變壓器零序差動保護的原理與調試

袁海華

中國鐵道科學研究院

摘要：在電力系統(tǒng)中，變壓器占據(jù)重要地位，是電力系統(tǒng)的核心因素。在變壓器其使用過程中，其內部故障保護至關重要，保護方式包括后備保護、縱聯(lián)差動保護、零序差動保護等。其中，由于零序差動保護具有靈敏度高、保護安全等優(yōu)點，因此，在近幾年變壓器保護中廣泛應用。本文主要對變壓器零序差動保護原理進行闡述，分析零序差動保護的具體應用，研究變壓器零序差動保護的調試方法，為零序差動保護使用提供參考。

關鍵詞：零序差動保護；變壓器；原理；調試

隨著我國工業(yè)生產、經濟的快速發(fā)展，人們對用電需求更大，電力系統(tǒng)承載更大壓力。在高壓電力系統(tǒng)中，自耦變電器具有用材省、體積小、效率高點等優(yōu)點，應用廣泛。同時，電力系統(tǒng)得以運行的前提保障是安全性，電力企業(yè)、部門極為重視變壓器電力設備的安全性，通過保護裝置保護變壓器內部故障安全。在對自耦變壓器配置保護時，其與普通變壓器具有相同的后備保護、匝間保護、瓦斯保護，但自耦變壓器的功率傳遞方式與普通變壓器存在差異，主要通過直接傳導、電磁感應傳遞，易發(fā)生接地故障，需配置專門反應接地故障保護的零序差動保護[1]。

一、變壓器零序差動保護原理

在變壓器運行過程中，變壓器中壓側、公共側繞組、高壓側接地故障的主保護是變壓器零序差動，其對中壓側、公共側繞組、高壓側三側之間的相互關系、電流大小進行比較，從而構成差動保護。其中，差動保護即當兩端輸入的CT電流矢量差與設定的動作值一致時，動作元件將被啟動，保護兩端CT間的設備[2]。而變壓器零序差動保護的組成部分為零序電流互感器及互感器，其工作不受變壓器電流相移、勵磁電流、涌流電流等因素的影響，對接地故障反映靈敏。零序差動保護原理如圖1所示。

圖1 零序差動保護原理圖

根據(jù)圖1可知，在系統(tǒng)正常運行過程中，中性點零序電流為零，即3I0'=0，且自產零序電流3I0''=0。而區(qū)內接地故障在系統(tǒng)中發(fā)生時，自產零序電流3I0''、中性點零序電流3I0'保持相同大小及相位，這樣，零序差動便具有較高靈敏度，動作可靠。同時，在區(qū)外接地故障在系統(tǒng)中發(fā)生時，自產零序電流3I0''、中性點零序電流3I0'保持相反的相位、相同大小，從而差動可靠。同時，當中性點零序電流3I0'超過變壓器裝置內整定動作定值時，裝置內的元件動作被啟動，零序差動保護開放。

二、零序差動保護在變壓器中的具體使用

（一）、合理區(qū)分外部故障

在變壓器運行過程中，當外部故接地故障發(fā)生時，中性點電流隨著增加，且隨著故障的延伸、發(fā)展，電流互感器發(fā)生飽和，差電流增加。這樣，當中性點電流劇增過程中，如果具有較小的差電流，則可判斷外部接地障礙，而如果中性點電流與差電流同時出現(xiàn)，便無需判斷區(qū)外故障[3]。同時，當變壓器發(fā)生區(qū)外、區(qū)內故障時，電路中呈現(xiàn)不同的電流分布。例如，在自耦變壓器運行中，由于其高中壓側有電的聯(lián)系，且兩者均需要直接接地，具有公共的接地中性點。這樣，自耦變壓器系統(tǒng)發(fā)送單相接地故障時，零序電流便通過一個網絡，經接地中性點向另一個網絡流動，在因系統(tǒng)短路點、運行方式影響電流在中接地中性點發(fā)生較大變化。因此，通過電流測定區(qū)分外部故障。

（二）、注意零序差動不平衡電流

比較于相同差動，在系統(tǒng)外部短路、正常運行情況下，在理論上，零序差動保護沒有不平衡電流。但是，在實際應用中，一定量的不平衡電流存在，其主要包括空載合閘的勵磁涌流、電流互感器的勵磁電流、三相短路時各側零序不平衡電流。就空載合閘的勵磁涌流而言，理論上，其是零差保護的穿越性電流，不產生不平衡電流。但是，各互感器存在差異性，當空載合閘時，產生不平衡的零差保護，且由于不平衡電流量的值較小，因此，應根據(jù)變壓器的具體運行資料確定零差保護的動作電流，不能用理論計算。同時，當三相短路在自耦變壓器外部發(fā)生時，各側零序不平衡電流以相量和形式出現(xiàn)。而為了躲避此不平衡電流，額定電流值將小于零序差動整體值，使零序差動保護對接地故障的可靠性、靈敏度降低。因此，在變壓器零序差動保護具體應用中，應使用帶比率制動特性的變壓器保護。在具體應用中，設定零序差動保護計算在IN≥0.5Idmin時啟動，依據(jù)比率制動原理，根據(jù)計算方程：當Id>Idmin，Ir<1.25；當Id>Idmin+0.7（Ir-1.25），Ir∈[1.25，2.25]；當Id>Idmin+Ir-1.55，Ir∈[2.25，∞][4]，制動特性曲線如圖2所示。

圖2 零序差動比率制動特性曲線

（三）、采取措施避免保護誤動

在線路合環(huán)瞬間，不平衡電流會在線路上產生，產生零序差動保護誤動，影響變壓器的正常運行。因此，在變壓器零序差動保護應用過程中，應采取一些措施改進零序差動保護。例如，通過增加零序差動保護動作時間，避免合閘時的保護誤動。同時，還可增加零序電壓啟動，在變壓器單相接地時，增加零序電壓，使零序電壓二次高達100V[5]。這樣，在系統(tǒng)運行過程中，電壓互感器開口三角電壓值幾乎接近于零，因此，啟動零序電壓，可防止零序差動保護誤動，防止非接地故障。此外，還可采用五次諧波原理，在電力系統(tǒng)運行過程中，高次諧波分量存在于電源感應電動勢中，且受電壓互感器、變壓器等設備鐵芯非線性影響，一些高次諧波分量存在于電網中。此時，采用中性點經消弧線圈消接地，利用消弧線圈對諧波的強大感抗性，減弱高次諧波分量，準確判斷接地系統(tǒng)故障。

三、變壓器零序變壓器保護調試

（一）、合理按照步驟進行零序差動保護調試

在進行零序差動保護調試過程中，需要先校驗電流通道采樣精度、差速電流定值及差動電流定值，然后根據(jù)校驗結果進行保護調試。其中，在先校驗電流通道采樣精度過程中，分別從保護裝置各側將三相對稱電流通入電流端子處，對裝置的零序電流、三相電流進行校驗。同時，將單相電流通入各側電流端子處，對零序電流的精準度進行察看。而在校驗差速電流、差動電流定值過程中，將單相電流通入保護裝置高壓側電流端子處，此時，如果當電流大小為1.5倍及0.95倍的零差保護電流定值時，校驗0.95倍的定值可靠不動作，1.5倍定值可靠動作。校驗零序差動保護后，根據(jù)結果進行故障保護。

（二）選取變壓器制動電流

對于自耦變壓器而言，制動電流按照I=max{（IAH-IBH），（IBH-ICM），（ICH-IAH）}公式進行選取，其中，高壓側三相電流用IAH、IBH、ICH表示[6]。根據(jù)電流保護可靠制動。例如，對于區(qū)外相間故障，當發(fā)生如圖3所示的AB相間故障時，I= max{（IAH-IBH），（IAM-IBM）}，其IAM、IBM表示中壓側三相電流。在故障發(fā)生時，I值較大，相同故障引起的零序不平衡電流便為差動電流，在制動電流遠大于差動電流時，保護可靠制動。

圖3 AB相間故障

（三）、準確判斷中性點CT

在變壓器零序差動保護過程中，保護動作的正確性是確保系統(tǒng)安全、可靠運行的關鍵因素，而正確的中性點零序CT極性是保障保護動作正確的核心因素，因此，在變壓器零序差動保護調試中，應對中心點CT進行極性判別，準確連接CT極性，避免發(fā)生因CT極性接反而出現(xiàn)的保護誤動情況。在具體操作中，如果在變壓器空載合閘時無內部故障，對于零序差動保護而言，勵磁涌流是穿越性電流，此時，如果是正確的零序CT極性，相位相反、大小相等的中性點、自產零序勵磁涌流在合閘側產生，變壓器空載合閘縱差保護不動作。同時，根據(jù)中性點、自產零序勵磁涌流相位差對零序CT極性進行校驗，如果兩者具有相同相位，則將向現(xiàn)場投運人員發(fā)送告警信息提示，核實零序CT極[7]。

四、結束語

零序差動保護以其靈敏度高、可靠性強等優(yōu)勢廣泛應用于變壓器接地故障中，靈敏反應變壓器存在的接地故障，為變壓器運行提供保護。在實際應用中，電力工作人員應根據(jù)變壓器型號、輸電要求選擇配置合適的零序差動保護，科學調試設備，為故障判斷提供依據(jù)，提高保護可靠性，確保電網正常運行。

參考文獻：

[1]周建，周衛(wèi)巍，王鋒等.1000 MW發(fā)電機變壓器組保護配置探討[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（11）：126-129，146.

[2]羅云照，陳朝暉.變壓器零序差動保護制動電流算法探討[J].南方電網技術，2011，05（5）：77-80.

[3]柳維衡，鄭濤.基于不同故障情況的特高壓變壓器差動保護仿真研究[J].現(xiàn)代電力，2010，27（1）：12-16.

[4]馬玉玲.變壓器零序差動保護原理及調試[J].電網與清潔能源，2009，25（9）：23-25.

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[7]袁宇波，李鵬，黃浩聲等.變壓器差動保護誤動原因分析及對策綜述[J].江蘇電機工程，2013，32（6）：8-11，14.