CN109546621B - 一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法及装置 - Google Patents

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    • H02H7/04—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for transformers
    • H02H7/045—Differential protection of transformers

Abstract

本发明提供了一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法和装置，考虑平衡绕组在串联变压器区内发生轻微匝间故障时的电流特征，构建基于磁平衡原理的差动保护；在串联变压器网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组安装电流互感器，计算各电流互感器的自产零序电流，差动电流取自产零序电流作为计算量，能灵敏地反映变压器绕组轻微的匝间故障；根据平衡绕组自产零序电流与平衡绕组额定电流、其他绕组零序电流对比情况作为制动判据，本发明能够灵敏地反映串联变压器区内轻微的匝间故障，同时有效防止区外故障时保护误动，可以广泛地应用于含平衡绕组的串联变压器。

Description

一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法及装置
技术领域
本发明涉及电力系统领域串联变压器差动保护技术领域，具体而言涉及一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法及装置。
背景技术
串联变压器是新型FACTS(Flexible AC Transmission Systems，柔性交流输电系统)设备的核心部件之一，它处于直流阀和交流输电线路互相交换的核心位置。由于串联变压器的特殊运行环境要求，串联变压器需要采用特殊的设计结构和制造工艺。此外，串联变压器正常运行时的电气特征，也与普通并联型变压器不同。
当FACTS系统处于轻载运行时，串联变压器绕组两端的端电压很小，小于串联变压器额定电压。在这种情况下，一方面，当串联变压器发生轻微匝间故障时，网侧绕组和阀侧绕组的故障分量很小，因而常规的纵差保护差流较小；另一方面，由于线路的负荷电流流经串联变压器网侧绕组，抬高了常规的纵差保护制动量，因而常规的纵差保护反应轻微匝间故障时灵敏度有所降低。
当线路发生两相相间短路或三相短路时，这属于串联变压器区外故障，理想情况下不会产生零序分量，零序差动保护不应误动；但由于各侧电流互感器特性不完全一致，此时有可能产生零序电流，若满足差动特性曲线就会导致误动，因而需要寻找一种判据来识别这种情况。此外，当线路发生单相接地短路时，这也属于串联变压器区外故障，此时串联变压器网侧绕组、平衡绕组都会出现大的零序电流，理想情况下，对于串联变压器而言，串联变压器网侧绕组、平衡绕组的零序电流是平衡的，零序差动保护不应产生零序差流。但如果现场使用的各侧电流互感器特性一致性较差，则仍有可能产生零序差流，进而存在零序差动保护误动的风险。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法及装置，以提高继电保护反映串联变压器匝间故障的灵敏度。
为达到上述目的，本发明采取以下的技术方案来实现。
一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法，所述方法步骤如下：
(1)在串联变压器的网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组中安装电流互感器，取各电流互感器的自产零序电流作为差动计算量，记网侧绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000021
记阀侧绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000022
记平衡绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000023
(2)根据
Figure GDA0002373431950000024
计算得到零序分量差动保护的网侧调整电流
Figure GDA0002373431950000025
阀侧调整电流
Figure GDA0002373431950000026
平衡绕组调整电流
Figure GDA0002373431950000027
(3)根据调整电流
Figure GDA0002373431950000028
计算零序差动保护的差动电流Id，差动电流计算公式为：
Figure GDA0002373431950000029
(4)当
Figure GDA00023734319500000210
与
Figure GDA00023734319500000211
的比值大于定值Iset1时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
(5)当
Figure GDA00023734319500000212
与
Figure GDA00023734319500000213
的比值大于定值Iset2时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
(6)当
Figure GDA00023734319500000214
与阀侧绕组额定电流Ie3的比值大于定值Iset3时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
(7)利用由差动电流和制动电流构成的差动特性曲线进行判别，如果满足条件，则零序差动保护动作。
上述方案中，步骤4中所述定值Iset1的取值范围为0.1～0.8。
上述方案中，步骤5中所述定值Iset2的取值范围为0.1～0.8。
上述方案中，步骤6中所述定值Iset3的取值范围为0.5～2。
上述方案中，所述步骤2中调整电流的计算方法为
Figure GDA00023734319500000215
分别乘以平衡系数。
上述方案中，所述步骤2中需要根据变压器额定容量、各绕组额定电压、各分支CT变比，计算各分支的二次额定电流，再根据计算得到的二次额定电流，计算平衡系数。
上述方案中，制动电流计算公式可以为：
Figure GDA00023734319500000216
上述方案中，制动电流计算公式可以为：
Figure GDA00023734319500000217
其中k为制动系数。
上述方案中，所述制动系数k取值范围为0.4～1。
本发明同时提出了一种磁平衡的串联变压器零序差动保护装置，所述装置包括采样单元、调整电流计算单元、差动电流计算单元、闭锁判断单元1、闭锁判断单元2、闭锁判断单元3、保护动作判断单元，其中：
所述采样单元采集串联变压器的网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组中安装电流互感器的自产零序电流，记网侧绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000031
记阀侧绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000032
记平衡绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000033
所述调整电流计算单元，根据
Figure GDA0002373431950000034
计算得到零序分量差动保护的网侧调整电流
Figure GDA0002373431950000035
阀侧调整电流
Figure GDA0002373431950000036
平衡绕组调整电流
Figure GDA0002373431950000037
所述差动电流计算单元，根据调整电流
Figure GDA0002373431950000038
计算零序差动保护的差动电流Id，差动电流计算公式为：
Figure GDA0002373431950000039
所述闭锁判断单元1，当
Figure GDA00023734319500000310
与
Figure GDA00023734319500000311
的比值大于定值Iset1时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
所述闭锁判断单元2，当
Figure GDA00023734319500000312
与
Figure GDA00023734319500000313
的比值大于定值Iset2时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
所述闭锁判断单元3，当
Figure GDA00023734319500000314
与阀侧绕组额定电流Ie3的比值大于定值Iset3时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
所述保护动作判断单元，利用由差动电流和制动电流构成的差动特性曲线进行判别，如果满足条件，则零序差动保护动作。
上述方案中，闭锁判断单元1中所述定值Iset1的取值范围为0.1～0.8。
上述方案中，闭锁判断单元2中所述定值Iset2的取值范围为0.1～0.8。
上述方案中，闭锁判断单元3中所述定值Iset3的取值范围为0.5～2。
上述方案中，所述调整电流计算单元中调整电流的计算方法为
Figure GDA00023734319500000315
分别乘以平衡系数。
上述方案中，所述调整电流计算单元中需要根据变压器额定容量、各绕组额定电压、各分支CT变比，计算各分支的二次额定电流，再根据计算得到的二次额定电流，计算平衡系数。
上述方案中，还包括制动电流计算单元，计算公式为：
Figure GDA00023734319500000316
上述方案中，还包括制动电流计算单元，计算公式为：：
Figure GDA00023734319500000317
其中k为制动系数。
上述方案中，所述制动系数k取值范围为0.4～1。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明提供了一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法和装置，考虑平衡绕组在串联变压器区内发生轻微匝间故障时的电流特征，构建基于磁平衡原理的差动保护；在串联变压器网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组安装电流互感器，计算各电流互感器的自产零序电流，差动电流取自产零序电流电流作为计算量，能灵敏地反映变压器绕组轻微的匝间故障；根据平衡绕组自产零序电流与平衡绕组额定电流、其他绕组零序电流对比情况作为制动判据，本发明能够灵敏地反映串联变压器区内轻微的匝间故障，同时有效防止区外故障时保护误动，可以广泛地应用于含平衡绕组的串联变压器。
附图说明
图1为参与串联变压器零序差动保护计算的互感器示意图；
图2为由差动电流和制动电流构成的差动特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
串联变压器的阀侧绕组，一般为不接地系统，零序等效阻抗很大；平衡绕组为三角形接线，一般情况下不带载，相比较而言，平衡绕组的零序阻抗要比其他两个绕组小得多，因此当串联变压器发生区内轻微不平衡绕组故障时，平衡绕组中的零序短路电流较大，可以利用这个特征来灵敏地反映轻微匝间故障。
一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法，包括以下步骤：
(1)在串联变压器的网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组中安装电流互感器，取各电流互感器的自产零序电流作为差动计算量，记网侧绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000041
记阀侧绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000042
记平衡绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000043
如图1所示，一般串联变压器网侧绕组的绕组首端或者绕组尾端安装有CT，亦或者两端均安装。对于本方式所述的零序差动保护方法，取其中任意一端即可；串联变压器平衡绕组电流互感器需要安装在平衡绕组三角环内。
(2)根据
Figure GDA0002373431950000044
计算得到零序分量差动保护的调整电流
Figure GDA0002373431950000045
调整电流的计算方法为
Figure GDA0002373431950000046
分别乘以平衡系数；
基于电平衡原理的零序差动保护，只需根据各分支的CT变比进行计算，即可得到平衡系数。而本方法基于磁平衡原理，计算平衡系数时，需要根据变压器额定容量、各绕组额定电压、各分支CT变比，计算各分支的二次额定电流，再根据计算得到的二次额定电流，计算平衡系数。
(3)根据调整电流
Figure GDA0002373431950000051
计算零序差动保护的差动电流Id，差动电流计算公式为：
Figure GDA0002373431950000052
当串联变压器正常运行时，网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组电流处于平衡状态，几乎不含有零序电流，此时零序差动保护的差动电流接近于0；当线路发生单相接地故障时，由于串联变压器自身没有故障，网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组产生的零序磁通处于平衡状态，因此零序差动保护的差动电流接近于0，保护不会误动；当串联变压器发生匝间故障时，网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组产生的磁通平衡状态被破坏，此时将产生差动电流。
(4)当
Figure GDA0002373431950000053
与
Figure GDA0002373431950000054
的比值大于定值Iset1时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
串联变压器网侧绕组，串接在线路中；串联变压器的阀侧绕组，一般为中性点高阻接地的设计；串联变压器的平衡绕组为不带负载的三角环。相比较而言，平衡绕组的零序阻抗远小于其他两侧绕组，因此对于匝间故障而言，平衡绕组的短路电流应按比例远大于网侧绕组；而当线路接地故障时，串联变压器网侧绕组、平衡绕组都将流经大的零序电流；引入本闭锁判据，可以防止线路接地故障时由于电流互感器特性不一致导致保护误动。Iset1的取值范围一般为0.1～0.8；
(5)当
Figure GDA0002373431950000055
与
Figure GDA0002373431950000056
的比值大于定值Iset2时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
由于阀侧为中性点高阻接地的接线形式，对于匝间故障而言，平衡绕组的短路电流应按比例远大于阀侧绕组；而当线路发生金属性故障时，串联变压器网侧绕组、平衡绕组都将流经大的短路电流；引入本闭锁判据，可以防止线路金属性故障时由于电流互感器特性不一致导致保护误动。Iset2的取值范围一般为0.1～0.8；
(6)当
Figure GDA0002373431950000057
与阀侧绕组额定电流Ie3的比值大于定值Iset3时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
零序差动保护通常不配置速断保护，这是由于，速断保护主要用于变压器区内发生金属性、故障特征显著的故障时能快速跳闸。本发明所述的零序差动保护主要用来反映串联变压器绕组上的轻微匝间故障；因此，引入本闭锁判据，可以防止线路发生不平衡金属性故障时，因各侧绕组CT特性不一致导致零序差动保护误动作。Iset3的取值范围一般为0.5～2；
(7)根据调整电流
Figure GDA0002373431950000061
计算零序差动保护的制动电流，制动电流计算公式可以采用以下任意一种方式计算
制动电流计算公式一：
Figure GDA0002373431950000062
其中k为制动系数；
制动电流计算公式二：
Figure GDA0002373431950000063
本实施例中选用的制动电流计算公式为：
Figure GDA0002373431950000064
取零序电流作为制动量，可以有效避免负荷电流对差动保护的影响，进而提高保护灵敏度；
(8)利用由差动电流和制动电流构成的差动特性曲线进行判别，如果满足条件，则零序差动保护可靠动作；
差动特性曲线如图2所示，Icdqd为零序差动保护的差动启动值；差动特性曲线横坐标为制动电流Ir；纵坐标为差动电流Id；kbl为纵差制动门槛比例系数；Ip为曲线拐点，一般取值范围为0.3Ie至0.8Ie；当差动计算结果落于特性曲线上方，零序差动保护动作特性满足。
本发明同时提出了一种磁平衡的串联变压器零序差动保护装置，所述装置包括采样单元、调整电流计算单元、差动电流计算单元、闭锁判断单元1、闭锁判断单元2、闭锁判断单元3、保护动作判断单元，其中：
所述采样单元采集串联变压器的网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组中安装电流互感器的自产零序电流，记网侧绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000065
记阀侧绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000066
记平衡绕组自产零序电流为
Figure GDA0002373431950000067
所述调整电流计算单元，根据
Figure GDA0002373431950000068
计算得到零序分量差动保护的网侧调整电流
Figure GDA0002373431950000069
阀侧调整电流
Figure GDA00023734319500000610
平衡绕组调整电流
Figure GDA00023734319500000611
所述差动电流计算单元，根据调整电流
Figure GDA00023734319500000612
计算零序差动保护的差动电流Id，差动电流计算公式为：
Figure GDA00023734319500000613
所述闭锁判断单元1，当
Figure GDA00023734319500000614
与
Figure GDA00023734319500000615
的比值大于定值Iset1时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
所述闭锁判断单元2，当
Figure GDA0002373431950000071
与
Figure GDA0002373431950000072
的比值大于定值Iset2时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
所述闭锁判断单元3，当
Figure GDA0002373431950000073
与阀侧绕组额定电流Ie3的比值大于定值Iset3时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
所述保护动作判断单元，利用由差动电流和制动电流构成的差动特性曲线进行判别，如果满足条件，则零序差动保护动作。
其中，闭锁判断单元1中所述定值Iset1的取值范围为0.1～0.8。
其中，闭锁判断单元2中所述定值Iset2的取值范围为0.1～0.8。
其中，闭锁判断单元3中所述定值Iset3的取值范围为0.5～2。
其中，所述调整电流计算单元中调整电流的计算方法为
Figure GDA0002373431950000074
分别乘以平衡系数。
其中，所述调整电流计算单元中需要根据变压器额定容量、各绕组额定电压、各分支CT变比，计算各分支的二次额定电流，再根据计算得到的二次额定电流，计算平衡系数。
其中，还包括制动电流计算单元，计算公式为：
Figure GDA0002373431950000075
其中，还包括制动电流计算单元，计算公式为：：
Figure GDA0002373431950000076
其中k为制动系数。
其中，所述制动系数k取值范围为0.4～1。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (12)

1.一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
(1)在串联变压器的网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组中安装电流互感器，取各电流互感器的自产零序电流作为差动计算量，记网侧绕组自产零序电流为
Figure FDA0002373431940000011
记阀侧绕组自产零序电流为
Figure FDA0002373431940000012
记平衡绕组自产零序电流为
Figure FDA0002373431940000013
(2)根据
Figure FDA0002373431940000014
计算得到零序分量差动保护的网侧调整电流
Figure FDA0002373431940000015
阀侧调整电流
Figure FDA0002373431940000016
平衡绕组调整电流
Figure FDA0002373431940000017
调整电流的计算方法为
Figure FDA0002373431940000018
Figure FDA0002373431940000019
分别乘以平衡系数；
(3)根据调整电流
Figure FDA00023734319400000110
计算零序差动保护的差动电流Id，差动电流计算公式为：
Figure FDA00023734319400000111
(4)当
Figure FDA00023734319400000112
与
Figure FDA00023734319400000113
的比值大于定值Iset1时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
(5)当
Figure FDA00023734319400000114
与
Figure FDA00023734319400000115
的比值大于定值Iset2时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
(6)当
Figure FDA00023734319400000116
与阀侧绕组额定电流Ie3的比值大于定值Iset3时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
(7)利用由差动电流和制动电流构成的差动特性曲线进行判别，当差动电流计算结果落于特性曲线上方，则零序差动保护动作；其中，所述制动电流采用以下任意一种方式计算：
制动电流计算公式一：
Figure FDA00023734319400000117
制动电流计算公式二：
Figure FDA0002373431940000021
其中k为制动系数。
2.如权利要求1所述的一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法，其特征在于，步骤(4)中所述定值Iset1的取值范围为0.1～0.8。
3.如权利要求1所述的一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法，其特征在于，步骤(5)中所述定值Iset2的取值范围为0.1～0.8。
4.如权利要求1所述的一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法，其特征在于，步骤(6)中所述定值Iset3的取值范围为0.5～2。
5.如权利要求1所述一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法，其特征在于，所述步骤(2)中需要根据变压器额定容量、各绕组额定电压、各分支CT变比，计算各分支的二次额定电流，再根据计算得到的二次额定电流，计算平衡系数。
6.如权利要求1所述的一种磁平衡的串联变压器零序差动保护方法，其特征在于：所述制动系数k取值范围为0.4～1。
7.一种磁平衡的串联变压器零序差动保护装置，其特征在于，所述装置包括采样单元、调整电流计算单元、差动电流计算单元、闭锁判断单元1、闭锁判断单元2、闭锁判断单元3、保护动作判断单元、制动电流计算单元，其中：
所述采样单元采集串联变压器的网侧绕组、阀侧绕组、平衡绕组中安装电流互感器的自产零序电流，记网侧绕组自产零序电流为
Figure FDA0002373431940000022
记阀侧绕组自产零序电流为
Figure FDA0002373431940000023
记平衡绕组自产零序电流为
Figure FDA0002373431940000024
所述调整电流计算单元，根据
Figure FDA0002373431940000025
计算得到零序分量差动保护的网侧调整电流
Figure FDA0002373431940000026
阀侧调整电流
Figure FDA0002373431940000027
平衡绕组调整电流
Figure FDA0002373431940000028
调整电流的计算方法为
Figure FDA0002373431940000029
分别乘以平衡系数；
所述差动电流计算单元，根据调整电流
Figure FDA00023734319400000210
计算零序差动保护的差动电流Id，差动电流计算公式为：
Figure FDA0002373431940000031
所述闭锁判断单元1，当
Figure FDA0002373431940000032
与
Figure FDA0002373431940000033
的比值大于定值Iset1时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
所述闭锁判断单元2，当
Figure FDA0002373431940000034
与
Figure FDA0002373431940000035
的比值大于定值Iset2时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
所述闭锁判断单元3，当
Figure FDA0002373431940000036
与阀侧绕组额定电流Ie3的比值大于定值Iset3时闭锁零序差动保护，否则开放零序差动保护；
所述制动电流计算单元，制动电流采用以下任意一种方式计算：
制动电流计算公式一：
Figure FDA0002373431940000037
制动电流计算公式二：
Figure FDA0002373431940000038
其中k为制动系数；
所述保护动作判断单元，利用由差动电流和制动电流构成的差动特性曲线进行判别，当差动电流计算结果落于特性曲线上方，则零序差动保护动作。
8.如权利要求7所述的一种磁平衡的串联变压器零序差动保护装置，其特征在于，闭锁判断单元1中所述定值Iset1的取值范围为0.1～0.8。
9.如权利要求7所述的一种磁平衡的串联变压器零序差动保护装置，其特征在于，闭锁判断单元2中所述定值Iset2的取值范围为0.1～0.8。
10.如权利要求7所述的一种磁平衡的串联变压器零序差动保护装置，其特征在于，闭锁判断单元3中所述定值Iset3的取值范围为0.5～2。
11.如权利要求7所述一种磁平衡的串联变压器零序差动保护装置，其特征在于，所述调整电流计算单元中需要根据变压器额定容量、各绕组额定电压、各分支CT变比，计算各分支的二次额定电流，再根据计算得到的二次额定电流，计算平衡系数。
12.如权利要求7所述的一种磁平衡的串联变压器零序差动保护装置，其特征在于：所述制动系数k取值范围为0.4～1。
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