專利名稱：基于電壓跌落和時滯法比率差動原理的快速變壓器差動保護方法
技術領域：
本發明涉及快速變壓器差動保護的方法，尤其是以基于工頻變化量電壓元件、電壓跌落(不平衡)元件和時滯法比率差動元件的快速變壓器差動保護的新方法。
背景技術：
目前具有勵磁涌流閉鎖判據的變壓器差動保護的動作速度愈來愈不滿足大容量變壓器的要求，現有變壓器比率差動保護普遍存在動作速度慢的問題，變壓器出現區內故障時，比率差動保護的動作時間一般在30ms以上；另外變壓器外部存在長線分布電容、無功補償電容時發生內部短路，此時由于諧振的原因會產生各種諧波，使得電流波形出現畸變，而在區內故障伴隨TA飽和或空投主變于略微嚴重的內部故障時，由于受到變壓器差動保護中勵磁涌流閉鎖判椐的影響，差動保護動作速度都會延緩動作(時間可達100ms以上)的問題1、雖然變壓器差動速斷保護動作速度很快(20ms左右)，但是其門檻很高，只能反應特別嚴重的區內故障差動速斷保護本身沒有任何制動元件，只是一個比較簡單的差流過電流繼電器，其必須靠很高的定值來保證在勵磁涌流情況下以及區外故障情況下不誤動，一般情況下差動速斷保護的定值整定為6～12倍的變壓器額定電流。在現場一次TA選擇不太合理的情況下，即使整定到較高的定值差動速斷保護在區外故障時也可能誤動作。
2、對于變壓器比率差動保護，如何區分勵磁涌流和內部故障電流是一個固有的、不可避免的難題。勵磁涌流閉鎖判據一般是用來防止變壓器差動保護在主變空投出現勵磁涌流情況下的誤動作，該判據對于變壓器比率差動保護而言是始終存在的，不管是正常運行、區外故障、區內故障或其他異常運行工況。由于勵磁涌流閉鎖判據的存在，導致變壓器比率差動保護的動作時間在一般情況下很難小于30ms，這是因為目前實際工程應用的勵磁涌流閉鎖判據主要是采用二次諧波制動、間斷角或者波形對稱等基于電流波形的原理，在發生故障的時候電流突然變化劇烈，而在這個過程中，電流信號是一個非平穩的信號，用傅氏算法計算能夠得到大量的諧波電流，并且這段時間之內電流波形也是不對稱的，導致變壓器比率差動保護被閉鎖一段時間(20ms左右)。
3、另外變壓器外部存在長線分布電容、無功補償電容時發生內部短路，此時由于諧振的原因會產生各種諧波，使得電流波形出現畸變，而在區內故障伴隨TA飽和或空投主變于略微嚴重的內部故障時，由于受到勵磁涌流閉鎖判椐的影響，差動保護動作速度都會延緩動作(時間可達100ms以上)的問題。
4、根據數字統計表明，變壓器差動范圍內的故障中有60％以上是變壓器外部的故障(包括引線故障等)，這些故障類型都屬于比較嚴重或大電流故障范疇。正是存在以下情況即在故障比較嚴重情況下比率差動保護動作速度反而慢的情況，因此導致現場運行的一些變壓器在發生略微嚴重故障之后，即使比率差動保護能夠切除故障也產生了嚴重的損壞。譬如不是變壓器內部的故障，但是差動保護范圍內的故障(例如變壓器出口引線的短路故障)，如果不及時快速切除故障，那么很大的故障電流對主變內部線圈繞組的動穩定和熱穩定是一個嚴峻考驗。甚至會引起繞組變形，絕緣下降，從而導致主變內部的損壞。另外對于變壓器內部故障略微大的情況，若不快速切除故障，故障發展可能導致變壓器內部損壞范圍擴大，故障后的修復周期加長。若故障引起的后果是危害主變的鐵心，那么這臺主變就可能徹底報廢；若故障引起的后果是點著變壓器的油，那么甚至引起主變燒毀。再有快速切除故障，有利于電網的穩定問題，因為在一定范圍內，電網穩定輸送功率與故障切除時間成反比。
因此變壓器差動保護快速切除故障對于電網的安全穩定運行、保護變壓器的設備安全、避免與減輕設備的損壞具有重要意義。
發明內容
本發明的目的是提供一種新型基于電壓跌落和時滯法比率差動原理的快速變壓器差動保護，該保護不用考慮變壓器的勵磁涌流，保證在略微嚴重的區內故障情況下，快速地切除故障(動作速度小于15ms)，并且在各種區外故障(包括區外故障的切換后的恢復過程，區外轉換性故障等)和任何非正常運行工況(勵磁涌流、和應涌流情況等)不誤動作。
本發明首次將工頻變化量電壓開放元件、電壓跌落(不平衡)元件、時滯法比率差動元件引入到變壓器差動保護中，既提高了變壓器比率差動保護的動作速度(最快動作速度可達10ms)，又防止了在各種外部短路情況下以及任何非正常運行工況下的誤動作。有效解決了變壓器比率差動保護的速動性與安全性的矛盾。
本發明的目的是這樣實現的基于電壓跌落和時滯法比率差動方法，快速變壓器差動保護由時滯法比率差動元件、工頻變化量電壓開放元件和電壓跌落(不平衡)元件共同組成(1)時滯法比率差動元件，其比率差動元件的動作方程可描述如下
Id>Iqd_setId>kIrIr=12Σi=1m|Ii|Id=|Σi=1mIi|---(1)]]>其中k為某一比例常數，I1......m分別為變壓器各側電流，Id為差動電流，Ir為制動電流，Iqd_set為最小動作定值，在本例中一般取為1.2倍變壓器額定電流。
考慮到在變壓器區內和區外短路時，電壓一般都會出現突變，而時滯法主要用于判別故障類型是區分是外部故障還是內部故障。其基本原理是根據故障開始時刻的一段時間內，故障分量中的差動電流與制動電流之間出現的時滯特性，來判別是否投入上述比率差動元件；若故障分量中制動電流時滯于差動電流，則自動投入比率差動元件。
(2)工頻變化量電壓開放元件ΔUd＞kΔUdt+Udth(2)其中ΔUdt為浮動門坎，隨著相電壓變化量輸出增大而逐步自動提高，k為某一比例常數，在本例中一般取為1.25。ΔUd為相電壓的半周積分值，Udth為固定門坎。
工頻變化量電壓開放元件用來區分鑒別故障開始時刻，開放時滯法比率差動元件。具有工頻變化量電壓開放元件的時滯法比率差動保護能夠在變壓器區內略微嚴重的故障情況下快速動作(動作速度小于15ms，最快動作速度可達10ms；遠大于目前微機變壓器比率差動保護的動作時間30ms)，并且在系統出現擾動的情況下(例如系統振蕩、頻率偏移等)，可以通過浮動門檻元件保證時滯法比率差動元件保護不被誤開放。
(3)電壓跌落(不平衡)元件為了保證差動保護感受的電流是從電力系統的正常工作方式過渡到另一種故障狀態，引入一個電壓從正常狀態過渡到非正常狀態的元件來開放差動保護，這樣即使是空投到帶內部故障(略微嚴重一些的故障)的變壓器，時滯法比率差動元件也能快速反應動作。
由于采用了上述全新的基于電壓跌落和時滯法比率差動原理的快速變壓器差動保護，變壓器差動保護的動作速度有了很大的提高，最快可達10ms；在各種略微嚴重的區內故障下，即使區內故障伴隨TA飽和現象出現，或者變壓器外部存在長線分布電容、無功補償電容時發生內部短路，此時由于諧振的原因會產生各種諧波，使得電流波形出現畸變，該保護都能很快的動作切除故障(動作速度小于15ms)，極大提高了變壓器比率差動保護的動作速度；而且在空投正常變壓器，區外故障切除及其恢復過程，區外轉換性故障過程，合應涌流情況和區外故障TA極度飽和的情況下(TA正確傳變時間1～2ms)也不會誤動作，這使得變壓器比率差動保護的速動性與安全性同時兼顧。
圖1為本發明電壓跌落(不平衡)元件實現的邏輯示意框圖，圖2為本發明保護的完整邏輯圖。
具體實施例方式
(1)時滯法比率差動元件，其比率差動元件的動作方程可描述如下Id>Iqd_setId>kIrIr=12Σi=1m|Ii|Id=|Σi=1mIi|]]>其中k為某一比例常數，取值范圍0.5-0.9，在本實施例中一般取為0.75，I1......m分別為變壓器各側電流，Id為差動電流，Ir為制動電流，Iqd_set為最小動作定值，取值范圍1.0-1.5倍變壓器額定電流，在本例中一般取為1.2倍變壓器額定電流。由于采用高起動定值、高制動特性，并且結合故障分量中的差動電流與制動電流之間出現的時滯特性，來判別是否投入上述比率差動元件；因此該元件能區分是否發生區內故障還是區外故障，并且具有很強的抗TA飽和能力(區外故障TA極度飽和的情況下即TA正確傳變時間1～2ms，也不會誤動作)。
(2)工頻變化量電壓開放元件的實現具體描述如下ΔUd＞kΔUdt+Udth其中ΔUdt為浮動門坎，隨著相電壓變化量輸出增大而逐步自動提高，k為某一比例常數，取值范圍1.1-1.5，在本例中一般取為1.25，保證門檻電壓始終略高于不平衡輸出，保證在系統振蕩或頻率偏移情況下，保護不誤動。ΔUd為相電壓的半周積分值，Udth為固定門坎。保證在系統電壓出現0.2Un(額定電壓)變化量時，工頻變化量電壓開放元件能夠可靠動作。
工頻變化量電壓開放元件用來區分鑒別故障開始時刻，開放時滯法比率差動元件。具有工頻變化量電壓開放元件的時滯法比率差動保護，能夠在變壓器區內略微嚴重的故障情況下快速動作(動作速度小于15ms，最快動作速度可達10ms；遠大于目前微機變壓器比率差動保護的動作時間30ms)，并且在系統出現擾動的情況下(例如系統振蕩、頻率偏移等)，可以通過浮動門檻元件保證時滯法比率差動元件保護不被誤開放。
(3)電壓跌落(不平衡)元件的實現具體描述如下該元件保證電力系統是從一種正常工作方式過渡到另一種故障狀態，本元件同時利用正序電壓的大小，零序電壓的大小和負序電壓的大小來判斷系統電壓是否處于正常水平，之后進入故障狀態，這樣能保證工頻變化量電壓元件捕捉是有效的電壓突變信息，該元件的邏輯示意框圖如圖1所示。正序電壓的升高，取值范圍40-55V；負序電壓降低，負序電壓的取值范圍3-8V；零序電壓降低，零序電壓的取值范圍8-18V。本實施例中的正序電壓的升高大于50V，零序電壓降低到12V，負序電壓降低到6V時構成電壓跌落(不平衡)元件。
(4)本保護的完整邏輯圖如圖2所示由于采用了上述全新的基于電壓跌落和時滯法比率差動原理的快速變壓器差動保護，變壓器差動保護的動作速度有了很大的提高，最快可達10ms；在各種略微嚴重的區內故障下，即使區內故障伴隨TA飽和現象出現，或者變壓器外部存在長線分布電容、無功補償電容時發生內部短路，此時由于諧振的原因會產生各種諧波，使得電流波形出現畸變，該保護都能很快的動作切除故障(動作速度小于15ms)，極大提高了變壓器比率差動保護的動作速度；而且在空投正常變壓器，區外故障切除及其恢復過程，區外轉換性故障過程，合應涌流情況和區外故障TA極度飽和的情況下(TA正確傳變時間1～2ms)也不會誤動作，這使得變壓器比率差動保護的速動性與安全性同時兼顧。
權利要求
1.基于電壓跌落和時滯法比率差動元件原理的快速變壓器差動保護方法，其特征是由時滯法比率差動元件、工頻變化量電壓開放元件和電壓跌落(不平衡)元件共同組成，時滯法比率差動元件，其比率差動元件的動作方程可描述如下 其中k為某一比例常數，I1......m分別為變壓器各側電流，Id為差動電流，Ir為制動電流，Iqd_set為最小動作定值；時滯法主要是根據故障時刻故障分量中的差動電流與制動電流的時滯特性來判別故障類型即區分是外部故障還是內部故障，若故障分量中制動電流時滯于差動電流，則自動投入比率差動元件；工頻變化量電壓開放元件ΔUd＞kΔUdt+Udth(2)其中ΔUdt為浮動門坎，隨著相電壓變化量輸出增大而逐步自動提高，k為比例常數，ΔUd為相電壓的半周積分值，Udth為固定門坎；工頻變化量電壓開放元件用來區分鑒別故障開始時刻，開放時滯法比率差動元件；電壓跌落(不平衡)元件利用正序電壓的大小，零序電壓的大小和負序電壓的大小來判斷系統電壓是否處于正常水平，之后進入故障狀態。
2.根據權利要求1所述的基于電壓跌落和時滯法比率差動元件原理的快速變壓器差動保護方法，其特征是時滯法比率差動元件k為某一比例常數，取值范圍0.5-0.9，Iqd_set為最小動作定值，取值范圍1.0-1.5倍變壓器額定電流。
3.根據權利要求1所述的基于電壓跌落和時滯法比率差動元件原理的快速變壓器差動保護方法，其特征是工頻變化量電壓開放元件k比例常數，取值范圍1.1-1.5。
4.根據權利要求1所述的基于電壓跌落和時滯法比率差動元件原理的快速變壓器差動保護方法，其特征是電壓跌落(不平衡)元件中正序電壓的升高，取值范圍40-55V；負序電壓降低，負序電壓的取值范圍3-8V；零序電壓降低，零序電壓的取值范圍8-18V；構成電壓跌落(不平衡)元件。
全文摘要
基于電壓跌落和時滯法比率差動元件原理的快速變壓器差動保護方法，由時滯法比率差動元件、工頻變化量電壓開放元件和電壓跌落(不平衡)元件共同組成。本發明提供一種新型基于電壓跌落和時滯法比率差動原理的快速變壓器差動保護，該保護不用考慮變壓器的勵磁涌流，保證在略微嚴重的區內故障情況下，快速地切除故障(動作速度小于15ms)，并且在各種區外故障(包括區外故障的切換后的恢復過程，區外轉換性故障等)和任何非正常運行工況(勵磁涌流、和應涌流情況等)不誤動作。
文檔編號H02H7/04GK1635681SQ200410064810
公開日2005年7月6日 申請日期2004年9月30日 優先權日2004年9月30日
發明者陳松林, 文繼鋒, 鄭玉平, 沈國榮, 金勇 申請人:南京南瑞繼保電氣有限公司