变压器保护

220kv~500kv变压器保护（以RCS-978为例介绍变压器保护）2005-6-3变压器保护需要解决的问题•1根据最近十年来的全国220kV及以上电压等级变压器保护动作情况的统计表明：匝间故障约占变压器内部故障的70%左右，因此采用灵敏度高且可靠性高的保护，对提高变压器的安全运行水平具有重要意义。目前国内外厂家所能提供的变压器差动保护均为稳态比率差动保护，其制动电流中含有负荷电流，因而灵敏度受负荷电流的影响；若是片面将差动保护的最小动作值、比率制动系数降低，就会使保护装置可靠性下降。因此有必要研究一种安全性与灵敏度同时兼顾的新型差动保护方案。变压器保护需要解决的问题•2变压器差动保护的一个主要技术问题是解决变压器励磁涌流的问题即如何解决空投变压器于内部故障（尤其是匝间故障）时差动保护动作速度慢且离散度大的问题；同时在变压器各种空投时产生的励磁涌流、区外故障切除后产生的恢复性涌流等状态下差动保护不误动。这个问题一直是国内外变压器保护研究的热点问题。变压器保护需要解决的问题•3差动保护所用TA的饱和或TA暂态特性不一致等因素对快速微机变压器差动保护的影响。目前国内外各制造厂家的微机变压器保护装置由于其本身的动作速度较快（30ms至50ms左右），而比率差动保护的动作特性在初始阶段为了保证其灵敏度往往采用无制动特性，再加上一般差动保护的最小动作值整定在0.3Ie至0.5Ie左右等诸多原因，因而在变压器发生区外故障中出现TA饱和、区外故障切除再恢复过程中差动各侧TA的暂态特性出现差异、变压器出现扰动性负荷（如钢厂负荷）时差动各侧TA的暂态与稳态特性出现差异等情况下，差动保护时常会出现误动作现象。这一问题目前国内外的各种微机变压器保护装置普遍都尚未考虑。变压器保护需要解决的问题•4零序比率差动保护由于本身的动作特性与变压器正常运行状态无关，只反映变压器区内的各种接地故障，无需经过变压器励磁涌流闭锁判据，提高了变压器发生区内接地故障时的灵敏度与动作速度。但是目前国内外的零差保护运行情况十分不好，经常发生误动作，其主要原因体现在零序TA极性不易校验，区外故障、区外故障切除再恢复过程中以及变压器的励磁涌流等造成TA三相不平衡、TA饱和与TA暂态特性不一致等，从而引起零差保护误动作。变压器保护需要解决的问题•如何减少TA二次回路在各种情况下断线及短路对差动保护的影响•电磁兼容问题：即消除各种外部干扰对保护装置的影响以及保护装置对外部其它电子设备的影响•如何增强保护装置的事故追忆功能及事故后的故障分析功能•保护装置的使用、维护与调试方便等问题装置的总体方案与关键技术•并行实时计算•保护主体方案•差动保护二次电流调整与涌流闭锁判据•变压器工频变化量差动保护•稳态比率差动保护•适用于变压器的TA饱和判据•TA二次回路断线与短路判别方案•零序比率差动保护（分侧差动保护）硬件框图交流信号低通滤波A/DDSP1DSP2CPU1外部开入串口打印出口继电器CPU板低通滤波A/DDSP3DSP4CPU2管理板串口打印+E光隔光隔外部开入QDJCPLDCPLD•高速数字信号处理器DSP•大规模逻辑门阵列FPGA和可编程逻辑门阵列CPLD•14位并行A/D•32位微处理器CPU•单独的CPU处理显示、键盘等人机对话•大屏幕汉字液晶显示实时高速并行运算特点：在较高的采样率的前提下，装置保证在故障全过程对所有保护继电器（主保护与后备保护）的并行实时计算，这样具有很高的可靠性及安全性（装置的采样率设计为每个周波24点，主要继电器采用全周傅氏算法）保护主体方案•真正实现一台装置完成所有的主保护、后备保护功能的思想。对每台变压器采用独立的两套装置实现双主、双后备保护的配置原则。这种主后一体的设计思想完全符合国家电力公司最新的《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中有关继电保护的反事故技术措施的论述。•优点变压器保护的双重化配置并没有增加额外的二次回路，相反是减少了保护设备，使得保护二次回路清析、独立，简化了二次电缆数量与接线。由于采用上述保护设计思想，则变压器的主保护功能得到增强，考虑到变压器主保护不像线路保护那样存在通道问题，其后备保护配置就可以大大简化。保护主体方案•优点可以减少由于保护设备自身原因所造成的被保护变压器失去短路故障保护与异常保护，从而引起一次设备不必要停电现象；同时也可避免由于保护设备的年度检修与校验所必需的停运一次设备的现象，减轻停电所造成的经济损失。•优点由于变压器的全部电量信息量已能够被装置所知，那么在被保护变压器和系统出现故障或其它异常状况时，装置就能记录同一时刻下变压器各侧的电流电压量，由于有了这些模拟量，就能对事故的原因等进行详尽的故障分析，这对于快速而准确地找到故障原因具有重要意义。差动保护二次电流调整与涌流识别•目前国内外的变压器差动保护无一例外地都采用Y-Δ变换调整变压器差动各侧TA二次电流相位。通过深入的理论分析与实验，我们发现采用Δ-Y变换调整变压器差动各侧TA二次电流相位更为合理。对于变压器带故障空投，故障相的电流表现为故障特征，而非故障相的电流表现为励磁涌流特征，由于励磁涌流闭锁判据采用分相制动，故障相与非故障相互不影响，非故障相不会延误故障相的动作速度；对于变压器空投产生的励磁涌流、区外故障切除后产生的恢复性励磁涌流等，上述调整方法更多地保留了励磁涌流的特征，使励磁涌流更加容易识别。励磁涌流判别原理1•利用谐波识别励磁涌流变压器成套保护装置采用三相差动电流中二次谐波、三次谐波的含量来识别励磁涌流，判别方程如下：⎩⎨⎧stxbrdstxbndIKIIKI133122**励磁涌流判别原理2•利用波形畸变识别励磁涌流（南瑞使用）故障时，差流基本上是工频正弦波。而励磁涌流时，有大量的谐波分量存在，波形发生畸变，间断，不对称。利用算法识别出这种畸变，即可识别出励磁涌流。故障时，有如下表达式成立：⎩⎨⎧+tbSSSkS*其中S是差动电流的全周积分值，是“差动电流的瞬时值+差动电流半周前的瞬时值”的全周积分值，是某一固定常数，是门槛定值。的表达式如下：bktStSedtIIS*1.0*+=α式中是差电流的全周积分值，α是某一比例常数。当三相中的某一相不满足以上方程，被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。dI励磁涌流判别原理3•利用波形对称原理识别励磁涌流（南自厂使用）故障时，差流基本上是工频正弦波。而励磁涌流时，有大量的谐波分量存在，波形发生畸变，不对称。我们通过分析可以认为这时的波形是基波加上一个衰减的直流分量组成。利用这种方法，即可识别出励磁涌流。故障时，有如下表达式成立：f(t)=Imsin(wt+q)+c(1)求导数：f/(t)=Im/N*cos(wt+q)(2)式中:c是某一常数。当三相中的某一相不满足(2)方程，则被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。备注：励磁涌流是偏向时间轴的一侧的，不对称产生励磁涌流的原因•励磁涌流产生的原因1.剩磁2.合闸角3.磁芯结构、材质4.变压器容量TA饱和的识别方法•为防止在变压器区外故障等状态下TA的暂态与稳态饱和所引起的稳态比率差动保护误动作，装置利用二次电流中的二次和三次谐波含量来判别TA是否饱和，所用的表达式如下：⎩⎨⎧133122**φφφφφφIkIIkIxbxb当与某相差动电流有关的电流满足以上表达式即认为此相差流为TA饱和引起，闭锁稳态比率差动保护。此判据在变压器处于运行状态才投入。变压器工频变化量差动保护•匝间短路故障是电力变压器主要的内部故障形式之一，根据近十年来的全国统计表明，匝间故障约占变压器内部故障的70%左右。因此采用灵敏度高且安全性高的保护来检测出变压器的匝间故障，对提高变压器的安全运行水平具有重要意义。为此，我们利用变压器各侧电流中的工频变化量与差电流的工频变化量，实现变压器工频变化量比率差动保护。该保护由下述两个判据构成：•（1）工频变化量比率差动继电器：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧Δ=ΔΔ=ΔΔ−ΔΔΔΔΔ∑∑=•=ΦmiidmiirererderrdIIIIIIIIIIIII11max23.075.026.0工频变化量差动保护变压器工频变化量差动保护•ΣΔI：为各支路工频变化量电流的向量和Σ|ΔI|：为各支路工频变化量电流的标量和理论上，工频变化量比率差动制动系数可取较高的数值，这样有利于防止区外故障TA饱和等因素所造成的差动保护误动，又不会受故障前负荷的大小的影响而降低区内故障时的灵敏度。变压器工频变化量差动保护•（2）工频变化量差动过流继电器：•动作方程：ΔId1.25ΔIdt+Idth•ΔIdt为浮动门坎，随着变化量输出增大而逐步自动提高。取1.25倍可保证门槛电压始终略高于不平衡输出，保证在系统振荡和频率偏移情况下，保护不动作。Idth为固定门坎。工频变化量差流起动元件不受负荷电流影响，灵敏度很高。工频变化量比率差动动作特性0ΔIdΔIr0.750.2Ie2Ie0.6工频变化量比率差动继电器•由于将浮动门槛技术与工频变化量等概念引入到变压器差动保护中，因此在区内故障，即使是在重负荷运行状态下发生小匝间短路等故障时，或是在等值电势角摆开而又经过渡电阻短路时也有足够的灵敏度。而在区外各种故障、功率倒方向、区外故障中出现TA饱和与TA暂态特性不一致等状态下也不会误动作。使得保护的安全性与灵敏度同时兼顾。特点：涌流闭锁与过激磁闭锁元件•工频变化量差动保护的励磁涌流闭锁判据采用差电流二次谐波闭锁或波形判别闭锁•采用差电流五次谐波进行过激磁闭锁变压器发生轻微匝间故障（C相1.5%匝间故障）工频变化量差动常规差动可靠的稳态比率差动与全新的TA饱和判据•目前国内外厂家的微机变压器保护装置由于其本身的动作速度较快，而比率差动保护的动作特性在初始阶段为了保证其灵敏度往往采用无制动特性，再加上一般差动保护的最小动作值、比率制动系数都整定的较小。因而在变压器发生区外故障中出现TA饱和、区外故障切除再恢复过程中差动各侧TA的暂态特性出现差异、变压器出现扰动性负荷（如钢厂负荷）时差动各侧TA的暂态与稳态特性出现差异等情况下，差动保护时常会出现误动作问题。稳态比率差动保护•因此，装置采用初始带制动的比率制动特性，稳态比率差动元件由低值比率差动（灵敏）和高值比率差动（不灵敏）两个元件构成。稳态比率差动元件的动作方程如下：稳态比率差动保护[][][]⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧==+++−≤≤++−≤+∑∑==miidmiirercdqdeeberderecdqdeerbdercdqdrdIIIIIIIIIKIIIIIIIIIIKIIIIII11112161.05.5675.065.01.05.05.02.0动作方程：稳态高值比率差动保护⎩⎨⎧+−ereerdIIIIII8.02.1]8.0[6.0稳态比率差动保护6Ie0.5Ie0.8Ie1.2Ie制动电流动作电流有TA饱和判据区无TA饱和判据区Icdqd动作特性RCS-978稳态比率差动的动作逻辑&1111&111111&111=1111&1111稳态比率差动保护软压板投入&111&1111=1111&1111&111差动速断元件动作差动保护硬压板投入差动速断保护软压板投入差动速断起动元件动作差动速断保护跳闸TA瞬时断线差动保护硬压板投入稳态高值比率差动元件动作涌流判别元件开放差流起动元件动作TA饱和判别元件开放涌流判别元件开放稳态低值比率差动元件动作差动保护硬压板投入稳态比率差动保护软压板投入TA瞬时断线过激磁闭锁差动过激磁倍数1.4差流起动元件动作稳态比率差动保护跳闸TA断线投退软压板投入&111RCS-978工频变化量比率差动的逻辑框图&1111&111&11111=1111展宽500ms涌流判别元件开放工频变化量比率差动元件动作差动保护硬压板投入工频变化量比率差动软压板投入TA瞬时断线过激磁闭锁差动过激磁倍数1.4差流变化量起动元件动作工频变化量比率差动保护跳闸零序比率/分侧比率差动保护（用于自耦变压器）•主变零序比率/分侧比率差动保护就是把多绕组变压器的各