CN105552837B - 一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法 - Google Patents
一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法。其特征在于，通过检测中性点直流电流判断是否发出分区信号；若微机保护装置没有接收到该信号，则根据原始比率制动特性判断区内或区外故障，利用时差法判断电流互感器饱和闭锁区外故障；若接收到该信号，则把比率制动特性的动作区划分为两块，区内严重故障时，落入无延时动作区，区内发生程度轻的故障，落入反时限动作区；发生区外故障，电流互感器迅速退出反时限动作区，在延时内动作指令返回，退出到制动区，闭锁差动保护。故障切除后，时制动电流为负荷电流，基于分区信号抬升比率制动特性的最小动作电流，躲过故障切除后较大的差动电流。
Description
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法。
背景技术
我国的交直流互联超高压/特高压网架目前正在建设当中，直流输电以其独特的技术优势在我国电网发展中发挥着重要的作用，目前我国己有数条高压直流输电工程投入运行。但采用直流输电技术后对常规的交流电网及其设备产生了一定的影响，其中当直流输电系统采用单极大地回路运行方式时，地中直流通过变压器接地中性点流入交流电网会引起直流偏磁现象，对电网的安全稳定运行产生了较大的影响。超/特高压输电线路输送功率大，当线路发生故障时，如果不能快速、准确地切除故障将对整个电网的安全稳定运行带来极大的威胁。
由于直流偏磁电流作用于交流系统是一个长期而缓慢的过程，直流水平较低时，对变压器的影响较小且不易检测到。但是当直流偏磁电流达到一定水平，且长期注入变压器中性点，电流互感器一次侧电流包含这部分直流分量，使得其传变特性将发生改变，进而变压器差动保护动作可靠性带来影响。系统稳定运行时，电流互感器一次侧电流中长期存在直流偏磁电流，使得其铁心磁通不断向上抬升，若电流互感器铁心存在剩磁，则系统稳态运行时电流互感器磁通就可能达到较高水平。此时，若发生区外故障，故障电流的非周期分量使得电流互感器磁通迅速饱和，造成一二次侧电流严重畸变，差动但流因此产生。若两侧电流互感器一侧饱和，一侧正常运行，则在严重饱和时，变压器差动电流即为饱和电流互感器的励磁电流，二次谐波含量低，开放比率制动，差动电流过大落入动作区造成差动保护误动。目前，常用时差法来闭锁由于电流互感器饱和造成的区外故障误动，但是根据上述分析，直流偏磁电流将加速饱和，使得故障后的1/4个周波内电流互感器严重饱和，相电流突变量和差动电流出现时刻非常接近，造成时差法失效。因此，亟需提出新的方案防止直流偏磁作用下加速电流互感器饱和造成的区外故障误动。另一方面，区外故障切除后，电流互感器一次侧电流恢复成负荷电流，其去磁作用不足以使电流互感器铁心磁通退出饱和段，因此仍可能运行在饱和点附近的局部磁滞回环内，造成电流互感器一二次侧波形轻微畸变，使得差动电流刚好大于比率制动特性的最小动作电流，而此时制动电流近似等于负荷电流，易落入比率制动特性的动作区之中。因此，针对计及直流偏磁对变压器差动保护的影响，特别地，防止变压器发生区外故障时由于直流偏磁和故障电流的非周期分量共同作用加速电流互感器饱和造成差动保护误动，同时避免了区外故障切除后误动，提出相关防范解决措施，具有十分重要的理论意义和工程价值，研究成果将有助于提高交直流互联超高压/特高压电网继电保护的可靠性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明采取的技术方案为如下：一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、微机保护装置以1200Hz的采样频率采集变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值，并且检测中性点的直流电流Idc；
步骤2、检测中性点的直流电流Idc是否大于设定的阈值；若大于阈值则向微机保护装置发出分区信号，微机保护装置接收到分区信号后，对原始比率制动特性曲线进行修正，原始比率制动特性曲线坐标轴的横轴为制动电流，竖轴为差动电流，修正后的分区比率制动曲线把比率制动特性的动作区划分为两块，一块为无延时动作区，一块为反时限延时动作区，增大原有最小动作电流Iop.min至抬升后最小动作电流I′op.min，增大第一段比率制动特性的制动区；否则不发出分区信号，比率制动特性曲线不变；
步骤3、利用步骤1中采集到的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值，计算各相电流突变量；若某相电流突变量大于启动电流IQD，则该相差动保护启动，记该相为启动相，进入步骤4；
步骤4、利用步骤1中采集到的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值计算启动相的差动电流Id；
步骤5、计算启动相的差动电流的二次谐波含量；若满足启动相差动电流Id大于Iop.min且其二次谐波含量小于20％则进入步骤6；否则返回步骤1采集下一个采样时刻的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值；
步骤6、利用步骤1中采集到的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值计算启动相的制动电流Ir；
步骤7、根据步骤2判断微机保护装置是否接收到分区信号；若没有接收到分区信号，利用原始比率制动曲线，根据计算的启动相的差动电流Id和启动相的制动电流Ir判断落入的区域，落入制动区则可靠不动作，返回步骤1采集下一个采样时刻的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值；落入动作区则立刻发出动作指令，保护装置动作；
若接收到分区信号，利用步骤2中修正后的分区比率制动曲线，根据计算的启动相的差动电流Id和启动相的制动电流Ir判断落入的区域，落入制动区则可靠不动作；落入无延时动作区则立刻发出动作指令从而保护立即动作；落入延时动作区后进入步骤8；
步骤8、根据启动相的差动电流Id计算落入延时动作区后的延时时间tYS，即落入延时动作区后经过tYS判断微机保护装置动作指令是否取消，若动作指令取消，则保护不动作；否则若动作指令未取消，判断tYS后启动相的差动电流Id和启动相的制动电流Ir是否仍然落在动作区内，落在动作区则保护动作，否则保护不动作，返回步骤1采集下一个采样时刻的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值。
所述设定的阈值为5A。
所述步骤2中原有的比率制动特性曲线的最小动作电流Iop.min＝0.2pu，第一段折线的斜率为0，最小动作电流Iop.min对应的制动电流Ires.1称为拐点电流，Ires.1＝1pu，第二段折线斜率为0.5，曲线上方的区域为动作区，下方为制动区；而分区比率制动特性曲线的抬升后最小动作电流I′op.min＝0.5pu，第一段折线的斜率为0，I′op.min对应的制动电流I′res.1＝1，第二段折线斜率为0.5，将曲线上方的区域划分为三个区，横轴[0,1]、竖轴[0.2,0.5]的矩形为制动区，以I′res.1＝1为顶点，斜率为3作射线，此射线上方为无延时动作区，射线下方到斜率为0.5的射线上方的区域为延时动作区。
所述步骤3中启动电流IQD为0.2pu；所述步骤5中最小动作电流Iop.min 0.2pu。
所述步骤3中计算各相电流突变量的过程为：A相电流突变量ΔIA(k)＝IA(k)-IA(k-1)；IA(k)是指高压侧或者低压侧A相电流互感器二次侧在第k个采样点的电流值，其中k为第k个采样点，其它相的计算方式与A相相同。
所述步骤4中计算启动相的差动电流Id的过程为：
其中，IdA(k)指变压器在第k个采样点时刻的A相的差动电流值，指变压器星侧即Y接侧A相电流互感器在第k个采样点的电流值，指变压器星侧即Y接侧B相电流互感器在第k个采样点的电流值，指折算到变压器星侧的第k个采样点的A相角侧电流值，IΔA(k)指变压器角侧即d接侧A相电流互感器在第k个采样点的电流值，Kbal为平衡系数，N为高低压侧变比，nCT1为高压侧电流互感器变比，nCT2为低压侧电流互感器变比。
所述步骤5中计算启动相的二次谐波含量的过程为：A相的二次谐波含量其中，IdA_1(k)为第k个采样点A相差动电流的基波有效值，IdA_2(k)为第k个采样点A相差动电流的二次谐波有效值。
所述步骤6中计算启动相的制动电流Ir的过程为A相的制动电流
所述步骤7中，落入延时动作区后的延时时间其中，IdA_1为差动电流基波有效值；K为反时限参数。
所述反时限参数K＝0.02。
有益效果
本发明的有益效果是本发明所提出的一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护新方法，防止计及直流偏磁电流长期入侵变压器中性点，可能抬升电流互感器铁心磁通，发生区外故障时故障电流的非周期分量加速饱和，使得时差法无法识别电流互感器饱和时，变压器差动保护误动的情况。区外故障由于电流互感器饱和落入动作区后待故障电流去磁后电流互感器将退出严重饱和区，从而进入制动区，根据这一特征设置反延时动作区，保证差动电流越大，动作时间越短。该法既保证了发生区内严重故障时能够无延时立即动作，确保区外故障电流互感器饱和能够在延时内动作指令可靠取消。同时，基于分区信号抬升比率制动特性的最小动作电流，躲过故障切除后较大的差动电流，确保变压器差动保护可靠闭锁。本发明基于差动保护传统的二次谐波比率制动原理和一般比率制动特性曲线，根据检测直流偏磁电流大小发出分区信号，不影响不计及直流偏磁情况下，传统差动保护动作特性，也保证了计及直流偏磁情况下的可靠性，在工程实践上均具备应用前景。
附图说明
图1为本发明提出一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护新方法的流程图；
图2为差动保护采用的传统比率制动特性曲线；
图3为本发明提出的分区反时限比率制动特性曲线；
图4为实施例中采用的仿真模型；
图5为220kV侧电流互感器一二次侧电流波形在11s～12s的对比图(标幺值)；
图6为变压器差动电流在11s～12s的波形(标幺值)；
图7为变压器差动电流二次谐波含量在11s～12s的示意图；
图8为基于差动电流和制动电流的动作轨迹图(包括故障前、故障期间、故障后)；
图9为基于差动电流和制动电流的动作轨迹图的在故障后的放大图；
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细介绍。
一种计及直流偏磁对变压器差动保护的影响，特别地，防止变压器发生区外故障时由于直流偏磁和故障电流的非周期分量共同作用加速电流互感器饱和造成差动保护误动，同时避免了区外故障切除后误动的新方法。
如图1所示为本发明提出一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护新方法的流程图，所述方法包括以下步骤：
(1)假定微机保护装置采样频率为1200Hz，采集变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值已经中性点的直流电流值；
(2)判断是否检测到中性点的直流电流大于5A，是则向微机保护装置发出分区信号，否则不发出分区信号，比率制动特性曲线不变，如图2所示；保护装置接收到分区信号后，对原始比率制动特性曲线进行修正，如图3所示，分区比率制动特性曲线抬升最小动作电流Io′p.min＝0.5pu，第一段折线的斜率为0，Ires.1＝1pu，第二段折线斜率为0.5，将曲线上方的区域划分为三个区，横轴[0,1]、竖轴[0.2,0.5]的矩形为制动区，以拐点Ires.1＝1为顶点，斜率为3作射线，此射线上方为无延时动作区，射线下方到斜率为0.5的射线上方的区域为延时动作区。
(3)利用采集到的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值，计算相电流突变量，以A相为例，IA(k)是指高压侧或者低压侧A相电流互感器二次侧在第k个采样点的电流值，其中k为第k个采样点，计算公式为：
ΔIA(k)＝IA(k)-IA(k-1) (1)
若某相电流突变量大于启动电流IQD(IQD＝0.2pu)，则该相差动保护启动，进入步骤(4)；
(4)利用采集到的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值计算差动电流Id。以Y/d接三相变压器的A相为例，计算公式如下：
其中，IdA(k)指变压器在第k个采样点时刻的差动电流值，指变压器星侧(Y接侧)A相电流互感器在第k个采样点的电流值，指变压器星侧(Y接侧)B相电流互感器在第k个采样点的电流值，指折算到变压器星侧的第k个采样点的A相角侧电流值，IΔA(k)指变压器角侧(d接侧)A相电流互感器在第k个采样点的电流值，Kbal为平衡系数，N为高低压侧变比，nCT1、nCT2为高低压侧电流互感器变比。
(5)计算该相的差动电流的二次谐波含量是否大于20％，判断启动相的差动电流是否大于最小动作电流Iop.min＝0.2pu，若满足启动相差动电流大于最小动作电流Iop.min且二次谐波含量小于20％则进入步骤(6)；
二次谐波含量为二次谐波有效值和基波有效值的比值，以A相为例，计算公式如下：
其中，IdA_1(k)、IdA_2(k)分别为第k个采样点A相差动电流的基波有效值和二次谐波有效值；
(6)利用采集到的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值计算启动相的制动电流Ir，以Y/d接三相变压器的A相为例，计算公式如下：
(7)根据步骤(2)判断微机保护装置是否接收到分区信号决定是否采用分区比率制动特性曲线。若没有接收到分区信号，利用原始比率制动曲线，根据计算的差动电流和制动电流判断落入的区域，落入制动区则可靠不动作，落入动作区则立刻发出动作指令；若接收到分区信号，利用步骤(2)中的分区比率制动曲线，根据计算的差动电流和制动电流判断落入的区域，落入制动区则可靠不动作，落入无延时动作区则立刻发出动作指令保护立即动作，落入延时动作区进入步骤(8)；
(8)根据差动电流计算延时时间tYS，即落入延时动作区后经过tYS判断动作指令是否取消，取消则不动作，仍然在动作区内则保护动作。延时时间tYS的计算公式如下:
其中，Id_1差动电流基波有效值；K为反时限参数，K取0.01。上式表明构成差动电流越大，动作时间越短。
下面进一步通过一具体实施例介绍本发明公开的一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护新方法的技术方案。
变压器额定电压为35kV：220kV，接线方式为Y/d11，中性点长期入侵直流偏磁电流，A相直流偏磁电流大小为14A，仿真模型如图4所示。本实施例仅对故障相A相进行分析，负荷2在11.1s发生A相单相接地故障，0.295s后故障切除，对电流互感器运行状态和差动保护动作判断情况分析如下：
(1)220kV侧电流互感器波形如图5所示，故障前由于直流偏磁电流入侵的影响已造成电流互感器饱和，一二次电流出现了一定的幅值差异和相位差异，故障后电流互感器在1/4周波内迅速饱和，一二次电流出现严重畸变，基于相电流突变量启动判据的差动保护启动；故障切除后电流互感器仍工作在局部磁滞回环内，因此仍存在一定的幅值差异和相位差异；35kV侧的接线方式为角形接线方式，因此直流偏磁电流不能传变至角侧，在故障前后电流互感器波形均能准确传变，一二次侧电流能够基本重合；
(2)变压器的差动电流示意图如图6所示，与步骤(1)对应，故障前差动电流已经出现，幅值大于0.2pu，故障后的1/4周波内差动电流迅速出现，故障切除后，差动电流仍然维持在0.2pu以上；
(3)变压器的差动电流二次谐波含量示意图如图7所示，二次谐波含量在故障发生后的3个周波内低于20％(出去傅氏算法的第一个周波)，在故障切除后差动电流的二次谐波含量低于20％；
(4)基于变压器的差动电流和动作电流，其动作轨迹如图8所示，图中同时画出了原始比率制动曲线和本发明提出的一种分区反时限比率制动曲线。由图7可知，结合二次谐波闭锁判据，故障后电流互感器严重饱和造成二次谐波含量在低于20％，造成差动保护开放，动作轨迹不在制动区，反而进入了延时动作区；
(5)11.12s时二次谐波含量低于20％且进入延时区，根据下式
此时差动电流的基波有效值为14.1330p.u.，计算11.12时的延时时间tYS等于0.0405(保留三位小数)，判断11.160s的动作轨迹落入制动区内，即保护信号立即返回，差动保护可靠不动作。
(6)11.395s故障切除后，差动电流仍然维持在0.2pu以上，因此抬升最小动作电流躲过故障切除后的误动，如图9所示，确保区外故障切除后落入比率制动特性的制动区。
申请人结合说明书附图以及表格对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例中各故障信息分数值以及影响因素修正系数仅为本发明的优选实施方案，本领域技术人员在本发明的发明思想下完全可能根据具体的发电机组励磁系统型号和实际工况对故障信息分数值以及影响因素修正系数进行合理的选择或修改。总之，本申请详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、微机保护装置以1200Hz的采样频率采集变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值，并且检测中性点的直流电流Idc；
步骤2、判断中性点的直流电流Idc是否大于设定的阈值；若大于阈值则向微机保护装置发出分区信号，微机保护装置接收到分区信号后，对原始比率制动特性曲线进行修正，原始比率制动特性曲线坐标轴的横轴为制动电流，竖轴为差动电流，修正后的分区比率制动特性曲线把比率制动特性的动作区划分为两块，一块为无延时动作区，一块为反时限延时动作区，增大原有最小动作电流Iop.min至抬升后最小动作电流I′op.min，增大第一段比率制动特性的制动区；否则不发出分区信号，比率制动特性曲线不变；
步骤3、利用步骤1中采集到的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值，计算各相电流突变量；若某相电流突变量大于启动电流IQD，则该相差动保护启动，记该相为启动相，进入步骤4；
步骤4、利用步骤1中采集到的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值计算启动相的差动电流Id；
步骤5、计算启动相的差动电流的二次谐波含量；若满足启动相的差动电流Id大于Iop.min且其二次谐波含量小于20％则进入步骤6；否则返回步骤1采集下一个采样时刻的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值；
步骤6、利用步骤1中采集到的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值计算启动相的制动电流Ir；
步骤7、根据步骤2判断微机保护装置是否接收到分区信号；若没有接收到分区信号，利用原始比率制动特性曲线，根据计算的启动相的差动电流Id和启动相的制动电流Ir判断落入的区域，落入制动区则可靠不动作，返回步骤1采集下一个采样时刻的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值；落入动作区则立刻发出动作指令，保护装置动作；
若接收到分区信号，利用步骤2中修正后的分区比率制动曲线，根据计算的启动相的差动电流Id和启动相的制动电流Ir判断落入的区域，落入制动区则可靠不动作；落入无延时动作区则立刻发出动作指令从而保护立即动作；落入延时动作区后进入步骤8；
步骤8、根据启动相的差动电流Id计算落入延时动作区后的延时时间tYS，即落入延时动作区后经过tYS判断微机保护装置动作指令是否取消，若动作指令取消，则保护不动作；否则若动作指令未取消，判断tYS后启动相的差动电流Id和启动相的制动电流Ir是否仍然落在动作区内，落在动作区则保护动作，否则保护不动作，返回步骤1采集下一个采样时刻的变压器高低压两侧电流互感器二次侧电流值。
2.根据权利要求1所述的一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法，其特征在于：所述设定的阈值为5A。
3.根据权利要求2所述的一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法，其特征在于：
所述步骤2中原有的比率制动特性曲线的最小动作电流Iop.min＝0.2pu，第一段折线的斜率为0，最小动作电流Iop.min对应的制动电流Ires.1称为拐点电流，Ires.1＝1pu，第二段折线斜率为0.5，曲线上方的区域为动作区，下方为制动区；而分区比率制动特性曲线的抬升后最小动作电流I′op.min＝0.5pu，第一段折线的斜率为0，I′op.min对应的制动电流I′res.1＝1，第二段折线斜率为0.5，将曲线上方的区域划分为三个区，横轴[0,1]、竖轴[0.2,0.5]的矩形为制动区，以I′res.1＝1为顶点，斜率为3作射线，此射线上方为无延时动作区，射线下方到斜率为0.5的射线上方的区域为延时动作区。
4.根据权利要求3所述的一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法，其特征在于：所述步骤3中启动电流IQD为0.2pu；所述步骤5中最小动作电流Iop.min为0.2pu。
5.根据权利要求1所述的一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法，其特征在于，所述步骤3中计算各相电流突变量的过程为：A相电流突变量ΔIA(k)＝IA(k)-IA(k-1)；IA(k)是指高压侧或者低压侧A相电流互感器二次侧在第k个采样点的电流值，其中k为第k个采样点，其它相的计算方式与A相相同。
6.根据权利要求1所述的一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法，其特征在于，所述步骤4中计算启动相的差动电流Id的过程为：
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其中，IdA(k)指变压器在第k个采样点时刻的A相的差动电流值，指变压器星侧即Y接侧A相电流互感器在第k个采样点的电流值，指变压器星侧即Y接侧B相电流互感器在第k个采样点的电流值，指折算到变压器星侧的第k个采样点的A相角侧电流值，IΔA(k)指变压器角侧即d接侧A相电流互感器在第k个采样点的电流值，Kbal为平衡系数，N为高低压侧变比，nCT1为高压侧电流互感器变比，nCT2为低压侧电流互感器变比。
7.根据权利要求1所述的一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法，其特征在于，所述步骤5中计算启动相的二次谐波含量的过程为：A相的二次谐波含量其中，IdA_1(k)为第k个采样点A相差动电流的基波有效值，IdA_2(k)为第k个采样点A相差动电流的二次谐波有效值。
8.根据权利要求6所述的一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法，其特征在于，所述步骤6中计算启动相的制动电流Ir的过程为A相的制动电流。
9.根据权利要求1所述的一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法，其特征在于：所述步骤7中，落入延时动作区后的延时时间其中，IdA_1为差动电流基波有效值；K为反时限参数。
10.根据权利要求9所述的一种计及直流偏磁影响的分区反时限变压器差动保护方法，其特征在于：所述反时限参数K＝0.02。
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