高阻接地故障检测分析论文

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摘要:本文对故障分量的比率差动继电器的实现方法进行理论分析，同传统比率差动保护在检测变压器内部轻微故障，如匝间短路、高阻接地短路，的动作灵敏度的方面作了一些比较，用EMTP建立了变压器匝间短路和高阻接地的模型，在模型的基础上进行了仿真验证，充分说明了故障分量的比率差动保护在性能上的优越。

关键词：故障分量，差动保护，变压器保护，闸间短路，高阻接地故障

0引言

比率差动保护因能可靠检出区内故障，很好的躲避穿越性电流被广泛的应用于电力系统保护中，在变压器的保护中的应用更是由来已久。但由于受到负荷电流的干扰，制动电流不能很好的反映故障电流的大小，被负荷电流所淹没，使得对轻微故障的检测灵敏度过低。故障分量的比率差动保护，由于减去了负荷分量的影响，对轻微故障的检测具有很高的的灵敏度，大型变压器容量很大，满负荷运行时，低压侧的等效电阻非常小，往往只有1欧左右(如容量为150MVA，低压侧为10KV，0.6667欧)，传统比率差动保护对低压侧高阻接地故障的灵敏的不够，故障分量的比率差动保护却能很好地检出故障，因而因该在大型变压器保护中得到了广泛的应用。

变压器在额定负荷运行的时候，发生轻微匝间短路故障时（2%匝短路），传统的比率差动保护往往没有足够的灵敏度检出故障。虽然差流大于了启动电流门槛值，由于制动电流加上了变压器的一倍负荷电流，要检出此类故障，比率制动系数（K值）将整得很低，会减弱比率差动保护抗CT饱和的能力，区外故障时很容易误动作，因此，实际的做法往往是降低保护的灵敏度，等待匝间故障进一步发展，差流、制动电流进入动作区内，保护再出口跳闸，这对变压器必将造成严重的损害。传统的比率差动抗CT饱和的能力是很弱的，必须增加额外的补充判据，防止保护误动。

对于故障分量的比率差动，制动电流去掉了负荷电流的干扰，k值（1.7）可以整定的很高，变压器在额定负荷运行的时候，发生轻微匝间短路故障时，保护具有足够的灵敏度检出故障，同时对低压侧区内高阻接地故障的检测灵敏度也提高了很多,由于k值很大,具有足够的抗CT饱和的能力。

本文对故障分量的比率差动的设计思想和特性曲线的参数的选择作相应的理论分析，同时建模验证算法的正确性。

1故障分量的比率差动算法的建立

1．1基本算法

故障分量的比率差动算法为传统的差动保护中的差动电流和制动电流分别减去正常时候的负荷电流而得到。以两圈变压器的纵连差动为例，以流入变压器为正方向，如式（1）：

(1)

其中，,

--变压器高、低压侧的故障分量电

--为变压器正常运行时励磁电流

—分别为变压器高压侧低压侧电流和正常时的穿越性负荷电流

K—为比率差动的比率制动系数

从上式中可以看出：

，（2）

故障分量的比率差动电流和传统的比率差动电流相差一倍正常时磁电流，只是制动电流增加了两倍穿越性的负荷电流（略去励磁电流不计）。

1．2故障分量的提取

故障分量的比率差动保护性能的好坏，关键在于故障分量的提取。对于不同的保护设备，故障分量的提取很不相同，考虑到针对变压器这一电力系统中的特殊元件，对故障分量的提取提出了一些具体的要求。首先，应该准确减去负荷电流。其次，在转换性故障和故障重叠的时候不受第一次故障的影响，在第一次故障达到稳态的时侯，第二次故障到来的时候，能快速检测出故障来。

但在具体实现的时候会遇到如下困难：

在故障的发展过程中,故障前负荷电压（电流）在不断的变化,以第一次故障前的电压（电流）为基准,会带来误差.但故障前电压在不断的变化只能引起Δi1正序分量的提取,对Δi2,Δi0分量的提取没有影响,由变压器保护只是使用电器量进行比较,不涉及参数的计算,如阻抗,方向等,精度足够.

由于记录下故障前的电流量作为负荷量,故障中的量和故障前的电流量作差值提取Δih,Δil.但随着故障时间的延长,存在定时误差,故障后的电器量和故障前的电器量的相角差越来越大,Δih,Δil误差也越来越大,使得Δicd值不变(误差被减掉)Δizd值越来越小,所以计算K值随着时间偏移越来越大,只能限制故障分量的比率差动保护的开放时间,否则在区外故障时由于随时间积累的相角差会使保护误动,但开放时仅太短又会使得在发展性故障中不能检出第二次故障,开放时间为100ms~150ms.

2故障分量的比率差动动作参数的选定

2．1启动电流的确定

由于差动电流和传统的比率差动相同，大体应按传统比率差动整定，但也有特殊的要求。

Iqd.min=Kk[Ktx*fwc+ΔU/2+Δfph]Ie（3）

Iqd.min—比率差动启动门槛值

fwc=0.1—考虑一侧电流互感器10%误差曲线的系数

Δfph=0.01—软件相角校正时,由于小CT型号不同引起的偏移

ΔU/2—变压器的调压范围,取为5%,由于改变了变比,所以平衡系数相应变为原来的95%K,应躲开引起的差流值

Kk—可靠系数取1.3

假设由于以上条件，流入装置的高压侧的电流为准确的，误差均来自低压侧，

高低压侧电流为（略去励磁电流）式（4）

（4）

--变压器高、低压侧相电流

--穿越性负荷电流

--比率差动启动电流

（1）传统比率差动:

当产生Iqd.min差流时,一定有Ie+1/2*Iqd.min(Ie为额定电流)制动电流产生，K整定0.4，比率制动曲线过原点，,Ie取5A时，制动电流一定大于拐点电流，落在动作特性曲线的制动区，保护不会误动。

（2）故障分量的比率差动:

当产生Iqd.min差流时,一定有1/2*Iqd.min制动电流产生，所以计算K值(保护感受到的差流和制动电流的比值)为2.，当K值整定为1.7时（以下分析整定原因）,比率制动曲线过原点，制动电流小于拐点电流，保护误动。

所以,由于以上原因产生的最大差流时,传统比率差动可以用比率制动曲线躲过，而故障分量的比率差动，则无法区分由于CT误差，有载调压所产生的差流,和由于低压侧三相短路，或变压器空载故障时产生的差流，因为其计算K值均为2。传统比率差动的Iqd.min应按允许的最小差流启动电流整定，故障分量的比率差动的Iqd.min应按允许的最大差流启动电流整定，但如整定太小，将影响检测轻微故障的能力，又考虑到故障分量的比率差动减去了励磁电流的影响，工程实际取0.2~0.5,取0.23。

2．2制动斜率K值的确定.

主要考虑两种极端的情况,使制动特性曲线过原点。

(1)区内故障

1.变压器空载时,发生区内故障，计算K值最小。

当变压器两侧带电源的时,发生区内故障,高低压侧同时感受到方向指向变压器的Δih（高压侧故障分量）,Δil（低压侧故障分量）,而变压器空载,或低压侧不带电源时,保护只感受到高压侧Δih（高压侧故障分量）,所以（5）式成立计算K值，

（5）

--高、低压侧同时带电源时，保护感受到的差流和制动电流

--高压侧带电源，低压侧空载时，保护感受到的差流和制动电流

--计算K值

2.空投和低压侧三相短路等故障类型(低压侧不带电源),计算K值无法区分,都等于2.0,所以整定K值必小于2.0，空投的时候由于差流由励磁支路引起,其二次谐波含量很大,能可靠闭锁,当整定K值小于2.0时,低压侧三相短路时保护能动作,所以故障分量的比率差动保护在低压侧不带电源时发生三相短路故障,灵敏度最低,K值最小。

(2)区外故障

区外故障主要考虑由于CT传变误差引起的差流造成的保护误动作，考虑CT传变误差,带入比率差动动作方程，式（6）成立，

（6）

--分别为穿越性高低压侧的故障分量电流

--分别高低压侧CT传变误差的百分数

当高低压侧CT传变误差，分别为10%和-10%时,差流最大,制动电流最小,保护最容易误动,所以最严重的区外故障,保护发生误动时,比率制动系数K=0.2。K整定为1.6~1.8，满足工程需求。

2．3抗CT饱和的考虑

假定低压侧CT饱和，低压侧只有fl*Δil的电流流入保护装置,由于

|Δih+Δil|>K*0.5*|(Δih-Δil)|

则（6）式变为，各参数的含义如（6）式：

（7）

假设穿越性的故障,,等式左右相等,K为1.7时带入（7）式，fi=0.081。所以，低压侧CT饱和时只要有大于8.11%倍的原方电流能传变倒二次侧,为1.7时故障分量的比率差动不会误动.

3变压器匝间短路、高阻接地建模和算法仿真

3.1匝间短路模型的建立

由于变压器内部匝间短路故障的内部电磁过程非常复杂，要准确模拟非常困难，但我们可以抓住其主要特征，其精度已能满足继电保护的动模的要求。我们关心的只是变压器高低压侧端口电流的变化，对内部复杂电磁过程并不感兴趣，根据黑箱原理，只要我们考察的量，满足一定的精度要求（我们考察的主要是高、低压侧电流，短路匝电流），我们认为模型是成功的。

3.1.1短路匝之间的弧光电阻,电感的模拟

单相变压器的电阻和电感的标压值为:Rbase=548.2456欧,Lbase=1.7451亨

由于短路匝的匝数和变压器线圈绕组匝数相比,很小,选用第三绕组来模拟变压器低压侧的匝间断路时,第三绕组的漏感和漏阻应尽量取的比较小:

漏阻:Rbase*0.001=548.2456*0.001=0.5482欧

漏抗:Lbase*0.001=1.7451*0.001=0.0017亨

弧光电阻,电感:

弧光电阻:0.05欧

弧光电感:0.0001亨

设定为2%的匝间断路:

U2(第二绕组电压)=225.4KV

U3(第三绕组电压,短路匝模拟电压)=4.6KV

3.1.2波形分析

图(1)、（2）为RTDS的实录波形和EMTP建模产生波形的比较,可以看出模型的正确性.

(1)RTDS的A相电流波形（变压器不带负荷空载合闸,A相匝间断路2%）

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

(2)EMTP的A相电流输出波形（变压器不带负荷空载合闸,A相匝间断路2%）

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

图（1）、（2）变化趋势来看是一致的

实际变压器2%匝短路的时侯,IA(A相电流)=1.6Ie.Ik(短路匝电流)=60Ie,而EMTP输出波形为IA=1.6156Ie,Ik=35Ie，由于算法的输入为相电流作差值，相电流和短路匝的电流的结果基本满足要求。

3．2算法仿真

两种算法Iqd.min=90A比率制动曲线过原点，折算到一次测的电流。

（3）高压侧A相电流波形(变压器满负荷运行时，在2.5s时发生低压侧A相2%的匝间断路,以下相同)

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

（4）低压侧A相电流波形

figure4．Thecurrentwaveoflow-voltagesideofphaseA

（5）短路匝内的电流波形(折算到原方后,原方电流的倍数)

figure5．Thecurrentwaveintheshortedturns（transformedintounitvalue）

以下为调整K值的大小，两种算法的动作行为。

（6）K=0.3，比率差动特性（左边的为故障分量的比率差动，右边为传统比率差动，以下相同）

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

K=0.3，两种保护均能可靠动作，但实际运行的时侯，传统比率差动的制动系数很难整定的这么低，区外故障容易误动，抗CT饱和能力越很弱。

（7）K=0.4，比率差动特性

figure7．K=0.3，thepercentagedifferentialcharacteristic

K=0.4，传统比率差动已到了动作区的边界，几乎检测不出如此轻微的故障，这一点也同我们的动模试验相吻合。

（8）K=1.7，比率差动特性

figure8．K=0.3，thepercentagedifferentialcharacteristic

从中可一看出故障分量的比率差动的高灵敏性和可靠性的结合。即能检出轻微故障，又有足够的抗CT饱和能力。

以下为，在2.5s发生低压侧A相1%的匝间断路时，两种算法的动作行为。

（9）K=0.25，比率差动特性（在2.5s发生低压侧A相1%的匝间断路）

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

传统比率差动对1%的匝间断路已失去了灵敏度，故障分量的比率差动同样能灵敏反映

（10）K=1.7,比率差动特性（在2.5s发生低压侧A相1%的匝间断路）

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

故障分量的比率差动在如此高的k值的情况下同样能检出1%的轻微故障

以下为低压侧区内AB相跨接20欧电阻在2.5s时短路故障，负荷侧为纯电阻负荷1.9206欧.时，两种算法的动作行为的仿真

（11）变压器端口的波形，左边为高压侧A，B，C相电流，右边为低压侧A，B，C三相电流。(AB相跨接20欧电阻在2.5s时短路故障)

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

从图(11)可以看出相电流几乎没有突变，对算法的考验更加严酷。

（12）K=1.7，比率差动特性（AB相跨接20欧电阻在2.5s时短路故障)

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

对高阻接地故障分量的比率差动，相比传统比率差动也有不可比拟的优势。

4结论

本文对故障分量的比率差动保护相对于传统的在检测变压器匝间短路和低压侧高阻接地短路的灵敏方面作了分析。对故障分量的比率差动的动作特性参数作了分析计算，并对抗CT饱和的能力方面作了一些分析。在这基础上，提出了算法的实现，用EMTP建立了匝间短路和高阻接地的仿真模型，对两种算法的动作行为进行了仿真，验证了所选的制动系数K，和对故障分量的比率差动保护优越性的分析。

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

参考文献

1B.Groar，D.Dolinar，Integrateddigitalpowertransformerprotection，IEEProc-Gener，T.ransm,Distrib,Vol,141,No.4，July1994

2葛耀中,新型继电保护与测距原理与技术,西安交通大学出版社,1996.

3尹项根,故障分量差动保护,电力系统自动化,1999,11.