本發(fā)明涉及一種快速開關(guān)型變阻抗變壓器自適應(yīng)電流保護(hù)方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)的容量也在不斷提高并會(huì)導(dǎo)致線路發(fā)生短路故障時(shí)的短路電流提高。而過(guò)高的短路電流如果不加以限制，不但會(huì)使變電所的設(shè)備投資大幅增加，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)的線路和通信設(shè)備造成很大干擾和危害。

目前傳統(tǒng)限制短路電流的方案主要有兩種：高阻抗變壓器方案和外接限流電抗器方案。這兩種方案雖然都能起到限制短路電流的作用，但是在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中仍存在各種不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種快速開關(guān)型變阻抗變壓器自適應(yīng)電流保護(hù)方法，該方法能夠通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行方式和故障類型，在線調(diào)整電流保護(hù)的整定值，從而使得保護(hù)靈敏度恒定，給運(yùn)行人員的保護(hù)工作帶來(lái)方便。

一種快速開關(guān)型變阻抗變壓器自適應(yīng)電流保護(hù)方法，其特別之處在于，包括如下步驟：

(1)測(cè)量變壓器進(jìn)線端實(shí)時(shí)三相電壓U_a、U_b、U_c和三相電流I_a、I_b、I_c，然后使用對(duì)稱分量法，將ABC三相的電壓電流轉(zhuǎn)化為正負(fù)零序的電壓電流；

(2)使用故障分量法，根據(jù)正常狀態(tài)下的正負(fù)零序電壓電流和故障狀態(tài)下的正負(fù)零序電壓電流，計(jì)算出正負(fù)零序電壓電流的故障分量；

(3)根據(jù)步驟(1)得到的變壓器進(jìn)線端實(shí)時(shí)三相電流，通過(guò)與步驟(2)計(jì)算出的三相短路電流的故障分量進(jìn)行比較，從而判斷出如下短路故障類型：

BC兩相短路：|I_Ag|<K₁|I_cg |；

AB兩相短路：|I_Cg|<K₁|IA_g|；

CA兩相短路：|I_Ag+I_Cg|<K₁|IA_g|；

上式中I_Ag、I_Bg、I_Cg分別為A、B、C相電流的故障分量，K₁為系數(shù)，并且K₁<1；

(4)按照下列公式確定電流主保護(hù)的電流整定值，

式中：I_set為繼電器的動(dòng)作電流即變壓器高壓側(cè)的自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)的整定值，K_F為系統(tǒng)低壓側(cè)發(fā)生故障時(shí)的故障類型，當(dāng)發(fā)生三相短路故障，即步驟3中故障類型公式都不成立，K_F＝1，發(fā)生相間故障時(shí)，即步驟3中故障類型公式滿足任意一種時(shí)，為可靠系數(shù)，取1.2-1.3，E_s為系統(tǒng)的等效相電勢(shì)，Z_s為背側(cè)阻抗，Z_L為被保護(hù)線路阻抗，Z_T為變壓器阻抗。

步驟(4)中按照下列公式確定自適應(yīng)過(guò)電流保護(hù)的電流整定值，式中：I_set為電流整定值，K_rel為可靠系數(shù)，取1.15-1.25，K_ss為自啟動(dòng)系數(shù)，是最大電流和最大負(fù)荷電流比，數(shù)值大于1，K_re為電流繼電器的返回系數(shù)，取0.85～0.95，I_load⁽⁰⁾為保護(hù)啟動(dòng)前安裝處的實(shí)時(shí)負(fù)荷電流。

步驟(2)中計(jì)算出正負(fù)零序電壓電流的故障分量：具體公式如下：ΔU₁＝U₁-U′₁,ΔU₂＝U₂-U₂’,ΔU₀＝U₀-U′₀，式中，U₁、U₂、U₀代表正常狀態(tài)下正負(fù)零序電壓量，U₁′、U₂′、U₀′代表故障狀態(tài)下正負(fù)零序電壓量；ΔI₁＝I₁-I′₁,ΔI₂＝I₂-I′₂,ΔI₀＝I₀-I₀′，式中，I₁、I₂、I₀代表正常狀態(tài)下正負(fù)零序電流量，I₁′、I₂′、I₀′代表故障狀態(tài)下正負(fù)零序電流量，并根據(jù)電壓電流故障分量，計(jì)算出所需的系統(tǒng)阻抗，具體公式如下：其中Z_m1，Z_m2，Z_m0為系統(tǒng)正負(fù)零序阻抗。

本發(fā)明還提供了一種自適應(yīng)電流保護(hù)方法，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、并對(duì)線路短路故障類型進(jìn)行在線判定，從而可以通過(guò)自適應(yīng)動(dòng)作電流的整定公式得到實(shí)時(shí)電流整定值。該保護(hù)方法通過(guò)電流值的實(shí)時(shí)整定，可以滿足后備保護(hù)系統(tǒng)靈敏度的要求，從而能很好的解決傳統(tǒng)保護(hù)靈敏度不足的問題。該方法尤其適用于快速開關(guān)型變阻抗變壓器，即本發(fā)明提出的一種新型的變阻抗變壓器概念，通過(guò)對(duì)控制回路對(duì)繼電開關(guān)的控制，起到限制短路電流的作用，并很好的規(guī)避了傳統(tǒng)方案所帶來(lái)的不足。

附圖說(shuō)明

附圖1是變阻抗變壓器的結(jié)構(gòu)圖；

附圖2是外部故障電流暫態(tài)圖；

附圖3是內(nèi)部故障電流暫態(tài)圖；

附圖4是斷路器測(cè)量示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種新型的變阻抗變壓器的概念。該新型變壓器能夠起到限制短路電流的作用，并且不會(huì)帶來(lái)能量損耗大、占地面積大和改造工作量巨大等問題。本發(fā)明對(duì)新型變阻抗變壓器的過(guò)電流保護(hù)的靈敏度進(jìn)行詳盡分析，并用PSCAD軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本發(fā)明提出了一種能夠解決傳統(tǒng)保護(hù)靈敏度不足的新方法：自適應(yīng)電流保護(hù)。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行方式和檢查發(fā)生故障的故障類型，調(diào)整保護(hù)的整定電流的定值，從而起到滿足保護(hù)靈敏度的要求。

本發(fā)明的目的之一：判斷并分析變阻抗變壓器在發(fā)生故障時(shí)的電流暫態(tài)過(guò)程，進(jìn)行過(guò)電流后備保護(hù)的靈敏度分析。本發(fā)明的目的之一：通過(guò)對(duì)系統(tǒng)故障分量的分析，根據(jù)疊加定理計(jì)算出系統(tǒng)的正負(fù)序阻抗。本發(fā)明的目的之一：利用兩相電流故障分量來(lái)求解故障類型系數(shù)，根據(jù)故障類型系數(shù)可以判斷線路發(fā)生故障時(shí)的故障類型。本發(fā)明的目的之一：提出變阻抗變壓器自適應(yīng)電流保護(hù)的概念，有效解決傳統(tǒng)后備保護(hù)靈敏度不足的問題。并分別從理論上和仿真實(shí)踐上驗(yàn)證該保護(hù)方法在變阻抗變壓器上的適用性。

所述變阻抗變壓器的工作原理是：變阻抗變壓器是由限流電抗器、控制回路、繼電開關(guān)和普通變壓器組合而成的(圖1)。當(dāng)變阻抗變壓器正常工作且外部線路無(wú)故障發(fā)生時(shí)，控制回路控制繼電開關(guān)處于閉合狀態(tài)，從而將串聯(lián)的限流電抗器短路。而當(dāng)變阻抗變壓器正常工作且外部線路發(fā)生短路故障時(shí)，控制回路收到信號(hào)控制繼電開關(guān)斷開，從而將串聯(lián)的限流電抗器投入到系統(tǒng)中去。

所述變阻抗變壓器經(jīng)濟(jì)性原理：當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，限流電抗器被短路，變壓器阻抗較小，電能損耗較低。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障短路時(shí)，限流電抗器投入使用，變壓器阻抗較大，能夠很好地起到限制短路電流的作用。

故障電流暫態(tài)分析：變阻抗變壓器與傳統(tǒng)變壓器有所不同，在線路發(fā)生故障時(shí)會(huì)有串聯(lián)電抗器的投入使用。觀察當(dāng)線路發(fā)生外部故障后，變阻抗變壓器的限流電抗器被投入時(shí)的電流波形圖(圖2)。并觀察當(dāng)變阻抗變壓器發(fā)生內(nèi)部故障后，變阻抗變壓器的限流電抗器被投入時(shí)的電流波形圖(圖3)?？梢园l(fā)現(xiàn)串聯(lián)的限流電抗器的投入并不會(huì)使得暫態(tài)電流值發(fā)生畸變。

自適應(yīng)電流保護(hù)分析：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

步驟一：系統(tǒng)運(yùn)行方式的判定。本發(fā)明需要對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，也就是說(shuō)需要對(duì)系統(tǒng)的阻抗進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。如圖4，通過(guò)測(cè)量變阻抗變壓器進(jìn)線端的實(shí)時(shí)三相電壓U_a、U_b、U_c和三相電流I_a、I_b、I_c。使用對(duì)稱分量法，將ABC三相的電壓電流轉(zhuǎn)化為正負(fù)0序的電壓電流。

步驟二：使用故障分量法，根據(jù)無(wú)故障狀態(tài)下的正負(fù)零序電壓電流和線路發(fā)生短路故障下的正負(fù)零序電壓電流計(jì)算出正負(fù)零序電壓電流的故障分量。ΔU₁＝U₁-U′₁,ΔU₂＝U₂-U₂’,ΔU₀＝U₀-U₀′，ΔI₁＝I₁-I′₁,ΔI₂＝I₂-I′₂,ΔI₀＝I₀-I₀′。并根據(jù)電壓電流故障分量，計(jì)算出所需的系統(tǒng)阻抗。通常在對(duì)稱系統(tǒng)中，正負(fù)序計(jì)算出的阻抗值相同。

步驟三：短路故障類型的確定。通過(guò)下列判據(jù)可知，當(dāng)知道系統(tǒng)三相的故障電流時(shí)，可以通過(guò)將ABC三相短路電流的故障分量進(jìn)行比較，從而判斷故障類型。

BC兩相短路：

|I_Ag|<K₁|I_cg | (1)

AB兩相短路：

|I_Cg|<K₁|I_Ag| (2)

CA兩相短路：

|I_Ag+I_Cg|<K₁|I_Ag| (3)

式中I_Ag、I_Bg、I_Cg分別為A、B、C相電流的故障分量；K₁為系數(shù)，為經(jīng)驗(yàn)值，一般K₁<1。

式1-3可以組成判據(jù)1，通過(guò)該判據(jù)，可以在線判斷線路發(fā)生故障的故障類型。

步驟四：使用PSCAD仿真，對(duì)區(qū)外發(fā)生三相短路故障和BC相間短路故障進(jìn)行仿真計(jì)算，從而驗(yàn)證上述判據(jù)的可信性?？梢缘玫焦收想娏鞣至勘恚缦拢?/p>

表1故障電流分量表

如表1所示，當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，IAg＝IBg＝ICg＝0.21kA。通過(guò)判據(jù)1可以發(fā)現(xiàn)，由于式1-3都不滿足，所以線路故障應(yīng)該是三相短路故障。而當(dāng)發(fā)生相間故障時(shí)，計(jì)算可知I_Ag＝0.137，I_Bg＝0.211，I_Cg＝0.073。假設(shè)式中K₁系數(shù)為0.8。則對(duì)式子1,0.137<0.8×0.211成立。對(duì)式子2，0.21<0.8×0.137不成立。對(duì)式子3，(0.137+0.211)＝0.348<0.8×0.137不成立?？梢耘袛喑霭l(fā)生BC相間短路故障。綜上所述，可以用該判據(jù)判斷線路發(fā)生故障的故障類型。

步驟五：提出自適應(yīng)電流保護(hù)電流整定值計(jì)算公式。其中電流主保護(hù)的電流整定值如下公式：

式中：

I_set——繼電器的動(dòng)作電流，也就是變壓器高壓側(cè)的自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)的整定值；

K_F——系統(tǒng)低壓側(cè)發(fā)生故障時(shí)的故障類型，當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)K_F＝1，發(fā)生相間故障時(shí)

K_K^I——可靠系數(shù)，一般取1.2-1.3；

E_s——系統(tǒng)的等效相電勢(shì)；

Z_s——系統(tǒng)背側(cè)阻抗；

Z_L——被保護(hù)線路阻抗；

Z_T——變壓器阻抗；

自適應(yīng)過(guò)電流保護(hù)的整定公式如下：

式中:

K_rel——可靠系數(shù)，一般取1.15-1.25；

K_ss——自啟動(dòng)系數(shù)，數(shù)值大于1，由網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定；

K_re——電流繼電器的返回系數(shù)，一般采用0.85～0.95；

I_load⁽⁰⁾——保護(hù)啟動(dòng)前安裝處的實(shí)時(shí)負(fù)荷電流；

步驟六：

使用PSCAD仿真，用系統(tǒng)發(fā)生相間短路為例，進(jìn)行靈敏度的仿真研究。根據(jù)仿真結(jié)果，可以得到表2如下所示：

表2正序電壓電流表

可以計(jì)算出電壓的故障分量為△U₂＝U₁-U₁'。電流的故障分量為ΔI₁＝I₁-I′₁＝0.33-0.3＝0.03kA。可以根據(jù)阻抗公式計(jì)算出Z＝694，帶入公式5可以計(jì)算出：I_set＝0.165kA。并可以得到靈敏度：因此，自適應(yīng)保護(hù)能夠很好的解決傳統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)靈敏度不足的問題。