变压器保护设计分析论文

摘要：介绍了大型高压、超高压变压器保护设计中的若干技术问题，对大型高压、超高压变压器保护设计中一些技术问题的解决方法给出了较详细的说明和探讨。采用零序补偿方式校正电流量对变压器励磁涌流的识别有利，且可提高其对接地故障的灵敏度；故障分量差动保护提高了其对匝间短路和高阻接地故障等轻微故障的灵敏度；附加稳定特性区方法解决了TA饱和对差动保护的影响问题；采用电流和电压量的综合判别来识别TA二次回路断线和短路故障；采用整定N组定值拟合过激磁曲线方式解决过激磁保护的工程适应问题。

关键词：励磁涌流；零序电流补偿；故障分量；断线或短路；过激磁

中图分类号：TM

0引言

电力变压器是发电厂和变电站的主要电气设备之一，对电力系统的安全稳定运行至关重要，尤其是大型高压、超高压电力变压器造价昂贵、运行责任重大。一旦发生故障遭到损坏，其检修难度大、时间长，要造成很大的经济损失；另外，发生故障后突然切除变压器也会对电力系统造成或大或小的扰动。因此，它对继电保护的要求很高。

对大型高压、超高压电力变压器的保护设计，一般要求解决以下一些技术问题。

（1）快速准确的区分出变压器的励磁涌流和各种故障情况，区内故障和区外故障；

（2）迅速准确的识别出变压器过励磁情况，解决对变压器保护的影响；

（3）提高变压器在带负荷运行情况下发生轻微匝间短路和高阻接地故障时保护的灵敏度；

（4）解决电流互感器TA二次电路断线或短路时对变压器差动保护的影响；

（5）消除TA饱和时对变压器差动保护的影响；

（6）解决和应涌流对变压器保护的影响；

（7）提高变压器过激磁保护对各种变压器过励磁倍数曲线的适应性等等。

随着继电保护技术、电子技术、通信技术等方面的不断发展，为在变压器保护设计中解决这些技术问题提供了可能。特别是现在大量采用的微机型变压器保护装置，在越来越好的计算机硬件平台的基础上，具有了更加强大的数据处理、数据记忆、计算、逻辑判断等软件功能，因此，可以很好地处理和解决变压器保护中的这些技术问题。下面根据在变压器保护方面进行研究、设计和应用的体会，对其中几个技术问题的解决方法作简要的探讨。

1提高励磁涌流和故障情况的识别

变压器差动保护中一个很重要的技术问题就是防止变压器励磁涌流引起差动保护的误动。同时，当在保护区内发生各种故障时能够迅速动作切除故障，以保证变压器可靠、安全运行。

提高励磁涌流识别的一个很重要的环节就是对输入保护中电流量匹配方法的处理。在电力变压器中有电流流过时，通过变压器各侧TA的二次电流不会正好完全平衡。因此，变压器差动保护系统设计时必须考虑这些因素，只有使得经过各侧的电流合理匹配，才能进行比较。

一般情况下，微机型变压器差动保护装置可以采用数学表达式来模拟变压器各侧电流的匹配情况。其通常的编程系数矩阵数学表达式[3]为：

[IOUT]=Kn·[A]·[IIN](1)

式中，[IOUT]为匹配后的该侧电流Ia、Ib、Ic的矩阵；

Kn为该侧变比平衡系数；[A]为该侧相位平衡系数的矩阵；[IIN]为该侧输入电流IA、IB、IC的矩阵。

如果采用零序电流补偿方式，其通常的编程系数矩阵数学表达式[3]为：

[IOUT]=Kn·[A]·[IIN]+K0·[I0](2)

式中，[I0]为该侧中性点零序电流的矩阵；K0为该侧零序变比平衡系数。

例如，对于图1所示的变压器接线情况，如果设定输入微机型变压器差动保护装置的变压器主一次和主二次电流的各侧电流互感器均为星形接法，且同名端均在变压器的外侧，那么保护装置中电流互感器联接组的变比匹配和相位修正方式可以采用如下两种方式：

IA1IA2

图1Y0/△-11接线变压器

方式一，按照式(1)确定的各侧编程矩阵方程为：

（3）

(4)

显然，这种匹配方法消除了变压器Y0接线侧零序电流的影响，这将使该侧变压器的接地故障灵敏度受到了一定的影响；另外，更重要的一点是使得该侧不同相电流之间互相有影响，从而破坏了它本身的原始特征，因此，对保留变压器励磁涌流的原始特征不利，可能会产生对称性涌流使得对励磁涌流的识别不利。

方式二，同样针对图1，采用零序电流补偿方式匹配变压器Y0接线侧的电流，各侧编程矩阵方程按照式(2)和式(1)确定为：

(5)

(6)

可以看出,采用零序电流补偿的方式,使得变压器Y0接线侧的零序分量得到了保留，这对该侧的接地故障灵敏度更好些；更重要的是，由于对变压器一次侧电流互感器输入的电流没有相关合成，所以对变压器产生的励磁涌流的原始特征保留情况完整，对识别励磁涌流有利。因此，采用此种匹配方法可以更好的识别变压器的励磁涌流。

采用通常方式的匹配方法，如果涌流判据采用最大相制动，那么故障相将受非故障相电流的影响，因此，在变压器空投到故障时将延缓保护动作的时间，对变压器安全不利；如果涌流判据采用故障相制动，那么在变压器空投时容易误动。然而，采用零序电流补偿方式的匹配方法，当变压器空投到故障上时，故障相的电流为故障特征，非故障相的电流为涌流特征，励磁涌流判据采用分相制动方式，可以明确区分励磁涌流和故障特征，非故障相不会延缓故障相的动作速度，提高了保护对励磁涌流和故障的识别。

2提高对匝间短路及高阻接地故障的灵敏度

为了更好的保证变压器的安全运行，能够可靠、安全地判别出变压器所发生的轻微匝间短路和高阻接地故障等轻微故障，对提高变压器安全运行水平有着重要的意义。采用故障分量差动保护是解决这一问题的有效方法。故障分量差动保护采用判别任一相差流是否满足动作判据而动作的方法。该保护的动作特性曲线见图2。

图2故障分量差动保护动作特性

该保护动作判据的计算公式为：

(7)

式中，ΔId87为最小门槛值；K1、K2为比率制动系数；ΔIGD为拐点电流值；ΔIr为制动电流的故障分量；ΔId为差动电流的故障分量。

由于负荷电流在差动电流和制动电流中均被消除了，所以与故障前的负荷情况无关。尤其是在制动电流方面的好处提高了差动保护的灵敏度。根据平衡相似网络[1]的概念，故障分量差动保护的动作性能理论上与故障电阻无关，或者说可以在较大的故障电阻下动作（灵敏度高）。因此，故障分量差动保护对变压器发生轻微匝间短路和高阻接地故障时的灵敏度要比通常的保护高得多。

3对电流互感器饱和的识别

目前，一方面对于TA的选型已经考虑或注意到了其暂态饱和的问题，如在高压系统或大型发电机变压器组保护普遍设计采用TPY级电流互感器，以及选用带小气隙的PR级电流互感器等；另一方面要求保护装置本身具有一定的抗TA饱和的能力，特别是抗暂态饱和的能力。对保护装置采用的判别方法主要是利用TA饱和后的电流特征确定。下面介绍一种在变压器差动保护中所选用的抗TA饱和的附加稳定特性区判别法[3]。

首先，发生在被保护变压器区内的短路故障所引起的TA饱和是不易用差动电流和制动电流的比值区分的。这是因为差动电流和制动电流的测量值都会受到影响，而且它们的比值立即就会满足保护动作条件。这时，比率差动保护的动作特性还是有效的，故障特征满足比率差动保护的动作条件。

其次，对发生在被保护变压器区外的故障，它产生的较大的穿越性短路电流（特别是其中的非周期分量）引起的TA饱和会产生很大的虚假差动电流，这在各个测量点的TA饱和情况不同时更为严重。如果由此产生的量值引发的工作点落在了比率差动保护的动作特性区内，而且不采取任何稳定比率差动保护的措施，比率差动保护将会误动作。但是，实际情况是TA并不是在故障一开始就发生饱和，而是在故障发生后经过一段时间，其铁心的磁通达到它的饱和密度后才开始的。这样，TA从故障起始到开始饱和时总会有一段时间还能够线性变换电流量，不会立即产生饱和[2]。因此，按照基尔霍夫电流定律计算变压器各侧的电流量得到的差动电流，在开始的短时间内基本平衡，仅会产生较小的不平衡电流，待TA饱和后才会产生较大的差动电流，引起变压器差动保护误动。

针对上述情况，变压器差动保护可以设一个TA饱和时的附加稳定特性区，它能够区分出这种变压器区内、外故障情况，其工作特性见图3。

图3差动保护动作特性

对发生在被保护变压器区外的故障引起的TA饱和，利用故障发生的最初的短时间内，可以通过高值的初始制动电流（ITA）检测出来，此制动电流会将工作点短暂的移至附加稳定特性区内。反之，当变压器区内故障时，由于差动电流很大，其与制动电流的比值引发的工作点会立即进入比率差动保护的动作特性区内。因此，保护通过测量的电流量值引发的工作点是否在附加稳定特性区内，在短时间内由此判别作出决定。一旦检查出是由外部故障引起的TA饱和，可以选择自动闭锁比率差动保护，并在整定时间TTA内一直有效闭锁比率差动保护，直到整定的时间到时才解除闭锁。检查出变压器区外故障引起TA饱和的判据公式为：

Iz≥ITA

Id≤KB1/2·Iz（8）

t≤TTA

式中，ITA为检查TA饱和制动电流门槛值；TTA为TA饱和闭锁时间。

在外部故障引起TA饱和闭锁比率差动保护期间，如果在变压器保护区内也发生了故障，其引发的工作点稳定、连续的2个周期工作在高定值的动作区内，那么TA饱和闭锁会被立即解除，使被保护变压器发展中的故障能够迅速切除。

随着传感器技术的发展，将有助于解决电流互感器的饱和问题。目前国外已经刊载过有关光仪用互感器（OCT、OVT）的应用报道[4]。我国对这项传感器技术也投入了大量的资金、人力进行研究和开发。2001年12月初，由中国电机工程学会继电保护专业委员会在北京召开的主设备保护学术研讨会上，有专家作了《光电流互感器及其在继电保护（国内外）中的应用》的专题报告，在这一领域已经取得了可喜的进展，可以预计在不远的将来这一革命性的成果必将得到应用。

4电流互感器二次电路断线或短路时的对策

历来，微机型变压器差动保护对判别其TA二次电路的断线或短路故障比较困难。原因是单纯通过本身的电流量去判断接线比较复杂的TA二次电路中多种多样的断线和短路故障，很难与各种各样的系统异常或故障情况区分，因此很多微机型变压器差动保护都只是配有简单的TA二次电路断线判别元件。针对这种情况，介绍一种由电流量和电压量共同判别TA二次电路断线或短路的判别原理，它特别适合于主后备一体化方式的微机型变压器保护装置。变压器差动保护的差流异常报警和TA二次电路断线或短路判据有：

（1）差流异常告警。当任何一相差流的有效值大于告警门槛值，而且连续满足该动作条件的时间超过10s时，保护装置发出差流异常告警信号，但是不闭锁比率差动保护。该项功能兼有TA二次电路断线或短路、采样通道异常（器件损坏或特性改变等）、外部接线回路不正常等情况的综合告警作用。

（2）瞬时TA断线或短路告警。该判据在保护启动后满足以下任一条件时开放比率差动保护。a任一侧任一相的电压元件有突变启动；b任一侧负序电压大于门槛值；c启动后任一侧的任一相电流比启动前增大；d启动后最大相电流大于1.2Ie。

如果上述排除系统故障或扰动的判据不满足，而差动电流的工作点满足公式（9）时，那么保护判别为TA二次电路断线或短路故障，而不认为发生了变压器内部短路故障。

Id≥Idset

Id≥k·Iz（9）

式中，Idset为检查断线或短路差动电流门槛值；k为检查断线或短路的比率系数。

由于以上判据选择了电流量和电压量综合判别，所以对TA二次电路的各种断线或短路情况都能够很好地判别出来。因此，不仅全面增加了电流互感器二次电路故障情况的判别类型范围，而且对其二次电路的各种各样的断线或短路情况判别得更准确、更可靠、更全面。当然，为了满足不同客户的要求，该判据可以有不同的选择策略。

5过激磁保护的设计

大型变压器的过激磁保护配置在变压器的高压侧或中压侧，以避免由于电压升高或系统频率降低造成变压器过激磁引起变压器严重过热损坏而危及设备、系统和保护装置的安全运行。大型变压器的过激磁能力变化较大，各国给出的变压器耐受过激磁能力的过激磁倍数曲线差别较大。为了更好的利用变压器本身的耐受过激磁的能力，避免过早或过晚切出变压器，需要开发一种变压器反时限过激磁保护。

对于变压器的过激磁情况，比较典型的过激磁倍数曲线是德国标准VDE-0532/8.64、GE公司和西屋公司等采用的几种曲线。如何采用恰当的函数来模拟选择的变压器过激磁倍数曲线是一件不容易的事情。目前广泛为各国采用的是ABB公司提出的变压器过激磁反时限保护动作判据。但是该动作判据在实际运行中与被保护变压器的过激磁能力匹配得不理想。

由此可知，采用确定的函数公式来等价实际变压器的过激磁能力有匹配不够理想的缺陷[1]，而且由于不同变压器的过激磁能力差异较大，因此，采用固定公式的动作判据不能很好满足实际工程的需要。

针对这种情况，介绍一种曲线拟合式的反时限过激磁保护动作判据，即按照被保护变压器的实际过激磁能力曲线确定N个点的对应数值，通过这N个点的数值作为保护的整定值输入保护装置来线性拟合被保护变压器的实际过激磁能力曲线。由于过激磁对变压器造成的危害主要是使变压器局部过热，因此采用“发热累积有效值概念”的方法更符合变压器过激磁的实际情况。求过激磁倍数n的计算公式为

（10）

式中，n(t)为过激磁倍数测量值随时间变化的函数；

T为过激磁开始到计算时刻的时间。

该动作判据可适应不同的变压器，且与实际工作情况匹配的比较理想。

6结束语

通过对变压器保护设计中几个技术问题较详细的分析和探讨表明，这些问题对变压器保护的正确工作影响重大，如果不能够很好的解决这些问题，就会直接影响变压器保护的性能，甚至会造成变压器保护的误动或拒动。针对这些问题所给出相应的较详细的解决方法有：采用零序补偿方式校正电流量；采用故障分量差动保护提高对轻微故障的灵敏度；附加稳定特性区方法解决了TA饱和对差动保护的影响问题；采用电流量和电压量的综合判别来识别TA二次回路断线和短路故障；采用任意整定N组定值拟合过激磁曲线方式解决过激磁保护的工程适应问题。通过这些解决方法可以保证和提高变压器保护的可靠工作和安全运行。

参考文献：

[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.北京：中国电力出版社，1998

[2]王梅义.电网继电保护应用.北京：中国电力出版社,1998

[3]西门子变压器保护7UT512/513产品技术说明书

[4]李宏任.实用继电保护.北京：机械工业出版社,2002

Discussionofsolutionofseveralquestionsofdesigninthepowertransformerprotection

Abstract:Theseveraltechnologyquestionsofthedesignabouthighvoltageandultra-highvoltagelargepowertransformerprotectionisintroduced.Thepaperdescribesthesolutionanddiscussionaboutthemindetail.Adoptzerosequencecurrentcompensationtorevisethecurrentsisavailforidentifyingmagnetizinginrushcurrentandimprovesensitivityoftheearth-fault;Thefaultmemberdifferentialrelayimprovesensitivityoftheinterturnfaultandhighresistanceearth-faultaboutlightfaults;TheproblemofinfluenceofCTsaturationtodifferentialrelayissolvedbyareaofcharacteristicofadditionalstabilization;AdoptintegratedistinguishofcurrentandvoltageidentifythebreakorshortofsecondarycircuitofCT;AdoptsettingNgroupsetstoimitatecurveofoverexcitationsolvetheproblemofadaptforengineering.

Keywords:magnetizinginrushcurrent;zerosequencecurrentcompensation;faultmember;breakorshort;overexcitation