非整点数变压器的差动保护应用方案

周欢荣，徐永生，胡良生

(国电南京自动化股份有限公司，南京 210000)

0 引言

随着大容量工业整流变压器的大量应用，变压器在正常运行时会向供电系统注入谐波，进而影响电力系统的电能质量。多脉冲整流变压器能显著降低对系统的谐波影响，这样会使整流变压器低压侧出现非整点数相移，由于相移非整点数，大容量的变压器不能直接使用差动保护。目前一般变压器使用过电流保护，但普通的电流保护已不能满足灵敏度的要求，所以需要对数字式变压器差动保护进行改进以满足新的需求。

1 非整点数变压器的应用背景

1.1 非整点数变压器

工业用户中有许多大容量的非整点数变压器(亦称特殊变压器)，它们的绕组接线组别通常不是整点数的组合，而电力系统中的大多数电力变压器接线组别为整点数的变压器，即绕组之间的相位差为30°的整数倍。典型的24脉冲换流变压器就是与整点数变压器其低压侧的绕组与标准变压器有±7.5°的相位偏移，这种变压器可能是三绕组的也可能是五绕组的。它们主要应用在电力电子和柔性交流输电系统(FACTS)中，这些设备在运行中向电力系统注入很多谐波干扰。通过使用带相移的换流变压器可使注入电力系统的谐波信号大幅下降。一般来说，整流变压器的脉数越多，产生的谐波干扰就越少。由于电能质量方面的原因，这种特殊换流变压器的应用已愈来愈多。而且容量也越来越大，现在已有大于100 MV·A的变压器投入使用。

特殊变压器的附加相位偏移通常是通过变压器HV绕组的特殊连接而形成的，如扩展三角形连接和Z型连接， 带扩展三角形绕组的典型变压器绕组设计如图1所示，带Z型绕组的典型变压器绕组设计如图2所示。

图1 带扩展三角形绕组的典型变压器绕组设计

图2 带Z型绕组的典型变压器绕组设计

HV侧绕组这种特殊扩展就是为了获取所需要的附加相移θ，其他压侧绕组连接通常采用标准的星形和三角形连接。

尽管RET670变压器的差动保护的算法完全能够处理这些谐波信号的影响，但是对于这种非整点数的相位偏移处理是一种挑战。

1.2 特殊变压器保护特点和要求

根据继电保护和安全自动装置技术规程，电压10 kV以上，容量10 MV·A以上的电力变压器应考虑使用纵差保护；重要变压器如果使用电流保护，若灵敏度不满足要求时也需考虑使用纵差保护。

RET670变压器及其他数字式变压器保护对于标准的结线组别三相变压器不需要任何辅助变流器(以下简称辅助流变)，直接接入各侧三相电流即可实现差动保护功能，保护的具体钟点数可以通过定值设置，在保护算法中，会考虑高、低压侧电流之间的相位补偿和幅值补偿、零序电流消除等功能。

如果将RET670变压器直接用来保护非标准带相移的变压器，差动保护不能补偿这些特殊的相位偏移，这样差动保护就会产生不平衡电流,其计算公式如下：

式中：Id_false为不平衡电流；θ为偏移角度。

如果偏移角度为15°，对应差流幅值将达到26%ILoad(ILoad为变压器的负荷电流)。为了保护可靠动作，差动保护的最小动作电流必需提高到该不平衡电流的2倍，差动保护对内部故障的灵敏度将大幅下降。因此，直接使用RET670变压器及其他数字式变压器保护装置作为特殊变压器的纵差保护，灵敏度不能满足保护要求。

2 RET670变压器差动保护应用方案

2.1 RET670变压器的功能特点

差动保护用于变压器已经有十多年了，为了准确使用变压器差动保护功能，需对以下测量信号进行补偿处理：

(1)变压器的电流相位(如相量接线组别的补偿)；

(2)电流互感器(CT)二次电流幅值的补偿 (如变比补偿)；

(3)零序电流消除(如不能转换的零序电流消除)。

差动保护通常在使用带特定连接方式的中间变流器上实现上述功能，随着数字技术的成熟，这些功能均通过软件处理来实现。

RET670变压器为ABB目前最新的变压器保护产品,作为变压器差动保护，它还可以实现如下功能：

(1)分接头开关(OLTC)在线分接头位置监视读取/并自动引入变压器的差动保护进行完全匝比补偿(假定电力变压器的有载调压OLTC仅作为电压调节,调节过程不会影响变压器绕组的相位)；

(2)负序区内外故障判断元件；

(3)自动有载调压控制和变压器各侧一次设备的控制功能。

目前RET670变压器除了具备差动保护功能外，还具备了全面的后备保护功能(如电流保护、电压保护、频率保护和断路器失灵保护功能)，另外，它还具有变压器在运行过程中对模拟量的监视功能，这样，可使变压器的保护、监视和测量功能由1台装置实现。

2.2 RET670变压器差动保护应用方案

虽然特殊变压器的相位偏移可通过编程来实现，但由于绝大多数变压器的设计通常只考虑标准的变压器接线组别，故直接应用会产生较大的不平衡电流。因此，如果在外部通过某些设备，适当向某个方向调整CT的电流相位，使调整后CT的电流相位为标准变压器的结线组别，即可使用RET670变压器或其他类似功能的变压器保护实现其差动功能。

ABB公司积累了多年的模拟继电器的运行经验，其中许多继电器曾使用过辅助流变，如REB103，RADSS母差保护及RADSIB变压器差动保护。为此提出了由3个一次侧绕组、1个二次侧绕组和3个辅助流变组成的解决方案，分别形成移相后的三相二次电流。移相的角度可以为+θ也可为-θ。移相角度的大小决定于3个一次绕组的匝比N1，N2，N3和N4。移相辅助CT的变比通常为1/1 A，或5/5 A，取决于现场的实际应用需要。

表1列举了现场需要移相±7.5°或±15°的辅助流变的匝比参数。

表1 辅助CT移相±7.5°和±15°的辅助流变设计参考匝比参数

逆时针方向移相辅助流变的接线如图3所示。左侧对应CT二次输出电流，右侧对应辅助流变输出的经过移相的三相电流。顺时针方向移相的辅助流变接线如图4 所示。

图3 逆时针方向(正方向)补偿的辅助流变接线

图4 顺时针方向(反方向)补偿的辅助流变接线

通过对实际辅助流变测试，该辅助CT的变比可能有小于1%的误差，角度可能有小于0.1°的误差，显然这些误差不会在实际差动保护测量值中产生显著的差流。辅助CT的设计中已经考虑将零流滤除，由于辅助CT通常安装于低压侧，而低压侧本身为中性点不接地系统，接地故障时零序电流很小，故滤去零流对差动保护动作的灵敏度影响也很小。

2.3 方案说明

这里列出了±7.5°相移的整流变压器保护方案，外部通过辅助流变对低压侧绕组的相位进行移相处理，再接入RET670变压器的纵差保护模拟了测量通道。 典型整流变纵差保护以及后备保护方案如图5所示。

图5 典型整流变纵差保护以及后备保护方案

由于主变压器的接线组别对应的Zy113/4 和d103/4钟点数，从高低压侧的相量图可以看出，LV1侧Y绕组超前7.5°，而LV1侧Delta绕组超前37.5°； LV2侧Y绕组滞后7.5°，而LV2侧Delta绕组超前22.5°，与标准的接线组别变压有7.5°的偏差。整流变压器高、低压侧电压相量图如图6所示。

图6 整流变压器高、低压侧电压相量

在应用方案中，对LV1侧Y绕组接入辅助流变，使相位滞后7.5°，从而修正后电压相位与HV侧同相位，对LV1侧Delta绕组(三角形)接入辅助流变，使相位滞后7.5°； 修正后电压相位与HV侧相差30°; 对LV2侧Y绕组进行超前7.5°的修正，修正后与HV侧同相位，对LV2侧Delta绕组进行超前7.5°的修正，修正后与HV侧电压相差30°，这样修正后接线组别为标准的电力变压器接线组别，可以直接接入RET670变压器实现纵差保护。变压器差动保护设置变压器的接线组别为Yyd-0-11即可。方案中，RET670变压器还可对各侧各组输入CT电流配置过流或电流速断保护，对高压侧断路器还可配置断路器失灵保护。

3 RET670 变压器差动保护参数设置

RET670变压器差动保护的非定值组定值(或通用定值)中需要输入变压器的额定参数, 对应被保护变压器的参数包括：额定容量, 80 MV·A；额定电压，275/7.36 kV；高压侧CT变比,500/1；低压侧CT变比，7 000/1；接线组别，Yy-01/2。根据接线组别，低压侧的电压较高压侧滞后15°，辅助流变需将低压侧的电流相移+15°，使低压侧电压与高压侧电压同相位。移相处理后输入变压器的接线组别为Yy-0，RET670变压器接入的CT电流，高压侧直接从HV侧CT接入，低压侧接入经辅助流变处理后的电流。RET670变压器可以使用PCM600软件编程，将高、低压侧的电流接入W1_CT_A_I3P和W2_CT_A_I3P连接到差动保护T2WPDIF，即可实现差动功能。

4 结论

(1)数字式RET670变压器保护可作为非整点数相移变压器的差动保护。

(2)应用于非整点数变压器的前提条件是需要使用外部辅助流变补偿与标准变压器接线组别之间的相移角度θ，补偿后，对于RET670变压器来说，这些非整点数变压器就是标准结线组别的变压器，因而RET670变压器差动保护可以在正常负荷状态、各种外部故障情况下保持平衡，不会测量到不平衡电流。这样使得差动保护有足够的灵敏度，差动最小动作电流可以设置为较灵敏的定值，确保对内部轻微故障的保护能可靠检测。

(3)按照本文提出的保护方案，可以标准化设计外部辅助CT，因为它与变压器的额定电压、电流无关，仅与CT的二次额定电流(1 A或5 A)有关，还与需要调整的角度θ有关。

(4)RET670变压器除了可以实现差动保护功能外，还可实现其他变压器保护所需的后备保护、有载调压的自动控制、设备控制和测量功能。

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