基于电压跌落和时滞法比率差动原理的快速变压器差动保护方法 技术领域
本发明涉及快速变压器差动保护的方法，尤其是以基于工频变化量电压元件、电压跌落(不平衡)元件和时滞法比率差动元件的快速变压器差动保护的新方法。
背景技术
目前具有励磁涌流闭锁判据的变压器差动保护的动作速度愈来愈不满足大容量变压器的要求，现有变压器比率差动保护普遍存在动作速度慢的问题，变压器出现区内故障时，比率差动保护的动作时间一般在30ms以上；另外变压器外部存在长线分布电容、无功补偿电容时发生内部短路，此时由于谐振的原因会产生各种谐波，使得电流波形出现畸变，而在区内故障伴随TA饱和或空投主变于略微严重的内部故障时，由于受到变压器差动保护中励磁涌流闭锁判椐的影响，差动保护动作速度都会延缓动作(时间可达100ms以上)的问题：
1、虽然变压器差动速断保护动作速度很快(20ms左右)，但是其门槛很高，只能反应特别严重的区内故障：差动速断保护本身没有任何制动元件，只是一个比较简单的差流过电流继电器，其必须靠很高的定值来保证在励磁涌流情况下以及区外故障情况下不误动，一般情况下差动速断保护的定值整定为6～12倍的变压器额定电流。在现场一次TA选择不太合理的情况下，即使整定到较高的定值差动速断保护在区外故障时也可能误动作。
2、对于变压器比率差动保护，如何区分励磁涌流和内部故障电流是一个固有的、不可避免的难题。励磁涌流闭锁判据一般是用来防止变压器差动保护在主变空投出现励磁涌流情况下的误动作，该判据对于变压器比率差动保护而言是始终存在的，不管是正常运行、区外故障、区内故障或其他异常运行工况。由于励磁涌流闭锁判据的存在，导致变压器比率差动保护地动作时间在一般情况下很难小于30ms，这是因为目前实际工程应用的励磁涌流闭锁判据主要是采用二次谐波制动、间断角或者波形对称等基于电流波形的原理，在发生故障的时候电流突然变化剧烈，而在这个过程中，电流信号是一个非平稳的信号，用傅氏算法计算能够得到大量的谐波电流，并且这段时间之内电流波形也是不对称的，导致变压器比率差动保护被闭锁一段时间(20ms左右)。
3、另外变压器外部存在长线分布电容、无功补偿电容时发生内部短路，此时由于谐振的原因会产生各种谐波，使得电流波形出现畸变，而在区内故障伴随TA饱和或空投主变于略微严重的内部故障时，由于受到励磁涌流闭锁判椐的影响，差动保护动作速度都会延缓动作(时间可达100ms以上)的问题。
4、根据数字统计表明，变压器差动范围内的故障中有60％以上是变压器外部的故障(包括引线故障等)，这些故障类型都属于比较严重或大电流故障范畴。正是存在以下情况即：在故障比较严重情况下比率差动保护动作速度反而慢的情况，因此导致现场运行的一些变压器在发生略微严重故障之后，即使比率差动保护能够切除故障也产生了严重的损坏。譬如：不是变压器内部的故障，但是差动保护范围内的故障(例如变压器出口引线的短路故障)，如果不及时快速切除故障，那么很大的故障电流对主变内部线圈绕组的动稳定和热稳定是一个严峻考验。甚至会引起绕组变形，绝缘下降，从而导致主变内部的损坏。另外对于变压器内部故障略微大的情况，若不快速切除故障，故障发展可能导致变压器内部损坏范围扩大，故障后的修复周期加长。若故障引起的后果是危害主变的铁心，那么这台主变就可能彻底报废；若故障引起的后果是点着变压器的油，那么甚至引起主变烧毁。再有快速切除故障，有利于电网的稳定问题，因为在一定范围内，电网稳定输送功率与故障切除时间成反比。
因此变压器差动保护快速切除故障对于电网的安全稳定运行、保护变压器的设备安全、避免与减轻设备的损坏具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是：提供一种新型基于电压跌落和时滞法比率差动原理的快速变压器差动保护，该保护不用考虑变压器的励磁涌流，保证在略微严重的区内故障情况下，快速地切除故障(动作速度小于15ms)，并且在各种区外故障(包括区外故障的切换后的恢复过程，区外转换性故障等)和任何非正常运行工况(励磁涌流、和应涌流情况等)不误动作。
本发明首次将工频变化量电压开放元件、电压跌落(不平衡)元件、时滞法比率差动元件引入到变压器差动保护中，既提高了变压器比率差动保护的动作速度(最快动作速度可达10ms)，又防止了在各种外部短路情况下以及任何非正常运行工况下的误动作。有效解决了变压器比率差动保护的速动性与安全性的矛盾。
本发明的目的是这样实现的：基于电压跌落和时滞法比率差动方法，快速变压器差动保护由时滞法比率差动元件、工频变化量电压开放元件和电压跌落(不平衡)元件共同组成：
(1)时滞法比率差动元件，其比率差动元件的动作方程可描述如下：
Id>Iqd_setId>kIrIr=12Σi=1m|Ii|Id=|Σi=1mIi|---(1)]]>
其中k为某一比例常数，I1......m分别为变压器各侧电流，Id为差动电流，Ir为制动电流，Iqd_set为最小动作定值，在本例中一般取为1.2倍变压器额定电流。
考虑到在变压器区内和区外短路时，电压一般都会出现突变，而时滞法主要用于判别故障类型是区分是外部故障还是内部故障。其基本原理是根据故障开始时刻的一段时间内，故障分量中的差动电流与制动电流之间出现的时滞特性，来判别是否投入上述比率差动元件；若故障分量中制动电流时滞于差动电流，则自动投入比率差动元件。
(2)工频变化量电压开放元件
ΔUd＞kΔUdt+Udth (2)
其中：ΔUdt为浮动门坎，随着相电压变化量输出增大而逐步自动提高，k为某一比例常数，在本例中一般取为1.25。ΔUd为相电压的半周积分值，Udth为固定门坎。
工频变化量电压开放元件用来区分鉴别故障开始时刻，开放时滞法比率差动元件。具有工频变化量电压开放元件的时滞法比率差动保护能够在变压器区内略微严重的故障情况下快速动作(动作速度小于15ms，最快动作速度可达10ms；远大于目前微机变压器比率差动保护的动作时间30ms)，并且在系统出现扰动的情况下(例如系统振荡、频率偏移等)，可以通过浮动门槛元件保证时滞法比率差动元件保护不被误开放。
(3)电压跌落(不平衡)元件
为了保证差动保护感受的电流是从电力系统的正常工作方式过渡到另一种故障状态，引入一个电压从正常状态过渡到非正常状态的元件来开放差动保护，这样即使是空投到带内部故障(略微严重一些的故障)的变压器，时滞法比率差动元件也能快速反应动作。
由于采用了上述全新的基于电压跌落和时滞法比率差动原理的快速变压器差动保护，变压器差动保护的动作速度有了很大的提高，最快可达10ms；在各种略微严重的区内故障下，即使区内故障伴随TA饱和现象出现，或者变压器外部存在长线分布电容、无功补偿电容时发生内部短路，此时由于谐振的原因会产生各种谐波，使得电流波形出现畸变，该保护都能很快的动作切除故障(动作速度小于15ms)，极大提高了变压器比率差动保护的动作速度；而且在空投正常变压器，区外故障切除及其恢复过程，区外转换性故障过程，合应涌流情况和区外故障TA极度饱和的情况下(TA正确传变时间1～2ms)也不会误动作，这使得变压器比率差动保护的速动性与安全性同时兼顾。
附图说明
图1为本发明电压跌落(不平衡)元件实现的逻辑示意框图，
图2为本发明保护的完整逻辑图。
具体实施方式
(1)时滞法比率差动元件，其比率差动元件的动作方程可描述如下：
Id>Iqd_setId>kIrIr=12Σi=1m|Ii|Id=|Σi=1mIi|]]>
其中k为某一比例常数，取值范围0.5-0.9，在本实施例中一般取为0.75，I1......m分别为变压器各侧电流，Id为差动电流，Ir为制动电流，Iqd_set为最小动作定值，取值范围1.0-1.5倍变压器额定电流，在本例中一般取为1.2倍变压器额定电流。由于采用高起动定值、高制动特性，并且结合故障分量中的差动电流与制动电流之间出现的时滞特性，来判别是否投入上述比率差动元件；因此该元件能区分是否发生区内故障还是区外故障，并且具有很强的抗TA饱和能力(区外故障TA极度饱和的情况下即TA正确传变时间1～2ms，也不会误动作)。
(2)工频变化量电压开放元件的实现具体描述如下：
ΔUd＞kΔUdt+Udth
其中：ΔUdt为浮动门坎，随着相电压变化量输出增大而逐步自动提高，k为某一比例常数，取值范围1.1-1.5，在本例中一般取为1.25，保证门槛电压始终略高于不平衡输出，保证在系统振荡或频率偏移情况下，保护不误动。ΔUd为相电压的半周积分值，Udth为固定门坎。保证在系统电压出现0.2Un(额定电压)变化量时，工频变化量电压开放元件能够可靠动作。
工频变化量电压开放元件用来区分鉴别故障开始时刻，开放时滞法比率差动元件。具有工频变化量电压开放元件的时滞法比率差动保护，能够在变压器区内略微严重的故障情况下快速动作(动作速度小于15ms，最快动作速度可达10ms；远大于目前微机变压器比率差动保护的动作时间30ms)，并且在系统出现扰动的情况下(例如系统振荡、频率偏移等)，可以通过浮动门槛元件保证时滞法比率差动元件保护不被误开放。
(3)电压跌落(不平衡)元件的实现具体描述如下：
该元件保证电力系统是从一种正常工作方式过渡到另一种故障状态，本元件同时利用正序电压的大小，零序电压的大小和负序电压的大小来判断系统电压是否处于正常水平，之后进入故障状态，这样能保证工频变化量电压元件捕捉是有效的电压突变信息，该元件的逻辑示意框图如图1所示。正序电压的升高，取值范围40-55V；负序电压降低，负序电压的取值范围3-8V；零序电压降低，零序电压的取值范围8-18V。本实施例中的正序电压的升高大于50V，零序电压降低到12V，负序电压降低到6V时构成电压跌落(不平衡)元件。
(4)本保护的完整逻辑图如图2所示：
由于采用了上述全新的基于电压跌落和时滞法比率差动原理的快速变压器差动保护，变压器差动保护的动作速度有了很大的提高，最快可达10ms；在各种略微严重的区内故障下，即使区内故障伴随TA饱和现象出现，或者变压器外部存在长线分布电容、无功补偿电容时发生内部短路，此时由于谐振的原因会产生各种谐波，使得电流波形出现畸变，该保护都能很快的动作切除故障(动作速度小于15ms)，极大提高了变压器比率差动保护的动作速度；而且在空投正常变压器，区外故障切除及其恢复过程，区外转换性故障过程，合应涌流情况和区外故障TA极度饱和的情况下(TA正确传变时间1～2ms)也不会误动作，这使得变压器比率差动保护的速动性与安全性同时兼顾。