电流故障分量向量比相保护方法

摘要

本发明公开了一种电流故障分量向量比相保护方法，当变压器只有一侧的相电流满足电源相的条件时，或者对变压器各侧同一相或经相位补偿的电源相的电流故障分量向量进行相位比较，当满足相位比较的动作条件，出口跳闸。该方法对于正常运行中的变压器如发生相间短路、接地短路和较严重的匝间短路时能快速、可靠的切除短路故障，具有较好的抗电流互感器饱和的性能，不受外部短路产生的最大不平衡电流、外部故障切除后产生的励磁涌流、和应涌流及变压器容性无功补偿装置的影响，当采用了电流互感器饱和的识别和补偿的方法后，本方法还完全不受电流互感器饱和的影响，本发明同时适用于发电机、母线、电动机等元件作为相间短路、接地短路的保护。

权利要求

1.一种电流故障分量向量比相保护方法，其特征在于：由如下的步骤组成： S1：将变压器各侧归算到额定容量，其二次电流经数值和相位进行补偿； S2：判断变压器是否至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时判断各侧电流互感器是否发生断线，当变压器至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时各侧电流互感器没有发生断线时，电流故障分量向量比相保护开放，否则继续执行步骤S2； S3：启动元件动作后，对变压器各侧各相电流采样值分别进行电源相判别，当变压器只有一侧的相电流满足电源相的判别条件时立即出口跳闸，说明变压器内部发生故障； S4：利用电流互感器饱和与补偿的方法对电源相进行电流互感器饱和判别，当电流互感器饱和时进行瞬时值幅值和极性补偿，并计算电源相电流故障分量向量； S5：对变压器各侧同一相或经相位补偿的电源相的电流故障分量向量进行相位比较，当满足相位比较的动作条件，出口跳闸；当不满足相位比较的动作条件时，则返回步骤S3。

2.根据权利要求1所述的电流故障分量向量比相保护方法，其特征在于：当变压器发生短路故障时，变压器各侧中有短路电流通过的那些相的电流故障分量向量才参与比相。

3.根据权利要求1所述的电源相故障分量向量比相保护方法，其特征在于：在启动元件启动后，每Mms对变压器各侧各相电流进行电源相的判别，如该相在本次Mms区间判为电源相，则该区间的计算的电流故障分量向量参加变压器该相的故障分量向量比相，所述M为正整数。

4.根据权利要求1所述的电流故障分量向量比相保护方法，其特征在于， 在启动元件启动后，所述电源相的判别条件为：当变压器某侧的相电流采样值在Mms内至少连续Nms满足以下两个条件时，判变压器该侧该相为电源相： 条件1：

|K|＞K1

条件2：在Mms中一阶差分电流与变压器额定电流之比的系数K最多只改变一次极性，即由“+”变为“-”或由“-”变为“+”， 其中，M、N为正整数，

k为当前采样时刻；

iφ(φφ)(k)、iφ(φφ)(k-1)为启动元件启动后，该相当前和前一采样时刻相邻两电流采样值， K1为可靠系数； IN2为变压器的额定电流二次值；

θ为相邻两采样点间对应的角度。

5.根据权利要求4所述的电流故障分量向量比相保护方法，其特征在于：M的取值范围为5-10，N的取值范围为1-3，可靠系数K1的取值范围在2-8。

6.根据权利要求5所述的电流故障分量向量比相保护方法，其特征在于：M取值为5，N取值为1，可靠系数K1的取值为3。

7.根据权利要求4所述的电流故障分量向量比相保护方法，其特征在于：电流故障分量向量由以下公式得到： 根据Δiφ(φφ)(k)的值计算出电流

故障分量向量的幅值和相角，

其中，k为当前采样时刻，T为电流周期；

Δiφ(φφ)(k)为k时刻计算的电流故障分量； iφ(φφ)(k)、iφ(φφ)(k-1)为电流采样值，如果电流互感器在该区间通过识别是饱和的，该值为通过瞬时值幅值和瞬时极性补偿后的值。

8.根据权利要求1所述的电源相故障分量向量比相保护方法，其特征在于：对变压器各侧同一相或经相位补偿的电源相的电流故障分量向量进行相位比较，当满足相位比较的动作条件，出口跳闸， 相位比较的动作条件为：

每两侧同相的电源相电流故障分量相位满足以下公式： θ1＜Δθij＜θ2，

Δθij＝θi-θj，

式中，θi,θj为变压器i侧和变压器j侧同一电源相电流故障分量的相位； θ1，θ2为相位比较的动作角。

9.根据权利要求8所述的电源相故障分量向量比相保护方法，其特征在于：θ1的取值范围为：-60°～-100°；θ2取值范围为：60°～100°。

10.根据权利要求8或9之一所述的电源相故障分量向量比相保护方法，其特征在于：θ1＝-90°，θ2＝90°。

说明书

电流故障分量向量比相保护方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体而言是涉及一种使变压器在发生相间短路、接地短路及较严重的匝间短路故障时能快速、灵敏、可靠的切除故障的保护方法。

背景技术

[0002] 目前，国内外变压器的主保护大都采用比率制动式差动保护的原理。为躲过变压器空载合闸及外部短路故障切除后的励磁涌流，通常利用二次谐波制动原理或间断角原理；为躲过区外短路的最大不平衡电流，通常利用比率制动原理；为防止变压器区外短路由于电流互感器的饱和造成比率制动式差动保护误动，通常采用高值比率差动保护或利用二次、三次谐波的含量来判断电流互感器是否饱和，当电流互感器饱和就闭锁稳态比率差动保护。

[0003] 利用上述原理实现保护的变压器，当外部故障如各侧电流互感器饱和特性不一致时，暂态不平衡电流很大，可能误动。当内部故障如短路电流很大，电流互感器严重饱和，二次电流波形严重畸变，完全可能出现间断角和高次谐波，使间断角原理和二次谐波制动原理构成的差动保护均经较长延时动作，降低了快速性。和应涌流中的二次谐波与基波的比值相对较小，并且不是在和应涌流最大时最大，所以采用通常的二次谐波闭锁条件不能完全使保护不误动。另一方面，和应涌流含有大量的衰减的非周期分量可能使变压器各侧的电流互感器发生暂态饱和产生差流导致保护误动。当变压器带有较大的容性无功时，在变压器内部故障可能拒动，在外部故障切除后可能发生误动。

发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提出一种对于正常运行中的变压器如发生相间短路、接地短路和较严重的匝间短路时有较高的灵敏性、快速性和可靠性的保护方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种电流故障分量向量比相保护方法，其由如下的步骤组成：

[0006] S1：将变压器各侧归算到额定容量，其二次电流经数值和相位进行补偿；

[0007] S2：判断变压器是否至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时判断各侧电流互感器是否发生断线，当变压器至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时各侧电流互感器没有发生断线时，电流故障分量向量比相保护开放，否则继续执行步骤S2；

[0008] S3：启动元件动作后，对变压器各侧各相电流采样值分别进行电源相判别，当变压器只有一侧的相电流满足电源相的判别条件时立即出口跳闸，说明变压器内部发生故障；

[0009] S4：利用电流互感器饱和与补偿的方法对电源相进行电流互感器饱和判别，当电流互感器饱和时进行瞬时值幅值和极性补偿，并计算电源相电流故障分量向量；

[0010] S5：对变压器各侧同一相或经相位补偿的电源相的电流故障分量向量进行相位比较，当满足相位比较的动作条件，出口跳闸；当不满足相位比较的动作条件时，则返回步骤S3。

[0011] 在根据本发明的一种优选实施方式中，当变压器发生短路故障时，变压器各侧中有短路电流通过的那些相的电流故障分量向量才参与比相。

[0012] 在根据本发明的另一种优选实施方式中，在启动元件启动后，每Mms对变压器各侧各相电流进行电源相的判别，如该相在本次Mms区间判为电源相，则该区间的计算的电流故障分量向量参加变压器该相的故障分量向量比相，所述M为正整数。

[0013] 在根据本发明的一种优选实施方式中，在启动元件启动后，所述电源相的判别条件为：当变压器某侧的相电流采样值在Mms内至少连续Nms满足以下两个条件时，判变压器该侧该相为电源相：

[0014] 条件1：

[0015] |K|＞K1

[0016] 条件2：在Mms中一阶差分电流与变压器额定电流之比的系数K最多只改变一次极性，即由“+”变为“-”或由“-”变为“+”。

[0017] 其中，M、N为正整数，

[0018] k为当前采样时刻；

[0019] iφ(φφ)(k)、iφ(φφ)(k-1)为启动元件启动后，当前采样时刻和前一采样时刻该相的相邻两电流采样值，

[0020] K1为可靠系数；

[0021] IN2为变压器的额定电流二次值；

[0022] θ为相邻两采样点间对应的角度。

[0023] 在根据本发明的一种优选实施方式中，M的取值范围为5-10，N的取值范围为1-3，可靠系数K1的取值范围在2-8。

[0024] 在根据本发明的一种更加优选实施方式中，M取值为5，N取值为1，可靠系数K1的取值为3。

[0025] 在根据本发明的一种优选实施方式中，电流故障分量向量由以下公式得到：

[0026]

[0027]

[0028]

[0029]

[0030]

[0031] 其中，k为当前采样时刻，T为电流周期；

[0032] Δiφ(φφ)(k)为k时刻计算的电流故障分量，根据该值可计算出电流故障分量向量的幅值和相角；

[0033] iφ(φφ)(k)、iφ(φφ)(k-1)为电流采样值，如果电流互感器在该区间通过识别是饱和的，该值为通过瞬时值幅值和瞬时极性补偿后的值，

[0034] θ为电流故障分量向量的相角。

[0035] 在根据本发明的一种优选实施方式中，对变压器各侧同一相或经相位补偿的电源相的电流故障分量向量进行相位比较，当满足相位比较的动作条件，出口跳闸，

[0036] 相位比较的动作条件为：

[0037] 每两侧同相的电源相电流故障分量相位满足以下公式：

[0038] θ1＜Δθij＜θ2，

[0039] Δθij＝θi-θj，

[0040] 式中，θi,θj为变压器i侧和变压器j侧同一电源相电流故障分量的相位；

[0041] θ1，θ2为相位比较的动作角。

[0042] 在根据本发明的一种优选实施方式中，θ1的取值范围为：-60°～-100°；θ2取值范围为：60°～100°。

[0043] 在根据本发明的一种更加优选实施方式中，θ1＝-90°，θ2＝90°。

[0044] 本发明具有的有益效果：

[0045] 本发明提出了一种电流故障分量向量比相保护的方法，该方法对于正常运行中的变压器如发生相间短路、接地短路和较严重的匝间短路时能快速性和可靠性的切除短路故障。该方法具有较好的抗电流互感器饱和的性能，不受外部短路产生的最大不平衡电流、外部故障切除后产生的励磁涌流、和应涌流及变压器容性无功补偿装置的影响，当采用了其他电流互感器饱和的识别和补偿的方法后，本方法还完全不受电流互感器饱和的影响，本发明同时适用于发电机、母线、电动机等元件作为相间短路、接地短路的保护。

附图说明

[0046] 图1是本发明电流故障分量向量比相保护的方法的MATLAB模拟示意图。

[0047] 图2是发生转换性故障时变压器各侧A相一阶差分电流与二次额定电流比值K的波形图。

[0048] 图3是10.5kv侧外部AB相间短路时变压器各侧电源相电流故障分量波形图。

[0049] 图4是10.5kv侧区外相间短路转内部故障时各侧A相电源相电流故障分量波形图。

[0050] 图5是系统振荡中再发生AB相间短路时各侧电源相电流故障分量波形图。

具体实施方式

[0051] 为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图对本发明进一步详细说明。

[0052] 本发明提出的一种电流故障分量向量比相保护方法，其由如下的步骤组成：

[0053] S1：将变压器各侧归算到额定容量，其二次电流经数值和相位进行补偿；

[0054] S2：判断变压器是否至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时判断各侧电流互感器是否发生断线，当变压器至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时各侧电流互感器没有发生断线时，电流故障分量向量比相保护开放，否则继续执行步骤S2；

[0055] S3：启动元件动作后，对变压器各侧各相电流采样值分别进行电源相判别，当变压器只有一侧的相电流满足电源相的判别条件时立即出口跳闸，说明变压器内部发生故障；

[0056] S4：利用电流互感器饱和与补偿的方法对电源相进行电流互感器饱和判别，当电流互感器饱和时进行瞬时值幅值和极性补偿，并计算电源相电流故障分量向量；

[0057] S5：对变压器各侧同一相或经相位补偿的电源相的电流故障分量向量进行相位比较，当满足相位比较的动作条件，出口跳闸；当不满足相位比较的动作条件时，则返回步骤S3。

[0058] 该电流故障分量向量比相保护的方法，其原理是利用在变压器内部发生短路故障变压器各侧的电源相背侧为系统阻抗，其阻抗角基本相同，如将变压器各侧的极性端指向变压器，则内部故障时，变压器各侧同一电源相的电流故障分量的相位基本相同，而变压器外部短路电流故障分量的相位相反。因而，当变压器内部短路时，只要识别出电源相，各电源相的故障分量相位基本相同，可以快速的切除短路故障；而外部短路时，各电源相的相位相反，变压器可靠不动作，外部故障切除后产生的励磁涌流、和应涌流、静稳破坏产生的振荡电流是穿越性的，利用相位比较原理可以克服其影响。

[0059] 本发明的保护方法具体实现的方法如下：

[0060] 第一步：将变压器各侧归算到额定容量，其二次电流经数值和相位进行补偿。在保护装置里只要输入变压器容量、电压等级、各侧电流互感器的变比，通过相关的软件自动进行变压器各侧二次电流的数值和相位补偿。

[0061] 第二步：判断变压器是否至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时判断各侧电流互感器是否发生断线，当变压器至少有两侧断路器的动合触点的开入量变位为“1”，同时各侧电流互感器没有发生断线时，电流故障分量向量比相保护开放，否则继续执行第二步。

[0062] 第三步：启动元件动作后，对变压器各侧各相电流采样值分别进行电源相判别，当变压器只有一侧的相电流满足电源相的判别条件时立即出口跳闸，说明变压器内部发生故障；

[0063] 电源相的判别条件为：当变压器某侧的相电流采样值每Mms内至少连续Nms满足以下两个条件时，判变压器该侧该相为电源相：

[0064] 条件1：

[0065] |K|＞K1

[0066] 条件2：在Mms中一阶差分电流与变压器额定电流之比的系数K最多只改变一次极性，即由“+”变为“-”或由“-”变为“+”，

[0067] 其中，M、N为正整数，

[0068] iφ(φφ)(k)、iφ(φφ)(k-1)为启动元件启动后，该相当前采样时刻和前一采样时刻的相邻两电流采样值，

[0069] K1为可靠系数；

[0070] IN2为变压器的额定电流二次值；

[0071] θ为相邻两采样点间对应的角度。

[0072] 在本发明的一种优选实施方式中，可靠系数K1的取值范围在2-8，其整定原则是要躲过在外部短路故障切除后，电机自启动时的最大电流瞬时值，使该区间该相不为“电源相”，从而使该相退出“电源相”电流故障分量相位比较。M的取值范围为5-10，N的取值范围为1-3。

[0073] 在本发明的一种更加优选实施方式中，M取值为5，N取值为1，可靠系数K1的取值为3。

[0074] 在一种优选实施方式中，采样频率fs＝3200HZ，一个周期采样点为64点，启动元件启动后第16个采样点（对应5ms）采样值中连续有3个采样点(对应1ms)的一阶差分电流与变压器二次额定电流的比值K的绝对值大于3。在本次5ms区间内采样值的一阶差分电流最多只改变一次极性，利用此条件可以克服变压器容性无功补偿装置在变压器内部短路时可能使电源相电流故障分量比相保护拒动。

[0075] 当在Mms区间内变压器只有一侧的相电流满足电源相的判别条件时，立即出口跳闸，说明变压器内部发生故障；

[0076] 第四步：在本次Mms区间利用其他的电流互感器饱和与补偿的方法对电源相进行电流互感器饱和判别，本发明的申请人已经在就电流互感器饱和判别与补偿的方法申请了专利，在本专利中这部分内容不做过多赘述，当电流互感器饱和时进行瞬时值幅值和极性补偿，并计算电源相在本次Mms区间的电流故障分量向量，如果原某电源相在本次Mms区间不满足电源相的判别条件，就不对其进行电流故障分量的计算，电流故障分量向量由以下公式得到：

[0077]

[0078]

[0079]

[0080]

[0081]

[0082] 其中，iφ(φφ)(k)、iφ(φφ)(k-1)为电流采样值，如果电流互感器在该区间通过识别是饱和的，该值为通过瞬时值幅值和瞬时极性补偿后的值，

[0083] ΔI1mφ(φφ)为电流故障分量向量的模，

[0084] θ为电流故障分量向量的相角。

[0085] 第五步：对变压器各侧同一相或经相位补偿的电源相的电流故障分量向量进行相位比较，当满足相位比较的动作条件，出口跳闸，

[0086] 相位比较的动作条件为：

[0087] 每两侧同相的电源相电流故障分量相位满足以下公式：

[0088] θ1＜Δθij＜θ2

[0089] Δθij＝θi-θj

[0090] 式中，θi,θj为变压器i侧和变压器j侧同一电源相电流故障分量的相位；

[0091] θ1，θ2为相位比较的动作角。

[0092] 当在本次比较周期内（Mms内）不满足相位比较的动作条件，则在下一个比较周期从第三步至第五步重复进行，直到故障切除。

[0093] 在本发明的一种优选实施方式中，θ1的取值范围为：-60°～-100°；θ2取值范围为：60°～100°。

[0094] 在本发明的一种更加优选的实施方式中，θ1＝-90°，θ2＝90°。

[0095] 图1示出了利用上述方法进行本发明电流故障分量向量比相保护方法的MATLAB模拟示意图。在本实施方式中，变压器为Y0/Y0/Δ-12-12-11接线方式，各侧电压
220/110/10.5kv，三相变压器的容量250WVA，绕组1、2、3的参数为R1＝0.002(pu),L1＝
0.08(pu)。10.5kv侧带有容性无功补偿装置，其负载为PL＝60e3(w),QC＝20e6(var)。
220kv侧其负载为PL＝200e3(w),Ql＝40e6(var)。仿真的采样频率为fs＝3200Hz，相位比较的动作角θ1，θ2取值为θ1＝-90°，θ2＝90°，N取值为1，可靠系数K1的取值为
3。

[0096] 按照本发明的保护方法，在变压器10.5kv侧区外0.03s～0.05s发生A、B相间短路，0.05s～0.07s转换为变压器内部A、B相间短路时。如图2所示出的在变压器10.5kv侧区外短路转换为变压器区内A、B相间短路时变压器各侧A相一阶差分电流与额定电流比值K的波形图，从图中可看出，在区外故障区间三侧的A相电流可判为电源相，在转为变压器内部短路时第一个5ms，10.5kv侧A相仍判为电源相，第二个5ms，由于电容器向变压器放电电流中含有很大的高次谐波，K值在本区间发生多次穿越，即，极性改变的次数大于1，不满足电源相的判别条件。

[0097] 图3示出了在区外短路时三侧电源相的电流故障分量波形图，从中可看出在发生区外短路的0.03～0.05s其瞬时极性总是相反，110kv和10.5kv侧相位差θ10.5-110和220kv和10.5kv侧相位差θ10.5-220约为180°保护不动作,外部短路时变压器每两侧A相电流故障分量的相位差如表1所示。

[0098] 表1：外部短路时每两侧A相电流故障分量的相位差

[0099]时间/s θ10.5-110 θ220-110 θ10.5-220
0.03 178.39 -5.89 -184.28
178.37 -5.96 -184.33
178.65 -6.59 -185.25
179.11 -7.54 -186.65
179.68 -8.75 -188.43
180.37 -10.00 -190.37
181.16 -11.14 -192.30
0.05 …… …… ……

[0100] 图4示出了在区外短路转为变压器内部A、B相间短路时各侧A相电源相的电流故障分量的波形图，从图中可看出，在发生故障转换的第一个和第二个5ms三侧A相仍然判断为电源相，但发生故障转换后的第三个5ms，10.5kv侧A相不满足电源相的判别条件，该相该区间的电流故障分量向量不参加电源相电流故障分量向量比相，另两侧参加电源相电流故障分量相位比相，使保护的动作时间延迟15ms。表2示出了外部短路转为内部故障时每两侧A相电流故障分量的相位差。

[0101] 表2：外部短路转为内部故障时每两侧A相电流故障分量的相位差

[0102]时间/s θ10.5-110 θ220-110 θ10.5-220
-126.40 -14.60 111.80
-112.53 -15.95 96.58
-100.73 -17.05 83.68
…… -91.08 -17.85 73.23
0.0646 -83.12 -18.35 64.77
0.065 -76.30 -18.57 57.73
出口跳闸 -70.25 -18.56 51.69
…… -64.83 -18.35 46.48
-60.10 -17.98 42.11

[0103] 图5是系统振荡时内部AB相间短路各侧电流故障分量波形图。110kv侧46Hz,220kv侧50Hz,从图中可看出，在系统振荡中再发生短路故障，由于10.5kv侧不具有电源相的特征，不参加故障分量向量的比较，如表3所示，在振荡中又发生短路在10ms出口跳闸。

[0104] 表3：系统振荡再发生内部AB相间短路

[0105]时间/s θ10.5-110 θ220-110 θ10.5-220
-11.15 147.14 158.30
-3.39 155.60 158.99
28.25 188.27 160.02
0.05875 -258.51 -96.91 161.59
0.059 -236.49 -73.17 163.32
出口跳闸 -230.65 -66.21 164.43
-227.96 -63.38 164.58
-226.37 -62.08 164.29

[0106] 当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。