第２２卷第１期 ２０１０年３月 浙江水利水电专科学校学报 Ｊ．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｗａｔ．Ｃｏｎｓ＆Ｈｙｄｒ．Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｖｏ１．２２ Ｎｏ．１ Ｍａｔ．２０１Ｏ 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３１０００４） ３１００２０： ３．浙江华电科技有限公司，浙江杭州摘要：电源容量、电源数量、线路数量、电压等级的快速增长，使对影响系统供电可靠性和电能质量的设备要求提高， 作为保护变压器正常运行的保护装置的灵敏性尤其重要．分析了影响变压器差动保护灵敏性的不平衡电流产生的机 理，以及传统的继电器保护产品和微机保护装置对这些影响因素的归算思路，提出在以后继电保护调试和年度预试工 作中碰到变压器保护不正常工作现象的解决对策． 关键词：变压器；差动保护；归算；分析 中图分类号：ＴＭ４０１ ．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—５３６Ｘ（２０１０）０１ ００３２—０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ＰＡＮ Ｚｈｉ．ｊｕｎ ，ＦＡＮ Ｑｉｎ２，ＤＩＮＧ Ｊｉｅ．ｊｉｎｇ３ （１．Ｈａｎｇｚｈｏｕ ｏｕｔＳｈｅｍ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｅｎ西ｎｅｅｆｉｎｇ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｏｆｆｉｃｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｊｉａｎｇｎｅｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２０，Ｃｈｉｎａ；３．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｈｕａｄｉａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１０００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｎｕｍｂｅｒ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｅｖｅｌ，ｄｅｍａｎｄｓ ｇｒｅａｄｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｙ ｏｆ ｐｒｏｔｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｗｈｉｃｈ ｅｎｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓ— ｏｒｍｅｒｓ．Ｔｆｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｕｎｂａｌａｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｍａｙ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｔａｎｓｆｏｒＩｎｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉｌ ａｐｒｏｔｃｔｅｉｏｎ，ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｉｔｏｎａｌ ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ－ｂａｓｅｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｓｏｍｅ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｌｌｌ￣ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ａｎｄ ｎｏｒｍａｌ ａｎｎｕａｌ ｔｅｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｄｉｆｅｒｅｎｔｉｌａ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ；ａｎａｌｙｓｉｓ 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 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 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 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． 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 收稿日期：２００９．０９，０９ 作者简介：潘志军（１９７６一），男，浙江慈溪人，工程师．主要从事水电 站、变电所、大中型泵站电气试验及研究工作． 第１期 潘志军等：变压器差动保护归算思路分析与对策 ３３ 母线 母线 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１１ Ａ．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 就是流人保护装置的电流大小不相同【 ． ２．２变压器接线组别的影响 变压器的接线组别Ｙ／Ｙ或△／△，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／△一１１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［ ．另Ｊ＇ｂ￣Ｎ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 △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【 ．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／Ａ一 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： ｎ２＝ｋ２／ｋ１ｋｎ１ （１） 式中， 一变压器变比； 一变压器高压侧ＣＴ接线系数，星型接线等于 １，三角形接线等于√３； ２一变压器低压侧ＣＴ接线系数； １一变压器高压侧ＣＴ变比； ／２ ，一变压器低压侧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 分不平衡电流流人继电器，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［ ．一般 输入量（如Ａ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 ，ｅ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，ｅ标幺值．如南瑞ＲＳＣ一９０００系列装置对 浙江水利水电专科学校学报 第２２卷 于变压器的ｙ接线侧平衡系数： ＝（Ｕ Ｘ Ｃ 】）／ｓⅣ，对于变压器的△接线侧： ＝（√３×Ｕ２× ＣＴ２１）／ＳⅣ，其中Ｋ１、 为内部补偿系数，Ｕ１、Ｕ２为各侧 额定电压，ＣＴ ＣＴ２】为各侧ＣＴ额定变比，Ｓ＾，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 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，ｅ的概念 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，ｅ是根据主变容量得到的， 电磁式保护（比如工程中常见的ＢＣＨ一２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／Ａ接线，高压侧ＣＴ二 次采用△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３０ｏ，低压侧ＣＴ接成Ｙ／Ｙ，角度没有 偏移．高压侧ＣＴ接成Ｙ／Ａ，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／△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／△一１１接线，同低压侧 相比较运算的并不是高压侧 ，参与差流计算的ｙ 侧３相电流量分别是： ＝ 一 、／Ｓｈ ＝ 一 、 ＝，ｃ＾一 （都为矢量减）．这样得到的线电流 ＾ ，角度左移（后退）３０￣，同低压侧，Ⅱ２同相位 ｊ，见 图２． 减后参与计算欠量 ——— ｙ侧 ， △侧 ，ｂ｛——＋ 图２相量变换示意图 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±４Ｘ ２．５％／１１ ｋＶ；接线组别Ｙ／Ａ一１１； ＣＴ变比２００／５，２０００／５；ＣＴ为Ｙ／Ｙ． 额定电流计算公式／ｅ＝ｓ／（４￣Ｕ）／ＣＴ￣ 高压侧 ＝３１ ５００ ｋｖＡ／（１．７３２ Ｘ １１０ ｋＶ）／２００／５ ＝１６５．３３７Ａ／４０＝４．１３３Ａ 低压侧／ｅ＝３１ ５００ ｋＶＡ／（１．７３２Ｘ 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，ｅ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 电流值，得到各侧电流相 对于本侧额定电流Ｉ ｌ 比例值（标幺值）．采用各侧的，ｅ 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／ｅ．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１／ｅ；低压侧电流为一４．１３３ Ａ，得 到标幺值一１／ｅ．程序计算差流时会把这两侧／ｅ相加 求得到差流／ｄ＝０／ｅ． 求，ｅ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；／ｅ在差动归算中， 是一 个标幺值，是一个可以统一计算的中问度量单位（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，ｅ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 第１期 潘志军等：变压器差动保护归算思路分析与对策 ３５ 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△／△（ＣＴ都是 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 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 具体值，实际采样值同本侧，ｅ 相除，得出本侧以尼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／△一１１，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 ＝Ｉ ｈ—ＩＢｈ、ＩＢｈ ＝ＩＢｈ—ＩＣｈ、Ｉｃｈ ＝Ｉｃｈ—ＩＡｈ 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／Ａ一１，处理过程一样，只是矢量相减的相别发 生一下变化： ＝ 一Ｉｃｈ，１８ｈ ＝１８ｈ一 ， ＝ 一 ，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 Ｊ．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 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． 参考文献： ［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 一ｌ９． ［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．
