導(dǎo)語：高阻接地故障檢測分析論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:本文對(duì)故障分量的比率差動(dòng)繼電器的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行理論分析，同傳統(tǒng)比率差動(dòng)保護(hù)在檢測變壓器內(nèi)部輕微故障，如匝間短路、高阻接地短路，的動(dòng)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(chǔ)上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，充分說明了故障分量的比率差動(dòng)保護(hù)在性能上的優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：故障分量，差動(dòng)保護(hù)，變壓器保護(hù)，閘間短路，高阻接地故障

0引言

比率差動(dòng)保護(hù)因能可靠檢出區(qū)內(nèi)故障，很好的躲避穿越性電流被廣泛的應(yīng)用于電力系統(tǒng)保護(hù)中，在變壓器的保護(hù)中的應(yīng)用更是由來已久。但由于受到負(fù)荷電流的干擾，制動(dòng)電流不能很好的反映故障電流的大小，被負(fù)荷電流所淹沒，使得對(duì)輕微故障的檢測靈敏度過低。故障分量的比率差動(dòng)保護(hù)，由于減去了負(fù)荷分量的影響，對(duì)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(fù)荷運(yùn)行時(shí)，低壓側(cè)的等效電阻非常小，往往只有1歐左右(如容量為150MVA，低壓側(cè)為10KV，0.6667歐)，傳統(tǒng)比率差動(dòng)保護(hù)對(duì)低壓側(cè)高阻接地故障的靈敏的不夠，故障分量的比率差動(dòng)保護(hù)卻能很好地檢出故障，因而因該在大型變壓器保護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

變壓器在額定負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)候，發(fā)生輕微匝間短路故障時(shí)（2%匝短路），傳統(tǒng)的比率差動(dòng)保護(hù)往往沒有足夠的靈敏度檢出故障。雖然差流大于了啟動(dòng)電流門檻值，由于制動(dòng)電流加上了變壓器的一倍負(fù)荷電流，要檢出此類故障，比率制動(dòng)系數(shù)（K值）將整得很低，會(huì)減弱比率差動(dòng)保護(hù)抗CT飽和的能力，區(qū)外故障時(shí)很容易誤動(dòng)作，因此，實(shí)際的做法往往是降低保護(hù)的靈敏度，等待匝間故障進(jìn)一步發(fā)展，差流、制動(dòng)電流進(jìn)入動(dòng)作區(qū)內(nèi)，保護(hù)再出口跳閘，這對(duì)變壓器必將造成嚴(yán)重的損害。傳統(tǒng)的比率差動(dòng)抗CT飽和的能力是很弱的，必須增加額外的補(bǔ)充判據(jù)，防止保護(hù)誤動(dòng)。

對(duì)于故障分量的比率差動(dòng)，制動(dòng)電流去掉了負(fù)荷電流的干擾，k值（1.7）可以整定的很高，變壓器在額定負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)候，發(fā)生輕微匝間短路故障時(shí)，保護(hù)具有足夠的靈敏度檢出故障，同時(shí)對(duì)低壓側(cè)區(qū)內(nèi)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(duì)故障分量的比率差動(dòng)的設(shè)計(jì)思想和特性曲線的參數(shù)的選擇作相應(yīng)的理論分析，同時(shí)建模驗(yàn)證算法的正確性。

1故障分量的比率差動(dòng)算法的建立

1．1基本算法

故障分量的比率差動(dòng)算法為傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)中的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流分別減去正常時(shí)候的負(fù)荷電流而得到。以兩圈變壓器的縱連差動(dòng)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(cè)的故障分量電

--為變壓器正常運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電流

—分別為變壓器高壓側(cè)低壓側(cè)電流和正常時(shí)的穿越性負(fù)荷電流

K—為比率差動(dòng)的比率制動(dòng)系數(shù)

從上式中可以看出：

，（2）

故障分量的比率差動(dòng)電流和傳統(tǒng)的比率差動(dòng)電流相差一倍正常時(shí)磁電流，只是制動(dòng)電流增加了兩倍穿越性的負(fù)荷電流（略去勵(lì)磁電流不計(jì)）。

1．2故障分量的提取

故障分量的比率差動(dòng)保護(hù)性能的好壞，關(guān)鍵在于故障分量的提取。對(duì)于不同的保護(hù)設(shè)備，故障分量的提取很不相同，考慮到針對(duì)變壓器這一電力系統(tǒng)中的特殊元件，對(duì)故障分量的提取提出了一些具體的要求。首先，應(yīng)該準(zhǔn)確減去負(fù)荷電流。其次，在轉(zhuǎn)換性故障和故障重疊的時(shí)候不受第一次故障的影響，在第一次故障達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)侯，第二次故障到來的時(shí)候，能快速檢測出故障來。

但在具體實(shí)現(xiàn)的時(shí)候會(huì)遇到如下困難：

在故障的發(fā)展過程中,故障前負(fù)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(zhǔn),會(huì)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(duì)Δi2,Δi0分量的提取沒有影響,由變壓器保護(hù)只是使用電器量進(jìn)行比較,不涉及參數(shù)的計(jì)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(fù)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(shí)間的延長,存在定時(shí)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(jì)算K值隨著時(shí)間偏移越來越大,只能限制故障分量的比率差動(dòng)保護(hù)的開放時(shí)間,否則在區(qū)外故障時(shí)由于隨時(shí)間積累的相角差會(huì)使保護(hù)誤動(dòng),但開放時(shí)僅太短又會(huì)使得在發(fā)展性故障中不能檢出第二次故障,開放時(shí)間為100ms~150ms.

2故障分量的比率差動(dòng)動(dòng)作參數(shù)的選定

2．1啟動(dòng)電流的確定

由于差動(dòng)電流和傳統(tǒng)的比率差動(dòng)相同，大體應(yīng)按傳統(tǒng)比率差動(dòng)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(dòng)啟動(dòng)門檻值

fwc=0.1—考慮一側(cè)電流互感器10%誤差曲線的系數(shù)

Δfph=0.01—軟件相角校正時(shí),由于小CT型號(hào)不同引起的偏移

ΔU/2—變壓器的調(diào)壓范圍,取為5%,由于改變了變比,所以平衡系數(shù)相應(yīng)變?yōu)樵瓉淼?5%K,應(yīng)躲開引起的差流值

Kk—可靠系數(shù)取1.3

假設(shè)由于以上條件，流入裝置的高壓側(cè)的電流為準(zhǔn)確的，誤差均來自低壓側(cè)，

高低壓側(cè)電流為（略去勵(lì)磁電流）式（4）

（4）

--變壓器高、低壓側(cè)相電流

--穿越性負(fù)荷電流

--比率差動(dòng)啟動(dòng)電流

（1）傳統(tǒng)比率差動(dòng):

當(dāng)產(chǎn)生Iqd.min差流時(shí),一定有Ie+1/2*Iqd.min(Ie為額定電流)制動(dòng)電流產(chǎn)生，K整定0.4，比率制動(dòng)曲線過原點(diǎn)，,Ie取5A時(shí)，制動(dòng)電流一定大于拐點(diǎn)電流，落在動(dòng)作特性曲線的制動(dòng)區(qū)，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。

（2）故障分量的比率差動(dòng):

當(dāng)產(chǎn)生Iqd.min差流時(shí),一定有1/2*Iqd.min制動(dòng)電流產(chǎn)生，所以計(jì)算K值(保護(hù)感受到的差流和制動(dòng)電流的比值)為2.，當(dāng)K值整定為1.7時(shí)（以下分析整定原因）,比率制動(dòng)曲線過原點(diǎn)，制動(dòng)電流小于拐點(diǎn)電流，保護(hù)誤動(dòng)。

所以,由于以上原因產(chǎn)生的最大差流時(shí),傳統(tǒng)比率差動(dòng)可以用比率制動(dòng)曲線躲過，而故障分量的比率差動(dòng)，則無法區(qū)分由于CT誤差，有載調(diào)壓所產(chǎn)生的差流,和由于低壓側(cè)三相短路，或變壓器空載故障時(shí)產(chǎn)生的差流，因?yàn)槠溆?jì)算K值均為2。傳統(tǒng)比率差動(dòng)的Iqd.min應(yīng)按允許的最小差流啟動(dòng)電流整定，故障分量的比率差動(dòng)的Iqd.min應(yīng)按允許的最大差流啟動(dòng)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(dòng)減去了勵(lì)磁電流的影響，工程實(shí)際取0.2~0.5,取0.23。

2．2制動(dòng)斜率K值的確定.

主要考慮兩種極端的情況,使制動(dòng)特性曲線過原點(diǎn)。

(1)區(qū)內(nèi)故障

1.變壓器空載時(shí),發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，計(jì)算K值最小。

當(dāng)變壓器兩側(cè)帶電源的時(shí),發(fā)生區(qū)內(nèi)故障,高低壓側(cè)同時(shí)感受到方向指向變壓器的Δih（高壓側(cè)故障分量）,Δil（低壓側(cè)故障分量）,而變壓器空載,或低壓側(cè)不帶電源時(shí),保護(hù)只感受到高壓側(cè)Δih（高壓側(cè)故障分量）,所以（5）式成立計(jì)算K值，

（5）

--高、低壓側(cè)同時(shí)帶電源時(shí)，保護(hù)感受到的差流和制動(dòng)電流

--高壓側(cè)帶電源，低壓側(cè)空載時(shí)，保護(hù)感受到的差流和制動(dòng)電流

--計(jì)算K值

2.空投和低壓側(cè)三相短路等故障類型(低壓側(cè)不帶電源),計(jì)算K值無法區(qū)分,都等于2.0,所以整定K值必小于2.0，空投的時(shí)候由于差流由勵(lì)磁支路引起,其二次諧波含量很大,能可靠閉鎖,當(dāng)整定K值小于2.0時(shí),低壓側(cè)三相短路時(shí)保護(hù)能動(dòng)作,所以故障分量的比率差動(dòng)保護(hù)在低壓側(cè)不帶電源時(shí)發(fā)生三相短路故障,靈敏度最低,K值最小。

(2)區(qū)外故障

區(qū)外故障主要考慮由于CT傳變誤差引起的差流造成的保護(hù)誤動(dòng)作，考慮CT傳變誤差,帶入比率差動(dòng)動(dòng)作方程，式（6）成立，

（6）

--分別為穿越性高低壓側(cè)的故障分量電流

--分別高低壓側(cè)CT傳變誤差的百分?jǐn)?shù)

當(dāng)高低壓側(cè)CT傳變誤差，分別為10%和-10%時(shí),差流最大,制動(dòng)電流最小,保護(hù)最容易誤動(dòng),所以最嚴(yán)重的區(qū)外故障,保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)時(shí),比率制動(dòng)系數(shù)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(cè)CT飽和，低壓側(cè)只有fl*Δil的電流流入保護(hù)裝置,由于

|Δih+Δil|>K*0.5*|(Δih-Δil)|

則（6）式變?yōu)椋鲄?shù)的含義如（6）式：

（7）

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

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(nèi)部匝間短路故障的內(nèi)部電磁過程非常復(fù)雜，要準(zhǔn)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(hù)的動(dòng)模的要求。我們關(guān)心的只是變壓器高低壓側(cè)端口電流的變化，對(duì)內(nèi)部復(fù)雜電磁過程并不感興趣，根據(jù)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(cè)電流，短路匝電流），我們認(rèn)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(biāo)壓值為:Rbase=548.2456歐,Lbase=1.7451亨

由于短路匝的匝數(shù)和變壓器線圈繞組匝數(shù)相比,很小,選用第三繞組來模擬變壓器低壓側(cè)的匝間斷路時(shí),第三繞組的漏感和漏阻應(yīng)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(shè)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(shí)錄波形和EMTP建模產(chǎn)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(fù)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(fù)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(shí)際變壓器2%匝短路的時(shí)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(jié)果基本滿足要求。

3．2算法仿真

兩種算法Iqd.min=90A比率制動(dòng)曲線過原點(diǎn)，折算到一次測的電流。

（3）高壓側(cè)A相電流波形(變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，在2.5s時(shí)發(fā)生低壓側(cè)A相2%的匝間斷路,以下相同)

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

（4）低壓側(cè)A相電流波形

figure4．Thecurrentwaveoflow-voltagesideofphaseA

（5）短路匝內(nèi)的電流波形(折算到原方后,原方電流的倍數(shù))

figure5．Thecurrentwaveintheshortedturns（transformedintounitvalue）

以下為調(diào)整K值的大小，兩種算法的動(dòng)作行為。

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

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

K=0.3，兩種保護(hù)均能可靠動(dòng)作，但實(shí)際運(yùn)行的時(shí)侯，傳統(tǒng)比率差動(dòng)的制動(dòng)系數(shù)很難整定的這么低，區(qū)外故障容易誤動(dòng)，抗CT飽和能力越很弱。

（7）K=0.4，比率差動(dòng)特性

figure7．K=0.3，thepercentagedifferentialcharacteristic

K=0.4，傳統(tǒng)比率差動(dòng)已到了動(dòng)作區(qū)的邊界，幾乎檢測不出如此輕微的故障，這一點(diǎn)也同我們的動(dòng)模試驗(yàn)相吻合。

（8）K=1.7，比率差動(dòng)特性

figure8．K=0.3，thepercentagedifferentialcharacteristic

從中可一看出故障分量的比率差動(dòng)的高靈敏性和可靠性的結(jié)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(fā)生低壓側(cè)A相1%的匝間斷路時(shí)，兩種算法的動(dòng)作行為。

（9）K=0.25，比率差動(dòng)特性（在2.5s發(fā)生低壓側(cè)A相1%的匝間斷路）

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

傳統(tǒng)比率差動(dòng)對(duì)1%的匝間斷路已失去了靈敏度，故障分量的比率差動(dòng)同樣能靈敏反映

（10）K=1.7,比率差動(dòng)特性（在2.5s發(fā)生低壓側(cè)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(dòng)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(cè)區(qū)內(nèi)AB相跨接20歐電阻在2.5s時(shí)短路故障，負(fù)荷側(cè)為純電阻負(fù)荷1.9206歐.時(shí)，兩種算法的動(dòng)作行為的仿真

（11）變壓器端口的波形，左邊為高壓側(cè)A，B，C相電流，右邊為低壓側(cè)A，B，C三相電流。(AB相跨接20歐電阻在2.5s時(shí)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(duì)算法的考驗(yàn)更加嚴(yán)酷。

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

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

對(duì)高阻接地故障分量的比率差動(dòng)，相比傳統(tǒng)比率差動(dòng)也有不可比擬的優(yōu)勢。

4結(jié)論

本文對(duì)故障分量的比率差動(dòng)保護(hù)相對(duì)于傳統(tǒng)的在檢測變壓器匝間短路和低壓側(cè)高阻接地短路的靈敏方面作了分析。對(duì)故障分量的比率差動(dòng)的動(dòng)作特性參數(shù)作了分析計(jì)算，并對(duì)抗CT飽和的能力方面作了一些分析。在這基礎(chǔ)上，提出了算法的實(shí)現(xiàn)，用EMTP建立了匝間短路和高阻接地的仿真模型，對(duì)兩種算法的動(dòng)作行為進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了所選的制動(dòng)系數(shù)K，和對(duì)故障分量的比率差動(dòng)保護(hù)優(yōu)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

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