變壓器差動保護誤動的分析

0次諧波制動工藝的改進如何正確識別磁體和內部故障是保護側壓動器差動的難題之一。目前,變壓器差動保護廣泛采用二次諧波制動原理來鑒別勵磁涌流,該原理根據勵磁涌流中含有較多二次諧波分量的特點,當差流二次諧波分量大于整定值時發出閉鎖信號,整定范圍通常為15%~20%。然而,由于多種原因尤其是目前大型變壓器鐵芯材料采用冷軋硅鋼片之后,使勵磁涌流中二次諧波含量有時低至10%以下,導致基于二次諧波制動原理的變壓器差動保護在應用過程中誤動作。為了彌補二次諧波制動原理的不足,應進一步挖掘勵磁涌流中的信息量。可以發現,二次諧波制動原理僅利用了波形中二次諧波幅值信息的區別,并沒有注意到各主要諧波的序分量在變壓器不同狀態下的特點,而目前序分量已經作為電氣量被應用于繼電保護并取得了一定的成果,因此將序分量的特征加以利用可能會提高差動保護的性能。此外,CT飽和導致電流傳變誤差進而可能影響差動保護的正確動作,所以涌流閉鎖方案在CT畸變嚴重時是否仍然有效也應重點分析[9,10,11,12,13,14]。鑒于以上情況,本文分析了差流二、三次諧波正序分量在變壓器勵磁涌流和內部故障時的不同特征,分別分析了當CT未飽和、輕度飽和以及嚴重飽和時的情況,進而提出一種基于差流二次諧波和三次諧波正序分量的勵磁涌流制動算法,該算法在CT嚴重飽和時仍然有效,通過大量EMTP仿真驗證了該方法的有效性。1采樣點個數的確定差流各次諧波由離散傅里葉變換獲得,公式為式中:T為采樣周期;x(tn)為采樣值;N是每個周期采樣點個數。正序分量通過對稱分量法計算獲得,公式為1.1單元門誤差流的波形正序分布分析1.1.1諧波正序分量的波形圖圖1是變壓器兩側CT未飽和時的情況,分別給出了差流id、諧波正序分量的波形圖,由圖可見,雖然二、三次諧波正序分量都存在一些波動,但是波動較小,總體來看,二次諧波正序分量很大,三次諧波正序分量很小。1.1.2ct二次側差流波形圖2是變壓器兩側CT輕度飽和時的情況,分別給出了差流id、諧波正序分量的波形圖,其中id的實線部分是CT二次側理想差流波形,虛線部分是CT二次側實際差流波形。由圖可見,CT在106ms進入輕度飽和后,由于波形發生畸變,二、三次諧波正序分量都發生了較大的波動,二次諧波正序分量迅速下降,達到一個較低的谷值,而此時三次諧波正序分量迅速升高,達到一個較高的峰值。1.1.3ct飽和期各時間的比較當剩磁和合閘角滿足一定條件時,變壓器鐵芯發生深度飽和,勵磁涌流非常大,再加上非周期分量的影響,此時CT可能嚴重飽和。圖3是變壓器兩側CT嚴重飽和時的情況,分別給出了差流id、諧波正序分量及其局部放大的波形圖。由圖3可見,CT在89ms時開始飽和,飽和時間較早,由于波形嚴重畸變,二、三次諧波正序分量都發生了極大的波動,二次諧波正序分量急劇下降,達到一個極低的谷值,而此時三次諧波正序分量急劇升高,達到一個極高的峰值。總體來看,當CT嚴重飽和后,變壓器差流二次諧波正序分量在某些時刻極小,而在此期間三次諧波正序分量較大。1.2諧波正序分量分析首先,考慮變壓器兩側CT未發生飽和時的情況,對內部故障差流做諧波正序分量分析,其結果如圖4(a)所示,二次諧波正序分量和三次諧波正序分量剛開始很大,之后迅速降低。當變壓器兩側CT發生飽和時,對內部故障差流做諧波正序分量分析,其結果如圖4(b)所示,二次諧波正序分量和三次諧波正序分量剛開始很大,在CT開始飽和之后伴隨著一些波動而降低。大量仿真表明,無論CT輕度飽和還是嚴重飽和,內部故障差流的二、三次諧波正序分量都能迅速降低到一個較小的值以內。2次諧波正序分量過快下降由上面的分析,當CT不飽和時,空載合閘時差流二次諧波正序分量較大,而內部故障時該電氣量較小,所以此時二次諧波正序分量可以作為涌流閉鎖判據;當CT輕度飽和時,雖然二次諧波正序分量波動增大,仍然可以有效區分內部故障和勵磁涌流;然而,當CT嚴重飽和時,空載合閘時差流二次諧波正序分量急劇下降,在某些時刻極小,此時該電氣量無法閉鎖涌流,而此時三次諧波正序分量急劇升高,達到一個較高的峰值。根據上述特征,可構造基于正序分量的變壓器勵磁涌流新判據:該判據是由差流二次諧波正序分量占基波正序分量的比例以及三次諧波正序分量占基波正序分量的比例構成或門制動方式,具體算法可由圖5表示,其中,K2_1和K3_1分別為整定值。3差動保護動作利用EMTP搭建如圖6所示的仿真系統,U1/U2=154kV/22kV,變壓器鐵芯的飽和特性以及磁滯特性由EMTP中的96元件來仿真。下面以A相為例,將本文的新算法與傳統的二次諧波制動方法在各種不同情況下進行仿真比較。1)情況1:變壓器在80%剩磁時空載合閘,合閘角為0°。變壓器在66.7733ms空載合閘后,由于合閘角度為0°,又有80%的剩磁,變壓器鐵芯深度飽和,勵磁涌流非常大,再加上非周期分量的影響,此時CT飽和也非常嚴重。圖7(a)是二次諧波制動原理的差動保護動作情況,分別給出了差流id、諧波分量、比率制動“87R”、閉鎖“87BL”及跳閘“Trip”的波形圖。由圖可見,差流id很大,“87R”動作,在79ms之后的一段時間內二次諧波分量很小,導致“87BL”閉鎖失效,保護誤動。圖7(b)是基于新算法的差動保護動作情況,分別給出了差流id、諧波正序分量、比率制動“87R”、閉鎖“87BL”及跳閘“Trip”的波形圖。由圖可見,差流id很大,“87R”動作,由于CT飽和非常嚴重,導致在94ms附近時刻二次諧波正序分量很小,但此時三次諧波正序分量較大,而在其余時刻二次諧波正序分量都很大,所以基于新算法的“87BL”可靠閉鎖,保護沒有誤動。2)情況2:變壓器在距中性點80%處發生內部單相接地短路,短路初始角為0°。變壓器在66.7733ms時,A相電源側距中性點80%處發生內部單相接地短路。圖8(a)是二次諧波制動原理的差動保護動作情況,由圖可見,差流id很大,“87R”動作,短路發生后的一段時間內二次諧波分量較大,所以在此期間“87BL”閉鎖了保護,保護最終在83.07ms時發出跳閘信號。圖8(b)是基于新算法的差動保護動作情況,由圖可見,短路發生后的一段時間內二次諧波正序分量和三次諧波正序分量都較大,所以“87BL”閉鎖了保護,之后隨著諧波正序分量的迅速衰減,閉鎖信號返回,保護最終在82.55ms時發出跳閘信號,比傳統方法快了0.52ms。3)情況3:變壓器發生10%匝間短路,短路初始角為0°。變壓器在66.7733ms時,A相距中性點30%和40%處,發生10%匝間短路。傳統的二次諧波制動方法與本文的新算法在情況3時的仿真結果見圖9(a)和9(b)。圖9(a)是二次諧波制動原理的差動保護動作情況,由圖可見,差流id很大,“87R”動作,短路發生后的一段時間內二次諧波分量較大,在此期間“87BL”閉鎖了保護,保護最終在83.33ms時發出跳閘信號。圖9(b)是基于新算法的差動保護動作情況,由圖可見,短路發生后的一段時間內二次諧波正序分量和三次諧波正序分量二次諧波都較大,所以“87BL”就啟動閉鎖,之后隨著諧波正序分量的迅速衰減,閉鎖信號返回,保護最終在82.8ms時發出跳閘信號,