电力变压器的纵差保护

电力变压器的纵差保护
一．引言
电力变压器在电力系统中是十分重要的电气设备。

微机保护在整个系统中占有重要的地位，它的性能好坏将直接影响到系统安全稳定运行和能否可靠地供电。

电力变压器微机保护通常由电流纵差动保护(反应变压器的内、外部故障，瞬时动作于跳闸)与瓦斯保护（反应变压器的内部短路故障或油面降低，瞬时动作于信号或跳闸）作为主保护，而过电流或复合电压启动的过电流保护〔反应变压器外部相间短路)、过负荷保护（反应变压器对称过负载，动作于信号或跳闸）、零序过流保护（反应变压器大电流接地系统中变压器外部接地短路，一般作用于信号）、过激磁保护（反应变压器过励磁，动作于信号或跳闸）等构成其后备保护。

瓦斯保护用来反映变压器油箱内部的相间或匝间短路是一种非电量保护，其动作时间一般晚差动保护。

差动保护是作为变压器相间、匝间和接地短路故障的保护，它是变压器的一种重要的保护形式。

二．电流平衡与相位校正原理
在理想情况下，当变压器正常运行或发生外部故障时，流过差
流回路的电流为零，差动继电器不动作。

实际上由于主变各侧CT
型号、变比、计算变比、磁饱和特性、励磁电流及主变空载合闸的
励磁涌流等影响，差流回路不可避免存在不平衡电流；一旦不平衡
电流超过差动继电器动作整定值时，会导致差动保护误动作。

为了防止变压器励磁涌流所产生的不平衡电流引起差动保护
误动作，主变差动保护采用间断角制动原理、二次谐波制动原理、
波形对称原理躲过变压器励磁涌流的影响；为防止两侧CT型号不
同所产生的不平衡电流引起差动保护误动作，则采用增大启动电流
值以躲开主变保护范围外部短路时的最大不平衡电流；为了防止因
变压器接线组别、CT变比不同引起的不平衡电流，则采用软件进
行相位补偿及电流数值补偿使其趋于平衡。

图1变压器差动保护连线图Y→△补偿方式
主变差动保护实际对主变高压侧（Y型侧）二次电流相位校准，算法如下：
Y
型侧：(222(222(222I I I A A B I I I B B C I I I C C A '⎧∙∙∙⎪=-⎪⎪'∙∙∙⎪=-⎨⎪'∙∙∙⎪⎪=-⎪⎩△型侧：222222a a b b c c I I I I I I ∙∙
∙∙∙∙'⎧=⎪⎪'⎪=⎨⎪'⎪=⎪⎩ △→Y 补偿方式
主变差动保护实际对主变低压侧（△型侧）二次电流相位校准，算法如下：
Y 型侧：220220220()()()A A B B C C I I I I I I I I I ∙∙∙∙∙∙∙∙∙'⎧=-⎪⎪'⎪=-⎨⎪'⎪=-⎪⎩ △型侧
：222222222()/()/()/a a c b b a c c b I I I I I I I I I ∙∙∙∙
∙∙∙∙∙'⎧=-⎪⎪'⎪=-⎨⎪'⎪=-⎪⎩
其中02221()3
A B C I I I I ∙∙∙∙=++表示Y 型侧去掉零序电流，目的在于去除主变区外接地故障时流入Y 型侧的零序电流；因为△型侧不能提供零序电流通路，当发生接地故障时，零序电流在差流回路会产生不平衡电流而引起差动保护误动作。

电流平衡调整，就是将各侧大小不同的电流折算成大小相等、方向相反的等值电流，使得在正
常运行或外部故障时，不平衡电流尽可能地小。

引入平衡系数Kb.m 2...2..2..11
.12.1.N h N m m b m N m N h h
N h N b N N h h I U n K
I U n I U n K I U n ====不平衡电流的计算：..11h b m m b d I I K I K I ∙∙∙
=++ 三．比率制动式差动保护原理
除去以上引起不平衡电流的因素之外，还需考虑到主变区外故障时短路电流的增大可能导致CT
磁饱和的情况，此时CT 已不能正确反映故障侧电流，差流已无法正确平衡，极有可能造成差动保护误动作。

故而微机保护往往采用比率制动式差动继电器，其动作特性为：动作电流随着不平衡电流的增大而按比率增大，并且增长速率快于不平衡电流的增长速率。

如图2所示，基本思路为引入区外短路电流作为制动电流，以差动电流为动作电流；当区外故障电流增大时，制动电流也随之增大，从而有效遏制主变区外故障时差动保护误动作的情况发生。

比率制动式纵差保护仅反应相间短路故障。

具有比率制动特性的差动保护的二次接线如图2所
示。

当差动线圈匝数W d 与制动线圈匝数W res 的关系为
时，
差动电流
制动电流
式中：，——一次电流；
，
——二次电流；
n a——电流互感器变比。

图 2 比率制动式差动保护原理接线图
差动保护的制动特性如图3中的折线ABC所示。

图中，纵坐标为差动电流I d，横坐标为制动电流I res。

为了正确进行整定计算，首先应了解纵差保护的不平衡电流与负荷电流和外部短路电流间的关系。

发电机纵差保护用的10P级电流互感器，在额定一次电流和额定二次负荷条件下的比误差为±3%。

因此，纵差保护在正常负荷状态下的最大不平衡电流不大于6%。

但随着外部短路电流的增大和非周期暂态电流的影响，电流互感器饱和，不平衡电流将急剧增大，实际的不平衡电流与短路电流的关系曲线如图3中的曲线OED所示。

图 3 比率制动式差动保护的制动特性
发电机外部短路时，差动保护的最大不平衡电流由式(1)进行估算
(1)
式中：K ap——非周期分量系数，取1.5～2.0；
K cc——互感器同型系数，取0.5；
K er——互感器比误差系数，取0.1；
——最大外部三相短路电流周期分量。

比率制动特性纵差保护需要整定计算以下三个参数：
1)确定差动保护的最小动作电流，即确定图3中A点的纵座标I op.0为
(2)
式中：K rel——可靠系数，取1.5；
I
gn——发电机额定电流；
I
unb.0——发电机额定负荷状态下，实测差动保护中的不平衡电流。

实际可取I op.0＝(0.10～0.30)I gn／n a，一般宜选用(0.10～0.20)I gn／n a。

如果实测I unb.0较大，则应尽快查清I unb.0增大的原因，并予消除，避免因I op.0过大而掩盖一、二次设备的缺陷或隐患。

发电机内部短路时，特别是靠近中性点经过渡电阻短路时，机端或中性点侧的三相电流可能不大，为保证内部短路时的灵敏度，最小动作电流I op.0不应无根据地增大。

2)确定制动特性的拐点B。

定子电流等于或小于额定电流时，差动保护不必具有制动特性，因此，B 点横坐标
I res.0＝(0.8～1.0)I gn／n a (3)
当I res.0＞I gn／n a时，应调整保护内部参数，使其满足式(3) 。

3)按最大外部短路电流下差动保护不误动的条件，确定制动特性的C点，并计算最大制动系数。

设C点对应的最大动作电流为I
op.max，其值为
I op.max＝K rel I unb.max(4)
式中：K rel——可靠系数，取1.3～1.5。

C点对应的最大短路电流与最大制动电流I res.max相对应。

C点的最大制动系数K res.max按下式计算
K res.max＝I op.max／I res.max＝K rel K ap K cc K er (5)
式(5)的计算值为K res.max＝0.15，可确保在最大外部短路时差动保护不误动。

但考虑到电流互感器的饱和或其暂态特性畸变的影响，为安全计，宜适当提高制动系数值。

图3中，取C点的K res.max≈0.30。

该比率制动特性的斜率S为
(6)
A、B、C三点确定的制动特性，确保在负荷状态和最大外部短路暂态过程中可靠不误动。

按上述原则整定的比率制动特性，当发电机机端两相金属性短路时，差动保护的灵敏系数一定满足K sen≥2.0的要求，不必进行灵敏度校验。

两折线比率制动差动保护的特性曲线中差动元件的动作方程：
.min.min
(1)
Iop Ires Kres K
Ires Ires
=+-
四．变压器微机差动保护的逻辑结构电力变压器微机保护的逻辑结构图如图4所示
图5 变压器微机保护的逻辑结构图
五．结论
在微机保护装置广泛应用的今天，二次回路的连接方式虽得到简化，但已不如电磁型保护那般直观明了；尤其对Y/Y/△变压器（以下简称主变）分相差动保护，出于对主变接线组别、各侧电压等级、CT（电流互感器）变比及励磁涌流等种种因素的考虑，不同的厂家采取了不同的补偿方式和比率制动方法，如何正确的校验差动保护成为一个很重要的环节。

变压器差动保护是主变最重要的保护之一，对它应有足够的重视。

国内外微机型主变差动保护装置种类繁多，但万变不离其宗，只要掌握了我们前面所介绍的原理和校验方法后一定可以举一反三，正确的校验主变差动保护。

参考文献
[1]王维俭.电力主设备继电保护原理及应用[M].北京：中国电力出版社,1996.
[2]国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答[M].北京：中国电力出版社,1997.
[3]陈德树.计算机继电保护原理与技术[M].北京:水利电力出版社,1992.。