1、1变压器相间短路保护研究摘要：通过对差动保护比率制动整定计算中动作电流与自动系数分析，纠正了整定计算中一些错误概念。实现这种动作特性的纵差继电器以差动电流作为动作电流，引入一侧或多侧短路电流作为制动电流。评论了各种微机差动保护，在此基础上拟定了多段式微机差动继电器方案，并介绍了差动比率制动整定方案和内部故障时灵敏度问题。关键词： 相间短路；差动保护； 复合电压启动过电流保护；相位补偿 1.引言随着电力系统容量的增大，大机组不断增多，在电力主设备上要求装设优越完善的或者双重化的继电保护装置，这不仅对电力系统的可靠运行有着重大意义，而且可保护重要而昂贵的的主设备减少在各种设备和异常运行中所造成的设
2、备损坏，还有着显著的经济效益。因此，在电力主设备的保护设计中应遵守的原则是符合现行的继电保护和安全自动装置技术规程 （GB 14285-2006） ，对具体的工程设计项目，则要求保护在配置、原理接线和设备选型等方面，根据电气主接线和被保护设备的一次接线及主设备的运行工况和结构特点，达到可靠性、灵敏性、速动性和选择性等四性要求。当灵敏性与选择性产生矛盾时，首先要保证灵敏性，没有灵敏性即失去了装设保护的意义；当快速性与选择性产生矛盾时，宜先满足选择性，但特殊情况下也可考虑快速无选择性动作并采取补救措施。2 变 压 器 保 护 装 设 原 则 1电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将对
3、对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。同时大容量的电力变压器也是十分重要的元件，因此必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。（一） 变压器应根据工程具体情况考虑装设相应的保护对升压、降压、联络变压器的下列故障及异常运行状态，按规定装设相应的保护装置：绕组及引出线的相间短路和中性点直接接地或经小电阻接地侧的接地短路；绕组的匝间短路；外部相间短路引起的过电流；中性点直接接地或经小电阻接地电网中外部短路引起的过电流及中性点过电压；过负荷；过励磁；中性点非有效接地侧的单相接地故障；油面降低；变压器油温、绕组温度过高及邮箱压力过高和冷却系统故障。根据继电保护和安全自
4、动装置技术规程 （GB 14285-2006）及变压器保护装设的基本要求，对安砂水电站变压器应装设差动保护、瓦斯保护、复合电压启动过电流保护、对称过负荷保护和过电压保护。（二） 变压器保护装设的基本要求 21. 变压器对主保护的要求对变压器的内部、套管及引出线的短路故障，按其容量及重要性的不同，应装设下列保护作为主保护，并瞬时动作于断开变压器的各侧断路器：（1）电压在 10kV 及以下、容量在 10MVA 及以下的变压器，采用电流速断保护。（2）电压在 10kV 以上、容量在 10MVA 及以上的变压器，采用纵差保护。对于电压为 10kV 的重要变压器，当电流速断灵敏度不符合要求时也可采用纵差
5、保护。（3）电压为 220kV 及以上的变压器装设数字式保护时，除非电量保护外，应采用双重化保护配置。当断路器具有两组跳闸线圈时，两套保护宜分别动作于断路器的一组跳闸2线圈。2. 变压器对差动保护的基本要求纵联差动保护应满足下列要求：（1）应能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流；（2）在变压器过励磁时不应误动作；（3）在电流回路断线时应发出端线信号，电流回路断线允许差动保护动作跳闸；（4）在正常情况下，纵联差动保护的保护范围应包括变压器套管和引出线，如不能包括引出现时，应采取快速切除故障的辅助措施。在设备检修等特殊情况下，允许差动保护短时利用变压器套管电流互感器，此时套管和引线故障由后备保
6、护动作切除；如电网安全稳定运行有要求时，应将纵联差动保护切至旁路短路器的电流互感器。3. 变压器装设相间短路后备保护的基本要求对外部相间短路引起的变压器过电流，变压器应装设相间短路后备保护。保护带延时跳开相应的断路器。相间短路后备保护宜选用过流保护、复合电压（负序电压和线间电压）启动的过电流保护或复合电流保护（负序电流和单相式电压启动的过电流保护） 。（1） 35-66kV 及以下中小容量的降压变压器，宜采用过电流保护，其保护的整定值要考虑变压器可能出现的过负荷。（2） 110-500kV 降压变压器、升压变压器和系统联络变压器，相间短路后备保护用过电流保护不能满足灵敏性要求时，宜采用复合电压
7、启动过电流保护或复合电流保护。4.影响变压器纵联差动保护的因素。电流差动保护从原理上讲，灵敏性高，选择性好。但由于变压器各侧的额定电压和额定电流不相等各侧电流的相位也不同，且高低压侧是通过电磁联系的在电源侧有励磁电流存在，更严重的是在空负荷合闸或外部短路故障切除有电压恢复时，有很大的励磁涌流出现，都将导致差动回路中的暂态不平衡电流和稳态不平衡电流大大增加，这便构成了实现变压器纵差保护的特殊问题（1）变压器励磁涌流所引起的不平衡电流对差动保护的影响。（2）变压器两侧的电流相位不同产生的不平衡电流。（3）两侧电流互感器型号不同和计算变比与实际变比不同引起的不平衡电流对变压器差动的影响。（4）变压器
8、带负荷调整分接头产生的不平衡电流对变压器差动的影响3.变压器差动保护分析（一） Y、d 变压器差动保护不平衡电流产生的原因及减小不平衡电流的方法 34在电力系统中大、中型变压器采用 Y,d11 接线的很多，变压器一、二次侧线电流相位差为 30，如果两侧电流互感器采用系统接线方式，即使 和 的数值相等，其不平衡1I2电流为 =2 sin15=0.518 。因此，必须补偿由于两侧电流相位不同而引起的不平1unbI1I衡电流。具体方法是将 Y,d11 接线的变压器星形侧的电流互感器接成三角线接线，三角线接线侧的电流感器接成星形线接线这样可以使两侧电流互感器二次连接臂上的电流 和2ABI相位一致如图
9、3-1（a）所示，变压器 Y,d11 接线的电流相位图如图 3-1（b）所2abI示。按图 3-1（a）接线进行行为补偿后，高压侧保护臂中电流比该侧互感器二3次侧电流打大 倍，为使正常负荷时两侧保护臂中电流接近相等，故高压侧互感器变3比侧增大 倍或采用计算机补偿增大 倍。3在实际接线中，必须严格注意与两侧电流互感器的极性要求，要防止发生差动继电器的的了相互接错，极性接反现象。在变压器差动保护投入前要做一次接线检查，在运行后，如测量不平衡电流值过大不合理时，应在变压器带负荷时，测量互感器一二次侧的相位关系，判别接线是否正确。图 3-1（a）为 Yd11 接线的三相变压器及差动保护用两侧电流互感器
10、的接线；图 3-1（b）为电流相量图。其中 、 、 分别表示变压器星形侧的线电流，该侧电流互感AYIBICY器二次电流为 、 、 ，因电流互感器为三角形接线，故流入差动臂的三个电abc流用软件补偿相位时可求得用做差动计算的三相电流为 、 和 为：IaYbIcY/IaY(bYI)aY3/bc/IcY(aI)Y它们正好分别与变压器三角形接线侧电流互感器二次侧的电流方向反 ，故流入继o180电器的总电流从理论上讲可以校正平衡。但其计算结果也是必须达到图 3-1 相位校正的效果。为了使正常工作及外部故障时差动回路中两差动臂的电流大小相等，可以通过适当选择电流互感器变比解决，考虑到电流互感器的二次额定电
11、流为 时，变压器三角形接线侧的A5电流互感器变比应为（3-3）5.NddTAIn变压器星形侧的电流互感器变比应为（3-4）3.TYYTAI上式中 变压器组成星形侧的额定电流。TYI变压器绕组接成三角形侧的额定电流；dn.4在进行相位补偿的同时还要进行数值补偿（将 Y 侧电流互感器接成 d 形） ，即。根据式（3-3）和式（3-4 ）的计算结果，选定一个接近并稍大于计算值的标准变53NI比。图 3-1 Yd11 接线变压器的差动保护接线和相量图（a）接线图； （b）电流相量图（二）拐点电流的选择带比率制动特性的差动保护的动作特性，如图中折线 ABC 所示，图中，纵坐标为动作电流 ，横坐标为制动电
12、流 ，由线段 AB、BCopIresI组成，特性的上方为动作区，下方为制动区。 5称为最小动作电流， 称为最小min.opI min.resI制动电流，又称拐点电流（一般取 ）。TANI0.15由于电流互感器的饱和与许多因素有关，制动特性中非线性部分的具体数值是不易确定的。而在两折线式微机变压器差动保护整定计算中，参数整定有两种方法：第一种，根据最大误差确定制动系数 ，再由拐点制动电流求出最小动作电流；resK第二种方法是先确定最小动作电流，选择拐点制动电流，确定斜率 ，最后确定制动系数S。最后根据制动电流求出保护动作电流，差动电流除以保护动作电流，求出灵敏系数。resK其两种方法在整定计算时
13、个各有其有缺点，第二种方法在整定时计算简单，安全可靠，但偏于安全。用第一种方法整定时，当拐点电流 取小时，其动作区减少，制动区增大，resI灵敏度增大，这样容易失去选择性。其实制动电流达到多少时电流互感器开始饱和也是难以确定的，通常认为制动电流小于或略大于变压器额定电流时肯定不会饱和。故拐点电流选取的范围为：resI TANresnII)0.15(4.对差动保护、复合电压启动过电流保护进行评价（一） 、变压器的差动保护变压器差动保护的范围是构成变压器差动保护的电流互感器之间的电气设备、以及连接这些设备的导线。由于差动保护对保护区外故障不会动作，因此差动保护不需要与保护区外相邻元件保护在动作值和
14、动作时限上相互配合，所以在区内故障时，可以瞬时动作。但其缺点是对变压器内部不严重的匝间短路反映不够灵敏。变压器因装瓦斯保护。（二） 、复合电压启动过电流保护复合电压启动的过电流保护通常作为变压器的后备保护,它是由一个负序电压继电器和一个接在相间电压上的低电压继电器共同组成的电压复合元件,两个继电器只要有一个动作,同时过电流继电器也动作,整套装置即能启动。该保护较低电压闭锁过电流保护，在后备保护范围内发生不对称短路时,有较高灵敏度。在变压器后发生不对称短路时,电压启动元件的灵敏度与变压器的接线方式无关。由于电压启动元件只接在变压器的一侧,故接线比较简单。5.结论(1)比率差动保护的构成较复杂，影
15、响其动作因素很多。对继电保护的基本要求（选择性、可靠性、灵敏性和速动性）是互相联系而又不想矛盾，例如，有计算说明书表明灵敏系数复合要求时并不能保证保护的可靠性，综合考虑各种不确定因素，对保护进行可靠性评估，确有必要且是可行的。6（2）变压器保护的各保护之间应在动作值和动作时限上相互配合，同时也应该在对继电保护的基本要求出发相互配合，例如在复合电压启动的过电流保护中由于低压侧的低电压元件灵敏度不够，故在高压侧加装一套保护。以确保元件的可靠安全。（3）通过电力变压器纵差保护电路进行分析，找出常见不平衡电流产生的原因，并提出一些措施，提高变压器差动保护正确动作率，确保变压器的运行，保证电力系统的的稳定。参考文献【1】 高有权、高华 发电机变压器继电保护设计及整定计算 中国电力出版社 2011.【2】 许建安 中小型水电站电气设计手册 中国水利水电出版社 2002.【3】 许建安 电力系统继电保护 黄河水利出版社 2008.
