国外变压器差动保护原理浅析.doc

bb0d0b55b432c4177de2ca2bbaa587f9.pdf国外变压器差动保护原理浅析深圳市中电电力技术有限公司 刘洪波 摘要 本文以美国SEL公司生产的微机型变压器电流差动保护装置SEL-587、SEL-387为例，介绍了国外微机型变压器电流纵差保护原理。本文从简单的单相变压器差动保护入手，介绍电流纵差保护原理。进而讨论两圈变Y/-11接线三相变压器差动保护、三圈变Y/Y/-11接线三相变压器差动保护，分析了因变压器连接组别、二次CT接线方式引起的变压器各绕组侧二次电流之间存在的相角差及幅值差，及微机对各侧二次电流的计算处理。近年来，由于计算机技术的迅猛发展，微机型保护装置正逐步取代传统保护；同时一些先进可靠的国外微机保护装置也涌入我国。目前国外微机保护装置在我国使用越来越广泛。这里就将美国SEL公司生产的微机型变压器电流差动保护的原理介绍给大家。单相变压器差动保护原理的简单说明先以单相变压器介绍差动保护原理。假设变压器绕组1（通常为高压侧）额定电压为U1，CT变比为CT1；绕组2（通常为低压侧）额定电压为U2，CT变比为CT2。正常运行时，由于变压器损耗很小，可近似认为高低压侧视在功率相等，因而有: S=U1*I1=U2*I2(I1为高压侧电流，I2为低压侧电流)所以：I1/I2=U2/U1假设高压侧CT二次电流为I1, 低压侧CT二次电流为I2，则有：I1=CT1*I1 I2=CT2*I2那么：I1/I2=(CT1*I1)/(CT2*I2)=U2/U1所以：I1/I2=(CT2*U2)/(CT1*U1)=(CT2/CT1)*(U2/U1) 结论：正常运行时单相变压器高低压侧CT二次电流成正比。变换式：I1-(CT2/CT1)*(U2/U1)*I2=0令变压器差流：d=1-k*2（相量运算） 其中平衡系数k=(CT2/CT1)*(U2/U1)=(U2*CT2)/(U1*CT1)忽略误差，理论上高低压侧CT二次电流成一正比。所以，无论正常运行还是外部短路，差流均近似为零，而内部故障则会出现差流。由于高低压侧CT二次电流成一正比，此比例往往也不会等于1。在取高低压侧CT二次电流做差动保护时，需将低压侧电流乘以系数k。对于常规电磁型差动保护即让低压侧电流线圈匝数为高压侧的k倍(或等效)；对于微机型差动保护，将低压侧CT电流直接乘以k后，再与高压侧电流做相量运算。平衡系数k也可由另外的方法得到：k=I1n/I2n其中I1n为高压侧CT二次额定电流，I2n为低压侧CT二次额定电流。这两种计算方法是等效的，证明如下：I1n=S/(U1*CT1) I2n=S/(U2*CT2) I1n/I2n=S/(U1*CT1)/S/(U2*CT2)=(U2*CT2)/(U1*CT1)=k将式等号两边除以I1n，得:d/I1n=(1/I1n)-(k*2/I1n)=(1/I1n)-( 2/I2n)这样得到了按标么值计算的差流公式。由于变压器存在励磁电流；CT传变存在误差；调压变压器还要考虑分接头引起的额外误差（分接头档位变化导致电压比(U1/U2)变化）；同时也要考虑继电器的测量误差。所以随着外部电流的增大，变压器差流也会增大，特别是在外部短路时。因此，变压器差动保护不能简单采取差流超过一固定门槛值就动作：定值太低，在变压器外部故障穿越电流很大时，差流大于门槛值而导致差动保护误动作；定值太高，保护灵敏度不够。美国SEL公司的变压器差动保护采用比例制动，较好地解决了这一问题。比例制动差动保护动作原理：制动电流：Izd=(|1|+|k*2|)/2 (制动电流是考虑了平衡系数的两侧电流绝对值相加除以二)保护动作条件：Id差动门槛，同时Idk1*Izd (k1为制动系数)变压器差动保护还得考虑以下问题：空投变压器时，由于存在励磁涌流，会导致差动保护误动作。由于励磁涌流中有较大的二次谐波成分，常见的解决方法是用二次谐波制动差动保护：IF2k2*IF1(k2为二次谐波制动系数)，即二次谐波大于一定比例的基波电流后制动差动保护。励磁涌流也可能在以下情况出现：外部故障导致变压器电压降低，切除外部故障后电压恢复正常。为了防止变压器过励磁，引入了5次谐波闭锁（类似于2次谐波）。为了防止严重故障时，比例制动差动保护不动作，引入了差动速断保护。差动速断保护动作条件：Id差动速断定值。差动速断保护不受2次谐波闭锁、5次谐波闭锁和比例制动闭锁。两圈变三相变压器差动保护原理说明美国SEL公司生产的SEL-587微机型变压器电流差动保护装置适用于2卷变，其原理（运算处理）分析如下：对于YY接线的两圈变三相变压器差动保护，其原理与单相变压器差动保护原理相似，在此不再分析。对于Y/接线的两圈变三相变压器差动保护，特别是Y/-11点接线的两圈变，我国应用很多。Y/变压器差动保护的特殊性在于其CT二次电流的星三角变换，其它的与单相变压器类似。下面以此为例进行分析。两圈变Y/-11三相变压器差动保护原理说明图1：Y/-11接线变压器带有Y-Y的CT连接上图为Y/-11接线变压器，二次CT接线为YY，极性按上图中定义。假设Y侧为高压侧，为低压侧；U1为变压器高压侧额定线电压，atr1为变压器高压侧线圈A相绕组电流，aL1为变压器高压侧A相线路电流；U2为变压器低压侧额定线电压，atr2为变压器低压侧线圈绕组A相电流，aL2为变压器低压侧线路A相电流；B、C相定义同理。注意：以上电流值均为相量。则：aL1=atr1 aL2=atr2-btr2说明：tr:transformer(变压器) L:Line(线路) W:Winding(线圈)假设变压器高压侧CT变比为CTR1，A相CT二次电流为AW1；变压器低压侧CT变比为CTR2，A相CT二次电流为AW2。则：AW1=aL1/CTR1 AW2=aL2/CTR2 由于aL2=atr2-btr2=-(U1/U2)*(atr1-btr1)=-(U1/U2)*(AW1-BW1)*CTR1其中：atr1/atr2=-U2/(U1/) btr1/btr2=-U2/(U1/)注意：变压器高低压线圈绕组电流成正比，线路高低压侧电流不成正比。CTR2*AW2=-(U1/U2)*(AW1-BW1)*CTR1(AW1-BW1)/AW2=-(CTR2/CTR1)*(U2/U1) 结论：与单相变压器不同，正常运行时Y/-11接线三相变压器高低压侧CT二次电流不成正比；经过上式变换后的电流成正比。下面按照SEL587差动保护的计算方法描述整个计算处理过程。变换式得(AW1-BW1)+(CTR2/CTR1)*(U2/U1)*AW2=0令变压器差流：da=(AW1-BW1)+(CTR2/CTR1)*(U2/U1)*AW2 令：主变容量：MVA 高压侧线电压：VWDG1(U1) 低压侧线电压：VWDG2(U2)变压器高压侧电流调节变比：变压器低压侧电流调节变比：将式等号两边除以*TAP1得：da/(*TAP1)=(AW1-IBW1)/(*TAP1)+(CTR2/CTR1)*(U2/U1)* AW2/(*TAP1)其中：(CTR2/CTR1)*(U2/U1)*AW2/(*TAP1)=(CTR2/CTR1)*(U2/U1)*AW2*VWDG1*CTR1/(MVA*1000)=AW2*U2*CTR2/(MVA*1000)=AW2/TAP2da/(*TAP1)=(AW1-BW1)/(*TAP1)+AW2/TAP2令：OP1=da/(*TAP1)=(AW1-BW1)/(*TAP1)+AW2/TAP2同理令：OP2=(BW1-CW1)/(*TAP1)+BW2/TAP2 OP3=(CW1-AW1)/(*TAP1)+CW2/TAP2这样得到了按标么值计算的差流公式，正常运行时，IOP1、IOP2、IOP3均约为零。注意：高压侧作差流运算时A相是用A-B，实质是完成星三角变换。高压侧作标么值运算时除以的是*TAP1，而不是TAP1，原因：星三角变换后，电流值为额定值的倍。令制动电流：IRT1=(AW1-BW1)/(*TAP1)+AW2/TAP2/2 IRT2=(BW1-CW1)/(*TAP1)+BW2/TAP2/2 IRT3=(CW1-AW1)/(*TAP1)+CW2/TAP2/2如果外部CT接成-11/Y，则外部CT完成了星三角变换，且幅值增大为倍(三相对称)，此处不再讨论。将差动电流用矩阵形式表示： (相量运算)另一种变换形式以上讨论是高压侧(变压器星型接线侧)作变换，也可以将低压侧(变压器三角形接线侧)作变换。假设：高压侧CT二次电流正序分量为h，负序分量为h，零序分量为h；低压侧CT二次电流正序分量为l，负序分量为l，零序分量为l(l=0)。则：(h/TAP1)/(l/TAP2)=-j*=(h/TAP1)/(l/TAP2)+j*=而h+h=*(TAP1/TAP2)*l+*(TAP1/TAP2)*l=(TAP1/TAP2)*l+*l=(TAP1/TAP2)*(AW2+a*BW2+a*CW2)/3+*(AW2+a*BW2+a*CW2)/3=TAP1/(3*TAP2)*AW2(+)+BW2(+)+CW2(+)=TAP1*(AW2-CW2)/(*TAP2) 其中：a-+j*=且h+h=AW1-0h=AW1-(AW1+BW1+CW1)/3=(2*AW1-BW1-CW1)(2*AW1-BW1-CW1)= TAP1*(AW2-CW2)/(*TAP2)(2*AW1-BW1-CW1)/TAP1=(AW2-CW2)/(*TAP2) 由于：AW2+BW2+CW2=0低压侧变换的矩阵也有还有其它形式，如：，等。关于零序电流的讨论零序电流对差动保护的影响是一个必须要注意的问题。如果星型侧有零序电流分量，那么变压器绕组内电流之比就不是电压比(线圈匝数比)的倒数。Y/-11变压器线路两侧是不能传递零序分量的。差动保护如果不消除零序电流，可能会引起保护误动作。而星三角变换自动滤除了零序分量。证明如下：AW1=h+h+h BW1=a*h+a*h+h CW1=a*h+a*h+h则：OP1=(AW1-BW1)/(*TAP1)+AW2/TAP2=(h+h+h-a*h-a*h-h)/(*TAP1)+AW2/TAP2=(h+h-a*h-a*h)/(*TAP1)+AW2/TAP2说明差流计算中，高压侧的零序电流已经消除。三圈变三相变压器差动保护原理说明美国SEL公司生产的SEL-3587微机型变压器电流差动保护装置适用于3卷变、4卷变，其原理（运算处理）分析如下：国内典型三圈变接线为：Y0YDAB(高压侧/中压侧/低压侧)，接线与极性定义参照图1。假设：U1为变压器高压侧额定线电压，atr1为变压器高压侧线圈A相绕组电流，aL1为变压器高压侧A相线路电流,变压器高压侧绕组线圈匝数为n1；U2为变压器中压侧额定线电压，atr2为变压器中压侧线圈A相绕组电流，aL2为变压器中压侧A相线路电流，变压器中压侧绕组线圈匝数为n2；U3为变压器低压侧额定线电压，atr3为变压器低压侧线圈A相绕组电流，aL3为变压器低压侧A相线路电流，变压器低压侧绕组线圈匝数为n3；B、C相定义同理。注意：以上电流值均为相量。则： aL1=atr1 aL2=atr2 aL3=atr3-btr3忽略励磁电流，则：atr1*n1+atr2*n2+atr3*n3=0另有：(U1/):(U2/):U3=n1:n2:n3 (电压比等于匝数比)则：atr1*(U1/U3)*n3+atr2*(U2/U3)*n3+atr3*n3=0 atr1*U1+atr2*U2+atr3*U3=0 同理：btr1*U1+btr2*U2+btr3*U3=0 式-式得：(atr1-Ibtr1)*U1+(atr2-btr2)*U2+(atr3-btr3)*U3=0即：(aL1-bL1)*U1+(aL2-bL2)*U2+aL3*U3=0 假设：变压器高压侧CT变比为CTR1，A相CT二次电流为AW1；变压器中压侧CT变比为CTR2，A相CT二次电流为AW2；变压器低压侧CT变比为CTR3，A相CT二次电流为AW3。B、C相同理定义，则：AW1=aL1/CTR1 AW2=aL2/CTR2 AW3=aL3/CTR3BW1=bL1/CTR1 BW2=bL2/CTR2 BW3=bL3/CTR3代入式得：CTR1*U1*(AW1-BW1)+CTR2*U2*(AW2-BW2)+CTR3*U3*AW3=0下面按照SEL387差动保护的计算方法描述整个计算处理过程。令变压器差流：da=(AW1-BW1)+(AW2-BW2)/CTR1*U1/(CTR2*U2)+AW3/CTR1*U1/(CTR3*U3) 令：主变容量：MVA 高压侧线电压：VWDG1(U1) 中压侧线电压：VWDG2(U2) 低压侧线电压：VWDG3(U3)变压器高压侧电流调节变比：变压器中压侧电流调节变比：变压器低压侧电流调节变比：注意：此电流与普通变压器定义的额定电流不同。将式等号两边除以*TAP1得：da/(*TAP1)=(AW1-BW1)/(*TAP1)+(AW2-BW2)/CTR1*U1/(CTR2*U2) /(*TAP1)+AW3/CTR1*U1/(CTR3*U3)/(*TAP1)其中：CTR1*U1*TAP1*/(CTR2*U2)=CTR1*U1*=*=*TAP2同理：CTR1*U1*TAP1/(CTR3*U3)=TAP3da/(*TAP1)=(AW1-BW1)/(*TAP1)+(AW2-BW2)/(*TAP2)+AW3/TAP3令：OP1=da/(*TAP1)=(AW1-BW1)/(*TAP1)+(AW2-BW2)/(*TAP2)+AW3/TAP3同理令：OP2=(BW1-CW1)