采樣值差動(dòng)保護(hù)安全性及靈敏度分析

采樣值差動(dòng)保護(hù)安全性及靈敏度分析

0采樣值差動(dòng)保護(hù)s值的選取在微型計(jì)算機(jī)的保護(hù)中，大多數(shù)基于相量值的行為（以下簡(jiǎn)稱(chēng)相量值的不良行為保護(hù)）被廣泛使用，并具有豐富的操作經(jīng)驗(yàn)。相量值差動(dòng)保護(hù)的比率制動(dòng)特性沒(méi)有模糊區(qū),但會(huì)受到變壓器空投和故障恢復(fù)時(shí)勵(lì)磁涌流的影響。目前常通過(guò)二次諧波閉鎖防止勵(lì)磁涌流引起保護(hù)誤動(dòng),但在空投于變壓器內(nèi)部輕微故障時(shí),需等到二次諧波充分衰減后才能出口,動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)。采樣值差動(dòng)保護(hù),采用差流采樣值多點(diǎn)重復(fù)判別,其原理具有抗勵(lì)磁涌流和CT飽和影響的能力,能在空投于變壓器內(nèi)部輕微故障時(shí)快速出口,但其靈敏度會(huì)受到動(dòng)作模糊區(qū)的影響。數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度R、重復(fù)判斷次數(shù)S值的合理選取是改善采樣值差動(dòng)保護(hù)安全性和靈敏度的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是目前研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)指出區(qū)外故障時(shí),符合采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)的信號(hào)的角度范圍在半個(gè)周波內(nèi)必須大于90°才能滿足安全性要求,但問(wèn)題是S值若選定得太大,采樣值差動(dòng)保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障時(shí)有可能拒動(dòng)。文獻(xiàn)分析采樣值差動(dòng)保護(hù)的差流門(mén)檻值與S之間的關(guān)系。文獻(xiàn)研究采樣值差動(dòng)保護(hù)在變壓器空投勵(lì)磁涌流情況下的動(dòng)作行為,并通過(guò)動(dòng)模試驗(yàn)數(shù)據(jù)作了分析。但因動(dòng)模試驗(yàn)的局限性很難對(duì)算法進(jìn)行全面定量的研究。目前相關(guān)文獻(xiàn)中均沒(méi)有系統(tǒng)分析采樣值差動(dòng)保護(hù)對(duì)變壓器區(qū)內(nèi)故障檢測(cè)的靈敏度問(wèn)題。實(shí)際上為了保證采樣值差動(dòng)保護(hù)在區(qū)外故障、勵(lì)磁涌流、CT飽和等情況下不誤動(dòng),期望S值越大越好;但若S值選取的太大,在變壓器區(qū)內(nèi)輕微故障時(shí),會(huì)發(fā)生因滿足動(dòng)作判據(jù)的點(diǎn)數(shù)小于S,以至于難以檢測(cè)出故障的情況。研究如何確定S的取值范圍,既保證區(qū)外故障的安全性,又保證在區(qū)內(nèi)故障的靈敏度具有重要意義。本文以區(qū)內(nèi)故障時(shí)的相量模型為基礎(chǔ),分析得出了采樣值差動(dòng)保護(hù)區(qū)外故障時(shí)具有大于相量值差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)性能、區(qū)內(nèi)故障時(shí)具有高于相量值差動(dòng)保護(hù)的靈敏度的條件,并基于此確定了采樣值差動(dòng)保護(hù)R、S值的整定范圍。進(jìn)而,本文利用EMTP搭建了變壓器內(nèi)部故障的簡(jiǎn)化仿真模型,對(duì)上述確定的采樣值差動(dòng)保護(hù)的R、S值進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。1采樣值差動(dòng)保護(hù)的定值相量值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性曲線上的啟動(dòng)電流、制動(dòng)電流拐點(diǎn)值和比率系數(shù)都有其明確的含義,能夠明確整定、準(zhǔn)確測(cè)量。采樣值差動(dòng)在一個(gè)數(shù)據(jù)窗內(nèi)連續(xù)重復(fù)多次判斷,如果均滿足保護(hù)動(dòng)作判據(jù),保護(hù)動(dòng)作。由于信號(hào)量初相角的隨機(jī)性,采樣值差動(dòng)保護(hù)判據(jù)存在很大的模糊區(qū),模糊區(qū)的存在直接影響了保護(hù)的動(dòng)作精度。采樣值差動(dòng)保護(hù)的定值除了差流門(mén)檻定值、比率制動(dòng)系數(shù)外,還有數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度R和重復(fù)判斷次數(shù)S需要整定。R、S值沒(méi)有明確的物理意義,但其值的選取影響動(dòng)作特性模糊區(qū)的大小。2分析采樣值的差異，選擇s值2.1采樣點(diǎn)制動(dòng)特性只要數(shù)據(jù)窗內(nèi)全部是故障后的數(shù)據(jù),相量值差動(dòng)保護(hù)算法的動(dòng)作量和制動(dòng)量都不受初相角的影響,恒定不變。判據(jù)如下:式中:Id、Ir為相量值差動(dòng)保護(hù)中的差流、制動(dòng)電流有效值;為流入變壓器兩側(cè)的電流相量值;Kzp、I0為相量值差動(dòng)保護(hù)的比率制動(dòng)系數(shù)定值、差流門(mén)檻值。采樣值差動(dòng)保護(hù)由于采樣時(shí)刻不同,各采樣點(diǎn)之間的制動(dòng)特性也不同,因此制動(dòng)特性隨時(shí)間變化。判據(jù)如下:式中:di、ri為采樣值差動(dòng)判據(jù)對(duì)應(yīng)的差流、制動(dòng)電流;Mi、Ni為流入變壓器兩側(cè)電流的瞬時(shí)值;Kzs、I0為采樣值差動(dòng)判據(jù)對(duì)應(yīng)的比率制動(dòng)系數(shù)定值、差流門(mén)檻定值。從以上判據(jù)可以看出,兩個(gè)判據(jù)的制動(dòng)特性都是過(guò)原點(diǎn)的制動(dòng)曲線,采樣值差動(dòng)的所有計(jì)算都是基于采樣點(diǎn)瞬時(shí)數(shù)據(jù)。2.2相量值差動(dòng)保護(hù)的整定系數(shù)k為分析差動(dòng)保護(hù)的靈敏度和安全性,本文定義了計(jì)算制動(dòng)系數(shù),即差流和制動(dòng)電流的模值比(相量值差動(dòng))或瞬時(shí)值比(采樣值差動(dòng)),比率制動(dòng)系數(shù)為整定值,整定后不會(huì)變化,瞬時(shí)值比隨著系統(tǒng)電流的變化而變化。為了分析比較相量值差動(dòng)保護(hù)和采樣值差動(dòng)保護(hù)的靈敏度,利用變壓器相量模型分別計(jì)算相量值差動(dòng)和采樣值差動(dòng)的計(jì)算制動(dòng)系數(shù),把它們同時(shí)標(biāo)注到差流、制動(dòng)電流平面上。由圖1可知,在區(qū)外故障時(shí),相量值差動(dòng)保護(hù)的模值比為常數(shù)Kpc,不會(huì)隨時(shí)間變化,采樣值差動(dòng)保護(hù)的瞬時(shí)值比隨時(shí)間變化,分布在A區(qū)或B區(qū),其中Kzd為相量值差動(dòng)整定的比率制動(dòng)系數(shù)。A區(qū)的瞬時(shí)值比小于Kpc,說(shuō)明此時(shí)采樣值差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)性能優(yōu)于相量值差動(dòng)保護(hù),B區(qū)的瞬時(shí)值比大于Kpc,說(shuō)明此時(shí)采樣值差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)性能比相量值差動(dòng)保護(hù)差,區(qū)外故障時(shí)這部分點(diǎn)有可能誤動(dòng)作。因此,整定采樣值差動(dòng)的S值時(shí),只要S值大于落到B區(qū)中的點(diǎn)數(shù),采樣值差動(dòng)保護(hù)在區(qū)外故障時(shí),保證可靠不動(dòng)作,從而確定S值的下限。區(qū)內(nèi)故障時(shí),如圖2所示,采樣值差動(dòng)保護(hù)落在A區(qū)內(nèi)的瞬時(shí)值比大于Kpc,此時(shí),采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能優(yōu)于相量值差動(dòng)保護(hù),即靈敏度比相量值差動(dòng)保護(hù)高;相反,瞬時(shí)值比落在B區(qū)的保護(hù)靈敏度低于相量值差動(dòng)保護(hù)。因此,我們只要找出最嚴(yán)酷的系統(tǒng)情況,即在內(nèi)部故障時(shí),半個(gè)工頻周期內(nèi)符合采樣值差動(dòng)動(dòng)作判據(jù)的點(diǎn)最少,求出進(jìn)入A區(qū)的點(diǎn)個(gè)數(shù),S的整定值只要小于A區(qū)的點(diǎn)數(shù),就能保證可靠動(dòng)作,從而確定S值的上限。2.3在采樣值差的外部故障期間，s值的范圍為2.4動(dòng)作判據(jù)的分辨率首先找出區(qū)內(nèi)故障時(shí),差動(dòng)保護(hù)最不容易動(dòng)作的條件,然后根據(jù)該條件確定圖2中A區(qū)滿足動(dòng)作判據(jù)的點(diǎn)數(shù),只要S取值小于A區(qū)的點(diǎn)數(shù)就能保證采樣值差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)故障可靠動(dòng)作。在以下分析中,變壓器的相量模型作如下簡(jiǎn)化:變壓器為一個(gè)線性電感,故障發(fā)生在變壓器端部,變壓器區(qū)內(nèi)、外故障時(shí),保護(hù)裝置感受到的變壓器高、低壓側(cè)電流只是相角差和幅值的不同。2.4.1制動(dòng)系數(shù)kphasor計(jì)算設(shè)區(qū)內(nèi)故障時(shí)變壓器兩側(cè)的電流有效值為IM、IN,IM≥IN,相位差為?。文獻(xiàn)中指出,區(qū)外故障時(shí),流入變壓器的電流,經(jīng)過(guò)變壓器高、低壓側(cè)CT傳變以后,120°≤?≤180°。對(duì)于變壓器區(qū)內(nèi)故障,既要考慮CT的非線性傳變,還要考慮系統(tǒng)阻抗和各種故障類(lèi)型,相位差取0°≤?≤110°。如果兩側(cè)電流的相位差最大為180°,則110°≤?≤120°為動(dòng)作模糊區(qū)(區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障都沒(méi)有考慮這個(gè)區(qū)域),實(shí)際情況下很難碰到。選用模值和制動(dòng)方式時(shí),差流、制動(dòng)電流和它們的計(jì)算制動(dòng)系數(shù)如下:式(3)中差流、制動(dòng)電流的大小只與流入變壓器電流的有效值和它們之間的相位差有關(guān)系。比值如下:其中:為模值比,即相量值差動(dòng)計(jì)算制動(dòng)系數(shù)。從公式(4)可以看出,Kphasor值的大小只與變壓器高、低壓側(cè)的電流幅值比和相位差有關(guān)。變壓器兩側(cè)的電流幅值一定時(shí),相位差為0°時(shí)計(jì)算制動(dòng)系數(shù)Kphasor取得最大值,比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作最靈敏;相位差為110°時(shí),情況最?lèi)毫?計(jì)算制動(dòng)系數(shù)Kphasor取最小值。同時(shí),由式(4)可得?=110°時(shí)Kphasor和z的關(guān)系,如圖3所示。當(dāng)z從0(變壓器空載,低壓側(cè)電流IN為0)變到1時(shí)(區(qū)內(nèi)故障,流入變壓器的兩側(cè)電流幅值相等),可以計(jì)算出Kphasor的值,從圖中可以看出,當(dāng)z等于0時(shí),計(jì)算制動(dòng)系數(shù)Kphasor值最大,其值為2,即變壓器低壓側(cè)不帶負(fù)荷空投的時(shí)候,模值比最大,比率差動(dòng)元件肯定要?jiǎng)幼鳌．?dāng)z等于1時(shí),計(jì)算制動(dòng)系數(shù)Kphasor值最小,比率差動(dòng)元件最難動(dòng)作,為了讓區(qū)內(nèi)故障比率差動(dòng)元件可靠動(dòng)作,我們選擇最嚴(yán)酷的分析條件是?為110°并且變壓器高、低壓側(cè)的電流幅值相等。2.4.2計(jì)算制動(dòng)系數(shù)kspx變壓器兩側(cè)電流為:式中:θ為?t;ω為電力系統(tǒng)的角頻率。差流和制動(dòng)電流表達(dá)式如下:采樣值差動(dòng)判據(jù)中,差流和制動(dòng)電流之比為:式中,Kphasor為瞬時(shí)值比,即采樣值差動(dòng)保護(hù)的計(jì)算制動(dòng)系數(shù)。本文研究在最不利的情況下,采樣值差動(dòng)保護(hù)計(jì)算制動(dòng)系數(shù)和相量值差動(dòng)計(jì)算制動(dòng)系數(shù)的關(guān)系,通過(guò)確定圖2中進(jìn)入A區(qū)的點(diǎn)數(shù)來(lái)確定合適的S值。如前所述,當(dāng)?為110°,z等于1時(shí),相量值差動(dòng)保護(hù)中的計(jì)算制動(dòng)系數(shù)Kphasor最小,保護(hù)最不易動(dòng)作,這時(shí)Kphasor=1.1472,即圖2中Kpc。在這種條件下,要求采樣值差動(dòng)保護(hù)可靠動(dòng)作,則Ksample≥Kphasor,但采樣值差動(dòng)保護(hù)中計(jì)算制動(dòng)系數(shù)受θ值的影響,以θ為變量,分別計(jì)算Kphasor和Ksample,如圖4所示。圖4中Kphasor為一條直線,不受θ值的影響,對(duì)應(yīng)圖2中的Kpc直線的斜率,圖中Ksample>Kphasor的部分,對(duì)應(yīng)圖2中的A區(qū),Ksample<Kphasor的部分對(duì)應(yīng)與圖2中的B區(qū)。從圖中可以看出,在該故障情況下,A區(qū)內(nèi)有121/360N點(diǎn)滿足采樣值差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作條件,也就是說(shuō)θ在半個(gè)工頻周期π的范圍內(nèi),在最不利的情況下,采樣值差動(dòng)保護(hù)要可靠動(dòng)作,必須S≤360121N。2.5采樣值差動(dòng)保護(hù)由以上分析可以看出,區(qū)外故障時(shí),為了保證采樣值差動(dòng)保護(hù)的安全性,S>N/4,區(qū)內(nèi)最苛刻的故障條件下采樣值差動(dòng)保護(hù)能可靠動(dòng)作,因此,采樣值差動(dòng)保護(hù)在安全性和靈敏度兼顧的情況下,R值的選取可參考文獻(xiàn),當(dāng)R比S值大3個(gè)點(diǎn)時(shí),采樣值比率差動(dòng)動(dòng)作特性的模糊區(qū)最小,所以當(dāng)每周波24點(diǎn)采樣,采樣值差動(dòng)保護(hù)采用模值和制動(dòng)時(shí),S=16,R=19。3模擬分析3.1變壓器模型及短路模擬為了檢驗(yàn)以上分析,本文使用EMTP建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的電力系統(tǒng)模型,系統(tǒng)參數(shù)如圖5所示。對(duì)于變壓器內(nèi)部故障的仿真,采用“黑盒”仿真的原理。變壓器內(nèi)部故障時(shí),我們只對(duì)端口的電流、電壓感興趣,所以可以簡(jiǎn)化變壓器內(nèi)部復(fù)雜的電磁暫態(tài)過(guò)程,研究端口電流、電壓和短路匝電流的大小是否符合實(shí)際情況。文中還需要研究變壓器由于采用了匝間短路模型,其繞組參數(shù)(漏感抗、線圈電阻)在正常運(yùn)行時(shí)是否和非故障變壓器繞組參數(shù)一致。因此,選用三個(gè)單相變壓器模型構(gòu)成三相變壓器模型,設(shè)有匝間短路的變壓器模型如圖6所示。高壓側(cè)繞組為Y0接線,低壓側(cè)繞組為△接線。為了仿真變壓器內(nèi)部的匝間短路,在B相的第三繞組線圈中增加了電阻和開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電路(后面分析為什么設(shè)在B相),如圖6所示。左邊為高壓側(cè)繞組,額定電壓為500kV,右邊為低壓側(cè)繞組額定電壓為230kV,為兩個(gè)線圈串聯(lián),額定電壓分別為220kV和10kV,串聯(lián)電阻R是為了模擬短路匝回路中接觸電阻或弧光電阻對(duì)短路匝電流的影響。當(dāng)變壓器正常工作時(shí)K1閉合,K2斷開(kāi),低壓側(cè)為兩個(gè)線圈串聯(lián)供電,當(dāng)發(fā)生匝間短路時(shí),K2閉合,K1斷開(kāi),低壓側(cè)通過(guò)220kV繞組供電,10kV繞組為短路匝繞組,繞組電流為短路匝電流,表示4.3%匝短路(10/230=4.3%)。圖5中,低壓母線A相上設(shè)置接地開(kāi)關(guān),模擬單相接地故障,保護(hù)算法計(jì)算用數(shù)據(jù)是流過(guò)斷路器B1和B2的電流,空投試驗(yàn)時(shí),斷開(kāi)斷路器B2,合上斷路器B1。3.2變壓器短路模型為了保證變壓器匝間短路模型和正常繞組模型漏抗、繞組電阻的一致性,必須對(duì)短路繞組(圖6中的W3繞組)的參數(shù)進(jìn)行歸算。式中:Rbase230、Lbase230為變壓器正常繞組模型的繞組電阻、漏感的基準(zhǔn)值;Rbase2、Rbase3為根據(jù)短路匝數(shù)比調(diào)整繞組額定電壓后,計(jì)算出的第二、第三繞組電阻、電感基準(zhǔn)值;Kn、2V、3V分別為短路匝數(shù)比,單相變壓器匝間短路模型第二繞組(圖6W2)、第三繞組(圖6W3)的額定電壓。公式(8)中假設(shè)正常變壓器模型中繞組電阻和漏感標(biāo)幺值為0.002和0.08。為了檢測(cè)兩個(gè)模型參數(shù)是否一致,論文在各種工況下進(jìn)行了仿真,圖7為變壓器空投時(shí)各側(cè)電壓、電流值,圖8為變壓器區(qū)外故障時(shí)各側(cè)電壓、電流值。從中可以看出兩個(gè)模型的輸出電流、電壓波形完全重合,仿真表明兩個(gè)模型內(nèi)部參數(shù)完全相等。3.3采樣值差動(dòng)保護(hù)仿真分析變壓器的額定電流Ie=519.6152A,差流門(mén)檻值整定為20%Ie,Iqd=100A,根據(jù)文中2.4節(jié)的分析,采樣值差動(dòng)的門(mén)檻值為144.1A?？胀蹲儔浩鲿r(shí)采樣值差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作行為如表1所示。A相電壓合閘角為0°時(shí)的勵(lì)磁涌流波形如圖9所示。從表1可知,電源合閘角(A相電壓)為0°時(shí),A相繞組中的磁通初始角為90°,此時(shí)的勵(lì)磁涌流最大。在變壓器差動(dòng)保護(hù)中,計(jì)算差流和制動(dòng)電流之前通常需要轉(zhuǎn)角補(bǔ)償,補(bǔ)償由于變壓器繞組接線方式不同造成的原、副方相電流的角度差,因此由圖9可知,由于B、C相勵(lì)磁涌流均偏向時(shí)間軸的一側(cè),且大小比較接近,A相電流最大,偏向時(shí)間軸另一側(cè),通過(guò)轉(zhuǎn)角補(bǔ)償后,A、C相差流最大,B相差流最小,A、C相中滿足采樣值差動(dòng)動(dòng)作判據(jù)的點(diǎn)數(shù)最多,分別為14、13個(gè)點(diǎn),但S=16,所以在最大勵(lì)磁涌流幅值時(shí),采樣值差動(dòng)保護(hù)能夠可靠閉鎖。隨著合閘角的增大,勵(lì)磁涌流的幅值減少,電源合閘角90°時(shí)最小,這時(shí)采樣值差動(dòng)保護(hù)滿足動(dòng)作判據(jù)的點(diǎn)數(shù)也最少,分別為5、6,從表1可以看出,當(dāng)合閘角大于30°時(shí)采樣值差動(dòng)保護(hù)的B相滿足動(dòng)作判據(jù)的點(diǎn)數(shù)為0,因?yàn)檗D(zhuǎn)角補(bǔ)償后差流小于差流門(mén)檻值。由空投變壓器勵(lì)磁涌流的仿真分析可知,在三相剩磁分別為0.8,-0.4,0.4、合閘角為0°條件下,B相差流幅值最小,B相采樣值差動(dòng)保護(hù)靈敏度最低,所以匝間短路故障應(yīng)該設(shè)在B相上,其他條件不變,研究采樣值差動(dòng)保護(hù)對(duì)于空投于變壓器匝間故障的靈敏度?？胀队贐相匝間故障時(shí),采樣值差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作行為如表2所示。由表2可知,當(dāng)短路匝數(shù)比小于5.3%時(shí),采樣值差動(dòng)保護(hù)將檢測(cè)不到B相