变压器差动保护二次接线研究

山西西山热电有限责任公司 韩 广

1 变压器差动保护的基本原理和常见的二次接线方式

1.1 变压器差动保护原理

变压器差动保护是电力系统中常用的一种保护方式，其基本原理是通过比较变压器高、低压侧的电流，判断变压器内部是否存在故障[1]。当变压器内部发生故障时，故障电流会使变压器两侧的电流不相等，从而触发保护动作，防止进一步的损坏或事故的发生。

变压器差动保护的原理：

式中，I{H}和I{L}分别为变压器高、低压侧的电流；I{d}为差动电流。若I{d}的值超过一定阈值，则说明变压器内部存在故障，保护动作会触发。

变压器差动保护在实际应用中常常采用二次接线的方式实现。在二次接线中，不同的接线方式会影响差动保护的精度和稳定性，因此需要对其进行研究和优化。

1.2 常见的差动保护接线方式

常见的变压器差动保护接线方式包括单相接线和三相接线等，主要区别在于所采用的互感器数量和相数不同。

1.2.1 单相接线

单相接线是一种简单的差动保护接线方式，仅采用一组高压侧和低压侧的互感器进行差动保护。其原理是将高、低压侧的电流分别经过互感器降压后，再通过差动继电器进行比较。由于单相接线只采用一组互感器，成本和精度均较低，对接地故障的响应能力也较弱[2]。

1.2.2 三相接线

三相接线是一种常用的差动保护接线方式，采用三组高压侧和低压侧的互感器进行差动保护。其原理是将三组互感器输出的电流通过差动继电器进行比较，判断是否存在差动电流。相比单相接线，三相接线具有更高的精度和响应能力，能够有效检测接地故障。

2 现有差动保护接线方案存在的问题

2.1 对称性问题

对称性问题的解决方法是通过对互感器进行相序标定和校准，使其输出的电流相位一致，达到保护精度和稳定性的要求。

相序标定法：可以采用标准电流源，将标准电流依次注入到互感器的各相中，测量输出的电流幅值和相位，然后进行校正，使其输出电流相位一致。

相间校准法：可以通过在互感器的高压侧和低压侧之间接入标准电阻，测量不同相的电流和电压，然后计算出不同相的阻抗值，再进行校正，使其输出电流相位一致。

2.2 延迟问题

延迟问题是指在差动保护系统中，由于信号传输、处理等因素，可能会导致差动保护的响应时间存在一定的延迟，从而影响保护的效果。常见的延迟问题有以下几种。

一是信号传输延迟：在信号传输过程中，由于电缆线路、继电器等因素的影响，可能会导致信号传输存在一定的延迟，为了减小信号传输延迟，可以采用较短的电缆线路、高速传输的通信方式等措施。

二是算法处理延迟：在差动保护算法中，由于算法复杂度、处理器性能等因素的影响，可能会导致保护算法的响应存在一定的延迟，为了减小算法处理延迟，可以采用高效的差动保护算法，优化处理器的性能等措施。

三是调整时间延迟：差动保护继电器在接收到异常信号后，需要进行判断和调整的时间，为了减小调整时间延迟，可以采用更快的继电器和控制电路等措施。

2.3 稳定性问题

稳定性问题是指差动保护系统在正常运行过程中，可能会出现误动或误抑等问题，从而影响保护系统的可靠性和稳定性[3]。

一是高阻负载问题：在差动保护系统中，当变压器的负载发生变化时，会影响差动保护系统的稳定性。特别是在低电流状态下，由于电流测量的误差较大，可能会导致差动保护系统误动。

二是短路电流误判问题：在差动保护系统中，由于短路电流的幅值较大，可能会导致差动保护系统误判、误动或误抑。

三是震荡问题：在差动保护系统中，当出现多次误动或误抑时，可能会出现保护系统的震荡问题，导致保护系统不能正常工作。

3 改进方案

3.1 增加零序电流互感器

为了解决差动保护系统中的稳定性问题，可以采用增加零序电流互感器提高保护系统的性能和可靠性。

在差动保护系统中，由于零序电流通常很小，因此可以通过增加零序电流互感器提高保护系统的灵敏度和稳定性。即通过测量系统中的零序电流，可以检测到系统中的任何不对称电流，从而实现对系统的差动保护[4]。

增加零序电流互感器可以解决系统中的一些常见问题，例如高阻负载问题、延迟问题和稳定性问题等。通过增加零序电流互感器，可以在保护系统中增加一些特殊的测量和保护功能，从而提高系统的性能和可靠性。

3.2 引入延时补偿

为了解决差动保护系统中的延迟问题，可以引入延时补偿措施提高保护系统的响应速度和灵敏度。

在保护系统中，可以设置一个预定的时间延迟，使差动保护在检测到故障时能够在一定时间内完成操作，从而提高保护系统的性能和可靠性。

引入延时补偿可以解决保护系统中的延迟问题，可以使保护系统更加快速和准确地响应故障信号，提高保护系统的鲁棒性和可靠性。但延时补偿的设置应该根据实际情况进行合理设计和优化，避免误操作和延迟过长等问题。

3.3 优化比率误差校正

比率误差校正是差动保护系统中一种常用的技术，可以用来校正电流互感器的比率误差，从而提高保护系统的测量精度和可靠性。

优化比率误差校正可以在校正过程中引入一些特殊的技术和算法，例如多点校正、矩阵式校正和自适应校正等。这些技术和算法可以帮助保护系统更加准确地校正电流互感器的比率误差，并在实际运行中进行自适应调整，从而提高保护系统的测量精度和稳定性[5]。

4 改进方案的原理和设计方法

4.1 原理分析

在差动保护系统中，增加零序电流互感器可以有效解决零序电流的问题。零序电流互感器的原理是基于法拉第电磁感应定律，其输出电压与通过的电流成正比。

为了确保系统的稳定性和可靠性，在进行差动保护系统设计时，需要对零序电流互感器的变比系数进行合理的选取和校准，见表1。

表1 零序电流互感器变比系数的选取范围

在进行差动保护系统设计时，需要考虑零序电流互感器的饱和问题和过载问题，对于不同类型和规格的零序电流互感器，其饱和和过载性能会有所不同，需要进行相应的测试和验证。

零序电流互感器的变比系数计算:

式中，U0为零序电流互感器二次侧输出电压；I0为一次侧电流。

当发生内部故障时，差动电流增大，如果电流较大，差动保护可能会误动作。此时，可以通过增加零序电流互感器的数量增加保护的灵敏度，提高保护的可靠性。

为了解决差动保护存在的延时问题，可以采取引入延时补偿的方法，在保护装置中设置延时时间，当差动电流超过设定值一定时间后才进行动作。

4.2 设计方法

在设计变压器差动保护的二次接线时，可以采用以下设计方法：一是根据实际工程要求确定差动保护的一次电流和二次电压等级；二是选择合适的差动保护装置，根据其参数计算出合理的插入电阻和CT/VT 比率；三是根据实际情况确定需要增加的零序电流互感器的数量，并根据差动保护装置的参数计算出合理的零序电流互感器比率；四是设计延时补偿的时间，根据实际情况确定延时时间；五是选择合适的比率变送器，进行比率误差校正；六是对设计结果进行验证和检查，确保差动保护的二次接线设计满足实际要求，保证保护装置的可靠性和稳定性。

在实际应用中，需要考虑差动保护的抗干扰能力和动作性能等因素，并针对实际情况进行综合考虑和优化设计。

4.3 仿真验证

在仿真验证过程中，可以得到一系列数据指标评估差动保护二次接线的性能和稳定性。以下是一些可能涉及的数据指标：

动作时间：保护装置从故障发生到动作的时间，通常以ms 为单位。

误动率（Misoperation rate）：保护装置错误动作的频率，通常以千分之一为单位。

抗干扰能力：保护装置对负载变化和干扰信号的响应能力。

稳定性：保护装置的工作稳定性和可靠性。

在进行仿真验证时，需要根据具体的差动保护二次接线方案和仿真模型，设置不同的参数和变量，见表2。

表2 仿真参数设置

在仿真结束后，可以得到一系列仿真结果数据，见表3。

表3 仿真结果数据

根据仿真结果数据，可以对差动保护二次接线方案进行进一步优化和改进，以提高其性能和可靠性。

5 结语

本文通过分析变压器差动保护接线方式中存在的对称性、延迟和稳定性等问题，提出了增加零序电流互感器、引入延时补偿和优化比率误差校正等改进方案，通过对该算法进行仿真验证，结果表明该算法能够有效提高差动保护的抗干扰能力和稳定性，可以实现快速准确的故障检测和定位。因此，本文提出的改进方案具有一定的实际应用价值。