变压器复合电流差动保护方法和复合电流差动继电器

摘要

本发明公开了用于变压器内部故障的稳态量与故障分量的复合电流差动保护方法和复合电流差动继电器。由于常规的稳态量差动保护继电器在变压器重载时发生变压器本体匝间故障时或区外故障转换为区内匝间故障时(区外区内同时存在)灵敏度不够，本发明提出了基于稳态量与故障分量的复合电流差动保护方法和差动继电器。该继电器采用稳态量计算差流和制动电流构成一个稳态量双K差动继电器，采用故障分量(相电流突变量

说明书

技术领域

本发明属于继电保护技术中变压器保护领域，特别涉及一种变压器差动保护方法和差动继电器。

背景技术

目前，变压器稳态量差动保护继电器在变压器重载发生变压器本体匝间故障时或区外故障转换为区内匝间故障时(区外区内同时存在)，由于负荷电流或区外穿越性电流较大且大部分为制动电流，而匝间故障时故障电流相对较小主要为差动电流，导致稳态量差动保护继电器灵敏度不够无法动作。

如果采用减小比率制动系数K的方法，则在区外故障时由于变压器各侧CT的传变特性不一致、CT的暂态误差等因数可能会导致差动保护的误动，牺牲了差动保护的安全性。因此必须有条件的调整比率制动系数K，使之在区内故障时减小，在其他情况下增大，这样就在不影响差动继电器的安全性的前提下提高了差动继电器的灵敏度。

发明内容

为解决现有技术中变压器稳态量差动保护继电器在变压器重载发生变压器本体匝间故障时或区外故障转换为区内匝间故障时(区外区内同时存在)灵敏度不够的问题，同时必须兼顾继电器的安全性，本发明提出了一种基于稳态量与故障分量的变压器复合电流差动保护方法和复合电流差动继电器。

本发明公开了一种基于稳态量与故障分量的变压器复合电流差动保护方法，所述方法包括以下步骤：

一种基于稳态量与故障分量的变压器复合电流差动保护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)通过变压器各侧电流互感器测量并计算变压器各侧稳态量电流和故障分量电流，其中所述故障分量电流为突变量电流、负序电流或零序电流中的任一种；

(2)将所述变压器各侧稳态量电流绝对值最大的一侧作为稳态量差动保护的一端，将其余侧的稳态量电流和等效定为所述稳态量差动保护的另一端，上述稳态量差动保护的两端电流分别为稳态量差动电流记为其中

(3)将所述变压器各侧故障分量电流绝对值最大的一侧作为故障分量差动保护的一端，将其余侧的故障分量电流和等效定为所述故障分量差动保护的另一端，上述故障分量差动保护的两端电流分别为故障分量差动电流记为其中

(4)当同时满足以下变压器复合电流差动保护动作方程以及稳态量差动保护附加条件和故障分量差动保护附加条件时，变压器复合电流差动保护动作：

K，k，k₁为制动系数，

K取值范围为0.5～2之间；

k取值范围为0.1～1之间；

k₁取值范围为0.1～1之间；

I_set为稳态量差动保护设定的阈值；

FI_set分别为突变量、负序及零序附加条件设定的阈值。

根据上述差动保护方法，本发明还进一步公开了一种基于稳态量与故障分量的变压器复合电流差动继电器，所述复合电流差动继电器采用稳态量计算差流和制动电流构成一个稳态量双K差动继电器，采用故障分量电流计算差流和制动电流构成另一个故障分量附加条件的差动继电器，其中故障分量电流为突变量电流、负序电流或零序电流中的任一种；当复合电流差动继电器满足复合电流差动保护动作方程以及变压器稳态量差动保护附加条件和变压器故障分量差动保护附加条件时，该继电器动作。

该复合电流差动继电器的实现方法，进一步优选但不局限于以下方式来实现：

(1)将多侧差动转换为两侧差动

采用由多侧差动转换为两侧差动的方法。

稳态量差动：

找到多侧中的稳态量电流绝对值最大侧，且将该侧定为一端，将其余侧的稳态量电流和等效定为另一端。分别命名M和∑-M，常作为电流的下标。

——稳态量差动电流

——各侧中稳态量电流最大侧电流

——其余侧等效电流

故障分量包括相电流突变量负序电流零序电流记为

找到多侧中的故障分量电流绝对值最大的一侧，下面以突变量电流为例将突变量电流绝对值最大侧定为一侧，将其余侧的突变量电流和等效定为另一侧。分别命名M和∑-M，常作为电流的下标。

——突变量差动电流

——各侧中突变量电流最大侧电流

——其余侧等效电流

(2)稳态量与故障分量复合电流差动继电器动作方程

双K值比率差动方程的通用表达式：将两侧电流中的大电流乘小制动系数k；小电流乘大制动系数K。分别取不同制动系数有利于改善动作特性。如下式：

$\left|{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge |k{\stackrel{·}{I}}_M-K{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}|=|k/K{\stackrel{·}{I}}_M-{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}|$

稳态量分相电流差动如下式所述：

$\left|{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge K|k{\stackrel{·}{I}}_M-({\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}-k_1{\stackrel{·}{I}}_{1\Sigma -M})|---\left(1\right)$

其中，为的电流正序分量；

K，k，k₁为制动系数，

K取值范围为0.5～2之间；

k取值范围为0.1～1之间；

k₁取值范围为0.1～1之间；

I_set为稳态量差动保护设定的阈值；

FI_set分别为突变量、负序及零序附加条件设定的阈值。。故障分量电流差动如下式所述：

$\left|F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge K|\mathrm{kF}{\stackrel{·}{I}}_M-F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}|---\left(2\right)$

将式(1)×式(2)得到稳态量与故障分量的复合电流差动继电器。令K＝1，得到下式：

$\left|F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|{|\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }|\ge |\mathrm{kF}{\stackrel{·}{I}}_M-F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}\left|\right|k{\stackrel{·}{I}}_M-({\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}-k_1{\stackrel{·}{I}}_{1\Sigma -M})|$

不等式两边除以得到下式：

$\left|{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge \frac{|\mathrm{kF}{\stackrel{·}{I}}_M-F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}|}{\left|F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|}|k{\stackrel{·}{I}}_M-({\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}-k_1{\stackrel{·}{I}}_{1\Sigma -M})|$

令当K＜0.5时，强制性K＝0.5，得到：

$\left|{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge K|k{\stackrel{·}{I}}_M-({\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}-k_1{\stackrel{·}{I}}_{1\Sigma -M})|---\left(3\right)$

复合电流差动继电器附加动作条件：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

在变压器重载发生变压器本体匝间故障时或区外故障转换为区内匝间故障时(区外区内同时存在)，由于负荷电流或区外穿越性电流较大且为制动电流，而匝间故障时故障电流相对较小主要为差动电流，导致稳态量差动保护继电器灵敏度不够而保护无法动作。故障分量电流差动与负荷无关，动作性能优良。但是，故障分量电流差动也有自身的问题：如，零序、负序是三相运算的结果，不能选相。当发生区内外同时性故障，若外部故障强于内部故障，可能拒动。又如，相电流突变量，一般突变量差动不能长期投入，计算突变量时，减数为当前电流，被减数为前一周或前两周电流，由于被减数的复杂性，前一周或前两周可能无故障、可能已经存在故障、可能发生振荡等。为了长期投入突变量差动，必须附加苛刻的限制条件和这两个条件同时满足几乎就是区内故障了。更何况，故障分量差动只是有限度地改变稳态量分相电流差动的制动系数。两类差动有机结合，相互补充、相互制约。总之，故障分量差动帮助稳态量差动提高灵敏度；稳态量差动帮助故障分量差动提高安全性。

附图说明

图1为典型的变电站变压器的系统图及差动保护范围说明；

图2为变压器典型的差动继电器动作曲线；

图3为本发明提出的变压器差动继电器动作曲线；

图4为本发明功能实现的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。参见图1，典型的变电站变压器的系统图及差动保护范围说明。

图1中曲线所包括的范围为差动保护继电器保护的范围，称为区内故障，采用变压器各侧电流构成。曲线外的故障称为区外故障。图1中虚线方框为变压器本体内的绕组故障称为匝间故障。

参见图2，该图为变压器典型的差动继电器动作曲线。其动作方程为：

$\left|{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge K|{\stackrel{·}{I}}_M-{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}|$

附加条件：

$\left|{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge I_{\mathrm{set}}$

图2中纵坐标为差动电流，横坐标为制动电流，I_set为最小动作电流，K为斜率为一固定的整定值。比率差动保护曲线是由差动电流和制动电流构成的动作曲线。曲线上方为动作区。

本发明的一种基于稳态量与故障分量的变压器复合电流差动保护方法，如图4所示，其具体实现方法如下：

(1)通过变压器各侧电流互感器测量并计算变压器各侧稳态量电流和突变量电流，并以高压侧的电流为基准，将其他侧电流归算到高压侧；

以高压侧的电流为基准，其他各侧向高压侧归算。计算各侧的平衡系数为：

计算变压器各侧一次额定电流：

式中：S_e为变压器最大额定容量；U_1e为变压器各侧额定电压(应以运行的实际电压为准)。

计算变压器各侧二次额定电流：

式中：I_1e为变压器各侧一次额定电流；n_LH为变压器各侧CT变比。以高压侧为基准，计算变压器中、低压侧平衡系数：

$K_{\mathrm{ph}.M}=\frac{I_{2e.H}}{I_{2e.M}}=\frac{I_{1e.H}/n_{\mathrm{LH}.H}}{I_{1e.M}/n_{\mathrm{LH}.H}}=\frac{S_e/\sqrt{3}{U}_{1e.H}}{S_e/\sqrt{3}{U}_{1e.M}}·\frac{n_{\mathrm{LH}.M}}{n_{\mathrm{LH}.H}}=\frac{U_{1e.M}}{U_{1e.H}}·\frac{n_{\mathrm{LH}.M}}{n_{\mathrm{LH}.H}}$

$K_{\mathrm{ph}.L}=\frac{U_{1e.L}}{U_{1e.H}}·\frac{n_{\mathrm{LH}.L}}{n_{\mathrm{LH}.H}}$

将其他侧各相电流与相应的平衡系数相乘，即得幅值补偿后的各相电流。

(2)各侧电流相位补偿

变压器各侧CT二次电流相位由软件自校正，以在Y侧进行校正相位(以11点接线变压器为例)。其校正方法如下：

Y0侧：$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_A^{\prime }=({\stackrel{·}{I}}_A-{\stackrel{·}{I}}_B)/\sqrt{3}\\ {\stackrel{·}{I}}_B^{\prime }=({\stackrel{·}{I}}_B-{\stackrel{·}{I}}_C)/\sqrt{3}\\ {\stackrel{·}{I}}_C^{\prime }=({\stackrel{·}{I}}_C-{\stackrel{·}{I}}_A)/\sqrt{3}\end{array}\right)$

式中：为Y侧CT二次电流；为Y侧校正后的各相电流。其它接线方式可以类推。

差动电流与制动电流的相关计算，都是在电流相位校正和平衡补偿后的基础上进行。

(3)差动电流计算

差动电流的计算方法如下：

${\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\stackrel{·}{I}}_i$

式中：为差动电流；为所有侧相电流之和。

(4)多侧差动转换为两侧差动的方法。

1)稳态量差动：

找到多侧中的稳态量电流绝对值最大侧，且将该侧定为一侧，将其余侧的稳态量电流和等效定为另一侧。分别命名M和∑-M，常作为电流的下标。

——稳态量差动电流

——各侧中稳态量电流最大侧电流

——其余侧等效电流

2)故障分量差动(包括相电流突变量负序电流零序电流)下面以相电流突变量为例：

找到多侧中的突变量电流绝对值最大侧，且将该侧定为一侧，将其余侧的突变量电流和等效定为另一侧。分别命名M和∑-M，常作为电流的下标。

——突变量差动电流

——各侧中突变量电流最大侧电流

——其余侧等效电流

(5)稳态量与故障分量复合电流差动继电器动作方程双K值比率差动方程的通用表达式：将两侧电流中的大电流乘小制动系数k；小电流乘大制动系数K。分别取不同制动系数有利于改善动作特性。如下式：

$\left|{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge |k{\stackrel{·}{I}}_M-K{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}|=|k/K{\stackrel{·}{I}}_M-{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}|$

稳态量分相电流差动如下式所述：

$\left|{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge K|k{\stackrel{·}{I}}_M-({\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}-k_1{\stackrel{·}{I}}_{1\Sigma -M})|---\left(1\right)$

其中，为的电流正序分量；

K，k，k₁为制动系数，

K取值范围为0.5～2之间；

k取值范围为0.1～1之间；

k₁取值范围为0.1～1之间；

故障分量电流差动如下式所述：

$\left|F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge K|\mathrm{kF}{\stackrel{·}{I}}_M-F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}|---\left(2\right)$

将式(1)×式(2)得到稳态量与故障分量的复合电流差动继电器。令K＝1，得到下式：

$\left|F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|{|\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }|\ge |\mathrm{kF}{\stackrel{·}{I}}_M-F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}\left|\right|k{\stackrel{·}{I}}_M-({\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}-k_1{\stackrel{·}{I}}_{1\Sigma -M})|$

不等式两边除以得到下式：

$\left|{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge \frac{|\mathrm{kF}{\stackrel{·}{I}}_M-F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}|}{\left|F{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|}|k{\stackrel{·}{I}}_M-({\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}-k_1{\stackrel{·}{I}}_{1\Sigma -M})|$

令当K＜0.5时，强制性K＝0.5，得到：

$\left|{\stackrel{·}{I}}_{\Sigma }\right|\ge K|k{\stackrel{·}{I}}_M-({\stackrel{·}{I}}_{\Sigma -M}-k_1{\stackrel{·}{I}}_{1\Sigma -M})|---\left(3\right)$

复合电流差动继电器附加动作条件：

其动作曲线如图3。

从图3和图2的对比可以看出，常规典型的比率制动曲线是一条固定的曲线，对于任何情况都是一陈不变的。本发明提出的继电器则是一簇曲线，其通过故障的严重程度来调整曲线斜率。在变压器重载发生变压器本体匝间故障时或区外故障转换为区内匝间故障时(区外区内同时存在)，由于负荷电流或区外穿越性电流较大且为制动电流，而匝间故障时故障电流相对较小，导致稳态量差动保护继电器灵敏度不够无法动作。故障分量电流差动与负荷无关，动作性能优良。但是，故障分量电流差动也有自身的问题：如，零序、负序是三相运算的结果，不能选相。当发生区内外同时性故障，若外部故障强于内部故障，可能拒动。又如，相电流突变量，一般突变量差动不能长期投入，计算突变量时，被减数为当前电流，减数为前一周或前两周电流，由于减数的复杂性，前一周或前两周可能无故障、可能已经存在故障、可能发生振荡等。为了长期投入突变量差动，必须附加苛刻的限制条件和这两个条件同时满足几乎就是区内故障了。更何况，突变量差动只是有限度地改变稳态量分相电流差动的制动系数。两类差动有机结合，相互补充、相互制约。总之，故障分量差动帮助稳态量差动提高灵敏度；稳态量差动帮助故障分量差动提高安全性。

本发明还公开了一种基于稳态量与故障分量的变压器复合电流差动继电器，所述复合电流差动继电器采用稳态量计算差流和制动电流构成一个稳态量双K差动继电器，采用故障分量电流计算差流和制动电流构成另一个故障分量双K差动继电器；当复合电流差动继电器满足以下动作方程时，该继电器动作：

K，k，k₁为制动系数，

K取值范围为0.5～2之间；

k取值范围为0.1～1之间；

k₁取值范围为0.1～1之间；

I_set为稳态量差动保护设定的阈值；

FI_set分别为突变量、负序及零序附加条件设定的阈值。