變壓器差動(dòng)保護(hù)不平衡電流相關(guān)問(wèn)題研究

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摘要：變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中一個(gè)極其重要的組成部分。但是由于不平衡電流的存在，嚴(yán)重影響了差動(dòng)保護(hù)裝置的可靠運(yùn)行，本文主要分析了差動(dòng)保護(hù)裝置不平衡電流產(chǎn)生的原因及消除方法。 

關(guān)鍵詞：變壓器  差動(dòng)保護(hù)  不平衡電流  相位補(bǔ)償  平衡系數(shù)  勵(lì)磁涌流  1 變壓器差動(dòng)保護(hù)原理分析  變壓器的差動(dòng)保護(hù)是利用比較變壓器各側(cè)電流的差值構(gòu)成的一種保護(hù)，以兩卷變壓器為例其單線原理圖如圖1所示。  變壓器裝設(shè)有電流互感器ct1和ct2，其二次繞組按環(huán)流原則串聯(lián)，差動(dòng)繼電器kd 并接在差回路中。具體參數(shù)如下：  i1’為流過(guò)變壓器高壓側(cè)的一次電流。  i1”為流過(guò)變壓器低壓側(cè)的一次電流。  i2’為流過(guò)變壓器高壓側(cè)所裝設(shè)電流互感器即ct1的二次電流。  i2”為流過(guò)變壓器低壓側(cè)所裝設(shè)電流互感器即ct1的二次電流。  變壓器在正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，電流由電源側(cè)ⅰ流向負(fù)荷側(cè)ⅱ，在圖1所示的接線中，ct1和ct2的二次電流i2’、i2”會(huì)以反方向流過(guò)繼電器kd的線圈，kd中的電流等于二次電流i2’、i2”之差，故該回路稱為差回路，整個(gè)保護(hù)裝置稱為差動(dòng)保護(hù)。若電流互感器ct1和ct2變比選得理想且在忽略勵(lì)磁電流的情況下，則i2’=i2”，繼電器kd中電流i=0，亦即在正常運(yùn)行或外部短路時(shí)，兩側(cè)的二次電流大小相等、方向相反，在繼電器中電流等于零，因此差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作。  如果故障發(fā)生在ct1和ct2之間的任一部分(如變壓器內(nèi)部故障)，且母線ⅰ和ⅱ均接有電源，則流過(guò)ct1和ct2一二次側(cè)電流方向如圖1(b)所示，于是i2’、i2”按同一方向流過(guò)繼電器kd線圈，即i’=i2’+i2”，使kd動(dòng)作，瞬時(shí)跳開(kāi)變壓器兩側(cè)開(kāi)關(guān)。如果只有母線ⅰ有電源，當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)部有故障時(shí)，i2”=0，此時(shí)繼電器kd仍能可靠動(dòng)作。  2 不平衡電流產(chǎn)生原因  2.1 穩(wěn)態(tài)不平衡電流產(chǎn)生的原因：①變壓器高低壓側(cè)繞組接線方式不同；②變壓器各側(cè)電流互感器的型號(hào)和變比不相同；③帶負(fù)荷調(diào)分接頭引起變壓器變比的改變。  2.2 暫態(tài)不平衡電流主要是由于變壓器空載投入電源或外部故障切除，電壓恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流。  3 不平衡電流的消除方法  3.1 高低壓側(cè)接線方式不同產(chǎn)生的不平衡電流  對(duì)于變壓器高低壓側(cè)繞組接線方式不同而產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流我們采用移相法進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而消除不平衡電流，具體做法以南瑞繼rcs978裝置保與南自pst1200裝置為例描述如下。如圖2所示為y，d11兩卷變壓器兩側(cè)繞組及電流互感器接線方式及其中通過(guò)的一次、二次電流流向（各電流均為向量值）。  變壓器各側(cè)電流互感器采用星形接線，二次電流直接接入本裝置。電流互感器各側(cè)的極性都以母線側(cè)為極性端。rcs978變壓器保護(hù)采用δ→y相位變換，變換后相量圖如圖3所示。  變壓器各側(cè)ta 二次電流相位由軟件調(diào)整，裝置采用δ→y變化調(diào)整差流平衡，這樣可明確區(qū)分涌流和故障的特征，大大加快保護(hù)的動(dòng)作速度。對(duì)于yd/δ-11的接線，其校正方法如下：由于rcs978變壓器保護(hù)采用標(biāo)幺值計(jì)算，變換過(guò)程不受變壓器變比的影響。  y0側(cè)：i’a=ia-i0  i’b=ib-i0  i’c=ic-i0  δ側(cè)：i’a=■（ia-ic）  i’b=■（ib-ia）  i’c=■（ic-ib）  其中：ia、ib、ic為δ側(cè)ta的二次電流，i’a、i’b、i’c為δ側(cè)ta校正后的二次電流。  iay、iby、icy 為y側(cè)ta的二次電流。  對(duì)于pst1200保護(hù)裝置則采用y→δ變化調(diào)整差流平衡。對(duì)于yd/δ-11的接線，其校正方法如下：  y0側(cè)：i’a=（ia-ic）/■  i’b=（ib-ic）/■  i’c=（ic-ia）/■  δ側(cè)：ia△=i’a  ib△=i’b  ic△=i’c  其中：ia、ib、ic為y側(cè)ta的二次電流，i’a、i’b、i’c為y側(cè)ta校正后的二次電流，ia△、ib△、ic△為δ形側(cè)的二次電流。  3.2 電流互感器的型號(hào)和變比不相同產(chǎn)生的不平衡電流  在正常運(yùn)行和外部故障時(shí)變壓器兩側(cè)差動(dòng)ct的二次電流幅值不完全相同，即使經(jīng)過(guò)相位校正，從兩側(cè)流入各相差動(dòng)原件的電流幅值也不相同，在正常運(yùn)行與外部故障時(shí)無(wú)法滿足∑i=0關(guān)系。  在微機(jī)型變壓器保護(hù)裝置中采用軟件進(jìn)行幅值調(diào)整。引入了一個(gè)將兩個(gè)大小不等的電流折算成作用完全相同的電流的折算系數(shù)，將該系數(shù)稱作平衡系數(shù)。將一側(cè)電流作為基準(zhǔn)，將另一側(cè)電流乘以該側(cè)的平衡系數(shù)，使正常運(yùn)行或外部故障時(shí)經(jīng)過(guò)相位校正額幅值校正后的兩側(cè)電流幅值相等，滿足∑i=0。  根據(jù)變壓器的容量、接線組別、各側(cè)電壓及各側(cè)差動(dòng)ta的變比，可以計(jì)算出差動(dòng)兩側(cè)之間的平衡系數(shù)。  設(shè)變壓器的容量為se，接線組別為yn，d11，兩側(cè)的電壓（指線電壓）分別為uy及u△，兩側(cè)差動(dòng)ct的變比分別為ny及n△，以變壓器的d側(cè)為基準(zhǔn)側(cè)，計(jì)算變壓器y側(cè)的平衡系數(shù)k。  ①差動(dòng)ct的接線為△/y(變壓器y側(cè)的差動(dòng)ct為進(jìn)行移相)。  變壓器繞組y接線和d接線兩側(cè)流入差動(dòng)元件的二次電流iy及i△分別為：  iy＝■se /■uyny＝se /uyny  i△＝se /■u△n△  如果以變壓器d側(cè)的電流i△為基準(zhǔn)，要使kiy＝i△，則變壓器y側(cè)的平衡系數(shù)k：  k＝i△/iy＝uyny/■u△n△  ②差動(dòng)ct接線為y/y，由軟件在變壓器高壓側(cè)（y側(cè)）移相。  變壓器兩側(cè)流入差動(dòng)元件的二次電流分別為：  iy＝se /■uyny       i△＝se /■u△n△  每相差動(dòng)元件兩側(cè)的計(jì)算電流分別為：  高壓側(cè)：經(jīng)軟件移相，得到的是兩側(cè)電流之差i′y=se/uyny  低壓側(cè)：i′△＝se /■u△n△  如果變壓器d側(cè)的電流i′△為基準(zhǔn)，要使ki′y=i′△，則變壓器的平衡系數(shù)k為：  k＝i′y/i′△＝uyny /■u△n△  由上所述，對(duì)于yn，d接線的變壓器，用改變變壓器y側(cè)ta的接線方式移相或用軟件在高壓側(cè)移相差動(dòng)元件兩側(cè)之間的平衡系數(shù)完全相同。該平衡系數(shù)只與變壓器兩側(cè)的電壓（或變比）及差動(dòng)ct的變比有關(guān)，而與變壓器的容量無(wú)關(guān)。  ③差動(dòng)ct接線為y/y、由軟件在變壓器低壓側(cè)d側(cè)移相。計(jì)算變壓器d側(cè)的移相系數(shù)。  變壓器兩側(cè)流入差動(dòng)元件的二次電流分別為：  iy＝■se /■uyny＝se /uyny  i△＝se /■u△n△  每相差動(dòng)元件兩側(cè)的計(jì)算電流分別為：  高壓側(cè)：iy’=iy=se /■uyny  低壓側(cè)：經(jīng)軟件移相，得到i△’=se /■u△n△  如果以變壓器y側(cè)的電流iy’為基準(zhǔn)，要使ki△’= iy’，則變壓器d側(cè)的平衡系數(shù)k為：  k=iy’/i△’=u△n△/uyny  3.3 由變壓器帶負(fù)荷調(diào)整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流  帶負(fù)荷調(diào)整變壓器的分接頭，是電力系統(tǒng)中采用帶負(fù)荷調(diào)壓的變壓器來(lái)調(diào)整電壓的方法，實(shí)際上改變分接頭就是改變變壓器的變比nb。如果差動(dòng)保護(hù)已按照某一變比調(diào)整好，則當(dāng)分接頭改換時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的不平衡電流流入差動(dòng)回路。對(duì)由此而產(chǎn)生的不平衡電流，應(yīng)在總差動(dòng)保護(hù)的整定值中予以考慮。  3.4 勵(lì)磁涌流  3.4.1 什么是勵(lì)磁涌流  變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種靜止電器，用于高低電壓間的變換，是交流電輸配系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備。變壓器勵(lì)磁涌流是：變壓器全電壓充電時(shí)在其繞組中產(chǎn)生的暫態(tài)電流。變壓器投入前鐵芯中的剩余磁通與變壓器投入時(shí)工作電壓產(chǎn)生的磁通方向相同時(shí)，其總磁通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鐵芯的飽和磁通量，因此產(chǎn)生極大的涌流，其中最大峰值可達(dá)到變壓器額定電流的6-8倍，甚至更大。勵(lì)磁涌流隨變壓器投入時(shí)系統(tǒng)電壓的相角，變壓器鐵芯的剩余磁通和電源系統(tǒng)地阻抗等因素而變化，最大涌流出現(xiàn)在變壓器投入時(shí)電壓經(jīng)過(guò)零點(diǎn)瞬間。變壓器涌流中含有直流分量和高次諧波分量，隨時(shí)間衰減，其衰減時(shí)間取決于回路電阻和電抗，一般大容量變壓器約為5-10秒，小容量變壓器約為0.2秒左右。  3.4.2 勵(lì)磁涌流的計(jì)算  我們主要分析三相變壓器的勵(lì)磁涌流，但必須在熟悉單相變壓器涌流波形的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此我們還是簡(jiǎn)單討論一下單相變壓器涌流的分析。為考慮空載合閘的最嚴(yán)重條件，同時(shí)有利于簡(jiǎn)化分析工作，假設(shè)電源內(nèi)阻抗為零，而且不計(jì)合閘回路電阻(涌流波形不衰減)。設(shè)合閘方電源電壓為u=umsin(ωt+α)當(dāng)二次側(cè)開(kāi)路的空載變壓器突然合到電壓為u的無(wú)窮大系統(tǒng)上，忽略變壓器漏抗壓降，并令變壓器一次繞組匝數(shù)n=1。  當(dāng)二次側(cè)開(kāi)路而一次側(cè)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，一次電路的方程為：  u1=umcos(ωt+α)=i1r1+n1dφ/dt  u1：一次電壓  um：一次電壓的峰值  α：合閘瞬間的電壓初相角  r1：變壓器一次繞組的電阻  n1：變壓器一次繞組的匝數(shù)  φ：變壓器一次側(cè)磁通  由于i1r1相對(duì)比較小，在分析瞬態(tài)過(guò)程初始階段可以忽略不計(jì)  所以u(píng)mcos(wt+α)=n1dφ/dt   dφ=(um/n1)cos(wt+α)dt  積分，得φ=(um/n1)sin(wt+α)+c  φ=φmsin(wt+α)+cφm為主磁通峰值，c為積分常數(shù)。  設(shè)鐵芯無(wú)剩磁當(dāng)t=0時(shí)，φ=0所以c=-φmsinα  所以空載合閘磁通為：φ=φmsin(wt+α)-φmsinα  由式可得空載合閘磁通的大小與電壓的初相角α有關(guān)，考慮最不利的情況：當(dāng)α=90時(shí)，電壓過(guò)零，φ=φmsin(wt+900)-φm=φmcoswt-φm，此時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流最大。  3.4.3 勵(lì)磁涌流特點(diǎn)  ①涌流含有數(shù)值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，主要是偶次諧波，因此，勵(lì)磁涌流的變化曲線為尖頂波。  ②勵(lì)磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān)，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此，在開(kāi)始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，經(jīng)0.5～1s后其值不超過(guò)(0.25～0.5)in。  ③一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，但總的趨勢(shì)是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。  ④勵(lì)磁涌流的數(shù)值很大，最大可達(dá)額定電流的8～10倍。  3.4.4　躲避勵(lì)磁涌流的方法  為防止變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，下面以rcs978為例說(shuō)明勵(lì)磁涌流的鑒別方法。  ①利用二次與三次諧波制動(dòng)。rcs-978 系列變壓器成套保護(hù)裝置采用三相差動(dòng)電流中二次諧波、三次諧波的含量來(lái)識(shí)別勵(lì)磁涌流。  當(dāng)某相差動(dòng)電流中的二次諧波和三次諧波大于整定確定的基波的一定比例時(shí)，該相被判別為勵(lì)磁涌流，只閉鎖該相比率差動(dòng)元件。  當(dāng)三相中的某一相倍判別為勵(lì)磁涌流，只閉鎖該相的比率差動(dòng)元件。  ②利用波形畸變識(shí)別勵(lì)磁涌流。故障時(shí)，差流基本上是工頻正弦波。而勵(lì)磁涌流時(shí)，有大量的諧波分量存在，波形發(fā)生畸變、間斷、不對(duì)稱。利用積分算法識(shí)別出這種畸變，即可識(shí)別出勵(lì)磁涌流。下式中s為差動(dòng)電流的全周積分值，s+是“差動(dòng)電流瞬時(shí)值+差動(dòng)電流半周前的瞬時(shí)值”的全周積分值，kb是一常數(shù)，st是門(mén)檻值，st的表達(dá)式為：  st=a*id+0.1ie  當(dāng)三相中的某一相不滿足以上方程，該相被判別為勵(lì)磁涌流，只閉鎖該相比率差動(dòng)元件。  s=kb*s+  s=st  裝置設(shè)有‘涌流閉鎖方式控制字’供用戶選擇差動(dòng)保護(hù)涌流閉鎖原理。當(dāng)‘涌流閉鎖方式控制字’為‘0’時(shí)，裝置利用諧波原理識(shí)別涌流；當(dāng)‘涌流閉鎖方式控制字’為‘1’時(shí)，裝置利用波形判別原理識(shí)別涌流。  4 結(jié)語(yǔ)  綜上所述，為了保證差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的選擇性，差動(dòng)繼電器的動(dòng)作電流應(yīng)盡量避開(kāi)最大不平衡電流。不平衡電流越小，保護(hù)裝置的靈敏度越高，從而保證變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器的差動(dòng)保護(hù)應(yīng)建立在安全可靠的基礎(chǔ)之上。