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使用电流电压比的电力变压器差动保护
摘 要
变压器保护的主要挑战是找到一种快速有效的差动继电器算法，将变压器与 系统隔离，从而造成最小的损坏。算法还应避免误操作，同时区分操作条件。本 文提出了一种改进 的电力变压器差 动保护方案。所提出的方案基于每相的初级 和次级电流的绝对差和绝对和的比率，补充每相的初级和次级端电压的绝对差和 对和的比率。所提出的算法旨在避免误操作，传统的三相变压器差动保护方案可 能由于瞬态现象，包括磁涌电流，内部故障同时涌入和电流互感器饱和故障。对 所提出的使用电流和电压比的差动保护方案的研究表明，它可以为电力变压器提 供快速，准确，安全和可靠的继电器。
关键词 差动继电器，电流电压比，励磁涌流，内部故障
1. 介绍
电力变压器是电力系统中最重要的设备之一，与电力系统的任何其他部件一 样，都容易发生故障。大约 10%的故障发生在变压器内部，70%的故障是由绕组 短路引起的。变压器保护对于保证电力系统的可靠运行至关重要。
保护的选择取决于负载的临界性、变压器相对尺寸与系统总负载的大小以及 潜在的安全隐患。差动保护是应用最广泛的保护 10 MVA 及以上变压器的保护方 案。然而，人们认识到百分比差动继电器可能由于各种现象而误操作，这与变压 器铁芯的非线性有关。
电力变压器保护的主要问题是避免由于包括励磁涌流在内的瞬态现象而引 起的保护继电器误动作。 包括励磁涌流与内部故障，外部故障与电流互感器(Ct)
饱和。
人们提出了许多方法来区分励磁涌流和内部故障电流。谐波抑制是最简单和 最广泛使用的方法之一。这种方法在现代变压器中具有新型低损耗无定形铁心材 料的局限性。这些材料在励磁涌流过程中产生较低的谐波含量。此外，内部故障 可能包含足够的二次和五次谐波含量，如浪涌电流。因此，很难区分内部故障和 励磁涌流。
为克服上述限制，制定了其他办法。这些方法包括电压和磁通限制和基于电 感的方法。这些方法高度依赖变压器的参数。还提出了避免变压器差动保护误动 的数字信号处理方法。在这些方法中有基于神经网络的模式识别和模糊逻辑。它 们的主要缺点包括需要更多的训练，复杂的计算，大内存和复杂的实验工作设置。
近年来，小波变换在变压器差动保护中得到了广泛的应用。研究表明，该方 法具有较好的时频定位能力。它们的缺点是它们需要很长的数据窗口，并且对噪 声和未知干扰也很敏感，这限制了它们在继电保护中的应用。上述方法都有局限 性，特别是当内部故障包括故障电阻和变压器通电时。内部故障可能会影响变压 器的运行速度和安全性。
本文提出了一种利用电流和电压比来解决三相变压器差动保护方案所面临 的挑战的方法。电流比用于区分空载通电时的故障电流和励磁涌流，并利用电压 比检测变压器内部故障时的通电情况。同时，电流方向标准用于区分内部故障和 外部故障或负载通电。
通过对励磁涌流条件、内部故障、外部故障与 ct 饱和以及同时涌流与内部 故障的研究，对该方案进行了评价。结果表明，所提出的鉴别方案快速、准确、 简单，对整定具有较强的鲁棒性，提高了变压器保护的安全性和可靠性。 2.该方法的方法论
1 百分比差动保护
传统百分比差动继电器的百分比差动保护依据是差动电流(Id)大于抑制电流 的预定百分比(Ir )。 比例继电器的特性如图 1 所示。使用 CTS 的次级测量每相 单位的变压器一次采样值之间差值的基本分量的大小 (I1)和二次(I2)电流，获得 了一个周期离散傅里叶变换(DFT)。微分电流可表示为，
Id = Fundamental of (|i1 (k) minus; i2 (k)|) （1） 同样，抑制电流计算为：
Ir = Fundamental of (|i1 (k) i2 (k)|) /2 （2）
图 1.差动继电器特性
百分比差动继电器的工作特性计算为：
{Id ge; Iop}amp;{Id ge; K（Ir minus; Irmin） Iop} （3） 其中，IOP 为最小工作电流(0.2 PU)，Irmin 为最小抑制电流(0.6PU)，K 为约 束系数（20%）。在外部故障期间，继电器被偏置以用于抽头切换、CT 饱和和
CT 不匹配。
2 基于电流和电压比的方案
因为有使用方程式(3)中的操作标准来克服误操作的可能性，故提出了以下 方法。在接收到基于等式(3)中标准的正（逻辑“1”）信号时。检查目前的比率ε， 计算为：
ε = ||I1| minus; |I2||/ (|I1| |I2|) （4） 其中，|I1|和|I2|为 DFT 获得的初级和次级电流的基本分量的单位幅度。 对于正常运行，I1 和 I2 的绝对值几乎相等，电流比ε的值几乎等于零。在通
电过程中，当变压器次级侧的断路器断开时，涌入的电流在初级侧流动，但没有 电流在次级侧流动。因此，当前比率的值将等于 1。
如果发生内部或外部故障或负载通电，则根据 I1 和 I2 的值，ε将大于零且小 于 1。区分内部故障和外部故障或负载通电，检查瞬时电流 i1 和 i2 的方向。这
些电流的方向对内部故障相反，但对于外部故障或负载通电则不然。(i1minus;i2)的基 本分量的大小小于(i1 i2)的基本分量的大小，这表明了外部故障或负载通电。
当内部故障与变压器通电同时发生二次开路时，电流比也将接近 1。此外， 如果存在带负载变压器通电的内部故障，流向负载的电流将是一个很小的值，并 且电流比将接近 1。因此，当前的比率方案将不适用。所以，它需要另一个设计 准则。
内部故障不仅影响在变压器端子处的电流，而且会影响端子电压。根据变压 器两侧电压的可用性，提出利用电压比检测变压器有功或无负荷时的内部故障。 电压比lambda;是变压器一次电压和二次电压的绝对差与绝对和之比，计算方法如下：
lambda;= ||V1| minus; |V2||/ (|V1| |V2|) （5） 其中|V1|和|V2|是由 DFT 获得的初级电压和次级电压的基本分量的每单位幅 值。在无故障的励磁涌流中，该值几乎为零。当变压器通电过程中存在内部故障
时，此值将大于零。
决策逻辑如图 2 所示。如流程图所示，使用等式(1)及(2)计算差分和约束电 流。
利用单周期 DFT 提取了电力变压器电流 I1 和 I2 以及电压 V1 和 V2 的的基 波幅值。随后，检查等式（3）中的百分比差分继电器标准，以确保继电器的运 行状况。
如果满足百分比标准，则存在内部或外部涌入和故障的条件。否则，情况正 常。然后，对电流比率进行判别以区分故障和励磁涌流。如果电流比大于阈值(Thi) 且小于 0.9，则存在负载内部或外部通电或故障的情况。选取 0.9 值检测负载通 电的同时故障。此值将避免因 ct 饱和而引起的误差。然后检查两个电流的方向。 如果一个电流的方向相反，跳闸信号被发送到断路器(CB)以隔离故障变压器。根 据正常运行条件，本文基于正常操作条件选择的 Thi 值为 0.05，直到与 cts 之间 由 10%的不匹配。这为正常操作留下了足够的余量。
只要电流比的输出等于或大于 0.9，就会发生涌入条件和内部故障。在此之 后，计算电压比来区分涌流与内部故障同时涌出。如果电压比大于电压阈值 (THV)，则继电器提示发生内部故障，并向 CB 发出跳闸信号。当电压比小于 THV 时，分配涌入条件。由于通电期间的高电流，可能存在电压降。因此，考虑到电
压降，THV 的值被选择为 0.025。内部故障的分类跳闸逻辑如图 3 所示。使用四 个输入，ε，lambda;，电流方向检查和等式(3)中的继电器标准。对于每个阶段，继电器 可以检测故障阶段并对其进行分类。如图 3 所示。
图 2.拟议方案的流程图
3 电力系统模拟
用于评价所提出的差动保护方案系统单线图如图 4 所示。它由一个 138 kV 等效电源的、25 MVA138/13.8 kV 60 Hz 星形三相电力变压器、5km 输电线路连 接的电网组成。电力系统参数见附录 A。
利用 MATLAB/SIMULINK 软件对该系统进行了仿真。采样频率为 2kHz。 三相变压器采用 MATLAB 多绕组变压器建模(见附录 A 中的框图)，其中低压绕 组分为子绕组。电力变压器的磁化特性如图 5 所示。电流互感器连接在高压(HV) 和低压侧的每一相，如图 4 所示。低压侧和高压侧分别为 1200/5 和 100/5，并用 饱和变压器模型进行建模。此外，考虑了磁化特性，以模拟 cts 的饱和。
图 3.内部故障的跳闸逻辑分类
图 4.模拟系统的单线图
图 5.电力变压器的磁化特性
4 结果与讨论
在模拟系统上对正常条件和以下不同开关角度的故障情况（0°、30°、60°和
90°）进行了大量研究：
1）有负荷和无负荷的通电。
2）具有故障电阻的一次和二次侧的外部故障。
3）具有 ct 饱和的外部故障。
4）变压器一次侧和二次侧绕组的内部故障在不同百分比绕组和不同故障电 阻的情况下，对变压器绕组进行了模拟。
5）在不同百分比绕组和故障同时通电时电容的频率特性 为了使纸张长度保持在限定的范围内，仅详细描述有限数量的情况并且在表
格中给出了其他情况的概要以说明所提出的技术的结果和性能。
4.1 空载运行
当 CB1 在 50ms 闭合且相位“a”电压波形的零角度与 CB2 开路时，执行该测 试。仿真结果如图 6 所示。三相差分曲线的特性显示在图 6（a）。差分电流大 于等式（3）和图 6（b）中的标准逻辑。这意味着传统的百分比差动继电器将在 变压器通电发生误操作并发送跳闸信号。
在所提出的算法中，尽管当前比值是 1，由图 6(c)，每个相的电压比小于 THV， 由图 6(d)，确认已通电并限制继电器。随后，跳闸逻辑输出为零，这意味着操作 正常并且没有发出跳闸信号，如图 6(e)所示。因此，该方案避免了变压器通电的
图 6.空载变压器通电期间的三个差动电流和继电器响应
（a）三相差动电流，(b)百分比差动操作，(c)电流比，(d)电压比，(e)CB 的输出逻辑，以及
(f)在初级(左)和次级(右)正常和通电期间的电压特性。
图 7.低压侧外故障时继电保护响应 (a)初级电流，(b)次级电流，(c)百分比差动操作，(d)电流比，(e)电流方向检查，以及(f)CB 的输出逻辑。
图 8.三相差动电流和 3%匝间继电器响应在“c”相的低压绕组上的转向故障 (a)三相差动电流，(b)百分比差动操作，(c)电流比，(d)电流方向检查，和(c)CB 的输出逻辑。
百分比差动继电器的误操作。图 6(f)左侧和右侧分别显示了一次侧和二次侧正常 和通电操作之间的电压差异。可以看出，与正常情况相比，在通电期间两侧都存 在电压降。当使用电压比标准时，该电压降被考虑在内。
4.2 CT 饱和的外部故障
为了在 ct 饱和期间测试所提出的方案，在传输开始时将“a”相接地。图 7 给 出了具有 ct 饱和的曲线。利用 PSCAD 软件对此情况进行了仿真。如图 7(a)和(b) 所示，可以看出 i1 和 i2 的方向相同。另外，差动电流大于等式（3）的标准逻辑， 如图 7(c)所示。因此，在 ct 饱和的外部故障期间，百分比差动继电器将发生误动 作。在图 7(d)中，电流比的值高于 Thi。在图 7（e)中，对一次侧和二次侧 ct 二 次电流的检验表明，(i1minus;i2)的基本分量的大小小于外部故障的(i1minus;i2)的基本分量 的大小。因此，继电器的最终逻辑是不跳闸，这表明了该方案在外部故障时的安 全性。
4.3 内部故障
内部故障有很多情况，如转向转弯故障、转向接地故障和相间故障。在这些 情况下，保护继电器必须检测并向 CB 发出跳闸信号，以隔离故障变压器。实际 上，在内部故障期间，其中一个终端电流的方向将被反转。如图 8 所示，C 相低 压侧的 3%的转向响应在 50ms 内发生故障。如图 8(c)所示，相lsquo;arsquo;和相lsquo;brsquo;的电流 比值小于 Thi。然而，在阶段lsquo;crsquo;中，这个值大于”c”相中的 Thi。此外，从图 8(d) 中可以看出，(i1minus;i2)的基本分量的大小高于(i1-i2)基本分量大小。“c”相表示发生 了内部故障。为了对故障相位进行分类，跳闸逻辑方案如图 8(e)所示。继电器以 58.5ms 向 CB 发出跳闸信号，这表明在 60 HZ 的近半周期内进行检测。可以看出， 所提出的方案成功地检测到了故障相(即lsquo;crsquo;相)，然后发送了一个跳闸信号来隔离 变压器。
4.4 内部故障同时空载运行
当变压器通电时，这种情况会发生在预先存在的内部故障上。在这种情况下， 故障的检测比其他任何时刻都困难，特别是当故障靠近中性点时。如前所述，电 流比在励磁涌流和内部故障电流同时发生时将不能正常运行。因此，这种情况是 根据上述建议的电压比来评估的。在这种情况下，图 9.变压器在 5%的匝数下通 电，通过“a”相低压绕组使故障发生。如图 9(c)所示，流动比率值为 1，流动
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