變壓器差動保護(hù)不平衡電流相關(guān)問題研究

摘要：變壓器差動保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中一個(gè)極其重要的組成部分。但是由于不平衡電流的存在，嚴(yán)重影響了差動保護(hù)裝置的可靠運(yùn)行，本文主要分析了差動保護(hù)裝置不平衡電流產(chǎn)生的原因及消除方法。

關(guān)鍵詞：變壓器 差動保護(hù) 不平衡電流 相位補(bǔ)償 平衡系數(shù) 勵(lì)磁涌流

1 變壓器差動保護(hù)原理分析

變壓器的差動保護(hù)是利用比較變壓器各側(cè)電流的差值構(gòu)成的一種保護(hù)，以兩卷變壓器為例其單線原理圖如圖1所示。

變壓器裝設(shè)有電流互感器CT1和CT2，其二次繞組按環(huán)流原則串聯(lián)，差動繼電器KD 并接在差回路中。具體參數(shù)如下：

I1’為流過變壓器高壓側(cè)的一次電流。

I1”為流過變壓器低壓側(cè)的一次電流。

I2’為流過變壓器高壓側(cè)所裝設(shè)電流互感器即CT1的二次電流。

I2”為流過變壓器低壓側(cè)所裝設(shè)電流互感器即CT1的二次電流。

變壓器在正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，電流由電源側(cè)Ⅰ流向負(fù)荷側(cè)Ⅱ，在圖1所示的接線中，CT1和CT2的二次電流I2’、I2”會以反方向流過繼電器KD的線圈，KD中的電流等于二次電流I2’、I2”之差，故該回路稱為差回路，整個(gè)保護(hù)裝置稱為差動保護(hù)。若電流互感器CT1和CT2變比選得理想且在忽略勵(lì)磁電流的情況下，則I2’=I2”，繼電器KD中電流I=0，亦即在正常運(yùn)行或外部短路時(shí)，兩側(cè)的二次電流大小相等、方向相反，在繼電器中電流等于零，因此差動保護(hù)不動作。

如果故障發(fā)生在CT1和CT2之間的任一部分(如變壓器內(nèi)部故障)，且母線Ⅰ和Ⅱ均接有電源，則流過CT1和CT2一二次側(cè)電流方向如圖1(b)所示，于是I2’、I2”按同一方向流過繼電器KD線圈，即I’=I2’+I2”，使KD動作，瞬時(shí)跳開變壓器兩側(cè)開關(guān)。如果只有母線Ⅰ有電源，當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)部有故障時(shí)，I2”=0，此時(shí)繼電器KD仍能可靠動作。

2 不平衡電流產(chǎn)生原因

2.1 穩(wěn)態(tài)不平衡電流產(chǎn)生的原因：①變壓器高低壓側(cè)繞組接線方式不同；②變壓器各側(cè)電流互感器的型號和變比不相同；③帶負(fù)荷調(diào)分接頭引起變壓器變比的改變。

2.2 暫態(tài)不平衡電流主要是由于變壓器空載投入電源或外部故障切除，電壓恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流。

3 不平衡電流的消除方法

3.1 高低壓側(cè)接線方式不同產(chǎn)生的不平衡電流

對于變壓器高低壓側(cè)繞組接線方式不同而產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流我們采用移相法進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而消除不平衡電流，具體做法以南瑞繼RCS978裝置保與南自PST1200裝置為例描述如下。如圖2所示為Y，d11兩卷變壓器兩側(cè)繞組及電流互感器接線方式及其中通過的一次、二次電流流向（各電流均為向量值）。

變壓器各側(cè)電流互感器采用星形接線，二次電流直接接入本裝置。電流互感器各側(cè)的極性都以母線側(cè)為極性端。RCS978變壓器保護(hù)采用Δ→Y相位變換，變換后相量圖如圖3所示。

變壓器各側(cè)TA 二次電流相位由軟件調(diào)整，裝置采用Δ→Y變化調(diào)整差流平衡，這樣可明確區(qū)分涌流和故障的特征，大大加快保護(hù)的動作速度。對于Yd/Δ-11的接線，其校正方法如下：由于RCS978變壓器保護(hù)采用標(biāo)幺值計(jì)算，變換過程不受變壓器變比的影響。

Y0側(cè)：I’a=Ia-I0

I’b=Ib-I0

I’c=Ic-I0

Δ側(cè)：I’a=■（Ia-Ic）

I’b=■（Ib-Ia）

I’c=■（Ic-Ib）

其中：Ia、Ib、Ic為Δ側(cè)TA的二次電流，I’a、I’b、I’c為Δ側(cè)TA校正后的二次電流。

IaY、IbY、IcY 為Y側(cè)TA的二次電流。

對于PST1200保護(hù)裝置則采用Y→Δ變化調(diào)整差流平衡。對于Yd/Δ-11的接線，其校正方法如下：

Y0側(cè)：I’a=（Ia-Ic）/■

I’b=（Ib-Ic）/■

I’c=（Ic-Ia）/■

Δ側(cè)：Ia△=I’a

Ib△=I’b

IC△=I’C

其中：Ia、Ib、Ic為Y側(cè)TA的二次電流，I’a、I’b、I’c為Y側(cè)TA校正后的二次電流，Ia△、Ib△、Ic△為Δ形側(cè)的二次電流。

3.2 電流互感器的型號和變比不相同產(chǎn)生的不平衡電流

在正常運(yùn)行和外部故障時(shí)變壓器兩側(cè)差動CT的二次電流幅值不完全相同，即使經(jīng)過相位校正，從兩側(cè)流入各相差動原件的電流幅值也不相同，在正常運(yùn)行與外部故障時(shí)無法滿足∑I=0關(guān)系。

在微機(jī)型變壓器保護(hù)裝置中采用軟件進(jìn)行幅值調(diào)整。引入了一個(gè)將兩個(gè)大小不等的電流折算成作用完全相同的電流的折算系數(shù)，將該系數(shù)稱作平衡系數(shù)。將一側(cè)電流作為基準(zhǔn)，將另一側(cè)電流乘以該側(cè)的平衡系數(shù)，使正常運(yùn)行或外部故障時(shí)經(jīng)過相位校正額幅值校正后的兩側(cè)電流幅值相等，滿足∑I=0。

根據(jù)變壓器的容量、接線組別、各側(cè)電壓及各側(cè)差動TA的變比，可以計(jì)算出差動兩側(cè)之間的平衡系數(shù)。

設(shè)變壓器的容量為Se，接線組別為YN，d11，兩側(cè)的電壓（指線電壓）分別為UY及U△，兩側(cè)差動CT的變比分別為ny及n△，以變壓器的d側(cè)為基準(zhǔn)側(cè)，計(jì)算變壓器Y側(cè)的平衡系數(shù)K。

①差動CT的接線為△/Y(變壓器Y側(cè)的差動CT為進(jìn)行移相)。

變壓器繞組Y接線和d接線兩側(cè)流入差動元件的二次電流IY及I△分別為：

IY＝■Se /■UYny＝Se /UYny

I△＝Se /■U△n△

如果以變壓器d側(cè)的電流I△為基準(zhǔn)，要使KIY＝I△，則變壓器Y側(cè)的平衡系數(shù)K：

K＝I△/IY＝UYny/■U△n△

②差動CT接線為Y/Y，由軟件在變壓器高壓側(cè)（Y側(cè)）移相。

變壓器兩側(cè)流入差動元件的二次電流分別為：

IY＝Se /■UYny I△＝Se /■U△n△

每相差動元件兩側(cè)的計(jì)算電流分別為：

高壓側(cè)：經(jīng)軟件移相，得到的是兩側(cè)電流之差I(lǐng)′Y=Se/UYny

低壓側(cè)：I′△＝Se /■U△n△

如果變壓器d側(cè)的電流I′△為基準(zhǔn)，要使KI′Y=I′△，則變壓器的平衡系數(shù)K為：

K＝I′Y/I′△＝UYny /■U△n△

由上所述，對于YN，d接線的變壓器，用改變變壓器Y側(cè)TA的接線方式移相或用軟件在高壓側(cè)移相差動元件兩側(cè)之間的平衡系數(shù)完全相同。該平衡系數(shù)只與變壓器兩側(cè)的電壓（或變比）及差動CT的變比有關(guān)，而與變壓器的容量無關(guān)。

③差動CT接線為Y/Y、由軟件在變壓器低壓側(cè)d側(cè)移相。計(jì)算變壓器d側(cè)的移相系數(shù)。

變壓器兩側(cè)流入差動元件的二次電流分別為：

IY＝■Se /■UYny＝Se /UYny

I△＝Se /■U△n△

每相差動元件兩側(cè)的計(jì)算電流分別為：

高壓側(cè)：IY’=IY=Se /■UYny

低壓側(cè)：經(jīng)軟件移相，得到I△’=Se /■U△n△

如果以變壓器Y側(cè)的電流IY’為基準(zhǔn)，要使KI△’= IY’，則變壓器d側(cè)的平衡系數(shù)K為：

K=IY’/I△’=U△n△/UYny

3.3 由變壓器帶負(fù)荷調(diào)整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流

帶負(fù)荷調(diào)整變壓器的分接頭，是電力系統(tǒng)中采用帶負(fù)荷調(diào)壓的變壓器來調(diào)整電壓的方法，實(shí)際上改變分接頭就是改變變壓器的變比nB。如果差動保護(hù)已按照某一變比調(diào)整好，則當(dāng)分接頭改換時(shí)，就會產(chǎn)生一個(gè)新的不平衡電流流入差動回路。對由此而產(chǎn)生的不平衡電流，應(yīng)在總差動保護(hù)的整定值中予以考慮。

3.4 勵(lì)磁涌流

3.4.1 什么是勵(lì)磁涌流

變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種靜止電器，用于高低電壓間的變換，是交流電輸配系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備。變壓器勵(lì)磁涌流是：變壓器全電壓充電時(shí)在其繞組中產(chǎn)生的暫態(tài)電流。變壓器投入前鐵芯中的剩余磁通與變壓器投入時(shí)工作電壓產(chǎn)生的磁通方向相同時(shí)，其總磁通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵芯的飽和磁通量，因此產(chǎn)生極大的涌流，其中最大峰值可達(dá)到變壓器額定電流的6-8倍，甚至更大。勵(lì)磁涌流隨變壓器投入時(shí)系統(tǒng)電壓的相角，變壓器鐵芯的剩余磁通和電源系統(tǒng)地阻抗等因素而變化，最大涌流出現(xiàn)在變壓器投入時(shí)電壓經(jīng)過零點(diǎn)瞬間。變壓器涌流中含有直流分量和高次諧波分量，隨時(shí)間衰減，其衰減時(shí)間取決于回路電阻和電抗，一般大容量變壓器約為5-10秒，小容量變壓器約為0.2秒左右。

3.4.2 勵(lì)磁涌流的計(jì)算

我們主要分析三相變壓器的勵(lì)磁涌流，但必須在熟悉單相變壓器涌流波形的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此我們還是簡單討論一下單相變壓器涌流的分析。為考慮空載合閘的最嚴(yán)重條件，同時(shí)有利于簡化分析工作，假設(shè)電源內(nèi)阻抗為零，而且不計(jì)合閘回路電阻(涌流波形不衰減)。設(shè)合閘方電源電壓為u=Umsin(ωt+α)當(dāng)二次側(cè)開路的空載變壓器突然合到電壓為u的無窮大系統(tǒng)上，忽略變壓器漏抗壓降，并令變壓器一次繞組匝數(shù)N=1。

當(dāng)二次側(cè)開路而一次側(cè)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，一次電路的方程為：

U1=Umcos(ωt+α)=I1R1+N1dφ/dt

U1：一次電壓

Um：一次電壓的峰值

α：合閘瞬間的電壓初相角

R1：變壓器一次繞組的電阻

N1：變壓器一次繞組的匝數(shù)

φ：變壓器一次側(cè)磁通

由于I1R1相對比較小，在分析瞬態(tài)過程初始階段可以忽略不計(jì)

所以Umcos(wt+α)=N1dφ/dt dφ=(Um/N1)cos(wt+α)dt

積分，得φ=(Um/N1)sin(wt+α)+c φ=φmsin(wt+α)+cφm為主磁通峰值，c為積分常數(shù)。

設(shè)鐵芯無剩磁當(dāng)t=0時(shí)，φ=0所以c=-φmsinα

所以空載合閘磁通為：φ=φmsin(wt+α)-φmsinα

由式可得空載合閘磁通的大小與電壓的初相角α有關(guān)，考慮最不利的情況：當(dāng)α=90時(shí)，電壓過零，φ=φmsin(wt+900)-φm=φmcoswt-φm，此時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流最大。

3.4.3 勵(lì)磁涌流特點(diǎn)

①涌流含有數(shù)值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，主要是偶次諧波，因此，勵(lì)磁涌流的變化曲線為尖頂波。

②勵(lì)磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān)，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，經(jīng)0.5～1s后其值不超過(0.25～0.5)In。

③一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時(shí)間越長，但總的趨勢是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。

④勵(lì)磁涌流的數(shù)值很大，最大可達(dá)額定電流的8～10倍。

3.4.4 躲避勵(lì)磁涌流的方法

為防止變壓器差動保護(hù)誤動，下面以RCS978為例說明勵(lì)磁涌流的鑒別方法。

①利用二次與三次諧波制動。RCS-978 系列變壓器成套保護(hù)裝置采用三相差動電流中二次諧波、三次諧波的含量來識別勵(lì)磁涌流。

當(dāng)某相差動電流中的二次諧波和三次諧波大于整定確定的基波的一定比例時(shí)，該相被判別為勵(lì)磁涌流，只閉鎖該相比率差動元件。

當(dāng)三相中的某一相倍判別為勵(lì)磁涌流，只閉鎖該相的比率差動元件。

②利用波形畸變識別勵(lì)磁涌流。故障時(shí)，差流基本上是工頻正弦波。而勵(lì)磁涌流時(shí)，有大量的諧波分量存在，波形發(fā)生畸變、間斷、不對稱。利用積分算法識別出這種畸變，即可識別出勵(lì)磁涌流。下式中S為差動電流的全周積分值，S+是“差動電流瞬時(shí)值+差動電流半周前的瞬時(shí)值”的全周積分值，Kb是一常數(shù)，St是門檻值，St的表達(dá)式為：

St=a*Id+0.1Ie

當(dāng)三相中的某一相不滿足以上方程，該相被判別為勵(lì)磁涌流，只閉鎖該相比率差動元件。

S=Kb*S+

S=St

裝置設(shè)有‘涌流閉鎖方式控制字’供用戶選擇差動保護(hù)涌流閉鎖原理。當(dāng)‘涌流閉鎖方式控制字’為‘0’時(shí)，裝置利用諧波原理識別涌流；當(dāng)‘涌流閉鎖方式控制字’為‘1’時(shí)，裝置利用波形判別原理識別涌流。

4 結(jié)語

綜上所述，為了保證差動保護(hù)動作的選擇性，差動繼電器的動作電流應(yīng)盡量避開最大不平衡電流。不平衡電流越小，保護(hù)裝置的靈敏度越高，從而保證變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器的差動保護(hù)應(yīng)建立在安全可靠的基礎(chǔ)之上。