淺談變壓器比率差動保護(hù)原理及校驗(yàn)

廣西卓潔電力工程檢修有限公司 盧培成

1 差動保護(hù)、比率差動

1.1 差動保護(hù)

電力變壓器在電力系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色，變壓器故障也將對供電可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重的影響，造成極為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此，根據(jù)變壓器的容量及重要等級，選擇配置靈敏性、可靠性、快速性良好的繼電保護(hù)裝置是十分必要的。差動保護(hù)的裝設(shè)是按循環(huán)電流原理進(jìn)行的,在電力變壓器的兩側(cè)裝設(shè)電流互感器，按循環(huán)電流法進(jìn)行二次側(cè)接線，假設(shè)高低壓側(cè)的電流互感器同極性端均朝向母線側(cè)，則將同極性端子相連后串聯(lián)接入電流繼電器（圖1）。

圖1 職業(yè)發(fā)展“雙通道”示意圖

圖1 傳統(tǒng)差動保護(hù)原理圖

變壓器兩側(cè)電流互感器二次電流之差即為差動電流繼電器中流過的差動電流。理想情況下，正常運(yùn)行及外部故障變壓器中流過差動回路的電流為零；而當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，流過差動回路的電流I2（無電源側(cè)二次電流）將改變方向或降至零，流過繼電器的故障電流IK=I1+I2，Ik大于定值時繼電器可靠動作[1]。

1.2 比率差動

在正常運(yùn)行和外部短路發(fā)生時，由于變壓器兩側(cè)電流互感器的特性不可能做到完全一致，差動回路中仍有不平衡電流Iumb流過[2]，主要有以下原因：在實(shí)際運(yùn)行過程中，變壓器兩側(cè)電流互感器由于特性曲線、誤差及勵磁電流不同，差動回路中總會有不平衡電流通過，且該電流可能超過差動啟動定值；外部故障發(fā)生時，變壓器一次電流中存在大量衰減周期遠(yuǎn)長于周期分量的非周期分量，這些非周期分量很難感應(yīng)至二次側(cè)，但卻主要成為電流互感器的勵磁電流，導(dǎo)致互感器鐵芯飽和、誤差增大，又稱為暫態(tài)穿越性電流。

當(dāng)變壓器中流過外部故障大電流時，差動保護(hù)極易發(fā)生誤動。因此保護(hù)裝置引入了比率差動保護(hù)來解決這一問題。比率差動保護(hù)動作方程如式1，其中Id為任意一相差動電流；Icdqd為差動啟動電流定值；Ir為對應(yīng)相制動電流；K 為比率差動制動系數(shù)。當(dāng)故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)內(nèi)時，差動電流Id遠(yuǎn)大于制動電流Ir，可理解為Ir就是故障電流，當(dāng)故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)外時Ir遠(yuǎn)大于不平衡電流，保護(hù)裝置不動作，保證了保護(hù)可靠性和靈敏性。

2 相關(guān)校驗(yàn)

2.1 差流平衡校驗(yàn)

通過測試儀模擬與運(yùn)行狀態(tài)一致的負(fù)荷電流，檢驗(yàn)主變差動保護(hù)電流回路接線和整定值的正確性，需對保護(hù)裝置進(jìn)行差流平衡校驗(yàn)，本文采用PCS-9671N 南瑞微機(jī)保護(hù)裝置為試驗(yàn)案例（圖2）。

圖2 保護(hù)試驗(yàn)接線圖

以6路電流繼電保護(hù)測試儀為例，根據(jù)變壓器接線方式，用測試儀模擬正常負(fù)荷電流，對一側(cè)與二側(cè)進(jìn)行三相差流平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)時相位設(shè)置以一側(cè)（高壓側(cè)）A 相為基準(zhǔn)（0°，B 相為240°、C 相為120°），各側(cè)三相電流以正極性接入。在一側(cè)加入大小為本側(cè)二次等值額定電流的三相電流Ie1，在二側(cè)加入大小為本側(cè)二次等值額定電流的三相電流Ie2,相位關(guān)系根據(jù)該側(cè)接線方式鐘點(diǎn)數(shù)確定。本例中二側(cè)接線方式鐘點(diǎn)數(shù)為11，故二側(cè)加入的三相電流相位分別設(shè)置為210°、90°、330°（一側(cè)電流超前二側(cè)的對應(yīng)相電流150°），相位圖如圖3。

圖3 差動保護(hù)電流相位圖圖

加入兩側(cè)平衡電流后，差動電流應(yīng)為0（允許不大于0.05Ie的誤差），制動電流為1.0Ie，此時裝置差動整定正常，各側(cè)電流平衡，差動未啟動。

2.2 比率差動校驗(yàn)

變壓器比率差動保護(hù)分別存在低值動作區(qū)、高值動作區(qū)、制動區(qū)和速動區(qū)，動作特性曲線如圖4所示。低值動作區(qū)是經(jīng)過涌流判別、CT 飽和判別、CT 斷線判別后出口的[3]。在保證保護(hù)靈敏度的同時，由于CT 飽和判據(jù)的引入，區(qū)外故障時CT 飽和引起的誤動不會發(fā)生，動作區(qū)域?yàn)閳D中淺色陰影區(qū)[4]。而高值動作區(qū)只需經(jīng)過涌流判別、CT 斷線判別即可出口動作。利用保護(hù)裝置的制動特性，可有效解決電流互感器鐵芯飽和的問題，故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)外時可靠制動，發(fā)生在保護(hù)區(qū)內(nèi)時可靠動作，動作區(qū)域?yàn)閳D中次深色陰影區(qū)[4]。差動速斷保護(hù)則不需經(jīng)過任何閉鎖判據(jù)就可直接出口動作，其動作區(qū)域?yàn)閳D中最上方的深色陰影區(qū)。

圖4 差動保護(hù)動作特性

比率差動特性校驗(yàn)示意圖如圖5所示，投入差動保護(hù)控制字、軟壓板及硬壓板。試驗(yàn)在兩側(cè)進(jìn)行，設(shè)兩側(cè)電流為I1、I2，標(biāo)么值為I′1、I′2且I′1>I′2。校驗(yàn)時先加入平衡電流，然后逐漸減小I2到達(dá)測試點(diǎn)。任取若干測試點(diǎn)，如校驗(yàn)制動電流分別為1.0Ie、2.0Ie、3.0Ie、4.0Ie四個點(diǎn)的保護(hù)特性。以第一個測試點(diǎn)為例，取第一點(diǎn)制動電流1.0Ie，則根據(jù)動作特性曲線可計(jì)算出與此制動電流相對應(yīng)的差動電流為0.55Ie，各側(cè)加入電流計(jì)算公式為式3，由其可得測試點(diǎn)電流為式；固定I′1，由差流公式Id=I′1-I′2=0，則平衡點(diǎn)電流為式5：

圖5 比率制動特性校驗(yàn)示意圖

由此可計(jì)算出測試點(diǎn)和平衡點(diǎn)的電流有名值。校驗(yàn)時先加入平衡電流，然后保持高壓側(cè)電流I1不變，逐漸減小低壓側(cè)電流I2，直至保護(hù)裝置動作出口。記下此時測試儀第二側(cè)加入電流的大小，與理論計(jì)算值比較即可得到動作值的誤差（誤差<±2.5%或0.02Ie）。同理可依次計(jì)算出其它各測試點(diǎn)和平衡點(diǎn)的電流（表1）。使用相同的方法可依次校驗(yàn)其它測試點(diǎn)。校驗(yàn)前計(jì)算各平衡點(diǎn)的兩側(cè)電流有名值、各測試點(diǎn)的兩側(cè)電流有名值。

表1 比率差動校驗(yàn)測試點(diǎn)

2.3 差流速斷校驗(yàn)

當(dāng)故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)內(nèi)且為大電流故障時，由于電流互感器鐵芯發(fā)生了飽和現(xiàn)象，保護(hù)將延遲出口動作，為防止該事故的發(fā)生，裝置配備差動速斷保護(hù)用于快速切除變壓器內(nèi)部故障，當(dāng)任一相差動電流大于速斷定值時，無閉鎖條件，裝置直接瞬間出口動作，切除故障[5]。投入速斷保護(hù)控制字、軟壓板及穎壓板。在某Y 接線側(cè)（例如高壓側(cè)）加入單相大小為×0.95×Isdzd×Ie1的電流（Isdzd為定值），差動速斷應(yīng)可靠不動作，加入單相大小為×1.05×Isdzd×Ie1的電流，差動速斷應(yīng)可靠動作，取1.5倍動作電流測動作時間（動作時間小于25ms）。

2.4 二次諧波閉鎖校驗(yàn)

勵磁涌流中存在大量二次諧波及三次諧波，保護(hù)裝置識別其含量來判別勵磁涌流，當(dāng)三相差流中任一相判別為勵磁涌流，則三相比率差動元件均被閉鎖，防止裝置誤動。在某側(cè)加入單相（如高壓側(cè)A 相）差動動作電流（如3Ie1）的基波分量，使保護(hù)可靠動作。再在該相電流中疊加二次諧波電流分量，二次諧波含量大于整定值，比率差動保護(hù)應(yīng)不動；逐漸減小到使比率差動保護(hù)動作，此時二次諧波已降到不能閉鎖比率差動保護(hù)，即為二次諧波制動值。與定值比較可得其誤差（誤差<±5%或0.01）。

3 結(jié)語

本文通過對比分析，得出比率制動特性的差動保護(hù)較傳統(tǒng)差動具有更高的靈敏性和更高的可靠性，以繼電保護(hù)測試儀對保護(hù)裝置加入負(fù)荷及故障電流，完整的闡述了差動保護(hù)原理及校驗(yàn)過程，為差動保護(hù)原理分析和保護(hù)校驗(yàn)提供理論依據(jù)。