防止直流偏磁引起电流互感器饱和造成变压器差动保护误动的方法

摘要

一种防止直流偏磁引起电流互感器饱和造成变压器差动保护误动的方法，根据相电流突变量启动判据判断差动保护是否启动，启动后计算该相差动电流的二次谐波含量，若大于15％则闭锁差动保护；否则判断是否满足二次谐波趋势判据，若满足则判为电流互感器局部暂态饱和，采用修正后的比率制动特性曲线；否则仍采用传统的比率制动特性曲线。本发明能够识别由直流偏磁造成的电流互感器局部暂态饱和，并通过对比率制动特性曲线进行修正，以防止由于电流互感器局部暂态饱和造成差动保护误动，解决了基于传统比率制动特性曲线易发生误动的问题。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种计及直流偏磁对电流互感器的影响，防止在变压器的和应涌流消失后，电流互感器仍工作在饱和点附近，导致其局部暂态饱和，造成差动保护误动的新方法。

背景技术

近年来，我国电力发展非常迅速，全国不同区域电网间的互联愈加紧密，使得整个电力系统结构趋向庞大化，必须增加系统输电容量和传输距离才能保证电能的可靠性与优质性，也因此对我国现阶段电网的安全稳定性提出了更高的要求。

两台变压器并联，一台变压器空载合闸投入时，另一台变压器会产生和应涌流，和应涌流引起差动保护误动的问题也一直备受关注。而目前大多是研究变压器发生和应涌流的机理，往往忽略了和应涌流使得电流互感器(Current Transformer,CT)饱和可能导致差动保护误动。变压器产生和应涌流后，其一次电流是正常运行电流的数倍，数值较大，且其中往往含有按指数形式衰减的非周期分量，流入CT后使得CT的励磁电流中也含有非周期分量，该非周期分量虽不产生变化磁通，但却可改变铁芯的运行工况，又因铁芯磁通与一次电流非周期分量对时间的积分值密切相关，当非周期分量的方向一定，该积分值将不断上升，导致铁芯磁通增加，运行在饱和点附近，进而使CT发生局部暂态饱和。另外，若CT存在剩磁，且剩磁方向与传变一次电流中的非周期分量所需的励磁电流产生的磁通方向相同，则会加速并加剧CT的饱和。当和应涌流消失后，CT可能积累剩磁较大，正常运行于负荷电流时工作在饱和点附近的磁滞曲线上，使得波形畸变，不再能真实反映实际的系统一次电流。

目前，特高压输电事业也快速发展，正在建设“三纵三横”特高压骨干网架，其中建成和正在建设的特高压直流输电工程有20多项。特高压直流电网对常规的交流电网会产生一定的影响，当直流输电系统的运行方式采用单极大地回路或双极回路不平衡运行方式时，把大地等效成一个电阻，不同接地点之间存在电位差，使得大地和电网构成一个回路，流经大地的直流电流通过变压器接地中性点流入交流电网，引起的直流偏磁现象称为HVDC(High-voltage Direct Current)型直流偏磁。HVDC型直流偏磁的电流大约在几安到几十安。直流电流通过 变压器中性点流入交流网络，使得系统电流在正常运行的工频电流上叠加了直流电流。与上述和应涌流对CT饱和影响的分析一致，若直流偏磁电流产生的磁通不断累积，且方向和CT剩磁方向一致，则加速了CT饱和，使得CT二次侧波形发生畸变。此时，如果交流系统遭受直流偏磁影响，同时有另一台变压器空载合闸，使得运行中的变压器产生和应涌流，这时该台变压器所配置的CT传变特性的准确性将面临严重考验。和应涌流消失后，受直流偏磁的影响，CT可能运行在饱和点附近的局部磁滞回环内，CT一二次侧的波形的轻微畸变主要体现在幅值和相位上，计算出的差动电流可能大于比率制动特性的最小动作电流，制动电流应为线路运行的负荷电流，此时，很有可能落入比率制动特性的动作区。因此，针对计及直流偏磁对电流互感器的影响，在和应涌流消失后差动保护易误动，提出相应的防范措施，具有重要的理论意义和实践价值，研究成果将有助于提高电网继电保护的快速性与可靠性。

发明内容

为解决当电流互感器受到直流偏磁的影响时，在变压器的和应涌流消失后，电流互感器仍工作在饱和点附近，会导致其局部暂态饱和，造成差动保护误动的技术问题，本发明公开了一种防止直流偏磁引起电流互感器饱和造成差动保护误动的方法。

本发明具体采用以下技术方案：

一种防止直流偏磁引起电流互感器饱和造成变压器差动保护误动的方法，其特征在于：

所述方法基于变压器差动电流的二次谐波含量大小以及二次谐波含量的变化趋势，来判断电流互感器是否局部暂态饱和，从而确定是否采用修正后的比率制动特性曲线进行变压器差动保护。

一种防止直流偏磁引起电流互感器饱和造成变压器差动保护误动的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)采集变压器两侧互感器的二次电流值；

(2)根据相电流突变量启动判据判断差动保护是否启动，若有两侧中任一相电流突变量大于设定的启动电流I_QD，则差动保护启动；

(3)计算变压器的三相差动电流和制动电流；

(4)若变压器任一相差动电流大于预先设定的最小动作电流，则计算该相的差动电流二次谐波含量，若差动电流中二次谐波含量高于二次谐波含量预设值时，闭锁差动保护，否则进入步骤(5)；

(5)对比率制动特性曲线进行修正；

(6)判断该相差动电流是否满足二次谐波趋势判据，若满足则采用修正后的比率制动特 性曲线进行变压器差动保护；否则仍采用修正前即传统的比率制动特性曲线进行变压器差动保护。

本发明进一步包括以下优选方案：

在步骤(2)中，相电流突变量启动判据是指变压器任一相电流的突变量是否大于设定的启动电流I_QD，如果大于则差动保护启动。所述启动电流I_QD＝0.2I_e,，其中I_e为变压器额定电流。

在步骤(4)中，差动电流二次谐波含量是指该相差动电流的二次谐波和基波比值，所述二次谐波含量预设值为15％。

在步骤(5)中，修正前的比率制动曲线即传统的比率制动曲线中，I_op.min为最小动作电流，取I_op.min＝0.2I_e；I_res.1为第一个拐点制动电流，取I_res.1＝I_e；I_res.2为第二个拐点制动电流，取I_res.2＝3I_e；以第一个拐点o为圆心，r＝0.15I_e为半径做圆，与所述传统的比率制动特性曲线相交于b、c两点，以弧线bc替换传统的比率制动特性曲线中的bo-co段作为为修正后的比率制动特性曲线；其中I_e为变压器额定电流。

在步骤(6)中，所述二次谐波趋势判据为半个周波内该相差动电流的二次谐波含量下降值是否小于预定的趋势阈值。所述趋势阈值优选为1％～3％。

本发明的有益效果：

本发明所提出的一种计及直流偏磁对电流互感器的影响，防止在变压器的和应涌流消失后，电流互感器局部暂态饱和造成差动保护误动的新方法。在直流偏磁直流与变压器和应涌流共同作用下，使得电流互感器工作在饱和点附近，在和应涌流消失后，电流互感器局部暂态饱和，一二次侧的电流的幅值不相等且存在相位偏移，导致计算的差动电流幅值较大，达到比率制动的最小动作电流；而此时制动电流等于负荷电流，易落入动作区，使得差动保护误动。本发明提出利用二次谐波含量下降趋势来识别由直流偏磁造成的电流互感器局部暂态饱和，并修正比率制动特性曲线以防止由于电流互感器局部暂态饱和造成误动，解决了基于原有比率制动特性曲线易发生误动的问题，同时在正常运行(无直流偏磁)及发生区内故障时，仍根据差动保护的传统比率制动特性曲线判断，不影响动作的灵敏度，确保准确性与可靠性，具有一定的工程实际意义。

附图说明

图1为差动保护传统的比率制动特性曲线；

图2为修正后的差动保护比率制动特性曲线；图3为实施例的仿真示意图(T2在1s合闸)；

图4为无直流偏磁情况下，T2在1s合闸使得T1产生的A相和应涌流波形示意图(标幺值)；

图5为无直流偏磁情况下，和应涌流消失后7.2s～7.4s段T1的A相差动电流波形示意图(标幺值)；

图6为无直流偏磁情况下，0s～8s段T1的A相差动电流波的二次谐波含量示意图；

图7为有直流偏磁情况下，T2在1s合闸使得T1产生的A相和应涌流波形示意图(标幺值)；

图8为有直流偏磁情况下，和应涌流消失后7.2s～7.4s段T1的A相差动电流波形示意图(标幺值)；

图9为有直流偏磁情况下，0s～8s段T1的A相差动电流波的二次谐波含量示意图；

图10为有直流偏磁情况下，和应涌流消失后7.2s～7.4s段T1的Y侧A相电流互感器一二次侧电流对比示意图(标幺值，二次侧电流折算至一次侧)；

图11为有直流偏磁情况下，T1其A相铁芯的磁滞曲线，左图为1s～8s段T1其A相铁芯的磁滞曲线，右图为7.2s～7.4s段T1其A相铁芯的磁滞曲线；

图12是本发明实施方式中计及直流偏磁对电流互感器影响，防止在变压器发生和应涌流消失后电流互感器局部暂态饱和，造成差动保护误动新方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细介绍。

一种计及直流偏磁对电流互感器影响，防止在变压器发生和应涌流时造成电流互感器局部暂态饱和，使得差动保护误动的新方法。

如图12所示为本发明提出一种防止直流偏磁引起电流互感器饱和造成变压器差动保护误动的方法流程图，本发明防止在变压器发生和应涌流时造成电流互感器局部暂态饱和。下面以变压器接线方式为Y/d11为例进行详细介绍，所述方法包括以下步骤：

(1)采集变压器星侧三相电流互感器二次侧的电流值瞬时值以及角侧三相电流互感器二次侧的电流值瞬时值；

(2)实时计算变压器星侧和角侧任一相电流的变化量ΔI_φ，如果变压器星侧和角侧任一相电流的变化量满足变压器突变量启动判据，则差动保护启动，进入步骤(3)；

设置相电流变化量ΔI_φ的突变量启动判据：

ΔI_φ＞I_QD                         (1) 

其中相电流变化量ΔI_φ和启动电流I_QD的计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta I}}_{\phi }=|i_{\phi }\left(k\right)-i_{\phi }(k-24)|-|i_{\phi }(k-24)-i_{\phi }(k-48)|\\ I_{QD}=0.2I_e\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，设一个周波24点采样，φ指代A，B，C三相，i_φ(k)为k个采样点φ相的相电流的瞬时值，I_e为折算到变压器星侧的额定电流，i_φ(k)、I_e均为电流互感器二次侧的电流值；

(3)根据步骤(1)采集的变压器星侧三相电流互感器二次侧的电流值瞬时值以及角侧三相电流互感器二次侧的电流值瞬时值计算得到星侧三相电流互感器二次侧的电流相量值以及角侧三相电流互感器二次侧的电流相量值计算变压器三相差动电流I_d(A)，I_d(B)，I_d(C)以及变压器三相制动电流I_r(A)，I_r(B)，I_r(C)：

$\begin{array}{c}{I}_d\left(A\right)=\left|\left({\stackrel{·}{I}}_{YA}-{\stackrel{·}{I}}_{YB}\right)+{\stackrel{·}{I}}_{dA}\right|\\ I_d\left(B\right)=\left|\left({\stackrel{·}{I}}_{YB}-{\stackrel{·}{I}}_{YC}\right)+{\stackrel{·}{I}}_{dB}\right|\\ I_d\left(C\right)=\left|\left({\stackrel{·}{I}}_{YC}-{\stackrel{·}{I}}_{YA}\right)+{\stackrel{·}{I}}_{dC}\right|\end{array}---\left(3\right)$

$\begin{array}{c}{I}_d\left(A\right)=\left|\left({\stackrel{·}{I}}_{YA}-{\stackrel{·}{I}}_{YB}\right)+{\stackrel{·}{I}}_{dA}\right|\\ I_d\left(B\right)=\left|\left({\stackrel{·}{I}}_{YB}-{\stackrel{·}{I}}_{YC}\right)+{\stackrel{·}{I}}_{dB}\right|\\ I_d\left(C\right)=\left|\left({\stackrel{·}{I}}_{YC}-{\stackrel{·}{I}}_{YA}\right)+{\stackrel{·}{I}}_{dC}\right|\end{array}---\left(4\right)$

其中，为变压器星侧三相电流互感器二次侧的电流值；为变压器角侧三相电流互感器二次侧的电流值；

(4)若变压器任一相差动电流大于预先设定的最小动作电流，则计算该相的差动电流二次谐波含量，公式如下：

$P_{2nd}(\phi ,k)=\frac{i_{d.\sec ond}(\phi ,k)}{i_{d.fundmental}(\phi ,k)}---\left(5\right)$

其中，i_d.second(φ,k)、i_d.fundmental(φ,k)分别为第k个采样点φ相差动电流的二次谐波和基波的值，I_op.min为最小动作电流，取I_op.min＝0.2I_e；

比较该相的二次谐波含量，若高于15％则闭锁差动保护；若低于15％，则进入步骤(5)；

(5)修正图1所示传统的比率制动特性曲线，如图1所示，在所述传统的比率制动曲线中，I_op.min为最小动作电流，取I_op.min＝0.2I_e；I_res.1为第一个拐点制动电流，取I_res.1＝I_e；I_res.2为第二个拐点制动电流，取I_res.2＝3I_e；以第一个拐点为圆心o，r＝0.15I_e为半径做圆，与原有比率制动特性曲线相交于b、c两点，曲线abcde为修正后的比率制动特性曲线，如图2所示。

(6)保护装置检测到该相的二次谐波含量小于15％后，判断半个周波内该相的二次谐波含量下降趋势是否平缓，即是否满足式(6)：

P_2nd(φ,k-12)-P_2nd(φ,k)＜1％                      (6) 

若连判4个采样点均满足式(6)，则满足二次谐波趋势判据，认为是由于直流偏磁造成电流互感器局部暂态饱和使得二次谐波含量减小，开放修正后的比率制动特性曲线，即根据修正后的比率制动特性曲线判断差动保护是否进入动作区；否则若不满足式(6)，则认为二次谐波含量下降趋势明显，判为和应涌流消退，或区内/区外故障使得差动电流二次谐波含量急剧降低，不开放修正比率制动特性曲线，根据传统的(图1所示)比率制动特性曲线判断差动保护是否进入动作区。

下面进一步通过一具体实施例介绍本发明公开的防止直流偏磁引起电流互感器饱和造成变压器差动保护误动的方法的技术方案。

电流互感器饱和程度与其参数设置有关，本案例中设置B、C两相的电流互感器参数使其不发生饱和情况(即差动保护能够可靠闭锁)，仅对A相电流互感器饱和做出详细的分析说明，该简化分析并不影响本发明应用的可靠性和正确性。采用本发明提出的新方法并修正比率制动特性曲线，对计及直流偏磁对电流互感器影响，变压器产生和应涌流后差动保护动作判断情况如下：

1)构建单端系统的仿真模型，如图3所示，两台变压器T1、T2的接线方式均为Y/d11，且额定电压为220kV:35kV。首先，在中性点无直流偏磁电流入侵时，T2在1s合闸，T1产生和应涌流，T1的A相差动电流波形示意图如图4所示；图5为和应涌流消失后7.2s～7.4s段T1的A相差动电流波形示意图；A相差动电流的二次谐波含量趋势示意图如图6所示。

2)当T1中性点接入电压源模拟直流偏磁电流流入交流系统，每相的直流偏磁电流幅值大小为14A。T2在1s合闸，T1产生和应涌流，T1的A相差动电流波形示意图如图7所示；图8为和应涌流消失后7.2s～7.4s段T1的A相差动电流波形示意图；A相差动电流的二次谐波含量趋势示意图如图9所示；对比发现，在没有直流偏磁电流入侵时，A相差动电流在和应涌流消失后，差动电流逐渐衰减，幅值接近0；而当直流偏磁电流入侵后，差动电流的幅值仍然大于最小动作电流(0.2p.u.)，且二次谐波含量低于15％的阈值。

3)和应涌流消失后，T1的A相Y侧的电流互感器7.2s～7.4s段一二次侧电流对比示意图如图10所示(二次侧电流折算到一次侧)，可以明显地发现和应涌流消失后，二次侧电流出现了幅值和相位上的变化，这导致了差动电流没有衰减至0，大约等于0.25p.u.；制动电流等于负荷电流，大约在1倍的额定电流。此时，采用如图2所示的比率制动特性，则会恰好落入动作区内，造成保护的勿动。

4)基于有直流偏磁入侵交流系统的情况，和应涌流消失后，差流幅值仍高于最小动作电流，二次谐波含量低于15％，但其变化平缓，半个周波内变化幅度均远远小于1％，即连续对4个采样点判断均满足P_2nd(φ,k-12)-P_2nd(φ,k)＜1％。因此，判为是由于直流偏磁使得电流互感器发生局部暂态饱和，造成一二次侧电流存在幅值差和相位差，导致差动电流大小大于最小动作电流，而波形畸变不明显，使得其二次谐波含量较低。图11为T1其A相铁芯的磁滞曲线，左图为1s～8s段T1其A相铁芯的磁滞曲线，右图为7.2s～7.4s段T1其A相铁芯的磁滞曲线。

5)开放修正比率制动特性曲线，差动电流幅值为0.25p.u.，制动电流幅值为0.9p.u.，根据修正后的比率制动特性曲线判为落入制动区，差动保护不动作。

申请人结合说明书附图以及表格对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例中各故障信息分数值以及影响因素修正系数仅为本发明的优选实施方案，本领域技术人员在本发明的发明思想下完全可能根据具体的发电机组励磁系统型号和实际工况对故障信息分数值以及影响因素修正系数进行合理的选择或修改。总之，本申请详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。