500 kV变压器继电保护若干问题研究

韦举仁

（南方电网超高压输电公司百色局，广西百色533000）

0 引言

500 kV变压器的主保护为差动保护，对变压器内部发生的任何故障，差动保护的动作逻辑和闭锁逻辑没有任何区别。当变压器的内部发生轻微故障时，差动保护的灵敏度较低。因此，为解决差动保护灵敏性的问题，通常为变压器配置不同原理的差动保护。本文分析了不同的差动保护相位补偿原理对灵敏度的影响，提出了几种变压器差动保护配置方案，以兼顾继电保护的“四性”。

1 变压器差动保护的灵敏性问题

差动保护的灵敏度是变压器安全运行的重要前提，而不同的差动保护相位补偿对灵敏度的影响有所不同。

1.1 变压器差动保护相位补偿方式

以最常见的Y，d11变压器为例，对于差动保护接线，变压器高压侧电流与低压侧电流之间的相位相差30°。通过软件计算对电流进行相位补偿，可消除相位差所造成的不平衡电流。根据相量图，若要满足同相位要求，需将变压器高压侧的电流按照逆时针的方向旋转30°，或者是将变压器低压侧的电流按照顺时针方向旋转30°，即可使变压器两侧电流处于同相位。即对应两种相位补偿方式：星形侧向三角形侧补偿方式（即Y→△）和三角形侧向星形侧补偿方式（即△→Y）。根据差动保护相位补偿的不同方式，保护的灵敏度会在变压器发生内部短路时有所不同。对于微机保护，差动保护配置CT的接线方式一般为星形接线。而对于星形接线，通过软件计算可对电流的相位和幅值进行补偿。

1.2 Y→△相位补偿方式

采用全星形接线时，设星形侧电流互感器各相电流采样的值为I˙A、I˙B、I˙C，软件按下式算出转换后用于差动计算的三相电流I˙A′、I˙B′、I˙C′。

上式对应的向量图如图1所示。

1.3 △→Y相位补偿方式

对于变压器低压侧，软件采用的相位补偿计算方式如下式所示：

上式对应的向量图如图2所示。

图1 Y→△相位补偿向量图

图2 △→Y相位补偿向量图

由图2可知，经微机算法进行补偿后，变压器高、低压两侧的电流相位和幅值得到了校正并处于同一相位。但该补偿计算方法没有将Y侧零序电流的变化考虑进来，只适用于变压器各相电流完全对称的情况。若变压器Y侧发生单相接地故障，电流回路中将出现由于零序电流导致的不平衡电流，可能引起差动保护误动。因此，需要采取措施将零序电流的影响考虑进来。

在差动保护的保护范围内，当变压器高压侧发生单相接地故障时，变压器高压侧的零序电流与变压器中性点零序电流的方向相同；而在差动保护的保护范围外发生单相接地故障时，变压器高压侧零序电流与变压器中性点零序电流的方向相反。因此，可以在变压器高压侧通过如下算法计入变压器中性点的零序电流I˙0，对二次电流进行匹配：

对于上述算法中将变压器中性点的零序电流引入计算之中的分析如下：

在差动保护的保护范围外，当变压器发生单相接地短路故障时，变压器高压侧A相的短路电流=，其中为正序短路电流，为负序短路电流，为零序短路电流。而变压器中性点的电流为，该电流的方向与流过A相的零序电流相差180°。在式（3）中，通过算法减去零序电流之后，补偿后的电流则为。如此，补偿后的高压侧电流不受零序电流的影响，而变压器的低压侧本身没有零序电流。因此在变压器差动保护范围外发生单相接地故障时，差动电流计算中就没有不平衡电流，不会发生保护误动。

在差动保护的保护范围内，当发生单相接地故障时，此时在式（3）中加上了零序电流，流过A相继电器的电流为′=+。可见，在差动保护区内发生单相接地短路故障时，流过差动继电器的电流量增加了零序电流I˙0，灵敏度更高。

2 不同补偿方式的对比

在变压器高压侧发生单相接地故障时，对于不同的相位补偿方式，差动保护的灵敏度会受到不同的影响。对于采用Y→△相位校正方式的差动保护，当变压器高压侧发生单相接地故障时，用于差动计算的三相电流′并没有考虑零序电流分量，差动保护动作量变小，差动保护灵敏度会降低。而对于采用△→Y相位校正方式的差动保护，当变压器高压侧发生单相接地故障时，由于考虑了零序电流I˙0，使得差动保护的动作量变大，差动保护的灵敏度得到提高。

对于500 kV变压器，当其高压侧发生相间短路故障时，低压侧不会流过或者只会流过很小的故障电流。因此变压器差动保护的差动电流的大小主要受高压侧影响。以变压器高压侧AB相间短路故障为例，变压器Y侧A相电流经相位补偿后有下式：

由上式可知，经过Y→△相位补偿后，Y形侧电流I˙A′为高压侧电流I˙A、I˙B的向量差。当发生区内相间短路故障时，差动保护的动作量提高了15%，即提高了差动保护的灵敏度。而对于△→Y相位补偿方式，高压侧电流没有经过向量差，灵敏度没有得到提高。

可见，当差动保护范围内发生单相接地故障时，采用△→Y相位校正方式的差动保护具有更高的灵敏度；而发生相间短路故障时，采用Y→△相位校正方式的差动保护具有更高的灵敏度。

3 提高差动保护灵敏度的方法

通过改进算法提高差动保护灵敏度。如上文所述，对于△→Y相位补偿方式的差动保护，在高压侧电流中计入变压器中性点零序电流后，对于区域外单相接地故障，制动电流会变大；当发生区内单相接地故障时，又能够提高保护的灵敏度。

针对500 kV变压器，采用Y→△相位补偿方式的差动保护需配置零序差动保护。当前微机保护装置一般都具备零序差动保护的功能，针对实际情况可通过定值整定自行决定是否投入零序差动保护。一般情况下，考虑到正常的负荷电流中很少有零序分量，零序差动保护动作的正确率相对较低。所以，对于220 kV及以下电压等级的变压器保护，零序差动保护很少投入。但500 kV变压器一般为单相式自耦变压器，变压器发生内部短路故障大多都是单相接地故障，所以应当配置零序差动保护。另外，对于500 kV的自耦变压器，在中性点处都配置了电流互感器，各相电流的相位也容易测量。

最后，差动保护的灵敏性还受到差动保护制动电流的影响。对于比率差动保护，其制动电流一般使用相电流进行计算。但是当变压器处于重载的状态下，若其内部发生轻微的匝间故障，差动保护灵敏度不够，可能不会动作。针对变压器内部的轻微匝间故障，为提高差动保护的灵敏度，需配置变化量差动保护。变化量差动的制动电流计算原理与比率差动保护的计算方法有所区别，变化量差动保护的制动电流更小，保护灵敏度更高。因此，增配变化量差动保护，以提高差动保护对轻微匝间故障的灵敏度。

4 总结及建议

在兼顾主保护灵敏性、速动性、可靠性等多方面因素的前提下，对变压器差动保护配置给出如下建议：对于采用Y→△相位补偿的比率差动保护，需配置零序差动保护和变化量差动保护。Y→△相位补偿方式对相间短路故障灵敏度较高，同时通过增加零序差动保护提高了对单相接地短路故障的灵敏度；增加变化量差动保护可以提高对变压器内部轻微匝间短路故障的灵敏性。而对于△→Y相位补偿的差动保护，需配合变化量差动保护。该方案在高压侧进行相位补偿的计算过程中，将变压器中性点的零序电流分量引入计算之中，具有对单相接地短路故障灵敏度高的优点；同时，也通过配置变化量差动保护，以提高反应变压器内部轻微匝间短路的灵敏性。