一种新型变压器稳态比率差动保护系数校验方法

王海波

一种新型变压器稳态比率差动保护系数校验方法

王海波

（国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

针对幅值法校验变压器稳态比率差动保护系数计算量大、易出错、耗时长等缺点，提出一种通过在初始平衡态下改变变压器任一侧电流的相位产生差动电流从而精确获得保护动作点的方法，该方法具有制动电流恒定、计算量小、易操作、节省时间等优势。以RCS—978G变压器保护装置为试验对象，分析差动保护的幅值、相位及消零处理方式，总结幅值法校验步骤，给出所提相位法的原理及校验方法，最后通过试验对比分析幅值法与相位法的实际应用效果。结果表明，相位法在测量精度及校验耗时方面优势明显，具有推广价值。

变压器；差动保护；比率制动；斜率；校验

0 引言

差动保护作为电力变压器电气主保护，对区分区内区外故障、快速灵敏可靠地切除区内故障从而保证变压器安全稳定运行起到至关重要的作用。为了避免因不平衡电流导致的单一差动保护不可靠动作[1-2]，引入制动电流的概念。目前，同时考虑差动电流与制动电流的具有三段式比率制动特性的稳态差动保护被各大继电保护设备厂商广泛采用[3-5]。但因涉及知识产权及技术路线等因素，不同厂家的设备在比率制动特性的斜率、拐点及转角方式等方面存在差异，导致在校验稳态比率制动特性曲线斜率时，不同厂家设备的校验方法有所不同。本文以南瑞继保RCS—978G装置为对象进行相关研究[6]。

继电保护装置校验是保证其安全可靠运行的必要手段[7]。稳态比率制动差动保护是变压器的主保护，其比率制动特性，尤其是三段式特性中第二段的斜率，是校验项目中的必测项目。在各种继电保护比武竞赛中，值校验是主变保护必考项目。因此，能够正确且快速地进行值校验是对所有二次专业工作人员的基本要求。目前，常规的校验方法为幅值法，该方法存在计算量大、耗时长、易出错、误差大等诸多不足，在工程应用中给工作人员带来许多不便。尽管工程人员不断改进试验方法，但仍未脱离采用幅值法的范畴[8-11]。

鉴于此，本文在分析幅值法基本流程的基础上，提出一种校验比率制动斜率的相位法，该方法概念清晰、计算简单，可以显著提高校验工作效率。

1 变压器稳态比率差动保护

变压器差动保护示意图如图1所示。

图1 变压器差动保护示意图

1.1 相位校正

高低压侧的YNd11联结方式导致CT二次电流并不同相，不可以直接进行数值计算。以高压侧为基准的相位校正示意图如图2所示。

图2 以高压侧为基准的相位校正示意图

通过移相计算差动电流表达式为

1.2 幅值校正

因为变压器电压比与各侧使用的电流互感器电流比、饱和特性不一致，等量的二次电流其作用并不等效，为此引入“平衡系数”的概念，实现高低压侧电流的“作用等效”。

高压侧平衡系数为

低压侧平衡系数为

1.3 消除零序电流

对于220kV电压等级及以上系统中YNd11联结方式的变压器，一般高压侧中性点直接接地。若高压侧发生区外接地故障，会产生零序电流。低压侧由于三角形联结，在其绕组接线外部并没有零序电流。因此，在差动电流计算中，为了保障变压器差动保护不会因零序电流的存在而发生误动作，保护装置计算差动电流时应有消除零序电流的措施。

消除零序电流的措施为

1.4 稳态比率制动保护

为避免不平衡电流导致单一差动保护的不可靠动作，引入制动电流的概念。为了提高变压器空载情况下保护对匝间及高阻接地故障的灵敏性，南瑞继保采用初始段带斜率（固定为0.2）的三段式稳态比率制动特性，如图3所示。

图3 RCS—978G三段式稳态比率制动特性

图3中，横坐标r代表制动电流，纵坐标d代表差动电流，r0为制动电流拐点，d0为差动电流启动值，为比率制动系数，e为各侧的额定电流。由图3可以看出，r0、d0、三个参数决定了曲线的形状，即这三个参数决定了比率制动的动作灵敏性及躲避区外故障的能力[13-14]。r0及d0不变时，越大则动作区越小，灵敏性越差；r0及不变时，d0越大则动作区越小，灵敏性越差；及d0不变时，r0越大则动作区越大，灵敏性越高。

结合图3，低值比率差动动作特性方程为

制动电流与差动电流计算方法为

式中：I为变压器各侧电流标幺值；为变压器绕组数。稳态比率差动保护采用按相判别方式，当满足式（5）与式（6）条件时动作。

2 比率差动保护K值幅值校验法

2.1 理论动作点计算

结合式（6）可以求得

根据标幺值求得各侧理论动作点的有名值相量为

式中：dA为点A的差动电流；rA为点A的制动电流；hA为点A对应的高压侧二次电流值；1A为点A对应的低压侧的二次电流值；he为高压侧二次额定电流；1e为低压侧二次额定电流。

2.2 获得试验动作点

在实际加量过程中，可以固定高压侧电流，调整低压侧电流，使保护装置从不动作区进入动作区。因此初始加量时，高压侧电流按照理论计算有名值施加，低压侧可以按照1.05倍的理论计算值施加，通过以一个较小步长（如0.01A）逐渐减小低压侧电流，使差流变大，达到比率差动临界动作点，保护动作，此时记下低压侧电流的实测有名值。

2.3 试验动作点标幺化

在式（6）中，差动电流与制动电流均以实测的各侧电流标幺值代入，因此在测得保护装置的试验动作点有名值后还需要将其转换为以各侧额定电流为基准的标幺值。

2.4 计算斜率K

利用与A点相同的计算与试验方法可以求得B点的保护装置动作实测值。通过两点可以求得比率制动斜率，即

校验时以A相为例，根据相位校正理论，为了补偿低压侧转角导致的B相有流，在高压侧B相中也通以电流。保护测试仪与保护装置接线如图4所示。

图4 保护测试仪与保护装置接线

3 稳态比率差动保护K值相位校验法

通过幅值校验法分析可以看到，该方法尽管对于差动保护原理的理解较为清晰，但是存在计算量非常大、试验过程繁琐等缺点，不利于提高检修工作效率及节省技能竞赛耗时。严格来说，最终实测的动作点其制动量已经偏离了题目要求的校验点。针对上述不足，本文提出一种改变高低压侧电流相位差的试验方法，该方法不需要复杂的计算，而且在手动试验改变变量过程中不改变制动电流量。实践证明，该方法可以极大提高校验效率，且精度高于幅值法。相位法示意图如图5所示。

同样以A点为例。试验接线与幅值法相同。首先按照平衡态施加高低压侧电流为

工程中也可以通过保护装置直接读取此时的差动电流。在RCS—978G中，保护装置面板差动电流以有名值形式显示，计算时需要转换成标幺值。

由于高低压侧电流幅值固定，因此制动电流保持固定，得到的动作点即为动作特性曲线上惟一的点。用同样的方法可以得到B点的差动电流值。在相位法中，高、低压侧二次额定电流值及差动动作电流值通过保护装置“保护状态→保护板状态→ CPU计算定值→纵差计算定值”菜单可以直接读取，因此几乎没有需要复杂计算的环节。

4 试验分析

以RCS—978G保护装置为试验对象，保护测试仪采用北京博电PW31E，对幅值法与相位法两种校验方法进行试验对比。试验中取上述的A、B两点。相关保护装置定值参数见表1。根据测试仪分辨率[15]，两种测试方法均按照装置最小分辨率采用手动模式加量，其中幅值法调整步长为0.001A，相位法中调整步长为0.1°。两种方法的试验结果分别见表2与表3。

表1 保护装置定值参数

表2 幅值法试验结果

表3 相位法试验结果

由试验结果可以看出，采用幅值法求得的比率制动斜率为0.519，与理论值（0.5）相比误差高达3.8%，采用相位法得到的斜率为0.505，误差为1.0%，表明相位法结果更准确。

图6给出了幅值法与相位法在加量过程中，测试点的轨迹变化。幅值法为从A1到A3的变化，即从不动作区进入动作区，由于保护装置显示精度、保护测试仪输出精度及误差等原因，最终的实际动作点往往偏离理论点A。可以看到，在变化过程中，动作点的制动量是变动的，不满足校验提出的的固定制动量要求。相位法为从A2到A点的变化，即从平衡态到临界动作，该方法维持制动量，仅通过调节相位逐渐增大差动量，实践表明，该方法精度非常高，由于省去了大量的计算工作，避免了计算过程中可能出现的错误，因而提高了校验工作的准确性，节省了时间。

图6 测试点轨迹变化

5 结论

1）提出了一种有别于常规幅值法的相位校验法来校验主变稳态比率制动差动保护斜率值，该方法通过改变高低压任意一侧电流的相位测得固定制动电流情况下的临界差动动作电流。该方法在实际应用过程中（以RCS—978G为例）只需要极少的计算环节，与幅值法相比，测试结果误差小、校验时间短，在变电站二次检修工作日益繁重的现状下应用价值高，特别在时间就是成绩的继电保护比武竞赛中实用性极强。

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A novel calibration method of steady-state ratio differential protection coefficient for transformer

WANG Haibo

(State Grid Jiaxing Power Supply Company, Jiaxing, Zhejiang 314000)

In view of the conventional calibration method of the power transformer steady-state ratio differential protection coefficient has the shortcomings of large computation, error-proneness and time-consuming, a novel calibration method by changing the current phase on either side of the main transformer to gain the differential current which can search the precise action point is proposed. The method has the advantages of small computation, easy operation and saving time. Taking the RCS-978G transformer as the test object, the magnitude adjustment, phase adjustment and zero elimination the of differential protection are analyzed. The test steps of the amplitude method are summarized. The principle and test method of the proposed phase method are given. Finally, the practical applications of the amplitude method and phase method are compared and analyzed. The results show that the phase method takes the obvious advantages in measuring accuracy and test time-consuming, and has the highly promotional value.

transformer; differential protection; ratio restraint; slope; calibration

2022-05-05

2022-07-02

王海波（1987—），男，江苏省徐州市人，硕士，工程师，主要从事继电保护装置检修维护、继电保护二次回路设计相关工作。