CN103944142A - 基于补偿电压正序分量的变压器相间短路后备保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于补偿电压正序分量的变压器相间短路后备保护方法，在变压器负荷侧不再装设复压过流保护，而是装设相间短路后备保护；变压器电源侧仍装设复压过流保护，兼作变压器内部故障的后备保护，所述的相间短路后备保护的保护策略如下：确定变压器相邻线路的长度，计算相邻线路正序阻抗值Z_L1；判断是否有故障发生，并判断发生故障的类型，若是三相短路或两相短路故障，则起动该相间短路后备保护；若判断线路内部发生故障，此时该后备保护动作跳闸。本发明能够能够有效保证变压器的安全稳定运行。

Description

基于补偿电压正序分量的变压器相间短路后备保护方法

所属技术领域

本发明涉及电力系统继电保护与控制系统隐性故障辨识、预警与预防技术领域，涉及一种基于补偿电压正序分量的变压器相间短路后备保护方法。

背景技术

变压器在整个电力系统中起着能量传递的作用，它的安全运行直接关系到电网的运行稳定性和供电可靠性。但目前变压器保护运行可靠性并不乐观，相对于母线、发电机、电抗器等其他元件保护而言，变压器保护动作正确率一直较低。变压器后备保护既可作为变压器本体差动保护和瓦斯保护的后备，也可对变压器外部故障引起的过电流起到保护作用，作为变压器各侧母线以及相邻出线的远后备保护。对于外部相间短路引起的变压器过电流，宜采用复压过流保护。对外部接地短路故障，采用零序电流保护或零序电压保护等。变压器采用复压过流保护后，虽然过电流元件的灵敏度提高了，但如果复合电压元件的灵敏度不高，变压器后备保护的整体灵敏度将会受到影响。由于线路故障机率比较高，如果故障线路自身的保护装置或断路器拒动，而主变该侧复压过流保护灵敏度不足，将使变压器长期通过较大的故障电流而不能切除故障，导致事故范围扩大，给电力系统带来严重的后果。

相关文献指出宁夏固原供电局中110KV变电站中变压器10KV侧复压过流保护对本侧出线的远后备灵敏度合格率只有11.67%，当采用负序过电流保护作为改进措施后对同侧出线远后备灵敏度合格率为76.56%，提高了64.89%，但远后备保护灵敏度不足的问题仍然令人堪忧。对于长线路较多的省份(如青海省)，一般情况下当变压器复压过流保护灵敏度不够时，大都通过改变复压闭锁的投、退控制字来实现与线路保护的配合，但过电流保护本身对于本侧出线的远后备仍存在灵敏度不足的问题。当复压过流保护不能满足灵敏度要求或根据网络保护间配合的要求，变压器的相间故障后备保护可采用阻抗保护。但阻抗保护通常用于330--500kV大型升压变压器、联络变压器及降压变压器，作为变压器引线、母线、相邻线路相间故障后备保护，且受过渡电阻等影响比较大。因此，上述方法不能根本解决电力系统配电网中变压器和相邻线路的保护整定配合问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的复压过流保护的保护范围受系统运行方式和变压器额定容量的影响的不足，提供一种能够适应系统运行方式和变压器额定容量的变化并能保护到相邻线路全长的变压器后备保护方法。本发明在变压器负荷侧装设该保护替代传统复压过流保护，而变压器电源侧仍装设复压过流保护，兼作变压器内部故障的后备保护，能够有效保证变压器的安全稳定运行。本发明的技术方案如下：

一种基于补偿电压正序分量的变压器相间短路后备保护方法，在变压器负荷侧不再装设复压过流保护，而是装设相间短路后备保护；变压器电源侧仍装设复压过流保护，兼作变压器内部故障的后备保护，所述的相间短路后备保护的保护策略如下：

1）确定变压器相邻线路的长度，计算相邻线路正序阻抗值Z_L1；

2）判断是否有故障发生，并判断发生故障的类型，若是三相短路或两相短路故障，则起动该相间短路后备保护，执行下一步；否则，相间短路后备保护不起动；

3）若故障类型为三相短路，则计算故障时变压器后备保护的正序电压电流幅值U_b1、I_b1，并代入公式U′₁＝U_b1-1.2I_b1Z_L1，若U′₁≤0，说明线路内部发生故障，此时该后备保护动作跳闸；若U′₁＞0，说明故障发生在线路外，该后备保护不动作。

4）若故障类型为两相短路，计算得到故障时变压器后备保护的正序电压电流幅值U_b1、I_b1以及保护安装处非故障相电压U_f，并代入公式U₁″＝U₁′-0.5U_f＝I_b1(Z_x1-1.2Z_L1)，若U₁″≤0，说明线路内部发生故障，此时该后备保护动作跳闸；若U₁″＞0，说明故障发生在线路外，该后备保护不动作。

本发明的实质性特点是：通过在线计算补偿电压正序分量的幅值及其极性来判断故障点位置，根据线路长度整定保护动作值，自动调节保护范围，从而解决变压器复压过流保护对本侧出线远后备保护灵敏度不足问题。该方法所能产生的积极效果是：首先，本发明通过在线计算补偿电压正序分量的幅值及其极性来判断故障点位置，根据线路长度整定保护动作值，自动调节保护范围，有效解决了传统复压过流保护中低电压元件、负序电压元件和过电流元件的保护范围随系统阻抗和变压器额定容量变化而变化且保护范围较短，当相邻线路远端故障时存在保护灵敏度不足的问题；其次，本发明不受系统运行方式、线路长度与故障点位置的影响，且几乎不受过渡电阻的影响；最后，本发明具有通用性，在配电网变压器负荷侧装设该保护替代传统复压过流保护，而变压器电源侧仍装设复压过流保护，兼作变压器内部故障的后备保护，能够有效保证变压器的安全稳定运行。

附图说明

图1为简化的系统接线图；

图2为系统等值正序阻抗图。

具体实施方式

下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出了一种基于补偿电压正序分量的变压器后备保护，通过在线计算补偿电压正序分量的幅值及其极性来判断故障点位置，根据线路长度整定保护动作值，自动调节保护范围。该方法能够有效解决配电网中复压过流保护对本侧出线灵敏度不足的问题。

计及故障点过渡电阻的影响时，因为相间短路时过渡电阻较小，而电阻分量在系统整体阻抗中所占比例较小，所以过渡电阻对系统整体阻抗的幅值影响较小，因此对保护安装处测量到的正序电压电流幅值影响也较小；但过渡电阻对系统整体阻抗的相位影响较大，保护装置距短路点越近时，其相位受过渡电阻的影响越大。故本方法利用补偿电压正序分量的幅值及其极性，受过渡电阻的影响较小。

本发明的基于补偿电压正序分量的变压器后备保护主要针对配电网中变压器负荷侧相邻母线和线路故障而设，在变压器负荷侧装设该保护替代传统复压过流保护；而变压器电源侧仍装设复压过流保护，兼作变压器内部故障的后备保护，能够有效保护变压器相邻线路的全长，保证变压器安全稳定运行。

忽略故障点过渡电阻的影响，补偿电压 ${\stackrel{\·}{U}}^{\′}=\stackrel{\·}{U}-{\stackrel{\·}{I}Z}_{\mathrm{set}}={\stackrel{\·}{I}Z}_d-{\stackrel{\·}{I}Z}_{\mathrm{set}}=\stackrel{\·}{I}(Z_d-Z_{\mathrm{set}}),$ 式中，为保护安装处测量相电压、测量相电流，Z_set为保护整定阻抗，Z_d为金属性故障时保护安装处到故障点的阻抗值。补偿电压是测量电压经保护区段线路压降补偿得到的保护范围末端电压。以三相短路为例，随着故障点位置的变化，Z_d发生变化：当保护区内故障时，Z_d≤Z_set，对应的与相位差180°；当保护区外故障时，Z_d>Z_set，对应与同相位。因此，可以通过与的相位差来反映故障点的位置。

一般情况下，系统阻抗角和线路阻抗角相近，因此本方法在计算补偿电压正序分量时忽略相位的影响。变压器后备保护作为相邻线路远后备保护时灵敏系数K_sen≥1.2，因此为了保护线路全长，该方法中补偿电压Z_set取1.2Z_L1，其中Z_L1为相邻线路正序阻抗值。下面对图1所示主变中压侧后备保护进行研究，其简化的系统接线图如图2所示，并分别对三相短路、两相短路情况进行分析。

1.三相短路故障

当图1所示变压器Ｍ侧相邻线路三相短路，短路点故障电压为0，补偿电压正序分量为U′₁＝U_b1-1.2I_b1Z_L1，其中U_b1、I_b1为故障时变压器后备保护所测得的故障正序电压电流幅值。设故障点与保护安装处之间的正序阻抗值为Z_x1。则有如下关系式：

U′₁＝U_b1-1.2I_b1Z_L1＝I_b1Z_x1-1.2I_b1Z_L1＝I_b1(Z_x1-1.2Z_L1)    (1)

当Z_x1≤1.2Z_L1时，有U′₁≤0，此时该段线路发生故障；当Z_x1＞1.2Z_L1，有U′₁＞0，此时故障发生在该段线路外；当该段线路没有故障发生时，同样有U′₁＞0。因此，可以通过补偿电压正序分量U′₁极性的正负来判断线路是否有故障发生，该方法可以保护线路的全长，灵敏度较高。

2.两相短路故障

与三相短路不同的是，当图1所示变压器Ｍ侧相邻线路两相短路时，短路点电压不为0，对两相短路复合序网图进行分析可知，故障点正序电压值U_g1为非故障相短路点电压的一半，由于故障后非故障相电压变化很小，则故障点正序电压值取保护安装处非故障相电压U_f的一半，即U_g1=0.5U_f。补偿电压正序分量为U′₁＝U_b1-1.2I_b1Z_L1，则当线路末端发生故障时，有如下关系式：

U′₁＝U_b1-1.2I_b1Z_L1＝U_g1+I_b1Z_x1-1.2I_b1Z_L1＝0.5U_f+I_b1(Z_x1-1.2Z_L1)    (2)

设

U₁″＝U₁′-0.5U_f＝I_b1(Z_x1-1.2Z_L1)    (3)

当Z_x1≤1.2Z_L1时，有U₁″≤0，此时该段线路发生故障；当Z_x1＞1.2Z_L1时，有U₁″＞0，此时故障发生在该段线路外；当该段线路没有故障发生时，同样有U₁″＞0。因此，可以通过补偿电压正序分量与非故障相电压幅值的相互关系来区分线路是否有故障发生，该方法可以保护线路的全长，灵敏度较高。

考虑正常运行方式下正序电压过滤器出现的最大不平衡电压幅值为ε，因此，基于补偿电压正序分量的变压器远后备保护整定为U′₁≤-ε或U₁″≤-ε时保护动作，否则保护不动作。变压器相邻母线发生相间短路故障时，其故障电压、电流特性与线路首端故障时相同，因此，该方法也可作为变压器相邻母线故障时的后备保护。

计及故障点过渡电阻的影响时，因为相间短路时过渡电阻较小，而电阻分量在系统整体阻抗中所占比例较小，所以过渡电阻对系统整体阻抗的幅值影响较小^[3]，因此对保护安装处测量到的正序电压电流幅值影响也较小；但过渡电阻对系统整体阻抗的相位影响较大，保护装置距短路点越近时，其相位受过渡电阻的影响越大。故本方法利用补偿电压正序分量的幅值及其极性，受过渡电阻的影响较小。

综上所述，基于补偿电压正序分量的变压器后备保护主要针对配电网中变压器负荷侧相邻母线和线路故障而设，因此，在变压器负荷侧装设该保护替代传统复压过流保护；而变压器电源侧仍装设复压过流保护，兼作变压器内部故障的后备保护。该方法可以有效保护变压器相邻线路的全长，且不受系统运行方式、线路长度、故障点位置与过渡电阻的影响，能够可靠切除故障，保证变压器安全稳定运行。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于补偿电压正序分量的变压器相间短路后备保护方法，在变压器负荷侧不再装设复压过流保护，而是装设相间短路后备保护；变压器电源侧仍装设复压过流保护，兼作变压器内部故障的后备保护，所述的相间短路后备保护的保护策略如下：

1）确定变压器相邻线路的长度，计算相邻线路正序阻抗值Z_L1；

2）判断是否有故障发生，并判断发生故障的类型，若是三相短路或两相短路故障，则起动该相间短路后备保护，执行下一步；否则，相间短路后备保护不起动；

3）若故障类型为三相短路，则计算故障时变压器后备保护的正序电压电流幅值U_b1、I_b1，并代入公式U′₁＝U_b1-1.2I_b1Z_L1，若U′₁≤0，说明线路内部发生故障，此时该后备保护动作跳闸；若U′₁＞0，说明故障发生在线路外，该后备保护不动作。

4）若故障类型为两相短路，计算得到故障时变压器后备保护的正序电压电流幅值U_b1、I_b1以及保护安装处非故障相电压U_f，并代入公式U₁″＝U₁′-0.5U_f＝I_b1(Z_x1-1.2Z_L1)，若U₁″≤0，说明线路内部发生故障，此时该后备保护动作跳闸；若U₁″＞0，说明故障发生在线路外，该后备保护不动作。