變壓器繼電保護靈敏度探討

【摘要】差動保護是變壓器內部故障的主保護，保護必須對所發生的故障能夠靈敏地進行反應，這就涉及到差動保護的靈敏度問題。如何快速、正確地校驗差動保護的靈敏度對繼電保護定值整定工作非常重要。該文以本地區電網220kV變壓器為模型，以本地區應用廣泛并有代表性的四方CSC326D和南瑞RCS978E兩種型號的變壓器保護為例對差動靈敏度校驗的方法和步驟進行了論述，并總結出了簡便、實用的校驗方法。

【關鍵詞】變壓器；差動保護；靈敏度；校驗；電網

1.引言

繼電保護靈敏性是指繼電保護對設計規定要求動作的故障及異常狀態能夠可靠動作的能力，是電力系統對繼電保護的基本性能要求之一。差動保護作為變壓器的主保護之一，主要反應變壓器繞組和引出線多相短路及繞組匝間短路故障。目前變壓器差動保護多采用利用變壓器勵磁涌流特征的制動特性躲過涌流對差動保護的影響，這一措施大大提高了變壓器差動保護的靈敏性，也因此在整定計算過程中往往容易忽略了變壓器差動保護的靈敏度校驗。

2.變壓器差動保護靈敏度校驗的必要性

220kV變壓器10kV側故障時短路電流較高，一般在低壓側加裝限流電抗器，降低低壓側故障時短路電流水平，短路電流水平降低的同時，在相同定值的情況下，變壓器差動保護的靈敏度也降低。電抗器在變壓器差動保護的范圍之內，電抗器下端故障時，差動保護靈敏度應滿足要求，但受系統結構、運行方式等方面影響，低壓側差動范圍內故障，差動保護靈敏度是否能滿足要求必須通過計算。

同時變壓器作為電網中的重要組成部分，掌握其保護定值是否滿足靈敏度要求也是必不可少的，因此主變差動保護的靈敏度校驗是非常必要的。

3.校驗方法探討

3.1 校驗步驟分析

變壓器整定計算導則上關于制動特性的變壓器差動保護靈敏度計算的規定：縱差保護的靈敏系數應按最小運行方式下差動保護區內變壓器引出線上兩相金屬性短路計算。根據計算最小短路電流Ik.min和相應的制動電流Ires，在制動特性曲線上查得對應的動作電流I'op，靈敏系。根據變壓器保護整定計算導則和微機變壓器保護說明書中關于靈敏度計算的說明，靈敏度校驗可歸納為如下步驟：

（1）計算系統最小方式下差動保護范圍內變壓器引出線上兩相金屬性短路時流過變壓器各側的故障電流Ik.min。

（2）根據裝置電流校正方法計算校正后流入裝置的故障電流Id，為計算方便將該電流折算成主變額定電流的倍數。

（3）根據裝置算法計算差動電流Idzmin及制動電流Izd。

（4）根據動作方程及以上求得的制動電流Izd計算出相對應的動作電流Idz。

（5）計算靈敏度=Idzmin/Idz。

3.2 校驗中的關鍵問題分析

3.2.1 最小運行方式選擇

如何快速、正確地計算出差動保護的最小靈敏系數，系統最小方式的選擇是關鍵。所謂最小方式，就是故障時短路電流最小的方式。廊坊電網為單側電源系統且主變高壓側為電源側，變壓器分列運行的情況下，只有高壓側提供短路電流，其它側不會提供。而變壓器并列運行時，在低壓側差動范圍內故障時另一臺變壓器通過聯絡開關也會提供短路電流。在系統方式一定的情況下分列運行時流入差動保護的故障電流比并列運行時要小。10kV側短路電抗大，因此10kV側故障時的短路電流比110kV側故障時要小。總之，變壓器分列運行時差動保護靈敏度滿足要求，并列運行時一定能滿足；低壓側故障時靈敏度滿足要求，中壓側故障時也一定滿足。因此最小方式選變壓器分列運行時，低壓側兩相故障。

3.2.2 校驗靈敏度用的電流表示形式

微機變壓器差動保護中的動作方程均以變壓器額定電流的形式表示，因此，校驗靈敏度用的故障電流要用變壓器額定電流的倍數表示，這樣不需折算到同一電壓等級，不需靠考慮平衡系數的影響，但必須考慮差動保護裝置相位校正對電流的影響。相位校正的影響與具體的保護裝置有關，目前只有兩種類型，Y/△接線的變壓器，一種是Y側倒相位，一種是△側倒相位。下面分析的CSC326D型微機變壓器保護和RCS978E型微機變壓器保護是兩種類型的代表。

3.3 校驗實例分析

下面就以某220kV變電站的變壓器為例對變壓器差動保護靈敏度校驗方法進行論述。該站基本情況如下：主變接線組別為YNyn0d11；配置CSC326D型微機變壓器保護和RCS978E型微機變壓器保護。

3.3.1 CSC326D型保護靈敏度校驗

CSC326D型變壓器差動保護計算以高壓側為基準，中、低壓側各相電流應乘以相應的平衡系數，得到幅值補償后的電流。變壓器各側TA接線采用星型接線，二次電流直接接入裝置，TA二次電流相位由軟件自動在Y側進行校正，對于Y/△-11接線，其校正方法如公式（1-1）、（1-2）、（1-3）所示：

式中，，為Y側校正后的各相電流，，，為Y側TA二次電流，差動電流與制動電流計算都是在相位校正和平衡補償后的基礎上進行的。校驗時按一次電流進行計算，故計算過程中不考慮變壓器各側電流幅值補償，只考慮相位補償。

動作電流Idz（各相差動電流）和制動電流Izd的計算方法如式（2-1）（2-2）所示：

式中：為所有側中最大的相電流，為其它側（除最大相電流側）相電流之和。

比率差動保護動作判據如式（3-1）所示：

（3-1）

其中：Icd為差動保護啟動電流定值，Idz為動作電流，Izd為制動電流，Kb1為第一段折線的斜率（固定取0.2），KID為第二段折線斜率其值等于比率制動系數定值，Kb3為第三段折線斜率（固定取0.7）。保護裝置程序中按相判別，任一相滿足上述條件，比率差動動作。

靈敏度校驗過程如下：

（1-1）

（1-2）

（1-3）

（1）系統小方式下10kV側差動范圍內VW相間故障，只有高壓側提供短路電流。

高壓側三相故障電流：。

（2）根據式（1-1）、（1-2）、（1-3）計算裝置相位校正后故障電流為：

=0，=，=。

（3）根據公式（2-1）計算三相差流：

IdzminU=0，IdznimV=，IdzminW =。

裝置按相計算，以W相為例。由公式（2-2）計算W相制動電流：IzdW=0.5×=。

其中IdzminU、IdzminV、IdzminW分別為故障時各相的最小差動電流Idzmin。

（4）根據公式（3-1）及第（3）步計算出的制動電流，計算相對應動作電流IdzW。

（2-1）

（2-2）

（5）計算靈敏度Klm=。

3.3.2 RCS978E型保護靈敏度校驗

RCS978E型變壓器保護，變壓器各側電流互感器采用星形接線，二次電流直接接入裝置。變壓器各側TA二次電流相位由軟件調整，裝置采用Δ->Y 變化調整差流平衡，這樣可明確區分涌流和故障的特征，加快保護的動作速度。對于Y0/Δ-11 的接線，其校正方法為：

Y0側：

△側：

式中：U、V、W為Y側TA二次電流 U’、 V’、W’為Y側校正后各相電流，u、v 、w為Δ側TA 二次電流，u’、 v’、 w’為Δ側校正后的各相電流。Y側電流調整是各相電流分別減去零序電流0，低壓側兩相故障時，0 =0。

RCS978E型保護穩態比率差動動作方程如式（4-1）所示：

（4-1）

其中Ie為變壓器額定電流，I 1.......m分別為變壓器各側電流，Icdqd 為穩態比率差動起動定值，取0.5Ie，Id 為差動電流，Ir 為制動電流，Kbl 為比率制動系數整定值，推薦整定為0.5。穩態比率差動保護按相判別。

計算步驟與CSC326D保護相同，計算時只考慮相位補償，用一次電流進行計算。具體過程不再重復，需要注意的是RCS978E電流相位校正方法與CSC326D保護不同，變壓器Y側不校正，計算出的故障電流就是流入裝置的電流。根據公式（4-1）計算相應電流值。

3.4 差動保護靈敏度校驗方法的簡化

從故障分析可知，對于Y-D-11接線的變壓器，D側發生相間故障時高壓側總有一相電流值等于相應位置發生三相短路時的短路電流Ik（3），其它兩相為三相短路電流的一半。以低壓側VW相間短路為例，高壓側電流IU=IV=0.5IW， IW=Ik（3），裝置Y側采用Y-△變換時，根據公式（1-1）、（1-2）、（1-3）得到校正后的電流最大值為W相短路電流的0.866倍，即相同位置三相短路電流的0.866倍，由于三相短路計算比較簡單，因此校驗時可直接按低壓側三相短路計算，折算到高壓側再乘以0.866即可得到校正后的電流值，不用再根據裝置轉換方法進行計算。

采用Δ->Y 相位調整的裝置，變壓器Y側電流直接流入裝置，低壓側發生相間故障時高壓側最大故障電流等于相應位置三相故障時的故障電流，其靈敏度比Y-△轉換的保護高，所以采用Y-△變換的保護靈敏度滿足的情況下，另一套采用Δ->Y變換的保護靈敏度可不再進行計算。

因此可進一步簡化校驗過程：

（1）計算系統小方式下變壓器分列運行時低壓側三相相間故障時流過變壓器的高壓側的故障電流Id（3），Y-△變換的保護裝置，用Id（3）乘以0.866即為流入裝置的最小短路電流Idzmin，Y-△變換的保護裝置，Id（3）即為流入裝置的最小短路電流Idzmin，并將該電流Idzmin折算成主變額定電流的倍數。

（2）根據裝置要求計算制動電流Izd。

（3）根據動作方程及制動電流Izd計算出相應的動作電流Idz。

（4）計算靈敏度=Idzmin/Idz。

4.結束語

隨著電網的飛速發展，電網結構越來越復雜，這直接影響到變壓器差動保護動作的靈敏性及可靠性，通過文中簡便、實用的校驗方法可以使調度部門更清楚的掌握變壓器主保護切除故障的能力，為電網的安全穩定運行提供保障。