淺談變壓器比率差動保護原理及校驗

廣西卓潔電力工程檢修有限公司 盧培成

1 差動保護、比率差動

1.1 差動保護

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)定性帶來嚴重的影響，造成極為嚴重的經濟損失，因此，根據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裝置是十分必要的。差動保護的裝設是按循環(huán)電流原理進行的,在電力變壓器的兩側裝設電流互感器，按循環(huán)電流法進行二次側接線，假設高低壓側的電流互感器同極性端均朝向母線側，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)差動保護原理圖

變壓器兩側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，正常運行及外部故障變壓器中流過差動回路的電流為零；而當變壓器內部發(fā)生故障時，流過差動回路的電流I2（無電源側二次電流）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

在正常運行和外部短路發(fā)生時，由于變壓器兩側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：在實際運行過程中，變壓器兩側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長于周期分量的非周期分量，這些非周期分量很難感應至二次側，但卻主要成為電流互感器的勵磁電流，導致互感器鐵芯飽和、誤差增大，又稱為暫態(tài)穿越性電流。

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

2 相關校驗

2.1 差流平衡校驗

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

圖2 保護試驗接線圖

以6路電流繼電保護測試儀為例，根據變壓器接線方式，用測試儀模擬正常負荷電流，對一側與二側進行三相差流平衡試驗。試驗時相位設置以一側（高壓側）A 相為基準（0°，B 相為240°、C 相為120°），各側三相電流以正極性接入。在一側加入大小為本側二次等值額定電流的三相電流Ie1，在二側加入大小為本側二次等值額定電流的三相電流Ie2,相位關系根據該側接線方式鐘點數確定。本例中二側接線方式鐘點數為11，故二側加入的三相電流相位分別設置為210°、90°、330°（一側電流超前二側的對應相電流150°），相位圖如圖3。

圖3 差動保護電流相位圖圖

加入兩側平衡電流后，差動電流應為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，各側電流平衡，差動未啟動。

2.2 比率差動校驗

變壓器比率差動保護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]。在保證保護靈敏度的同時，由于CT 飽和判據的引入，區(qū)外故障時CT 飽和引起的誤動不會發(fā)生，動作區(qū)域為圖中淺色陰影區(qū)[4]。而高值動作區(qū)只需經過涌流判別、CT 斷線判別即可出口動作。利用保護裝置的制動特性，可有效解決電流互感器鐵芯飽和的問題，故障發(fā)生在保護區(qū)外時可靠制動，發(fā)生在保護區(qū)內時可靠動作，動作區(qū)域為圖中次深色陰影區(qū)[4]。差動速斷保護則不需經過任何閉鎖判據就可直接出口動作，其動作區(qū)域為圖中最上方的深色陰影區(qū)。

圖4 差動保護動作特性

比率差動特性校驗示意圖如圖5所示，投入差動保護控制字、軟壓板及硬壓板。試驗在兩側進行，設兩側電流為I1、I2，標么值為I′1、I′2且I′1>I′2。校驗時先加入平衡電流，然后逐漸減小I2到達測試點。任取若干測試點，如校驗制動電流分別為1.0Ie、2.0Ie、3.0Ie、4.0Ie四個點的保護特性。以第一個測試點為例，取第一點制動電流1.0Ie，則根據動作特性曲線可計算出與此制動電流相對應的差動電流為0.55Ie，各側加入電流計算公式為式3，由其可得測試點電流為式；固定I′1，由差流公式Id=I′1-I′2=0，則平衡點電流為式5：

圖5 比率制動特性校驗示意圖

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

表1 比率差動校驗測試點

2.3 差流速斷校驗

當故障發(fā)生在保護區(qū)內且為大電流故障時，由于電流互感器鐵芯發(fā)生了飽和現象，保護將延遲出口動作，為防止該事故的發(fā)生，裝置配備差動速斷保護用于快速切除變壓器內部故障，當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]。投入速斷保護控制字、軟壓板及穎壓板。在某Y 接線側（例如高壓側）加入單相大小為×0.95×Isdzd×Ie1的電流（Isdzd為定值），差動速斷應可靠不動作，加入單相大小為×1.05×Isdzd×Ie1的電流，差動速斷應可靠動作，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

勵磁涌流中存在大量二次諧波及三次諧波，保護裝置識別其含量來判別勵磁涌流，當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。在某側加入單相（如高壓側A 相）差動動作電流（如3Ie1）的基波分量，使保護可靠動作。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，比率差動保護應不動；逐漸減小到使比率差動保護動作，此時二次諧波已降到不能閉鎖比率差動保護，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 結語

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