变压器比率制动差动保护制动系数校验方法研究

姜 晨，彭扬帆，纪礼君

(1.国网上海市电力公司崇明供电公司，上海 202150；2.国网上海市电力公司市北供电公司，上海 200080)

随着电力技术的不断发展，针对变压器保护的研究也越来越多，面临的问题也呈现增长趋势。在智能电站工程中，使用越来越多的电子式电流互感器，造成基于传统电磁式电流互感器的差动保护整定原则与整定方案亟需改进，因此改进原比例制动曲线特性的整定原则，或者提出一种新的解决途径用以改进传统原则也成为研究的热点[1]。其中，在变压器保护的校验试验中，关于比率制动部分的制动特性校验，不同的方法会得出差异较大的制动系数，不利于进行差动保护的相关整定计算。

随着继电保护微机化的日益成熟，微机技术的长期记忆功能和优越的信息处理功能，以及它在结构上的特点，为解决变压器保护校验试验方面的问题提供了有效手段[2-3]。校验过程中为避免测试加量引起不平衡电流而导致差动误动，在变压器各侧绕组中考虑联接组别的关系，新型微机继电保护装置内部的软件会自动进行电流输入量的相位调整和幅值调整，有效减小人为引起的不平衡电流，防止差动误动。

1 比率制动差动保护

1.1 比率制动差动保护原理

比率制动部分提高了差动保护的灵敏度，当制动电流小于或等于变压器额定电流的1.2～1.5倍时，继电器无制动作用，此时差动继电器的最小动作电流可整定为变压器额定电流的20%～50%，保证了内部故障、短路电流小的情况下，差动保护具有足够的灵敏度。当内部故障、短路电流较大时，通过适当选取制动系数，也能保证所需的灵敏度。外部发生故障时，短路电流全部为制动电流，提高了保护的动作值，而差动回路的电流只是不平衡电流，差动保护不动作，保护的可靠性得以保证[5]。

1.2 比率制动差动保护特性曲线

图1所示为北京四方CSC-326D数字式变压器保护装置的比率差动保护特性曲线图。

图1 CSC-326D比率制动差动保护特性曲线

1.3 比率差动保护动作特性

(1)比率差动保护制动曲线为三折线式；

(2)比率制动第二段特性方程如下：

Id=0.5Ir+0.387 6

(1)

(3)试验条件：投入差动保护硬连接片及软连接片，“纵差差动保护”控制字整定为1，退出TA断线闭锁。正确整定差动保护定值，装置比率制动校验采用的定值如表1所示。

不同厂家生产的、不同电压等级的变压器保护装置，在细节上有所不同，校验时需要特别注意装置说明书的各项说明。校验比率差动的制动系数时，本文主要针对北京四方变压器保护装置进行校验研究，其CSC-326B/D主变差动保护逻辑柜图见图2。

图2 CSC-326B/D主变差动保护逻辑框图

1.4 装置主要技术性能指标

(1)差动保护最小动作电流整定范围(0.3～10)Ie；

(2)差动速断动作电流整定范围(1～20)Ie；

(3)三折线制动特性，第二段折线斜率整定范围0.2～0.7；

(4)整定值误差：不大于±5%或0.02IN；

(5)相间差动保护的固有动作时间为2倍整定值时，不大于30 ms。

Ie为变压器高压侧二次额定电流。

装置定值见表1。

表1 CSC-326B/D变压器保护装置定值情况表

2 电流平衡原理

2.1 相位补偿原理

为了实现差动保护的功能，差动保护需要实时采集变压器各侧的电流，知道其幅值大小和相位关系。因此，从电流互感器二次侧引出的电流信号通过电缆接入到变压器保护屏的交流端子排，流入差动保护装置。在传统的模拟型变压器保护中，两相电流之差是靠变压器Y侧的差动TA绕组接成三角形来实现的。在微机型变压器保护中，一般相位校正都是在软件中实现，两侧的差动保护所用TA都是Y接线[6-7]。

PST1200保护装置和CSC-326B/D数字式变压器保护装置都是采用的星形侧向三角形侧归算的相位补偿方式：

(2)

2.2 幅值补偿原理

2.2.1零序分量

对于在变压器Y侧移相的变压器纵差保护，无论是用软件实现还是用差动TA的三角形接线实现，由于从Y侧通入各相差动元件的电流已经是相应的两相电流之差了，故已将零序电流滤去，所以没必要再采取其他措施。

2.2.2平衡系数法

微机型变压器保护装置在软件上进行幅值调整，引入了一个名为平衡系数的物理量，其实质是一个折算系数，作用是将两个大小不等的电流折算成作用完全相等的电流。将一侧电流作为基准，将另一侧电流乘以该侧的平衡系数，使正常运行或外部故障时经过相位校正和幅值校正以后两侧的电流幅值相等，满足∑I=0的关系[8]。

平衡系数计算原理如下：

由软件在变压器Y侧移相，实现Y→△。

变压器各侧一次额定电流为

(3)

(4)

如果以变压器高压侧二次额定电流为基准，要使其他侧：

K·I2N=I2Nh

(5)

高压侧平衡系数为

(6)

中压侧平衡系数为

(7)

低压侧平衡系数为

(8)

式中SN——额定容量；I2Nh；I2Nm；I2Nl——变压器高、中、低压侧二次额定电流；nh，nm，nl——变压器高、中、低压侧TA变比。

3 比率制动系数校验

不同厂家生产的保护装置在具体应用上有很大区别，试验之前应该首先明确要检验的变压器保护装置相关定值，明确变压器各侧TA 变比、差动速断定值倍数、差动保护启动电流定值、纵差保护各段折线斜率、二次谐波制动系数等定值，试验过程中要正确投退保护装置软硬连接片及控制字。

3.1 差流平衡的求解

高压侧：

(9)

低压侧：

(10)

根据高低压侧所加电流差流平衡的原则求解方程组，得到解如下：

(11)

将所求得的解分别除以对应侧的平衡系数即可得到保护测试仪的输入量。

3.2 参数说明

3.2.1制动系数

继电器整定计算就是确定拐点电流、最小动作电流和制动特性的斜率(最大制动比)。这些参数的计算往往比较困难，在实际应用中一般由运行经验来确定。制动系数K，对变压器保护，通常取0.4～0.8。

(12)

3.2.2差动电流与制动电流

国电南自的PST1200装置中，

Id=I1-I2
Ir=Imax=I1

(13)

北京四方装置中，

(14)

4 制动系数校验方案

4.1 试验方案

对于PST1200装置，根据式(12)可知，增大差动电流只需保持制动电流不变，即I1不变，减小I2，即增大差动电流，使得保护从不动作到动作。而对于北京四方的CSC-326B/D数字式变压器保护装置，Id、Ir都受到I1、I2的影响，此时有以下两种方法：

方法一：保持低压侧输入量I2不变，增大高压侧电流I1输入量；方法二：保持高压侧I1输入量不变，减小低压侧电流I2输入量。两种方法的原理都是在保证保护测试仪的一侧输入量不变的前提下，调整(增大或减小)另一侧输入量，使得保护由不动作到动作，记录下临界动作点处的制动电流和差动电流，进一步求得制动系数。

4.2 高低压侧比率制动试验

4.2.1试验方法

高低压侧比率制动试验方法如下：

B相和C相制动系数的测试方法与A相相同，不再赘述。

测试相为高压侧A相与低压侧A相，高压侧A相加电流I1、低压侧A相加电流I2，

4.2.2试验接线

高低压侧比率差动保护测试接线图见图3。

图3 高低压侧比率差动保护测试接线图

4.2.3试验数据

由表1计算可得，

高压侧额定电流：

中压侧平衡系数：

低压侧平衡系数：

根据特性曲线第二段方程，取点A(Ir1，Id1)=(0.8Ie，Id1)=(0.944，0.859 6)，B(Ir2，Id2)=(1.2Ie，Id2)=(1.416，1.095 6)

根据式(13)及相位和幅值补偿计算(低压侧平衡系数=0.095)，得出A(I1，I2)=(2.382,5.421)，B(I1，I2)=(3.403,9.147)

试验数据情况如表2所示。

4.3 高中压侧比率制动试验

高中压侧的比率制动试验方法如高低压侧试验，选取另外两点A(Ir1，Id1)=(Ie，Id1)=(1.18，0.977 6)，B(Ir2，Id2)=(2Ie，Id2)=(2.36，1.567 6)。其中，中压侧平衡系数=0.536，试验结果见表3。

4.4 比率制动试验轨迹

以高低压侧比率制动试验为例，如图4所示。

图4 高低压侧比率制动试验动作轨迹图

由图4可知，采用方法一时，轨迹更明显，试验裕度得以保证。对于方法二，当所取的试验点不理想时，有可能会出现给保护测试仪加量之后很快就出现保护动作的情况。方法一能有效表示出保护从不动作到动作的轨迹情况，并且表示的

表2 高低压侧比率差动保护试验结果表

表3 高中压侧比率差动保护试验结果表

状态量更丰富。

5 结语

不同厂家保护装置的产品说明及规定不同，针对四方的装置，考虑到差动电流及制动电流的计算公式不同，研究了基于动作逼近思想的校验比率制动差动保护制动系数的两种方法。本文采用方法一(保持低压侧输入量不变，增大高压侧电流输入量)能够保证制动系数校验误差更小，提高了试验的精确度，具有一定的实际工程应用性。

参考文献：

[1] 柳润.变压器差动保护原理及装置的研究[D]. 武汉：华中科技大学，2004.

[2]赵训君.变压器差动保护的研究与改进[D].北京：华北电力大学，2014.

[3]王维俭.变压器保护运行不良的反思[J].电力自动化设备，2001,21(10): 1-3.

[4]张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].第2版.北京：中国电力出版社，2010.

[5]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M]. 北京：中国电力出版社，2004.

[6]王涛，林桂华.变压器保护[M]. 北京：中国电力出版社，2013.

[7]陈曾田.电力变压器保护[M].北京：中国电力出版社，1989.

[8]国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答[M].第2版.北京：中国电力出版社，2006.