CN110994553B - 一种基于波形衰变特性的变压器差动保护定值调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波形衰变特性的变压器差动保护定值调整方法，包括步骤：(1)变压器空载合闸，启动变压器差动保护；(2)变压器二次谐波含量与初始整定值进行比较：当二次谐波含量小于等于初始整定值时，判断为变压器内部故障，出口动作跳闸；当二次谐波含量大于初始整定值时，闭锁变压器差动保护，并进行涌流类型的判断；(3)根据涌流类型，对差动保护的整定门槛值进行调整。本发明使用基波幅值增量的方法来判断励磁涌流和和应涌流，利用三者之间的基波电流发展的趋势不同，来区别对待整定值，极大的提升了差动保护在励磁涌流及和应涌流期间对故障的灵敏性。

Description

一种基于波形衰变特性的变压器差动保护定值调整方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护的技术领域，尤其涉及一种基于波形衰变特性的变压器差动保护定值调整方法。

背景技术

电力变压器在电力系统中承担着至关重要的作用，是发电厂和变电站中不可或缺的电气设备。电力系统能否正常、稳定的运行，其中一个非常重要的前提是大型变压器要先能正常、稳定地工作。然而变压器差动保护却一直受到涌流问题的困扰，如果不能对涌流和区内故障电流准确、及时的加以识别，则将引起差动保护误动作或延迟动作甚至是拒动作。

目前，变压器主保护的现场系统，主要采用以差动电流波形特性为依据的二次谐波制动原理和间断角原理来识别励磁涌流。传统的继电保护装置中，变压器差动保护往往都采用出现涌流立刻闭锁差动保护的方式，在涌流期间出现故障则难以保证差动电流保护快速动作，危及电力系统的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于波形衰变特性的变压器差动保护定值调整方法。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种基于波形衰变特性的变压器差动保护定值调整方法，包括步骤：

(1)变压器空载合闸，启动变压器差动保护；

(2)变压器二次谐波含量与初始整定值进行比较：

当二次谐波含量小于等于初始整定值时，判断为变压器内部故障，出口动作跳闸；

当二次谐波含量大于初始整定值时，闭锁变压器差动保护，并进行涌流类型的判断；

(3)根据涌流类型，对差动保护的整定门槛值进行调整。

具体地，所述步骤(1)中，变压器空载合闸，在变压器内部产生励磁涌流，使差动保护启动；变压器的差动保护采用全周波傅里叶算法的差动保护，因此在启动后的的第一个周波内可判断出采样电流中的某相或是多相出现二次谐波大于整定值的情况。

具体地，所述初始整定值为0.15。

具体地，所述闭锁变压器差动保护时间为40ms，闭锁采用一相出现涌流闭锁三相方式。

通过研究发现，采用傅里叶级数对电流波形进行展开，根据和应涌流各种频率电流分析，在差动保护启动的前三个周波内，和应涌流电流基波分量在暂态增大阶段必须是逐渐增大，励磁涌流在这一时间的核心特征为基波分量持续衰减。对于这一时间的故障电流，尽管其与和应涌流以及励磁涌流同样含有直流分量，可是故障电流中基波分量却一直保证不会变化。因此，差动电流基波分量幅值变化量的计算公式为：

其中，I_d(n)表示第n点的差动电流基波分量幅值，I_d(n-N)表示第n-N点差动电流基波分量幅值(n≥N，N为每周波采样点数)。

上述计算方法使用了差分形式下全周傅立叶算法计算差动电流的基波分量幅值，对各次谐波的分解过程中，基本消除了差流中的衰减非周期分量对计算的影响。

主变差动电流的基波分量幅值的变化过程体现在S(n)的量中(基波幅值增量得出量)，倘若门槛值S_th的取值适当，就可以准确地判断是何种涌流：

在和应涌流发生时，在其暂态增大阶段时S(n)＞S_th，稳定衰减阶段时S(n)＜0；励磁涌流发生时，满足S(n)＜0；故障电流发生时，满足S(n)≈0。因此，得到可以判断涌流类型的基波幅值增量判据：

S(n)＞S_th (2)

通过鉴别流过变压器的电流出来究竟是和应涌流还是励磁涌流又或者是故障电流，然后采取相应措施防止保护动作不正确的情况出现。门槛值S_th的调整要考虑实际运行中的变压器的参数以及基波分量幅值的变化判据在保护中的具体使用状态。

更进一步地，所述涌流类型为励磁涌流和和应涌流，判断方式为：

在40ms内采集25ms、30ms、35ms、40ms共4个基波幅值，当4个基波幅值是在下降的，则判断为励磁涌流；

当4个基波幅值是在上升的，则判断为和应涌流。

具体地，在所述步骤(3)中，当涌流类型为励磁涌流时，对差动保护的整定门槛值进行调整，调整方式为：

采用上一周波的差动电流基波最大值的1.2倍(1.2*I_max(n-N))作为下一个周波的差动保护的整定门槛值I_set(n)，比较差动电流与起动值：

若差动电流小于起动值，则差动保护返回；否则循环调整差动电流的整定门槛值，直至差动保护返回。

在上述差动保护的门槛值进行调整的过程中，由于励磁涌流的基波含量每个周波都是在下降的，因此采用上一个周波内的差流基波最大值的1.2倍(1.2*I_max(n-N))作为下一个周波的整定门槛值I_set(n)，差动保护是不会误动作的，同时由于励磁涌流的持续周期长，假如采用持续闭锁差动保护的方法，会出现在此时变压器出现短路故障而无法出口动作的问题，使变压器处于无主保护的状态，极大的威胁了变压器的安全稳定运行，因此采用上一周波的差流基波最大值的1.2倍(1.2*I_max(n-N))作为下一个周波的整定门槛值I_set(n)，可以在励磁涌流出现的期间，同样具备对短路故障的灵敏性。

由于和应涌流在出现之后的基波发展趋势是先增大到最大值，然后衰减下来，因此当基波幅值不断增大时，一直闭锁差动保护防止和应涌流导致保护动作，而在基波幅值开始减小后，则采用和出现励磁涌流一样的方式，因此考虑一定裕度。

因此，具体地，在所述步骤(3)中，当涌流类型为和应涌流时，持续闭锁保护直到差动电流的基波幅值开始下降后，对差动保护的整定门槛值进行调整，调整方式为：

采用上一周波的差动电流基波最大值的1.2倍(1.2*I_max(n-N))作为下一个周波的差动保护的整定门槛值I_set(n)，比较差动电流与起动值：

若差动电流小于起动值，则差动保护返回；否则循环调整差动电流的整定门槛值，直至差动保护返回。

由于和应涌流的持续周期时间较励磁涌流更长，因此采用这样的方式，可以极大增加差动保护的灵敏性，防止涌流期间出现故障拒动。

本方法针对采用双折线或多折线特性的差动保护将跟随门槛值的调整抬高相应既定的折线特性，门槛值则更换为由波形衰变特性为基础的和时间序列相关的动态整定值门槛，一直持续到涌流消失的过程，当差动电流小于起动值后，恢复原来的折线特性。

本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本发明采用二次谐波方式来区分故障与涌流，防止在故障状态下，进入动态整定程序，增加了保护的灵敏性和选择性。

2、使用基波幅值增量的方法来判断励磁涌流和和应涌流，利用三者之间的基波电流发展的趋势不同，来区别对待整定值，极大的提升了差动保护在励磁涌流及和应涌流期间对故障的灵敏性。

3、出现励磁涌流后，采用动态更改差动保护定值的方式，提高了差动保护的选择性，根据基波衰减的特征，将上一周波的差流基波最大值的1.2倍1.2*I_max(n-N)作为下一个周波的差动保护的整定门槛值I_set(n)，防止在完全闭锁差动保护情况出现变压器的故障无法出口动作的问题，极大的提升差动保护灵敏性。

4、为了由于励磁涌流大部分为三相同时发生，保证差动保护对换流变压器可靠性，防止在涌流期间出现误动作，本发明采用了一相出现涌流闭锁三相差动保护的方式。

5、在二次谐波判据判断为是涌流后，需对励磁涌流和和应涌流来区分，此过程需2个周波的时间，在这期间闭锁差动保护，可避免由于涌流产生的差动保护误动作，提升了差动保护选择性。

6、出现和应涌流后，根据基波分量幅值的发展趋势，采用先闭锁差动保护，等待基波幅值开始下降时，再采用动态更改差动保护定值的方式，提高了差动保护的灵敏性性，根据基波衰减的特征，将上一周波的差流基波最大值的1.2倍1.2*I_max(n-N)作为下一个周波的差动保护的整定门槛值I_set(n)，防止在完全闭锁差动保护情况出现变压器的故障无法出口动作的问题，极大的提升了差动保护在励磁涌流及和应涌流期间对故障的灵敏性。

附图说明

图1为一种基于涌流复制衰减特性的变压器差动保护浮动门槛实现方法的流程图。

图2为本实施例中采用Matlab进行仿真的系统模型示意图。

图3为本实施例中和应涌流产生过程中发生外部故障情况的仿真结果图。

图4为本实施例中励磁涌流产生过程中发生内部故障情况的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示为一种基于波形衰变特性的变压器差动保护定值调整方法的流程图，所述方法包括步骤：

(1)变压器空载合闸，启动变压器差动保护；

(2)变压器二次谐波含量与初始整定值进行比较：

当二次谐波含量小于等于初始整定值时，判断为变压器内部故障，出口动作跳闸；

当二次谐波含量大于初始整定值时，闭锁变压器差动保护，并进行涌流类型的判断；

(3)根据涌流类型，对差动保护的整定门槛值进行调整。

在本实施例中，为验证本发明方法的可行性，利用Matlab/Simulink对两台Y/Δ连接变压器并联产生和应涌流的情况进行了仿真，每周波采样24点。系统模型如图2所示，仿真系统中变压器为Yn/Δ-11接线。

数字式变压器微机差动保护一般由启动元件、谐波制动元件、差动元件、差动速断元件、TA断线等部分构成。

Simulink实现启动元件仿真如下：首先将电流模块的电流通过两个延时模块(一个周期为20ms)处理得到三个时刻的采样值，再分别作差求出该相的电流突变量。

本实施例中采用Fourier模块获取基波分量，再通过Magnitude-Angle toComplex模块将基波的幅值和相角转化成复数形式以便后面的分析计算。

在本实施例的模型系统中，Simulink实现二次谐波制动原理为：

A相差动电流通过Fourier模块分别得到基波分量和二次谐波分量，再能过Divide模块将两者相除，得到的数据与二次谐波制动系数K2整定值相比较，当大于整定值时，输出为1。B、C两相差动电流获取方法与A相相同。

在本实施例中，变压器原边、副边电流通过Fourier滤波，得到基波分量再通过Magnitude-Angle to Complex模块相量化，变成电流相量后输入差动保护模块，通过Sum模块对其处理，得到动作电流和制动电流。差动元件的采用的是两段式比例制动特性，比例Ⅰ段、比例Ⅱ段通过两个子系统实现。

Simulink实现基波幅值增量制动原理为：

A相差动电流通Fourier模块得到差动电流的基波分量I_d(n)，使这个时间的基波分量I_d(n)和经过时间延迟模块一个周波(0.02s)的差流I_d(n-N)通过Divide模块将两者相除，得到的数据就是基波增量S(n),然后经过compare to constant判断S(n)是否小于等于5％，以此来判断涌流衰减过程，去采取修改整定值措施，阻止保护误动和提高灵敏度。

仿真结果：

(Ⅰ)和应涌流产生过程中发生外部故障情况

在发生串联和应涌流的过程中发生外部短路故障的情况下，如图3所示，从上至下的曲线是A、B、C相差动电流；A相差动启动信号。从图中可以看出该方案可有效的防止差动保护的误动。

仿真结果分析：由图3知当区内0.04s发生三相短路故障时，三相均出现很大的短路电流，由于暂态分量的影响，三相短路电流波形不对称，随着暂态分量的衰减，三相短路电流趋于稳定。此时由变压器仿真模型得出动作电流和制动电流的基频分量，显然动作电流大于制动电流，差动保护可靠动作出口。

(Ⅱ)励磁涌流产生过程中发生内部故障情况

在发生励磁涌流的过程中发生内部短路故障的情况下，如图4所示，从上至下的曲线是A、B、C相差动电流；A相差动启动信号。从图中可以验证差动保护动作的可靠性。

通过仿真验证了该专利提出方法的正确性和有效性，在和应涌流、励磁涌流、区内外部故障过程中变压器差动保护动作正确，既提高了可靠性也提高了灵敏性，解决了长期困扰该保护的技术难题，对电力系统的长期安全稳定运行提供了技术基础。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于波形衰变特性的变压器差动保护定值调整方法，其特征在于，包括步骤：

(1)变压器空载合闸，启动变压器差动保护；

(2)变压器二次谐波含量与初始整定值进行比较：

当二次谐波含量小于等于初始整定值时，判断为变压器内部故障，出口动作跳闸；

当二次谐波含量大于初始整定值时，闭锁变压器差动保护，并进行涌流类型的判断；

(3)根据涌流类型，对差动保护的整定门槛值进行调整，所述涌流类型为励磁涌流和和应涌流；

在所述步骤(3)中，当涌流类型为励磁涌流时，对差动保护的整定门槛值进行调整，调整方式为：

采用上一周波的差动电流基波最大值的1.2倍(1.2*I_max(n-N))作为下一个周波的差动保护的整定门槛值I_set(n)，比较差动电流与起动值：

若差动电流小于起动值，则差动保护返回；否则循环调整差动电流的整定门槛值，直至差动保护返回。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，变压器的差动保护采用全周波傅里叶算法的差动保护。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始整定值为0.15。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述闭锁变压器差动保护时间为40ms，闭锁采用一相出现涌流闭锁三相方式。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用傅里叶级数对电流波形进行展开，根据和应涌流各种频率电流分析，在差动保护启动的前三个周波内，和应涌流电流基波分量在暂态增大阶段必须是逐渐增大，励磁涌流在这一时间的核心特征为基波分量持续衰减；对于这一时间的故障电流，尽管其与和应涌流以及励磁涌流同样含有直流分量，可是故障电流中基波分量却一直保证不会变化；因此，差动电流基波分量幅值变化量的计算公式为：

其中，I_d(n)表示第n点的差动电流基波分量幅值，I_d(n-N)表示第n-N点差动电流基波分量幅值，n≥N，N为每周波采样点数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，判断涌流类型的基波幅值增量判据：

S(n)＞S_th (2)。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涌流类型为励磁涌流和和应涌流，判断方式为：

在40ms内采集25ms、30ms、35ms、40ms共4个基波幅值，当4个基波幅值是在下降的，则判断为励磁涌流；

当4个基波幅值是在上升的，则判断为和应涌流。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，当涌流类型为和应涌流时，持续闭锁保护直到差动电流的基波幅值开始下降后，对差动保护的整定门槛值进行调整，调整方式为：

采用上一周波的差动电流基波最大值的1.2倍(1.2*I_max(n-N))作为下一个周波的差动保护的整定门槛值I_set(n)，比较差动电流与起动值：

若差动电流小于起动值，则差动保护返回；否则循环调整差动电流的整定门槛值，直至差动保护返回。

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