變壓器差動保護中電流互感器聯(lián)接組的若干技術(shù)問題

變壓器差動保護中電流互感器聯(lián)接組的若干技術(shù)問題本文闡述了變壓器差動愛護中電流互感器(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納的解決方法：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；加強愛護的人機接口功能避開TA的相序、極性和接地問題。

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)的平安穩(wěn)定運行至關(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，對繼電愛護的要求很高。

作為電力變壓器的主愛護之一的變壓器差動愛護歷來得到廣闊愛護同行們的重視，對其主要愛護原理的討論已經(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一步探討的余地，如：(1)變壓器各側(cè)TA聯(lián)接組的變比匹配和相位修正；(2)TA飽和時的對策；(3)TA二次電路斷線或短路時的對策；(4)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愛護的牢靠工作，降低愛護性能。特殊是現(xiàn)在大量采納的微機型變壓器差動愛護，由于具有了更加強大的數(shù)據(jù)處理、計算、規(guī)律推斷等軟件功能，更應(yīng)當(dāng)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愛護方面的討論、設(shè)計和應(yīng)用中的體會，對變壓器差動愛護中變壓器各側(cè)電流互感器TA及其聯(lián)接組的若干問題特地作了探討。

1、電流互感器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的變比和接線等狀況有關(guān)。因此，變壓器差動愛護系統(tǒng)設(shè)計時必需考慮下列各項因素，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，包括分接頭狀況；2)變壓器各側(cè)的電流互感器狀況及其接線方法；3)變壓器Y-△接線下造成的電流相位角差；4)變壓器Y接線繞組側(cè)的中性點接地狀況；5)變壓器△側(cè)有無接地故障零序電流電源。

常規(guī)的變壓器差動愛護裝置，普遍采納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)部的器件進行變比匹配或者通過專用的外部幫助電流互感器進行變比匹配，從而解決這些問題，這里不再贅述。目前，微機型變壓器差動愛護裝置普遍利用本身便利的計算條件，通過愛護軟件單純地以數(shù)學(xué)方法來實現(xiàn)匹配各種變壓器和其電流互感器TA的變比，以及被愛護變壓器接線組別形成的相位差。不需要裝置內(nèi)部的器件進行變比匹配或?qū)Ｓ玫耐獠繋椭娏骰ジ衅鬟M行變比匹配。

一般狀況下，微機型變壓器差動愛護裝置可以采納如下的數(shù)學(xué)表達式模擬變壓器各側(cè)電流的匹配狀況，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)表達式如下：

式中：[IOUT]為匹配后的該側(cè)電流Ia、Ib、Ic的矩陣；Kn為該側(cè)變比平衡系數(shù)；[A]為該側(cè)相位平衡系數(shù)的矩陣；[IIN]為該側(cè)輸入裝置的電流IA、IB、IC的矩陣；

假如采納零序電流補償方式，其通常的編程系數(shù)矩陣數(shù)學(xué)表達式如下：

式中：[I0]為該側(cè)零序電流的矩陣；K0為該側(cè)零序變比平衡系數(shù)。

例如，對于如圖1所示的變壓器接線狀況，假如設(shè)定輸入微機型變壓器差動愛護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)，那么愛護裝置電流互感器TA聯(lián)接組的變比匹配和相位修正方式可以采納如下兩種方式：

方式一，變比匹配和相位修正根據(jù)無零序補償?shù)某Ｒ?guī)方式。根據(jù)式(1)確定的各側(cè)編程矩陣方程如下：

方式二，有零序補償?shù)姆绞?。它的各?cè)編程矩陣方程根據(jù)式(2)和式(1)確定如下：

它們之間的區(qū)分主要是：方式一符合常規(guī)使用方式，應(yīng)用閱歷豐富；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狀況可能比方式一好些；方式二的缺點是需要輸入愛護裝置接地側(cè)的零序電流，應(yīng)用閱歷不夠豐富。

通過以上分析和在實際應(yīng)用中的體會，采納純數(shù)學(xué)方法依靠軟件實現(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：牢靠性高、方式敏捷、不受環(huán)境影響、經(jīng)濟性好、修改便利等。但是，在應(yīng)用中肯定要留意選擇的變比平衡系數(shù)的限制范圍，避開變比平衡系數(shù)本身放大愛護的采樣值影響愛護工作。

2、電流互感器TA飽和時的對策

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飽和狀況，會對變壓器差動愛護裝置產(chǎn)生極為不利的影響。特殊是電流互感器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愛護的影響更大，應(yīng)當(dāng)實行相應(yīng)的識別方法區(qū)分是否為變壓器差動愛護區(qū)外的故障造成的電流互感器飽和的狀況，避開變壓器差動愛護發(fā)生誤動作。

目前，一方面對于電流互感器TA的選型已經(jīng)考慮或留意到電流互感器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)計采納TPY級電流互感器，以及選用帶小氣隙的PR級電流互感器等；另一方面要求愛護裝置本身具有肯定的抗電流互感器飽和的力量，特殊是抗電流互感器TA的暫態(tài)飽和的力量。對于愛護裝置采納的判別方法主要是利用電流互感器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愛護中選用的抗電流互感器飽和的附加穩(wěn)定特性區(qū)判別方法：

首先，對于發(fā)生在被愛護變壓器區(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。這是由于差動電流和制動電流的測量值都會受到影響，而且它們的比值馬上就會滿意愛護動作條件。這時的比率差動愛護的動作特性還是有效的，故障特征滿意比率差動愛護的動作條件。

其次，對于發(fā)生在被愛護變壓器區(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飽和，會產(chǎn)生很大的虛假差動電流，這在各個測量點的電流互感器TA飽和狀況不同時更為嚴(yán)峻。假如由此產(chǎn)生的量值引發(fā)的工作點落在了比率差動愛護的動作特性區(qū)內(nèi)，而且不實行任何穩(wěn)定比率差動愛護的措施，比率差動愛護將會誤動作。但是我們知道：電流互感器TA并不是在故障一開頭就發(fā)生飽和，而是在故障發(fā)生后經(jīng)過一段時間，其鐵芯的磁通達到它的飽和密度后才開頭的。這樣，電流互感器TA從故障起始到開頭飽和時總會有一段時間(不小于1/4T-1/2T，T為工頻周期的時間)還能夠線性變換電流量，不會馬上產(chǎn)生飽和。因此，根據(jù)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，在開頭的短時間內(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，引起變壓器差動愛護誤動。

針對上述狀況，變壓器差動愛護可以設(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)分出這種變壓器區(qū)內(nèi)、外故障狀況，它的工作特性如圖2所示。

對于發(fā)生在被愛護變壓器區(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)的工作點會馬上進入比率差動愛護的動作特性區(qū)內(nèi)。因此，愛護通過測量的電流量值引發(fā)的工作點是否在附加穩(wěn)定特性區(qū)內(nèi)，在半個周期內(nèi)由此判別作出打算。一旦檢查出外部故障引起電流互感器TA飽和，可以選擇差動愛護自動閉鎖了比率差動愛護，并根據(jù)整定的時間(TTA)內(nèi)始終有效閉鎖比率差動愛護，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(7)。

式中：ITA為檢查TA飽和制動電流門坎值；TTA為TA飽和閉鎖時間

在外部故障引起的電力互感器TA飽和閉鎖了比率差動愛護期間，假如發(fā)生故障變化在變壓器愛護區(qū)內(nèi)也發(fā)生了故障，其引發(fā)的工作點穩(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飽和閉鎖會被馬上解除。由此牢靠地檢查出被愛護變壓器進展中的故障而快速動作。

3、電流互感器TA二次電路斷線或短路時的對策

歷來，對于微機型變壓器差動愛護判別其電流互感器二次電路的斷線或短路故障比較困難，緣由是單純通過本身的電流量去推斷接線比較簡單的電流互感器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)特別或故障狀況區(qū)分，因此許多微機型變壓器差動愛護都只是配有簡潔的電流互感器二次電路的斷線判別元件。針對這種狀況，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，它特殊適用于主后備一體化方式的微機型變壓器愛護裝置。

變壓器差動愛護的差流特別報警和電流互感器TA二次電路斷線或短路判據(jù)如下：

1)差流特別告警

當(dāng)任何一相差流的有效值大于告警門坎值，而且連續(xù)滿意該動作條件的時間超過10秒鐘時，愛護裝置發(fā)出差流特別告警信號，但是不閉鎖比率差動愛護。該項功能兼有電流互感器TA二次電路斷線或短路、采樣通道特別(器件損壞或特性轉(zhuǎn)變等)、外部接線回路不正常等狀況的綜合告警作用。

2)瞬時電流互感器TA斷線或短路告警

在愛護啟動后滿意以下任一條件時開放比率差動愛護：

①任一側(cè)任一相的電壓元件有突變啟動；

②任一側(cè)負序電壓大于門坎值；

③啟動后任一側(cè)的任一相電流比啟動前增大；

④啟動后最大相電流大于1.2Ie。

假如上述排解系統(tǒng)故障或擾動的判據(jù)不滿意，而差動電流的工作點滿意公式(8)時，那么愛護判別為電流互感器TA二次電路斷線或短路故障，而不認為發(fā)生了變壓器內(nèi)部短路故障。

式中：Idset為檢查斷線或短路差動電流門坎值；k為檢查斷線或短路的比率系數(shù)。

在以上判據(jù)的實際應(yīng)用中，為了滿意不同用戶的需要，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愛護，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愛護時，在此選擇下還可以選擇“永久”閉鎖比率差動愛護或相電流增大超過1.2Ie時自動解除閉鎖比率差動愛護。

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二次電路的各種斷線或短路狀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二次電路故障狀況的判別類型范圍，而且對于電流互感器二次電路的各種各樣的斷線或短路狀況判別得更精確?????、更牢靠、更全面。

4、電流互感器TA接線的相序、極性和接地問題

變壓器差動愛護根據(jù)有關(guān)的規(guī)定在愛護投運前要嚴(yán)格檢查輸入愛護裝置的電流互感器接線電路的相序和極性，確保變壓器差動愛護的正確工作。但是工程實踐反映，由于各種各樣的緣由，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狀況發(fā)生，造成變壓器差動愛護不應(yīng)有的誤動。假如愛護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愛護的各側(cè)電流互感器接線的相序和極性檢查會有很大的關(guān)心，對變壓器差動愛護的平安穩(wěn)定運行又多了一份保證?；诖丝紤]，利用微機型愛護的較強的人機接口功能，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，觀看輸入電流量的測量狀況。因此，在變壓器投運后帶有輕負荷的狀況下，由現(xiàn)場的愛護技術(shù)人員通過觀看變壓器差動愛護裝置測量顯示的變壓器各側(cè)電流量的狀況和差流的狀況，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。假如通過觀看分析和得到的相量圖確認接入變壓器差動愛護裝置的變壓器各側(cè)的相電流電路接線正常，僅僅有顯示的差流不正常，那么有可能是愛護裝置本身的數(shù)字化平衡變壓器各側(cè)電流量的整定值整定有問題，從而也驗證了愛護裝置的數(shù)字化平衡變壓器各側(cè)電流量的整定值是否正確。

變壓器差動愛護的二次電流回路接線的另外一個值得留意的問題是：接地點問題。關(guān)于儀用互感器的二次回路必需有牢靠的接地的要求，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《繼電愛護和平安自動裝置技術(shù)規(guī)程》中，就有如下條文：電流互感器的二次回路應(yīng)有一個接地點，并在配電裝置四周經(jīng)端子排接地。但對于有幾組電流互感器聯(lián)接在一起的愛護裝置，則應(yīng)在愛護屏上經(jīng)端子排接地。

工程實踐中反映，確有將接入變壓器差動愛護裝置的電流互感器二次回路多點接地的狀況發(fā)生，造成變壓器差動愛護裝置誤動或特別。解決這一問題一方面靠嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)的規(guī)程進行施工外，另一方面同樣在變壓器投運后帶有負荷的狀況下，由現(xiàn)場的愛護技術(shù)人員通過觀看變壓器差動愛護裝置測量顯示的差流的狀況分析解決。假如變壓器差動愛護裝置測量顯示的差流不正常，在排解了TA相序接線錯誤和裝置本身數(shù)字化平衡變壓器各側(cè)電流量的整定值錯誤的狀況下，那么可以檢查電流互感器TA二次回路是否有多點接地的狀況存在。

此外，對于變電站內(nèi)的地網(wǎng)也要根據(jù)有關(guān)規(guī)程的要求平安牢靠的構(gòu)成一個完整的等電位面的地網(wǎng)，無論主掌握室內(nèi)的地網(wǎng)和開關(guān)站的地網(wǎng)都要牢靠平安的互連，二次設(shè)備的接地點也肯定要根據(jù)有關(guān)規(guī)程平安牢靠的接在地網(wǎng)