500 kV變壓器繼電保護(hù)若干問題研究

韋舉仁

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司百色局，廣西百色533000）

0 引言

500 kV變壓器的主保護(hù)為差動(dòng)保護(hù)，對(duì)變壓器內(nèi)部發(fā)生的任何故障，差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作邏輯和閉鎖邏輯沒有任何區(qū)別。當(dāng)變壓器的內(nèi)部發(fā)生輕微故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)的靈敏度較低。因此，為解決差動(dòng)保護(hù)靈敏性的問題，通常為變壓器配置不同原理的差動(dòng)保護(hù)。本文分析了不同的差動(dòng)保護(hù)相位補(bǔ)償原理對(duì)靈敏度的影響，提出了幾種變壓器差動(dòng)保護(hù)配置方案，以兼顧繼電保護(hù)的“四性”。

1 變壓器差動(dòng)保護(hù)的靈敏性問題

差動(dòng)保護(hù)的靈敏度是變壓器安全運(yùn)行的重要前提，而不同的差動(dòng)保護(hù)相位補(bǔ)償對(duì)靈敏度的影響有所不同。

1.1 變壓器差動(dòng)保護(hù)相位補(bǔ)償方式

以最常見的Y，d11變壓器為例，對(duì)于差動(dòng)保護(hù)接線，變壓器高壓側(cè)電流與低壓側(cè)電流之間的相位相差30°。通過軟件計(jì)算對(duì)電流進(jìn)行相位補(bǔ)償，可消除相位差所造成的不平衡電流。根據(jù)相量圖，若要滿足同相位要求，需將變壓器高壓側(cè)的電流按照逆時(shí)針的方向旋轉(zhuǎn)30°，或者是將變壓器低壓側(cè)的電流按照順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)30°，即可使變壓器兩側(cè)電流處于同相位。即對(duì)應(yīng)兩種相位補(bǔ)償方式：星形側(cè)向三角形側(cè)補(bǔ)償方式（即Y→△）和三角形側(cè)向星形側(cè)補(bǔ)償方式（即△→Y）。根據(jù)差動(dòng)保護(hù)相位補(bǔ)償?shù)牟煌绞剑Ｗo(hù)的靈敏度會(huì)在變壓器發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)有所不同。對(duì)于微機(jī)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)配置CT的接線方式一般為星形接線。而對(duì)于星形接線，通過軟件計(jì)算可對(duì)電流的相位和幅值進(jìn)行補(bǔ)償。

1.2 Y→△相位補(bǔ)償方式

采用全星形接線時(shí)，設(shè)星形側(cè)電流互感器各相電流采樣的值為I˙A、I˙B、I˙C，軟件按下式算出轉(zhuǎn)換后用于差動(dòng)計(jì)算的三相電流I˙A′、I˙B′、I˙C′。

上式對(duì)應(yīng)的向量圖如圖1所示。

1.3 △→Y相位補(bǔ)償方式

對(duì)于變壓器低壓側(cè)，軟件采用的相位補(bǔ)償計(jì)算方式如下式所示：

上式對(duì)應(yīng)的向量圖如圖2所示。

圖1 Y→△相位補(bǔ)償向量圖

圖2 △→Y相位補(bǔ)償向量圖

由圖2可知，經(jīng)微機(jī)算法進(jìn)行補(bǔ)償后，變壓器高、低壓兩側(cè)的電流相位和幅值得到了校正并處于同一相位。但該補(bǔ)償計(jì)算方法沒有將Y側(cè)零序電流的變化考慮進(jìn)來，只適用于變壓器各相電流完全對(duì)稱的情況。若變壓器Y側(cè)發(fā)生單相接地故障，電流回路中將出現(xiàn)由于零序電流導(dǎo)致的不平衡電流，可能引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。因此，需要采取措施將零序電流的影響考慮進(jìn)來。

在差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍內(nèi)，當(dāng)變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，變壓器高壓側(cè)的零序電流與變壓器中性點(diǎn)零序電流的方向相同；而在差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍外發(fā)生單相接地故障時(shí)，變壓器高壓側(cè)零序電流與變壓器中性點(diǎn)零序電流的方向相反。因此，可以在變壓器高壓側(cè)通過如下算法計(jì)入變壓器中性點(diǎn)的零序電流I˙0，對(duì)二次電流進(jìn)行匹配：

對(duì)于上述算法中將變壓器中性點(diǎn)的零序電流引入計(jì)算之中的分析如下：

在差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍外，當(dāng)變壓器發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，變壓器高壓側(cè)A相的短路電流=，其中為正序短路電流，為負(fù)序短路電流，為零序短路電流。而變壓器中性點(diǎn)的電流為，該電流的方向與流過A相的零序電流相差180°。在式（3）中，通過算法減去零序電流之后，補(bǔ)償后的電流則為。如此，補(bǔ)償后的高壓側(cè)電流不受零序電流的影響，而變壓器的低壓側(cè)本身沒有零序電流。因此在變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍外發(fā)生單相接地故障時(shí)，差動(dòng)電流計(jì)算中就沒有不平衡電流，不會(huì)發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)。

在差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍內(nèi)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，此時(shí)在式（3）中加上了零序電流，流過A相繼電器的電流為′=+?？梢?，在差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，流過差動(dòng)繼電器的電流量增加了零序電流I˙0，靈敏度更高。

2 不同補(bǔ)償方式的對(duì)比

在變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，對(duì)于不同的相位補(bǔ)償方式，差動(dòng)保護(hù)的靈敏度會(huì)受到不同的影響。對(duì)于采用Y→△相位校正方式的差動(dòng)保護(hù)，當(dāng)變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，用于差動(dòng)計(jì)算的三相電流′并沒有考慮零序電流分量，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作量變小，差動(dòng)保護(hù)靈敏度會(huì)降低。而對(duì)于采用△→Y相位校正方式的差動(dòng)保護(hù)，當(dāng)變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于考慮了零序電流I˙0，使得差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作量變大，差動(dòng)保護(hù)的靈敏度得到提高。

對(duì)于500 kV變壓器，當(dāng)其高壓側(cè)發(fā)生相間短路故障時(shí)，低壓側(cè)不會(huì)流過或者只會(huì)流過很小的故障電流。因此變壓器差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)電流的大小主要受高壓側(cè)影響。以變壓器高壓側(cè)AB相間短路故障為例，變壓器Y側(cè)A相電流經(jīng)相位補(bǔ)償后有下式：

由上式可知，經(jīng)過Y→△相位補(bǔ)償后，Y形側(cè)電流I˙A′為高壓側(cè)電流I˙A、I˙B的向量差。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)相間短路故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作量提高了15%，即提高了差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。而對(duì)于△→Y相位補(bǔ)償方式，高壓側(cè)電流沒有經(jīng)過向量差，靈敏度沒有得到提高。

可見，當(dāng)差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生單相接地故障時(shí)，采用△→Y相位校正方式的差動(dòng)保護(hù)具有更高的靈敏度；而發(fā)生相間短路故障時(shí)，采用Y→△相位校正方式的差動(dòng)保護(hù)具有更高的靈敏度。

3 提高差動(dòng)保護(hù)靈敏度的方法

通過改進(jìn)算法提高差動(dòng)保護(hù)靈敏度。如上文所述，對(duì)于△→Y相位補(bǔ)償方式的差動(dòng)保護(hù)，在高壓側(cè)電流中計(jì)入變壓器中性點(diǎn)零序電流后，對(duì)于區(qū)域外單相接地故障，制動(dòng)電流會(huì)變大；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)，又能夠提高保護(hù)的靈敏度。

針對(duì)500 kV變壓器，采用Y→△相位補(bǔ)償方式的差動(dòng)保護(hù)需配置零序差動(dòng)保護(hù)。當(dāng)前微機(jī)保護(hù)裝置一般都具備零序差動(dòng)保護(hù)的功能，針對(duì)實(shí)際情況可通過定值整定自行決定是否投入零序差動(dòng)保護(hù)。一般情況下，考慮到正常的負(fù)荷電流中很少有零序分量，零序差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的正確率相對(duì)較低。所以，對(duì)于220 kV及以下電壓等級(jí)的變壓器保護(hù)，零序差動(dòng)保護(hù)很少投入。但500 kV變壓器一般為單相式自耦變壓器，變壓器發(fā)生內(nèi)部短路故障大多都是單相接地故障，所以應(yīng)當(dāng)配置零序差動(dòng)保護(hù)。另外，對(duì)于500 kV的自耦變壓器，在中性點(diǎn)處都配置了電流互感器，各相電流的相位也容易測量。

最后，差動(dòng)保護(hù)的靈敏性還受到差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)電流的影響。對(duì)于比率差動(dòng)保護(hù)，其制動(dòng)電流一般使用相電流進(jìn)行計(jì)算。但是當(dāng)變壓器處于重載的狀態(tài)下，若其內(nèi)部發(fā)生輕微的匝間故障，差動(dòng)保護(hù)靈敏度不夠，可能不會(huì)動(dòng)作。針對(duì)變壓器內(nèi)部的輕微匝間故障，為提高差動(dòng)保護(hù)的靈敏度，需配置變化量差動(dòng)保護(hù)。變化量差動(dòng)的制動(dòng)電流計(jì)算原理與比率差動(dòng)保護(hù)的計(jì)算方法有所區(qū)別，變化量差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流更小，保護(hù)靈敏度更高。因此，增配變化量差動(dòng)保護(hù)，以提高差動(dòng)保護(hù)對(duì)輕微匝間故障的靈敏度。

4 總結(jié)及建議

在兼顧主保護(hù)靈敏性、速動(dòng)性、可靠性等多方面因素的前提下，對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)配置給出如下建議：對(duì)于采用Y→△相位補(bǔ)償?shù)谋嚷什顒?dòng)保護(hù)，需配置零序差動(dòng)保護(hù)和變化量差動(dòng)保護(hù)。Y→△相位補(bǔ)償方式對(duì)相間短路故障靈敏度較高，同時(shí)通過增加零序差動(dòng)保護(hù)提高了對(duì)單相接地短路故障的靈敏度；增加變化量差動(dòng)保護(hù)可以提高對(duì)變壓器內(nèi)部輕微匝間短路故障的靈敏性。而對(duì)于△→Y相位補(bǔ)償?shù)牟顒?dòng)保護(hù)，需配合變化量差動(dòng)保護(hù)。該方案在高壓側(cè)進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)挠?jì)算過程中，將變壓器中性點(diǎn)的零序電流分量引入計(jì)算之中，具有對(duì)單相接地短路故障靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，也通過配置變化量差動(dòng)保護(hù)，以提高反應(yīng)變壓器內(nèi)部輕微匝間短路的靈敏性。