一种特高压调压变压器差动保护方法与流程

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，更具体涉及一种特高压调压变压器差动保护方法。

背景技术：
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随着我国“西电东送，南北互供，全国联网”以及交直流互联超高压/特高压网架的建设，直流输电以其独特的技术优势在我国电网发展中发挥着重要的作用。目前，我国己有葛洲坝－南桥、三峡－广州、贵州－广州、三峡－常州等数条高压直流输电工程投入运行。但采用直流输电技术后对常规的交流电网及其设备产生了一定的影响，其中当直流输电系统采用单极大地回路或双极回路不平衡运行方式时，系统不同接地极之间存在电位差，系统与大地构成回路，造成直流电流经变压器接地中性点流入交流电网，引起直流偏磁现象，对电网的安全稳定运行产生了较大的影响。特别地，近年来我国沿海地区电网发生了多起变压器中性点入侵直流电流事件，造成变压器异常温升，振动噪声加剧等现象。

直流偏磁发生时，变压器铁心磁通趋近或达到饱和，导致励磁电流畸变，产生大量谐波，使铁心无功损耗增大，变压器金属结构件损耗增加，导致局部过热现象，破坏绝缘，降低变压器使用寿命。特别地，特高压变压器结构复杂，调压绕组采用分体式结构，与主变压器公共绕组串联。调压变压器容量相对于主变压器很小，且饱和点较低，受特高压变压器运行工况影响明显。当直流电流从中性点入侵到调压变压器中，和调压变压器的励磁电流叠加，可能引起其工作点偏移线性区而进入饱和区。若直流偏磁现象严重，则使得 调压变压器铁心严重饱和，当其发生区内故障时，传统的二次谐波动作判据将无法准确识别故障，造成拒动情况。此外，直流偏磁除了对变压器本体产生影响外，对交流电网的继电保护系统也有着潜在的威胁。直流偏磁引起的变压器铁心饱和致使大量谐波注入系统，对电网继电保护及其他安全自动装置造成了不同程度的影响，严重时可能导致继电保护装置误动作，给电网安全稳定运行带来巨大威胁。

目前，1000kV特高压变压器的主保护为的主变压器的速断差动保护，简称大差保护，调压变压器和补偿变压器也单独配置了差动保护。但实验结果表明，调压变压器差动保护在变压器发生直流偏磁又发生区内故障时有拒动的可能性，现阶段特高压调压变压器差动保护在直流偏磁情况下仍存在一定的局限性。因此，亟需寻找一种计及直流偏磁影响的特高压调压变压器差动保护新方法，确保特高压变压器以及整个特高压电网的安全运行。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种特高压调压变压器差动保护方法，能够避免在直流偏磁工况下发生故障时特高压调压变压器保护传统判据因受二次谐波闭锁而拒动，不受直流偏磁的影响。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种特高压调压变压器差动保护方法，所述调压变压器副边侧设有测量其电流的电流互感器CT5，在靠近所述调压变压器原边侧绕组处，与所述特高压主变压器公共绕组串联电流互感器CT4；在靠近所述调压变压器原边绕组处，与特高压补偿绕组副边侧绕组串联电流互感器CT6，所述方法包括：

根据特高压调压变压器原边侧电流的确定所述调压变压器的差动电流值I_d；

如果所述I_d小于差动电流定值，则差动保护返回，否则进入下一步骤；

检测所述I_d中的二次谐波含量P_2nd是否小于谐波含量定值K_2nd，如果是则判断调压变压器运行时发生区内故障，差动保护立刻动作，否则进入下一步骤；

计算二次谐波变化率C(k)，检测C(k)是否满足动作判据，如果是则判断调压变压器遭受直流偏磁后导致铁心饱和时发生区内故障，二次谐波含量发生突变；否则进入下一个采样点的计算比较。

所述特高压调压变压器原边侧电流根据电流互感器测得且通过下式确定：

其中，电流互感器CT5的测量电流，K_Regu为调压变压器原边绕组匝数与副边绕组匝数的比值。

所述差动电流值I_d通过下式确定：

其中，和为电流互感器CT4和CT6的测量电流值。

所述二次谐波变化率C(k)通过下式确定：

检测C(k)是否小于-50％，如果是则继续计算C(k+1)，检测C(k+1)是否小于-50％，若连续6个采样点的C(k)均满足低于-50％，则判断是调压变压器受直流偏磁影响而造成铁心饱和时发生区内故障；，如果C(k)不是小于-50％则进入下一个采样点的计算比较。

所述差动电流定值整定为0.2I_N，其中I_N为折算到调压变压器原边侧的 额定电流值。

所述谐波含量定值可人工整定。

所述谐波含量定值人工整定为15％。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明技术方案针对直流偏磁情况下特高压调压变压器铁心饱和引起差动保护二次谐波闭锁而发生拒动情况提出；

2、本发明技术方案保证了正常运行工况下特高压调压变压器发生故障差动保护准确可靠动作；

3、本发明技术方案对于受直流偏磁影响而造成铁心饱和后调压变压器发生区内故障时，差动保护也能够可靠迅速动作，保证调压变压器安全可靠运行；

4、本发明技术方案在传统的二次谐波判据上增添了计及直流偏磁影响下新的动作判据，一方面在特高压变压器在正常运行工况下发生区内故障时，二次谐波闭锁判据开放，能够可靠动作；另一方面特高压变压器受到直流偏磁影响铁心饱和后再发生区内故障时，仍可能利用二次谐波含量在故障瞬间发生突变这一本质特性，使得二次谐波闭锁开放，判断为区内故障；

5、本发明技术方案无论是空充涌流、和应涌流或者恢复性涌流，涌流情况下差流的二次谐波含量突变量为正，即二次谐波含量突增；若调压变受直流偏磁影响，故障瞬间，二次谐波含量突减，因此利用二次谐波图变量作为开放差动保护的判据可准确闭锁励磁涌流，而在故障情况下准确开放；

6、本发明技术方案动作可靠性高，工程适用性较强，对于特高压调压变压器保护配置具有一定的工程实际意义。

附图说明

图1是本发明实施例特高压变压器结构及电流互感器配置示意图；

图2是本发明实施例特高压变压器遭受直流偏磁后，在中性点处测量到的流经中性点的电流波形示意图；

图3是本发明实施例特高压调压变压器归算至标幺值的A相差动电流波形示意图；

图4是本发明实施例特高压调压变压器A相差动电流的二次谐波含量趋势示意图；

图5是图3在24.8s到25.4s的放大图；

图6是图4在24.8s到25.4s的放大图；

图7是本发明实施例A相C(k)的判断值示意图；

图8是本发明实施例A相差动电流的二次谐波含量趋势示意图在24.6s到25.3s的放大图；

图9是本发明实施例A相C(k)的判断值示意图；

图10是本发明实施例特高压调压变压器归算至标幺值的C相差动电流波形示意图在4.5s到8s的放大图；

图11是本发明实施例特高压调压变压器归算至标幺值的C相差动电流的二次谐波含量趋势示意图在4.96s到5.1s的放大图；

图12是本发明实施例C相C(k)的判断值示意图；

图13是本发明实施方式中计及直流偏磁对特高压调压变压器差动保护影响流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本例的发明提供一种特高压调压变压器差动保护方法，克服现有技术中的不足，在单极大地回路或双极回路不平衡运行方式下，系统不同接地极之间存在电位差，系统与大地构成回路，造成直流电流经变压器接地中性点流入交流电网，针对特高压调压变压器发生直流偏磁而导致铁心饱和，再发生区内轻微故障时差动保护因受二次谐波闭锁不能正确动作的情况提出合理的解决措施，保证超/特高压变压器的安全稳定运行。所述方法包括如图13所示：

(1)根据图1中特高压变压器的电气结构和电流互感器配置方式，图中标

示出直流电流经中性点进入特高压变压器，首先把调压变压器副边电

流折算到原边侧为：

其中，电流互感器CT5的测量电流，K_Regu为调压变压器原边绕组匝数与副边绕组匝数的比值；

计算调压变压器的差动电流为：

其中，和为电流互感器CT4和CT6的测量电流值；

若I_d小于第一预定阈值，则差动保护返回，否则进入步骤(2)；

(2)检测步骤(1)中计算的I_d的二次谐波含量，记为P_2nd，是否小于第二预定阈值，如果是则判断调压变压器运行时发生区内故障，差动保护立刻动作，否则进入步骤(3)；

(3)当调压变压器受直流偏磁影响后，铁心饱和，此时发生如调压变压器Y 侧某相绕组端口经高阻接地故障，很有可能P_2nd仍然大于第二预定阈值，导致保护拒动。值得注意的是，P_2nd虽然大于第二预定阈值，但是故障前后P_2nd存在突变量。因此，根据P_2nd的变化突变量制定直流偏磁影响下的故障动作判据如下：

计算C(k)，C(k)为第k个时刻P_2nd(k)相较于第k-48个时刻P_2nd(k-48)的变化量大小与第k个时刻P_2nd(k)的比值，即第k个时刻P_2nd(k)的变化率，计算公式为：

设Counter初值为0，检测C(k)是否小于-50％，如果是则Counter＝Counter+1，否则Counter＝0；跳转到步骤(1)，继续计算C(k+1)，检测C(k+1)是否小于-50％，若连续6个采样点的C(k)均满足低于-50％，则判断是调压变压器受直流偏磁影响而造成铁心饱和时发生区内故障。

所述第一预定阈值为差动电流定值，可整定为0.2I_N，其中I_N为折算到调压变压器原边侧的额定电流值。

另外所述第二预定阈值为谐波含量定值，可以人工整定，例如15％。

以特高压调压变压器为例，特高压调压变压器受到直流偏磁影响而造成铁心饱和后，对以下两种故障下进行仿真验证，包括A相发生区内经高阻(80欧姆)接地故障和AB两相发生相间短路(相间电阻＝120欧姆)故障。

分析A相经高阻接地故障过程如下：

(1)图2是在中性点处测量到的流经中性点的电流波形示意图，直流通过特高压变压器中性点进入调压变压器原边绕组中，造成了铁心严重饱和，25s发生调压变A相经高阻接地故障，25.2s故障切除。

(2)根据图1中特高压变压器的电气结构和电流互感器配置方式，计 算折算到原边侧的调压变压器副边电流为(下述电流值均折算到调压变压器原边侧，不再重复)，如图3所示，若I_d小于差动电流定值(0.2I_N)，则差动保护返回，否则进入步骤(3)；

(3)检测步骤(2)中计算的I_d的二次谐波含量P_2nd是否小于谐波含量定值(15％)，如图(6)所示，本实施例中，25s发生故障，故障后的第一个周波25.02s后的P_2nd大于谐波含量定值，保护不动作，进入步骤(4)；

(4)一周波24点采样，计算故障后第一个周波(25s～25.02s)期间的C(k)无效(傅式算法计算出的故障后第一个周波的P_2nd无效)，则C(k)的判定值为0；其他采样时刻，若C(k)小于-50％，则C(k)的判定值置1，否则置0。本实施例中，如图7所示，故障后第一个周波后开始连续检测到6个采样点(四分之一个周波)均满足C(k)小于-50％，保护立刻动作，在25.025s时刻发出故障切除信号。

分析AB两相相间短路故障过程如下：

(1)直流通过特高压变压器中性点进入调压变压器原边绕组中，造成了铁心严重饱和，25s发生调压变AB两相相间短路故障，25.2s故障切除。

(2)根据图1中特高压变压器的电气结构和电流互感器配置方式，计算折算到原边侧的调压变压器副边电流为计算ABC三相的差动电流，若I_d小于差动电流定值(0.2I_N)，则差动保护返回，否则进入步骤(3)，本实施例中发生AB两相相间故障，AB两相25s时刻保护启动，C相25s时刻不启动；

(3)检测步骤(2)中AB两相I_d的二次谐波含量P_2nd是否小于谐波含量定值(15％)，如图8所示，本实施例中，B相二次谐波含量故障后低于谐波含 量定值(15％)，直接判断为故障相，而A相的二次谐波在故障后的第一个周波25.02s后的P_2nd仍大于谐波含量定值(15％)，保护不动作，进入步骤(4)；

(4)一周波24点采样，计算故障后第一个周波(25s～25.02s)期间的C(k)无效，则C(k)的判定值为0；其他采样时刻，若C(k)小于-50％，则C(k)的判定值置1，否则置0。本实施例中，如图9所示，A相故障后第一个周波后开始连续检测到6个采样点(四分之一个周波)均满足C(k)小于-50％，保护立刻动作，在25.025s时刻发出A相故障切除信号。

分析主变中压侧在5s空载合闸时调压变空充涌流过程如下：

(1)直流通过特高压变压器中性点进入调压变压器原边绕组中，主变中压侧在5s空载合闸造成调压变产生励磁涌流。

(2)根据图1中特高压变压器的电气结构和电流互感器配置方式，计算折算到原边侧的调压变压器副边电流为计算ABC三相的差动电流，若I_d小于差动电流定值(0.2I_N)，则差动保护返回，否则进入步骤(3)，本实施例中空充后AB两相差流未达到保护启动值，而C相产生空充涌流，C相差动保护5.1s时刻启动；

(3)C相差动保护启动后，检测二次谐波含量P_2nd大于谐波含量定值(15％)，如图11所示，进入步骤(4)；

(4)一周波24点采样，计算产生涌流第一个周波(5s～5.02s)期间的C(k)无效，则C(k)的判定值为0；如图12所示，5.02s后C(k)均小于0，C(k)的判定值置0，判为涌流，C相差动保护不开放，正确闭锁空充涌流。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。