變壓器差動保護二次接線研究

山西西山熱電有限責任公司 韓 廣

1 變壓器差動保護的基本原理和常見的二次接線方式

1.1 變壓器差動保護原理

變壓器差動保護是電力系統中常用的一種保護方式，其基本原理是通過比較變壓器高、低壓側的電流，判斷變壓器內部是否存在故障[1]。當變壓器內部發生故障時，故障電流會使變壓器兩側的電流不相等，從而觸發保護動作，防止進一步的損壞或事故的發生。

變壓器差動保護的原理：

式中，I{H}和I{L}分別為變壓器高、低壓側的電流；Ig0gggggg為差動電流。若Ig0gggggg的值超過一定閾值，則說明變壓器內部存在故障，保護動作會觸發。

變壓器差動保護在實際應用中常常采用二次接線的方式實現。在二次接線中，不同的接線方式會影響差動保護的精度和穩定性，因此需要對其進行研究和優化。

1.2 常見的差動保護接線方式

常見的變壓器差動保護接線方式包括單相接線和三相接線等，主要區別在于所采用的互感器數量和相數不同。

1.2.1 單相接線

單相接線是一種簡單的差動保護接線方式，僅采用一組高壓側和低壓側的互感器進行差動保護。其原理是將高、低壓側的電流分別經過互感器降壓后，再通過差動繼電器進行比較。由于單相接線只采用一組互感器，成本和精度均較低，對接地故障的響應能力也較弱[2]。

1.2.2 三相接線

三相接線是一種常用的差動保護接線方式，采用三組高壓側和低壓側的互感器進行差動保護。其原理是將三組互感器輸出的電流通過差動繼電器進行比較，判斷是否存在差動電流。相比單相接線，三相接線具有更高的精度和響應能力，能夠有效檢測接地故障。

2 現有差動保護接線方案存在的問題

2.1 對稱性問題

對稱性問題的解決方法是通過對互感器進行相序標定和校準，使其輸出的電流相位一致，達到保護精度和穩定性的要求。

相序標定法：可以采用標準電流源，將標準電流依次注入到互感器的各相中，測量輸出的電流幅值和相位，然后進行校正，使其輸出電流相位一致。

相間校準法：可以通過在互感器的高壓側和低壓側之間接入標準電阻，測量不同相的電流和電壓，然后計算出不同相的阻抗值，再進行校正，使其輸出電流相位一致。

2.2 延遲問題

延遲問題是指在差動保護系統中，由于信號傳輸、處理等因素，可能會導致差動保護的響應時間存在一定的延遲，從而影響保護的效果。常見的延遲問題有以下幾種。

一是信號傳輸延遲：在信號傳輸過程中，由于電纜線路、繼電器等因素的影響，可能會導致信號傳輸存在一定的延遲，為了減小信號傳輸延遲，可以采用較短的電纜線路、高速傳輸的通信方式等措施。

二是算法處理延遲：在差動保護算法中，由于算法復雜度、處理器性能等因素的影響，可能會導致保護算法的響應存在一定的延遲，為了減小算法處理延遲，可以采用高效的差動保護算法，優化處理器的性能等措施。

三是調整時間延遲：差動保護繼電器在接收到異常信號后，需要進行判斷和調整的時間，為了減小調整時間延遲，可以采用更快的繼電器和控制電路等措施。

2.3 穩定性問題

穩定性問題是指差動保護系統在正常運行過程中，可能會出現誤動或誤抑等問題，從而影響保護系統的可靠性和穩定性[3]。

一是高阻負載問題：在差動保護系統中，當變壓器的負載發生變化時，會影響差動保護系統的穩定性。特別是在低電流狀態下，由于電流測量的誤差較大，可能會導致差動保護系統誤動。

二是短路電流誤判問題：在差動保護系統中，由于短路電流的幅值較大，可能會導致差動保護系統誤判、誤動或誤抑。

三是震蕩問題：在差動保護系統中，當出現多次誤動或誤抑時，可能會出現保護系統的震蕩問題，導致保護系統不能正常工作。

3 改進方案

3.1 增加零序電流互感器

為了解決差動保護系統中的穩定性問題，可以采用增加零序電流互感器提高保護系統的性能和可靠性。

在差動保護系統中，由于零序電流通常很小，因此可以通過增加零序電流互感器提高保護系統的靈敏度和穩定性。即通過測量系統中的零序電流，可以檢測到系統中的任何不對稱電流，從而實現對系統的差動保護[4]。

增加零序電流互感器可以解決系統中的一些常見問題，例如高阻負載問題、延遲問題和穩定性問題等。通過增加零序電流互感器，可以在保護系統中增加一些特殊的測量和保護功能，從而提高系統的性能和可靠性。

3.2 引入延時補償

為了解決差動保護系統中的延遲問題，可以引入延時補償措施提高保護系統的響應速度和靈敏度。

在保護系統中，可以設置一個預定的時間延遲，使差動保護在檢測到故障時能夠在一定時間內完成操作，從而提高保護系統的性能和可靠性。

引入延時補償可以解決保護系統中的延遲問題，可以使保護系統更加快速和準確地響應故障信號，提高保護系統的魯棒性和可靠性。但延時補償的設置應該根據實際情況進行合理設計和優化，避免誤操作和延遲過長等問題。

3.3 優化比率誤差校正

比率誤差校正是差動保護系統中一種常用的技術，可以用來校正電流互感器的比率誤差，從而提高保護系統的測量精度和可靠性。

優化比率誤差校正可以在校正過程中引入一些特殊的技術和算法，例如多點校正、矩陣式校正和自適應校正等。這些技術和算法可以幫助保護系統更加準確地校正電流互感器的比率誤差，并在實際運行中進行自適應調整，從而提高保護系統的測量精度和穩定性[5]。

4 改進方案的原理和設計方法

4.1 原理分析

在差動保護系統中，增加零序電流互感器可以有效解決零序電流的問題。零序電流互感器的原理是基于法拉第電磁感應定律，其輸出電壓與通過的電流成正比。

為了確保系統的穩定性和可靠性，在進行差動保護系統設計時，需要對零序電流互感器的變比系數進行合理的選取和校準，見表1。

表1 零序電流互感器變比系數的選取范圍

在進行差動保護系統設計時，需要考慮零序電流互感器的飽和問題和過載問題，對于不同類型和規格的零序電流互感器，其飽和和過載性能會有所不同，需要進行相應的測試和驗證。

零序電流互感器的變比系數計算:

式中，U0為零序電流互感器二次側輸出電壓；I0為一次側電流。

當發生內部故障時，差動電流增大，如果電流較大，差動保護可能會誤動作。此時，可以通過增加零序電流互感器的數量增加保護的靈敏度，提高保護的可靠性。

為了解決差動保護存在的延時問題，可以采取引入延時補償的方法，在保護裝置中設置延時時間，當差動電流超過設定值一定時間后才進行動作。

4.2 設計方法

在設計變壓器差動保護的二次接線時，可以采用以下設計方法：一是根據實際工程要求確定差動保護的一次電流和二次電壓等級；二是選擇合適的差動保護裝置，根據其參數計算出合理的插入電阻和CT/VT 比率；三是根據實際情況確定需要增加的零序電流互感器的數量，并根據差動保護裝置的參數計算出合理的零序電流互感器比率；四是設計延時補償的時間，根據實際情況確定延時時間；五是選擇合適的比率變送器，進行比率誤差校正；六是對設計結果進行驗證和檢查，確保差動保護的二次接線設計滿足實際要求，保證保護裝置的可靠性和穩定性。

在實際應用中，需要考慮差動保護的抗干擾能力和動作性能等因素，并針對實際情況進行綜合考慮和優化設計。

4.3 仿真驗證

在仿真驗證過程中，可以得到一系列數據指標評估差動保護二次接線的性能和穩定性。以下是一些可能涉及的數據指標：

動作時間：保護裝置從故障發生到動作的時間，通常以ms 為單位。

誤動率（Misoperation rate）：保護裝置錯誤動作的頻率，通常以千分之一為單位。

抗干擾能力：保護裝置對負載變化和干擾信號的響應能力。

穩定性：保護裝置的工作穩定性和可靠性。

在進行仿真驗證時，需要根據具體的差動保護二次接線方案和仿真模型，設置不同的參數和變量，見表2。

表2 仿真參數設置

在仿真結束后，可以得到一系列仿真結果數據，見表3。

表3 仿真結果數據

根據仿真結果數據，可以對差動保護二次接線方案進行進一步優化和改進，以提高其性能和可靠性。

5 結語

本文通過分析變壓器差動保護接線方式中存在的對稱性、延遲和穩定性等問題，提出了增加零序電流互感器、引入延時補償和優化比率誤差校正等改進方案，通過對該算法進行仿真驗證，結果表明該算法能夠有效提高差動保護的抗干擾能力和穩定性，可以實現快速準確的故障檢測和定位。因此，本文提出的改進方案具有一定的實際應用價值。