石化装置中变压器差动保护方法的探讨

李启凡

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

石化装置中变压器差动保护方法的探讨

李启凡

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

结合工程实例，探讨石化装置中35 kV变压器差动保护的各种方法，进而分析可能影响差动保护误动的原因。最后理论联系实际，以Yd11双绕组变压器和西门子7UT6825微机保护装置为例，介绍完整的继电保护整定过程。

变压器；差动保护；比率制动

石化装置用电负荷较大，主进线变压器（下文简称主变）的容量多数大于10 MVA，高压侧电压常采用35 kV，两台主变单独运行。根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》（GB/T 50062—2008）的要求，电压在10 kV以上、容量为10 MVA及以上、单独运行的变压器，除装设油面降低、油箱压力过高、绕组温度过高、变压器油温过高、产生瓦斯等保护外，同时还应装设纵联差动保护，作为变压器内部及其引出线和套管短路故障的主保护。

1 主变差动保护常采用的几种方法

1.1 变压器差动保护原理

探讨各种方法之前，先简要说明一下变压器差动保护的原理。

虽然变压器两侧电路上互不相通，但流入和流出变压器的功率基本相等，由此建立平衡方程式，将变压器两侧电流的相位和数值进行比较。

三相变压器一般采用分相比较的办法实现电流比较，以35/10（6）kV变压器为例，在其两侧共有6组电流互感器（下文简称 CT），每一相有2组 CT，如图1所示。变压器两侧C相的电流分别为I1和I2（I1和I2是归算到相同电压等级后电流），规定靠近母线侧为 CT 的正极性端，同时规定母线流向变压器为电流参考方向的正方向，电流差值为Id。

图1 变压器差动保护原理接线Fig.1 Differential protection principles of transformer

图2 35 kV侧内桥接线Fig.2 Interior bridge connection in the power side

图3 35 kV侧全桥主接线Fig.3 Full bridge connection in the power side

当变压器正常运行或保护范围外发生故障时，高压侧短路电流由母线流向变压器（与参考方向一致）为正值，低压侧短路电流由变压器流向母线（与参考方向相反）为负值，电流差值，保护不会动作。

当保护范围内发生故障时，两侧短路电流都是由母线流向变压器（与参考方向一致）均为正值，电流差值，数值很大，保护启动。

1.2 与主接线方式相结合

通常CT装设在开关柜内或变压器上，结合石化装置中35 kV侧线路常采用的三种接线方式：内桥接线、全桥接线（当回路数多于四个时，即为分段单母线接线）和线路-变压器组接线，主变（以T1为例）的差动保护与之对应关系见表1。

图4 35 kV侧线路-变压器组接线Fig.4 Line-transform connection in the power side

图5 变压器大差动保护原理接线Fig.5 Large differential protection principles of transformer

图6 变压器小差动保护原理接线Fig.6 Little differential protection principles of transformer

2 引起变压器差动保护误动的原因

在理想状态下，变压器无论是稳态运行，还是暂态运行，差动保护的方程式均应平衡，电流差值等于零。但实际上，有不平衡电流使电流差值不为零，这些不平衡电流并不是由保护范围内故障引起的，却导致差动保护误动，影响差动保护可靠性。

所谓稳态运行是指变压器带负荷正常运行，将变压器发生外部故障、恢复供电、空载投入等工况称为暂态运行。

2.1 稳态运行时产生不平衡电流的原因

2.1.1 由于变压器两侧Yd11接线存在相位差生成不平衡电流

当变压器绕组采用Yd11接线方式时，三角形接线侧与星形接线侧的线电压相位差为30°，变压器两侧同相电流间相位差为30°，在差动回路中会生成不平衡电流，引起保护误动。

这个问题可以采用Y/Δ转换的办法来解决。将变压器三角形接线侧的CT二次侧接成星形，同时将星形接线侧的CT二次侧接成三角形，这样补偿了变压器两侧电流间的相位差。当采用微机实现变压器差动保护时，两侧CT二次侧都可接成星形，通过微机的软件对电流自动进行相位校准及补偿，消除不平衡电流。

表1 接线方式与差动保护对应表Tab. 1 Connection mode and differential protection corresponding table

2.1.2 由于变压器两侧CT特性曲线存在差异生成不平衡电流

CT带有铁心，在电磁变换过程中，有励磁电流产生，元器件之间特性曲线只可能相近，不可能完全相同。当采用不同型号CT时，铁心励磁电流差异更大，在差动回路中会生成不平衡电流，引起保护误动。

这个问题可以采用适当增大差动门槛值的办法来解决。差动保护启动的主要条件为差动回路中电流差值超过设定门槛值，门槛值就是保护动作的最小值，该值应躲过非保护范围内故障时的最大不平衡电流。

2.1.3 由于变压器变比与CT计算变比存在差异生成不平衡电流

为了满足稳态运行或保护范围外短路时方程式平衡，变压器变比应与两侧CT变比的比值相等，即：

式中 nT——变压器变比；

nTA1、nTA2——变压器两侧CT变比。

但实际上，CT和变压器的变比都是标准型号，变压器的变比与CT计算变比基本不相等。同时变压器每一相的变比之间也存在偏差，在差动回路中会生成不平衡电流，引起保护误动。

当采用微机实现的变压器差动保护时，可采用调整平衡系数的办法来解决。通过微机的软件对变压器两侧一次额定电流和CT变比进行计算，自动调整平衡系数，消除不平衡电流。

2.1.4 由于变压器改变变比生成不平衡电流

由于石化装置连续生产的特点，变压器通常采用改变分接头位置的方式，带有负荷运行时，改变其变比，实现调整系统运行电压的目的。保护装置按原先变压器变比设定好后，当改变变压器变比时，原先的平衡被打破，此时产生的不平衡电流Ibp与通过调压侧最大外部故障电流Idmax成正比，即：

式中 Kn——变压器调压引起的误差比；

±U %—— 调压分接头相对于额定抽头位置的最大变化范围；

Idmax——通过调压侧的最大外部故障电流；Ibp—— 改变变压器的分接头位置后出现新的不平衡电流。

差动保护需要在调压的同时重新进行设定，这种做法不易实现也不安全。

这个问题可以采用适当增大差动门槛值的办法来解决。此门槛值与2.1.2相同。

2.2 暂态运行时产生不平衡的电流原因

2.2.1 由于励磁涌流生成不平衡电流

变压器在电磁变换中，有励磁电流产生。励磁涌流的大小与合闸瞬间电压的相位等因素有关。①当保护范围外发生故障时，导致电网电压值变小，励磁电流相应减小，差动回路的不平衡电流很小，影响可忽略不计；②当变压器稳态运行时，励磁电流很小，差动回路的不平衡电流也很小，影响可忽略不计。③当空载投入或恢复供电时，电压瞬间变大，在变压器接通电源的一侧可能会出现较大的励磁涌流。较大的励磁电流就相当于变压器内部故障时的短路电流，引起保护误动。

当采用微机实现的变压器差动保护时，可采用二次谐波分量条件闭锁差动保护的办法来解决。变压器励磁涌流中二次谐波分量所占比重很大，采用将电流中二次谐波与基波的比率值作为制动系数的方法，可以鉴别出励磁涌流。当比率值超过设定值时，可认为是励磁涌流引起的，闭锁差动保护，保护不动作。

2.2.2 由于保护范围外发生故障时短路电流暂态穿越生成不平衡电流

在保护范围外发生故障的过程中，短路电流中周期分量会使CT的铁心饱和。短路电流中非周期分量因对时间的变化率很小，而成为CT铁心的励磁电流，使CT的铁心严重饱和，CT的二次电流误差更大，在差动回路中会生成不平衡电流，引起保护误动。

当采用微机实现的变压器差动保护时，可采用两段式比率制动特性的办法来解决。比率制动特性就是当制动电流值增大时，差动保护动作值成比率提高。其作用是：当发生保护范围外故障，不平衡电流较大时，有制动作用；当发生保护范围内发生故障，不平衡电流较小时，制动作用最小。如图7所示，线1表示差动回路的不平衡电流，近似一条过0点的直线，短路电流越大，该值越大；线2是无制动时，差动保护的设定值，该值不小于最大不平衡电流Ibpmax；线3为变压器差动保护范围内短路时的电流差值，近似一条过0点的直线，短路电流越大，该值越大；线4为有制动时，差动保护的设定值曲线。当不采用制动时，线3与线2相交于B点，电流差值在0与Icdsd之间，保护不动作；当采用制动时，线3与线4相交于A点，近似认为电流差值在0与Icdqd之间，保护不动作。与无制动比较，采用制动特性后，使保护更灵敏。而使用含两段比率制动特性的差动保护时，使设定更灵活。同时，当发生CT严重饱和时，使保护更可靠。

图7 变压器比率制动差动保护原理Fig.7 Differential protection principles of transformer of ratio braking

图8 差动保护动作特性曲线Fig.8 Braking characteristic curve

3 变压器差动保护实例

某石化装置中，主变容量为20 MVA、电压变比为35±2×2.5 % /10.5 kV、绕组为Yd11、阻抗为7 %。选用西门子7UT6825作为微机保护装置。整定计算包括四部分：变压器参数计算、短路电流计算、保护动作特性参数计算和灵敏度校验。因短路电流计算由调度部门提供，同时灵敏度校验与系统最小运行方式下的短路电流值有关，此处不做介绍。本文着重介绍变压器参数计算和保护动作特性参数计算。

3.1 变压器参数计算

计算结果如表2所示。

3.2 保护动作特性参数计算

3.2.1 差动门槛值（Icdqd）

式中 Ie——主变压器低压侧额定电流；

Krel——可靠系数，一般取1.3～1.5；

Ker—— 主变两侧CT的比误差，一般可取0.06；

表2 变压器参数计算表Tab. 2 Parameter calculation table for transform

ΔU—— 主变压器调压引起的误差，一般可取调压范围中偏离额定值的最大值（百分值）。

按照此计算公式，得到Icdqd= 1.3×（0.06 + 0.05）×Ie= 0.143 Ie。根据国家电力行业标准《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》（DL/T 684—2012，下文简称导则）中建议，门槛值一般取0.3～0.5 Ie。考虑到当保护范围外发生故障时，切除故障后，在变压器两侧的电流中仍存在较大的非周期分量及励磁涌流，而此时CT饱和制动及涌流制动都不一定有效，有可能差动保护误动。

在本项目中，该值最终取值为0.5 Ie。如此，前文2.1.2、2.1.3和2.1.4所述的问题也解决了。

3.2.2 差动速断值（Icdsd）

该保护本质是差动保护的一个辅助保护，不带任何闭锁和制动条件，只要电流差值达到速断设定值，立即跳闸。其目的是防止由于CT严重饱和时，引起保护延迟动作。根据导则，该值应不小于变压器励磁涌流或保护范围外短路最大不平衡电流。一般主变空载投入时的励磁涌流大于最大不平衡电流，即：

式中 Ie——主变压器低压侧额定电流；

K—— 主变空载投入时最大励磁涌流倍数，视变压器容量和电抗大小而定。

在本项目中，该值最终取值为8倍Ie。

3.2.3 曲线1的制动系数（K1）和基准点

比率制动特性曲线1是过原点的直线，主要考虑CT未达到饱和状态时的误差。此时CT误差基本与穿越电流大小成比例。根据导则，可按下式整定：

式中 Krel、ΔU、Ker同式（3），但Ker应比式（3）中大，可取0.1；

Kap——非周期分量系数，可取1.5～2.0；

Kcc—— 为CT 的同型系数，可取1.0。

在本项目中，K1= 1.3×（ 1.5×1×0.1+ 0.05）= 0.26，同时基准点在零点处。

3.2.4 曲线2的制动系数K2和基准点

当保护范围外部发生故障时，CT严重饱和，测量误差增大，此时采用更高的制动特性，使保护可靠动作。

在本项目中，K2最终取值为0.5，基准点在2.5倍Ie处。如此，前文2.2.2所述的问题也解决了。如果希望按照传统的一段式比率制动特性来整定，只需K2= K1，基准点选0即可。

3.2.5 二次谐波制动比

二次谐波制动比指的是各相电流中二次谐波分量与基波分量的比值。

根据运行经验及导则，在本项目中，该值最终取值为15 %。如此，前文2.2.1所述的问题也解决了。

综上，保护动作特性参数计算结果如表3所示。

表3 保护动作特性参数表Tab.3 the characteristic parameters table of protection operation

根据表3，可确定一条保护动作特性曲线，如图8所示。该曲线相当于模拟图7中曲线4。

4 结束语

虽然变压器已经采用差动保护作为内部短路故障的主保护，而且差动保护比瓦斯保护等动作速度要快，但差动保护不能替代瓦斯保护和压力保护。例如变压器发生匝间短路时，因短路的匝数不同，流入和流出变压器的电流方向不一定改变，电流差值可能很小，此时差动保护可能不会动作，这时依靠瓦斯保护或压力保护动作断开变压器，否则会发生更危险的事故。

[1]GB/T 50062—2008. 电力装置的继电保护和自动装置设计规范[S].

[2]DL/T 684—2012. 大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].

[3]国家电网继电保护培训教材[Z].

Discussion of the Method for Differential Protection of Transformer Used in Petrochemical Plant

Li Qifan
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Combined with engineering practice, various methods for differential protection for 35 kV transformer used in petrochemical plant were discussed. The cause of error action possibly occurred in differential protection was analyzed. Finally based on theory and linked with practice, with Yd11 double winded transformer and SIMENS 7UT6825 set as examples, the procedure of integral relay protection was introduced.

transformer; differential protection; ratio-differential

TQ 056.2

A

2095-817X（2016）06-0012-006

2016-08-24

李启凡（1978—），男，工程师，主要从事石化工程电气设计工作。