基于负序差动原理的变压器保护方案

2005第十届全国保护和控制学术研讨会163基于负序差动原理的变压器保护方案杨卉卉1，刘建飞1，李静正2，徐振宇2（1．华北电力大学（北京）电气工程学院，北京市102206;2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京市100085）摘要：常规比率式差动保护在反映变压器的内部故障时存在一定的死区，并且容易受TA饱和的影响。本文提出的变压器负序差动保护原理，利用可以反映不对称故障本质的负序电流成分来实现差动保护，能够明确区分内、外部不对称故障，它不受负荷电流的影响，对于反映内部的不对称故障，特别是匝间短路故障具有较高的灵敏度。关键词：差动保护；负序电流；不对称故障0引言电力变压器是整个电力系统中重要设备之一，随着系统容量的增大，大型变压器被广泛使用，由于大型变压器的高压绕组多采用纠结式结构，发生匝间故障的可能性显著增大，所以对变压器保护的可靠性和快速性提出了更高的要求。变压器主保护多采用差动保护原理，该原理简单、容易实现。常规差动保护能够反映大多数的变压器绕组相间短路故障、匝间短路故障和引出线的各种故障，但是某些内部故障，如绕组尾部的相间短路故障、绕组很少的匝间短路故障，却是反映不了的。因为受负荷电流和过渡电阻的影响，常规差动保护在整定时要协调可靠性与灵敏性这一矛盾体，所以常规的差动保护存在着一定的保护死区。为此需要研究能够反映变压器内部轻微故障的保护方案，使其较常规差动保护具有较高的灵敏度。本文提出了一种基于负序差动原理的变压器保护方案，它利用体现不对称故障本质的负序电流量来实现差动保护，能够反映变压器内部轻微故障，具有较高的可靠性和灵敏度。1变压器负序差动保护原理1.1变压器内部故障模型不论变压器绕组采用何种接线，当变压器发生内部故障时，都可等效为一个附加的yn绕组，在其端部发生相应的故障，此附加绕组的匝数为故障部分匝数，如图1所示。图中所示的变压器内部故障等效是一种外部等效，加装在M侧和N侧的保护装置所感受到的电量在等效前后是不变的。1.2负序差动保护的基本工作原理如图2所示三相对称系统，变压器两侧网络已被等效成s1E⋅、s2E⋅系统，系统阻抗分别为s1Z、s2Z，变压器两侧负序电流为m(2)I⋅、n(2)I⋅，流入变压器为其正方向。图1变压器内部故障及其等效模型图2系统接线图杨卉卉等基于负序差动原理的变压器保护方案164当变压器发生内部不对称故障时，图3为其负序网络，图中各元件用负序参数表示。Xkn和Rk代表等效绕组的电抗和电阻，Rgk＝Rg＋Rk。此时，m(2)n(2)(2)IIIk⋅⋅⋅＋＝（短路电流的负序成分），于是继电器流过相应的电流，保护动作，将变压器从电网中切除。当保护区外发生不对称故障时，如图4负序网络，若电流互感器变比选择合理，则在理想状态下有m(2)n(2)II0⋅⋅＋＝，差动继电器可靠不动作。图3变压器发生内部故障时的负序网络图4变压器发生外部故障时的负序网络当变压器带三相对称负荷运行或者是发生三相对称故障时，理论上在负序差动回路中都不会有电流存在，保护不动作。1.3负序差动保护的动作特性变压器的负序差动保护主要用于反映保护范围内部不对称故障，当保护范围外部严重故障时，由于电流互感器的饱和，有可能在负序差动回路中形成不平衡电流而引起保护的误动作。为了防止这一情况的出现，采用判据（1）的相标积制动来区分外部严重故障，从而大大提高了保护抗TA饱和的能力。动作判据（1）：mnHNNNIIIBBBIII且且（1）其中cos,cos00,cos0HmnHIIIIaaa=-=（2）式中：HI－相制动电流；a－mII⋅⋅和的夹角（各电流以流入被保护设备为正方向）；NI－被保护设备基本侧的额定电流；B－饱和判别系数。当判据（1）成立时，判为外部严重故障，此时令(2)0.1opI=-，即不影响保护的动作特性，也保证了保护不动作；当判据（1）不满足时，由以下判据（2）的比率制动式特性来判断保护是否动作。动作判据（2）：(2)(2).min(2)(2)(2)(2).min2(2)(2),(),opopresgopopresgIIIIIIKII+-当时其它（3）其中(2)(2)(2)mnopIII⋅⋅=+（4）2005第十届全国保护和控制学术研讨会165式中：(2)gI－负序差动回路中比率制动特性的制动电流拐点值；(2).minopI－负序差动继电器的最小动作电流；2K－制动特性的斜率。在无外部严重故障的影响下，文献【2】认为此时提高保护反映内部故障的灵敏度不在于采用什么形式的制动电流，而在于采取较小的制动系数。考虑到现有成熟的常规差动保护整定技术，所以仍采用代数平均值作为制动电流。用b来表示(2)mI⋅和(2)nI⋅之间的夹角，当9090b-oo时，cos0b，按内部故障的一般特征，此时无制动作用。所以有：(2)0,cos0resIb=（5）而当cos0b时(2)(2)(2)0.5mnresIII⋅⋅=-（6）1.4定值整定对于动作判据（1），文献【3】推荐1.5B=。文中指出：如果1.5HmnNIIII==，保护绝不动作；即使外部短路电流再增大，保护更不会动作；而1.5kNII的饱和问题已经在互感器的选型中得到考虑，一般也不会引起误动。判据（2）中的最小动作电流应按躲开负荷状态时负序差动回路中的不平衡电流来整定的，可以按下式计算：(2).min(2)oprelccerNIKCKKI=（7）式中：(2)C－最大不平衡负荷时负序差动电流的不平衡系数，可取0.1～1/3；ccK－电流互感器的同型系数，型号相同时取0.5，不同时取1；erK－电流互感器的综合误差，取0.01或0.03；relK－可靠系数，可取1.3～1.5。一般情况下可取(2).min0.1~0.2opNNIII=。拐点(2)gI可以取为0.5NI。判据（1）已经在很大程度上解决了外部故障时TA饱和引起误动的问题，所以判据（2）中制动特性曲线的斜率K2可以取得较小一些，一般取到0.2～0.3。2内部故障灵敏度分析一个,NYΔ接线的变压器，如果在绕组内发生NY侧绕组的单相接地或匝间短路，各电流在系统中的分杨卉卉等基于负序差动原理的变压器保护方案166布如图5示。故障等效后，由上分析，两侧电流值在等效前后不变。图5变压器内部故障时电流的流向设故障相为A相，A相的三序电流相等，为短路电流的13倍。由图3可知引入负序故障分量(2)kI在m侧的分配系数mC，可以得到(1)(2)(0)kmkkkmmICICII⋅⋅⋅⋅=++(21)/3kmCI⋅=+（8）(1)(2)(1)(1)knkkmmICICI⋅⋅⋅=-+-2(1)/3kmCI⋅=-（9）取常规二折线比率制动差动保护的定值为：.min0.5opNII′=，gNII′=，0.5K=，其中NI′为基本侧额定电流折算到二次侧的值。取负序差动保护的定值为：(2).min0.1opNII′=，(2)0.5gNII′=，20.3K=。假定变压器在额定负载情况下发生匝间故障，表1给出了变压器发生内部匝间故障时在不同短路电流值下上述两种保护的灵敏度。令mC取为0.6。表1变压器内部故障时两种保护的灵敏度/kNII′0.40.50.60.70.81.0负序差动灵敏度1.3331.6672.0002.3332.6673.333常规差动灵敏度－－1.1881.3821.5731.948表中数据明显反映出负序差动保护在反映内部故障时较常规差动保护灵敏度高，并且保护范围也较大。3其它问题的考虑3.1防止区外三相短路引起误动在发生外部三相对称故障时，理论上不会有负序电流分量，但是实际中在负序差动回路中可能存在较大的不平衡电流，这一不平衡电流多由电流互感器引起，容易造成保护的误动作，所以在发生对称故障的2005第十届全国保护和控制学术研讨会167时候应将负序差动保护闭锁。不平衡电流的存在使得在对称故障时保护各侧存在较大的正序电流和较小的负序电流，下式不满足(2)2(1)IIb（10）式中(2)(1)II、－差动回路各侧的负序电流、正序电流；2b－设定系数。差动回路任何一侧电流不满足上式时，即判为对称故障，将负序差动保护闭锁。发生不对称短路故障时，对任一侧，其负序电流和正序电流可表示为(2)2(2)kICI=（11）(1)1(1)kICI=（12）计及(2)(1)kkItI=（1t≤），故有关系式2(2)(1)1tCIIC=（13）式中2C和1C为负序差动保护在该侧的负序、正序电流分配系数。因为21CC=，可得(2)(1)ItI=。可见取21tb≤，当发生各种不对称故障时可靠开放保护。3.2励磁涌流的影响在变压器发生励磁涌流的情况下，会对负序差动保护造成不利的影响，需要有合适的识别方法，来区分涌流和故障电流。目前识别涌流的方法很多，主要为电压判据和电流判据，其中应用在微机保护中的基本方法有二次谐波和波形对称原理，这些在识别励磁涌流方面都表现出了较高的可靠性，可任选一作为涌流的识别方案。3.3转换性故障问题把系统近似线性化，对转换性故障情况进行仿真分析，由叠加原理得到转换为内部故障后二次扰动产生的负序量，如表2所示。表2转换性故障各次扰动的负序电流M侧负序电流N侧负序电流一次扰动429.0292.55º429.95-87.46º二次扰动450.0591.59º509.80-87.33º二次扰动变化量22.2872.77º79.86-86.63º由一次扰动负序量计算：(2)(2)(2)60.43()0.10.3(0.5)133.7opopNresNIAIIII=+-=（14）这里的负序电流是转换性故障后全量，整套保护不能够动作。由二次扰动负序量的变化量进行计算：杨卉卉等基于负序差动原理的变压器保护方案168(2)(2)102.5()0.120.5opopNIAII==（15）此时保护可靠动作。由上分析，二次扰动负序量的变化量真正反映二次扰动的性质，所以当出现继发性的保护起动时，用第二次起动后保护安装处的负序量减去第一次起动后的负序量，所得到的结果看成是仅由二次扰动产生，对此结果进行负序比率式差动保护判断。3.4防止TA断线引起误动变压器带载运行时，若某一电流互感器出现二次侧断线情况，即使是带对称负荷正常运行，该侧二次三相电流也会表现出不对称性，从而在负序差动回路中出现差动电流，可能引起保护的误动作；即使变压器负荷电流很小甚至空载时，若发生区外的短路故障，也会造成差动保护的误动作。因此，在出现电流互感器二次侧断线时应采取相应措施防止变压器负序差动保护的误动作。保护没有起动时，所有相别的电流中任一相无电流，且该相的对侧电流大于一个定值，即判为该相TA断线。变压器保护起动元件动作后若某相电流减小，表现为无电流，而其它相和其它侧的相电流均无变化。满足以上条件时即判为TA二次回路断线。3.5系统振荡问题由于变压器不能非全相运行，所以当系统出现振荡时，由于振荡的对称性，在正序分量制动的作用下不会引起保护的误动作。4仿真和结论运用EMTP进行了大量的仿真试验。在变压器内部不对称故障，包括小匝间故障时，保护能可靠动作，外部故障时则可靠制动；在对称故障情况下，正序量制动措施也起到了较好的制动作用；当变压器空投和外部故障切除时，保护可靠闭锁；当空投到内部故障或者是外部故障转换为内部故障时，保护亦能较快切除故障。综上，变压器负序差动保护能以较高的灵敏度反映变压器内部不对称故障，特别是小匝间故障，它不受负荷电流的影响，只与反映不对称故障的负序分量有关，并且所采用的相制动方式使保护具有较强的抗TA饱和的能力，在外部故障时能将保护可靠制动。仿真试验证实，负序差动保护在变压器内部故障时能快速动作，外部故障时能可靠制动。本文所提出的方案，已经在实际保护装置中实现，动模试验表明，在小匝间短路下，常规比率差动保护不能动作，但是负序差动保护能够灵敏动作。其可作为变压器主保护之一。参考文献1许正亚(XuZhengya).变压器及中低压网络数字式保护(DigitalProtectionforPowerTransformerandM