變壓器差動保護(hù)中電流互感器TA及其聯(lián)接組的若干問題探討

1、變壓器差動保護(hù)中電流互感器TA及其聯(lián)接組的若干問題探討摘要：本文闡述了變壓器差動保護(hù)中電流互感器TA及其聯(lián)接組的若干技術(shù)問題的重要性。對這些問題給出了所采用的解決方法：利用數(shù)學(xué)方法解決TA聯(lián)接組的匹配；針對TA飽和的附加穩(wěn)定區(qū)判別法；電流電壓量綜合判別法識別TA二次電路斷線或短路問題；加強(qiáng)保護(hù)的人機(jī)接口功能避免TA的相序、極性和接地問題。 關(guān)鍵詞：電流互感器TA；TA聯(lián)接組；TA飽和；斷線或短路1  引言    電力變壓器是發(fā)電廠和變電站的主要電氣設(shè)備之一，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是大型高壓、超高壓電力變壓器造價昂貴、運(yùn)

2、行責(zé)任重大。一旦發(fā)生故障遭到損壞，其檢修難度大、時間長，要造成很大的經(jīng)濟(jì)損失；另外，發(fā)生故障后突然切除變壓器也會對電力系統(tǒng)造成或大或小的擾動。因此，對繼電保護(hù)的要求很高。    作為電力變壓器的主保護(hù)之一的變壓器差動保護(hù)歷來得到廣大保護(hù)同行們的重視，對其主要保護(hù)原理的研究已經(jīng)相當(dāng)有成果。但是對于其電流互感器TA及其聯(lián)接組的若干問題尚留有進(jìn)一步探討的余地，如：    1).變壓器各側(cè)電流互感器TA聯(lián)接組的變比匹配和相位修正    2).電流互感器TA飽和時的對策 &#

3、160;  3).電流互感器TA二次電路斷線或短路時的對策    4).電流互感器TA的相序、極性和接地問題等    這些問題處理的不好也會直接影響變壓器差動保護(hù)的可靠工作，降低保護(hù)性能。特別是現(xiàn)在大量采用的微機(jī)型變壓器差動保護(hù)，由于具有了更加強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、計算、邏輯判斷等軟件功能，更應(yīng)該很好處理和解決這些問題。本文針對這些問題并通過長期在變壓器保護(hù)方面的研究、設(shè)計和應(yīng)用中的體會，對變壓器差動保護(hù)中變壓器各側(cè)電流互感器 TA及其聯(lián)接組的若干問題專門作了探討。2  電流互感器

4、TA聯(lián)接組的變比匹配和相位修正    一般來說，在電力變壓器中有電流流過時，通過變壓器各側(cè)電流互感器TA的二次電流不會正好完全平衡，這是由于變壓器的變比和接線組別以及變壓器各側(cè)的電流互感器TA的變比和接線等情況有關(guān)。因此，變壓器差動保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮下列各項因素，使得經(jīng)過合理匹配的各側(cè)電流才能進(jìn)行比較。這些因素主要是：    1).變壓器各側(cè)的電壓等級，包括分接頭情況    2).變壓器各側(cè)的電流互感器情況及其接線方法    3).

5、變壓器-接線下造成的電流相位角差    4).變壓器接線繞組側(cè)的中性點(diǎn)接地情況    5).變壓器側(cè)有無接地故障零序電流電源    常規(guī)的變壓器差動保護(hù)裝置，普遍采用合理的選擇電流互感器TA的應(yīng)用接線方式修正相位差，并通過裝置內(nèi)部的器件進(jìn)行變比匹配或者通過專用的外部輔助電流互感器進(jìn)行變比匹配，從而解決這些問題，這里不再贅述。    目前，微機(jī)型變壓器差動保護(hù)裝置普遍利用本身方便的計算條件，通過保護(hù)軟件單純地以數(shù)學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)匹配各種變壓器

6、和其電流互感器TA的變比，以及被保護(hù)變壓器接線組別形成的相位差。不需要裝置內(nèi)部的器件進(jìn)行變比匹配或?qū)Ｓ玫耐獠枯o助電流互感器進(jìn)行變比匹配。    一般情況下，微機(jī)型變壓器差動保護(hù)裝置可以采用如下的數(shù)學(xué)表達(dá)式模擬變壓器各側(cè)電流的匹配情況，不再要求電流互感器TA的接線方式。其通常的編程系數(shù)矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：    IOUT = Kn·A·IIN (2-1)式中：    IOUT匹配后的該側(cè)電流Ia、Ib、Ic的矩陣    

7、;Kn 該側(cè)變比平衡系數(shù)    A 該側(cè)相位平衡系數(shù)的矩陣    IIN該側(cè)輸入裝置的電流IA、IB、IC的矩陣如果采用零序電流補(bǔ)償方式，其通常的編程系數(shù)矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：    IOUT = Kn·A·IIN+K0·I0 (2-2)式中：    I0該側(cè)零序電流的矩陣    K0 該側(cè)零序變比平衡系數(shù)    例如，對于如圖1

8、所示的變壓器接線情況，如果設(shè)定輸入微機(jī)型變壓器差動保護(hù)裝置的變壓器主一次和主二次電流的各側(cè)電流互感器 TA均為星形接法，且同名端均在變壓器的外側(cè)，那么保護(hù)裝置電流互感器TA聯(lián)接組的變比匹配和相位修正方式可以采用如下兩種方式：IA1      IA2圖1 Y0/-11接線變壓器    方式一，變比匹配和相位修正按照無零序補(bǔ)償?shù)某Ｒ?guī)方式。按照式(2-1)確定的各側(cè)編程矩陣方程如下： (2-3) (2-4)    方式二，有零序補(bǔ)償?shù)姆绞?。它的各?cè)編程矩陣方程按

9、照式(2-2)和式(2-1)確定如下：(2-5)(2-6)它們之間的區(qū)別主要是：方式一符合常規(guī)使用方式，應(yīng)用經(jīng)驗豐富；方式二對于變壓器一次側(cè)的接地故障靈敏度較方式一好；方式二由于對于變壓器一次側(cè)電流互感器輸入的電流沒有相關(guān)合成，因此對于變壓器產(chǎn)生的勵磁涌流的原始特征保留情況可能比方式一好些；方式二的缺點(diǎn)是需要輸入保護(hù)裝置接地側(cè)的零序電流，應(yīng)用經(jīng)驗不夠豐富。    通過以上分析和在實(shí)際應(yīng)用中的體會，采用純數(shù)學(xué)方法依靠軟件實(shí)現(xiàn)電流互感器TA聯(lián)接組的變比匹配和相位修正方式帶來的好處是：可靠性高、方式靈活、不受環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)性好、修改方便等。但是，在應(yīng)用中一定要

10、注意選擇的變比平衡系數(shù)的限制范圍，避免變比平衡系數(shù)本身放大保護(hù)的采樣值影響保護(hù)工作。3  電流互感器TA飽和時的對策    當(dāng)前和今后一段時間內(nèi)仍然大量采用的常規(guī)電磁耦合方式的電流互感器TA，由于故障電流大和（或）系統(tǒng)時間常數(shù)長以及電流互感器TA本身的剩磁等因素引起的電流互感器TA飽和情況，會對變壓器差動保護(hù)裝置產(chǎn)生極為不利的影響。特別是電流互感器TA的暫態(tài)飽和對引用變壓器各側(cè)電流量的變壓器差動保護(hù)的影響更大，應(yīng)該采取相應(yīng)的識別方法區(qū)分是否為變壓器差動保護(hù)區(qū)外的故障造成的電流互感器TA飽和的情況，避免變壓器差動保護(hù)發(fā)生誤動作。

11、0;   目前，一方面對于電流互感器TA的選型已經(jīng)考慮或注意到電流互感器TA的暫態(tài)飽和問題，如在高壓系統(tǒng)或大容量電力設(shè)備高壓側(cè)普遍設(shè)計采用TPY級電流互感器，以及選用帶小氣隙的PR級電流互感器等；另一方面要求保護(hù)裝置本身具有一定的抗電流互感器TA飽和的能力，特別是抗電流互感器TA的暫態(tài)飽和的能力。對于保護(hù)裝置采用的判別方法主要是利用電流互感器TA飽和后的電流特征識別，如電流波形識別法、諧波含量判別法、時差判別法等。下面介紹一種變壓器差動保護(hù)中選用的抗電流互感器TA飽和的附加穩(wěn)定特性區(qū)判別方法：    首先，對于發(fā)生在被保護(hù)變

12、壓器區(qū)內(nèi)的短路故障，它引起的電流互感器TA飽和是不易用差動電流和制動電流的比值區(qū)分的。這是因為差動電流和制動電流的測量值都會受到影響，而且它們的比值立即就會滿足保護(hù)動作條件。這時的比率差動保護(hù)的動作特性還是有效的，故障特征滿足比率差動保護(hù)的動作條件。    其次，對于發(fā)生在被保護(hù)變壓器區(qū)外的故障，它產(chǎn)生的較大的穿越性短路電流引起的電流互感器TA飽和，會產(chǎn)生很大的虛假差動電流，這在各個測量點(diǎn)的電流互感器TA飽和情況不同時更為嚴(yán)重。如果由此產(chǎn)生的量值引發(fā)的工作點(diǎn)落在了比率差動保護(hù)的動作特性區(qū)內(nèi)，而且不采取任何穩(wěn)定比率差動保護(hù)的措施，比率差動保護(hù)將會誤動作。但

13、是我們知道：電流互感器TA并不是在故障一開始就發(fā)生飽和，而是在故障發(fā)生后經(jīng)過一段時間，其鐵芯的磁通達(dá)到它的飽和密度后才開始的。這樣，電流互感器TA從故障起始到開始飽和時總會有一段時間（不小于1/4T1/2T左右，T為工頻周期的時間）還能夠線性變換電流量，不會立即產(chǎn)生飽和。因此，按照基爾霍夫電流定律計算變壓器各側(cè)的電流量得到的差動電流，在開始的短時間內(nèi)基本平衡，僅會產(chǎn)生較小的不平衡電流，待電流互感器TA飽和后才會產(chǎn)生較大的差動電流，引起變壓器差動保護(hù)誤動。    針對上述情況，變壓器差動保護(hù)可以設(shè)一個電流互感器TA飽和時的附加穩(wěn)定特性區(qū)，它能夠區(qū)分出這種變

14、壓器區(qū)內(nèi)、外故障情況，它的工作特性如圖2所示。圖2 差動保護(hù)動作特性     對于發(fā)生在被保護(hù)變壓器區(qū)外的故障引起的電流互感器TA飽和，利用故障發(fā)生的最初的1/4T 1/2T時間內(nèi)，可以通過高值的初始制動電流（ITA ）檢測出來，此制動電流會將工作點(diǎn)短暫的移至附加穩(wěn)定特性區(qū)內(nèi)。反之，當(dāng)變壓器區(qū)內(nèi)故障時，由于差動電流很大，其與制動電流的比值引發(fā)的工作點(diǎn)會立即進(jìn)入比率差動保護(hù)的動作特性區(qū)內(nèi)。因此，保護(hù)通過測量的電流量值引發(fā)的工作點(diǎn)是否在附加穩(wěn)定特性區(qū)內(nèi)，在半個周期內(nèi)由此判別作出決定。一旦檢查出外部故障引起電流互感器TA飽和，可以選擇差動保護(hù)自動閉鎖了比率差動

15、保護(hù)，并按照整定的時間（TTA）內(nèi)一直有效閉鎖比率差動保護(hù)，直到整定的時間到時才解除閉鎖。檢查出變壓器區(qū)外故障引起電流互感器TA飽和的判據(jù)公式如下式（3-1）。    Iz ITA    Id KB1/2·Iz （3-1）    t TTA式中：    ITA 檢查TA飽和制動電流門坎值    TTA TA飽和閉鎖時間    在外部故障引起的電力互

16、感器TA飽和閉鎖了比率差動保護(hù)期間，如果發(fā)生故障變化在變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)也發(fā)生了故障，其引發(fā)的工作點(diǎn)穩(wěn)定地連續(xù)兩個周期工作在高定值的動作區(qū)內(nèi)，那么電流互感器TA飽和閉鎖會被立即解除。由此可靠地檢查出被保護(hù)變壓器發(fā)展中的故障而迅速動作。    當(dāng)然，傳感器技術(shù)的發(fā)展一定能夠解決電流互感器的飽和問題。如目前國外已經(jīng)有光儀用互感器（OCT 、OVT）的應(yīng)用報道，能夠解決這一問題。    我國對這項傳感器技術(shù)的革命也投入了大量的資金、人力進(jìn)行研究和開發(fā)。2001年12月初，在北京召開的中國電機(jī)工程學(xué)會繼電保護(hù)專業(yè)委員會主設(shè)備保

17、護(hù)學(xué)術(shù)研討會上，有專家作了光電流互感器及其在繼電保護(hù)（國內(nèi)外）中的應(yīng)用的專題報告，在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展，可以預(yù)計在不遠(yuǎn)的將來會將這一革命性的成果得到應(yīng)用。4 電流互感器TA二次電路斷線或短路時的對策歷來，對于微機(jī)型變壓器差動保護(hù)判別其電流互感器TA二次電路的斷線或短路故障比較困難，原因是單純通過本身的電流量去判斷接線比較復(fù)雜的電流互感器TA二次電路的多種多樣的斷線和短路故障，很難與各種各樣的系統(tǒng)異?；蚬收锨闆r區(qū)分，因此很多微機(jī)型變壓器差動保護(hù)都只是配有簡單的電流互感器TA二次電路的斷線判別元件。針對這種情況，介紹一種由電流量和電壓量共同判別電流互感器TA二次電路斷線或短路的判別原理，

18、它特別適用于主后備一體化方式的微機(jī)型變壓器保護(hù)裝置。    變壓器差動保護(hù)的差流異常報警和電流互感器TA二次電路斷線或短路判據(jù)如下：    (1）差流異常告警當(dāng)任何一相差流的有效值大于告警門坎值，而且連續(xù)滿足該動作條件的時間超過10秒鐘時，保護(hù)裝置發(fā)出差流異常告警信號，但是不閉鎖比率差動保護(hù)。該項功能兼有電流互感器TA二次電路斷線或短路、采樣通道異常（器件損壞或特性改變等）、外部接線回路不正常等情況的綜合告警作用。    (2）瞬時電流互感器TA斷線或短路告警 &#

19、160;  瞬時電流互感器TA斷線或短路告警判據(jù)，在保護(hù)啟動后滿足以下任一條件時開放比率差動保護(hù)：    a).任一側(cè)任一相的電壓元件有突變啟動    b).任一側(cè)負(fù)序電壓大于門坎值    c).啟動后任一側(cè)的任一相電流比啟動前增大    d).啟動后最大相電流大于1.2Ie如果上述排除系統(tǒng)故障或擾動的判據(jù)不滿足，而差動電流的工作點(diǎn)滿足公式（4-1）時，那么保護(hù)判別為電流互感器TA二次電路斷線或短路故障，而不認(rèn)為發(fā)生

20、了變壓器內(nèi)部短路故障。    Id Idset    Id k· Iz （4-1）式中：    Idset檢查斷線或短路差動電流門坎值    k 檢查斷線或短路的比率系數(shù)在以上判據(jù)的實(shí)際應(yīng)用中，為了滿足不同用戶的需要，該判據(jù)元件可以設(shè)計為通過配置字選擇僅僅發(fā)出告警信號，或者選擇發(fā)出告警信號并且閉鎖比率差動保護(hù)，或者選擇不投入此判據(jù)元件。在選擇了發(fā)出告警信號并且閉鎖比率差動保護(hù)時，在此選擇下還可以選擇“永久”閉鎖比率差動保護(hù)或相

21、電流增大超過1.2Ie時自動解除閉鎖比率差動保護(hù)。    由于以上判據(jù)選擇了電流量和電壓量綜合判別，所以對于電流互感器TA二次電路的各種斷線或短路情況都能夠很好地判別出來。因此，不僅全面增加了電流互感器TA二次電路故障情況的判別類型范圍，而且對于電流互感器TA二次電路的各種各樣的斷線或短路情況判別得更準(zhǔn)確、更可靠、更全面。5  電流互感器TA接線的相序、極性和接地問題    變壓器差動保護(hù)按照有關(guān)的規(guī)定在保護(hù)投運(yùn)前要嚴(yán)格檢查輸入保護(hù)裝置的電流互感器TA接線電路的相序和極性，確保變壓器差動保護(hù)的正

22、確工作。但是工程實(shí)踐反映，由于各種各樣的原因，現(xiàn)場確有接錯變壓器各側(cè)電流互感器三相電路的接線，導(dǎo)致相序和極性錯誤的情況發(fā)生，造成變壓器差動保護(hù)不應(yīng)有的誤動。如果保護(hù)裝置本身可以直觀的顯示輸入的變壓器各側(cè)電流量的相角、幅值，那么對于變壓器差動保護(hù)的各側(cè)電流互感器TA接線的相序和極性檢查會有很大的幫助，對變壓器差動保護(hù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行又多了一份保證。基于此考慮，利用微機(jī)型保護(hù)的較強(qiáng)的人機(jī)接口功能，可以直觀顯示變壓器各側(cè)電流量的相對相位角度和幅值，顯示差流的幅值等，觀察輸入電流量的測量情況。因此，在變壓器投運(yùn)后帶有輕負(fù)荷的情況下，由現(xiàn)場的保護(hù)技術(shù)人員通過觀察變壓器差動保護(hù)裝置測量顯示的變壓器各側(cè)電流量

23、的情況和差流的情況，繪出變壓器各側(cè)電流量的相量圖，就可以直接分析驗證變壓器各側(cè)電流互感器TA電路接線是否正確。如果通過觀察分析和得到的相量圖確認(rèn)接入變壓器差動保護(hù)裝置的變壓器各側(cè)的相電流電路接線正常，僅僅有顯示的差流不正常，那么有可能是保護(hù)裝置本身的數(shù)字化平衡變壓器各側(cè)電流量的整定值整定有問題，從而也驗證了保護(hù)裝置的數(shù)字化平衡變壓器各側(cè)電流量的整定值是否正確。    變壓器差動保護(hù)的二次電流回路接線的另外一個值得注意的問題是：接地點(diǎn)問題。關(guān)于儀用互感器的二次回路必須有可靠的接地的要求，在國內(nèi)外的相應(yīng)規(guī)程中都有明確的規(guī)定。例如，在1983年部頒繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程中，就有如下條文：    第條 電流互感器的二次回路應(yīng)有一個接地點(diǎn)，并在配電裝置附近經(jīng)端子排