CN101764392B - 基于多侧电流量电压量的变压器继电保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于多侧电流量电压量的变压器继电保护方法，具有简便、可靠、灵敏等优点：1)继电保护装置获取变压器各侧三相电压、电流的采样值，然后计算出每相绕组的各侧电流量和电压量；2)继电保护装置根据电流量、电压量计算出各相绕组的分支阻抗；3)在阻抗平面上整定一个+R轴区域为动作区，分支阻抗落入区内超过一个整定时间，判断为变压器内部故障。

Description

基于多侧电流量电压量的变压器继电保护方法

技术领域：

本发明涉及继电保护领域，更具体地涉及一种基于多侧电流量电压量的变压器继电保护方法。

背景技术：

纵联电流差动保护作为变压器内部故障的主保护，长期以来获得了广泛的应用。然而作为差动保护的基本原理——基尔霍夫电流定律，应用在包含变压器不同侧绕组的保护上，只是一种近似，因而变压器纵联电流差动保护一直受励磁涌流问题的困扰。为了区分变压器的励磁涌流与内部故障电流，目前已经提出了多种励磁涌流判据。这些判据大致可以分为两类，一类是只利用电流量进行判断，另外一类是结合电压量进行判断。由于励磁涌流波形复杂，准确的定量分析很复杂，因而单纯采用电流量区分变压器的励磁涌流和内部故障电流非常困难，而结合电压量进行判断有一定的优势。这些判据都将纵联电流差动保护作为保护的基本元件，当励磁涌流判据判断发生励磁涌流的时候闭锁差动保护，避免误动作。然而变压器故障和励磁涌流都是动态过程，特别是故障与励磁涌流同时存在或先后发生等条件下情况更加复杂，给励磁涌流的准确判断带来很大的困难。

发明内容：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种具有方法简便，可靠性好，灵敏度高等优点的基于多侧电流量电压量的变压器继电保护方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多侧电流量电压量的变压器继电保护方法，它的过程为：

1)继电保护装置获取变压器各侧三相电压、电流的采样值，然后计算出每相绕组的各侧电流量和电压量；

2)继电保护装置根据电流量、电压量计算出各相绕组的分支阻抗；

3)在正常负荷条件下，分支阻抗是稳态励磁阻抗，呈现感抗特性；在内部故障的时候，分支阻抗为故障阻抗，为电阻特性；稳态励磁阻抗与故障阻抗的数值相差10倍以上；

在出现励磁涌流的时候，分支阻抗为励磁阻抗，并随着变压器的励磁特性交替进入磁化曲线的线性区和饱和区，励磁阻抗在一个工频周期内在最大值和最小值之间变化，最大值和最小值之间相差10倍以上；在阻抗平面上整定一个+R轴区域为动作区，分支阻抗落入区内超过一个整定时间，判断为变压器内部故障。

所述步骤1)中，按照现有电流、电压正方向定义，即取由母线流向变压器的方向为规定的电流正方向，同时取母线对地为电压正方向；将变压器的两侧分别记为H侧和L侧，电流、电压、阻抗或者电阻、电感都归算到同一电压级。

所述步骤2)中，根据变压器两侧的电流、电压相量，各相分支阻抗的计算公式为：

式中：Z_g即为分支阻抗；

Z_δ为变压器两侧绕组的短路阻抗；

分别为变压器H侧电压相量和电流相量；

分别为变压器L侧电压相量和电流相量；

为变压器差动电流相量，等于两侧电流相量和。

所述步骤2)中，各相分支电阻和分支电感的计算公式为：

其中：

，

式中：R_g、L_g分别为分支电阻和分支电感；

l_δ为变压器两侧绕组的总漏电感；

k_H为H侧绕组电阻与l_δ的比值；k_L为L侧绕组电阻与l_δ的比值

u_H、i_H分别为变压器H侧电压瞬时值和电流瞬时值；

u_L、i_L分别为变压器L侧电压瞬时值和电流瞬时值；

i_d为变压器差动电流瞬时值，等于两侧电流瞬时值之和；

根据式(2)，用多个时刻电流、电压瞬时值，即可求解出分支电阻R_g和分支电感L_g，分支电感乘以角频率就是分支电抗，由分支电阻和分支电抗就构成了分支阻抗。

当变压器为多卷变压器时，指定变压器任意的两侧为H侧和L侧，分支阻抗计算公式仍为公式(1)，其中，将H侧和L侧的电流相量、电压相量带入公式(1)中的；

将指定的变压器两侧之间的短路阻抗带入公式(1)中的Z_δ；公式(1)中的差动电流取所有侧电流相量之和。

当变压器为多卷变压器时，指定变压器任意两侧为H侧和L侧，分支电阻和分支电感的计算公式仍为公式(2)，其中，将该两侧的电流瞬时值、电压瞬时值带入公式(2)中的i_H、i_L、u_H、u_L；将指定的变压器两侧绕组的总漏感带入公式(2)中的l_δ；将指定的H侧绕组电阻与l_δ的比值带入公式(2)中的k_H；将指定的L侧绕组电阻与l_δ的比值带入公式(2)中的k_L；差动电流i_d取所有侧电流瞬时值之和。

本发明提出了一种基于多侧电流量电压量的变压器纵联保护方法，适用于能够测量或者计算出每相绕组电流量和电压量的双卷和多卷变压器。通过多侧的电流量和电压量计算分支阻抗，根据分支阻抗的大小和特性来判断变压器是否发生内部故障。该方法不再以差动保护为基础，而是直接识别励磁阻抗与故障阻抗，从而区分励磁涌流与内部故障。

本发明与现有技术比较，具有以下积极效果：本方法不是以基尔霍夫电流定律作为理论基础，因而在原理上是准确的。通过分支阻抗的大小和特性直接区分励磁涌流与内部故障，不需要励磁涌流闭锁元件及涌流期间再故障的开放元件；即使在励磁涌流与内部故障同时存在或先后发生的时候也能正确判断；无需整定制动特性，不受负荷电流、系统振荡等的影响，可靠性好，灵敏度高。

附图说明：

图1显示了一个两卷变压器及其继电保护装置接线的简化示意图。

图2显示了一个两卷变压器的单相绕组及其电流、电压示意图。

图3显示了求解两卷变压器分支阻抗的简化电路示意图。

图4显示了求解三卷变压器分支阻抗的简化电路示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1中，以一个三相两卷变压器为例，变压器左侧和右侧分别称为H侧和L侧，以其A相的分支阻抗的相量计算和判断为例。假设采用电流互感器TA和电压互感器TV通过测量、计算等方法，得到H侧的三相绕组的电流和电压分别是和

，L侧的对应三相绕组的电流和电压分别是

和

。假设两侧的电压、电流均经过了合适的变比调整，则对于A相绕组，根据图2所示，差动电流为：

可以如图3所示绘出A相绕组的等效电路图，根据该电路图可以列写A相电压方程如下：

式中，Z_Ha是H侧A相绕组的电阻和漏感抗组成的阻抗；Z_La是L侧A相绕组的电阻和漏感抗组成的阻抗，Z_ga为A相分支阻抗。

则上面两式得到：

考虑到Z_Ha+Z_La＝Z_δ，其中Z_δ是变压器H侧绕组和L侧绕组之间的短路阻抗，是可以事先获得的量，因此上式经过整理就得到关于A相分支阻抗Z_ga的表达式：

在正常负荷条件下，Z_ga是变压器A相绕组的稳态励磁阻抗，呈现感抗特性；在内部A相故障的时候，Z_ga为故障阻抗，为电阻特性；稳态励磁阻抗与故障阻抗的数值相差10倍以上；

在出现励磁涌流的时候，Z_ga是变压器A相绕组的励磁阻抗，并随着变压器的励磁特性交替进入磁化曲线的线性区和饱和区，Z_ga在一个工频周期内在最大值和最小值之间变化，最大值和最小值之间相差10倍以上。

在阻抗平面上整定一个扇形区域，区域内部为动作区。扇形以原点为中心，半径为变压器阻抗标幺值5，两条半径线分别与+R轴夹+30°和-30°角；再整定一个延时时间为15ms，则如果Z_ga落入这个动作区超过整定的延时时间，就判断变压器发生内部故障。

其它B相和C相的计算和判断与A相完全相同，不再赘述。

实施例2：

对于多卷变压器，由于两两绕组之间的短路阻抗可以通过实验得到，因此可以根据应用情况选择两侧的电压，并用所有侧的电流计算出差流，然后按照上述相同的方式计算分支阻抗，并通过分支阻抗的大小和特性判断内部故障。下面结合附图4说明多卷变压器的实施方式。

图4中，以一个三相两卷变压器为例，变压器三侧分别H侧、L侧和M侧，以其A相的分支阻抗的相量计算和判断为例。假设采用电流互感器TA和电压互感器TV通过测量、计算等方法，得到H侧的三相绕组的电流和电压分别是

和

，L侧的对应三相绕组的电流和电压分别是

和

，M侧的对应三相绕组的电流和电压分别是

和

。假设三侧的电压、电流均经过了合适的变比调整，则对于A相绕组，根据图2所示，差动电流为：

根据图4可以列写A相H侧和L侧电压方程如下：

式中，Z_Ha是H侧A相绕组的电阻和漏感抗组成的阻抗；Z_La是L侧A相绕组的电阻和漏感抗组成的阻抗，Z_ga为A相分支阻抗。

则上面两式

得到：

考虑到Z_Ha+Z_La＝Z_δ，其中Z_δ是变压器H侧绕组和L侧绕组之间的短路阻抗，是可以事先获得的量，因此上式经过整理就得到关于A相分支阻抗Z_ga的表达式：

在正常负荷条件下，Z_ga是变压器A相绕组的稳态励磁阻抗，呈现感抗特性；在内部A相故障的时候，Z_ga为故障阻抗，为电阻特性；稳态励磁阻抗与故障阻抗的数值相差10倍以上；

在出现励磁涌流的时候，Z_ga是变压器A相绕组的励磁阻抗，并随着变压器的励磁特性交替进入磁化曲线的线性区和饱和区，Z_ga在一个工频周期内在最大值和最小值之间变化，最大值和最小值之间相差10倍以上。

在阻抗平面上整定一个扇形区域，区域内部为动作区。扇形以原点为中心，半径为变压器阻抗标幺值5，两条半径线分别与+R轴夹+30°和-30°角；再整定一个延时时间为15ms，则如果Z_ga落入这个动作区超过整定的延时时间，就判断变压器发生内部故障。

其它B相和C相的计算和判断与A相完全相同，不再赘述。

Claims (3)

1.一种基于多侧电流量电压量的变压器继电保护方法，其特征是，它的过程为：

1)继电保护装置获取变压器各侧三相电压、电流的采样值，然后计算出每相绕组的各侧电流量和电压量；

2)继电保护装置根据电流量、电压量计算出各相绕组的分支阻抗；

根据变压器两侧的电流、电压相量，各相分支阻抗的计算公式为：

$Z_g=\frac{\stackrel{\·}{U_H}\×\stackrel{\·}{I_L}+\stackrel{\·}{U_L}\×\stackrel{\·}{I_H}-\stackrel{\·}{I_H}\×\stackrel{\·}{I_L}\×Z_{\mathrm{\δ}}}{\stackrel{\·}{I_d}\×(\stackrel{\·}{I_H}+\stackrel{\·}{I_L})}---\left(1\right)$

式中：Z_g即为分支阻抗；

Z_δ为变压器的短路阻抗；

分别为变压器H侧电压相量和电流相量；

分别为变压器L侧电压相量和电流相量；

为变压器差动电流相量，等于两侧电流相量和；

3)在正常负荷条件下，分支阻抗是稳态励磁阻抗，呈现感抗特性；在内部故障的时候，分支阻抗为故障阻抗，为电阻特性；稳态励磁阻抗与故障阻抗的数值相差10倍以上；

在出现励磁涌流的时候，分支阻抗为励磁阻抗，并随着变压器的励磁特性交替进入磁化曲线的线性区和饱和区，励磁阻抗在一个工频周期内在最大值和最小值之间变化，最大值和最小值之间相差10倍以上；

因此，在阻抗平面上整定一个+R轴区域为动作区，分支阻抗落入区内超过一个整定时间，判断为变压器内部故障。

2.如权利要求1所述的基于多侧电流量电压量的变压器继电保护方法，其特征是，所述步骤1)中，按照现有电流、电压正方向定义，即取由母线流向变压器的方向为规定的电流正方向，同时取母线对地为电压正方向；将变压器的两侧分别记为H侧和L侧，电流、电压、阻抗都归算到同一电压级。

3.如权利要求1所述的基于多侧电流量电压量的变压器继电保护方法，其特征是，当变压器为多卷变压器时，指定变压器任意的两侧为H侧和L侧，分支阻抗计算公式仍为公式(1)，其中，将H侧和L侧的电流相量、电压相量带入公式(1)中的

将指定的变压器两侧之间的短路阻抗带入公式(1)中的Z_δ；公式(1)中的差动电流取所有侧电流相量之和。

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