電力變壓器輕微匝間故障保護(hù)策略

1、. z.電力變壓器輕微匝間故障保護(hù)策略緒論隨著電力系統(tǒng)的出現(xiàn)，繼電保護(hù)技術(shù)就相伴而生。與當(dāng)代新興科學(xué)技術(shù)相比，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是相當(dāng)古老了，然而電力系統(tǒng)繼電保護(hù)作為一門綜合性科學(xué)又總是充滿青春活力，處于蓬勃開展中。之所以如此，是因?yàn)樗貏e注重理論與實(shí)踐并重，與根底理論、新理論、新技術(shù)的開展嚴(yán)密聯(lián)系在一起，同時(shí)也與電力系統(tǒng)的運(yùn)行和開展息息相關(guān)。電力系統(tǒng)自身的開展是促進(jìn)繼電保護(hù)開展的因，是繼電保護(hù)開展的源泉和動(dòng)力，而相關(guān)新理論、新技術(shù)、新材料的開展是促進(jìn)繼電保護(hù)開展的外因，是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)開展的客觀條件和技術(shù)根底。變壓器差動(dòng)保護(hù)的開展簡(jiǎn)述電流差動(dòng)保護(hù)原理是由C H Merz和B.Price在19

2、04年提出的，其理論根底是基爾霍夫電流定律，它是電力變壓器的主保護(hù)，也是各種電氣元件使用最廣泛的一種保護(hù)方式。自上世紀(jì)70年代微處理器的出現(xiàn)，元件保護(hù)進(jìn)入到微機(jī)保護(hù)時(shí)代。國(guó)外在70年代即對(duì)變壓器個(gè)別保護(hù)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)開展研究。80年代國(guó)外開場(chǎng)研制發(fā)電機(jī)及變壓器整套微機(jī)保護(hù)。1989年波蘭Korbasiewcz發(fā)表了發(fā)電機(jī)變壓器組微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。1990年印度Verma等也發(fā)表了變壓器全套微機(jī)保護(hù)的研究成果。到90年代見到正式商業(yè)產(chǎn)品，如Siemens及ABB公司均已有微機(jī)發(fā)變組全套保護(hù)。我國(guó)微機(jī)元件保護(hù)的研制，是從80年代開場(chǎng)的。1987年在我國(guó)首先研制成微機(jī)式發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)系統(tǒng)，在此根底上于19

3、89年開發(fā)研制成發(fā)電機(jī)全套微機(jī)保護(hù)，并于1994年研制成我國(guó)第一套適用60萬KW及以下容量水、火發(fā)電機(jī)變壓器組全套微機(jī)保護(hù)。隨后，國(guó)又研制成用于水輪機(jī)發(fā)電機(jī)變壓器組的微機(jī)保護(hù)。1988年后有多家研制成了變壓器微機(jī)保護(hù)。電氣主設(shè)備部故障的主保護(hù)方案之一是差動(dòng)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)在發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用比較簡(jiǎn)單。作為變壓器主保護(hù)，對(duì)其要求有兩方面，即防止外部短路時(shí)不平衡電流及防止勵(lì)磁涌流所致的誤動(dòng)作。但是作為變壓器部故障的主保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)將有許多特點(diǎn)和困難，變壓器具有兩個(gè)及更多個(gè)電壓等級(jí)，構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)所用電流互感器的額定參數(shù)各不一樣，由此產(chǎn)生的差動(dòng)保護(hù)不平衡電流將比發(fā)電機(jī)的大得多。變壓器每相原副邊電流之差正常運(yùn)

4、行時(shí)的勵(lì)磁電流將作為變壓器差動(dòng)保護(hù)不平衡電流的一種來源，特別是當(dāng)變壓器過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流可達(dá)變壓器額定電流的水平，勢(shì)必引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。更有甚者，在空載變壓器突然合閘時(shí)，或者變壓器外部短路被切除而變壓器端電壓突然恢復(fù)時(shí)，暫態(tài)勵(lì)磁電流即勵(lì)磁涌流的大小可與短路電流相比較，在這樣大的不平衡電流下，要求差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng)，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜困難的技術(shù)問題。正常運(yùn)行中的變壓器，根據(jù)電力系統(tǒng)的要求，需要調(diào)節(jié)分接頭，這又將增大變壓器差動(dòng)保護(hù)的不平衡電流;變壓器差動(dòng)保護(hù)應(yīng)能反響高、低壓繞組的匝間短路，而匝間短路時(shí)雖然短路環(huán)流中電流很大，但流入差動(dòng)保護(hù)的電流可能不大：變壓器差動(dòng)保護(hù)還應(yīng)能反響高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地系

5、統(tǒng)經(jīng)高阻接地的單相短路，此時(shí)故障電流也較小;當(dāng)變壓器繞組匝間短路時(shí)，變壓器仍帶有負(fù)荷，這就是說變壓器部短路時(shí)被保護(hù)設(shè)備仍有流出電流，影響保護(hù)的靈敏動(dòng)作。綜上所述，將差動(dòng)保護(hù)用于變壓器，一方面由于各種因素產(chǎn)生較大或很大的不平衡電流，另一方面又要求能反響具有流出電流性質(zhì)的輕微部短路，可見變壓器差動(dòng)保護(hù)要比發(fā)電機(jī)等其他元件差動(dòng)保護(hù)復(fù)雜得多。勵(lì)磁涌流判別原理的研究現(xiàn)狀隨著超高壓、遠(yuǎn)距離輸電在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，大容量變壓器的應(yīng)用日益增多，對(duì)變壓器保護(hù)的可靠性、快速性提出了更高的要求。電力變壓器在空載合閘投入電網(wǎng)或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)值很大的勵(lì)磁涌流，同時(shí)波形嚴(yán)重畸變，容易造成差動(dòng)保

6、護(hù)誤動(dòng)作，直接影響到變壓器保護(hù)的可靠性。差動(dòng)保護(hù)一直是電力變壓器的主保護(hù)，其理論根據(jù)是基爾霍夫電流定律，對(duì)于純電路設(shè)備，差動(dòng)保護(hù)無懈可擊。但是對(duì)于變壓器而言，由于部磁路的聯(lián)系，本質(zhì)上不再滿足基爾霍夫電流定律，變壓器勵(lì)磁電流成了差動(dòng)保護(hù)不平衡電流的一種來源。當(dāng)前變壓器差動(dòng)保護(hù)的主要矛盾仍然集中在勵(lì)磁涌流和部故障電流的鑒別上。近十多年來，國(guó)外許多學(xué)者致力于變壓器繼電保護(hù)的研究，提出了不少判別勵(lì)磁涌流的新原理和新方法。1電流波形特征識(shí)別法電流波形特征識(shí)別法一直是人們研究的熱點(diǎn)，目前仍占據(jù)主流。該方法以勵(lì)磁涌流和部故障電流波形特征的差異為依據(jù)。己運(yùn)用于實(shí)踐的方法有：二次諧波制動(dòng)原理和連續(xù)角原理，新近提

7、出的有采樣值差動(dòng)原理、波形對(duì)稱原理，波形疊加原理、波形相關(guān)性分析法和波形擬合法。其中，采樣值差動(dòng)原理是連續(xù)角原理的衍生，波形對(duì)稱原理是連續(xù)角原理的改良，而波形疊加原理、波形相關(guān)性分析法和波形擬合法則是波形對(duì)稱原理的衍生或改良。另外，隨著科學(xué)研究領(lǐng)域的逐步擴(kuò)大，研究層次的逐漸加深，產(chǎn)生的假設(shè)干新興學(xué)科也為判別勵(lì)磁涌流提供了新的手段，其中有代表性的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換。然而，就目前發(fā)表的文獻(xiàn)看，這些新興手段也只是局限于對(duì)電流波形進(jìn)展一些簡(jiǎn)單的加工，所以仍屬于電流波形特征識(shí)別法的疇。2諧波識(shí)別法該方法是通過電流或電壓中諧波含量的多少來區(qū)分部故障和勵(lì)磁涌流。主要有利用二次諧波電流和分析變壓器端電壓中的

8、諧波分量?jī)煞N鑒別勵(lì)磁涌流的方法即二次諧波制動(dòng)和電壓制動(dòng)。大多數(shù)變壓器差動(dòng)繼電器利用差動(dòng)電流的諧波分量區(qū)分不同于勵(lì)磁涌流和過勵(lì)狀況的部故障，諧波分量可以用于制動(dòng)或閉鎖繼電器動(dòng)作。3磁通特性識(shí)別法磁通特性識(shí)別法是考慮利用磁通量，綜合運(yùn)用變壓器的電壓和電流進(jìn)展勵(lì)磁涌流判別的方法。目前主要有三種磁制動(dòng)方案：是基于變壓器在不同工況下的勵(lì)磁特性曲線建立故障判別區(qū);二是建立差動(dòng)電流id和變壓器的互感磁鏈之間的關(guān)系曲線，通過比較與的關(guān)系是否落在空載磁化曲線附近來判斷是否為勵(lì)磁涌流;三是分析比較-曲線上故障時(shí)或涌流時(shí)的切線斜率與半周波前對(duì)應(yīng)的切線斜率的值，相等則為故障。4等值電路法該方法是基于變壓器導(dǎo)納型等值電

9、路的勵(lì)磁涌流判別方法，通過檢測(cè)對(duì)地導(dǎo)納參數(shù)變化來鑒別變壓器外故障。5功率法第一種：對(duì)故障狀態(tài)下系統(tǒng)正負(fù)序網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)展分析，由變壓器兩端電流電壓計(jì)算出兩側(cè)正負(fù)序功率，根據(jù)正負(fù)序功率方向的不同，快速、準(zhǔn)確地區(qū)分變壓器的部故障、外部故障和勵(lì)磁涌流。第二種：先根據(jù)電流電壓計(jì)算出變壓器兩端功率值，并計(jì)算出兩者之差，用求得的有功功率差額W(r)來判別勵(lì)磁涌流和變壓器部故障。該方法的優(yōu)點(diǎn)是第一沒有讓勵(lì)磁涌流成為動(dòng)作的因素，故在勵(lì)磁涌流判別方面有較大的優(yōu)勢(shì)。第二與以往的勵(lì)磁涌流判據(jù)相比，功率差動(dòng)保護(hù)的功能更為全面具有區(qū)分變壓器、外部故障的功能，可以作為獨(dú)立保護(hù)使用。6其它基于參數(shù)辨識(shí)的變壓器差動(dòng)保護(hù)：該方法無

10、需鑒別勵(lì)磁涌流，通過建立變壓器的線性模型，而模型無需涉及變壓器鐵心的非線性關(guān)系和磁滯效應(yīng)。當(dāng)變壓器繞組漏感和電阻在正常運(yùn)行、外部故障及勵(lì)磁涌流時(shí)不發(fā)生變化，而在變壓器部故障時(shí)要發(fā)生變化。根據(jù)這一特性，可把變壓器繞組的漏感和電阻值是否發(fā)生變化作為區(qū)分變壓器部故障和正常、外部故障、勵(lì)磁涌流情況的判據(jù)?；趧?lì)磁阻抗變化的變壓器勵(lì)磁涌流判別方法：在勵(lì)磁涌流出現(xiàn)時(shí)，變壓器的勵(lì)磁阻抗急劇變化，而在正常運(yùn)行或故障時(shí)勵(lì)磁阻抗根本不變這一特征來區(qū)分變壓器勵(lì)磁涌流和短路故障.因而不需要變壓器參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。存在的問題眾所周知，影響變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正確與否的關(guān)鍵是保護(hù)裝置能否正確區(qū)分勵(lì)磁涌流和部故障。有關(guān)勵(lì)磁涌流

11、的分析一直以來都是焦點(diǎn)，意義重大。主要應(yīng)解決的主要問題有：1正確識(shí)別勵(lì)磁涌流和部故障時(shí)的短路電流。變壓器空載合閘或外部短路故障切除電壓突然恢復(fù)時(shí)，變壓器有很大的勵(lì)磁電流即勵(lì)磁涌流通過，因該勵(lì)磁涌流僅在變壓器的側(cè)流通，故流入差動(dòng)回路。變壓器部短路故障時(shí)，差動(dòng)回路流入的是很大的短路電流。顯然，作為縱差動(dòng)保護(hù)，勵(lì)磁涌流作用下不應(yīng)動(dòng)作，短路電流作用下保護(hù)應(yīng)可靠動(dòng)作。2外部短路故障切除電壓突然恢復(fù)的暫態(tài)過程中，應(yīng)保證縱差動(dòng)保護(hù)不發(fā)生誤動(dòng)作。應(yīng)當(dāng)注意在這個(gè)暫態(tài)過程中，一方面變壓器存在勵(lì)磁涌流，勵(lì)磁涌流的非周期分量將使一側(cè)電流互感器勵(lì)磁涌流僅在變壓器一側(cè)流通的誤差特別是角誤差增大;另一方面變壓器負(fù)荷電流的存

12、在。這兩方面的因素導(dǎo)致差動(dòng)回路不平衡電流的增大，變壓器微機(jī)差動(dòng)保護(hù)這種情況下不應(yīng)誤動(dòng)。3應(yīng)解決好區(qū)外短路故障時(shí)差動(dòng)回路中的不平衡電流和保護(hù)靈敏度之間的矛盾。區(qū)外短路故障時(shí)，由于縱差動(dòng)保護(hù)各側(cè)電流互感器變比不匹配、有載調(diào)壓變壓器抽頭的改變、電流互感器誤差特別是暫態(tài)誤差的影響，差動(dòng)回路中流過數(shù)值不小的不平衡電流，為保證縱差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng)，動(dòng)作電流應(yīng)高于區(qū)外短路故障時(shí)的最大不平衡電流，這勢(shì)必要影響到部故障時(shí)保護(hù)的靈敏度。作為縱差動(dòng)保護(hù)，既要保證區(qū)外短路故障差動(dòng)回路流過最大不平衡電流時(shí)不發(fā)生誤動(dòng)作，又要在部短路故障時(shí)保證一定的靈敏度。變壓器差動(dòng)保護(hù)變壓器的差動(dòng)保護(hù)變壓器差動(dòng)保護(hù)的根本原理對(duì)于構(gòu)成理想變壓

13、器模型，差動(dòng)保護(hù)在原理上只能反映被保護(hù)設(shè)備部短路電流，而不管外部有多嚴(yán)重。(a)兩相變壓器原理圖(b)三相變壓器原理圖圖SEQ 圖 * ARABIC1變壓器差動(dòng)保護(hù)的原理接線由于變壓器高壓測(cè)和低壓測(cè)的額定電流不同，因此，為了保證縱差動(dòng)保護(hù)的正確工作，就必須適中選擇兩側(cè)電流互感器的變化，使得在正常運(yùn)行和外部故障時(shí)，兩個(gè)二次電流相等。例如REF _Ref355787553 h圖1(a)中，應(yīng)使： 或 式中為高壓測(cè)電流互感器的變比；為低壓測(cè)電流互感器的變比；為變壓器的變比即高，低壓測(cè)額定電壓之比。當(dāng)被保護(hù)設(shè)備發(fā)生短路橫向故障時(shí)，有，為流向保護(hù)設(shè)備的端電流向量，如同REF _Ref355787553

14、h圖1所示。差動(dòng)保護(hù)就反響了這個(gè)部短路電流，保證此保護(hù)的明確選擇性，快速性和高度靈敏性，當(dāng)然也失去了對(duì)相鄰元件的遠(yuǎn)后備保護(hù)功能。變壓器差動(dòng)回路不平衡電流的分類變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)需要躲開差動(dòng)回路中的不平衡電流。現(xiàn)對(duì)其不平衡電流產(chǎn)生進(jìn)展分類討論：1由變壓器勵(lì)磁涌流，所產(chǎn)生的不平衡電流變壓器的勵(lì)磁電流：僅流經(jīng)變壓器的*一側(cè)，因此，通過電流互感器反響到差動(dòng)回路中不能被平衡，在正常運(yùn)行情況下，此電流很小，一般不超過額定電流的210%。在外部故障時(shí)，由于電壓降低，勵(lì)磁電流減小，它的影響更小。但是當(dāng)變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，則可能出現(xiàn)數(shù)值很大的勵(lì)磁涌流。其數(shù)值最大可達(dá)額定電流的68倍，同時(shí)包

15、含有大量的非周期分量和高次諧波分量。勵(lì)磁涌流的大小和衰減時(shí)間，與外加電壓的相位、鐵心中剩磁的大小和方向、電源容量的大小、回路的阻抗以及變壓器容量的大小和鐵心性質(zhì)等有關(guān)系。2由變壓器兩側(cè)電流相位不同而產(chǎn)生的不平衡電流由于變壓器常采用Y/11的接線方式，因此，其兩側(cè)電流相位差30。為了消除這種不平衡電流的影響，通常都是將變壓器星形側(cè)的三個(gè)電流互感器接成三角形，而將變壓器三角形側(cè)的三個(gè)電流互感器接成星形，并適當(dāng)考慮聯(lián)接方式后即可把二次電流的相位校正過來。但是電路互感器采用上述聯(lián)接方式后，在互感器接成側(cè)的差動(dòng)一臂中，電流又增大倍。此時(shí)為保證正常運(yùn)行及外部故障情況下差動(dòng)回路中應(yīng)沒有電流，就必須將該側(cè)電流

16、互感器的變比加大倍，以減小二次電流，使之與另一側(cè)的電流相等，故此時(shí)選擇變比的條件3由計(jì)算變比與實(shí)際變比不同而產(chǎn)生的不平衡電流由于兩側(cè)的電流互感器都是根據(jù)產(chǎn)品目錄選擇標(biāo)準(zhǔn)變比，而變壓器的變比是一定的，因此，三者的關(guān)系很難滿足的要求，此時(shí)差動(dòng)回路中將有電流流過。當(dāng)采用具有速飽和鐵心的差動(dòng)繼電器時(shí)，通常利用它的平衡線圈來消除此差動(dòng)電流的影響。4由兩側(cè)電流互感器型號(hào)不同而產(chǎn)生的不平衡電流由于兩側(cè)電流互感器的型號(hào)不同，它的飽和特性、勵(lì)磁電流也不同，因此，在差動(dòng)回路中所產(chǎn)生的不平衡電流也就較大。此時(shí)應(yīng)采用電流互感器的同型系數(shù)。5由變壓器帶負(fù)荷調(diào)整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流帶負(fù)荷調(diào)整變壓器的分接頭，是電力系統(tǒng)

17、中采用帶負(fù)荷調(diào)壓的變壓器來調(diào)整電壓的方法，實(shí)際上改變分接頭就是改變變壓器的變比，如果差動(dòng)保護(hù)已經(jīng)按照*一變比調(diào)整號(hào)，則當(dāng)分接頭改換時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的不平衡電流流入差動(dòng)回路。此時(shí)不可能再重新選擇平衡線線圈匝數(shù)的方法來消除這個(gè)不平衡電流，這是因?yàn)樽儔浩鞯姆纸宇^經(jīng)常在改變，而差動(dòng)保護(hù)的電流回路在帶電的情況下是不能進(jìn)展操作的。因此，對(duì)由此產(chǎn)生的不平衡電流，應(yīng)在縱差動(dòng)保護(hù)的整定值中給予考慮?？偫磥?，上述(2)、(3)項(xiàng)可以選擇互感器二次線圈使其降到最低。但是(1)、(4)、(5)各項(xiàng)不平衡電流，實(shí)際上是不可能消除的，因此，變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)必須躲開這些不平衡電流的影響。由于在滿足選擇性的同時(shí)，還要求

18、保護(hù)部故障時(shí)有足夠的靈敏性，這就是構(gòu)成變壓器差動(dòng)保護(hù)的主要困難。根據(jù)上述分析，在穩(wěn)定情況下，為整定變壓器縱差動(dòng)保護(hù)所采用的最大不平衡電流式中10%電流互感器容許的最大相對(duì)誤差;電流互感器的同型系數(shù)，取為1;由帶負(fù)荷調(diào)壓所引起的相對(duì)誤差，如果電流互感器二次電流在相當(dāng)于被調(diào)節(jié)變壓器額定抽頭的情況下處于平衡時(shí)，則U等于電壓調(diào)整圍的一半；由于所采用的互感器變比或平衡線圈的匝數(shù)與計(jì)算值不同時(shí)，所引起的相對(duì)誤差;保護(hù)圍外部最大短路電流歸算到二次側(cè)的值。變壓器縱差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算原則1縱差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流的整定原則在正常運(yùn)行情況下，為防止電流互感器二次回路斷線時(shí)引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，保護(hù)裝置的啟動(dòng)電流應(yīng)大于變壓

19、器的最大負(fù)荷電流。當(dāng)負(fù)荷電流不能確定時(shí)，可采用變壓器的額定電流，引入可靠系數(shù)一般采用1.3，則保護(hù)裝置的啟動(dòng)電流為：躲開保護(hù)圍外部短路時(shí)的最大不平衡電流，此時(shí)繼電器的啟動(dòng)電流應(yīng)為：無論按上述哪一個(gè)原則考慮變壓器縱差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)電流，都還必須能夠躲開變壓器勵(lì)磁涌流的一箱當(dāng)變壓器縱差動(dòng)保護(hù)采用波形鑒別或二次諧波制動(dòng)的原理構(gòu)成時(shí)，它本身就具有躲開勵(lì)磁涌流的性能，一般無須再另作考慮。而當(dāng)采用具有速飽和鐵心的差動(dòng)繼電器時(shí)，雖然可以利用勵(lì)磁涌流中的非周期分量時(shí)鐵心飽和，來避越勵(lì)磁涌流的影響，但根據(jù)運(yùn)行經(jīng)歷，差動(dòng)繼電器的啟動(dòng)電流仍需整定為時(shí)，才能躲開勵(lì)磁涌流的影響。對(duì)于各種原理的差動(dòng)保護(hù)，其躲開勵(lì)磁涌流影響

20、的性能，最后還應(yīng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的空載合閘試驗(yàn)加以檢驗(yàn)。2縱差動(dòng)保護(hù)靈敏度系數(shù)的校驗(yàn)變壓器縱差動(dòng)保護(hù)的靈敏系數(shù)可按下式校驗(yàn)：式中應(yīng)采用保護(hù)圍部故障時(shí)，流過繼電器的醉即采用在單側(cè)電源供電時(shí)，系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下，變壓器發(fā)生短路時(shí)的最小短路電流，按照要求，靈敏度系數(shù)一般不應(yīng)低于2.當(dāng)不能滿足要求時(shí)，則需要采用具有制動(dòng)特性的差動(dòng)繼電器。必須指出，及時(shí)靈敏系數(shù)的校驗(yàn)?zāi)軡M足要求，但對(duì)變壓器部的匝間短路，輕微故障等情況，縱差動(dòng)保護(hù)往往也不能迅速而靈敏地動(dòng)作。運(yùn)行經(jīng)歷說明，在此情況下，常常都是瓦斯保護(hù)首先動(dòng)作，然后待故障進(jìn)一步開展，差動(dòng)保護(hù)才動(dòng)作。顯然可見，差動(dòng)保護(hù)的整定值越大，則對(duì)變壓器部故障的反響能力就越低。當(dāng)

21、變壓器差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)電流按上述原則整定時(shí)，為了能夠可靠地躲開外部故障時(shí)的不平衡電流和勵(lì)磁涌流，同時(shí)又能提高變壓器部故障時(shí)的靈敏性，在變壓器的差動(dòng)保護(hù)中廣泛采用這具有不同特性的差動(dòng)繼電器。各種變壓器主保護(hù)的討論如前所述，在討論變壓器部故障主保護(hù)的時(shí)候，應(yīng)該首先注意變壓器差動(dòng)保護(hù)不平衡電流大，較易誤動(dòng);同時(shí)注意流出電流對(duì)變壓器小匝數(shù)匝間短路時(shí)差動(dòng)保護(hù)靈敏度的影響。此外還應(yīng)該注意空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)、帶有匝間短路的變壓器在空載合閘時(shí)差動(dòng)保護(hù)的延緩動(dòng)作以及過勵(lì)磁情況下的變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作行為。1比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)采用這一原理的差動(dòng)保護(hù)，既能在外部短路時(shí)有可靠的制動(dòng)作用，又能在部短路

22、時(shí)有較高的靈敏度。但是它對(duì)部短路時(shí)的流出電流適應(yīng)能力較差，對(duì)勵(lì)磁涌流和過勵(lì)磁也需采取特殊措施。比率制動(dòng)特性的原理在數(shù)字保護(hù)上的改良，主要表達(dá)在它的動(dòng)作電流不是固定不變的，它隨著外部短路電流的增大而增大，所以能保證區(qū)外故障不誤動(dòng)，同時(shí)對(duì)部短路又有較高的靈敏度。對(duì)于雙繞組變壓器，具有如REF _Ref355807756 h圖2中的折線，相應(yīng)的動(dòng)作判據(jù)為：當(dāng)+當(dāng)式中為比率制動(dòng)縱差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)。，iop.0為最小動(dòng)作電流，為最小制動(dòng)電流。它的動(dòng)作特性如REF _Ref355807749 h圖3，它有三個(gè)局部組成：無制動(dòng)區(qū)，比率制動(dòng)區(qū)和速飽和區(qū)。當(dāng)制動(dòng)電流小于拐點(diǎn)電流的時(shí)候，動(dòng)作電流為常數(shù)起動(dòng)電流；當(dāng)

23、制動(dòng)電流大于拐點(diǎn)電流的時(shí)候，動(dòng)作電流隨制動(dòng)電流的增長(zhǎng)而沿著一條直線增長(zhǎng);當(dāng)動(dòng)作電流大于差動(dòng)速斷電流時(shí)，反響了故障情況嚴(yán)重，保護(hù)將無延時(shí)地動(dòng)作出口。圖SEQ 圖 * ARABIC2二折線比例制動(dòng)特性圖SEQ 圖 * ARABIC3三折線比例制動(dòng)特性在討論變壓器部故障主保護(hù)地時(shí)候，首先應(yīng)該注意變壓器差動(dòng)保護(hù)地不平衡電流較大，較易誤動(dòng)：同時(shí)需要注意流出電流對(duì)變壓器輕微匝間短路時(shí)差動(dòng)保護(hù)靈敏度地影響。區(qū)外故障的時(shí)候繼電器的差流并非為零，差動(dòng)回路存在穩(wěn)態(tài)不平衡電流和暫態(tài)不平衡電流，在無制動(dòng)區(qū)，差動(dòng)回路以消除固定誤差為主，動(dòng)作電流很小：對(duì)于制動(dòng)區(qū)，因TA感受的電流超過了額定電流，致使誤差隨外部短路電流增加

24、的很快，不平衡電流增大，誤差電流隨著區(qū)外故障電流的增加而增加，動(dòng)作特性是一條比率制動(dòng)直線。由分析可以得出結(jié)論：對(duì)于有流出電流的情況，二折線比率制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)，靈敏度相對(duì)低，當(dāng)變壓器部輕微匝間短路時(shí)有可能拒動(dòng)。具有三折線比率制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)兼顧了變壓器外部嚴(yán)重短路的可靠性和部輕微短路存在流出電流的靈敏度，其動(dòng)作判據(jù)為：當(dāng)當(dāng)當(dāng)其中K1，K2分別為第二、第三段折線的斜率常數(shù)，為第二個(gè)折點(diǎn)的制動(dòng)電流。三折線比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)具有很好的可靠性和靈敏度，但它的動(dòng)作特性必須由三段組成，動(dòng)作判據(jù)比較復(fù)雜。從REF _Ref355807756 h圖2和REF _Ref355807749 h圖3中可以看出非線

25、性制動(dòng)特性的要求，但是它們都是由分段直線近似構(gòu)成的。由于雙曲線均己有開場(chǎng)上升慢，后來上升快的特點(diǎn)，比較適合用來實(shí)現(xiàn)非線性制動(dòng)特性。雙曲線型制動(dòng)差式差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)為：其中可為常數(shù)，為雙曲線定點(diǎn)的縱坐標(biāo)。用雙曲線制動(dòng)特性去擬合三折線比率制動(dòng)特性時(shí)，令可得計(jì)算說明，由于特別重視嚴(yán)重外部短路條件下的可靠性，當(dāng)越大時(shí)，兩種折線制動(dòng)特性越接近：當(dāng)小于0.51m時(shí)，雙曲線制動(dòng)特性具有較高的可靠性和較低的靈敏度。2標(biāo)積制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)定義兩繞組電流I1、I2，的正方向均是流入變壓器，并令、。的相角差為，即差動(dòng)電流制動(dòng)電流當(dāng)時(shí) 當(dāng)0，有制動(dòng)電流，有效防止誤動(dòng)。當(dāng)變壓器縱差動(dòng)區(qū)短路包括相間、匝間短路和中性點(diǎn)接地一側(cè)

26、的接地短路，如有27090則100。當(dāng)變壓器空投或區(qū)外故障切除，電壓恢復(fù)正常的過程中，由于磁通不能突變，磁通中出現(xiàn)了非周期性的暫態(tài)分量，與鐵芯剩磁一起使變壓器鐵芯飽和，同時(shí)由于電壓是交變的，因而在一個(gè)周波變壓器鐵芯周期性地進(jìn)入飽和區(qū)和退出飽和區(qū);當(dāng)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)，勵(lì)磁電流的瞬時(shí)值很大，可能到達(dá)變壓器額定電流的510倍甚至更大，這就是勵(lì)磁涌流;而退出飽和區(qū)時(shí)，只有正常的勵(lì)磁電流，其瞬時(shí)值很小。匝間短路故障百分比與故障電流的關(guān)系匝間故障計(jì)算模型變壓器繞組的故障都屬于匝間短路故障。以Y/接線的雙繞組變壓器在高壓星形繞組發(fā)生匝間短路為例，把短路繞組和高壓繞組別離開來健全相相應(yīng)的局部也如此，于是故障后的變

27、壓器變?yōu)橐粋€(gè)Y/Y/接線的三繞組變壓器當(dāng)然高壓繞組的匝數(shù)減少了，故障發(fā)生在短路繞組一側(cè)的引線上。由此可見匝間短路有多相與單相之分。最常見的尤其是輕微匝間短路都是單相的。為了節(jié)省篇幅僅討論單相匝間短路。REF _Ref355771517 h圖1示出計(jì)算用系統(tǒng)圖及在變壓器高壓繞組發(fā)生單相匝間短路的復(fù)合序網(wǎng)圖，變壓器被看成是三繞組變壓器，其等值回路是由三個(gè)漏抗ZH、ZL、ZK按星形連接的回路。H、L、K分別表示高壓側(cè)、低壓側(cè)及短路繞組側(cè)。Z1LD和Z2LD為低壓側(cè)的正、負(fù)序負(fù)荷阻抗。高壓側(cè)中性點(diǎn)接地時(shí)刀閘S閉合，否則S斷開。計(jì)算的困難在于確定變壓器等值回路中的三個(gè)漏抗ZH、ZL和ZK。圖SEQ 圖

28、* ARABIC4 單相匝間短路計(jì)算用系統(tǒng)圖及復(fù)合序網(wǎng)圖變壓器繞組的漏抗決定于漏磁通所經(jīng)路徑的磁阻，而漏磁通的路徑十分復(fù)雜。但是在故障前的漏抗是的，只要分析出短路后各繞組與原繞組的關(guān)系就可近似地得到故障后形成的三繞組變壓器的各側(cè)漏抗。眾所周知，對(duì)于三繞組變壓器通過試驗(yàn)或計(jì)算只能依次求得兩個(gè)繞組之間漏抗，如ZHK、ZHL和ZLK。把它們歸算到同一側(cè)如高壓側(cè)，則圖3中星形等值回路中的各阻抗為式中。漏抗中有效電阻的成分很小，以下計(jì)算中都忽略電阻以漏電抗代替漏阻抗。為分析簡(jiǎn)便，假設(shè)繞組是圓筒形的。圓筒形繞組的漏磁通的路徑有效長(zhǎng)度決定于繞組的高h(yuǎn)和有效厚度d。通常在計(jì)算時(shí)把厚度折合為高度得到磁路的有效高

29、度或有效長(zhǎng)度h=kh，其中k是折合系數(shù)，一般k=1.1。顯然k與比值d/h有關(guān)。短路繞組的高度等隨著短路匝數(shù)而變化，其折合系數(shù)也要隨之變化。為了簡(jiǎn)化，下面取實(shí)際高度ht與有效厚度d=0.1ht之和作為磁路的有效長(zhǎng)度h，ht為原來整個(gè)繞組的實(shí)際高度。于是如果短路繞組匝數(shù)占原高壓繞組總匝數(shù)之比為(10)，則短路繞組的實(shí)際高度為ht。短路繞組的漏磁通的路徑的有效長(zhǎng)度與原有效長(zhǎng)度之比為。設(shè)變壓器原有的漏抗為*。以下依次計(jì)算三對(duì)繞組之間的漏抗。1高壓繞組和短路繞組之間的漏抗*HK繞組的漏抗與匝數(shù)的平方成正比，與磁路的有效長(zhǎng)度成反比。高壓繞組去除短路繞組后的匝數(shù)，與短路繞組匝數(shù)占原來總匝數(shù)之比分別為1-和

30、。這兩局部圓筒的半徑一樣，是疊起來的，它們之間的漏磁通不穿過鐵芯，全部在空氣中形成環(huán)路，有效高度要加大一倍。短路繞組漏抗將是，其歸算到高壓側(cè)之值為。同理高壓繞組的漏抗為。于是可得。2上下壓繞組之間的漏抗*HL繞組的漏抗與漏磁通路徑的截面成正比。在繞組直徑一定時(shí)截面與繞組等效厚度成正比。為兩繞組之間氣隙的寬，1和2分別為兩繞組的厚度，漏磁通的一局部?jī)H與高壓繞組相連，另一局部?jī)H與低壓繞組相連，它們分別決定每一繞組的漏抗。要求每一繞組的漏抗，必須確定這兩局部漏磁通在空間的分界限，這是困難的。試驗(yàn)也無法確定每一繞組的漏抗。計(jì)算時(shí)一般認(rèn)為兩繞組的漏抗歸算到同一側(cè)的值是相等的。的*是原來兩個(gè)繞組漏抗的和，

31、與*相對(duì)應(yīng)的漏磁通占據(jù)了整個(gè)截面。在上面計(jì)算*HK時(shí)因?yàn)槊恳焕@組的漏磁通都占據(jù)了整個(gè)截面就直接以*為基準(zhǔn)進(jìn)展計(jì)算。現(xiàn)在計(jì)算*HL就必須注意到漏磁通路徑截面在兩個(gè)繞組間的分配?，F(xiàn)高壓繞組的匝數(shù)和高度都減少了，整個(gè)繞組都面對(duì)著低壓繞組，它的漏磁通路徑的截面應(yīng)減少一半，計(jì)算時(shí)所用的基準(zhǔn)電抗也應(yīng)減少一半。所以高壓繞組的漏抗為。低壓繞組完好如初，匝數(shù)和高度都沒有變化，但一局部面對(duì)高壓繞組，其余則否。前一局部產(chǎn)生的漏磁通的路徑的截面應(yīng)減少一半，后一局部則否。因此低壓繞組的漏抗歸算到高壓側(cè)的值應(yīng)為。于是可得。3低壓繞組與短路繞組之間的漏抗*LK歸算到高壓側(cè)的值。短路繞組都面對(duì)低壓繞組，所以計(jì)算的基準(zhǔn)電抗要減

32、少一半。其歸算到高壓側(cè)的值為。低壓繞組的一局部對(duì)短路繞組，其余局部則否。它歸算到高壓側(cè)的值為，所以低壓繞組與短路繞組之間的漏抗歸算到高壓側(cè)的值為：求出*HK、*HL、*LK后就可求出REF _Ref355771517 h圖1中等值回路中的*H、*L、*K。REF _Ref355775375 h圖2示出對(duì)于不同值計(jì)算得到的漏抗相對(duì)于*之值。圖SEQ 圖 * ARABIC5變壓器匝間短路等值參數(shù)與短路百分比的關(guān)系由REF _Ref355775375 h圖2可見在1。在這些匝間短路時(shí)的短路電流都將小于在低壓側(cè)引線上短路時(shí)的電流。差動(dòng)保護(hù)絕對(duì)不能用后者校驗(yàn)保護(hù)的靈敏度。從表1還可以看出越小*HK=*H

33、+*K越大。故障電流與故障差電流的關(guān)系由于計(jì)算依據(jù)的主要參數(shù)故障變壓器的漏抗和負(fù)荷阻抗都是近似，所以沒有必要作嚴(yán)格的計(jì)算。由圖3可見系統(tǒng)供電到P1點(diǎn)后分為兩個(gè)支路。一是經(jīng)低壓側(cè)漏抗向負(fù)載Z1LD供電，另一是經(jīng)短路繞組漏抗向零序、負(fù)序網(wǎng)供電。這兩個(gè)支路的阻抗角相差很大，并聯(lián)計(jì)算很煩。粗略分析認(rèn)為它們分別單獨(dú)存在，即分別計(jì)算負(fù)荷狀態(tài)和空載時(shí)的故障狀態(tài)。前一種狀態(tài)下得到穿越性的負(fù)荷電流，后一種狀態(tài)下0、1、2三個(gè)序網(wǎng)串聯(lián)，串聯(lián)的總阻抗約為3(ZH+ZK)。差動(dòng)保護(hù)測(cè)量的是兩相電流之差，不反響I0，不管變壓器中性點(diǎn)是否接地都有I1=I2，不考慮I0有IA=2I1，IB=IC=-I1。由此得IAB=IC

34、A=3I1，IBC=0。由于正常時(shí)兩相電流差是相電流的倍。按標(biāo)么值計(jì)算IAB*=ICA*= 3I1*。對(duì)于不同*值，變壓器輕微匝間短路時(shí)保護(hù)測(cè)得的差動(dòng)電流的標(biāo)么值示于REF _Ref355786979 h圖3。進(jìn)一步地，將短路匝數(shù)百分比為00.025時(shí)差電流的關(guān)系示于REF _Ref355787044 h圖4。圖SEQ 圖 * ARABIC6 不同*值下差電流的標(biāo)么值與短路匝數(shù)百分比的關(guān)系圖SEQ 圖 * ARABIC7不同*值下差電流的標(biāo)么值與短路匝數(shù)百分比的關(guān)系縮放根據(jù)以上估算在校驗(yàn)變壓器對(duì)輕微匝間短路的靈敏度時(shí)可取穿越性電流為In，差電流為0.5In，并認(rèn)為兩者相位一樣。圖SEQ 圖 *

35、 ARABIC8短路匝數(shù)為1%時(shí)故障前與故障后的三相電流輕微匝間故障保護(hù)策略方案一：具有比率制動(dòng)的保護(hù)策略長(zhǎng)期以來在我國(guó)廣泛應(yīng)用由速飽和變流器供電的機(jī)械型差動(dòng)繼電器。其有兩大缺點(diǎn)：最小啟動(dòng)電流必需大于1.5In才能保證避開勵(lì)磁涌流，因而對(duì)輕微匝間短路不靈敏；當(dāng)短路電流中有直流分量時(shí)動(dòng)作速度變慢,越是加強(qiáng)速飽和變流器的作用帶來的延時(shí)越長(zhǎng)。假設(shè)故障靠它切除變壓器燒損得十分嚴(yán)重。假設(shè)有很好的涌流閉鎖元件，差動(dòng)繼電器就可以靈敏地、快速地動(dòng)作，把變壓器故障燒損的程度限制到最小。繼電器工作原理比率差動(dòng)保護(hù)整定方法比率差動(dòng)繼電器的動(dòng)作特性Id=f(Ires)一般是折線,如REF _Ref355801152

36、h圖8所示。折線由與Ires軸平行的直線和斜率為m的直線兩局部組成。水平線與Id軸的交點(diǎn)A的縱坐標(biāo)I0為繼電器的最小動(dòng)作電流。拐點(diǎn)D的橫座標(biāo)一般取Ires=In如圖中虛線所示，其出發(fā)點(diǎn)是認(rèn)為在穿越性電流Ires小于負(fù)荷電流In時(shí)差動(dòng)保護(hù)的誤差很小，不需要制動(dòng)作用,繼電器就是簡(jiǎn)單的差動(dòng)電流繼電器。制動(dòng)電流Ires的取法很多，但共同之處是都認(rèn)為在外部短路時(shí)Ires等于或正比于一般為2倍穿越性電流。實(shí)際不同取法并無重大差異。對(duì)于雙繞組變壓器,應(yīng)用最廣的是取Id=|I1+I2|和Ires=|(I1-I2)/2|。I1和I2是變壓器兩側(cè)的電流，以流入變壓器為正方向。圖SEQ 圖 * ARABIC9 折線

37、型比率差動(dòng)繼電器的動(dòng)作特性在部短路時(shí)只要沒有穿越性電流流過就不會(huì)有制動(dòng)作用，Id/Ires的最小值是容易確定的。尤其是數(shù)字式繼電器只要Id和Ires是由同一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的，則比率制動(dòng)判據(jù)就一定能滿足。這樣做的好處是可以免去計(jì)算外部短路時(shí)不平衡電流的麻煩,從而得到通用特性?，F(xiàn)在根據(jù)輕微匝間短路的要求選擇REF _Ref355801152 h圖9中的動(dòng)作特性。首先由于輕微匝間短路的最小故障電流可能為0.5In,因此選擇I0=0.3In是適合的。再考慮在輕微匝間短路時(shí)可能送出滿負(fù)荷電流,即I1=1.5In，I2=In，則有Ires=1.25In，所以應(yīng)使輕微匝間短路時(shí)的工作點(diǎn)P(1.25In,

38、0.5In)落在動(dòng)作區(qū)。如果選用REF _Ref355801152 h圖9的特性拐點(diǎn)D，最好在Ires=1.25In的地方，這樣在輕微匝間短路時(shí)沒有制動(dòng)作用，得到最大的靈敏度。REF _Ref355801152 h圖9中直線DE的斜率m=1?，F(xiàn)在拐點(diǎn)D的橫坐標(biāo)Ires=1.25In,DE的直線方程為。分析外部短路時(shí)允許的誤差只要將和代入,可得。于是可求得在不同I1值下允許的I2的最小值，進(jìn)而求出最大的允許誤差，示于REF _Ref355807560 h圖10圖SEQ 圖 * ARABIC10 通用比率制動(dòng)特性在外部短路時(shí)允許的誤差比率差動(dòng)繼電器采用這樣的特性和整定值可以適用于任何系統(tǒng)中的任何變

39、壓器,所以稱為通用特性。實(shí)例計(jì)算：YS-1000/66/0.4三相變壓器規(guī)格參數(shù)數(shù)值額定頻率50Hz相 數(shù)三相接線方式Y(jié)N,d11額定容量1000kVA額定電壓66/0.4kV額定電流8.74/1443.3A阻抗電壓50Hz7圖SEQ 圖 * ARABIC13 YS-1000/66/0.4三相變壓器短路匝數(shù)與短路電流值比比率繼電器的繼電特性按REF _Ref356063417 r h中的通用特性整定：繼電器的最小動(dòng)作電流0.3In=2.6243A，拐點(diǎn)的穿越電流為1.25In= 10.9347A。方案二：功率損耗突變的匝間保護(hù)基于功率損耗的變壓器保護(hù)在變壓器正常運(yùn)行時(shí)，變壓器部的功率損耗主要為鐵耗和銅耗，其總量很小，在現(xiàn)代大型變壓器中一般不超過變壓器容量的1%，因此一些學(xué)者提出了利用變壓器的部損耗來進(jìn)展勵(lì)磁涌流和故障判斷的方案。從以往的研究可以發(fā)現(xiàn)，單純的利用功率損耗很難嚴(yán)格的區(qū)分變壓器的眾多狀態(tài)，一般需要和其它的一些主保護(hù)算法配合使用，但是由于功率算法原理簡(jiǎn)單，對(duì)*些特征有很好的鑒別效果，因此基于功率損耗的判據(jù)可以很好和差動(dòng)保護(hù)組成變壓器的多判據(jù)綜合保護(hù)?；诠β蕮p