基于采样值差动原理的变压器差动速断保护抗饱和优化措施

（长园深瑞继保自动化有限公司，广东 深圳 518057）

0 引言

变压器差动速断保护的主要功能是在变压器严重区内故障时快速动作，切除故障变压器。变压器速断保护要求在1.5倍定值下，20 ms可靠动作出口[1]。变压器差动速断保护可理解为差流的过流保护，一般整定门槛值较高，且不受励磁涌流、CT（电流互感器）断线及CT饱和的闭锁。差动速断定值通常按躲过变压器空投时的最大励磁涌流或外部故障时的最大不平衡电流整定，而励磁涌流和外部故障时的不平衡电流很难准确计算，尤其当区外故障时会因CT饱和产生不平衡电流，因此在实际工程中通常采用经验值。现场曾发生多起由于CT饱和导致的保护误动作情况[2-9]。

本文根据现场一起由于CT饱和引起的差动速断动作行为进行分析，提出了一种基于采样值差动原理的差动速断保护抗饱和措施。

1 现场情况说明

某220 kV变电站主接线方式如图1所示。其中220 kV双母线接线，110 kV，35 kV单母双分接线，2台180 MW三圈变压器（220 kV/110 kV/35 kV）。故障前运行状态为1号主变压器（以下简称“主变”）高压侧、中压侧断路器合位运行，低压侧断路器分位。2号主变高压侧、中压侧、低压侧断路器合位运行，低压侧分段合位。

图1 主接线图

运行中，35 kVⅡ段母线一条出线间隔发生接地短路故障，线路保护装置正确动作，跳开线路断路器，同时2号主变双套保护的差动速断保护动作，跳开2号主变三侧断路器。

现场变压器保护装置定值见表1，变压器差动速断保护动作时刻的差动电流幅值见表2。

表1 变压器保护定值

35 kV线路故障期间，变压器高、中、低各侧电流波形如图2所示。

表2 保护动作时刻差流幅值

图2 变压器各侧电流波形

2 保护动作原因分析

根据现场波形分析，变压器区外低压侧发生故障时流经变压器的故障电流较大，低压侧A相CT二次电流最大峰值到达140.7 A，CT发生饱和，波形传变异常，畸变严重。

从变压器自身安全角度出发，差动速断保护的设计要求简单可靠，不受CT饱和闭锁，当差流幅值满足差动速断门槛值时即满足差动速断动作条件。

现场差动速断保护动作时刻，A相差流幅值为7.811 A，大于差动速断门槛值（7.06 A），满足差动速断保护动作条件，因此保护动作。

3 CT饱和原因及波形特征分析

从保护动作波形分析可知，在区外故障期间，变压器高压侧、中压侧电流波形均传变正常，低压侧电流在故障开始时传变正常，随着故障的持续发展，三相电流传变异常，出现饱和特征。

3.1 CT饱和原因分析

一般情况下引起CT饱和的主要原因有[10-12]：

（1）与CT的故障电流和二次负载有关。在短路时，可能有较大的故障电流流经变压器，当电流使CT铁心磁密增大时，可能会引起CT饱和。

（2）与CT的故障电流的直流分量和非周期分量有关。当电流含有较大的直流分量或者非周期分量时，即使电流幅值较小，也可能引起CT饱和。

（3）与CT中剩磁的大小和方向有关。变压器区外故障或线路重合于永久性故障时，故障电流中通常有较大的直流分量，CT铁心中交流稳态磁通增大，直流分量引起的非周期磁通增大，若铁心中的剩磁较大且与非周期磁通方向一致，三者叠加后大于CT的饱和磁通，就会加剧CT的饱和程度。

3.2 CT饱和波形特征分析

CT饱和的典型波形特征如图3所示，图中IA1为CT一次电流，IA2为CT二次电流。当流过CT的一次电流值较小时，未达到CT铁心磁通饱和的条件，此时电流正常传变。随着电流值的增大，当CT的铁心磁通达到饱和后，二次电流值呈指数规律衰减。饱和后的波形出现缺损状态。当一次电流减0，进而反向增加时，铁心磁通退出饱和状态，电流再次正常传变。

图3 CT饱和典型波形

CT饱和情况下，一般在每个周波内都会出现2个线性传变区，可以根据线性传变区特征识别饱和，当前主流应用的识别CT饱和的时差法判据即采用了此原理[13-16]。

变压器区外故障引起CT饱和时，在波形线性传变的区域，变压器各侧电流均正常，此时无差流。在非线性传变区域，将出现差流，如图4所示。其中：I3A，I3B，I3C为饱和侧电流波形，其他侧电流传变正常；IDA，IDB，IDC为纵差差流波形。为便于对比分析，仅列出饱和侧电流和差流波形，正常传变侧电流波形未列出，下同。

图4 RTDS仿真变压器区外故障CT饱和波形

CT饱和后的相电流和差流波形呈现间断角、高谐波含量等特征，其中以二次谐波、三次谐波为主，比率差动保护的CT饱和判据中常以谐波判据作为饱和识别后的开放逻辑，当谐波含量低于内部门槛时，延时开放比率差动保护。

3.3 减少CT饱和发生的措施

随着电网容量的增大，区外故障时流过CT回路中的短路电流有逐渐增大的趋势，CT较容易发生饱和。针对此情况，建议采取以下措施：

（1）合理选用电流互感器，一般选用抗饱和性能好的TPY级CT。

（2）减少CT二次回路阻抗，提高抗饱和特性。

（3）调整运行方式。当站内有多台变压器时，尽量避免多台变压器并列运行，可减小故障时的短路电流，从而减小CT饱和发生的概率。

除对一次设备采取预防措施外，保护原理也可进行优化，减少CT饱和时保护误动的情况。

4 差动速断保护原理优化措施

在保证差动速断保护可靠性、速动性基础上，软件方面可采取一些抗饱和优化措施，以减少CT饱和引起的差动速断动作情况。

4.1 调整速断保护定值

在保证速断灵敏度的前提下提高速断保护定值，减少CT饱和产生的不平衡电流导致的差动速断动作，但该方案在实际操作中存在一定难度。

4.2 增加制动特性措施

差动速断只判断门槛值，无比率制动特性。在变压器区内严重故障情况下，区内故障差流与制动电流的比率较大，一般情况下大于区外饱和情况下的制动系数，因此增加制动特性可以达到一定的抗饱和目的。

增加制动特性的抗饱和措施难点在于制动系数的选取。根据此次现场数据分析，在保护动作时刻，比率达到了1.45，如采用大于1.45的门槛值，速断的保护范围明显减少，降低了速断的灵敏度。因此采用增加制动措施的方案不能有效解决此次现场遇到的CT饱和问题。

4.3 采用比率差动的饱和判据

比率差动CT饱和动作判据采用时差法进行判断，该方案可快速判别CT饱和的情况，因此将此判据应用于差动速断保护CT饱和情况下的快速闭锁。

为避免CT饱和情况下比率差动保护误动作，饱和的返回判据较严格，当发生区外转区内严重故障同时CT饱和时，比率差动保护的饱和返回判据无法快速开放，需依靠差动速断保护动作来切除故障，因此比率差动的饱和返回判据不能满足差动速断的抗饱和措施快速返回的要求。

5 采样值差动原理

采样值差动是微机保护特有的一种差动保护，它将传统的相量转变为各采样点（瞬时值）的比率差动，并依靠多点重复判断来保证可靠性。其动作方程为：

式中：id为采样值差动电流，；ir为采样值制动电流，（i1，…，in分别为变压器各侧电流的瞬时采样值）；Iicdqd为采样值差动启动电流；k为采样值差动比率制动系数。

由于采样值随时间周期性变化，因此对于每个采样点，其制动关系不同。为保证采样值差动判据的正确性，需要采用多点重复判断的方法，即连续R个点中需有S个点以上满足动作判据，才满足动作条件。

采样值差动保护充分利用了各个采样时刻的采样值数据，较采用傅里叶算法计算的方式，可以充分利用瞬时的采样值特征。采用多点重复判断原理的采样值差动保护，具有很强的抗干扰能力[17-19]，其原理本身具备识别CT饱和特征的优势，不需另外附加抗CT饱和闭锁的措施。

6 基于采样值差动原理的抗CT饱和方案

结合采样值差动保护的原理特点、饱和特征以及区内故障特征，本文提出一种基于采样值差动原理的可用于差动速断保护的抗CT饱和措施，该原理如下：

（1）采样值差动比率特性：采样值差动采用比率制动特征，公式同式（1）。根据变压器各侧电流瞬时值计算瞬时差流和瞬时制动电流，其中采样值差动门槛值Iicdqd取差动速断门槛值对应的第一个采样点的瞬时值，即差动速断基波门槛值×1.414×sin15°（每周波24点采样）；k可取0.4～0.6。

（2）根据瞬时差流和瞬时制动电流，连续判断R个采样点的数据窗内数据的比率特性，如果有S个点满足采样值差动比率条件，则满足采样值差动条件。

（3）R选取：当采样值差动作为主判据时，为保证快速性，在保证可靠性的前提下，R的选取一般小于一周波的数据窗。在此逻辑中采样值差动仅作为在饱和情况下防止误动的辅助判据，选取尽可能多的样本数据对正确判断更有利，因此R选取一周波数据窗（24点）。

（4）S选取：在饱和特征明显的情况下，S取较大值，增强闭锁性；在饱和特征不明显的情况下，S取较小值，减弱闭锁性，增强开放性。

由于CT饱和后保护装置采集的电流含有丰富的谐波分量，以二次谐波和三次谐波为主，因此S的选取可根据饱和相别的谐波含量动态变化。

比率差动具有完善的CT饱和判据，在CT饱和的情况下，可采用比率差动保护中已经判断出的饱和特征标志和饱和相别标志。当饱和相谐波含量高，说明饱和特征明显，S选取较大值；随着饱和相谐波含量降低，逐渐减小S，直至到达正常点数；S可取16～22。根据仿真模拟及试验测试，选取的一组S取值与谐波含量对应关系数据见表3。

表3 S取值与谐波含量对应关系

在CT饱和情况下，当差动速断的差流和制动电流满足采样值差动保护开放逻辑后，开放差动速断保护。

与比率差动CT饱和开放判据相比较，基于采样值差动原理的CT饱和开放判据采用了瞬时采样点算法，充分利用了饱和中的间断角特征，同时该判据并未闭锁保护，而是采用动态调整采样点的方式，较采用傅里叶算法的饱和开放判据更加灵活。

7 试验验证

为验证方案的有效性，分别采用RTDS（实时数字仿真仪）仿真分析和现场波形回放的方式对优化前后的差动速断保护逻辑进行验证。

7.1 RTDS仿真分析

参照现场设备参数信息搭建RTDS模型，主要参数见表4、表5。

表4 发电机主要参数

RTDS仿真模型如图5所示。其中：K1—K8为故障点；S1，S2为无穷大电源系统；CT1—CT5为高、中、低各侧CT；PT1—PT4为高、中、低各侧电压互感器；G1—G3为发电机；BRK1—BRK5为高、中、低各侧断路器。

表5 变压器主要参数

图5 RTDS仿真接线

试验共设置K1—K8共8个故障点，可以模拟各种类型的金属性及经过渡电阻短路故障。除常规测试项目外，重点模拟低压侧发生区外相间故障同时CT饱和的情况，对比分析优化前后的差动速断保护特性。

7.1.1 CT二次负载引起的CT饱和

调整模型中CT的二次负载，模拟由于CT二次负载导致的CT饱和情况，其仿真波形如图6、图7所示。

7.1.2 剩磁引起的CT饱和

调整模型参数，更改故障发生时刻相角，模拟CT剩磁对CT饱和的影响，仿真波形如图8—10所示。

图6 RTDS仿真波形（二次负载200Ω）

图7 RTDS仿真波形（二次负载800Ω）

图8 RTDS仿真波形（0°）

图9 RTDS仿真波形（135°）

对比测试结果表明：未优化的差动速断保护，当饱和后的差流达到门槛值时保护即动作；采用新原理的速断保护可以实现有效闭锁。

图10 RTDS仿真波形（240°）

7.1.3 故障转换测试

图11为中压侧区外A相转区内A，B相故障期间的波形。

图11 饱和转换波形

区外饱和转换区内故障的测试过程中，在区外饱和期间有效闭锁，转区内故障后差动速断可以快速动作。

7.2 波形回放

使用现场实际的波形进行波形回放，验证逻辑的有效性。回放波形如图12所示。

图12 回放波形

通过波形回放验证，该方案可以有效解决现场在CT饱和情况下误动的问题。

8 结语

针对现场一起由于CT饱和导致的差动速断保护动作案例，分析了CT饱和的原因及电流波形特征，根据采样值差动保护的原理及特点，提出了在差动速断逻辑中增加采样值差动辅助判据的原理。根据仿真验证和现场波形回放结果，优化后的原理可以有效解决CT饱和引起的差动速断保护误动，同时不影响差动速断在严重区内故障时的动作特性。

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