变压器比率制动式差动保护及整定

[摘要]文中重点分析了变压器差动保护要求及注意事项：变压器微机比率制动差动保护的原理、特点和优势及整定计算，并举例进行了说明

[关键词]变压器 差动保护 比率制动 整定

1　变压器差动保护分析

(1)变压器的主保护差动保护是利用变压器正常情况下，流入和流出设备的电流相同(对变压器应按变比折算到同一侧)的原理而设定的。正常情况下，理论上讲流人和流出设备的电流是没有差电流的。实际上由于各侧电流互感器变比不同、误差不同，及变压器调节分头位置等原因，存在一个不大的差电流。对于变压器这个差电流小于15％Ie保护整定的动作电流大于差电流就不会误动作。

(2)在外部故障时(区外故障或穿越性故障)流过设备的电流可能很大，在故障开始瞬间的暂态过程中，短路电流里还含有很大的非周期分量。因而设备各侧的电流互感器可能或接近饱和，此时由于各电流互感器磁化特性不一致，二次差电流将会很大。如果按躲过这一不平衡差电流整定动作值，整定值较大，差动保护的灵敏度将大大降低，为克服这一缺陷。防止保护在这种情况下误动作，设有比例制动回路，当短路电流增大时，制动电压比例增大，使保护制动。

(3)在变压器空载投入或外部短路故障切除后电压恢复过程中，变压器的励磁涌流很大，其值有时可达变压器额定电流的6～12倍，对于大容量的变压器且衰减时间较长。因为励磁涌流仅出现在一侧，对差动保护来讲相当于差电流，如不采取措施，将会误动作。经过理论分析和世界各国历年的试验证明，励磁涌流中含有大量大比例的二次谐波分量，其值可达基波分量的23％～102％不等：而在内部或外部短路电流中含有二次谐波分量较小。一般小于9％。表1是一个实测的例子，可以看出励磁涌流中的二次谐波的比例相当大，而在短路故障中二次谐波量则较小，这样利用一定比例的二次谐波分量起制动作用，可有效地防止保护装置误动作。

(4)在设备内部严重故障时(如出口相间短路)，短路电流有时很大，达到额定电流的10～20倍以上。此时设备的变流器严重饱和，其二次差电流中将出现很大的三次谐波分量：另外大容量主变合闸充电时。二次谐波有可能达到102％Ie，二次谐波制动作用较强，而励磁电流衰减较慢，此时出现大电流短路故障时差动保护可能拒动。

表2列出了不同容量变压器励磁涌流幅值和衰减速度情况，可见容量较大的变压器的励磁涌流衰减速度是较慢的，这样二次谐波制动时间较长。而在变压器充电过程中往往容易出现故障，这样就有可能造成保护装置的拒动。

为防止保护的拒动和加快动作速度，尽快切除故障，保护装置中设有不带制动的差动速断元件。其整定值为变压器额定电流的8～14倍可调，整定值按躲过变压器空载投入时的励磁涌流来确定。

2　比率制动式差动保护特性

随着计算机技术在继电保护领域日益广泛的应用，比率制动特性的微机差动保护，作为双圈和三圈变压器的主保护可以做到动作特性曲线线性变化，具有动作可靠、实时数据采集监控、定值整定修改简单方便精确等优点，得到用户的认可及广泛应用。

所谓比率制动特性差动保护简单说就是穿越电流作为制动分量，并使差动电流动作值随着制动电流的增大而成某一比率的提高。在不平衡电流较大的外部故障时有制动作用，而在内部故障时，制动作用很小。

在图1中，曲线1为差动回路的不平衡电流曲线，它随着短路电流的增大而增大。根据差动回路接线方法不同，在整定时，通过调整不平衡比例系数使得计算机在实时计算时的不平衡电流Ibp最小。

曲线2是无制动时差动保护的整定电流曲线，它是按躲过最大不平衡电流Ibpmax来整定的，因此相对较大，故障灵敏度较低。

曲线3为变压器差动保护区内短路时的差电流曲线，它随短路电流的增大而增大。

曲线4为具有制动特性的继电保护装置的差动保护特性曲线。

曲线3与曲线2交于B点，这时保护的不动作区为OB'所代表的电流值时，保护才能动作。

在有制动时曲线3与曲线4相交于A点，短路电流只要大于OA'所代表的电流值。保护即能动作。0A'

在实际的比率制动式变压器微机差动保护装置中，其比率制动特性如图2所示。

图2中，平行于横坐标的AB段称为无制动段，它的纵坐标为最小启动电流IdzO，横坐标为最小制动电流Izd-min。小于变压器额定电流时无制动作用，通常选取最小制动电流等于被保护变压器高压侧的额定电流的二次值。

即　Izd=Ie

图2中BC段斜线的斜率为基波制动比率，当区外故障时制动电流为穿越电流的和，制动电流Izd增大，此时的起动电流Idz为设备穿越电流的差，数值较小，平等于纵、横轴的二直线交点必然落在制动区内，防止了差动保护的误动；而区内故障时，制动电流Izd为设备输出电流，数值较小，起动电流Izd为故障电流，数值较大，平等于纵、横轴的二直线交点必然落在动作区内，差动保护可靠动作。

采用比率制动变压器微机差动保护的优点在于，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，保护在变压器轻微故障时具有较高的灵敏度。而在区外故障时有较大的制动量，提高保护的可靠性。

3　比率制动式差动保护的整定

3.1　差动速断电流Isd

当变压器空载投入或变压器外部故障切除后电压恢复时，励磁涌流高达额定电流的6～12倍，当差动保护电流互感器选择合适时，变压器外部短路流过差动回路的不平衡电流小于变压器空载投入时的励磁涌流。因此，在整定时可只考虑躲过变压器空载投入时励磁涌流，即：

Isd=(4～14)Ie/n式中Ie――变压器的额定电流(基本侧)；

n――变压器基本侧电流互感器的变流比。

3.2　平衡系数Kph

用来对主变各侧因CT变比不同引起的误差时行校正，以变压器副边电流的二次值为基准，将变压器原边电流二次值乘以Kph来进行差流判断。

Kph=Idy/Igy式中Idy――流入保护装置低压侧二次电流；

Igy――流入保护装置高压侧二次电流。

3.3　差动启动电流IdzO

应躲过变压器最大负荷情况下的不平衡电流，并要保证变压器内部故障时有足够的灵敏度，一般为0.2～1倍的额定电流值。

即　IdzO=(0.2～1)Ie

3.4　最小制动电流Izdmin

一般取变压器高压侧额定电流二次值。

Izdmin=Ie/n式中Ie――变压器高压侧额定电流：

n――变压器高压侧电流互感器变比。

3.5　Kzd――比率制动系数(即基波制动斜率)

可按下式计算：

Kzd=Kk(Ktx・Kfx+U+C)式中Kk――可靠系数，取1.3～1.5；

Ktx――电流互感器同型系数，一般取1；

Fi――电流互感器10％误差曲线，满足误差取0.1；

Kfx――非线性电流系数一般取1.2～1.8；

U――变压器调压引起的相对误差。

在变压器带有调压分头时，取分头改变量的一半，一般取0.1。C为余度系数，一般取0.1～0.2。

3.6　二次谐波制动系数Kxzd

根据变压器涌流的大小及系数中二次谐波在基波中的含量来整定。一般在10％～25％之间选取。Kxzd=0.1～0.25

比率制动系数的选取为比率制动式差动保护动作可靠性的关键，因不同容量、不同型号变压器的铁心励磁特性也不同，所以Kk、Izdmin等决定的差动特性不同，还要根据各自的运行经验及厂家设备说明书中的整定范围内来选取。

4　计算举例

以单侧电源、高压侧送电变电站1#主变为例，SSZ10――40000/110±8×1.25％/38.5±2×2.5％/11kV。

(1)差动速断电流取8倍额定电流值：

Isd=8×213÷400/5=21.3(A)

(2)启动电流值取0.5倍的额定电流值：

IdzO=0.5×4.6=2.3(A)

(3)最小制动电流取变压器额定电流值：

Izdmin=4.6(A)

(4)比率制动系数Kzd=Kk(Ktx・Kfx・Fi+U+C)可靠系数Kk取1.3；电流互感器同型系数Ktx取1；电流互感器误差Fi取0.1；非线性电流系数Kfx取1；变压器调压引起的相对误差U取0.1。余度系数C取0.1。

Kzd=1.3(1×1x0.1+0.1+0.1)=0.39取Kzd值为0.4。

(5)二次谐波制动系数取0.15，则Kxzd=0.15