变压器差动保护原理及调试方法.ppt

1 第一部分变压器差动保护的基本原理 薛峰2013 3山东 济南 2 变压器差动保护简述 一 纵联差动保护是变压器电气量的主保护 规程规定电压等级在10kv以上 容量在10mva及以上的变压器需配置纵联差动保护 差动保护可以反应变压器内部绕组相间和接地故障 差动保护可以反应引出线至电流互感器之间的相间及接地故障 差动保护可以反应一定程度上的内部绕组匝间短路故障 3 cj 高压侧ta极性标注 低压侧ta极性标注 差动继电器整定值6a 电流互感器 ta 变压器 变压器差动保护的基本构成 差动保护的基本原理 1 一 4 cj icd 0 20a 20a 一个穿越性质的短路电流通过变压器向短路点提供 高压侧一次电流从极性端流进二次电流从极性端流出 保护规定的ta正方向定义 低压侧一次电流从极性端流出二次电流从极性端流进 在区外穿越性质的短路电流作用下 如果两侧ta能正确传变 理论上流过差动继电器的差流icd 0 所以此时 差动保护不动作 变压器区外故障演示 变压器区外发生故障 此故障点因由该处线路保护切除故障 差动保护的基本原理 2 一 5 变压器区内发生故障 20a 10a icd 30a 20a 10a 此时差动继电器动作 变压器区内故障演示 差动保护的基本原理 3 一 6 微机变压器差动保护的构成 cj 微机变压器差动保护 设定微机保护计算参考方向均以母线流向变压器为正方向 微机差动保护需要进行的计算 微机差动保护的动作判据 差动保护门槛值一般整定为 0 4 0 8 ie譬如2a 差动保护比例制动系数例如 0 5 以上两式均成立则差动保护动作 差动保护的基本原理 4 一 7 微机变压器差动保护 变压器区外故障分析 计算结果 将计算结果代入判据 0 2i1 0 门槛2a 0 0 5 2i1 i1 差动保护不动作 实际短路电流与参考方向相同 实际短路电流与参考方向反向 差动保护的基本原理 5 一 8 微机变压器差动保护 变压器区内故障分析 双电源 计算结果 将计算结果代入判据 0 2i1 门槛2a 0 5 0 差动保护动作 实际短路电流与参考方向相同 实际短路电流与参考方向相同 2i1 2i1 0 差动保护的基本原理 6 一 9 微机变压器差动保护 变压器区内故障分析 单电源 计算结果 将计算结果代入判据 0 0 i1 门槛2a 0 5 差动保护动作 实际短路电流与参考方向相同 i1 i1 i1 i1 0 5i1 差动保护的基本原理 7 一 10 差动保护的动作特性分析 1 区外故障计算结果 0 2i1 0 2i1 区内故障计算结果 变量 恒量 iset ie 0 icd ir ir ie ir ie 动作区 0 5 区外故障特点差动电流小制动电流大 区内故障特点差动电流大制动电流小 非动作区 差动保护的基本原理 8 一 11 双折线差动保护的动作特性分析 2 iset ie 0 icd ir 动作区 0 5 非动作区 拐点电流的设置 拐点电流一般设置为变压器的额定电流的 0 8 1 倍 从特性图上可以看出 当制动电流小于拐点电流时 差动保护的门槛值是固定的 当制动电流大于拐点电流时差动保护的动作门槛是变动的 它随制动电流的增大而增大 差动保护的基本原理 9 一 12 三折线差动保护的引入 变压器纵差保护 双卷变一般使用两折线可满足特性要求 三卷变一般需用三折线 也可以得出一般规律 小容量低电压等级的变压器一般可使用两折线 三卷变容量一般就不会小 容量不小一般电压等级不会低 所以高电压等级 大容量的变压器差动保护一般使用三折线 三卷变一般使用三折线差动 由于无法使用差制动 一般使用最大侧电流为制动量 因此区内故障时总有一定的制动量 但三折线更考虑了区外故障三侧ta特性不一致而带来的误动问题 故障情况下 高电压等级的变压器差动保护用ta要比低电压等级的变压器差动ta运行环境恶劣 从稳态的大短路电流来讲ta都可能饱和 但是稳态大电流是可以预见的 很容易从分析计算得到 只要根据计算来选择合适的ta参数就可避免ta特性误差而导致的保护误动 但高电压等级系统发生故障 故障电流有暂态分量 ta有暂态饱和问题 而低电压等级的ta则无此问题 暂态饱和比稳态饱和更难处理 因此要在区外故障时制动电流大到一定值时 譬如3ie 加大差动动作电流增大的比例 反应为折线斜率加大 以防止区外故障误动 iset ie 0 icd 动作区 k1 0 5 非动作区 k2 0 7 3ie 差动保护的基本原理 10 一 13 电流互感器的误差与饱和 o 要控制互感器误差在允许范围之内 首要的工作是控制励磁电流的大小 要控制励磁电流就要控制好励磁支路的阻抗 主要是xm 电流互感器在匝数比确定的前提下 铁芯截面 长度又一定下其xm值的大小取决于磁感应系数 的大小 即xm 14 关于互感器铁芯励磁互感电抗xm 标准磁化曲线 平均磁化曲线 15 两种不同的短路电流 16 电流互感器两种不同的饱和情况图解 稳态大电流饱和 暂态电流饱和 17 差动保护的三折线动作特性分析 微机变压器差动保护 iset ie 0 icd ir 动作区 k1 0 5 非动作区 k2 0 7 3ie 差动保护的基本原理 11 一 18 励磁涌流对差动保护的影响 cj 空充变压器时 将产生励磁涌流 励磁涌流的幅值可以达到8 10倍主变额定电流 而励磁涌流是以单边的差流出现的 如此大的电流全部流入差动回路 若不采取措施势必造成差动保护误动 变压器由高压侧开关空充时 低压侧开关在分位 低压侧差动ta一次为开路状态 一次无去磁作用 二次侧看进去的阻抗可认为是无穷大 因此涌流全部流入差动回路 差动保护的几个特殊问题 1 二 19 空投变压器励磁涌流产生的原因 1 差动保护的几个特殊问题 1 二 20 空投变压器励磁涌流产生的原因 2 差动保护的几个特殊问题 1 二 21 涌流的波形 大小和持续时间主要取决于下列因素 电源阻抗变压器容量合闸于电源绕组所在的部位 在内层还是在外层 绕组的接法断路器合闸时刻铁芯的磁化特性铁芯的剩磁 空投变压器励磁涌流产生的原因 3 差动保护的几个特殊问题 1 二 22 励磁涌流的特点 励磁涌流波形畸变 含有高次谐波分量 主要以二次谐波为主 励磁涌流波形不对称 励磁涌流波形间断 存在间断角 涌流波形偏于时间轴一侧 波形含有非周期分量 差动保护的几个特殊问题 1 二 23 当变压器合闸于电源时 灵敏的差动保护可能误动 为使差动保护躲过涌流 必须采取措施使保护能区分涌流状况与故障状况 这就必须要提供某种形式来识别涌流从而限制此时的差动保护动作 可以从涌流的特点出发来找到识别的方法 1 二次谐波制动 2 波形不对称制动 3 间断角制动 差动保护的几个特殊问题 1 二 如何识别涌流 1 24 二次谐波制动 设置二次谐波分量与基波分量的比值定值 称为谐波制动比 一般为15 20 当i2 15 iyl1认为是涌流 对差动保护进行制动当iyl2 15 iyl1 且基波有一定的幅值 则认为是故障 开放保护 差动保护的几个特殊问题 1 二 如何识别涌流 2 25 波形不对称制动 在微机型变压器纵差保护中 采用波形对称算法 将励磁涌流同变压器故障电流区分开来 其计算方法如下 首先将流入差动元件的差流进行微分 差分算法 滤去电流中的直流分量 使电流波形不偏移横坐标轴 即时间轴 的一侧 然后比较每个周期内差电流的前半波与后半波的量值 另外一种做法是对差流进行0 360 的全周积分 滤除直流分量后的故障电流一般是关于时间轴对称的正弦波 全周积分值应为零 而励磁涌流波形畸变 同时有衰减过程 因此全周积分值不为零 k为不对称系数 通常等于1 2 差动保护的几个特殊问题 1 二 如何识别涌流 3 26 涌流的间断角闭锁原理励磁涌流波形间断是指涌流波形出现为零的时刻 或者所说接近零 这主要是变压器铁芯在涌流磁通低谷退出饱和区时 变压器励磁阻抗恢复为较高值 此时只有较小的励磁电流 此时的励磁电流可认为等同于正常运行时变压器的励磁电流 该值是极小的 一般不能被ta转变到二次来 因此使得涌流波形出现中断 这是励磁涌流的特点 可抓住这一特点来识别涌流 实现闭锁差动 但是间断角闭锁的使用也碰到两个难题 一是对保护采样速率和a d的分辨率要求 二是对称性涌流的识别有难度 差动保护的几个特殊问题 1 二 如何识别涌流 4 27 励磁涌流录波图 差动保护的几个特殊问题 1 二 如何识别涌流 5 28 空充主变时励磁涌流和故障波形 差动保护的几个特殊问题 1 二 如何识别涌流 6 29 变压器区内发生严重短路故障时 有可能造成ta饱和 ta饱和后将产生偶次谐波 特别是ta暂态饱和后二次谐波分量相当可观 这将造成本来运用于防止励磁涌流误动的比例差动误制动 造成差动保护延迟动作 甚至拒动 因此引入差动速断 以加速切除区内严重短路故障 差动速断保护的特点 按躲过变压器可能的最大励磁涌流整定 差动速断只判差流的幅值 不判制动电流的比例关系 也不判波形的特征 差动保护的几个特殊问题 2 二 差动速断的引入 30 二次谐波制动的比例差动保护在空充变压器时 由于励磁涌流而没有制动住误动了是很正常的 如果说送一百次变压器有一两次的误动其实是好事情 难得一次没有制动住这说明我们的定值恰到好处 为防变压器空投涌流造成差动保护误动作 目前国内外的变压器差动保护的励磁涌流判据普遍采用二次谐波制动原理 对于二次谐波的制动值整定一般规程和厂家均推荐为15 至20 我们不敢将其整得太灵敏 也不能太迟钝 就是要恰倒好处 太迟钝了变压器送一次就跳一次 太灵敏了真正区内故障时会增大误制动的可能 特别是区内严重短路故障而电流互感器发生暂态饱和时 互感器二次会出现一定份量的偶次谐波 此时虽然有差动速断来弥补比例差动被误制动而带来的危害 但毕竟必例差动被误制动了 我们要应尽量避免这种误制动的发生 相比 偶尔一台空充的变压器发生误跳闸和一台变压器区内故障时比例差动保护的拒动 权衡利弊我们宁愿发生前者 差动保护的几个特殊问题 3 二 空充主变时 差动保护误动的应对 1 31 一旦发生变压器空充时 比例差动保护动作 必须慎重对待 在再次试送前 必须要求认真检查一次设备 确认无故障后方能进行 当发生下列情况时 更应慎重 在比例差动动作同时 伴随有压力释放 压力突变 轻瓦斯等主变本体信号 一些不怕励磁涌流的差动保护动作 如分侧差动 高阻差动 零序差动等 双套保护配置的不同制动原理的比例差动保护在空充主变时同时动作的概率极小 有差动速断动作 差动保护的几个特殊问题 3 二 空充主变时 差动保护误动的应对 2 以上几点 务必谨记 32 故障电流不流过变压器纯恢复性涌流造成差动保护误动 其作用原理等同空充主变励磁涌流对差动保护的影响 但这里的涌流幅值一般小于空充变压器时 且二次谐波的比列大于空充变压器时 从这一点来说 对制动是有利的 对于选择最大则电流为制动电流的比例差动 则较大的涌流可能成为制动电流 差动保护的几个特殊问题 4 二 区外故障切除后 差动保护的误动问题 1 33 故障电流流过变压器恢复性涌流同时叠加由于差动ta特性误差造成传变负荷电流时差流过大而误动 此时在涌流和ta特性误差的共同作用下 差流波形可能更为对称 从而有更小的二次谐波比 这对制动不利 容易造成差动保护误动 该种原因很难定量分析 故障电流的非周期分量造成ta的过大的剩磁是造成区外故障切除后 差动保护误动的主要原因 iset ie 0 icd 动作区 k1 0 5 非动作区 k2 0 7 3ie 差动保护的几个特殊问题 4 二 区外故障切除后 差动保护的误动问题 2 34 差动保护的几个特殊问题 5 二 区外接地故障 零序电流对差动保护的影响 35 差动保护的几个特殊问题 5 二 应对措施 滤除零序电流 通常的两种做法 星型侧转角并滤零 wbh 801 pst1200 csc326 prs778 星型侧滤零 三角侧转角 rcs978 pcs978 区外接地故障 零序电流对差动保护的影响 36 差动保护的几个特殊问题 5 二 1 y侧转角并滤零 以y 11接线的变压器为例 根据ta极性及接线方式 流入保护装置的实际电流向量关系 y 11变压器实际两侧电流向量关系 实际流入保护装置两侧电流向量关系 37 差动保护的几个特殊问题 5 二 两侧同名相电流相位差150 无法构成差动原理 y侧进行转角处理并修正幅值 y侧各相参与差流计算用电流 侧保持不变 侧各相参与差流计算用电流 实际的各相差流 各相差流 应对措施 1 y侧转角并滤零 以y 11接线的变压器为例 38 差动保护的几个特殊问题 5 二 如此转角的作用 相位补偿 滤除零序电流 区外接地故障时 中性点接地运行的变压器各相将感受到零序电流 各相零序电流幅值相等 方向相同 0 1 y侧转角并滤零 39 差动保护的几个特殊问题 5 二 两侧同名相电流相位差150 无法构成差动原理 y侧只进行滤零处理 y侧各相参与差流计算用电流 侧进行转角并修正幅值 侧各相参与差流计算用电流 实际的各相差流 各相差流 应对措施 2 y侧滤零 侧转角 以y 11接线的变压器为例 40 将主变非冲击侧的差动ta短接退出 微机变压器差动保护 微机变压器差动保护 差动保护的几个特殊问题 6 二 差动保护在新设备冲击启动时的一种特使用法 41 几种不同的差动保护简介 三 42 第二部分变压器差动保护的调试 43 保护装置 保护装置与外部接口回路简介 一 cpu 开入模块 开出模块 电源模块 采样模块 通信模块 电流互感器ta 电压互感器tv 直流屏电源 监控系统 硬压板 复归按钮 切换开关 外部接点 跳闸回路 相关其他保护的开入 遥信回路 打印机 44 1 采样检查 检查相别 相位 检查精度 线性度 差动保护调试的主要项目 1 二 零漂检查 45 2 定值检验 动作量值测试 动作时间测试 保护状态检查 差动保护调试的主要项目 2 二 46 差动保护调试的主要项目 3 二 3 整组传动 跳闸逻辑验证 整组时间测试 回路及信号检查 47 差动保护基本调试方法 1 三 目的 检查装置采样模块及回路的正确性 1 采样零漂检查方法 不输入任何外加量检查装置显示幅值 相位应为零或在允许范围 注意要点 需要热机 建议开机5 10分钟后进行 需断开电压 电流外部回路 必要时需对保护屏后电压 电流端子进行三相短接接地 1 采样值检查 1 48 差动保护基本调试方法 1 二 目的 检查装置采样模块及回路的正确性 1 装置相别 相位关系检查方法 用试验仪给差动保护加三相不同幅值的试验电流 电压 检查装置显示幅值 相位与试验仪输出的一致性 注意要点 所加数值尽量为整数且不宜偏小 尽量拉开三相幅值的差距 电流值不宜大于额定值 如电流1a 2a 3a 电压20v 30v 40v 1 采样值检查 2 49 差动保护基本调试方法 1 二 3 采样精度及线性度检查方法 用试验仪给差动保护装置加试验电流 电压 检查保护装置显示幅值 相位与试验仪输出数值的误差 通常保护允许的误差为 5 注意要点 极大值 极小值 建议电流5a制的极小值取50ma 1a制取10ma 电压极小值取0 5v 中间值均应检查 电流值大于额定值时 应注意控制通流时间 电流越大时间应越短 不要忘记自产电流 电压通道的检查 1 采样值检查 3 50 差动保护基本调试方法 2 二 2 定值检验 1 目的 检查装置定值的误差与正确性 差动保护的主要定值项 51 动作区 差动保护基本调试方法 2 二 以wbh 801差动保护的特性 y01 y02 3 11三侧差动 为例 差动电流 差动启动电流定值 1侧 高压侧 的额定电流 制动电流 各侧差动计算用电流 通过折算的电流 2 定值检验 2 52 差动保护基本调试方法 2 二 2 定值检验 3 已知一台变压器相关参数如下 变压器容量se1 1000mvase2 1000mvase3 90mva变压器各侧额定电压 ue1 550kvue1 220kvue3 38kv1侧ta变比 nlh1 2000 12侧ta变比 nlh2 4000 13侧ta变比 nlh3 8000 1 53 差动保护基本调试方法 2 二 2 定值检验 4 1 认识平衡系数 1 计算各侧二次额定电流 计算各侧平衡系数 平衡系数的出现 是由于ta变比与变压器变比不对应造成 54 差动保护基本调试方法 2 二 认识平衡系数 cj 差流平衡 不需要平衡系数 cj 差流不平衡 需要平衡系数 不可行 无此变比的ta ta的变比是标准化的 55 差动保护基本调试方法 2 二 2 定值检验 5 在1侧用试验仪对保护装置an相加0 525 0 a电流时实际流入差动回路的计算电流为 思考 若差动启动电流整定为0 6ie 请问此时差动元件会动作吗 此时各相差流为 56 差动保护基本调试方法 2 二 2 定值检验 6 在1侧用试验仪对保护装置an相加0 525 0 a电流时 如何在3侧 低压侧 加电流 使各相的差流为零 思考 此时3侧的计算电流是3侧额定电流的几倍呢 1侧的计算电流又是1侧的额定电流的几倍呢 57 差动保护基本调试方法 2 二 2 定值检验 7 结论 当1侧an相加0 525 0 a时 在3侧 低压侧 an相加1 098 180 a cn相加1 098 0 a 可以使各相差流为零的 实际上1侧an相加0 525a时形成的差流是0 303a 是0 577倍ie1 那么3侧也应由0 577倍ie3来抵消这个电流 0 577倍ie3即1 098a 这种思考方法对任何差动保护都适用 关键点是对所形成的计算差流进行平衡 而不是所加的外部电流 因此计算额定电流和了解转角滤零方式是必须 但是否要计算平衡系数 就个人见智了 58 差动保护基本调试方法 2 二 2 定值检验 8 2 差动启动电流试验 整定值id0 0 6ie 方法 单相法 在1侧任一单相输入电流值isy以isy为中间值分别作 5 isy试验 即1 05isy可靠动作 0 95isy时可靠不动作 思考题 如果用相间法做该如何加呢 如果相间电流差120度 该加多少电流 如果差180度该加多少电流 59 差动保护基本调试方法 2 二 2 定值检验 9 3 差动速断电流试验 整定值isd0 10ie 方法 单相法 在3侧任一单相输入电流值isy以isy为中间值分别作 5 试验 即1 05isy可靠动作 0 95isy时可靠不动作 思考题 如果在1侧或2侧如何加电流试验呢 60 差动保护基本调试方法 2 二 2 定值检验 10 4 比例制动特性检验 以检验k1 0 5为例 动作区 高压侧an加0 909 0 a 低压侧an加1 899 180 a cn加1 899 0 a 此时达到差流平衡 减小高压侧an幅值至差动保护动作 得到此时一组数据 id1 ir1 高压侧an加2 727 0 a 低压侧an加5 697 180 a cn加5 697 0 a 此时达到差流平衡 减小高压侧an幅值至差动保护动作 得到另一组数据 id2 ir2 计算斜率为 k id ir id1 id2 ir1 ir2 注意要点 便于计算 建议取整数点 也可以是两端拐点 第二个点和第一个点差距要远些 不然误差会大 始终控制制动电流的范围 要注意大电流的通流时间 61 差动保护基本调试方法 2 二 2 定值检验 11 5 二次谐波制动比检验 一般定值kb 15 20 方法 在任一侧加某相加一能使差动元件可靠动作的50hz的基波电流值i1 在此基础上叠加100hz的二次谐波电流值i2 改变i2的幅值 当 i2 0 95kbi1 时可靠动作 当 i2 1 05kbi1 时可靠