基于负序电流判别的变压器差动保护零序电流自动补偿方法

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如图 ３（ ｂ） 所示， 在 ｆ２ 点发生区内接地故障时， 在等值图中各元件负序阻抗角一致的条件下， ＩＹ２ 的 相位与区外接地故障时相反， 而 Ｉｄ２ 相位保持不变， 按照如图 ２ 所示的假定正向， 可得 Ｉｄ２ ＝ ＩＹ２ ｅ－ ｊ３０°。
综上所述， 基于负序电流判别的零序电流自动 补偿方法表示： 当 Ｙ 侧出现零序电流 Ｉ ０ ＝ （ Ｉ Ｙａ ＋ Ｉ Ｙｂ ＋ Ｉ Ｙｃ） ／ ３， 且 Ｙ 侧负序电流 ＩＹ２ 与 ｄ 侧负序电流 Ｉｄ２ 满 足关系式 － ９０°＜ ａｒｇ （ Ｉｄ２ ／ ＩＹ２ ｅ－ ｊ３０°） ＜ ９０°时， 表示发生 了区内接地故障， 利用 ｄ Ｙ 转角相位校正方式计算 差流时， Ｙ侧电流不减去零序电流， 保证区内接地短 路保护灵敏度不会降低； 当 Ｙ 侧出现零序电流 Ｉ０ ＝ （ Ｉ Ｙａ＋Ｉ Ｙｂ＋Ｉ Ｙｃ） ／ ３， 且 Ｙ 侧负序电流 ＩＹ２ 与 ｄ 侧负序电 流 Ｉｄ ２ 满足关系式 ９０°＜ ａｒｇ （ Ｉｄ ２ ／ ＩＹ２ ｅ－ ｊ３０°） ＜ ２７０°时， 表示发生了区外接地故障， 利用 ｄ Ｙ 转角相位校正 方式计算差流时， Ｙ 侧电流应减去零序电流， 提高外 部接地短路时保护的可靠性。
高了差动保护的可靠性。
当区内发生接地短路时， Ｙ 侧电流中的零序分
量与中性点零序电流 ＩＮ０ ／ ３ 的和即为接地短路点零 序电流的 １ ／ ３， 从而增大了差动电流， 提高了差动保
护反应区内接地短路的灵敏度。 利用中性点零序电流对差动电流进行补偿对于
Ｙ 侧中性点直接接地的变压器保护不失为一种好的 思路， 既提高了区外接地故障时的可靠性， 又使得差 动保护反应了区内接地故障更灵敏。但实际应用中 零序 ＴＡ 二次接线极性的正确性很难保证， 测试方法 比较复杂， 一旦接反， 利用中性点零序电流补偿所获 得的优点就完全变成了缺点。
收稿日期： ２００６ － ０２ － １６； 修回日期： ２００６ － ０８ － ０７
图 １ 变压器差动保护接线图 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
１．１ Ｙ ｄ 转角 差动电流计算公式为
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相 制 动 。但 为 了 避 免 ＹＮ 侧 区 外 单 相 接 地 故 障 时
差动保护误动， Ｙ 侧电流应扣除其中的零序电流分
量 Ｉ０（ 加上虚线框部分） ， 即 Ｉ ０ ＝ （ Ｉ Ｙａ ＋ Ｉ Ｙｂ ＋ Ｉ Ｙｃ） ／ ３。与 Ｙ ｄ 同样的原因， 消零处理后， 差动保护反应单相
接地的灵敏度降低了 １ ／ ３。同时， 文献［ １１］ 的仿 真
零序差动保护是解决内部单相接地灵敏度不足 问题的经典方案， 但因为其误动问题尚未得到有效 解 决 ， 实 际 应 用 尚 存 商 榷 之 处 ［１ － ４］， 故 并 未 获 得 良 好 的推广使用， 所以在绝大多数变压器保护中反应接 地故障仍然只能依赖于差动保护。因此， 分析清楚 零序电流对变压器差动保护的影响并找到有效的解 决办法具有现实意义， 至于外部接地故障差动保护 误动的原因更是与零序电流的处理紧密相关， 现将 对此展开分析并给出实用的解决方案。
研究指出， 消零处理后， ｄ Ｙ 转角与 Ｙ ｄ 转角 ２ 种
方式在识别励磁涌流的能力上相当， 在某些工况下
二次谐波含量小于 １０ ％， 按相制动的变压器保护将
会发生误动。
２ 利用中性点零序电流补偿的差动电流相 位校正方法
显然， 无论是 Ｙ ｄ 转角的差动电流相位校正方
法还是 ｄ Ｙ 转角的差动电流相位校正方法， 对于直
（ １）
第２期
吴大立， 等： 基于负序电流判别的变压器差动保护零序电流自动补偿方法
２９
Ｙ ｄ 是模拟式保护 ＴＡ 转角的“翻版”， 利 用 Ｙ
侧电流进行移相， 达到相位校正的目的。这种转角
方式下， 对于中性点直接接地的变压器， 当 ＹＮ 侧发
生区外单相接地故障时， 由于 Ｙ 侧电流采用两相电
流之差， 只在 ＹＮ 侧流通的零序电流分量自动抵消，
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（ ２）
ｄ Ｙ 利用 ｄ 侧电流进行移相同样可实现相位
校正。采用该种转角方式， 如果不考虑 Ｙ 侧零序电
流分量的影响（ 去掉虚线框部分） ， 则对于 Ｙ 侧为电
源侧的变压器而言， 变压器空载合闸时 Ｙ 侧电流未
作变化， 差动电流可真实反应励磁涌流而有利于按
了差动保护反应内部单相接地短路和匝间短路的灵敏度。直接利用中性点零序电流对差动电流进
行自动补偿可以兼顾区内外接地短路时保护的可靠性与灵敏度， 但实际上由于三相电流互感器
（ ＴＡ） 与中性点零序 ＴＡ 的不同型问题， 也可能导致差动保护的误动。研究表明， 充分利用变压器各
侧负序电流在区内外接地短路时的不同相位特征， 可以对差动电流进行零序电流的自动补偿，Hale Waihona Puke Baidu既提
高了区外接地短路时保护的可靠性， 又保证了区内接地短路时保护的灵敏度不会降低。该方法无需
增加额外的零序 ＴＡ 二次接线， 也避免了零序 ＴＡ 极性校验问题。
关键词： 变压器保护； 差动保护； 零序电流； 相位校正
中图分类号： ＴＭ ７７２
文献标识码： Ａ
文章编号： １００６ － ６０４７（ ２００７） ０２ － ００２８ － ０３
摘要： 对于星形 ／三角形（ Ｙ／ｄ） 连接组的变压器， 形成差动量一般采用 ２ 种转角方式： Ｙ 侧电流移相
转角（ Ｙ ｄ） 和 ｄ 侧电流移相转角（ ｄ Ｙ） 以实现二次电流的幅值和相位校正。为了避免中性点直接接
地侧外部单相接地短路时差动保护误动， ２ 种转角方式都消去了差动电流中的零序分量， 但因此降低
可有效地防止差动保护的误动。但由于零序电流分
量被消去， 降低了差动保护反应内部单相接地短路和 匝间短路的灵敏度［８－１０］。与此同时， 采用两相电流差
可能会导致对称性励磁涌流， 消弱励磁涌流波形的
不对称度， 不利于励磁涌流的按相制动。
１．２ ｄ Ｙ 转角
差动电流计算公式为
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（ ａ） 区外故障
（ ｂ） 区内故障
图 ３ 区外故障和区内故障时的负序网络 Ｆｉｇ．３ Ｎｅｇａｔｉｖｅ－ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ
ａｎｄ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｅａｒｔｈｉｎｇ ｆａｕｌｔ
３０
电力自动化设备
第 ２７ 卷
的 负 序 电 流 应 滞 后 ＹＮ 侧 的 负 序 电 流 ３０°， 即 Ｉｄ２ ＝ － ＩＹ２ｅ－ ｊ３０°（ 负号是因为 Ｉｄ２ 与图 ２ 中的假定正向相反） 。
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考虑一简单的单电源供电网络， 其系统接线图如 图 ２ 所示。经过分析发现， 在发生区内或区外接地 故障时， 流过变压器分别被 Ｙ、ｄ 侧相 ＴＡ 感受到的负 序电流在相位上存在明显的差别， 本文提出基于负序 电流判别的零序电流自动补偿方法。
图 ２ 系统接线图 Ｆｉｇ．２ Ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ 系统发生区外故障和区内故障时的负序等值网
流时， 其差流为 ０。而对于微机变压器保护， 两侧 ＴＡ 均可接成星形， 这样不仅可明确区分励磁涌流和短 路故障， 有利于加快保护的动作速度； 而且有利于 ＴＡ 二 次 回 路 断 线 的 判 别 ［６－ ７］， 而由软件进行转角运 算以实现相位校正和电流幅值平衡的调整。微机变 压器差动保护接线如图 １ 所示。在微机变压器差动 保护里， 一般有 ２ 种转角方式： Ｙ 侧电流移相转角（ Ｙ ｄ） 和 ｄ 侧电流移相转角（ ｄ Ｙ） ， 下面以 ＹＮ ／ｄ － １１ 接 线组别的变压器为例， 分别予以介绍。
接接地系统而言， 都难以同时兼顾变压器区外接地
短路保护的可靠性与区内单相接地短路保护的灵敏
度 。 针 对 这 个 问 题 ， 文 献 ［ １２］ 给 出 了 西 门 子 ７ＵＴ
系列差动保护中的利用中性点零序电流补偿的解决
方案。其差动电流的计算公式如式（ ３） 所示， 其中，
ＩＮ０ 为流过中性点的零序电流， 参看图 １。
络如图 ３ 所示。 如图 ３（ ａ） 所示， 在 ｆ１ 点发生区外接地故障时， 在
负序电势源作用下， 负序电流穿过 ＴＡＹ 与 ＴＡｄ。为分 析表述的简化起见， 两侧电流用标么值表示， 即等同 于 变 压 器 变 比 为 １。 则 对 负 序 电 流 而 言 ， ＹＮ ／ ｄ－ １１ 的接线方式相当于 ＹＮ ／ｄ－ １ 的接线方式， 于是， ｄ 侧
０ 引言
一直以来， 差动保护（ 特指纵联差动保护， 以下 同） 因其原理简单、选择性好的特点在变压器保护中 获得了成功的应用， 是变压器最重要的主保护之一。 但理论研究和运行实践表明， 由于零序电流的影响， 变压器差动保护一方面存在着区内单相接地短路灵 敏度不足的问题， 另一方面区外接地短路保护误动 也时有发生。
基于负序电流判别的零序电流自动补偿方法根 据变压器两侧的负序电流相位差区分区内或区外故 障， 从而决定是否消去中性点接地侧电流中的零序分 量， 既保证了区外接地故障时不误动， 又保证了区内 接地故障时动作灵敏度不降低。直接利用引入差动 保护的各侧电流进行计算判别， 无需增加额外的零序 ＴＡ 二次接线， 由于负序电流采用三相电流合成， 极 性不会出现接反的错误， 具有较强的工程实用价值。
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第 ２７ 卷第 ２ 期
２８ ２００７ 年 ２ 月
电力自动化设备
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２００７
基于负序电流判别的变压器差动 保护零序电流自动补偿方法
吴大立， 尹项根， 张 哲， 鲍凯朋 （ 华中科技大学 电气与电子工程学院， 湖北 武汉 ４３００７４）
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当区外发生接地短路时， Ｙ 侧电流中的正、负序
分量与 ｄ 侧校正电流中的正、负序分量平衡， Ｙ 侧电
流中的零序分量与中性点零序电流 ＩＮ０ ／ ３ 大小相 等， 极性相反， 两者抵消， 零序电流的影响被消去， 提
１ 常规差动电流相位校正方法
变压器差动保护有别于发电机差动保护与输电 线路差动保护很重要的一点是， 变压器差动量的形 成受变压器连接组的影响［５］。对于星形 ／三角形（ Ｙ ／ ｄ） 连接组的变压器， 在形成差动量的过程中， 传统的 模拟式保护往往采用电流互感器（ ＴＡ） 转角（ Ｙ 侧互 感器接成三角形， 与 ｄ 侧绕组接线相同； ｄ 侧电流互 感器接成星形） 的办法保证在变压器流过穿越性电
３ 基于负序电流判别的零序电流自动补偿 方法
文献［ １３］ 提出了利用中性点零序电流和 Ｙ 侧三 相计算零序的相位差不同， 区分是区内还是区外接地 故障， 从而决定是否对 Ｙ 侧电流进行消零处理， 其实 质与西门子 ７ＵＴ 系列差动保护中的利用中性点零序 电流补偿的解决方案类似， 同样难以克服零序 ＴＡ 二 次接线极性校验的问题。除此以外， 额外引入中性 点零序电流， 也在一定程度上增加了 ＴＡ 二次接线的 复杂度， 在应用现场条件不具备的情况下不利于工程 化。特别地， 一般为纵差保护选择的相 ＴＡ 与中性点 零序 ＴＡ 很难做到同型同级同变比［１４］， 幅值误差比较 大［１５］， 暂态特性也不尽一致， 会在一定程度上影响两 者比相的正确性。因此， 有必要寻求更好的方法来 妥善处理零序电流补偿的问题。