变压器微机差动保护的整定计算

变压器微机差动保护的整定计算

作者：程秀娟

(扬子石油化工设计公司 南京 210048)

摘要：本文首先对变压器差动保护误动的原因作了初步分析,然后介绍了三段折线式比率制动特性的变压器差动保护的基本原理，并对各种参数的整定值设置进行了详细论述。 关键词： 变压器 差动保护 三折线参数 整定 1 前言

电力变压器是电力系统中十分重要的供电设备，它出现故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。纵联差动保护是大容量变压器的主保护之一，然而，相对于线路保护和发电机保护来说，变压器保护的正确动作率显得较低，据各大电网的不完全统计，正确动作率尚不足70%。究其原因，就在于变压器结构及其内部独特的电磁关系。要提高变压器差动保护的动作正确率，首先必须找出误动的原因，从而在整定计算时充分考虑这些因素，才能有效地避免误动的出现。 2 变压器差动保护误动原因分析 2.1 空载投入时误动

变压器空载投入时瞬间的励磁电流可能很大，其值可达额定电流的10倍以上，该电流称为励磁涌流。其产生的根本原因是铁心中磁通在合闸瞬间不能突变，在合闸瞬间产生了非周期性分量磁通。

励磁涌流波形特征是：含有很大成分的非周期分量；含有大量的谐波分量，并以二次谐波为主；出现间断。励磁涌流的影响因素有：电源电压值和合闸初相角；合闸前铁芯磁通值和剩磁方向；系统等值阻抗值和相角；变压器绕组的接线方式和中心点接地方式；铁芯材质的磁化特性、磁滞特性等，铁芯结构型式、工艺组装水平。

为防止变压器空投时保护误动，其差动保护通常利用二次谐波作制动。原理是通过计算差动电流中的二次谐波电流分量来判断是否发生励磁涌流。当出现励磁涌流时应有：Id2 > K Id1。其中，Id1、Id2分别为差动电流中的基波和二次谐波电流的幅值；K为二次谐波制动比。但是，由于变压器磁特性的变化，某些工况下励磁涌流的二次谐波含量低，容易导致误动；而大容量变压器、远距离输电的发展，使得内部故障时暂态电流可能产生较大二次谐波，容易导致拒动。这时，就必须选用其它制动方式，如偶次谐波电流制动、判断电流间断角识别励磁涌流、半波叠加制动等。 2.2 区外短路时误动

外部故障切除后，暂态磁通可能超过变压器铁芯的饱和点，从而产生一定的恢复性涌流。同时，外部故障过程中电流可能有很大的非周期分量，使CT进入饱和区。这两方面因素均有可能在差动保护回路中产生不平衡电流，从而使差动保护在故障切除后误动。恢复性涌流的性质同空载合闸涌流相似，只是幅值较小，因此其误动率应与空载合闸相差不多。 2.3 差动回路中不平衡电流引起的误动

变压器的差动保护存在不平衡电流，在实际应用中主要考虑和解决以下四个问题：变压器的励磁涌流；变压器一次侧与二次侧电流的相位补偿；高、低压侧电流互感器变比不配合及其分接开关变化；电流互感器的饱和。

对于数字式纵差动保护,因其软件计算的灵活性,通常由软件进行相位校正和电流平衡调整，故需要解决的主要问题就是励磁涌流和电流互感器的饱和。关于励磁涌流问题，前面已论述。关于抗电流互感器的饱和，目前在高压系统或大容量电力设备的高压侧设计中，普遍采用抗饱和的电流互感器，如TPY级电流互感器、带小气隙的PR级电流互感器等；或在变压器差动保护中选用抗电流互感器饱和的附加稳定特性区、设置差动电流速断保护等。 3 微机型变压器纵差保护的基本原理

通常，微机型变压器差动保护由二次谐波制动的比率差动和差动速断组成。而三折线比率制动特性较两折线比率制动特性容易提高内部相间短路故障灵敏度,故下面就介绍三段折线式比率差动的原理及动作特性。

在综合考虑纵差保护的选择性和灵敏性时，变压器的纵差保护通常利用变压器两侧电流的基波相量，其工作原理如图1所示, 其动作判据为： Idz =｜ ｜

Izd = K×(｜ ｜＋｜ ｜) 式中 Idz —— 差动电流的幅值 Izd —— 制动电流的幅值 —— 一次侧基波电流相量 —— 二次侧基波电流相量 K —— 比率制动系数，

制动电流Izd的计算则应根据变压器的各绕组实际功率流向来选择，制动电流的选择方案在实际应用中主要有以下两种： Izd = 0.5×(｜ ｜＋｜ ｜) Izd = max(｜ ｜,｜ ｜)

制动电流的选择将直接影响纵差保护的选择性和灵敏性。制动量过大，纵差保护的选择性增强，抵御外部故障引起保护误动作的能力增强，但对内部故障的灵敏度则降低。为此应结合实际变压器的工作性质来确定制动电流的合理选择方法。

图2所示三折线比率制动特性，由直线段AB、BC、CD组成，特性曲线上方为动作区下方为制动区，有两个拐点电流Izd1和 Izd2。由图中可看出：

当Izd＜Izd1时，比率差动不带制动作用， Izd＞Izd2时，比率差动有较大的制动作用。 其特点是：当变压器轻微故障时，例如匝间短路的圈数很少时，不带制动量，使保护在变压器轻微故障时具有较高的灵敏度。而在较严重的区外故障时，有较大的制动量，提高保护的可靠性。

动作电流Idz的确定应根据制动电流Izd的计算值，按图2所示的AB、BC、CD折线特性来计算，有比率差动动作特性方程： Idz= Idz0 Izd ≤ Izd1

Idz= S1(Izd- Izd1)+ Idz0 Izd1 Izd2 式中 Idz0 ——差动电流的最小动作值

S1 、S2 ——第一段、第二段折线的斜率，S2>S1 4 保护参数设置

通常，拐点电流Izd1固定为0.5In， Izd2固定为（0.5～3）In可调，S1一般为0.3~0.75可调，S2固定为1。 4.1 确定最小动作电流Idz0: 正常最大负载时不平衡电流Ibp

Ibp =(KtxKfzqKzh+ΔU+Δm)Ifh/nTA=(KtxKfzqKzh+ΔU+Δm)IfhIn/IN Ifh —— 最大负载电流(一次侧)

式中 Ktx —— 电流互感器同型系数,相同取0.5,不同取1 Kfzq —— 非周期分量,取1.5~2

Kzh —— 电流互感器综合误差,取10%~20% ΔU —— 调压百分值,一般取5% Δm —— 不平衡电流系数，取 0.05 nTA ——一次侧电流互感器变比 IN ——变压器一次侧额定电流

In ——变压器一次侧额定电流换算到电流互感器二次值, In=IN/nTA 最小动作电流Idz0按躲过正常最大负载时的不平衡电流整定,则 Idz0 = KK Ibp

KK——可靠系数，取1.3~1.5 4.2 确定斜率S1

按躲过变压器额定负载时不平衡电流整定 变压器额定负载IN时不平衡电流Ibp.n Ibp.n =(KtxKfzqKzh+ΔU+Δm)In Idz = KK Ibp.n

当变压器额定运行时,此时的制动电流 Izd = 0.5×(｜ ｜＋｜ ｜) = In

由图2可知，S1 = ( Idz - Idz0)/( Izd - Izd1) = ( KK Ibp.n - Idz0)/( In - Izd1) Izd1固定为0.5In，即可求得 S1

4.3 确定第二个拐点电流Izd2所对应的动作电流Idz2 因S1 = ( Idz2 - Idz0)/( Izd2 - Izd1) 故Idz2 = Idz0 + S1 ( Izd2 - Izd1) 令Izd2=2In ，即可求得 Idz2

4.4 根据求得的Idz2、Izd2，计算变压器区外短路故障时的动作电流Idz3

当变压器区外短路故障时，差动回路流过的不平衡电流最大，为保证差动保护不误动作，要求此时的动作电流Idz3>Ibp.max，

Ibp.max =(KtxKfzqKzh+ΔU+Δm)I2K3.maxIn/IN

I2K3.max —— 最大运行方式下，变压器低压母线三相短路时通过高压侧的电流 此时所对应的最大制动电流Izd.max= I2K3.maxIn/IN 因S2=( Idz3 - Idz2)/( Izd.max- Izd2) 令S2=1, Idz3 = Idz2 + Izd.max- Izd2 4.5 谐波制动比定值

二次谐波制动主要判定是故障电流还是励磁涌流，若被判定为励磁涌流，比率差动动作元件被涌流判别元件闭锁，否则比率差动动作。变压器差动回路中2次谐波电流与基波电流的比值Id2 /Id1一般整定为12%~20%。 4.6 差动电流速断保护定值Id>

差动速断是在较严重的区内故障情况下，快速跳开变压器各侧断路器，切除故障点。实际上是由差动过流继电器完成的，与电磁式的差动速断没有区别。差动速断的定值是按躲过变压器的励磁涌流和最大运行方式下穿越性故障引起的不平衡电流两者中的较大者。定值一般取(4～14) In。

差动电流速断保护定值应躲过变压器的励磁涌流和区外短路故障时的最大不平衡电流，表示式为 Id> > K In Id> > KK Ibp.max

K——励磁涌流倍数，当变压器容量越大，K值越低 Id>取以上两式较大值

4.7 内部故障灵敏度Klm1、 Klm2

计算最小运行方式下区内两相短路时的短路电流I2K2.min及相应的制动电流Izd，Izd = 0.5×(｜ ｜＋｜ ｜)，在三折线上求得动作电流IdZ，于是 Klm1 = ，要求≥2

根据已整定的差动电流速断保护定值Id>及区内两相短路时的短路电流I1K2.min 可求得：Klm2 = ，要求≥1.2

I2K2.min —— 最小运行方式下，变压器低压母线两相短路时通过高压侧的电流 I1K2.min —— 最小运行方式下，高压开关出线侧两相短路时的电流

5 整定计算实例

5.1设备参数和短路计算值 变压器额定容量 50MVA 变压器额定电流IN 262A 变压器最大负载电流Ifh 173A 变压器变比 110/10.5KV I1K2.min 4950A I2K2.min 1510A I2K3.max 2180A

一次侧电流互感器变比nTA 300/1A 5.2 保护整定结果 制动电流Izd1 0.5In 制动电流Izd2 2In 动作电流Idz0 0.3In 动作电流Idz2 1.2

动作电流Idz3 7.5In>>Ibp.max 最大不平衡电流Ibp.max 3.3In 三折线斜率S1 0.6 三折线斜率S2 1.0 二次谐波制动比 15%

差动速断保护动作电流Id> 9In 保护灵敏度系数Klm1 2.77＞2 保护灵敏度系数Klm2 2.1＞1.2 6 结束语

尽管具有比例制动特性的变压器差动保护能提高反应变压器内部故障的灵敏度,但如果整定计算时参数设置不正确或不完整，未考虑到一些可能引起误动的因素，就会直接影响变压器差动保护的性能，甚至造成变压器差动保护的误动或拒动。因此，只有变压器差动保护的正确整定计算，才能保证电网安全可靠的运行。 参考文献

[1] 王维俭. 电气主设备继电保护原理与应用. 北京：中国电力出版社,1998. [2] 王梅义. 电网继电保护应用. 北京：中国电力出版社,1998. [3] ABB微机综合保护 R542+产品技术说明书.

[4] 许正亚. 变压器及中低压网络数字式保护. 北京：中国水利电力出版社,2004 [5] 李宏任. 实用继电保护. 北京：机械工业出版社,2002.

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