变压器差动保护归算思路分析与对策

潘志军,范 芹,丁洁晶

(1.杭州市南排工程建设管理处,浙江杭州 310020;2.浙江江能建设有限公司,浙江杭州 310020;3.浙江华电科技有限公司,浙江杭州 310004)

0 引 言

差动保护因具有选择性好、灵敏度高等一系列优点成为发电机、电动机、变压器、母线及短线路等元件的主保护.这几种差动保护原理是基本相同的,但主变差动保护还要考虑变压器接线组别、各侧电压等级、CT变比等因素的影响所产生的不平衡电流.同其它差动保护相比,主变差动保护实现起来要更复杂一些.工程上为确保主保护的灵敏性把这些产生不平衡电流的影响因数尽量消除力争正常运行中差动保护中检测到的差流等于零.下面通过变压器差动的构成原理、不平衡电流的产生机理的分析,对比不同保护产品归算不平衡电流的思路和简要介绍南瑞RCS9671/9679差动保护的归算思路,为工程实际运行中出现的不正常现象处理方法提供借鉴思路.

1 变压器差动保护工作原理简述

变压器纵差保护原理单相接线图,见图1.电流差动保护是建立在基尔霍夫电流定律基础之上,变压器差动保护就是将保护变压器各侧的电流互感器的二次电流后接入保护单元算得二次电流差值作为差动保护的启动判据[1].由于变压器各侧的电流大小和相位不同,在实现差动保护时在考虑上述因素后并进行补偿才能保证变压器正常运行和外部短路时保护单元检测到的差动电流等与零(理想状态),在被保护范围内出现故障电流并达到动作定值时立刻启动保护元件并出口跳闸,保护变压器进一步遭受损坏.

图1 差动保护单相接线原理图

2 影响主变差动保护灵敏性的因素

2.1 变压器变比和保护CT变比选择配合的影响

因为变压器变比不同,主变高低压侧一次电流不相同.比如：假设变压器变比为110 kV/10kV,不考虑变压器本身励磁损耗的理想情况下,流进高压侧电流为1 A,则流出低压侧为11A.如果变压器低压侧保护CT的变比是高压侧CT变比的11倍,就可以恰好抵消变压器变比的影响,使流入保护装置(CT二次侧)的电流大小相同.但工程实际情况是,CT变比是根据变压器容量来选择,况且CT变比都是标准的,同样变压器变比也是标准化的,这三者的关系根本无法保证上述的理想比例.假设变压器容量为10 MVA,110 kV侧CT变比为100/5,低压侧CT变比如果为1100/5即可保证一致.但实际上低压侧CT变比只能选1000/5或1200/5,这自然造成了主变高低压侧CT二次电流不同,也就是流入保护装置的电流大小不相同[2].

2.2 变压器接线组别的影响

变压器的接线组别Y/Y或Δ/Δ,在差动保护时不需要进行相位补偿,而电力系统其它的电力变压器多为Y/Δ-11接线组别,低压侧电流将超前高压侧电流30°,这需要在差动保护中先考虑由此带来的相位差进行补偿并考虑电流数值上的补偿[3].另外如果Y侧为中性点接地运行方式,当高压侧线路发生单相接地故障时,主变Y侧绕组将流过零序故障电流,该电流将流过主变高压侧CT,相应地会传变到CT二次,而主变Δ侧绕组中感应出的零序电流仅能在其绕组内部流过,而无法流经低压侧开关CT.

3 消除影响的对策

主变差动保护要考虑的一个基本原则是保证正常情况和区外故障时,用以比较的主变高低压侧电流幅值相等,相位相反或相同(由差流计算采取的是矢量加和矢量减决定,不过一般是让其相位相反),从而在理论上保证差流为0[4].不管是电磁式差动继电器保护或集成电路保护及现在的微机保护,都要考虑上述两个因素的影响(以下的分析以工程中最常见的Y/Δ-11为例进行).

3.1 消除变压器变比和保护CT变比选择配合引起的影响

一般工程设计中,各侧CT变比的选择近似关系式如下：

式中,k—变压器变比;

k1—变压器高压侧CT接线系数,星型接线等于1,三角形接线等于;

k2—变压器低压侧CT接线系数;

n1—变压器高压侧CT变比;

n2—变压器低压侧CT变比.

由于CT变比是分档的,在按上述原侧确定变比和工程实际选择的CT变比有可能不一致,故不一定能完全消除主变变比和CT变比的匹配所造成的幅值上误差.

传统的电磁式差动继电器构成的差动保护在按上述选定变比仍不能完全配合时,采用中间变流器进行补偿,这种补偿方法由于平衡绕组不能平滑的调节,选用的匝数和计算的匝数不可能完全一致,故仍有一部分不平衡电流流入继电器,但不平衡电流已大为减少.

微机保护同传统保护相比,保护原理并没有太大的变化,主要是实现的方法和计算的精度有了很大提高,只需要进行简单的计算平衡系数实现补偿[5].一般输入量(如Δ侧)或相位归算后的中间量乘以相应的某个比例系数即可.当然这个系数对Y侧,还要考虑到内部矢量相减,同时造成的幅值增大了 3倍.目前国内绝大部分厂商(如南自厂等)的微机差动保护,是以一侧为基准(一般为高压Y侧),把另一侧的电流值通过一个比例系数换算到基准侧.采取这种方法,装置定值和动作报告都是采用有名值(即多少安),比如差动速断定值是15A等等.而有些公司(如南瑞、四方等等)的差动保护变比等因素造成的幅值归算采取的是Ie额定电流标幺值的概念,相应的定值整定和动作报告也都是采用Ie标幺值.如南瑞RSC-9000系列装置对于变压器的Y接线侧平衡系数：K1=(U1×CT11)/SN,对于变压器的 Δ接线侧：K2=(3×U2×CT21)/SN,其中K1、K2 为内部补偿系数,U1 、U2为各侧额定电压,CT11、CT21为各侧CT额定变比,SN为变压器的额定容量.装置内部把算得的平衡系数通过软件进行自动调整实现补偿.

3.2 变压器接线组别引起的相位补偿方法

电磁式保护(比如工程中常见的BCH-2差动继电器),对于接线组别带来的影响(即相位误差)通过外部CT接线方式来解决.主变为Y/Δ接线,高压侧CT二次采用Δ接线,低压侧CT二次采用Y接线,用改变保护CT的二次接线方式的方法完成相角的归算同时消除零序电流分量的影响.电流由主变高压侧传变到低压侧时,相位前移30°,低压侧CT接成Y/Y,角度没有偏移.高压侧CT接成Y/Δ,CT二次侧比一次侧(也即主变高压侧)相位也前移了30°.这样就保证了高低压侧CT的二次电流同相位.高压侧CT接成Y/Δ后,电流幅值增大了 3倍(实际上是线电流),在选择CT变比时,已考虑到这个因素,尽量让流入差动继电器的主变高低压侧电流相等进行电流数值补偿.

微机保护是比较容易消除的,早期有些微机差动保护装置,可能是运算速度不够的缘故,相角归算还是采用外部CT接线来消除(如DSA早期某型号产品).现在的微机差动保护装置,CT都是采取Y/Y接线,相角归算由内部完成,通过电流矢量相减消除相角误差.主变差动为分相差动,对于Y/Δ-11接线,同低压侧Ial相比较运算的并不是高压侧IAh,参与差流计算的Y侧3相电流量分别是：IAh*=IAh-IBh、IBh*=IBh-ICh、ICh*=ICh-IAh(都为矢量减).这样得到的线电流IAh*,角度左移(后退)30°,同低压侧Ia2同相位[6],见图2.

图2 相量变换示意图

4 南瑞RCS9671/9679差动保护实例

下面以南瑞RCS9671/9679差动保护为例,从工程角度出发简析差动归算思路.

4.1 南瑞RCS9671/9679差动保护Ie的概念

Ie是指根据变压器的实际容量求到的额定电流的标幺值.工程上常说的CT二次额定电流是5A,这只是一个产品标准参数,而Ie是根据主变容量得到的,它所对应的电流有名值的具体数值,对主变的每一侧都是不同的.

以下列参数为例：某台主变,容量 31.5/31.5 MVA;变比110±4×2.5%/11 kV;接线组别Y/Δ-11;CT变比200/5,2000/5;CT为Y/Y.

额定电流计算公式Ie=S/(3U)/CTn

高压侧Ie=31 500 kVA/(1.732×110 kV)/200/5=165.337A/40=4.133A

低压侧Ie=31 500 kVA/(1.732×11 kV)/2 000/5=1 653.37A/400=4.133A

当高压侧CT二次流出电流为4.133 A时,表明本侧流出的功率为变压器的额定功率,这就是Ie的物理含义,对低压侧物理意义是相同的.差动保护在每一侧采集到的电流除以该侧的Ie电流值,得到各侧电流相对于本侧额定电流的比例值(标幺值).采用各侧的Ie标幺值直接参与差流计算,而不是采用电流有名值,相应的定值及报告都是显示的是多少Ie.比如说高压侧二次电流为4.133 A,程序会把这个值除以高压侧(4.133 A),得到标幺值1Ie;低压侧电流为 -4.133 A,得到标幺值-1Ie.程序计算差流时会把这两侧Ie相加求得到差流Id=0Ie.

求Ie具体值的公式里包含了变压器容量、电压变比、每侧CT变比这几个参数.基于能量守衡的原理(忽略主变本身损耗),计算时容量都采用同一个最大容量.得到的每侧额定值作为本侧的基准,实际电流除以该基准,就得到可以直接用以统一运算的标幺值.整个计算的过程,消除了由主变电压变比和CT变比因素所造成的影响.差动电流分别以各侧额定为基准,各侧实际电流都往本侧归算;Ie在差动归算中,Ie是一个标幺值,是一个可以统一计算的中间度量单位(转换单位).

4.2 南瑞RCS9671/9679差动保护的归算分析

在本文一开头就提到了主变电压变比、CT变比还有接线组别的影响.采用Ie的概念和计算方法后,可以消除掉电压变比和CT变比对幅值的影响.对接线组别(相位)的影响,以RCS9671/9679程序里是这样做的.若系统设置菜单里,接线组别设置为Δ/Δ(CT都是Y/Y接线,也即由装置内部完成归算),程序对电流采样数据不做相角上的任何归算处理,根据系统参数整定内容,计算出各侧Ie具体值,实际采样值同本侧Ie相除,得出本侧以Ie标幺值所表示的电流值参与差流计算.当接线组别设置为Y/Δ-11,程序对Y侧电流采样数据首先进行相角调整,即参与差流计算的IAh*=IAh-IBh、IBh*=IBh-ICh、ICh*=ICh-IAh(都为矢量减),这样一减,得到的矢量电流相位前移了30°,完成相位的归算.但幅值同时也增大了 3倍(线电流和相电流的关系,这很好理解).程序里对矢量相减得到的值会同时固定除以 3,以保证只调整相位,不改变大小.对Y/Δ-1,处理过程一样,只是矢量相减的相别发生一下变化：IAh*=IAh-ICh,IBh*=IBh-IAh,ICh*=ICh-IBh,也要固定的对幅值除以 3.

5 工程中保护调试注意事项

除了变压器接线组别和变比配合因素对变压器差动保护带来的影响外,还有造成差动电流不完全平衡的其它因素.上述对差动保护的归算调整主要是消除变压器接线组别和变比配合因素对差动保护的误差,这两方面因素在工程中可以看作“明显的”客观因素.另外还有几个因素还可能造成变压器在正常运行状态下差动电流的不平衡.

5.1 保护CT选用型号的影响

虽然工程设计中对差动保护CT的选用原则：主变各侧CT同型号且性能完全相同的保护用CT.但因为变比和容量都有差别,使得CT的励磁特性曲线也不尽相同,尤其是当区外故障穿越性电流增大,可能导致CT饱和,CT饱和特性不一致,造成不平衡电流增大.因此在工程中严格按要求选择保护CT,调试中还要测试两侧保护CT的励磁特性曲线是否相同,还要注意所用的CT二次绕组的两侧负载相近且尽量小,以减小由此带来的不平衡电流造成对保护的影响.

5.2 电力系统中有载调压变压器在运行中改变分接头产生的不平衡电流

在改变变压器分接头调整电压时,实际上改变了变压器的变比.而工程中按上述提到的对变比的归算方法是按照额定变比或实际最有可能运行的变比来计算的,但当运行中变压器分接头位置改变后,自然会产生不平衡电流[7].在消除由此产生的不平衡电流的最好办法是保护装置能实时采样变压器运行的挡位,根据实际运行的挡位进入保护计算单元.如GE公司某些型号主变差动保护装置对有载调压产生的不平衡电流做法是在定值中输入用户设定主变的档位及每一档位对电压的影响,同时采集开入档位接点位置,从而可以做到随着主变档位的调节自动改变内部计算参数消除误差.

5.3 变压器励磁涌流产生的不平衡电流对差动保护的影响

在变压器空载合闸时由于铁芯饱和产生暂态励磁电流称为励磁涌流,此电流最大可达额定电流的4～8倍,由此产生的不平衡电流在理论上利用励磁涌流的特征采取三种方法即使用速饱和中间变流器、二次谐波制动和间断角鉴别法来消除.传统的继电器保护大多采用速饱和中间变流器的方法,而目前国内微机保护装置大多采用二次谐波制动的方法来消除影响.

5.4 理论计算的误差影响

目前微机保护的程序对变压器变比误差计算消除是在变压器及CT各项参数基础上的,如果这些标称参数同实际有所差别,也将会产生不平衡电流,一般在现场碰到这方面的问题较少,除非是一些项目选用的是一些小厂家生产的质量较差的设备参数误差较大.

6 结 语

电力系统的规模越来越大,不论是电源容量、电源数量、线路数量、电压等级都在快速增长,这是电力系统的必然发展趋势,因而对影响系统供电可靠性和电能质量的设备要求越来越高,作为保护变压器正常运行的保护装置的灵敏性是极为重要的.通过对变压器不同时期的保护产品归算思路研究与解决对策总结为工程人员快速处理问题提供参考,在最短的时间内设备恢复运行意义重大.

[1] 张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社,2005.

[2] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社,2002.

[3] 陈曾田.电力变压器保护[M].北京：水利电力出版社,1997：7-8.

[4] 张道明.电力系统继电保护[M].北京：中国工业出版社,2003：18-19.

[5] 李 军.电力系统继电保护实用技术问答[M].北京：中国电力出版社,2002：22-23.

[6] 毕大强,王祥珩,杨恢宏,等.变压器差动保护中电流相位补偿方式的分析[J].电力系统自动化,2006(18)：33-37.

[7] 刘宜喜.变压器差动保护不正确动作原因分析[J].湖北电力,1999,23(2)：53-54.