变压器差动保护原理分析.doc

变压器差动保护原理分析作者：陆位宁【摘要】结合SEL-587保护装置，对变压器差动保护原理进行探讨。分析了变压器差动保护如何区分区内、区外故障，如何消除变压器励磁涌流、CT饱和、CT断线、变压器过励磁等的影响。【关键词】变压器保护 差动保护 励磁涌流 星三角变换电力变压器是电力系统中非常重要的设备,也是我们所做的工程中经常接触到的设备。而变压器保护则是我们所做的微机保护中很普遍的一种保护。差动保护是变压器保护的主保护，本文将结合我公司使用的变压器保护装置SEL-587对变压器差动保护的一些技术问题进行讨论，并提出设计、调试需注意的一些问题。变压器差动保护一般要求解决以下一些技术问题：（1） 快速准确地区分变压器的区内故障和区外故障；（2） 消除CT传变误差及变压器运行时产生的不平衡电流对差动保护的影响；（3） 准确识别变压器励磁涌流，避免因励磁涌流产生的差流导致差动误动；（4） 消除CT饱和对差动电流的影响；（5） 消除变压器过励磁的影响；（6） 准确判别CT断线的情况，解决其对差动保护的影响。随着继电保护技术、电子技术、通信技术等方面的不断发展，为在变压器保护设计中解决这些技术问题提供了可能。特别是现在大量采用的微机型变压器保护装置，在越来越好的计算机硬件平台的基础上，具有了更加强大的数据处理、数据记忆、计算、逻辑判断等软件功能，因此，可以很好地处理和解决变压器保护中的这些技术问题。1 电流调整变比（TAP1，TAP2）继电器以TAP1、TAP2分别作为高、低压侧电流的基准值，两侧电流分别与各自的基准值进行运算（运算方法后边将会提到），得出各自的标幺值，再进行差流的比较。继电器使用标准方程来设置TAP1和TAP2，当变压器连接方式为YDAB，CT连接方式为YY时，C1、C2均为1，其它连接方式请参考SEL587说明书。MVA表示变压器最大容量，VWDG1、VWDG2分别为变压器高、低压侧额定线电压，CTR1、CTR2分别为高、低压侧CT变比。继电器计算TAP1和TAP2具有下面的限制：1) TAP整定值范围为0.1*In32*In；2）比值可见，在变压器及电压等级已经确定的情况下，为了满足以上两点要求，必须选择适当的CT变比，以保证整定的TAP值在上述范围内。这是设计上需要注意的。2 采用比例制动元件区分区内、区外故障1）动作电流（O87P）可设置动作电流值在一个最小启动值以增进灵敏度，但是也需要足够高以避免动作于稳态CT误差和变压器励磁电流。建议将O87P整定在0.3。O87P整定值范围为0.1到1.0倍的调整变比。整定值当乘以TAPmin（TAP1和TAP2中的较小值）以后必须使动作电流大于或等于0.1*IN。例如，如果TAPmin等于1.0A以及IN=5A，最小O87P整定值应为0.5。2）制动折线百分比（SLP1，SLP2）应用制动折线百分比整定值（SLP1）是为了区分区内和区外故障。整定SLP1以躲过变压器分接头、励磁电流以及继电器误差引起的差电流。例如：电流互感器误差等于10%。标幺值表示为：e=0.1变压器分接头调整电压变比范围为90%到110%。标幺值表示为：a=0.1因此，由穿越电流引起的最大差电流为：这里，IW1和IW2为经过补偿后的变压器高低压二次侧电流。由于对于外部故障和负荷电流，IW1=IW2，我们可以将最大差电流表示为绕组电流的百分比值：除了上面计算的误差，我们还要考虑变压器启动电流（3%）和继电器测量误差（5%）引起的额外误差。最大的总误差将近36%。因此，较保守的折线1整定值SLP1为40%。图1 百分比制动差动特性3) 采用继电器内部星三角变换以消除不平衡电流的影响对于星三角连接方式的变压器，区外故障、带负荷调分接头、CT传变误差等都有可能在星接侧产生不平衡电流。为了消除不平衡电流的影响，避免差动保护误动，传统的继电器是在星接侧采用角接的CT来去除零序分量，以消除不平衡电流流入继电器，SEL-587继电器则是把这一工作放在继电器内部来进行。以Yd11接线的变压器为例，对于SEL-587，高低压侧的CT都为Y连接方式，继电器内部对高压侧流入的电流进行星三角变换，去除了零序分量的影响。经过星三角变换后得出的电流为：IAW2C=IAW2IBW2C=IBW2ICW2C=ICW2IAW1、IBW1、ICW1分别为高压侧流入继电器的实际三相电流，IAW2、IBW2、ICW2分别为低压侧流入继电器的实际三相电流，IAW1C、IBW1C、ICW1C、IAW2C、IBW2C、ICW2C分别为补偿后高低压侧三相电流。将补偿后的电流分别除以TAP1、TAP2得出补偿后高、低压侧电流的标幺值，两侧电流标幺值之差得出差流标幺值IOP,两侧电流标幺值之和即是制动电流IRT。IOP、IRT满足图1中的条件，差动动作。图1中，折线上方为动作区，折线下方为制动区。3 采用二次谐波闭锁整定值（PCT2）来闭锁差动，以消除励磁涌流的影响变压器空载投入电源或外部故障切除后，电压恢复过程中，由于变压器铁芯中的磁通急剧增大，使铁芯瞬间饱和，这将产生很大的冲击励磁电流励磁涌流。变压器励磁涌流波形中包含有一定数量的二次谐波分量。SEL-587继电器可测量流经变压器的二次谐波分量值。可设置继电器当二次谐波分量在基波分量中的含量（IF2/IF1）超过PCT2整定值时，闭锁百分比率制动差动元件。变压器仿真表明在第一个周波中励磁涌流（IF2/IF1）超过30%。整定值设为15%即可保证安全。4 五次谐波闭锁（PCT5，TH5，TH5D）ANSI/IEEE（C37.91，C37.102）定义的过励磁为：变压器端口上的电压频率比（V/Hz）在满负荷超过1.05倍标幺值或空载时超过1.1倍标幺值。变压器过励磁会产生奇次谐波，它会作为差电流进入变压器差动保护继电器。五次谐波闭锁主要用于电厂的单元发电机升压变压器。变压器电压和发电机频率在启动时会有所不同，而导致过励磁变压器。对过励磁时这些电流的傅立叶分析表明，35%的五次谐波闭锁百分比率差动元件是比较合适的。退出五次谐波闭锁，可整定PCT5为OFF。可以在启动时使用五次谐波差动电流的动作来驱动一个告警输出。此告警表示变压器过励磁。对于满负荷状态，0.1的TH5整定值对应10%的基波电流。可整定的延时整定值TH5D能够防止继电器动作于暂态的五次谐波。如果五次谐波门槛超过也可以考虑触发一个事件报告。TH5整定值范围为0.1到3.2倍TAP值。整定值乘以TAPmin（TAP1和TAP2中的较小值）后得到的动作电流必须大于或等于0.1*IN。例如，如果TAPmin等于1.0A并且IN=5A，那么最小TH5整定值为0.5。5 独立谐波闭锁元件（IHBL）当给一个三相变压器充电，涌流谐波至少体现在2相电流上。在通常的单相继电器中，每个继电器执行一相中的谐波电流比较。SEL-587继电器可以按两种方式执行谐波闭锁：1）独立谐波闭锁（IHBL=Y）可闭锁特定相的百分比率差动元件，如果该相的谐波（二次或五次）超过闭锁门槛的话。其它的元件不闭锁。2）公共谐波闭锁（IHBL=N）将闭锁所有的百分比率差动元件，如果任一相谐波量值超过闭锁门槛。公共谐波闭锁是比较安全的方案，但是由于需等待所有三相的谐波都低于门槛，会稍微延迟百分比率差动元件的动作。5 速断无制动电流（U87P），避免区内故障时CT严重饱和影响保护的快速性一般情况下，比率制动原理的差动保护能作为变压器的主保护，但当变压器出现严重内部故障时，短路电流很大的情况下，TA严重饱和，使交流暂态传变严重恶化，TA的二次侧基波电流为0，高次谐波分量增大，比率制动原理的差动保护无法反映区内的短路故障，从而影响了比率差动保护的快速动作。 防范此局限性的措施主要是配备差动速断保护，作为辅助保护。确保变压器在发生内部严重故障时保护装置能快速动作。设置速断无制动电流启动值（U87P）为8单位。如果需要，此整定值可调整改变。无制动差动元件只响应基波分量。速断无制动差动元件不受SLP1、SLP2、IRS1、PCT2、PCT5或IHBL整定值影响。U87P整定值范围为1.0到16.0倍的TAP值。整定值乘以TAPmax（TAP1和TAP2中的较大值）后得到的动作电流必须小于或等于32*IN。例如，如果TAPmax等于12.0A并且IN=5A，那么最大U87P整定值为32*5A/12.0，或13.3倍的TAP值。6 CT断线的解决方法SEL-587没有设置CT断线的闭锁逻辑，似乎国外的厂家认为没有必要做CT断线闭锁。因为CT断线也是一种故障，严重时CT二次产生的强大的电势会烧毁CT。当然，国内的很多项目都要求做CT断线闭锁。解决的方法是可以通过判断系统电压，当继电器检测到系统电压正常时，闭锁差动动作。但SEL-587没有电压检测元件，可以由后备