CN102255284A - 电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法 - Google Patents

电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法 Download PDF

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CN102255284A CN2011102094974A CN201110209497A CN102255284A CN 102255284 A CN102255284 A CN 102255284A CN 2011102094974 A CN2011102094974 A CN 2011102094974A CN 201110209497 A CN201110209497 A CN 201110209497A CN 102255284 A CN102255284 A CN 102255284A
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Abstract

本发明公开了一种电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法，属于电力系统变压器保护技术领域。当变压器故障分量瞬时值在一定区间满足要求的同极性条件时，出口跳闸，则说明变压器内部发生故障。本发明使运行中的变压器当发生短路故障时能快速切除故障，不受外部短路切除后产生的励磁电流、和应涌流及变压器容性无功的影响。本发明的保护方法具有较好的抗电流互感器饱和的影响，当利用其他的电流互感器饱和判别和电流互感器饱和后进行数值和相位补偿的有关方法后本发明的方法完全不受电流互感器饱和的影响。本发明的方法同样适用于发电机、母线、电动机等元件的短路故障保护。

Description

电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法
技术领域
本发明涉及变压器保护方法，尤其是一种电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法。
背景技术
目前，国内外变压器的保护大多数主要采用比率制动式差动保护的原理。
为躲变压器空载合闸及外部短路故障切除后的励磁涌流，通常利用二次谐波制动原理或间断角原理。为躲区外短路的最大不平衡电流利用比率制动原理；另外，为防止变压器区外短路由于电流互感器TA的饱和造成比率制动式差动保护误动，采用高值比率差动保护或利用二次、三次谐波的含量来判断电流互感器TA是否饱和，如电流互感器TA饱和就闭锁稳态比率差动保护。
利用上述原理实现的变压器保护，当内部故障如短路电流很大，电流互感器严重饱和二次电流波形严重畸变，完全可能出现间断角和高次谐波，使间断角原理和二次谐波制动原理构成的差动保护均经较长延时动作，降低了快速性。当外部故障如各侧电流互感器饱和特性不一致时，暂态不平衡电流很大，可能误动。和应涌流中的二次谐波与基波的比值相对较小，并且不是在和应涌流最大时最大，所以采用通常的二次谐波闭锁条件不能完全保证不误动。在实际现场中发生过二次谐波没能闭锁保护的误动事例，参阅《电力系统自动化》杂志2005年第29卷第6期，第6页。另一方面，和应涌流含有大量的衰减的非周期分量可能使变压器各侧的电流互感器发生暂态饱和产生差流导致保护误动，参阅《电力系统自动化》杂志2005年第29卷第6期，第13页。另外在《继电器》杂志2002年第30卷，第72页提出一种《故障分量比相原理在变压器保护中的应用》，该原理具有较好的抗TA饱和的性能但从原理上仍然受TA饱和的影响。当变压器带有较大的容性无功时，在变压器内部故障时可能发生拒动，在外部故障切除后可能发生误动。
发明内容
本发明的目的是提供一种电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法，其具有较好的抗电流互感器饱和的性能，在实现变压器保护过程中不受外部短路产生的最大不平衡电流、变压器容性无功补偿、外部故障切除后产生的励磁涌流及和应涌流的影响，保证了在发生相间短路、接地短路和较严重的匝间短路等故障时灵敏、快速且可靠地出口跳闸。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：将变压器各侧归算到额定容量，并对变压器各侧的二次电流进行数值和相位补偿；
S2：判断变压器是否至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时判断各侧电流互感器是否发生断线，当变压器至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时各侧电流互感器没有发生断线时，电流故障分量瞬时值比较保护开放，否则继续执行步骤S2；
S3：相电流突变量或零序电流启动元件启动后，每间隔M时段分别根据变压器各侧各相采集到的相电流采样值，判断各相是否为电源相，如果满足以下两个条件则判定所述相电流采样值对应的相在M时段内为电源相，否则在所述M时段内不为电源相：
A、在M时段内至少连续N时段存在相电流采样值的一阶差分电流与变压器的二次额定电流的比值系数K的绝对值大于可靠系数K1，即：
其中，
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE004
为相电流采样值的一阶差分电流，
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE006
为变压器的二次额定电流，
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE010
为同一相的两个相邻相或线电流采样值，
为可靠系数，
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE014
为相邻两采样点间对应的角度；
B、步骤A中得出的比值系数K的极性变换次数≤1，其中极性变换为正负极性之间的变换；
S4：统计在该M时段内变压器各侧的电源相数量，如果变压器至少两侧存在电源相，则继续执行；
S5：对电源相的电流互感器饱和进行判别，如果电流互感器在本M时段饱和则对电源相的相或线电流采样值进行瞬时值幅值和极性补偿；
S6：根据以下公式分别计算变压器各侧电源相的电流故障分量：
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE016
其中如果判定所述电源相的电流互感器在本M时段不饱和，则、为两个相邻的相或线电流采样值，且
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE020
为在前一周期内分别与
Figure 440581DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 993791DEST_PATH_IMAGE010
对应的相电流采样值，如果判定所述电源相的电流互感器饱和，则
Figure 331231DEST_PATH_IMAGE008
、为两个相邻的经瞬时值幅值和极性补偿的相或线电流采样值，且
Figure 496819DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 288058DEST_PATH_IMAGE020
为在前一周期内分别与
Figure 242238DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 51800DEST_PATH_IMAGE010
对应的经瞬时值幅值和极性补偿的相电流采样值；
Figure 885764DEST_PATH_IMAGE014
为相邻两采样点间对应的角度；
S7：比较各侧相同电源相的电流故障分量瞬时值极性的同极性时间，如果启动元件启动后M1时段所述同极性时间＞N1，则判定变压器内部故障，出口跳闸；
如果在启动元件启动后M1时段内所述同极性时间≤N1，则判断在启动元件启动后M2时段内所述同极性时间是否为N2，如果为N2则判定变压器内部故障，出口跳闸；
如果在启动元件启动后M2时段内所述同极性时间不为N2，则判断在启动元件启动后M3时段内所述同极性时间是否为N3，如果为N3则判定变压器内部故障，出口跳闸；
如果在启动元件启动后M3时段内所述同极性时间不为N3，则判断在启动元件启动一周期以及一周期以后所述同极性时间是否为N4，如果为N4则判定变压器内部故障，出口跳闸；
其中，N1、N2、N3、N4均表示时间。
在所述步骤S4中如果变压器仅一侧存在一个或者多个电源相，则判定变压器内部故障，出口跳闸。
所述步骤S3和S4中所述M的取值范围为5～10 ms，K1的取值范围为2～8，N取值范围为1～3 ms。
所述M取5 ms，所述K1取3，所述N取1 ms。
所述步骤S7中所述M1取5 ms，所述M2取10 ms，所述M3取15 ms，所述M4取20 ms，所述N1取3 ms，所述N2的取值范围为4～8 ms，所述N3的取值范围为6～10 ms，所述N4的取值范围为10～15 ms。
所述N2取6 ms，所述N3取8 ms，所述N4取10 ms。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
正常运行中的变压器如发生相间短路、接地短路和较严重的匝间短路时具有较高的灵敏性、快速性和可靠性，该方法具有较好的抗电流互感器饱和的性能，不受外部短路产生的最大不平衡电流、外部故障切除后产生的励磁电流及和应涌流及变压器容性无功补偿装置的影响。由于采用了本发明人在前的发明“一种电流互感器饱和的识别与补偿的方法”后，本保护方法还不受电流互感器饱和的影响。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明对电流故障分量瞬时值极性进行比较的MATLAB仿真的模型示意图；
图2是变压器各侧A（AB）相的一阶差分电流与二次额定电流比值系数K的波形图；
图3是10.5KV侧外部AB相间短路时各侧电源相电流故障分量波形图；
图4是10.5kv侧外部相间短路转内部短路时各侧电源相的电流故障分量波形图；
图5是系统振荡时内部AB相间短路各侧电流故障分量波形图；
图6是系统振荡时区外AB相间短路各侧电流故障分量波形图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明提供一种电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法，其原理是利用在变压器发生内部短路故障时变压器的电源相背侧为系统阻抗，其阻抗角基本相同，如将变压器各侧的极性端指向变压器，则内部故障时，变压器各侧同一电源相的电流故障分量的瞬时极性基本相同，而变压器外部短路电流故障分量的瞬时极性相反。
S1：将变压器各侧归算到额定容量，并对变压器各侧的二次电流进行数值和相位补偿。此步骤中二次电流的数值和相位补偿的实现只需要向变压器的保护装置中输入变压器容量、电压等级以及各侧电流互感器的变比，通过相关的软件自动进行补偿即可，由于整个补偿过程为现有技术，在此不予累述。
S2：判断变压器是否至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时判断各侧电流互感器是否发生断线，当变压器至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时各侧电流互感器没有发生断线时，电流故障分量瞬时值比较保护开放，否则继续执行步骤S2。
S3：在相电流突变量或零序电流启动元件启动后，根据变压器各侧各相采集到的相电流采样值，每间隔M时段分别判断各相是否为电源相，如果相电流采样值满足以下两个条件则判定该相电流采样值对应的相在该M时段内为电源相，否则判定在该M时段内不为“电源相”，其中M的取值范围为5～10 ms：
（A）在M时段内至少连续N时段存在相或线电流采样值的一阶差分电流与变压器的二次额定电流的比值系数K的绝对值大于可靠系数K1，即
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE024
，其中为相电流采样值的一阶差分电流，
Figure 217443DEST_PATH_IMAGE006
为变压器的二次额定电流，且
Figure 382976DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 387841DEST_PATH_IMAGE010
为同一相的两个相邻相或线电流采样值，
Figure 199677DEST_PATH_IMAGE012
为可靠系数，其确定以躲过外部短路故障切除后电机自启动时的相电流为原则，
Figure 433344DEST_PATH_IMAGE014
为相邻两采样点间对应的角度。另外，N取值范围为1～3 ms且K1的取值范围为2～8。
（B）步骤（A）中得出的相电流采样值的一阶差分电流与变压器的二次额定电流的比值系数K极性变换次数≤1，其中极性变换为正负极性之间的变换，即由“+”变换为“－”或者由“－”变换为“+”。
在本发明的一个实施例中，在取M为5 ms，N为1 ms且K1为3时，如果采样频率
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE026
，一个采样周期采集到64点，启动元件启动后16点（对应5ms）相电流采样值中连续有3点(对应1ms)相电流采样值的一阶差分电流与变压器二次额定电流的比值绝对值大于3（K1），且在本次5 ms期间相电流采样值的一阶差分电流（即比值系数K）最多只改变一次极性，则可以判定该相为电源相。利用此条件可以防止变压器容性无功补偿装置在变压器内部短路时瞬时值极性比较过程中发生保护拒动。实验证明，M为5 ms时可以更加快速地切除变压器内部短路故障。
S4：统计上述步骤中在该M时段得出的变压器各侧的电源相数量，如果变压器仅有一侧存在一个或者多个电源相，则直接判定变压器发生内部短路，出口跳闸；如果变压器至少两侧存在电源相，则继续执行。
S5：在本M时段对电源相的电流互感器饱和进行判别，如判断该电源相电流互感器饱和，则对电源相的相电流采样值进行瞬时值幅值和极性补偿，由于电流互感器饱和的判别以及补偿方法已在本发明人提出的“一种电流互感器饱和的识别与补偿的方法”发明中，在此不予累述。此外，电流互感器饱和的判别以及补偿方法还可以采用其他的方法。
S6：根据公式
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE028
分别计算变压器各侧电源相的电流故障分量，其中如果判定所述电源相的电流互感器不饱和，则
Figure 155181DEST_PATH_IMAGE008
、为两个相邻的相电流采样值，且
Figure 630079DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 667437DEST_PATH_IMAGE020
为在前一周期内分别与
Figure 791250DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 449503DEST_PATH_IMAGE010
对应的相电流采样值，如果判定所述电源相的电流互感器饱和，则
Figure 675079DEST_PATH_IMAGE008
、为两个相邻的经瞬时值幅值和极性补偿的相电流采样值；
Figure 320878DEST_PATH_IMAGE014
为相邻两采样点间对应的角度。
S7：比较各侧相同电源相的电流故障分量瞬时值极性的同极性时间，如果启动元件启动后M1时段同极性时间＞N1，则判定变压器内部故障，出口跳闸；
如果在启动元件启动后M1时段内同极性时间≤N1，则判断在启动元件启动后M2时段内同极性时间是否为N2，如果为N2则判定变压器内部故障，出口跳闸；
如果在启动元件启动后M2时段内同极性时间不为N2，则判断在启动元件启动后M3时段内同极性时间是否为N3，如果为N3则判定变压器内部故障，出口跳闸；
如果在启动元件启动后M3时段内同极性时间不为N3，则判断在启动元件启动一周期以及一周期以后同极性时间是否为N4，如果为N4则判定变压器内部故障，出口跳闸；其中，N1、N2、N3、N4均表示时间，N1取3 ms，N2的取值范围为4～8 ms，N3的取值范围为6～10 ms，N4的取值范围为10～15 ms。
在本发明的另一个实施例中，取M1为5 ms，M2为10 ms，M3为15 ms，N1为3 ms，N2为6 ms，N3为8 ms，N4为10 ms，在步骤S3中判定变压器两侧存在电源相的前提下，比较变压器各侧相同电源相的电流故障分量瞬时值极性的同极性时间，如果在启动元件启动后的第一个5 ms期间相同电源相的同极性时间大于
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE030
，则表示变压器内部故障，出口跳闸。
如果在启动元件启动后的5 ms期间不满足上述条件，则进一步判断启动元件启动后10ms期间相同电源相的同极性时间是否为6 ms，如果是则表示变压器内部故障，出口跳闸。
如果启动元件启动后10ms期间相同电源相的同极性时间不为6 ms，则进一步判断启动元件启动后15 ms期间相同电源相的同极性时间是否为8 ms，如果是则表示变压器内部故障，出口跳闸。
如果启动元件启动后15ms期间相同“电源相”的同极性时间不为8 ms，则进一步判断启动元件启动后20 ms期间相同电源相的同极性时间是否为10 ms，如果是则表示变压器内部故障，出口跳闸。
如图1所示，其为对电流故障分量瞬时值极性进行比较的MATLAB仿真的模型示意图。变压器为
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE032
接线方式，各侧电压分别为220/110/10.5kv，三相变压器的容量为250WVA，绕组1、2、3的参数为
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE034
。10.5kv侧带有容性无功补偿装置，其负载为。220kv侧其负载为
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE038
。
在本发明的又一个实施例中，变压器10.5kv侧区外
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE040
发生A、B相间短路，
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE042
转换为变压器内部A、B相间短路。图2示出了在变压器10.5kv侧区外短路转换为变压器区内短路时变压器各侧A（AB）相的一阶差分电流与二次额定电流比值K的波形图，从图中可看出在区外短路期间三侧的A相电流可判为电源相，在转为变压器区内短路时第一个和第二个 5 ms期间，10kv侧A相仍判定为电源相，第三个5 ms期间由于电容器向变压器放电电流中含有很大的高次谐波，K值在本期间发生多次穿越，即，极性改变的次数大于1，不满足电源相的条件。
图3示出了在区外短路时三侧电源相的电流故障分量波形图，从中可看出其瞬时极性总是相反，保护不动作，即防止误动。
图4示出了在区外短路转为变压器内部短路时各侧A（AB）电源相的电流故障分量的波形图，从图中可看出，在发生故障转换的第一、二个
Figure 2011102094974100002DEST_PATH_IMAGE044
期间三侧A（AB）仍然判定为电源相，但发生故障转换的第三个
Figure 258354DEST_PATH_IMAGE044
期间10.5kv侧A相不满足电源相的条件，该相该区间的电流故障分量不参加电流故障分量瞬时值比较。另两侧参加电流故障分量瞬时值极性比较，在发生转换性故障时也能快速动作，其时间小于20ms。
图5是系统振荡时区内AB相间短路各侧电流故障分量波形图。110kv侧46Hz，220kv侧50Hz，从图中可看出，在系统振荡中再发生短路故障，10.5kv侧不具有电源相的特征，不参加故障分量瞬时极性的比较，在一周内出口跳闸。
图6是系统振荡时区外AB相间短路各侧电流故障分量波形图。从图中可看出，在系统振荡中再发生区外短路故障，10.5kv侧不具有电源相的特征，不参加故障分量瞬时极性的比较，110kv侧IAB与220kv侧Iab瞬时极性相反，保护不动作。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：将变压器各侧归算到额定容量，并对变压器各侧的二次电流进行数值和相位补偿；
S2：判断变压器是否至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时判断各侧电流互感器是否发生断线，当变压器至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时各侧电流互感器没有发生断线时，电流故障分量瞬时值比较保护开放，否则继续执行步骤S2；
S3：相电流突变量或零序电流启动元件启动后，每间隔M时段分别根据变压器各侧各相采集到的相电流采样值，判断各相是否为电源相，如果满足以下两个条件则判定所述相电流采样值对应的相在M时段内为电源相，否则在所述M时段内不为电源相：
A、在M时段内至少连续N时段存在相电流采样值的一阶差分电流与变压器的二次额定电流的比值系数K的绝对值大于可靠系数K1，即：
Figure 2011102094974100001DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 2011102094974100001DEST_PATH_IMAGE004
为相电流采样值的一阶差分电流，
Figure 2011102094974100001DEST_PATH_IMAGE006
为变压器的二次额定电流，
Figure 2011102094974100001DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 2011102094974100001DEST_PATH_IMAGE010
为同一相的两个相邻相或线电流采样值，
Figure 2011102094974100001DEST_PATH_IMAGE012
为可靠系数，
Figure 2011102094974100001DEST_PATH_IMAGE014
为相邻两采样点间对应的角度；
B、步骤A中得出的比值系数K的极性变换次数≤1，其中极性变换为正负极性之间的变换；
S4：统计在该M时段内变压器各侧的电源相数量，如果变压器至少两侧存在电源相，则继续执行；
S5：对电源相的电流互感器饱和进行判别，如果电流互感器在本M时段饱和则对电源相的相或线电流采样值进行瞬时值幅值和极性补偿；
S6：根据以下公式分别计算变压器各侧电源相的电流故障分量：
Figure 2011102094974100001DEST_PATH_IMAGE016
其中如果判定所述电源相的电流互感器在本M时段不饱和，则
Figure 289608DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 82115DEST_PATH_IMAGE010
为两个相邻的相或线电流采样值，且
Figure 2011102094974100001DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 2011102094974100001DEST_PATH_IMAGE020
为在前一周期内分别与
Figure 298070DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 568646DEST_PATH_IMAGE010
对应的相电流采样值，如果判定所述电源相的电流互感器饱和，则
Figure 694602DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 579382DEST_PATH_IMAGE010
为两个相邻的经瞬时值幅值和极性补偿的相或线电流采样值，且
Figure 721781DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 232266DEST_PATH_IMAGE020
为在前一周期内分别与、
Figure 832192DEST_PATH_IMAGE010
对应的经瞬时值幅值和极性补偿的相电流采样值；
Figure 898105DEST_PATH_IMAGE014
为相邻两采样点间对应的角度；
S7：比较各侧相同电源相的电流故障分量瞬时值极性的同极性时间，如果启动元件启动后M1时段所述同极性时间＞N1，则判定变压器内部故障，出口跳闸；
如果在启动元件启动后M1时段内所述同极性时间≤N1，则判断在启动元件启动后M2时段内所述同极性时间是否为N2，如果为N2则判定变压器内部故障，出口跳闸；
如果在启动元件启动后M2时段内所述同极性时间不为N2，则判断在启动元件启动后M3时段内所述同极性时间是否为N3，如果为N3则判定变压器内部故障，出口跳闸；
如果在启动元件启动后M3时段内所述同极性时间不为N3，则判断在启动元件启动一周期以及一周期以后所述同极性时间是否为N4，如果为N4则判定变压器内部故障，出口跳闸；
其中，N1、N2、N3、N4均表示时间。
2.根据权利要求1所述的电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法，其特征在于：在所述步骤S4中如果变压器仅一侧存在一个或者多个电源相，则判定变压器内部故障，出口跳闸。
3.根据权利要求1所述的电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法，其特征在于：所述步骤S3和S4中所述M的取值范围为5～10 ms，K1的取值范围为2～8，N取值范围为1～3 ms。
4.根据权利要求3所述的电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法，其特征在于：所述M取5 ms，所述K1取3，所述N取1 ms。
5.根据权利要求1所述的电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法，其特征在于：所述步骤S7中所述M1取5 ms，所述M2取10 ms，所述M3取15 ms，所述M4取20 ms，所述N1取3 ms，所述N2的取值范围为4～8 ms，所述N3的取值范围为6～10 ms，所述N4的取值范围为10～15 ms。
6.根据权利要求5所述的电流故障分量瞬时值极性比较实现变压器保护的方法，其特征在于：所述N2取6 ms，所述N3取8 ms，所述N4取10 ms。
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