高阻接地故障檢測分析論文

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摘要:本文對故障分量的比率差動繼電器的實現方法進行理論分析，同傳統比率差動保護在檢測變壓器內部輕微故障，如匝間短路、高阻接地短路，的動作靈敏度的方面作了一些比較，用EMTP建立了變壓器匝間短路和高阻接地的模型，在模型的基礎上進行了仿真驗證，充分說明了故障分量的比率差動保護在性能上的優越。

關鍵詞：故障分量，差動保護，變壓器保護，閘間短路，高阻接地故障

0引言

比率差動保護因能可靠檢出區內故障，很好的躲避穿越性電流被廣泛的應用于電力系統保護中，在變壓器的保護中的應用更是由來已久。但由于受到負荷電流的干擾，制動電流不能很好的反映故障電流的大小，被負荷電流所淹沒，使得對輕微故障的檢測靈敏度過低。故障分量的比率差動保護，由于減去了負荷分量的影響，對輕微故障的檢測具有很高的的靈敏度，大型變壓器容量很大，滿負荷運行時，低壓側的等效電阻非常小，往往只有1歐左右(如容量為150MVA，低壓側為10KV，0.6667歐)，傳統比率差動保護對低壓側高阻接地故障的靈敏的不夠，故障分量的比率差動保護卻能很好地檢出故障，因而因該在大型變壓器保護中得到了廣泛的應用。

變壓器在額定負荷運行的時候，發生輕微匝間短路故障時（2%匝短路），傳統的比率差動保護往往沒有足夠的靈敏度檢出故障。雖然差流大于了啟動電流門檻值，由于制動電流加上了變壓器的一倍負荷電流，要檢出此類故障，比率制動系數（K值）將整得很低，會減弱比率差動保護抗CT飽和的能力，區外故障時很容易誤動作，因此，實際的做法往往是降低保護的靈敏度，等待匝間故障進一步發展，差流、制動電流進入動作區內，保護再出口跳閘，這對變壓器必將造成嚴重的損害。傳統的比率差動抗CT飽和的能力是很弱的，必須增加額外的補充判據，防止保護誤動。

對于故障分量的比率差動，制動電流去掉了負荷電流的干擾，k值（1.7）可以整定的很高，變壓器在額定負荷運行的時候，發生輕微匝間短路故障時，保護具有足夠的靈敏度檢出故障，同時對低壓側區內高阻接地故障的檢測靈敏度也提高了很多,由于k值很大,具有足夠的抗CT飽和的能力。

本文對故障分量的比率差動的設計思想和特性曲線的參數的選擇作相應的理論分析，同時建模驗證算法的正確性。

1故障分量的比率差動算法的建立

1．1基本算法

故障分量的比率差動算法為傳統的差動保護中的差動電流和制動電流分別減去正常時候的負荷電流而得到。以兩圈變壓器的縱連差動為例，以流入變壓器為正方向，如式（1）：

(1)

其中，,

--變壓器高、低壓側的故障分量電

--為變壓器正常運行時勵磁電流

—分別為變壓器高壓側低壓側電流和正常時的穿越性負荷電流

K—為比率差動的比率制動系數

從上式中可以看出：

，（2）

故障分量的比率差動電流和傳統的比率差動電流相差一倍正常時磁電流，只是制動電流增加了兩倍穿越性的負荷電流（略去勵磁電流不計）。

1．2故障分量的提取

故障分量的比率差動保護性能的好壞，關鍵在于故障分量的提取。對于不同的保護設備，故障分量的提取很不相同，考慮到針對變壓器這一電力系統中的特殊元件，對故障分量的提取提出了一些具體的要求。首先，應該準確減去負荷電流。其次，在轉換性故障和故障重疊的時候不受第一次故障的影響，在第一次故障達到穩態的時侯，第二次故障到來的時候，能快速檢測出故障來。

但在具體實現的時候會遇到如下困難：

在故障的發展過程中,故障前負荷電壓（電流）在不斷的變化,以第一次故障前的電壓（電流）為基準,會帶來誤差.但故障前電壓在不斷的變化只能引起Δi1正序分量的提取,對Δi2,Δi0分量的提取沒有影響,由變壓器保護只是使用電器量進行比較,不涉及參數的計算,如阻抗,方向等,精度足夠.

由于記錄下故障前的電流量作為負荷量,故障中的量和故障前的電流量作差值提取Δih,Δil.但隨著故障時間的延長,存在定時誤差,故障后的電器量和故障前的電器量的相角差越來越大,Δih,Δil誤差也越來越大,使得Δicd值不變(誤差被減掉)Δizd值越來越小,所以計算K值隨著時間偏移越來越大,只能限制故障分量的比率差動保護的開放時間,否則在區外故障時由于隨時間積累的相角差會使保護誤動,但開放時僅太短又會使得在發展性故障中不能檢出第二次故障,開放時間為100ms~150ms.

2故障分量的比率差動動作參數的選定

2．1啟動電流的確定

由于差動電流和傳統的比率差動相同，大體應按傳統比率差動整定，但也有特殊的要求。

Iqd.min=Kk[Ktx*fwc+ΔU/2+Δfph]Ie（3）

Iqd.min—比率差動啟動門檻值

fwc=0.1—考慮一側電流互感器10%誤差曲線的系數

Δfph=0.01—軟件相角校正時,由于小CT型號不同引起的偏移

ΔU/2—變壓器的調壓范圍,取為5%,由于改變了變比,所以平衡系數相應變為原來的95%K,應躲開引起的差流值

Kk—可靠系數取1.3

假設由于以上條件，流入裝置的高壓側的電流為準確的，誤差均來自低壓側，

高低壓側電流為（略去勵磁電流）式（4）

（4）

--變壓器高、低壓側相電流

--穿越性負荷電流

--比率差動啟動電流

（1）傳統比率差動:

當產生Iqd.min差流時,一定有Ie+1/2*Iqd.min(Ie為額定電流)制動電流產生，K整定0.4，比率制動曲線過原點，,Ie取5A時，制動電流一定大于拐點電流，落在動作特性曲線的制動區，保護不會誤動。

（2）故障分量的比率差動:

當產生Iqd.min差流時,一定有1/2*Iqd.min制動電流產生，所以計算K值(保護感受到的差流和制動電流的比值)為2.，當K值整定為1.7時（以下分析整定原因）,比率制動曲線過原點，制動電流小于拐點電流，保護誤動。

所以,由于以上原因產生的最大差流時,傳統比率差動可以用比率制動曲線躲過，而故障分量的比率差動，則無法區分由于CT誤差，有載調壓所產生的差流,和由于低壓側三相短路，或變壓器空載故障時產生的差流，因為其計算K值均為2。傳統比率差動的Iqd.min應按允許的最小差流啟動電流整定，故障分量的比率差動的Iqd.min應按允許的最大差流啟動電流整定，但如整定太小，將影響檢測輕微故障的能力，又考慮到故障分量的比率差動減去了勵磁電流的影響，工程實際取0.2~0.5,取0.23。

2．2制動斜率K值的確定.

主要考慮兩種極端的情況,使制動特性曲線過原點。

(1)區內故障

1.變壓器空載時,發生區內故障，計算K值最小。

當變壓器兩側帶電源的時,發生區內故障,高低壓側同時感受到方向指向變壓器的Δih（高壓側故障分量）,Δil（低壓側故障分量）,而變壓器空載,或低壓側不帶電源時,保護只感受到高壓側Δih（高壓側故障分量）,所以（5）式成立計算K值，

（5）

--高、低壓側同時帶電源時，保護感受到的差流和制動電流

--高壓側帶電源，低壓側空載時，保護感受到的差流和制動電流

--計算K值

2.空投和低壓側三相短路等故障類型(低壓側不帶電源),計算K值無法區分,都等于2.0,所以整定K值必小于2.0，空投的時候由于差流由勵磁支路引起,其二次諧波含量很大,能可靠閉鎖,當整定K值小于2.0時,低壓側三相短路時保護能動作,所以故障分量的比率差動保護在低壓側不帶電源時發生三相短路故障,靈敏度最低,K值最小。

(2)區外故障

區外故障主要考慮由于CT傳變誤差引起的差流造成的保護誤動作，考慮CT傳變誤差,帶入比率差動動作方程，式（6）成立，

（6）

--分別為穿越性高低壓側的故障分量電流

--分別高低壓側CT傳變誤差的百分數

當高低壓側CT傳變誤差，分別為10%和-10%時,差流最大,制動電流最小,保護最容易誤動,所以最嚴重的區外故障,保護發生誤動時,比率制動系數K=0.2。K整定為1.6~1.8，滿足工程需求。

2．3抗CT飽和的考慮

假定低壓側CT飽和，低壓側只有fl*Δil的電流流入保護裝置,由于

|Δih+Δil|>K*0.5*|(Δih-Δil)|

則（6）式變為，各參數的含義如（6）式：

（7）

假設穿越性的故障,,等式左右相等,K為1.7時帶入（7）式，fi=0.081。所以，低壓側CT飽和時只要有大于8.11%倍的原方電流能傳變倒二次側,為1.7時故障分量的比率差動不會誤動.

3變壓器匝間短路、高阻接地建模和算法仿真

3.1匝間短路模型的建立

由于變壓器內部匝間短路故障的內部電磁過程非常復雜，要準確模擬非常困難，但我們可以抓住其主要特征，其精度已能滿足繼電保護的動模的要求。我們關心的只是變壓器高低壓側端口電流的變化，對內部復雜電磁過程并不感興趣，根據黑箱原理，只要我們考察的量，滿足一定的精度要求（我們考察的主要是高、低壓側電流，短路匝電流），我們認為模型是成功的。

3.1.1短路匝之間的弧光電阻,電感的模擬

單相變壓器的電阻和電感的標壓值為:Rbase=548.2456歐,Lbase=1.7451亨

由于短路匝的匝數和變壓器線圈繞組匝數相比,很小,選用第三繞組來模擬變壓器低壓側的匝間斷路時,第三繞組的漏感和漏阻應盡量取的比較小:

漏阻:Rbase*0.001=548.2456*0.001=0.5482歐

漏抗:Lbase*0.001=1.7451*0.001=0.0017亨

弧光電阻,電感:

弧光電阻:0.05歐

弧光電感:0.0001亨

設定為2%的匝間斷路:

U2(第二繞組電壓)=225.4KV

U3(第三繞組電壓,短路匝模擬電壓)=4.6KV

3.1.2波形分析

圖(1)、（2）為RTDS的實錄波形和EMTP建模產生波形的比較,可以看出模型的正確性.

(1)RTDS的A相電流波形（變壓器不帶負荷空載合閘,A相匝間斷路2%）

figure1．ThecurrentwaveofphaseArecordedfromRTDSequipment（switching-onofanunloadedpowertransformer，2percentoftheturnsshortedat2.5s）

(2)EMTP的A相電流輸出波形（變壓器不帶負荷空載合閘,A相匝間斷路2%）

figure2．ThecurrentwaveofphaseAproducedbyEMTP（switching-onofanunloadedpowertransformer，2percentoftheturnsshortedat2.5s）

圖（1）、（2）變化趨勢來看是一致的

實際變壓器2%匝短路的時侯,IA(A相電流)=1.6Ie.Ik(短路匝電流)=60Ie,而EMTP輸出波形為IA=1.6156Ie,Ik=35Ie，由于算法的輸入為相電流作差值，相電流和短路匝的電流的結果基本滿足要求。

3．2算法仿真

兩種算法Iqd.min=90A比率制動曲線過原點，折算到一次測的電流。

（3）高壓側A相電流波形(變壓器滿負荷運行時，在2.5s時發生低壓側A相2%的匝間斷路,以下相同)

figure3．Thecurrentwaveofhigh-voltagesideofphaseA（2percentofturnsinthelow-voltagewindingoftransformershortedat2.5swithfullload,thesameasfollows）

（4）低壓側A相電流波形

figure4．Thecurrentwaveoflow-voltagesideofphaseA

（5）短路匝內的電流波形(折算到原方后,原方電流的倍數)

figure5．Thecurrentwaveintheshortedturns（transformedintounitvalue）

以下為調整K值的大小，兩種算法的動作行為。

（6）K=0.3，比率差動特性（左邊的為故障分量的比率差動，右邊為傳統比率差動，以下相同）

figure6．K=0.3，thepercentagedifferentialcharacteristic（theoneleftissuperimposeddifferentialcurrentsalgorithm；therightconventionalalgorithm，thesameasfollows）

K=0.3，兩種保護均能可靠動作，但實際運行的時侯，傳統比率差動的制動系數很難整定的這么低，區外故障容易誤動，抗CT飽和能力越很弱。

（7）K=0.4，比率差動特性

figure7．K=0.3，thepercentagedifferentialcharacteristic

K=0.4，傳統比率差動已到了動作區的邊界，幾乎檢測不出如此輕微的故障，這一點也同我們的動模試驗相吻合。

（8）K=1.7，比率差動特性

figure8．K=0.3，thepercentagedifferentialcharacteristic

從中可一看出故障分量的比率差動的高靈敏性和可靠性的結合。即能檢出輕微故障，又有足夠的抗CT飽和能力。

以下為，在2.5s發生低壓側A相1%的匝間斷路時，兩種算法的動作行為。

（9）K=0.25，比率差動特性（在2.5s發生低壓側A相1%的匝間斷路）

figure9．K=0.3，thepercentagedifferentialcharacteristic（1percentofturnsshortedinlow-voltagesideofphaseAat2.5s）

傳統比率差動對1%的匝間斷路已失去了靈敏度，故障分量的比率差動同樣能靈敏反映

（10）K=1.7,比率差動特性（在2.5s發生低壓側A相1%的匝間斷路）

figure10．K=0.3，thepercentagedifferentialcharacteristic（1percentofturnsshortedinlow-voltagesideofphaseAat2.5s）

故障分量的比率差動在如此高的k值的情況下同樣能檢出1%的輕微故障

以下為低壓側區內AB相跨接20歐電阻在2.5s時短路故障，負荷側為純電阻負荷1.9206歐.時，兩種算法的動作行為的仿真

（11）變壓器端口的波形，左邊為高壓側A，B，C相電流，右邊為低壓側A，B，C三相電流。(AB相跨接20歐電阻在2.5s時短路故障)

figure11．Thecurrentwaveoftransformerterminals，theleftarethecurrentsofhigh-voltagesideofphaseofA，B，Crespectively，therightlow-voltageside。（thefaultof20ohmresistancecrossphaseAandBat2.5s）

從圖(11)可以看出相電流幾乎沒有突變，對算法的考驗更加嚴酷。

（12）K=1.7，比率差動特性（AB相跨接20歐電阻在2.5s時短路故障)

figure12．K=0.3，thepercentagedifferentialcharacteristic（thefaultof20ohmresistancecrossphaseAandBat2.5s）

對高阻接地故障分量的比率差動，相比傳統比率差動也有不可比擬的優勢。

4結論

本文對故障分量的比率差動保護相對于傳統的在檢測變壓器匝間短路和低壓側高阻接地短路的靈敏方面作了分析。對故障分量的比率差動的動作特性參數作了分析計算，并對抗CT飽和的能力方面作了一些分析。在這基礎上，提出了算法的實現，用EMTP建立了匝間短路和高阻接地的仿真模型，對兩種算法的動作行為進行了仿真，驗證了所選的制動系數K，和對故障分量的比率差動保護優越性的分析。

ResearchontheDetectionofturn-to-turnandHigh-Impedance-GroundedFaultofTransformerBasedonSuperimposedDifferentialCurrents

Abstract:Themethodofrealizingthetransformerprotectionbasedonsuperimposeddifferentialcurrentshasbeenpresentedandanalyzed.Thecompareofsensitivitydetectingturn-to-turnandhigh-impedancegroundfaultsbetweentraditionaldifferentialrelayanddifferentialrelaybasedonsuperimposeddifferentialcurrentshasbeenmade.Thesensitivityofoperationhasbeencomparedalso.Thedynamicmodelofturn-to-turnandhigh-impedance-groundedfaultoftransformerhasbeenestablished.Basedonthisdynamicmodeloftransformer,manysimulationworkshavebeenmadewiththisalgorithmandprovedsufficientlythegreateradvantagethanthetraditionalalgorithm.

Keywords:superimposeddifferentialcurrents;differentialprotection;transformerprotection;windsshortcircuit;high-impedance-groundedfault

參考文獻

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