變壓器比率制動差動保護制動系數校驗方法研究

姜 晨，彭揚帆，紀禮君

(1.國網上海市電力公司崇明供電公司，上海 202150；2.國網上海市電力公司市北供電公司，上海 200080)

隨著電力技術的不斷發展，針對變壓器保護的研究也越來越多，面臨的問題也呈現增長趨勢。在智能電站工程中，使用越來越多的電子式電流互感器，造成基于傳統電磁式電流互感器的差動保護整定原則與整定方案亟需改進，因此改進原比例制動曲線特性的整定原則，或者提出一種新的解決途徑用以改進傳統原則也成為研究的熱點[1]。其中，在變壓器保護的校驗試驗中，關于比率制動部分的制動特性校驗，不同的方法會得出差異較大的制動系數，不利于進行差動保護的相關整定計算。

隨著繼電保護微機化的日益成熟，微機技術的長期記憶功能和優越的信息處理功能，以及它在結構上的特點，為解決變壓器保護校驗試驗方面的問題提供了有效手段[2-3]。校驗過程中為避免測試加量引起不平衡電流而導致差動誤動，在變壓器各側繞組中考慮聯接組別的關系，新型微機繼電保護裝置內部的軟件會自動進行電流輸入量的相位調整和幅值調整，有效減小人為引起的不平衡電流，防止差動誤動。

1 比率制動差動保護

1.1 比率制動差動保護原理

比率制動部分提高了差動保護的靈敏度，當制動電流小于或等于變壓器額定電流的1.2～1.5倍時，繼電器無制動作用，此時差動繼電器的最小動作電流可整定為變壓器額定電流的20%～50%，保證了內部故障、短路電流小的情況下，差動保護具有足夠的靈敏度。當內部故障、短路電流較大時，通過適當選取制動系數，也能保證所需的靈敏度。外部發生故障時，短路電流全部為制動電流，提高了保護的動作值，而差動回路的電流只是不平衡電流，差動保護不動作，保護的可靠性得以保證[5]。

1.2 比率制動差動保護特性曲線

圖1所示為北京四方CSC-326D數字式變壓器保護裝置的比率差動保護特性曲線圖。

圖1 CSC-326D比率制動差動保護特性曲線

1.3 比率差動保護動作特性

(1)比率差動保護制動曲線為三折線式；

(2)比率制動第二段特性方程如下：

Id=0.5Ir+0.387 6

(1)

(3)試驗條件：投入差動保護硬連接片及軟連接片，“縱差差動保護”控制字整定為1，退出TA斷線閉鎖。正確整定差動保護定值，裝置比率制動校驗采用的定值如表1所示。

不同廠家生產的、不同電壓等級的變壓器保護裝置，在細節上有所不同，校驗時需要特別注意裝置說明書的各項說明。校驗比率差動的制動系數時，本文主要針對北京四方變壓器保護裝置進行校驗研究，其CSC-326B/D主變差動保護邏輯柜圖見圖2。

圖2 CSC-326B/D主變差動保護邏輯框圖

1.4 裝置主要技術性能指標

(1)差動保護最小動作電流整定范圍(0.3～10)Ie；

(2)差動速斷動作電流整定范圍(1～20)Ie；

(3)三折線制動特性，第二段折線斜率整定范圍0.2～0.7；

(4)整定值誤差：不大于±5%或0.02IN；

(5)相間差動保護的固有動作時間為2倍整定值時，不大于30 ms。

Ie為變壓器高壓側二次額定電流。

裝置定值見表1。

表1 CSC-326B/D變壓器保護裝置定值情況表

2 電流平衡原理

2.1 相位補償原理

為了實現差動保護的功能，差動保護需要實時采集變壓器各側的電流，知道其幅值大小和相位關系。因此，從電流互感器二次側引出的電流信號通過電纜接入到變壓器保護屏的交流端子排，流入差動保護裝置。在傳統的模擬型變壓器保護中，兩相電流之差是靠變壓器Y側的差動TA繞組接成三角形來實現的。在微機型變壓器保護中，一般相位校正都是在軟件中實現，兩側的差動保護所用TA都是Y接線[6-7]。

PST1200保護裝置和CSC-326B/D數字式變壓器保護裝置都是采用的星形側向三角形側歸算的相位補償方式：

(2)

2.2 幅值補償原理

2.2.1零序分量

對于在變壓器Y側移相的變壓器縱差保護，無論是用軟件實現還是用差動TA的三角形接線實現，由于從Y側通入各相差動元件的電流已經是相應的兩相電流之差了，故已將零序電流濾去，所以沒必要再采取其他措施。

2.2.2平衡系數法

微機型變壓器保護裝置在軟件上進行幅值調整，引入了一個名為平衡系數的物理量，其實質是一個折算系數，作用是將兩個大小不等的電流折算成作用完全相等的電流。將一側電流作為基準，將另一側電流乘以該側的平衡系數，使正常運行或外部故障時經過相位校正和幅值校正以后兩側的電流幅值相等，滿足∑I=0的關系[8]。

平衡系數計算原理如下：

由軟件在變壓器Y側移相，實現Y→△。

變壓器各側一次額定電流為

(3)

(4)

如果以變壓器高壓側二次額定電流為基準，要使其他側：

K·I2N=I2Nh

(5)

高壓側平衡系數為

(6)

中壓側平衡系數為

(7)

低壓側平衡系數為

(8)

式中SN——額定容量；I2Nh；I2Nm；I2Nl——變壓器高、中、低壓側二次額定電流；nh，nm，nl——變壓器高、中、低壓側TA變比。

3 比率制動系數校驗

不同廠家生產的保護裝置在具體應用上有很大區別，試驗之前應該首先明確要檢驗的變壓器保護裝置相關定值，明確變壓器各側TA 變比、差動速斷定值倍數、差動保護啟動電流定值、縱差保護各段折線斜率、二次諧波制動系數等定值，試驗過程中要正確投退保護裝置軟硬連接片及控制字。

3.1 差流平衡的求解

高壓側：

(9)

低壓側：

(10)

根據高低壓側所加電流差流平衡的原則求解方程組，得到解如下：

(11)

將所求得的解分別除以對應側的平衡系數即可得到保護測試儀的輸入量。

3.2 參數說明

3.2.1制動系數

繼電器整定計算就是確定拐點電流、最小動作電流和制動特性的斜率(最大制動比)。這些參數的計算往往比較困難，在實際應用中一般由運行經驗來確定。制動系數K，對變壓器保護，通常取0.4～0.8。

(12)

3.2.2差動電流與制動電流

國電南自的PST1200裝置中，

Id=I1-I2
Ir=Imax=I1

(13)

北京四方裝置中，

(14)

4 制動系數校驗方案

4.1 試驗方案

對于PST1200裝置，根據式(12)可知，增大差動電流只需保持制動電流不變，即I1不變，減小I2，即增大差動電流，使得保護從不動作到動作。而對于北京四方的CSC-326B/D數字式變壓器保護裝置，Id、Ir都受到I1、I2的影響，此時有以下兩種方法：

方法一：保持低壓側輸入量I2不變，增大高壓側電流I1輸入量；方法二：保持高壓側I1輸入量不變，減小低壓側電流I2輸入量。兩種方法的原理都是在保證保護測試儀的一側輸入量不變的前提下，調整(增大或減小)另一側輸入量，使得保護由不動作到動作，記錄下臨界動作點處的制動電流和差動電流，進一步求得制動系數。

4.2 高低壓側比率制動試驗

4.2.1試驗方法

高低壓側比率制動試驗方法如下：

B相和C相制動系數的測試方法與A相相同，不再贅述。

測試相為高壓側A相與低壓側A相，高壓側A相加電流I1、低壓側A相加電流I2，

4.2.2試驗接線

高低壓側比率差動保護測試接線圖見圖3。

圖3 高低壓側比率差動保護測試接線圖

4.2.3試驗數據

由表1計算可得，

高壓側額定電流：

中壓側平衡系數：

低壓側平衡系數：

根據特性曲線第二段方程，取點A(Ir1，Id1)=(0.8Ie，Id1)=(0.944，0.859 6)，B(Ir2，Id2)=(1.2Ie，Id2)=(1.416，1.095 6)

根據式(13)及相位和幅值補償計算(低壓側平衡系數=0.095)，得出A(I1，I2)=(2.382,5.421)，B(I1，I2)=(3.403,9.147)

試驗數據情況如表2所示。

4.3 高中壓側比率制動試驗

高中壓側的比率制動試驗方法如高低壓側試驗，選取另外兩點A(Ir1，Id1)=(Ie，Id1)=(1.18，0.977 6)，B(Ir2，Id2)=(2Ie，Id2)=(2.36，1.567 6)。其中，中壓側平衡系數=0.536，試驗結果見表3。

4.4 比率制動試驗軌跡

以高低壓側比率制動試驗為例，如圖4所示。

圖4 高低壓側比率制動試驗動作軌跡圖

由圖4可知，采用方法一時，軌跡更明顯，試驗裕度得以保證。對于方法二，當所取的試驗點不理想時，有可能會出現給保護測試儀加量之后很快就出現保護動作的情況。方法一能有效表示出保護從不動作到動作的軌跡情況，并且表示的

表2 高低壓側比率差動保護試驗結果表

表3 高中壓側比率差動保護試驗結果表

狀態量更豐富。

5 結語

不同廠家保護裝置的產品說明及規定不同，針對四方的裝置，考慮到差動電流及制動電流的計算公式不同，研究了基于動作逼近思想的校驗比率制動差動保護制動系數的兩種方法。本文采用方法一(保持低壓側輸入量不變，增大高壓側電流輸入量)能夠保證制動系數校驗誤差更小，提高了試驗的精確度，具有一定的實際工程應用性。

參考文獻：

[1] 柳潤.變壓器差動保護原理及裝置的研究[D]. 武漢：華中科技大學，2004.

[2]趙訓君.變壓器差動保護的研究與改進[D].北京：華北電力大學，2014.

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[4]張保會，尹項根.電力系統繼電保護[M].第2版.北京：中國電力出版社，2010.

[5]賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理[M]. 北京：中國電力出版社，2004.

[6]王濤，林桂華.變壓器保護[M]. 北京：中國電力出版社，2013.

[7]陳曾田.電力變壓器保護[M].北京：中國電力出版社，1989.

[8]國家電力調度通信中心.電力系統繼電保護實用技術問答[M].第2版.北京：中國電力出版社，2006.