一种识别并防止和应涌流导致变压器差动保护动作的方法与流程

本发明涉及电力系统继电保护的技术领域，尤其是指一种识别并防止和应涌流导致变压器差动保护动作的方法。

背景技术：

变压器差动是利用基尔霍夫电流定律基本原理来形成的一种保护，它简单容易实现，是主变压器保护之一。设计规程规定：一般主变压器容量在6.3兆伏安以上应装设纵差动保护。由于利用故障时产生的差动电流来动作，变压器差动保护的灵敏度很高，动作较迅速。然而，由于自身的原因互感器误差，保护装置、变压器励磁涌流、和应涌流等等的各种因素，造成的不平衡电流是造成差动保护误动的重要原因。在微机保护应用的时代为了提高匝间故障保护灵敏度，差动保护门槛相对减小，现场整定变压器差动保护动作电流门槛值为0.4至1.0倍的主变压器额定电流。但是，在现场运行过程中发现由于ta饱和和信号传送采样过程中存在误差，以及各种因素的影响，这样的门槛有可能造成变压器差动保护误动。

由于电网逐步投运了多个大容量变压器及电网分层分区及220kv变电站的大幅度增加，局部地区的电网结构发生了根本性的变化，同时为保证用户供电可靠性，大量的备自投装置在220kv系统投入了运行，所以造成多台变压器之间出现显著的和应涌流，合闸时产生的励磁涌流与和应涌流的特征并不完全相同，且持续时间相对而言较长。随着变压器线圈中的电阻值减小，和应涌流现象将增多。随着系统的扩大及大型的火电站及核电站的投用并且大量使用微机保护，和应涌流对电力系统变压器差动保护的影响越来越大，越来越引起重视，基于此目前所作的研究工作远远不能满足要求，有必要提出识别并且防止和应涌流导致变压器差动保护误动作的新方法，以消除潜在的隐患，提高供电的可靠性。

作为电能的传输枢纽中心，电力系统中最重要的一次电气主设备之一就是电力变压器。

几十年来，继保人员一直在绞尽脑汁地研究如何才能完全防止涌流造成变压器保护出现不正确动作的情况，而如今种种方法也都被发现与应用，只是到如今依然没有彻底解决涌流导致变压器差动保护不正确出口动作的方法。在鉴别涌流与故障电流方法中，其中鉴别涌流最普遍的方法就是二次谐波制动。而最近几年，大量的和应涌流造成差动保护不正确动作的报道使人们逐渐地开始认真思考如何防止涌流造成差动保护不正确动作。和应涌流的波形特征与空载投入运行中的变压器完全相反，并且和应涌流的幅值具有幅值先增大后减小的特点，并不像励磁涌流那种一直处于缓慢衰减的过程中，其误动原因更具有隐蔽性。基于此目前所作的研究工作远远不能满足要求，有必要提出防止和应涌流对变压器差动保护影响的新原理和新策略并制定防止误动措施。

变压器涌流的危害：

(1)变压器的投运常常失败：因为励磁涌流而造成得变压器保护装置误动作。

(2)引起变压器保护误动作原因：变压器引出线短路故障切除过程产生的电压突然增大。

(3)励磁涌流：变压器空投产生的涌流，将引起其他变电站等运行的变压器一起产生“和应涌流”而误跳闸，从而造成大面积停电事故。

(4)变压器与断路器受到伤害：峰值很大的励磁涌流。

(5)pt、ta测量精确与继电保护的可靠性：励磁涌流的非周期分量造成电流互感器发生暂态饱和。

(6)对电网系统电能质量产生严重的危害：励磁涌流中大量的高次谐波。

(7)使电网电压骤升或骤降，其他的一次设备无法正常工作。

为了完整地弥补传统意义上的躲避和应涌流方法的局限性，防止差动保护出口误动作跳开运行中变压器，本发明提出了一种“时差法+虚拟制动+差流基波幅值增量法”的新方法。它完整的解决了基波幅值增量方法中用二次谐波区别判断涌流的缺陷，使用时差法判据替代二次谐波判据区分故障及涌流，来更精准的来进行判断，可以避免由于ta剩磁的影响造成的涌流2次谐波量不足15％从而造成无法闭锁差动保护，误区分故障及涌流从而避免导致差动保护误动作的问题。从根本上解决了和应涌流会使差动保护误动问题，是一个完整的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种识别并防止和应涌流导致变压器差动保护动作的方法，它完整的解决了基波增量方法中用二次谐波区别判断涌流的缺陷，使用时差法判据替代二次谐波判据区分故障及涌流，来更精准的来进行判断，可以避免由于ta剩磁的影响造成的涌流2次谐波量不足15％从而造成无法闭锁差动保护，误区分故障及涌流从而导致差动保护误动作的问题。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种识别并防止和应涌流导致变压器差动保护动作的方法，包括以下步骤：

1)启动元件动作，差动保护满足动作条件后，使用时差法来判断电流是处于涌流状态还是在故障电流状态下，当时差法判据不满足时，差动保护被正确闭锁，进行下一步判断，当时差法判据满足时，保护被正确开放；

2)使用基波幅值增量法进行判断是否是和应涌流，倘若判断电流是和应涌流，则采取短时增强制动特性，并进行下个步骤ta饱和判别，判断为励磁涌流则采用励磁涌流判据判断是否动作；

3)使用虚拟制动判据进行ta饱和判别，假如ta饱和则采用2级短时增强制动特性，不饱和则采用短时增强制动特性；

4)保护电流落在动作区域差动保护动作，否则差动保护不动作。

在步骤1)中，所述启动元件动作是指涌流或者是故障电流出现的初期突变的电流使差电流突变量的启动元件动作，使用时差法来判断电流是指：

在差动保护满足动作条件后，即进入保护动作区，首先进行时差法判别，采用向保护启动前，后推一采样周期的方法确定故障起始点，为了从起始点开始来判断差电流与线电流是否有时间差，判别方程如下：

|ik+ik-t/2|＞1.25|ik-t/2+ik-t|+0.3ie(1-1)

如果连续有三个采样点满足此方程，确定此时故障开始，从故障起始点开始，三个采样点中至少有两个采样点满足方程：

|id|＞0.5*|if|(1-2)

则判断差流和制动电流同时出现，判为区内故障，则保护取消时差法判据；否则判为区外故障保护自动投入时差法判据，式中

其中：ik为第k点的差动电流基波分量，ik-t/2为第k点半个周波前的的差动电流基波分量，ik-t为第k点一个周波前的差动电流基波分量，ie为变压器额定电流，id为变压器差动电流，if为变压器制动电流；

当时差法判据不满足时，差动保护被正确闭锁，进行下一步判断；当时差法判据满足时，差动保护正确开放。

在步骤2)中，所述基波幅值增量法识别和应涌流使用的核心特征是：和应涌流电流基波分量在暂态增大阶段必须是逐渐增大，励磁涌流在这一时间的核心特征是：基波分量持续衰减，故障电流在这一时间的核心特征是：尽管故障电流和和应涌流与励磁涌流相同地含有直流分量，但是故障电流中基波分量却一直保证不会变化；

定义：差动电流的基波幅值增量s(n)：

式中：id(n)为第n点的差动电流基波分量幅值；id(n-n)为第n-n点差动电流基波分量幅值，n≥n，n为每周波采样点数；计算方法使用差分形式下全周傅立叶算法计算差动电流的基波分量幅值，对各次谐波的分解过程中，基本消除了差流中的衰减非周期分量对计算的影响。

其中，主变差动电流的基波分量幅值的变化过程体现在s(n)的量中，即基波幅值增量得出量，倘若门槛值sth的取值适当，就能够准确地判断是何种涌流；假设在和应涌流发生时，在其暂态增大阶段时s(n)＞sth，稳定衰减阶段时s(n)＜0，励磁涌流发生时，满足s(n)＜0，故障电流发生时，满足s(n)≈0；在这基础上，得到能够判断和应涌流的基波幅值增量判据：

s(n)＞sth(1-6)

倘若门槛值sth的取值适当，公式(1-6)能够清楚地鉴别流过变压器的电流出来是和应涌流还是励磁涌流或是故障电流，然后采取相应措施防止保护动作不正确的情况出现；门槛值sth的整定要考虑实际运行中的变压器的参数以及基波分量幅值的变化判据在保护中的具体使用状态；

使用基波幅值增量判据是：如果此时差动保护动作方程，以及时差法方程不满足，则判断变压器处于流过涌流的状态，而不是变压器处于故障状态，之后使用基波幅值增量判据来判断是主变内是和应涌流还是励磁涌流，根据基波幅值增量的变化情况来进行判断，当保护启动之后的这段过程基波幅值增量s(n)＞0并且还持续一段时间，持续时间能够取1～2个周波，来判断是和应涌流，而这段过程基波幅值增量s(n)＜0时说明判断是励磁涌流，整定的门槛值sth其值只要取相对小且大于零的值就已经灵敏地判断；

基波幅值增量判据的判断区间应首先从第3个周波的初始时刻开始，这是由于差动保护用全周傅氏算法的原因，涌流或者是故障电流出现的初期突变的电流使差电流突变量的启动元件启动后，在此为起点的第1个周波内保护的采样值会因跨了两个状态的数据窗而使基波幅值的具体采样计算不准确，也就是说在保护启动后的2个周波之内用于判断和应涌流的采样及计算的基波幅值增量值s(n)是不准确的，为了使计算结果更加准确，这时才使用第3个周波的初始时刻开始的基波幅值增量值，但是对于和应涌流来讲，由于磁链的积累需要一定的发展过程，差流前期的增大过程的时间长，即使从第三个周波内开始鉴别不会影响基波幅值增量法判据的可靠性。

在步骤2)中，所述短时增强制动特性为三折线形的差动保护特性，包括依次相连的第一斜线段、水平线段和第二斜线段，第一斜线段是由原制动特性的斜线段的一部分向左平移而得到，目的是为了让拐点制动电流iro减小，为了能够增大差动保护的门槛值至原来的两倍，水平线段是由原制动特性的直线部分经过向上平移得到，将差动保护的门槛值变化成原来的2倍，而第二斜线段不变，与原制动特性一样；所述原制动特性为二折线形的差动保护特性，包括依次连接的直线段和斜线段。

在步骤3)中，所述ta饱和判别，即虚拟制动判据，是指：ta饱和后，由于ta在电流过零点时还能够正确传变电流，故在一个周期内差动电流不是连续的且出现间断，利用这个特点来判别ta饱和；差动保护采用“虚拟制动+二次谐波制动”饱和判据：首先根据差动电流自身信息虚拟一个制动电流idmax，该值为一采样周期内最大采样点值，若该采样周期内有大于18个的采样点值满足方程

|id|＞0.2*|idmax|(1-7)

则开放差动，否则认为ta饱和，闭锁差动保护；同时也采用差流中二次谐波制动方式作为补充，其中谐波系数为1.5，闭锁方式为“分相”闭锁；

式中，id为变压器差动电流；idmax为虚拟制动电流，该值为一采样周期内最大采样点值。

在步骤3)中，所述2级短时增强制动特性是指：将原制动特性的原制动特性直线段上移至1.2ie，与斜线段一起组成，增大差流门槛值id0，同时也采用差流中二次谐波制动方式作为补充，其中谐波系数为0.15，闭锁方式为“分相”闭锁，ie为变压器额定电流。

在步骤4)中，所述保护的动作区是指：当用2级短时增强制动特性或短时增强制动特性之后，再对采样值差流进行不断的计算与逻辑鉴别，当和应涌流衰减至差流的基波会产生低于差流门槛值的状态时，不再使用2级短时增强制动特性或短时增强制动特性，差动保护恢复原差动保护制动特性。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、完整的解决了基波增量方法中用二次谐波区别判断涌流的缺陷，使用时差法判据替代二次谐波判据区分故障及涌流，来更精准的来进行判断，可以避免由于ta剩磁的影响造成的涌流2次谐波量不足15％从而造成无法闭锁差动保护，误区分故障及涌流从而导致差动保护动作的问题。在和应涌流的初期还没导致ta饱和前的10多个周波中(和应涌流一般持续时间较长)，使用短时增强特性防止由于和应涌流直接导致的差动保护误动作。

2、本发明在ta处于饱和状态，采用2级短时增强制动特性来防止因ta饱和而引起保护误动，相对于简单的时差法，因为增加了基波幅值增量判据，它可以更早的判断和应涌流的发生，并且在初期(四个周波内)可以防止ta未饱和情况下，和应涌流就已经造成的保护误动情况，增加了可靠性，并且判断为和应涌流其不直接闭锁差动保护而是将保护门槛值提高，防止在和应涌流期间发生故障，造成保护被闭锁而无法动作的情况。

3、本发明通过使用虚拟制动的方法，解决了在ta饱和情况下和应涌流会造成变压器差动保护动作的问题。

4、本发明解决了在二次谐波含量不够时难以区分故障和涌流因为使用二次谐波含量来判断是否是故障，若是和应涌流二次谐波未达到15％无法采取措施的情况。

5、本发明方法在和应涌流的发生的初期(1个周波内)能够区分变压器的内外故障和涌流。

附图说明

图1为本发明短时增强特性示意图。

图2为本发明2级短时增强特性示意图。

图3为本发明使用综合法保护原理流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图3所示，本实施例所提供的识别并防止和应涌流导致变压器差动保护动作的方法，包括以下步骤：

1)合上充电变压器变高侧开关对变压器充电，使运行变压器内产生电流突变，运行中变压器启动元件动作，然后使用时差法来判断电流是处于涌流状态还是在故障电流状态下，在差动保护满足动作条件后(进入保护动作区即可)首先进行时差法判别，采用向保护启动前，后推一采样周期(一周波采样24点)的方法确定故障起始点，为了从起始点开始来判断差电流与线电流是否有时间差，判别方程如下：

|ik+ik-t/2|＞1.25|ik-t/2+ik-t|+0.3ie

如果连续有三个采样点满足此方程，确定此时故障开始，从故障起始点开始，三个采样点中至少有两个采样点满足方程：

|id|＞0.5*|if|

则判断差流和制动电流同时出现，判为区内故障，则保护取消时差法判据；否则判为区外故障保护自动投入时差法判据。式中

式中：ik——第k点的差动电流基波分量

ik-t/2——第k点半个周波前的的差动电流基波分量

ik-t——第k点一个周波前的差动电流基波分量

ie—变压器额定电流

id—变压器差动电流

if—变压器制动电流

当时差法判据不满足时，差动保护被正确闭锁，进行下一步判断。当时差法判据满足时，保护被正确开放，此处时差法判据不满足，保护闭锁并进行下一步判断。

2)基波幅值增量法进行判断是否为和应涌流，倘若判断电流是和应涌流，则采取短时增强制动特性，并进行下个步骤ta饱和判别，判断为励磁涌流则采用励磁涌流判据判断是否动作，此处判断为和应涌流保护采取短时增强制动特性，并进行下一步判断。

基波幅值增量法识别和应涌流使用的核心特征是：和应涌流电流基波分量在暂态增大阶段必须是逐渐增大，励磁涌流在这一时间的核心特征是：基波分量持续衰减，故障电流在这一时间的核心特征是：尽管故障电流和和应涌流与励磁涌流相同地含有直流分量，但是故障电流中基波分量却一直保证不会变化；

定义：差动电流的基波幅值增量s(n)：

式中：id(n)为第n点的差动电流基波分量幅值；id(n-n)为第n-n点差动电流基波分量幅值，n≥n，n为每周波采样点数；计算方法使用差分形式下全周傅立叶算法计算差动电流的基波分量幅值，对各次谐波的分解过程中，基本消除了差流中的衰减非周期分量对计算的影响。

其中，主变差动电流的基波分量幅值的变化过程体现在s(n)的量中，即基波幅值增量得出量，倘若门槛值sth的取值适当，就能够准确地判断是何种涌流；假设在和应涌流发生时，在其暂态增大阶段时s(n)＞sth，稳定衰减阶段时s(n)＜0，励磁涌流发生时，满足s(n)＜0，故障电流发生时，满足s(n)≈0；在这基础上，得到能够判断和应涌流的基波幅值增量判据：

s(n)＞sth

倘若门槛值sth的取值适当，上式能够清楚地鉴别流过变压器的电流出来是和应涌流还是励磁涌流或是故障电流，然后采取相应措施防止保护动作不正确的情况出现；门槛值sth的整定要考虑实际运行中的变压器的参数以及基波分量幅值的变化判据在保护中的具体使用状态；

使用基波幅值增量判据是：如果此时差动保护动作方程，以及时差法方程不满足，则判断变压器处于流过涌流的状态，而不是变压器处于故障状态，之后使用基波幅值增量判据来判断是主变内是和应涌流还是励磁涌流，根据基波幅值增量的变化情况来进行判断，当保护启动之后的这段过程基波幅值增量s(n)＞0并且还持续一段时间(持续时间能够取1～2个周波)，来判断是和应涌流，而这段过程基波幅值增量s(n)＜0时说明判断是励磁涌流，整定的门槛值sth其值只要取相对小且大于零的值就已经灵敏地判断；

基波幅值增量判据的判断区间应首先从第3个周波的初始时刻开始，这是由于差动保护用全周傅氏算法的原因，涌流或者是故障电流出现的初期突变的电流使差电流突变量的启动元件启动后，在此为起点的第1个周波内保护的采样值会因跨了两个状态的数据窗而使基波幅值的具体采样计算不准确，也就是说在保护启动后的2个周波之内用于判断和应涌流的采样及计算的基波幅值增量值s(n)是不准确的，为了使计算结果更加准确，这时才使用第3个周波的初始时刻开始的基波幅值增量值，但是对于和应涌流来讲，由于磁链的积累需要一定的发展过程，差流前期的增大过程的时间较长，即使从第三个周波内开始鉴别不会影响基波幅值增量法判据的可靠性。

短时增强制动特性如图1所示，斜线段a是由原制动特性的斜线段的部分向左平移而得到，目的是为了让拐点制动电流iro减小，在上图中iro减小为0，为了能够增大差动保护的门槛值至原来的两倍，水平线段b是由原制动特性的直线部分经过向上平移得到，这样一来就将差动保护的门槛值变化成原来的2倍，图中的斜线段c不变，短时增强制动特性就成为三折线形的差动保护特性。而原制动特性为二折线形的差动保护特性，包括依次连接的直线段和斜线段。

3)使用虚拟制动判据进行ta饱和判别，假如ta饱和则采用2级短时增强制动特性，不饱和采用短时增强制动特性。

ta饱和判别(虚拟制动判据)是指：ta饱和后，由于ta在电流过零点时还能够正确传变电流，故在一个周期内差动电流不是连续的且出现间断，可利用这个特点来判别ta饱和；差动保护采用“虚拟制动+二次谐波制动”饱和判据：首先根据差动电流自身信息虚拟一个制动电流idmax，该值为一采样周期内最大采样点值，若该采样周期内有大于18个的采样点值满足方程

|id|＞0.2*|idmax|

则开放差动，否则认为ta饱和，闭锁差动保护；同时也采用差流中二次谐波制动方式作为补充，其中谐波系数为1.5，闭锁方式为“分相”闭锁。

式中，id为变压器差动电流；idmax为虚拟制动电流，该值为一采样周期内最大采样点值。

2级短时增强制动特性如图2所示，首先，将原制动特性的原制动特性直线段c上移至1.2ie，与斜线段b(即增大差流门槛值id0)一起组成，同时也采用差流中二次谐波制动方式作为补充，其中谐波系数为0.15，闭锁方式为“分相”闭锁。

4)保护电流落在动作区域差动保护动作，否则差动保护不动作。其中，保护的动作区是指：当用2级短时增强制动特性或短时增强制动特性之后，再对采样值差流进行不断的计算与逻辑鉴别，当和应涌流衰减至差流的基波会产生低于差流门槛值的状态时，不再使用2级短时增强制动特性或短时增强制动特性，差动保护恢复原差动保护制动特性。

综上所述，在采用以上方案后，本发明为识别并且防止和应涌流导致变压器差动保护动作提供了新的方法，将三种方法有机结合作为识别并且防止和应涌流导致变压器差动保护动作的一种有效手段，能够有效防止和应涌流导致变压器差动保护动作，有效推动我国继电保护的发展，具有实际推广价值，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。