基于采樣值差動原理的變壓器差動速斷保護抗飽和優化措施

（長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

變壓器差動速斷保護的主要功能是在變壓器嚴重區內故障時快速動作，切除故障變壓器。變壓器速斷保護要求在1.5倍定值下，20 ms可靠動作出口[1]。變壓器差動速斷保護可理解為差流的過流保護，一般整定門檻值較高，且不受勵磁涌流、CT（電流互感器）斷線及CT飽和的閉鎖。差動速斷定值通常按躲過變壓器空投時的最大勵磁涌流或外部故障時的最大不平衡電流整定，而勵磁涌流和外部故障時的不平衡電流很難準確計算，尤其當區外故障時會因CT飽和產生不平衡電流，因此在實際工程中通常采用經驗值。現場曾發生多起由于CT飽和導致的保護誤動作情況[2-9]。

本文根據現場一起由于CT飽和引起的差動速斷動作行為進行分析，提出了一種基于采樣值差動原理的差動速斷保護抗飽和措施。

1 現場情況說明

某220 kV變電站主接線方式如圖1所示。其中220 kV雙母線接線，110 kV，35 kV單母雙分接線，2臺180 MW三圈變壓器（220 kV/110 kV/35 kV）。故障前運行狀態為1號主變壓器（以下簡稱“主變”）高壓側、中壓側斷路器合位運行，低壓側斷路器分位。2號主變高壓側、中壓側、低壓側斷路器合位運行，低壓側分段合位。

圖1 主接線圖

運行中，35 kVⅡ段母線一條出線間隔發生接地短路故障，線路保護裝置正確動作，跳開線路斷路器，同時2號主變雙套保護的差動速斷保護動作，跳開2號主變三側斷路器。

現場變壓器保護裝置定值見表1，變壓器差動速斷保護動作時刻的差動電流幅值見表2。

表1 變壓器保護定值

35 kV線路故障期間，變壓器高、中、低各側電流波形如圖2所示。

表2 保護動作時刻差流幅值

圖2 變壓器各側電流波形

2 保護動作原因分析

根據現場波形分析，變壓器區外低壓側發生故障時流經變壓器的故障電流較大，低壓側A相CT二次電流最大峰值到達140.7 A，CT發生飽和，波形傳變異常，畸變嚴重。

從變壓器自身安全角度出發，差動速斷保護的設計要求簡單可靠，不受CT飽和閉鎖，當差流幅值滿足差動速斷門檻值時即滿足差動速斷動作條件。

現場差動速斷保護動作時刻，A相差流幅值為7.811 A，大于差動速斷門檻值（7.06 A），滿足差動速斷保護動作條件，因此保護動作。

3 CT飽和原因及波形特征分析

從保護動作波形分析可知，在區外故障期間，變壓器高壓側、中壓側電流波形均傳變正常，低壓側電流在故障開始時傳變正常，隨著故障的持續發展，三相電流傳變異常，出現飽和特征。

3.1 CT飽和原因分析

一般情況下引起CT飽和的主要原因有[10-12]：

（1）與CT的故障電流和二次負載有關。在短路時，可能有較大的故障電流流經變壓器，當電流使CT鐵心磁密增大時，可能會引起CT飽和。

（2）與CT的故障電流的直流分量和非周期分量有關。當電流含有較大的直流分量或者非周期分量時，即使電流幅值較小，也可能引起CT飽和。

（3）與CT中剩磁的大小和方向有關。變壓器區外故障或線路重合于永久性故障時，故障電流中通常有較大的直流分量，CT鐵心中交流穩態磁通增大，直流分量引起的非周期磁通增大，若鐵心中的剩磁較大且與非周期磁通方向一致，三者疊加后大于CT的飽和磁通，就會加劇CT的飽和程度。

3.2 CT飽和波形特征分析

CT飽和的典型波形特征如圖3所示，圖中IA1為CT一次電流，IA2為CT二次電流。當流過CT的一次電流值較小時，未達到CT鐵心磁通飽和的條件，此時電流正常傳變。隨著電流值的增大，當CT的鐵心磁通達到飽和后，二次電流值呈指數規律衰減。飽和后的波形出現缺損狀態。當一次電流減0，進而反向增加時，鐵心磁通退出飽和狀態，電流再次正常傳變。

圖3 CT飽和典型波形

CT飽和情況下，一般在每個周波內都會出現2個線性傳變區，可以根據線性傳變區特征識別飽和，當前主流應用的識別CT飽和的時差法判據即采用了此原理[13-16]。

變壓器區外故障引起CT飽和時，在波形線性傳變的區域，變壓器各側電流均正常，此時無差流。在非線性傳變區域，將出現差流，如圖4所示。其中：I3A，I3B，I3C為飽和側電流波形，其他側電流傳變正常；IDA，IDB，IDC為縱差差流波形。為便于對比分析，僅列出飽和側電流和差流波形，正常傳變側電流波形未列出，下同。

圖4 RTDS仿真變壓器區外故障CT飽和波形

CT飽和后的相電流和差流波形呈現間斷角、高諧波含量等特征，其中以二次諧波、三次諧波為主，比率差動保護的CT飽和判據中常以諧波判據作為飽和識別后的開放邏輯，當諧波含量低于內部門檻時，延時開放比率差動保護。

3.3 減少CT飽和發生的措施

隨著電網容量的增大，區外故障時流過CT回路中的短路電流有逐漸增大的趨勢，CT較容易發生飽和。針對此情況，建議采取以下措施：

（1）合理選用電流互感器，一般選用抗飽和性能好的TPY級CT。

（2）減少CT二次回路阻抗，提高抗飽和特性。

（3）調整運行方式。當站內有多臺變壓器時，盡量避免多臺變壓器并列運行，可減小故障時的短路電流，從而減小CT飽和發生的概率。

除對一次設備采取預防措施外，保護原理也可進行優化，減少CT飽和時保護誤動的情況。

4 差動速斷保護原理優化措施

在保證差動速斷保護可靠性、速動性基礎上，軟件方面可采取一些抗飽和優化措施，以減少CT飽和引起的差動速斷動作情況。

4.1 調整速斷保護定值

在保證速斷靈敏度的前提下提高速斷保護定值，減少CT飽和產生的不平衡電流導致的差動速斷動作，但該方案在實際操作中存在一定難度。

4.2 增加制動特性措施

差動速斷只判斷門檻值，無比率制動特性。在變壓器區內嚴重故障情況下，區內故障差流與制動電流的比率較大，一般情況下大于區外飽和情況下的制動系數，因此增加制動特性可以達到一定的抗飽和目的。

增加制動特性的抗飽和措施難點在于制動系數的選取。根據此次現場數據分析，在保護動作時刻，比率達到了1.45，如采用大于1.45的門檻值，速斷的保護范圍明顯減少，降低了速斷的靈敏度。因此采用增加制動措施的方案不能有效解決此次現場遇到的CT飽和問題。

4.3 采用比率差動的飽和判據

比率差動CT飽和動作判據采用時差法進行判斷，該方案可快速判別CT飽和的情況，因此將此判據應用于差動速斷保護CT飽和情況下的快速閉鎖。

為避免CT飽和情況下比率差動保護誤動作，飽和的返回判據較嚴格，當發生區外轉區內嚴重故障同時CT飽和時，比率差動保護的飽和返回判據無法快速開放，需依靠差動速斷保護動作來切除故障，因此比率差動的飽和返回判據不能滿足差動速斷的抗飽和措施快速返回的要求。

5 采樣值差動原理

采樣值差動是微機保護特有的一種差動保護，它將傳統的相量轉變為各采樣點（瞬時值）的比率差動，并依靠多點重復判斷來保證可靠性。其動作方程為：

式中：id為采樣值差動電流，；ir為采樣值制動電流，（i1，…，in分別為變壓器各側電流的瞬時采樣值）；Iicdqd為采樣值差動啟動電流；k為采樣值差動比率制動系數。

由于采樣值隨時間周期性變化，因此對于每個采樣點，其制動關系不同。為保證采樣值差動判據的正確性，需要采用多點重復判斷的方法，即連續R個點中需有S個點以上滿足動作判據，才滿足動作條件。

采樣值差動保護充分利用了各個采樣時刻的采樣值數據，較采用傅里葉算法計算的方式，可以充分利用瞬時的采樣值特征。采用多點重復判斷原理的采樣值差動保護，具有很強的抗干擾能力[17-19]，其原理本身具備識別CT飽和特征的優勢，不需另外附加抗CT飽和閉鎖的措施。

6 基于采樣值差動原理的抗CT飽和方案

結合采樣值差動保護的原理特點、飽和特征以及區內故障特征，本文提出一種基于采樣值差動原理的可用于差動速斷保護的抗CT飽和措施，該原理如下：

（1）采樣值差動比率特性：采樣值差動采用比率制動特征，公式同式（1）。根據變壓器各側電流瞬時值計算瞬時差流和瞬時制動電流，其中采樣值差動門檻值Iicdqd取差動速斷門檻值對應的第一個采樣點的瞬時值，即差動速斷基波門檻值×1.414×sin15°（每周波24點采樣）；k可取0.4～0.6。

（2）根據瞬時差流和瞬時制動電流，連續判斷R個采樣點的數據窗內數據的比率特性，如果有S個點滿足采樣值差動比率條件，則滿足采樣值差動條件。

（3）R選取：當采樣值差動作為主判據時，為保證快速性，在保證可靠性的前提下，R的選取一般小于一周波的數據窗。在此邏輯中采樣值差動僅作為在飽和情況下防止誤動的輔助判據，選取盡可能多的樣本數據對正確判斷更有利，因此R選取一周波數據窗（24點）。

（4）S選取：在飽和特征明顯的情況下，S取較大值，增強閉鎖性；在飽和特征不明顯的情況下，S取較小值，減弱閉鎖性，增強開放性。

由于CT飽和后保護裝置采集的電流含有豐富的諧波分量，以二次諧波和三次諧波為主，因此S的選取可根據飽和相別的諧波含量動態變化。

比率差動具有完善的CT飽和判據，在CT飽和的情況下，可采用比率差動保護中已經判斷出的飽和特征標志和飽和相別標志。當飽和相諧波含量高，說明飽和特征明顯，S選取較大值；隨著飽和相諧波含量降低，逐漸減小S，直至到達正常點數；S可取16～22。根據仿真模擬及試驗測試，選取的一組S取值與諧波含量對應關系數據見表3。

表3 S取值與諧波含量對應關系

在CT飽和情況下，當差動速斷的差流和制動電流滿足采樣值差動保護開放邏輯后，開放差動速斷保護。

與比率差動CT飽和開放判據相比較，基于采樣值差動原理的CT飽和開放判據采用了瞬時采樣點算法，充分利用了飽和中的間斷角特征，同時該判據并未閉鎖保護，而是采用動態調整采樣點的方式，較采用傅里葉算法的飽和開放判據更加靈活。

7 試驗驗證

為驗證方案的有效性，分別采用RTDS（實時數字仿真儀）仿真分析和現場波形回放的方式對優化前后的差動速斷保護邏輯進行驗證。

7.1 RTDS仿真分析

參照現場設備參數信息搭建RTDS模型，主要參數見表4、表5。

表4 發電機主要參數

RTDS仿真模型如圖5所示。其中：K1—K8為故障點；S1，S2為無窮大電源系統；CT1—CT5為高、中、低各側CT；PT1—PT4為高、中、低各側電壓互感器；G1—G3為發電機；BRK1—BRK5為高、中、低各側斷路器。

表5 變壓器主要參數

圖5 RTDS仿真接線

試驗共設置K1—K8共8個故障點，可以模擬各種類型的金屬性及經過渡電阻短路故障。除常規測試項目外，重點模擬低壓側發生區外相間故障同時CT飽和的情況，對比分析優化前后的差動速斷保護特性。

7.1.1 CT二次負載引起的CT飽和

調整模型中CT的二次負載，模擬由于CT二次負載導致的CT飽和情況，其仿真波形如圖6、圖7所示。

7.1.2 剩磁引起的CT飽和

調整模型參數，更改故障發生時刻相角，模擬CT剩磁對CT飽和的影響，仿真波形如圖8—10所示。

圖6 RTDS仿真波形（二次負載200Ω）

圖7 RTDS仿真波形（二次負載800Ω）

圖8 RTDS仿真波形（0°）

圖9 RTDS仿真波形（135°）

對比測試結果表明：未優化的差動速斷保護，當飽和后的差流達到門檻值時保護即動作；采用新原理的速斷保護可以實現有效閉鎖。

圖10 RTDS仿真波形（240°）

7.1.3 故障轉換測試

圖11為中壓側區外A相轉區內A，B相故障期間的波形。

圖11 飽和轉換波形

區外飽和轉換區內故障的測試過程中，在區外飽和期間有效閉鎖，轉區內故障后差動速斷可以快速動作。

7.2 波形回放

使用現場實際的波形進行波形回放，驗證邏輯的有效性。回放波形如圖12所示。

圖12 回放波形

通過波形回放驗證，該方案可以有效解決現場在CT飽和情況下誤動的問題。

8 結語

針對現場一起由于CT飽和導致的差動速斷保護動作案例，分析了CT飽和的原因及電流波形特征，根據采樣值差動保護的原理及特點，提出了在差動速斷邏輯中增加采樣值差動輔助判據的原理。根據仿真驗證和現場波形回放結果，優化后的原理可以有效解決CT飽和引起的差動速斷保護誤動，同時不影響差動速斷在嚴重區內故障時的動作特性。

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