变压器差动保护.doc

第二节 变压器差动保护1.概述电气主设备内部故障的主保护方案之一是差动保护，差动保护在发电机上的应用是比较简单的，但是作为变压器内部故障的主保护，差动保护将有许多特点和困难。变压器有两个和更多个电压等级，构成差动保护所用电流互感器的额定参数各不相同，由此产生的差动保护不平衡电流将比发电机大得多。变压器每相原副边电流之差(正常运行时的励磁涌流)将作为变压器差动保护不平衡电流的一种来源，特别是当变压器过励磁运行时，励磁电流可达变压器额定电流的水平，势必引起差动保护误动作。更有甚者，在空载变压器突然合闸时，或者变压器外部短路被切除而变压器端电压突然恢复时，暂态励磁电流(即励磁涌流)的大小可与短路电流相比拟，在这样大的不平衡电流下，要求差动保护不误动，是一个相当复杂困难的技术问题。正常运行中的变压器，根据电力系统的要求，需要调节分接头，这又将增大变压器差动保护的不平衡电流。变压器差动保护能反应高、低压绕组的匝间短路，而匝间短路时虽然短路环中的电流很大，但流入差动保护的电流可能不大。变压器差动保护还应能反应高压侧(中性点直接接地系统)经高阻接地的单相短路，此时故障电流也较小。综上所述，差动保护用于变压器，一方面由于各种因素产生较大和很大的不平衡电流，另一方面又要求能反应具有流出电流的轻微匝间短路，可见变压器差动保护要比发电机差动保护复杂得多。2.配置原则对变压器引出线、套管及内部的短路故障，应装设相应的保护装置，并应符合下列规定：(1) 10MVA及以上的单独运行变压器和6.3MVA及以上的并列运行变压器，应装设纵联差动 保护。6.3MVA及以下单独运行的重要变压器，亦可装设纵联差动保护。(2) 10MVA以下的变压器可装设电流速断保护和过电流保护。2MVA及以上的变压器，当电 流速断灵敏系数不符合要求时，宜装设纵联差动保护。(3) 0.4MVA及以上，一次电压为10kV及以下，线圈为三角-星形连接的变压器，可采用两 相三继电器式的过流保护。(4) 以上所述各相保护装置，应动作于断开变压器的各侧断路器。3.要求达到的性能指标(1) 具有防止区外故障误动的制动特性；(2) 具有防止励磁涌流引起误动的功能；(3) 宜具有TA断线判别功能，并能选择闭锁差动或报警，当电流超过额定电流的1.52倍 时可自动解除闭锁；(4) 动作时间(2倍整定值时)不大于50ms；(5) 整定值允差5%。4.原理及其微机实现4.1四方4.1.1 保护原理变压器差动包括主变差动、发变组差动、厂用变差动、起/备变差动、励磁变差动等，对于高压侧为500kV的一个半开关接线方式，发变组差动及主变差动保护应反应四侧的电流量。保护配置有差动电流速断保护、比率差动保护、CT二次回路断线检测等功能。设有二次谐波制动方案或模糊识别原理的涌流闭锁方案，可根据用户的要求提供。电流互感器二次断线后可发出告警信号。CT断线后，是否闭锁差动保护由用户通过整定定值单中控制字的相应位实现。差动保护的起动采用突变量起动和辅助起动两种方式。突变量电流起动的算法为：当任一相电流差突变量大于起动定值时，保护起动并进入故障处理程序进行故障计算判别，若有故障且跳闸后故障电流消失，保护快速返回。若无区内故障，保护最多延时6秒后整组复归。辅助起动采用每相差电流的有效值与定值比较，以便在没有明显突变量情况下保护能可靠起动，其判据为：或式中：为差动电流；为差动保护的最小动作电流；为差动速断的电流定值。差动保护采用比率制动原理，其动作特性如图3-1-1所示。动作判据为：图1式中，为制动电流，为比率制动特性拐点电流定值，为比率制动系数。每相电流都以流入变压器为正方向。 对于双圈变保护： 式中，、分别为同相的高压侧、低压侧电流。 对于三圈三侧变保护： 式中，、分别为同相的高压侧、中压侧、低压侧电流。 对于三圈四侧变保护： 式中，、分别为同相的高压侧、中压侧、低压1侧和低压2侧电流。 上述幅值计算均采用全周付氏算法。对于单侧电源的降压变，为提高内部故障的灵敏度，上述制动电流中可不考虑电源侧电流，这可以通过控制字来选择。对于变压器各侧电流相位差与平衡补偿问题说明如下：(1) 变压器各侧电流互感器二次均采用星形接线（也可选择按常规接线，参见KMD整 定），其二次电流直接接入装置，从而简化了CT二次接线，增加了电流回路可靠性， 电流互感器各侧极性都以指向变压器为同极性端，以三卷变压器为例，见图2所示。D* 图2(2) 变压器各侧CT二次电流相位由软件自校正。凡Y0/Y/D/D（或Y/D/D、Y/D、Y0/Y/Y、 D/Y/Y）等接线方式，Y侧电流需校正相位。 对Y/D11接线，校正方法如下：， 对Y/D1接线，校正方法如下：， 式中：、为Y侧CT二次电流，、为校正后的各相电 流。装置中对常见的几种接线方式进行了相位校正，由用户自行选择（见定值KMD）。(3) 各侧电流互感器二次电流平衡补偿由软件完成，中低压侧平衡补偿均以高压侧二次 电流不变为基准，平衡系数计算如下：中压侧 KPMIHe/IMe低压1侧KPLIHe/Ile1低压2侧KPGIHe/Ile2 式中：KPM、KPL、KPG分别为定值中中压平衡系数和低压1、2侧平衡系数， IHe、IMe、Ile1、Ile2分别为变压器高、中、低压1、2侧二次额定电流。补偿时分别 将中、低压侧各相电流与相应的平衡系数相乘。 差电流Idz与制动电流Izd的有关运算均是在电流相位校正和平衡补偿后的基础 上进行的。 对于CT二次断线的检测，本装置采用如下方法判别。 正常情况下判别CT断线是通过检查所有相别的电流中有一相无流，且存在一相 差流大于40% ICD定值，即判为该相CT断线。在有电流突变时，判据如下：(1) 发生突变后的电流减小(而不是增大)；(2) 本侧三相电流中有一相无流，且对侧三相电流均无变化。满足以上条件时判为CT二次回路一相断线。CT二次断线后，发出告警信号，并可选择闭锁或不闭锁差动保护出口。4.1.2 逻辑框图如图3和图4所示，其中图3为二次谐波制动原理变压器差动保护逻辑框图，图4为波形识别原理变压器差动保护逻辑框图。图3 变压器差动保护二次谐波原理逻辑图图4 变压器差动保护模糊识别原理逻辑框图4.1.3 整定内容(1) 变压器绕组接线方式控制字(2) 中压侧电流平衡系数(3) 低压侧电流平衡系数(4) 差动速断电流定值(5) 差动电流门槛定值(6) 比率制动特性拐点电流定值(7) 比率制动系数(8) 二次谐波比例系数（对于二次谐波涌流制动原理）(9) 差动电流越限告警定值4.1.4 保护的整定计算(1) 变压器绕组接线方式控制字：直接以十六进制数表示，可以考虑的变压器接 接线型式有o/o、/、Yo/Y/Y、Yo/Yo/Y、/-11、o/-11、/-1、 o/-1、o/o/-12-11、/Y/Y、o/Y/Y。(2) 中、低压侧电流平衡系数、： 设变压器高中低压侧的二次额定电流分别为、，平衡补偿系数以高压 侧为基准，则： (3) 差动速断电流定值：按躲过变压器空载投入时产生的最大励磁涌流整定，一般取312（为变压器高压侧的二次额定电流）；(4) 差动电流门槛定值：一般取（0.250.5）；(5) 比率制动特性拐点电流定值：一般取，整定范围为（0.81.2）；(6) 比率制动系数：一般取0.30.7，但应满足；(7) 二次谐波比例系数：一般整定为0.150.2；(8) 差动电流越限告警定值：一般取（0.20.5）。4.2 南自厂4.2.1 保护原理变压器差动保护采用有二次谐波制动的比率差动原理，并使用了变数据窗快速算法。比率制动原理 （二侧差动） （三侧差动）其中：第一侧电流 第二侧电流 第三侧电流 制动系数变数据窗算法原理所谓变数据窗算法是指差动保护能够在故障刚开始发生且故障采样数据量较少时自适应地提高保护的制动曲线，随着故障的进一步发展，计算精度的进一步提高，能自动降低制动特性曲线，以其与算法精度完全相配套。这种自适应的制动曲线，最终的(也是最精确的)是用户整定的特性。采用这一算法可以大大提高严重内部故障时的动作速度，同时丝毫不会降低轻微故障时的灵敏度。4.2.2 出口方式原理：任一相差动保护动作即出口跳闸。这种方式另外配有TA断线检测功能。在TA断线时瞬时闭锁差动保护，并延时发TA断线信号。TA断线可根据需要投退运行。保护的逻辑图如下：图5 变压器差动出口逻辑图6 比率制动特性曲线4.2.3 整定内容(1) 比率制动系数 整定差动保护的比率制动系数。单位(无)。一般：0.40.7(2) 二次谐波制动比 整定差动二次谐波制动比。单位(无)。一般：0.120.24(3)启动电流 整定差动保护的启动电流。(归算到低压侧)。单位(A)。一般：1.03.0(A)(4)TA断线解闭锁电流定值 当差电流大于该整定值时，TA断线闭锁功能自动推出。单位(倍) 它是以TA的二次额定电流为基准的。（装置内部默认为5(A)或1(A)）。 一般0.81.5(倍)。(归算到低压侧)(5)速断电流 整定差动保护的速断电流倍数。它是以TA的二次额定电流为基准的。（装置内部默认 为5(A)或1(A)）。单位(倍)。一般3.07.0(倍)(归算到低压侧)4.2.4 保护的整定计算(1) 比率制动系数 请参见条例和规程。(2) 二次谐波制动比 请参见条例和规程。(3) 启动电流 按躲过最大负荷电流条件下流入保护装置的不平衡电流整定。最小动作电流宜在以上。 装置上一般以归算到低压侧(如发电机侧)电流来整定。(4) TA断线解闭锁电流定值 按躲开变压器最大负荷电流整定。 该电流装置上一般以归算到低压侧(如发电机侧)电流来整定计算。 它是以TA的二次额定电流为基准的。 式中：变压器最大负荷电流 电流互感器二次额定电流(5) 速断电流该电流装置上一般以归算到低压侧(如发电机侧)电流来整定计算。它是以TA的二次额定电流为基准的。如整定倍额定电流，且TA二次额定电流为5(A)：则(倍)推荐用48 。4.3 许继比率制动式差动保护是变压器(发变组)的主保护。能反应变压器内部相间短路故障、高压侧单相接地短路及匝间层间短路故障，保护采用二次谐波制动和波形比较制动两种不同原理，用以躲过变压器空投时励磁涌流造成的保护误动。4.3.1 保护原理4.3.1.1 比率差动原理 差动动作方程如下： （时） （时）满足上述两个方程差动元件动作，式中为差动电流，为差动最小动作电流整定值，为制动电流，为最小制动电流整定值，为比率制动特性斜率，各侧的电流的方向都以指向变压器和发变组为正方向。对于两侧差动： 对于三侧差动： 式中：，分别为高压侧，中压侧，低压侧电流互感器二次侧的电流。4.3.1.2 二次谐波制动 保护利用三相差动电流中的二次谐波分量作为励磁涌流闭锁判据。动作方程如下：式中：为A,B,C三相差动电流中二次谐波电流，为二次谐波制动系数，为对应的三相基波差动电流。闭锁方式为“或”门出口，即任一相涌流满足条件，同时闭锁三相保护。对于500KV超高压变压器差动保护，还增加了5次谐波制动量。4.3.1.3 波形比较制动采用波形比较的技术将变压器的励磁涌流和故障电流区分开来。闭锁方式采用分相闭锁，即任一相波形比较判据满足条件闭锁本相差动。在一套变压器差动保护中，二次谐波制动和波形比较制动只能选用其中的一种，配置两套变压器差动保护时，可采用二次谐波制动和波形比较制动两种不同原理的差动保护。4.3.1.4 差流速断保护当任一相差动电流大于差动速断整定值时瞬时动作于出口。4.3.1.5 差流越限告警 正常情况下监视各相差流，如果任一相差流大于越限启动门槛(一般设为作小动作电流的1/2)，发灯光告警信号。4.3.1.6 TA断线判别(要求主变各侧TA二次全星形接线)当任一相差动电流大于启动TA断线判别程序，满足下列条件认为是TA断线：a.本侧三相电流中一相无电流；b.其它两相与启动前电流相等。4.3.1.7 保护逻辑框图图7 差动保护逻辑框图 (a) 二次谐波制动原理 （b）波形比较制动原理4.3.1.8 主要技术指标a. 动作电流整定范围：,误差不超过；b. 制动电流整定范围：,误差不超过；c. 比例制动特性斜率整定范围：0.10.9；d. 二次谐波制动系数整定范围：0.150.25；e. 五次谐波制动系数整定范围：0.20.6；f. 差动平衡系数整定范围：0.42 ；g. 差流速断整定范围：212，误差不超过；h. 差动动作时间：不大于30ms(2倍动作电流下)；i. 速断动作时间：不大于20ms(2倍动作电流下)。4.3.1.9 定值整定计算a.差动最小动作电流一般取变压器额定电流的0.30.5倍；b.比例制动特性斜率一般可取0.5；c.二次谐波制动系数一般取0.150.2；d.五次谐波制动系数一般取0.35；e.差流速断按躲过变压器的励磁涌流、最严重外部故障时的不平衡电流及电流互感器饱和等 整定，212内可调；f.电流回路断线的整定 TA断线保护投退控制整定为“1”时，保护投入； TA断线保护投退控制整定为“0”时，保护推出。4.3.1.10 工程应用a.差动电流互感器可采用全星形接线，也可采用常规接线。采用常规接线时，“”接线不 能判断“”内断线，只能判断引出线断线。b.差动用电流互感器采用全星形接线时，由保护软件补偿相位和幅值，可按常规计算方法计 算差动保护的定值。c.对全星形绕组变压器，各侧电流互感器须角接，以防止区外接地故障时差动误动，或各侧 电流互感器星接，用软件实现角接。此时差动保护的内部接地故障灵敏度会降低，须进行 灵敏度校核工作，必要时要加配零序差动保护。d.对于220KV及以上变压器差动保护，可配置双套不同原理(指励磁涌流制动判据)的差动保 护。波形比较制动原理可弥补二次谐波制动原理在空投至故障变压器时动作时间较慢的不 足。e.差动平衡系数的计算计算变压器各侧一次电流 式中：变压器额定容量(KVA) 计算侧线电压(KV)计算各侧流入装置的二次电流 式中：变压器TA二次接线系数，三角形接线，星形接线1； TA变比。计算平衡系数 差动保护平衡系数可以以任一侧为基准，若以主变高压侧二次电流为基准，则： 高压侧平衡系数为： 中压侧平衡系数为： 低压侧平衡系数为： 式中：变压器高压侧二次电流； 变压器中压侧二次电流； 变压器低压侧二次电流。f.差动平衡系数不能满足要求时，须外配中间变流器。5.南自院5.1 比率差动原理 比率差动动作特性如图8。图8 比率差动保护的动作特性比率差动保护的动作方程如下： 式中为差动电流，为制动电流，为差动电流起始定值，为额定电流。电流各侧定义： 对于发电机变压器差动，其中、分别为变压器高压侧(套管)TA电流、 发电机中性点、厂用变高压侧电流，未定义； 对于主变压器差动，其中、分别为变压器高压侧、侧、发电 机机端、厂用变高压侧电流； 对于高厂变差动，其中、分别为高厂变高压侧、低压侧A、B分支电流， 未定义； 对于励磁变差动，其中、分别为励磁变高压侧、低压侧电流，、未定 义。 比率制动系数定义： 为比率差动制动系数，为比率差动制动系数增量； 为起始比率差动斜率，定值范围为0.050.15，一般取 0.10； 为最大比率差动斜率，定值范围为0.500.80，一般取0.70； 为最大斜率时的制动电流倍数。5.2 励磁涌流闭锁原理主变压器涌流判别通过控制字可以选择为二次谐波制动原理或波形识别原理，发变组差动、高厂变、高厂变、励磁变涌流判别采用二次谐波制动原理。(1) 谐波制动原理 装置采用三相差动电流中二次谐波裕基波的比值作为励磁涌流闭锁判据，动作方程 如下： *其中为每相差动电流中的二次谐波，为对应相的差流基波，为二次谐波制动系数整定值，推荐整定为0.15。当某一相满足制动条件，只闭锁该相比率差动保护元件，即分相制动差动保护。(2) 波形判别原理装置利用三相差动电流中的波形判别作为励磁涌流的识别判据。内部故障时，各侧电流经互感器变换后，差流基本上是工频正弦波。而励磁涌流时，有大量的谐波分量存在，波形是简断不对称的。内部故障时，有如下表达式成立：*其中是差动电流的全周积分值，是(差动电流的瞬时值差动电流半周前的瞬时值)的全周积分值，是某一固定常数，是门槛定值，的表达式如下：*+式中是差电流的全周积分值，是某一比例常数。当三相中的某一相满足以上方程后，开放该相比率差动保护元件。而励磁涌流时，以上波形判别关系式肯定不成立，比率差动保护元件不会误动作。5.3 TA饱和时的闭锁原理为防止在区外故障时TA的暂态与稳态饱和时可能引起的稳态比率差动保护误动作，装置采用各侧相电流的综合谐波作为TA饱和的判据，其表达式如下：其中，为某侧某相电流中的综合谐波，为对应相电流的基波，为某一比例常数。故障发生时，保护装置先判断是区内故障还是区外故障，如区外故障，投入TA饱和闭锁判据，当与某相差动电流有关的任意一个电流满足以上表达式即认为此相差流为TA饱和所引起，闭锁比率差动保护。5.4 高值比率差动原理为避免严重区内故障时TA饱和等因素引起的比率差动延时动作，装置设有一高比例和高起动值的比率差动保护，只经过差电流二次谐波或波形判别涌流判据闭锁，利用其比率制动特性抗区外故障时TA的暂态和稳态饱和，而在区内故障TA饱和时也能可靠正确快速动作。稳态高值比率差动的动作方程如下