CN103872645B - 六相输电系统中的变压器后备保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六相输电系统中的变压器后备保护方法：采集变压器三相系统侧的两组三相电流，通过六序分量法分别计算出同正序电流同负序电流和反正序电流的幅值；采用同正序电流判断六相短路，当的幅值大于整定值I_T1.op时保护动作，其整定值按躲过正常运行时的最大同正序电流即负荷电流I_N整定；采用同负序电流与反正序电流判断除六相短路以外的所有相间短路，当或的幅值分别大于整定值I_T2.op或I_F1.op时保护动作，整定值I_T2.op和I_F1.op按分别按躲过正常运行时出现的最大同负序、反正序不平衡电流整定，三个电流保护或门输出。本发明具有保护灵敏度更高，且易于实现的优点。

Description

六相输电系统中的变压器后备保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统的新输电方式----六相输电和继电保护领域，具体涉及一种应用于六相输电系统中的变压器后备保护方法。

背景技术

六相输电具有巨大的经济环境效益，不仅能够提高线路传输自然功率，减少线路走廊占地面积，还能够抑制电晕的发生，减小无线电干扰，是超高压输电的重要发展方向[1]。附图1是典型的六相输电系统，由四台变压器和六相输电线路构成，通过两台变压器将并行的三相系统变成六相系统，在另一端再通过两台变压器将六相转变成并行三相系统。四台变压器的接线方式分别为：D,y11、Y,d1、D,y1和Y,d11。1992年美国纽约电力和天然气公司（NYSEG）将Goudey和Oakdale之间的一条115kV电压等级的2.4km双回线路改造成了六相输电线路投入商业运行，其六相呈对称六角形排列，各相导线位于六角形的各顶点上。

系统六相输电虽然具有诸多优点，但是其故障类型繁多，全相运行情况下有120余种，复杂的故障种类给六相输电的故障分析和继电保护带来了困难。目前，针对六相输电的故障分析主要采用解耦方法，将故障后的六相系统解耦成相互独立的分量系统，再进行分析。文献[2]将六相系统解耦为两个互相独立的三相系统，并分析了六相线路完全换位的系统阻抗矩阵。文献[3]将六相系统解耦为互相独立的六序分量，分析了几种有代表性故障的特征。目前，关于六相输电线路保护研究方面的文章比较少，文献[4]在分析了不同故障的六序分量特征基础上，提出了针对六相输电的选相方案，进行了仿真验证。文献[5]将同杆双回线故障分析方法应用到六相输电的故障分析中去，据此提出了新的六相输电选相方案。

从附图1可见，在六相输电系统中，变压器起着联结六相系统和三相系统的桥梁作用，其安全运行对系统至关重要。但是，目前尚未发现对其保护原理和方案进行研究的报道。考虑到六相系统的相邻相间电压相差60°，相对于三相输电系统线电压减小，因此其发生相间短路特别是相邻相相间短路时，相对于三相系统而言流过保护装置的故障电流大为减小。这意味着：如果六相系统中的变压器仍采用与三相变压器相同的传统后备保护，其作为变压器本身后备及六相输电线路远后备的灵敏度将大为降低，极可能不满足灵敏性要求。因此，有必要发明一种专门针对六相输电系统中变压器后备保护方案。

参考文献

[1]王明佳,张艳霞.特高压六相输电线路与同杆双回线路特性比较[J].电力系统自动化,2013,37(7):113-118.

WANGMingjia,ZHANGYanxia.ContrastBetweenSix-phaseTransmissionLineandDouble-circuitLineinUHVTransmissionSystem[J].AutomationofElectricPowerSystems,2013,37(7):113-118.

[2]PortelaCM,TavaresMC.Six-phasetransmissionline-propagationcharacteristicsandnewthree-phaserepresentation[J].PowerDelivery,IEEETransactionson,1993,8(3):1470-1483.

[3]BhattNB,VenkataSS,GuykerWC,etal.Six-phase(Multi-Phase)powertransmissionsystems:Faultanalysis[J].PowerApparatusandSystems,IEEETransactionson,1977,96(3):758-767.

[4]赵庆明,贺家李,李永丽,等.六相输电线路的故障选相[J].天津大学学报,2007,40(6):704-709.

ZHAOQingming,HEJiali,LIYongli,etal.FaultPhaseSelectionforSix-PhaseTransmissionLines[J].JOURNALOFTIANJINUNIVERSITY,2007,40(6):704-709.

[5]张艳霞,王艳,伍仕,等.基于六序分量法的六相输电系统故障选相[J].电力系统自动化,2009,33(24):49-53.

ZHANGYanxia,WANGYan,WUShi,etal.Phase-selectionforsix-phasepowertransmissionsystembasedonsix-sequencecomponentsmethod[J].AutomationofElectricPowerSystem,2009,33(24)：49-53

[6]葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术[M].西安:西安交通大学出版社,1996.

发明内容

本发明的目的是提供一种针对六相输电系统中的变压器后备保护方法，该方法相比传统的变压器后备保护灵敏度更高，且易于实现。本发明的技术方案如下：

一种六相输电系统中的变压器后备保护方法，六相输电系统中的变压器相间短路后备保护安装在变压器的三相绕组侧，采集变压器三相系统侧的两组三相电流，通过六序分量法分别计算出同正序电流同负序电流和反正序电流的幅值；采用同正序电流判断六相短路，当的幅值大于整定值I_T1.op时保护动作，其整定值按躲过正常运行时的最大同正序电流即负荷电流I_N整定；采用同负序电流与反正序电流判断除六相短路以外的所有相间短路，当或的幅值分别大于整定值I_T2.op或I_F1.op时保护动作，整定值I_T2.op和I_F1.op按分别按躲过正常运行时出现的最大同负序、反正序不平衡电流整定，三个电流保护或门输出。

其中，所述的各个整定值可按照下列公式选取：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{T1.\mathrm{op}}=K_K\·I_N/K_h\\ I_{T2.\mathrm{op}}=0.2I_N\\ I_{F1.\mathrm{op}}=0.2I_N\end{array}\right.$

式中：K_K为可靠系数，取1.1～1.2；K_h为返回系数，取0.85～0.95。

变压器相间短路后备保护的动作时限t应该与六相输电线路的相间短路后备保护的动作时限相配合，可设定为：t＝t_max+Δt，式中：t_max为相邻六相线路相间短路后备保护的动作时限；Δt为时间级差，一般取0.3s～0.5s。

本发明的有益效果如下：

1、相对于传统的变压器后备保护方案，本发明是专门针对六相系统中的变压器设计的，能有效克服传统变压器后备保护应用在六相变压器上灵敏度降低的问题。

2、本发明方案判别原理简单明确，易于在保护装置中实现。

附图说明

图1a.典型六相输电模型。

图1b.六相相电压。

图2变压器两侧序分量对应关系。

图3CE短路故障序网。

图4CEBF四相短路故障序网。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

六序分量转换矩阵为^[6]

$M=\frac{1}{6}\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& 1& a^2& a^2& a& a\\ 1& 1& a& a& a^2& a^2\\ 1& -1& 1& -1& 1& -1\\ 1& -1& a^2& {-a}^2& a& -a\\ 1& -1& a& -a& a^2& {-a}^2\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中：a＝e^j120°。利用M可以将同杆双回线系统（两个三相）或六相输电系统中任意一点处的六个相电压和六个相电流转化为六个序电压分量和六个序电流分量 其中，下角标T0的为同零序分量；下角标T1、T2、F0、F1和F2的分别为同正序分量、同负序分量、反零序分量、反正序分量和反负序分量。

在六相系统中，每个变压器的两侧分别对应一个六相系统和两个三相系统（也是六个相）。两侧分别应用六序分量法进行六相至六序的变换，则六序分量在变压器两侧必然存在对应关系。当系统正常运行时，三相系统侧只有同正序分量存在，六相系统侧只有反正序分量存在。当系统发生故障时，假设变压器的六相侧各相分量相位相同，则两侧序分量的对应向量图示于附图2。从图中可以看出：变压器六相系统侧的T1、T2和F1、F2分量分别对应于三相系统侧的F1、F2和T1、T2分量，并且六相系统侧的两个正序分量T1、T2分别超前于三相系统侧T1、T230°，而两个负序分量F1、F2则滞后30°。

以六相系统侧CE短路为例，边界条件如下

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_C+{\stackrel{\·}{I}}_E=0\\ {\stackrel{\·}{I}}_A={\stackrel{\·}{I}}_B={\stackrel{\·}{I}}_D={\stackrel{\·}{I}}_F=0\\ {\stackrel{\·}{U}}_C={\stackrel{\·}{U}}_E\end{array}\right.---\left(6\right)$

式（6）可转化成序边界条件式（7）。

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{F0}={\stackrel{\·}{I}}_{T0}=0\\ {\stackrel{\·}{I}}_{T1}={\stackrel{\·}{I}}_{F1}={-\stackrel{\·}{I}}_{T2}={-\stackrel{\·}{I}}_{F2}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{T1}+{\stackrel{\·}{U}}_{F1}={\stackrel{\·}{U}}_{T2}{\stackrel{\·}{+U}}_{F2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

由式（7）所示序边界条件画出CE故障序网如图3。可见CE故障含有T₁、T₂、F₁和F₂分量，与表1中的第一行对应。当发生CE的接地短路即CEG故障时，在上面四个分量的基础上，增加T₀和F₀分量。

再以发生CEBF四相短路为例，边界条件如式（8）。

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_A={\stackrel{\·}{I}}_D=0\\ {\stackrel{\·}{I}}_C+{\stackrel{\·}{I}}_E+{\stackrel{\·}{I}}_B+{\stackrel{\·}{I}}_F=0\\ {\stackrel{\·}{U}}_C={\stackrel{\·}{U}}_E={\stackrel{\·}{U}}_B={\stackrel{\·}{U}}_F\end{array}\right.---\left(8\right)$

式（8）可转化为序边界条件式（9）。

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{F0}+{\stackrel{\·}{I}}_{F1}+{\stackrel{\·}{I}}_{F2}=0\\ {\stackrel{\·}{I}}_{T0}={\stackrel{\·}{I}}_{T1}={\stackrel{\·}{I}}_{T2}=0\\ {\stackrel{\·}{U}}_{F1}={\stackrel{\·}{U}}_{F2}={\stackrel{\·}{U}}_{F0}\end{array}\right.---\left(9\right)$

由式（9）所示序边界条件画出CEBF四相短路故障序网如图4。可见CEBF四相短路含有F₁、F₂和F₀分量。

通过对变压器六相系统侧发生的故障进行分析，得到该侧序分量的存在情况如表1。

表1变压器六相系统侧发生故障时，该侧序分量存在情况

注：括号内为相间短路时所没有的序分量

依据变压器两侧六序分量间对应关系和表1，得到六相系统侧发生故障时三相系统侧序分量的存在情况如表2。

表2变压器六相系统侧发生故障时，三相系统侧序分量存在情况

通过对变压器三相系统侧发生的相间短路进行分析，可得到该侧序分量的存在情况如表3。

表3三相侧发生相间短路时序分量存在情况

从表1可知：六相系统侧的反零序电流可作为变压器接地后备保护的保护判据，用于判断六相系统侧的非全相接地故障。需要指出的是：因为六相系统的A相、C相、E相分别对应于三相系统的A相、B相、C相，所以六相系统的ACEG这种接地故障相当于三相系统的三相短路，归在相间短路的范畴内。同理，ACEBDFG也归在相间短路的范畴内。

综合表2和表3可知：变压器两侧所有相间短路中，同正序电流均存在；除六相短路之外的相间短路中，同负序电流与反正序电流至少存在一项。因此，变压器相间短路后备保护可以采用这三个序电流作为保护判别量。

因此，本发明涉及的六相输电系统中的变压器相间短路后备保护采用如下方案：保护安装在变压器的三相绕组侧，采用同正序电流判断六相短路，当的幅值大于整定值I_T1.op时保护动作，其整定值按躲过正常运行时的最大同正序电流（即负荷电流I_N）整定；采用同负序电流与反正序电流判断除六相短路以外的所有相间短路，当或的幅值分别大于整定值I_T2.op或I_F1.op时保护动作，其整定值按躲过正常运行时出现的最大同负序、反正序不平衡电流整定；三个电流保护或门输出。实际中，同负序和反正序的不平衡电流是由于输电线路参数不平衡、负荷不对称以及互感器误差等原因导致的，根据运行经验它们的整定值取0.2倍的额定负荷电流I_N。

综上所述，各元件整定原则如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{T1.\mathrm{op}}=K_K\·I_N/K_h\\ I_{T2.\mathrm{op}}=0.2I_N\\ I_{F1.\mathrm{op}}=0.2I_N\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中：K_K为可靠系数，取1.1～1.2；K_h为返回系数，取0.85～0.95。

变压器相间短路后备保护的动作时限t应该与六相输电线路的相间短路后备保护的动作时限相配合，设定为：

t＝t_max+Δt(11)

式中：t_max为相邻六相线路相间短路后备保护的动作时限；Δt为时间级差，一般取0.3s～0.5s。

本发明涉及的六相系统中的变压器接地故障后备保护方案如下：安装在变压器的六相绕组侧，采用反零序电流当的幅值大于整定值3I_F0.op时保护动作，其整定值应躲过正常运行时出现的最大对地不平衡电流，根据运行经验一般取0.2倍的额定负荷电流I_N。

I_F0.op1＝K_R·3I_bp.max≈0.2I_N(12)

式中：K_R为可靠系数，取1.1～1.2。

变压器接地后备保护还应当与六相输电线路的接地后备保护相配合，因此，其整定值还应大于六相输电线路接地后备保护的整定值，取为：

I_F0.op2＝K_R·3I_F0.opx(13)

式中：K_R为可靠系数，取1.1～1.2；3I_F0.opx为相邻六相线路反零序接地后备保护整定值。

从公式（3）和公式（4）中选取最大者作为六相变压器接地故障后备保护的最终整定值。

变压器接地后备保护的动作时限应与六相线路接地后备保护动作时限相配合，设定为：

t＝t_max+Δt(14)

式中：t_max为相邻六相线路接地后备保护的动作时限；Δt为时间级差，一般取0.3s～0.5s。

Claims (3)

1.一种六相输电系统中的变压器后备保护方法，六相输电系统中的变压器相间短路后备保护安装在变压器的三相绕组侧，采集变压器三相系统侧的两组三相电流，通过六序分量法分别计算出同正序电流同负序电流和反正序电流的幅值；采用同正序电流判断六相短路，当的幅值大于整定值I_T1.op时保护动作，其整定值按躲过正常运行时的最大同正序电流即负荷电流I_N整定；采用同负序电流与反正序电流判断除六相短路以外的所有相间短路，当或的幅值分别大于整定值I_T2.op或I_F1.op时保护动作，整定值I_T2.op和I_F1.op按分别按躲过正常运行时出现的最大同负序、反正序不平衡电流整定，三个电流保护或门输出。

2.根据权利要求1所述的六相输电系统中的变压器后备保护方法，其特征在于，所述的各个整定值按照下列公式选取：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{T1.op}=K_K\·I_N/K_h\\ I_{T2.op}=0.2I_N\\ I_{F1.op}=0.2I_N\end{array}\right.$

式中：K_K为可靠系数，取1.1～1.2；K_h为返回系数，取0.85～0.95。

3.根据权利要求1所述的六相输电系统中的变压器后备保护方法，其特征在于，变压器相间短路后备保护的动作时限t应该与六相输电线路的相间短路后备保护的动作时限相配合，设定为：t＝t_max+Δt，式中：t_max为相邻六相线路相间短路后备保护的动作时限；Δt为时间级差，取0.3s～0.5s。