灵敏度。当然，实际情况比这种简化分析更复杂：当故障阻抗Zf较大时，保证当由外部故障引起的贯通电流流过受保护设备时，有许多原因会导致电流互感器(TA)的二次电流出现误差。将两侧电流互感器二次侧的误差百分比分别记录为一级和二级，D和R分别代表差动电流和制动电流，无误差。故障分量原理的差动电流和制动电流可以表示为：(7)在正常运行期间，将其代入等式(7)，Id=0，Ir=0。当外部故障发生时，考虑最严重的情况，e=-e=emax，eL=-eL=eL，代入方程(7)，并考虑外部制动要求，应满足下列要求：(8)在同等条件下，传统差动保护方案的制动要求应满足：emaxK(9)当出现严重的外部故障时。此时，如果与等式(8)相关的项目被忽略，则获得等式(9)。请注意，对于相同的外部故障条件和k值，故障分量原理差动保护总是略小于传统差动保护的制动量。例如，根据10%的误差，对于常规保护方案，k=0.1可以从等式(9)中确定；对于故障分量比差动保护方案，如果近似假设eL=0.01，emax-0.0050.05，即emax0.055，就会发生误操作(当然，这种情况下emax一般不可能达到5.5%)。根据前面的分析，基于故障分量原理的比率差动保护的一个重要特征是，即使k的值很大(但是K1)，它也不会对灵敏度产生不利影响。因此，k的值应该适当地大一些，只要变压器的一侧能够被放入系统，并且在内部故障的情况下能够可靠地运行。2故障分量差动保护动作判据为了形成一个完整的差动保护，往往需要使用一些辅助判据，如差动速度故障判据、TA断线闭锁判据、励磁涌流制动判据和变压器保护中的低压加速判据等。这里只讨论主要标准。2.1由两侧的电流相组成的比率制动标准为实现保护，首先计算被保护设备两侧故障分量的基波相量，然后形成比率制动特性动作判据。利用故障分量原理，仍然需要设置差动流量故障分量阈值id . min，该阈值与来自原点的比率制动特性相结合以形成折线制动特性。根据第1节的分析，故障分量差动保护可以选择较大的k值而不降低灵敏度，因此只需要对角线特性，如图2所示。在正常运行条件下，差动电流Id消除了由TA等因素引起的稳态误差的影响，因此Id . min可以设置得更小，这对提高保护对微小内部故障的灵敏度非常有用。图2故障分量差动保护的动作特性图2故障的运行特征基于元件的差动保护综合标准的表述是：(10)比率制动标准3也可以由标量制动量形成：(11)公式中：S为标准产品制动系数S0。根据余弦定理，不难证明方程(10)中的k和方程(11)中的s之间的关系是：(12)如果是这样，等式(11)中用于计算累积制动量的算法可以如下导出：(13)上述分析表明，作用准则方程(11)和(10)在原理上基本一致。然而，利用等式(11)更容易理解，在采用故障分量之后，不仅可以提高保护对内部故障的灵敏度，而且可以增强对外部故障的制动效果。采用故障分量的特点是完全消除负载电流的影响，或者在故障附加网络中，被保护设备两侧的等效系统电源电势被去除，在故障点只保留一个故障分量电势。当存在外部故障时，故障组件的电势位于该区域之外，这导致横向故障组件的电流。对于被保护设备两侧的测量点，两侧的测量电流几乎完全反向(“几乎”是指传感器或测量元件会引入相位误差，下同)，即 ，在判据公式(11)中会产生较大的制动量，而动作量很小，从而保证可靠的制动效果。当内部故障发生时，故障部件的电势位于该区域，这导致电流从受保护设备的两侧流出。因此，两侧测点测得的故障电流几乎完全同相，即0。在标准公式(11)中，当制动量为负时，动作量大，从而确保对内部故障的灵敏度，并且较少受到故障转移电阻的影响。2.2由多侧电流相组成的比率制动标准对于三绕组变压器差动保护或发电机-变压器差动保护(大差)，需要三个或三个以上的电侧来形成故障分量比制动特性。此时，动作判据仍可采用公式(10)，但公式中各量的组成会发生变化。对于m侧(M2)，电流差动保护的动作量Id取为：(14)然而，通常有三种方法来获得制动量Ir，如等式(15)、(16)和(17)所示：(15)(16)(17)max符合。由等式(10)、(14)和(17)组成的准则可以认为是通过将多侧比率微分转换成两侧比率微分来实现的，因此完全符合图2的特征，并且这组准则可以容易地由标量积制动量组成，并且表达式如下：(18)在公式中等式(12)中所示的关系和等式(13)中表示的算法可以直接应用于等式(18)。对于由等式(10)、(14)和(15)组成的标准，在大多数情况下，制动量等式(15)比等式(17)弱；然而，对于由等式(10)、(14)和(16)组成的标准，在大多数情况下，制动量等式(16)强于等式(17)，并且在必要时可以采取一些措施。更一般地，公式(10)也可以用另一种形式表示：(19)显然，图2的操作特征包括：(20)如果采用，对角线将沿水平轴(Ir轴)向正方向平移，这有利于提高灵敏度，但会恶化制动特性，因此Ir。通常要求最小0.8英寸；另一方面，如果取Ir . min，对角线将沿横轴负向平移，这有利于提高制动性能，但会降低灵敏度。通常，IR . min -当等号成立时，对角线将以id . min与纵轴相交因此，IR。对于由等式(10)、(14)和(15)组成的标准，min 是优选的。对于由等式(10)、(14)和(16)组成的标准，Ir . min是优选的，并且通常应该遵循上面讨论的原则。2.3具有双曲线非线性制动特性的标准折线比制动判据反映了非线性制动要求，但由分段直线组成，当外部故障发生时，由TA误差引起的Id和Ir通常在Id-Ir平面上表现出更平滑的曲线，因此有必要探索直接采用曲线制动特性的判据。例如，开口向上且与纵轴对称的双曲线的右分支开始缓慢上升，然后迅速上升，最终进近的坡度稳定，更适合实现非线性制动特性。这种双曲线制动特性标准通常可以表示为：(21)在公式中，K0、K”和KC是与下列有关的正常数等式(22)表明标准化制动量和Id的组合可以构成双曲线制动特性。S0确定双曲线的顶点；K0-KC是纵轴上渐近线的截距。它控制双曲线随着制动量的增加而上升的速度。截距越负，上升速度越慢。只要选择合理，就能获得理想的非线性制动特性。2.4使用瞬时采样值的比率制动标准直接利用瞬时值比较实现差动保护可以明显提高保护运行速度，减少计算量，对于某些场合(如发电机纵差保护、母线差动保护等)非常有价值。)。其应用也可分为两侧或多侧两种类型的差动保护(参见第2.1和2.2节)。故障分量的计算一般采用“周比较法”。此外，为了保证动作的正确性，可以采用“多点投票法”，即如果n(nm)次满足连续m次计算中的条件，则判定内部故障为1。3故障分量比率差动保护的应用WYB-01发变组微机成套保护装置是根据故障分量的相量差动原理设计的，故障分量由三个侧(变压器高压侧、发电机中性点和辅助支路)组成。采用以下行动标准。3.1比率制动标准采用等式(19)中所示的标准，其中作用量Id和制动量Ir分别在等式(14)和(15)中示出(M=3)。3.2辅助标准3.2.1浪涌电流阻断标准Id2Kd 21Id1(23)其中Id1和Id2分别是差动电流中基波和二次谐波电流故障分量的幅值；Kd21是二次谐波比率制动系数。3.2.2不同流量切断的标准(满足时直接退出)IdKdsIn(24)其中In为额定电流；Kds是额定电流的倍数。TA断线闭锁标准和其他辅助标准被省略。3.3讨论43.3.1设定值的正确选择一般来说，故障分量比制动判据有三个固定值，即Id.min、Ir.min和k，它们对应于传统两段折线比制动判据中的三个固定值Id . min、Ir . min和K0，因此前者可以参照后者来确定。第一节分析了故障分量比率差动保护判据中的差动动量与传统比率差动保护判据中的差动动量基本相同，但故障分量有效地消除了正常的不平衡电流，因此Id.min可以略小于Id . min。故障分量判据中的制动量绝对值略小于传统判据中的制动量，因为消除了负载分量的影响，所以Ir.min应小于Ir . min，以保证制动效果。根据前面的分析，只要故障分量判据中的比率制动系数k满足K1，即使较大，也不会影响保护灵敏度和制动效果，因此k可以大于K0。故障分量差阈值Id . min与设备的测量精度密切相关(如下所述)，通常取为(0.2 0.5) in。例如，取id . min=0.3 in3。比率制动系数k一般为0.3 0.8，建议取较大值。拐点制动电流的选择与对角线方程和id . min、K值有关。当对角线方程穿过原点时，IR . min=id . min/K，IR . min根据上述建议取(0.375 1.0)。对于WYB-01型发电机-变压器组保护故障分量比率差动判据，由于选择的制动量较小，对角线可以移到水平轴的左侧。运行经验表明， ir.min应 0.7 in 。3.3.2最小化精工电流这主要是指最小精确测量电流以减少差动电流故障分量Id。这可以降低id . min，有利于提高对微小内部故障的灵敏度，或者有利于提高相同id . min下保护动作的安全性。因此，需要注意以下问题：