變壓器差動(dòng)保護(hù)探討

陳醫(yī)平

（廈門華電開關(guān)有限公司，福建 廈門 361006）

0 引言

1 勵(lì)磁涌流與故障電流的識(shí)別方法

1.1 波形對(duì)稱原理

首先將流入繼電器的差動(dòng)電流微分，將微分后差流的前半波和后半波作對(duì)稱比較，設(shè)差流導(dǎo)數(shù)前半波某一點(diǎn)的數(shù)值為I′t，后半波對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)值為I′t+180°，如果數(shù)值滿足式稱為對(duì)稱，否則不對(duì)稱。連續(xù)比較半個(gè)周波，對(duì)于故障電流（1）式恒成立，對(duì)于勵(lì)磁涌流有1/4周波以上的點(diǎn)不滿足（1）式，這樣就可以區(qū)分故障和涌流。如果I′t與I′t+180°方向相反稱為方向?qū)ΨQ；反之稱為方向不對(duì)稱。經(jīng)分析，不論是對(duì)稱涌流還是單向涌流，其導(dǎo)數(shù)相對(duì)工頻量來說，其前半波和后半波在90°內(nèi)是完全不對(duì)稱的，在另90°內(nèi)方向?qū)ΨQ，數(shù)值也不對(duì)稱。而故障電流的導(dǎo)數(shù)前半波和后半波基本對(duì)稱。這就是所謂的波形對(duì)稱原理。

波形對(duì)稱原理實(shí)現(xiàn)的變壓器差動(dòng)保護(hù)具有以下特點(diǎn)：變壓器空載合閘至內(nèi)部故障或外部故障切除后轉(zhuǎn)化為內(nèi)部故障，保護(hù)能瞬時(shí)動(dòng)作；對(duì)變壓器剩磁的適應(yīng)能力強(qiáng)；計(jì)算的冗余度大。

1.2 間斷角原理

勵(lì)磁涌流波形與變壓器內(nèi)部故障時(shí)短路電流波形是不同的，前者的間斷角較大，波寬較小。后者的間斷角很小，波寬較大。其保護(hù)的判據(jù)為

式中：θd為間斷角；θW為波寬。

若θd＞65°，則認(rèn)為是勵(lì)磁涌流，而非變壓器內(nèi)部故障，此時(shí)立即閉鎖比率差動(dòng)繼電器，以防止其在變壓器空載合閘和外部故障切除電壓恢復(fù)過程中誤動(dòng)；若θW≥65，并且θd≤65°，則短時(shí)開放比率差動(dòng)繼電器，一旦θd＞65°，則立即閉鎖比率差動(dòng)繼電器。間斷角原理的涌流判據(jù)并未涉及到涌流的具體波形和幅值，而是利用了涌流波形的鮮明特征，因此，它對(duì)不同的涌流均能正確識(shí)別。但間斷角原理對(duì)硬件的要求較高，實(shí)現(xiàn)比較困難。

1.3 二次諧波制動(dòng)原理

變壓器勵(lì)磁涌流中除基波分量外，還含有顯著的非周期分量和二次諧波分量，其中二次諧波分量與基波分量之比一般情況下大于15%，在短路電流中，除基波分量外，只有非周期分量和極少量的高次諧波分量，二次諧波制動(dòng)原理即基于此差異。變壓器空載投入時(shí)，二次諧波分量與基波分量之比大于15%時(shí)，繼電器不動(dòng)，即二次諧波制動(dòng)；短路故障時(shí)，由于二次諧波分量與基波分量之比小于15%，繼電器動(dòng)作 。二次諧波制動(dòng)原理在以下情況存在問題：

1）有些變壓器飽和磁通倍數(shù)較低，涌流中的二次諧波可能小于15%，將使保護(hù)誤動(dòng)。

2）超高壓遠(yuǎn)距離輸電線對(duì)地大電容、大容量補(bǔ)償電容和超高壓電纜的對(duì)地電容，使變壓器差動(dòng)區(qū)內(nèi)部故障時(shí)，含有接近二次或四次諧波電流，二次諧波可能大于15%，保護(hù)閉鎖，這將延緩保護(hù)的動(dòng)作速度。

3）采用三相“或門”的涌流閉鎖條件時(shí)，將引起內(nèi)部匝間短路的變壓器在空載合閘時(shí)差動(dòng)保護(hù)延時(shí)過長。

以上三種原理僅僅是為解決變壓器勵(lì)磁涌流帶來的差流問題，而變壓器差動(dòng)保護(hù)除勵(lì)磁涌流外，還有不平衡電流的問題。

2 引起不平衡電流的原因

1）電壓等級(jí)的不同引起電流互感器變比的不同。

2）電流互感器的誤差。

3）變壓器分接頭位置的改變。

4）變壓器的空載電流。

5）變壓器的聯(lián)接組別。

其中1）、5）可在微機(jī)保護(hù)中采用數(shù)學(xué)方法完全補(bǔ)償而消除，2）、3）、4）只能靠差動(dòng)繼電器比率制動(dòng)特性來解決。

3 變壓器差動(dòng)保護(hù)的比率制動(dòng)特性

變壓器差動(dòng)保護(hù)比率制動(dòng)特性如圖1所示。

圖1 變壓器差動(dòng)保護(hù)比率制動(dòng)特性

在保護(hù)內(nèi)故障時(shí)，=0，Id=I1，Ib=J1/2，工作點(diǎn)位于差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作區(qū)，保護(hù)動(dòng)作。

由圖1可知，比率制動(dòng)特性曲線可分為4段，其中Ⅰ段主要對(duì)應(yīng)變壓器處于輕載或空載工作工況，Ⅱ段對(duì)應(yīng)變壓器接近滿載或過載工況，Ⅲ段對(duì)應(yīng)穿越性短路，Ⅳ段對(duì)應(yīng)區(qū)內(nèi)嚴(yán)重故障即變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)范圍。

4 差動(dòng)保護(hù)面臨的其它問題及差動(dòng)CT的配合

除不平衡電流和勵(lì)磁涌流外，變壓器差動(dòng)保護(hù)還面臨以下問題：

1）變壓器Y接線繞組側(cè)的中點(diǎn)接地情況及側(cè)在保護(hù)區(qū)內(nèi)有無接地零序電流回路。

2）變壓器的過勵(lì)磁問題。

3）差動(dòng)保護(hù)電流互感器CT的選擇問題。

對(duì)于問題1），如發(fā)生區(qū)外接地故障時(shí)，零序電流有可能在差動(dòng)回路中產(chǎn)生差動(dòng)電流，引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，因此差動(dòng)繼電器必須消除此因素帶來的保護(hù)誤動(dòng)。至于問題2），可通過投入過勵(lì)磁保護(hù)予以解決，此處我們主要討論差動(dòng)保護(hù)所用CT的選擇問題。由于保護(hù)動(dòng)作的基礎(chǔ)是CT的二次輸出正確反映一次系統(tǒng)的電流，如果CT飽和，CT的二次輸出已不能正確反映一次系統(tǒng)的電流，不管保護(hù)的算法如何好，保護(hù)繼電器的動(dòng)作對(duì)于一次系統(tǒng)而言都是有問題的，所以我們必須首先解決CT的問題。

首先討論CT的飽和時(shí)間與磁通的關(guān)系：

在故障電流最大偏移的情況下，即電壓為零時(shí)發(fā)生故障，CT的飽和時(shí)間與磁通的關(guān)系為

Φm為故障時(shí)交流分量的峰值。

（4）式成立的條件為Ts≥Tp（閉合鐵心的情況），Ts為CT二次側(cè)的時(shí)間常數(shù)，Tp為一次系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，一般情況下Ts≥Tp。

則（4）式可表示為

可見KTF與t，Tp有關(guān)，且隨t，Tp的變化而變化。對(duì)于特定的一次系統(tǒng)而言Tp為一定值，如中壓系統(tǒng)一般小于50ms，根據(jù)保護(hù)算法所需時(shí)間窗t的不同，按（5）式可求得不同的KTF值。例如因保護(hù)算法的不同，同是變壓器差動(dòng)保護(hù)繼電器，SPAD346C差動(dòng)保護(hù)繼電器取KTF=4，RET521差動(dòng)保護(hù)繼電器取KTF=2。

為保證在算法要求的時(shí)間窗t內(nèi)CT不飽和，必須要求CT的勵(lì)磁電壓E2滿足

Ifmax為折合到二次側(cè)的最大穿越性故障電流，Rin為CT的內(nèi)阻，Ra為CT實(shí)際二次負(fù)載（包括導(dǎo)線電阻，接觸電阻，繼電器內(nèi)阻）。

在實(shí)際工程中，如何在CT額定輸出容量，額定準(zhǔn)確電流限制倍數(shù)下，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷來確定實(shí)際準(zhǔn)確電流限制倍數(shù)，進(jìn)而確定所選CT是否滿足要求即滿足公式（6）的要求。例如CT額定參數(shù)為20 VA，5P20，那么二次負(fù)荷在5 VA時(shí)實(shí)際準(zhǔn)確電流限制倍數(shù)及其勵(lì)磁電壓計(jì)算：

CT帶額定二次負(fù)荷時(shí)，其勵(lì)磁電壓為

式中：Fn為CT額定準(zhǔn)確電流限制倍數(shù)；Rin為CT的內(nèi)阻；Rn為CT的二次額定負(fù)荷；In為CT二次額定電流。

CT帶實(shí)際二次負(fù)荷時(shí)，其勵(lì)磁電壓為

式中：Fa為CT實(shí)際準(zhǔn)確電流限制倍數(shù)；Ra為CT的二次實(shí)際負(fù)荷；Rn為CT的二次額定負(fù)荷；In為CT二次額定電流。

所以

兩邊同乘以In得下式

根據(jù)（10）式即求得Fa，同時(shí)可以利用公式（8）求得E′2，如果此時(shí)E′2≥E2，則滿足要求，否則采取必要的措施調(diào)整CT的參數(shù)或負(fù)載Ra以滿足條件。

在工程使用中經(jīng)常將CT的問題與保護(hù)弧立出來，但實(shí)際上它們之間是相互關(guān)聯(lián)的，必須引起足夠的重視，否則CT飽和后將引起保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)?？傊顒?dòng)保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，因變壓器本身的特殊性必須采取相應(yīng)的算法以防止誤動(dòng)，同時(shí)我們也必須考慮CT與保護(hù)的配合問題，將CT和保護(hù)算法看成一個(gè)整體，真正起到差動(dòng)保護(hù)的作用。

5 結(jié)語

不論是基于波形對(duì)稱原理、間斷角原理還是二次諧波制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)，其作為變壓器的主保護(hù)，均應(yīng)依據(jù)變壓器本身的特殊性采取相應(yīng)的算法以防止誤動(dòng)，同時(shí)也必須考慮CT與保護(hù)的配合，將CT參數(shù)的選擇和保護(hù)算法看成一個(gè)整體，避免因CT參數(shù)的選擇不當(dāng)影響差動(dòng)保護(hù)的效果，從而使差動(dòng)保護(hù)真正起到變壓器主保護(hù)的作用。