CN103001181B - 解决变压器差动保护在功率转移时误动作的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种解决变压器差动保护在功率转移时误动作的方法，包括以下3项措施：（1）在功能上采取自适应提高定值的判据，动作值按照1.2倍的额定值In整定；（2）在逻辑上低电流动作区增加躲不平衡电流的延时环节，整定时间取10ms；（3）在特性上增加三次谐波闭锁功能，制动系数取0.1。以上三项措施只要能够共同发挥作用，就能够解决变压器差动保护在功率转移时误动作的问题。运行结果证明，采取措施后差动保护原有的特性不受影响，在特殊方式下误动的问题得到彻底解决。由此避免了差动保护误动导致的机组跳闸、设备大面积停电等故障，对保证电网的正常运行发挥了重要作用。

Description

解决变压器差动保护在功率转移时误动作的方法

技术领域

本发明涉及一种解决变压器差动保护在功率转移时误动作的方法，属于电力系统变电站保护技术领域。

背景技术

近几年来黄岛发电厂、里彦发电厂、220kV东城变电站先后出现过几次变压器差动保护以及母线差动动作、开关跳闸导致设备大面积停电的重大事故，故障的发生不仅切除了有关设备，也影响了电网的稳定运行。

例如，黄岛发电厂在用主变高压侧断路器与系统进行并环操作时，出现了两台变压器差动保护动作、断路器跳闸导致设备大面积停电的重大事故，故障的发生不仅切除了设备、中断了正常的发供电工作，同时也给局部电网的安全稳定运行造成了非常严重的影响。

变压器差动保护在功率转移时误动作的问题非常突出，之前的资料中虽有相关报道，但其故障的类型、解决与分析的问题思路相差甚远。类似于上述实例所讲的运行变电站内出现的，变压器差动保护在功率转移时误动作的问题长期以来一直没有找到故障的原因以及处理方法。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种解决变压器差动保护在功率转移时误动作的方法，它具有能够杜绝在功率转移时保护误动、开关误跳、设备误停以及信号误发的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种解决变压器差动保护在功率转移时误动作的方法，在差动保护的逻辑上增加一个高定值动作区；即差动保护设置两个动作区，高定值动作区与低定值动作区；高定值动作区>1.2In，低定值动作区的范围（0.2-0.8）In；

（1）对于高定值动作区，在功能上采取自适应提高定值的判据，差动保护的动作值按照额定值In1.2倍整定，In是变压器电流的额定值；

（2）对于低定值动作区，在逻辑上低电流动作区增加流过差动保护的躲不平衡电流的延时环节，整定时间取10ms；

（3）对于差动保护输出，在特性上增加三次谐波闭锁功能，制动系数取0.1~0.2。

上述解决变压器差动保护在功率转移时误动作的方法所适用的电网，包括电压等级不同的两条母线组成，其中电压高的母线连接发电机，电压低的母线连接负载，三圈变压器的二次侧通过断路器都连接到两条母线上，三圈变压器的二次侧均是星形接线，三圈变压器的一次侧均是三角形接线，其中第一三圈变压器的一次侧连接发电机和两圈变压器，第一三圈变压器的二次侧的变压器均接地，第二三圈变压器的一次侧连接只发电机，第二三圈变压器的二次侧的二次侧只有一个变压器接地。

本发明的有益效果：

以上三项措施只要能够共同发挥作用，就能够解决变压器差动保护在功率转移时误动作的问题。在措施执行后，出现过的变电站类似的差动保护误动作的问题未再发生。由此避免了保护误动、开关误跳、信号误发、机组误停的一系列问题；从而避免了设备大面积停电对电网造成的冲击影响。因此，预防变压器差动保护在功率转移时误动作方法的有效性得到证实。

本发明通过在功能上采取自适应提高定值的判据；在逻辑上低电流动作区增加躲不平衡电流的延时环节；在特性上增加三次谐波闭锁功能作为避免差动保护误动作的措施，能够有效地预防并解决变压器差动保护在功率转移时导致保护误动作、变电站大面积停电的事故，从而增减少电网的不稳定因素。

本发明适用于发电厂三圈变压器的差动保护在功率转移时的误动作、以及变电站变压器差动保护在线路重合闸过程中误动作的问题。

附图说明

图1本发明所适用的发电厂电气一次系统接线图；

图2模拟试验系统接线图；

图3比率差动动作特性图；

图4采取措施后的动态试验接线图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例（以黄岛发电厂主变为例）

本发明分析了解决变压器差动保护在功率转移时误动跳闸的实例，展示了在寻找故障的检测方法、在确定变压器差动保护在功率转移时误动作的原因、以及在建立合理的指标体系方面所做的工作。

黄岛发电厂在用主变高压侧断路器与系统进行并环操作时，出现了两台变压器差动保护动作、断路器跳闸导致设备大面积停电的重大事故，故障的发生不仅切除了设备、中断了正常的发供电工作，同时也给局部电网的安全稳定运行造成了非常严重的影响。

故障发生以后，在现场进行了大量的检查与试验工作，在证实一、二次系统正常、保护的静态特性良好的情况下，利用故障波形回放技术、数字模拟仿真技术，对当时的运行方式进行了仿真，验证了保护的动态性能，从而确定了跳闸是差动保护误动造成的。

差动保护的误动作出现在一种特殊的运行方式下：差动保护一侧电流的波形正负半波不对称偏差超过9°；差动电流的数值超过整定值I_set；差动电流超过整定值持续时间大于10ms。在这3个条件同时具备的情况下，保护误判为区内故障，保护动作。

造成保护误动的原因有两种：算法上没有考虑如此特殊的运行方式，其性能躲不过暂态的不平衡电流；动作逻辑判据不够完善，没有充分考虑同频并网时冲击电流的特性。

下面对两台三圈主变压器差动保护在同频并网时的动作行为进行分析，并确定相应的防范措施。

一、故障现象

2006年4月25日至4月27日，黄岛发电厂#2主变220kV侧GIS组合电器202断路器停电，进行定期检修工作。在此期间#2机组通过主变110kV侧102断路器向110kV系统送电。4月27日17点检修完毕断路器试验合格后，交运行人员进行系统恢复操作。20：36分用202断路器与系统进行并环操作，当该断路器合闸后，#1、2变压器差动保护动作，断路器掉闸，机组全停。当时的电气主接线见图1，设备参数如下。

主变参数：接线形式：Y₀/Y₀-Δ-12-11；额定容量：150/150/150MVA；额定电压：242/121/13.8kV；短路电压百分比：高中23.6%，高低14.4%，中低7.93%；

发电机参数：额定容量：164.7MVA；额定电压：13.8kV；发电机电抗X_d：1.867；发电机暂态电抗X′_d：0.257；功率因数：0.85；

高厂变参数：额定容量：16MVA；额定电压：13.8kV；短路电压百分比：10.1%；

主变差动保护的整定值见表1：

序号	名称	定值
			1	最小动作电流	1.568A
2	最小制动电流	3.915A
			3	比率制动系数	0.500
4	二次谐波制动系数	0.179
			5	差动第1侧平衡系数	0.760

6	差动第2侧平衡系数	0.380
			7	差动第3侧平衡系数	1.000
8	差动第4侧平衡系数	1.000

疑点分析：（1）差动保护的误动作出现在一种怎样的运行方式下；（2）穿越性的负荷电流为何能造成保护的误动作。

二、检查过程

故障发生后对所有相关联的一次设备进行了检查，重点对202断路器及其刀闸进行了多次的操作试验，结果正常。

1、二次系统检查

对#1、2机组保护装置动作行为和故障录波器录波图进行了全面检查，对#1、2主变差动保护从接线、整定值各方面进行了全面的检查；对保护装置的静态特性进行了检查，结果正常。

（1）主变差动保护的动作值

主变保护的动作报文见表2：

（2）事故发生时保护动作过程

当时实际运行工况是，#1主变的高压和中压侧都接地，#2主变的中压侧接地，#1发电机带135MW运行，#2发电机带125MW运行，202断路器处于分闸状态。在从合202断路器将#2主变的高压侧并到220kV母线时刻起，大约过了几个周波，#2主变保护装置A、C两相差动动作，又过了几个周波后，#1主变保护装置A、C两相差动也动作。保护装置没能录到事故波形，#1机组的故障录波装置录波正常。

2、保护装置迭加直流分量试验

为了验证保护装置用电流互感器的抗直流分量性能以及暂态特性，单独对保护装置做了叠加直流分量实验。所叠加直流分量的大小等于额定交流电流的幅值，不衰减，叠加方式为突加性质。所加交流电流为额定5A，在不同的时刻突然叠加量直流分量值5A，经过较长的一段时间，除去装置固有的零漂外，差电流不超过0.2A，因此保护装置用电流互感器的抗直流分量性能以及暂态特性是能满足要求的。

3、RTDS仿真试验

目的主要是再现变压器高压侧投断路器时的运行工况，以检验保护的动作行为。根据发电厂的运行方式建立了系统模型，将同类型的WFB-100型保护安装在＃1主变处，试验接线见图2。

设备运行方式：101、201、102断路器投入，202断路器断开位置；＃1主变110、220kV中性点接地，＃2主变110kV中性点接地。保护试验整定值与表1的内容一致，另外，本次试验模型无厂变侧电流元件，＃1主变保护只接入高、中、低三侧电流元件，厂变第四侧空出。

方式1：101、201、102断路器投入，202断路器断开位置。＃1发电机带135MW，＃2发电机带125MW。＃1主变中压侧101断路器电流108A，高压侧201断路器电流359A，低压侧电流5418A，中压和高压侧电压角差为9.385°；＃2主变中压侧102断路器电流574A，低压侧电流5089A，高压侧断路器202无电流。合202断路器，＃1主变保护可靠不动作。

从波形图中分析，202断路器合闸前后的差流均为0.05A左右，变化不大。

方式2：101、201、102断路器投入，202断路器断开位置。＃1发电机带160MW，＃2发电机带150MW。＃1主变中压侧101断路器电流238A，高压侧201断路器电流468A，低压侧电流7051A,中压和高压侧电压角差为13°；＃2主变中压侧102断路器电流685A，低压侧电流6053A，高压侧202无流。合202断路器，并模拟＃2主变保护动作跳开202和101断路器。＃1主变保护可靠不动作。

4、波形数据回放试验

方式1：现场波形数据提供的是＃1主变一次电流、电压波形数据，根据需要将一次电流波形转换为主变保护用的二次电流波形，高压侧一次电流基于353A，二次电流的流向是低压侧和中压侧是流入＃1主变，高压侧流出。通过RTDS的数据回放功能多次考核＃1主变保护。＃1主变保护可靠不动作。

方式2：根据需要将现场数据一次电流波形转换为主变保护用的二次电流波形，高压侧一次电流基于233A，二次电流的流向是低压侧是流入＃1主变，中压侧和高压侧流出。通过RTDS的数据回放功能多次考核＃1主变保护。＃1主变保护动作。

从录波图中分析，合202断路器时差流值达到2.8A左右。

三、原因分析

1、确定了差动保护误动的原因是躲不过系统的暂态过程

比率制动特性的差动保护是变压器的主保护，能反映变压器内部相间短路故障、高压侧单相接地短路及匝间短路故障；虽然差动保护的二次谐波制动特性躲变压器的励磁涌流有明显的优势，保护能正确区分励磁涌流、过励磁故障，但是比率制动特性、二次谐波制动特性都解决不了合闸时的暂态过程。因为202断路器同频并列时出现的直流分量影响了TA的传变特性、断路器合闸时变压器110kV侧功率倒向产生了电流正负半波相位的不对称、此时又没有二次谐波电流的制动，因此差流足以驱动保护动作跳闸。

实际情况表明，由于当时#1、2机组满负荷运行，在202断路器并环点两侧负荷存在较大的一个功角，在合闸时有冲击电流；因为磁滞影响、TA局部饱和、TA输入偏差、变压器功率倒向等原因使变压器电流出现较大的直流分量以及电流波形畸变；由于算法原因使差动保护误判为区内故障而动作将#1、2机变切除。

2、关于TA暂态饱和与差流的产生

从保护装置的动作报文可以看出，保护的差流都比较大尤其是2#主变的差流，制动电流都不大，1#主变的差动保护动作时没有进入比率制动特性的制动区，2#主变的差动保护动作时则在比率制动特性的拐点附近，因此都无制动效应。

因为保护装置没能录出波形，因此，对造成保护动作的如此大差流的产生原因很难明确判断。除了变压器发生故障以及保护的二次回路出现异常外，一般来说形成差流而造成保护动作的原因是多方面的，具体可以如下分析。

（1）变压器本身产生差流

从变压器本身来说，变压器铁芯饱和以及处于过激磁状态可以形成比较大的差流，从#1机组的录波图可以看出，直流分量在合202断路器时达到了相当大的数值，且衰减的时间比较长，一段时间内铁芯磁链的增量是不断累加的过程，有可能使得变压器铁芯饱和而形成差流，但实际上合成差流很小，保护不会动作。

（2）系统TA产生差流

从一次TA的角度来说，如果一次TA的铁芯发生饱和，也可以造成相当大的差流，主要体现在造成幅值和相位误差。TA饱和一般可以分为稳态饱和和暂态饱和，稳态饱和所需的一次交流电流幅值要相当大，除非故障时产生了相当大的短路电流，否则一般发生稳态饱和的可能性不大。暂态饱和的产生是和一次电流中的非周期分量、铁芯中的剩磁、TA二次回路所带负荷的大小及性质等因素密切相关。一次电流中非周期分量的存在将使电流互感器的传变特性严重恶化，原因是电流互感器的励磁特性是按工频设计的，在传变等效频率很低的非周期分量时，铁芯磁通（即励磁电流）需大大增加，再加上剩磁的影响，可以使得TA在很短的时间内达到饱和状态，差流随之产生，并且一个公认的事实是TA内的剩磁在正常运行的电流情况下是很难消除的。此次202断路器在重负荷下合闸，对两台主变的冲击还是很大的，受到影响较小的#1主变高中压侧电流中衰减的非周期分量的数值都非常大，而且衰减的周期还比较长，因此此时一次TA发生饱和的可能性是存在的。

（3）保护装置内部电流变换产生差流

从保护装置内部用TA来说，也存在饱和的可能性，它和一次TA的原理相同，如此大的衰减直流分量也可能造成装置TA饱和，因此对装置TA做了有关的暂态特性实验，从重复多次实验的结果来看，装置TA的暂态特性性能还是比较好的，实验过程中，保护装置产生的差流是比较小的。一般来说，保护装置厂家对装置TA的性能要求是要强于一次TA的。

分析认为，运行方式的改变会导致TA暂态饱和现象，TA的暂态饱也会影响保护的动作行为，会使差动保护误动作。

四、防范措施

为防止再次发生该类保护误动的情况，根据分析的结果采取以下措施：

1、选择有利的并网方式

#1、2机同期并网多次，但一般采用发电机断路器与系统并网，均成功并网，极少采用202（201）断路器同频并网的方式，如此方式的并网原因出现也系220KVGIS检修造成的。为防止故障的发生，应避免在两台主变并列运行时由一台主变通过110kV母线向另一台主变220kV母线送电，且输送功率比较大时合220kV侧断路器，因为输送功率越大，断路器两侧电压角度差越大，冲击电流越大，对TA的传变特性影响越大。如果#1、2机组不使用变压器高中压侧断路器并列，只能使用发电机出口断路器与系统进行并列操作，就没有如此故障的发生。

2、选择完备的保护特性

关于运行方式的措施虽然可以避免类似故障的发生，但是毕竟不能以二次设备的约束来限制一次系统的运行方式，为消除保护的缺陷必须采取有效的途径。

（1）采用自适应提高定值的判据

差动保护设置两个动作区，即高定值动作区与低定值动作区。保护采用自适应提高定值的方式，防止外部故障时由于TA饱和引起差动误动，当差流中的三次谐波与基波的比值大于某一定值时，自动提高比率制动差动的动作值、改变比率制动系数和最小制动电流，进一步提高保护的可靠性。差动保护特性见图3。

图中阴影部分要经过励磁涌流判别、TA断线判别和TA饱和判别后才出口，双阴影部分只要经过励磁涌流判别就出口。比率原理差动动作方程如下

I_op>I_op.0                      (I_res≤I_res.0)

I_op≥I_op.0+S(I_res-I_res.0)      (I_res>I_res.0)       (1)

I_res>1.2 I_n

I_op≥1.2I_n+0.8(I_res-1.2I_n)     (I_res>1.2I_n)        (2)

I_op为差动电流，I_op.0为差动最小动作电流整定值，I_res为制动电流，I_res.0为最小制动电流整定值，S为比率制动特性斜率，I_n为基准侧电流互感器的额定二次电流，各侧电流的方向都以指向变压器为正方向。对于两侧差动：

$I_{\mathrm{op}}=|{\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2|---\left(3\right)$

$I_{\mathrm{res}}=|{\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2|/2---\left(4\right)$

对于三侧及以上差动：

$I_{\mathrm{op}}=|{\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2+...+{\stackrel{\·}{I}}_n|---\left(5\right)$

$I_{\mathrm{res}}=\max \left\{\right|{\stackrel{\·}{I}}_1|,|{\stackrel{\·}{I}}_2|,...,|{\stackrel{\·}{I}}_n\left|\right\}---\left(6\right)$

式中：3≤n≤6，分别为变压器各侧电流互感器二次侧的电流。判据(1)为低定值的比率制动差动，判据(2)为高定值比率制动差动。

（2）在逻辑上增加低电流动作区延时判据

在低电流动作区内逻辑上增加躲不平衡电流的延时。

当I_d≤I_e时，增加延时Δt=10ms

即：t_d=t_g+Δt＝30ms+10ms＝40ms

当I_d>I_e时，保证差动以固有时间t_g=30ms动作跳闸。

I_d表示动作电流；I_e表示额定电流值；t_d表示差动保护动作时间。

（3）在特性上增加三次谐波闭锁功能

利用每相差流中的三次谐波分量作为TA饱和的保护闭锁判据，以解决暂态饱和的影响，判别方程如下：

I₃>K₃*I₁                (7)

式中：I₃为每相差流中三次谐波电流，K₃为三次谐波比例系数，I₁为对应基波电流。

任一相电流满足(7)式，比率制动差动自动改变该相的最小动作电流、最小制动电流和与比率制动斜率，保证差动保护正确、可靠动作。

3、采取措施后的动态检验

建立单机对无穷大系统，变压器接线形式为Y/△-11，高压侧经100km平行双回线与系统连接。TA二次为5A。试验接线见图4。保护不跳断路器，动作行为看录波图即可。

差动保护定值设定见表3

表3

定值名称	整定值	定值名称	整定值
				额定电流	4.3A	差动高压侧平衡系数	1.00
最小动作电流	1.3A	差动低压侧平衡系数	1.57
				最小制动电流	4.3A	差动速断电流	16.0A
比率制动系数	0.5	TA断线额定电流	4.3A
				二次谐波制动系数	0.2

（1）区内外金属性短路与匝间短路故障试验

K1～K4点发生各种金属性短路故障，故障类型包括单相接地、两相接地、相间及三相短路故障，K7点发生匝间短路，保护动作情况见表4：

表4

（2）TA饱和试验

K1～K4点发生各种金属性短路故障，保护动作情况见表5：

表5

（3）其他试验

TA断线试验，投TA断线闭锁差动保护。分别在P=0.3Pe、0.5Pe的工况下，低压侧4TA-A相断线。保护可靠不动作。低压侧4TA-A相断线后，发生K2点AB短路故障。保护可靠不动作，P表示有功功率；Pe表示额定功率值。

高压侧空投变压器试验，连续空投变压器十次。保护可靠不动作；空投故障变压器试验，高压侧空投故障变压器，保护动作时间根据涌流的大小而变化,K7点A相绕组3.94％匝间短路，比率差动保护动作时间87.4～193.0ms，保护正确动作。

拉合直流试验，在P=0.6Pe的工况下，多次拉合保护直流电源，保护可靠不动作。

4、采取措施后的静态试验

静态试验的内容与结果见表5。试验结果表明，保护的动作行为满足要求。试验说明：Kp1=1,Kp2=1,Kp3=1,Kp4=1；二次额定电流In为：5A；Ⅰ主变高压侧，Ⅱ主变中压侧，Ⅲ发电机侧，IV高厂变侧；Kp是变压器不同侧的比例制动系数；Kp1是变压器主变高压侧的比例制动系数；Kp2是变压器主变中压侧的比例制动系数；Kp3是变压器发电机侧的比例制动系数；Kp4是变压器高厂变侧的比例制动系数；做比率制动系数时施加两侧电流相差180度。

运行结果证明，采取措施后差动保护原有的特性不受影响，在特殊方式下误动的问题得到彻底解决。由此避免了差动保护误动导致的机组跳闸、设备大面积停电、系统不稳定等故障，对保证电网的正常运行发挥了重要作用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种解决变压器差动保护在功率转移时误动作的方法，其特征是，包括以下措施：

(1)对于高定值动作区，在功能上采取自适应提高定值的判据，差动保护的动作值按照额定值I_n1.2倍整定；所述高定值动作区是在差动保护的逻辑上增加一个高定值动作区；即差动保护设置两个动作区，高定值动作区与低定值动作区；高定值动作区>1.2I_n，低定值动作区的范围(0.2-0.8)I_n；

比率原理差动动作方程如下

I_op>I_op.0     (I_res≤I_res.0)

I_op≥I_op.0+S(I_res–I_res.0)     (I_res>I_res.0)  (1)

I_res>1.2I_n

I_op≥1.2I_n+0.8(I_res–1.2I_n)     (I_res>1.2I_n)  (2)

I_op为差动电流，I_op.0为差动最小动作电流整定值，I_res为制动电流，I_res.0为最小制动电流整定值，S为比率制动特性斜率，I_n为基准侧电流互感器的额定二次电流，各侧电流的方向都以指向变压器为正方向；对于两侧差动：

$I_{\mathrm{op}}=|{\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2|---\left(3\right)$

$I_{\mathrm{res}}=|{\stackrel{\·}{I}}_1-{\stackrel{\·}{I}}_2|/2---\left(4\right)$

对于三侧及以上差动：

$I_{\mathrm{op}}=|{\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2+...+{\stackrel{\·}{I}}_n|---\left(5\right)$

$I_{\mathrm{res}}=\max \left\{\right|{\stackrel{\·}{I}}_1|,|{\stackrel{\·}{I}}_2|,...,|{\stackrel{\·}{I}}_n\left|\right\}---\left(6\right)$

式中：3≤n≤6，分别为变压器各侧电流互感器二次侧的电流；判据(1)为低定值的比率制动差动，判据(2)为高定值比率制动差动；

(2)对于低定值动作区，在逻辑上低电流动作区增加流过差动保护的躲不平衡电流的延时环节，整定时间取10ms；

(3)对于差动保护输出，在特性上增加三次谐波闭锁功能，制动系数取0.1～0.2；

利用每相差流中的三次谐波分量作为TA饱和的保护闭锁判据，以解决暂态饱和的影响，判别方程如下：

I₃>K₃*I₁   (7)

式中：I₃为每相差流中三次谐波电流，K₃为三次谐波比例系数，I₁为对应基波电流；

任一相电流满足(7)式，比率制动差动自动改变该相的最小动作电流、最小制动电流和与比率制动斜率，保证差动保护正确、可靠动作；

以上三项措施只要能够共同发挥作用，就能够解决变压器差动保护在功率转移时误动作的问题。