CN101615783A - 基于星-三角接线变压器的零序电流纵差保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于星－三角接线变压器的零序电流纵差保护方法，本发明提出了在变压器区内弱故障时仍能灵敏动作的基于零序电流的纵差保护方案，利用各侧绕组中的零序电流构成差动保护。区外故障、正常运行以及励磁涌流时，零序动作电流近似为零；区内接地故障及匝间故障时，动作电流远大于零。以此作为区分内外部故障的判据。本发明在反映单相接地和小匝间短路上有更高的灵敏度，且受励磁涌流影响更小。

Description

基于星-三角接线变压器的零序电流纵差保护方法

技术领域

本发明涉及变压器的差动保护研究领域，更具体涉及基于星-三角接线变压器的零序电流差动保护。

背景技术

变压器在系统中占据着重要的地位，由于电流纵差保护不但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其它元件的保护配合，可以无延迟地切除区内各种故障，因而被广泛地用作变压器的主保护，但是传统纵差保护在以下几个方面存在着不足：

(1)变压器发生轻微匝间短路故障时，反映到变压器各侧的故障电流甚至比负荷电流还小，由于制动电流中包含变压器负荷电流，常规差动保护没有足够灵敏度判别出此类故障；

(2)对于星-三角Yn/Δ变压器，传统的纵差保护中不包括零序电流，这导致内部接地故障时纵差保护灵敏度降低。与此同时，Yn绕组发生绕组内部单相接地短路时，传统的纵差保护两侧电流可能呈现外部短路的相位特征，单相短路越接近中性点，这种特征就越明显，保护的灵敏度大为降低；

(3)随着电力系统的发展、超高压远距离输电线路对地电容的增大、变压器容量的增大以及静止无功补偿的大容量电容器的广泛使用，采用传统的二次谐波制动原理识别励磁涌流时，保护动作速度慢和可靠性差的问题日益突出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有变压器差动保护的不足之处，提供一种基于星-三角接线变压器的零序电流纵差保护方法，能灵敏判别变压器区内弱故障并且受励磁涌流影响很小。

本发明的技术方案是这样实现的：

1)由星形侧侧电流互感器TA、电压互感器TV的测量值计算星形侧零序电压U₀和零序电流

并根据区外故障等效电路计算三角形侧绕组零序电流

${\stackrel{\·}{U}}_{\left(0\right)}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mA}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mB}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mC}}),$ ${\stackrel{\·}{I}}_{m0}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mA}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mB}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mC}}),$ ${\stackrel{\·}{I}}_{n0}=-\frac{\stackrel{\·}{U_{\left(0\right)}}-\stackrel{\·}{I_{m0}}*X_{1\mathrm{\σ}}}{X_{2\mathrm{\σ}}}$

其中

以及为星形侧绕组处TA测量得到的三相电流，其中

以及为星形侧绕组处TV测量得到的三相电压，X_1σ、X_2σ分别为变压器两侧绕组的漏抗；

2)利用星形侧、三角形侧零序电流

计算动作电流I_op和制动电流I_res，

$I_{\mathrm{op}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{m0}+{\stackrel{\·}{I}}_{n0}|,$ $I_{\mathrm{res}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{m0}-{\stackrel{\·}{I}}_{n0}|;$

3)确定启动电流 $I_{\mathrm{op}0}=0.1{\stackrel{\·}{I}}_n,$ 制动系数K_res＝0.75，拐点电流 $I_{\mathrm{res}0}=\frac{I_{\mathrm{op}0}}{K_{\mathrm{res}}}=0.133I_n,$ 其中

为变压器额定电流，然后得到零序电流差动保护的二折线特性曲线：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{op}}>I_{\mathrm{op}0}\\ I_{\mathrm{op}}\≥I_{\mathrm{op}0}+K_{\mathrm{res}}(I_{\mathrm{res}}-I_{\mathrm{res}0})\end{array}\right.;$

4)根据差动电流的大小确定故障类型，若差动电流位于二折线特性曲线的上方，则保护判定变压器发生区内故障，保护跳闸，若差动电流位于二折线特性曲线下方，则保护判定变压器无区内故障发生，保护不动作。

与现有变压器保护相比，本发明具有以下优点：

(1)由于零序电流纵差保护以零序电流作为制动量，制动电流中去除了负荷电流的影响，所以本方案对于变压器区内的小匝间短路具有更高的灵敏度；

(2)由于零序电流纵差保护是基于故障分量的纵差保护，保护能够正确判别区内外故障，且在绕组内部发生单相接地短路时，保护灵敏度不会降低；

(3)由于在励磁涌流时变压器零序等值回路的电路拓扑结构不变，所以零序电流差动保护受励磁电流的影响很小，能够很好的区分内部故障和励磁涌流。

附图说明

图1为变压器微机保护的硬件结构框图，

图2保护判断流程图；

图3为PSCAD仿真系统模型图。

图4为变压器区外故障时零序等值电路图；

图5为变压器内部故障时零序等值电路图；

图6为变压器零序电流纵差保护两折线保护动作特性图；

图7为变压器励磁涌流时零序等值电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，虚线框内为保护算法运算模块，由数据采集系统、微机主系统、输入输出系统三部分构成；Es1、Es2为系统两端电压，Z_s1、Z_s2为两端系统阻抗，Z_L为等效线路阻抗，变压器为星-三角连接方式，TA为变压器星形侧电流互感器，TV为变压器星形侧电压互感器，本发明属于变压器微机保护，变压器Y侧装有使用本发明元件的保护装置。输入量为变压器星形侧电压U和电流I以及变压器正常运行时两侧漏抗，其中电流和电压分别由系统电流互感器TA和电压互感器TV二次侧获得，两侧漏抗由变压器的额定参数计算得到，图1中给出了简单示意。图1中虚线框内为本发明的算法运算模块，本发明的关键算法由程序在DSP微机系统里实现。A，B，C三相电压和电流的模拟量输入经相量滤波、采样保持和A/D转换后，送到微机主系统，由相应的算法计算出动作电流和制动电流，然后根据双折线特性的保护判据来判断是否发生内部故障。

参见图2，只有满足图示逻辑条件时保护判断为内部故障，发出跳闸指令，反之保护闭锁。即确定变压器零序电流差动保护的二折线特性，若差动电流在动作区内，则保护动作，若差动电流在制动区内，则保护不动作。

参见图3，Es1、Es2分别为两侧电势，系统阻抗分别为Z_s1、Z_s2，Z_L为等效线路阻抗，变压器为Yn/Δ连接，

分别为变压器星形侧和三角形侧的零序电流，注意其中

为Δ绕组中的零序环流，并不会流到绕组外部。

参见图4，其中X_1σ、X_2σ分别为两侧绕组的漏抗，X_m0为零序励磁电抗，

为星形侧绕组电压互感器装设处的零序电压；

为Y绕组的零序电流，

为Δ绕组中的零序环流。

由于X_m0远大于X_2σ，认为励磁支路开路，此时有 ${\stackrel{\·}{I}}_{m0}+{\stackrel{\·}{I}}_{n0}=0.$

参见图5，其为变压器内部发生匝间短路或接地故障时，此时系统的零序等值网络，f为故障点，

为故障支路零序电压，

为故障支路零序电流，X_1σ′、X_2σ′分别为内部故障时两侧绕组的等效漏抗，X_m0为零序励磁电抗，Zf为故障支路阻抗，

为星形侧绕组电压互感器装设处的零序电压，

为Y绕组的零序电流，

为Δ绕组中的零序环流。

此时，根据基尔霍夫电流定律， ${\stackrel{\·}{I}}_{m0}+{\stackrel{\·}{I}}_{n0}={\stackrel{\·}{I}}_{k0}.$

根据以上分析，可以选择 $I_{\mathrm{op}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{m0}+{\stackrel{\·}{I}}_{n0}|$ 作为零序纵差保护的动作电流，选取 $I_{\mathrm{res}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{m0}-{\stackrel{\·}{I}}_{n0}|$ 为制动电流，采用比率制动特性的保护方案，保护判据为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{op}}>I_{\mathrm{op}0}\\ I_{\mathrm{op}}\≥I_{\mathrm{op}0}+K_{\mathrm{res}}(I_{\mathrm{res}}-I_{\mathrm{res}0})\end{array}\right.$

参见图6，其为变压器零序差动保护的二折线特性曲线，此曲线确定了保护的动作区和制动区。I_op0为启动电流，I_res0为拐点电流，I_op为动作电流，I_res为制动电流，K_res为制动系数。折线上方为动作区，折线下方为制动区。

下面确定二折线特性中的各个参数：

其中为保证变压器正常运行时保护不误动，设定作为启动电流，

为变压器额定电流，于是我们可以取 $I_{\mathrm{op}0}=0.1{\stackrel{\·}{I}}_n;$ 按照经验选取制动系数为K_res＝0.75，由于故障分量的差动保护曲线过原点，所以可以取拐点电流 $I_{\mathrm{res}0}=\frac{I_{\mathrm{op}0}}{K_{\mathrm{res}}}=0.133I_n.$

当零序差动电流位于图6所示动作区内时，判定变压器发生内部故障，保护跳闸，当零序差动电流位于制动区时，判定变压器处于正常运行，外部故障或励磁涌流状态，保护不动作。

参见图7，其中X_1σ、X_2σ分别为两侧绕组的漏抗，X_m0′为饱和情况下的零序励磁电抗，

为星形侧绕组电压互感器装设处的零序电压，

为Y绕组的零序电流，

为Δ绕组中的零序环流，

为励磁支路的零序电流。

发生励磁涌流时变压器的零序等值电路如图7所示，此时图中的X_m0′比正常运行情况下的零序励磁电抗值要小，但是由于与X_m0′并联的电抗为变压器二次侧漏抗X_2σ，仍然有X_m0′＞＞X_2σ，所以励磁支路的零序电流

很小，此时差动电流仍接近于零，励磁涌流的影响可以忽略。

为了达到上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

步骤1：采集故障后两个周波的Y侧三相相电压采样值序列U_a、U_b、U_c和三相相电流采样值序列I_a、I_b、I_c，通过相量滤波器将其转化为相量序列。计算Y侧零序电压以及零序电流

步骤2：计算Δ侧绕组中的零序环流

步骤3：计算动作电流I_op和制动电流I_res；

步骤4：确定启动电流，拐点电流以及制动系数，确定零序电流差动保护的二折线特性曲线；

步骤5：当零序差动电流位于二折线特性曲线的动作区时，判定保护发生内部故障，保护动作；差动电流位于制动区时，此时变压器没有内部故障，保护不动作。

下面给出了对本发明的仿真验证结果：

仿真系统如图2所示。变压器由三个单相变压器连接而成，变比为525kV/230kV，S＝900MVA，漏抗10％，绕组为Yn/Δ连接，采样频率为2kHz。在表1中给出星型侧各种内部故障时的常规差动保护以及零差保护的动作电流和制动电流的比值。

由上述分析可知，在零序纵差保护启动的条件下，当 $\frac{I_{\mathrm{op}}}{I_{\mathrm{res}}}=\frac{|{\stackrel{\·}{I}}_{m0}+{\stackrel{\·}{I}}_{n0}|}{|{\stackrel{\·}{I}}_{m0}-{\stackrel{\·}{I}}_{n0}|}>k_{\mathrm{res}}$ 时保护动作。

表1内部故障时动作电流与制动电流比值

从表1中我们可以看到，在变压器内部发生区内弱故障时，常规差动保护的K值很小，无法正确反映这些故障，而零序纵差保护的K值都大于1，具有很高的灵敏度，可靠保护小匝间短路和匝地故障；对于区内的严重故障，零序纵差保护的K值同样大于1，零差保护同样能够动作；而对于两相短路和三相短路，由于零序差动电流小于启动电流，保护不会启动。

在表2中给出星型侧各种区外故障时常规差动保护以及零差保护的动作电流和制动电流的比值。从表2中可以看出，星型侧发生区外带接地支路故障时，零序纵差保护的动作电流与制动电流之比小于制动系数0.75，保护不会动作；当故障时不含接地支路时，由于零序动作电流小于启动电流，保护亦不会启动。由以上分析可知，零序纵差保护在变压器区外故障时不会误动。

表2外部故障时动作电流与制动电流比值

Claims (1)

1、一种基于星-三角接线变压器的零序电流纵差保护方法，其特征在于：

1)由星形侧侧电流互感器TA、电压互感器TV的测量值计算星形侧零序电压U₀和零序电流

并根据区外故障等效电路计算三角形侧绕组零序电流

${\stackrel{\·}{U}}_{\left(0\right)}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mA}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mB}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mC}}),{\stackrel{\·}{I}}_{m0}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mA}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mB}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mC}}),{\stackrel{\·}{I}}_{n0}=-\frac{\stackrel{\·}{U_{\left(0\right)}}-\stackrel{\·}{I_{m0}}*X_{1\mathrm{\σ}}}{X_{2\mathrm{\σ}}}$

其中

以及为星形侧绕组处TA测量得到的三相电流，其中

以及为星形侧绕组处TV测量得到的三相电压，X_1σ、X_2σ分别为变压器两侧绕组的漏抗；

2)利用星形侧、三角形侧零序电流

计算动作电流I_op和制动电流I_res，

$I_{\mathrm{op}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{m0}+{\stackrel{\·}{I}}_{n0}|,I_{\mathrm{res}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{m0}-{\stackrel{\·}{I}}_{n0}|;$

3)确定启动电流 $I_{\mathrm{op}0}=0.1{\stackrel{\·}{I}}_n,$ 制动系数K_res＝0.75，拐点电流 $I_{\mathrm{res}0}=\frac{I_{\mathrm{op}0}}{K_{\mathrm{res}}}=0.133I_n,$ 其中

为变压器额定电流，然后得到零序电流差动保护的二折线特性曲线：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{op}}>I_{\mathrm{op}0}\\ I_{\mathrm{op}}\≥I_{\mathrm{op}0}+K_{\mathrm{res}}(I_{\mathrm{res}}-I_{\mathrm{res}0})\end{array}\right.;$

4)根据差动电流的大小确定故障类型，若差动电流位于二折线特性曲线的上方，则保护判定变压器发生区内故障，保护跳闸，若差动电流位于二折线特性曲线下方，则保护判定变压器无区内故障发生，保护不动作。

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