从工程角度理解主变差动保护关于接线组别和变比的归算思路

从工程角度理解主变差动保护关于接线组别和变比的归算思路摘要：差动保护因为其具有的选择性好、灵敏度高等一系列优点成为变压器、电动机、母线及短线路等元件的主保护。这几种差动保护原理是基本相同的，但主变差动保护还要考虑到变压器接线组别、各侧电压等级、CT变比等因素的影响。所以同其它差动保护相比，主变差动保护实现起来要更复杂一些。关键词：变压器变比；CT变比；变压器接线组别；区外故障；Y/Y接线;Y/△引言:变压器变比的影响：因为变压器变比不同，造成正常情况下，主变高低压侧一次电流不相同。比如：假设变压器变比为110KV/10KV，不考虑变压器本身励磁损耗的理想情况下，流进高压侧电流为1A，则流出低压侧为11A。这很好理解，三相视在功率S=√3UI。不考虑损耗，高低压侧流过功率不变，各侧电压不同，自然一次电流也不同。CT变比的影响：还是用上面的举例，如果变压器低压侧保护CT的变比是高压侧CT变比的11倍，就可以恰好抵消变压器变比的影响，从而做到正常情况下，流入保护装置（CT二次侧）的电流大小相同。但现实情况是，CT变比是根据变压器容量来选择，况且CT变比都是标准的，同样变压器变比也是标准化的，这三者的关系根本无法保证上述的理想比例。假设变压器容量为20MKVA，110KV侧CT变比为200/5，低压侧CT变比如果为2200/5即可保证一致。但实际上低压侧CT变比只能选2000/5或2500/5，这自然造成了主变高低压侧CT二次电流不同。变压器接线组别的影响：变压器不同的接线组别，除Y/Y或△/△外，都会导致变压器高低压侧电流相位不同。以工程中常见的Y/△-11而言，低压侧电流将超前高压侧电流30度。另外如果Y侧为中性点接地运行方式，当高压侧线路发生单相接地故障时，主变Y侧绕组将流过零序故障电流，该电流将流过主变高压侧CT,相应地会传变到CT二次，而主变△侧绕组中感应出的零序电流仅能在其绕组内部流过，而无法流经低压侧开关CT。1、为消除上述因素的影响而采取的基本方法主变差动保护要考虑的一个基本原则是要保证正常情况和区外故障时，用以比较的主变高低压侧电流幅值是相等，相位相反或相同（由差流计算采取的是矢量加和矢量减决定，不过一般是让其相位相反），从而在理论上保证差流为0。不管是电磁式或集成电路及现在的微机保护，都要考虑上述三个因素的影响。（以下的讨论，都以工程中最常见的Y/△-11而言）电磁式保护（比如工程中常见的LCD-4差动继电器），对于接线组别带来的影响（即相位误差）通过外部CT接线方式来解决。主变为Y/△接线，高压侧CT二次采用△接线，低压侧CT二次采用Y接线，由保护CT完成相角的归算同时消除零序电流分量的影响。电流由主变高压侧传变到低压侧时，相位前移30度，低压侧CT接成Y/Y，角度没有偏移。高压侧CT接成Y/△，CT二次侧比一次侧（也即主变高压侧）相位也前移了30度。这样就保证了高低压侧CT的二次电流同相位。高压侧CT接成Y/△后，电流幅值增大了√3倍（实际上是线电流），在选择CT变比时，要考虑到这个因素，尽量让流入差动继电器的主变高低压侧电流相等。因为CT都是标准变比，通常不能保证高低压侧二次电流相等，对此一般采取在外回路加装电流变换器（可以理解为一个多变比抽头的小CT）或着对具有速饱和铁芯的差动继电器，调整它的平衡线圈的匝数。不过这两种方法，精度都不高。微机保护同传统保护相比，保护原理并没有太大的变化，主要是实现的方法和计算的精度有了很大提高。早期有些微机差动保护，可能是运算速度不够的缘故，相角归算还是采用外部CT接线来消除（如DSA早期某型号产品）。现在的微机差动保护，CT都是采取Y/Y接线，相角归算由内部完成：通过电流矢量相减消除相角误差。主变差动为分相差动，对于Y/△-11接线，同低压侧IAl相比较运算的并不是高压侧Iah，而是Iah*=Iah-Ibh(矢量减)，这样得到的线电流Iah*，角度左移30度，同低压侧Ial同相位。对于Y/△-11接线，参与差流计算的Y侧3相电流量分别是：Iah*=Iah-Ibh、Ibh*=Ibh-Ich、Ich*=Ich-Iah(都为矢量减)。对于Y/△-1接线，参与差流计算的Y侧3相电流量分别是：Iah*=Iah-Ich；Ibh*=Ibh-Iah、Ich*=Ich-Ibh(都为矢量减)。通过减超前相或滞后相电流的不同，从而实现相角滞后或前移30度。主变变比和CT变比造成的误差都是幅值上的差异，这方面的处理，对于微机保护而言，是非常容易的，输入量（对△侧）或相位归算后的中间量（对Y侧）乘以相应的某个比例系数即可。当然这个系数对Y侧，还要考虑到内部矢量相减，同时造成的幅值增大了√3倍。目前国内绝大部分厂商（如南自厂等）的微机差动保护，是以一侧为基准（一般为高压Y侧），把另一侧的电流值通过一个比例系数换算到基准侧。采取这种方法，装置定值和动作报告都是采用有名值（即多少安），比如差动速断定值是18A等等。南瑞公司的差动保护相位归算也是采用矢量相减，变比等因素造成的幅值归算采取的是Ie额定电流标幺值的概念，相应的定值整定和动作报告也都是采用Ie标幺值。现场很多用户（包括公司一些新员工），对此感到较难理解，因此有必要详细解释一下。2、以RCS9671/9679差动保护为例，解释Ie的概念Ie是指根据变压器的实际容量求到的额定电流的标幺值。我们常说的CT二次额定电流是5A，这只是一个产品标准参数，而Ie是根据主变容量得到的，它所对应的电流有名值的具体数值，对主变的每一侧都是不同的。以下列参数为例：某台主变，容量31.5/20/31.5兆伏安；变比110±4×2.5%／38.5±2×2.5%／11千伏；接线组别Yo/Y/△-12-11；CT变比200/5,500/5,2000/5；CT为Y/Y。额定电流计算公式Ie=S/(√3U)/CT变比高压侧Ie=31500KVA/(1.732*110KV)/200/5=165.337A/40=4.133A中压侧Ie=31500KVA/(1.732*38.5KV)/500/5=472.39A/100=4.723A低压侧Ie=31500KVA/(1.732*11KV)/2000/5=1653.37A/400=4.133A当高压侧CT二次流出电流为4.133A时,表明本侧流出的功率为变压器的额定功率,这就是Ie的物理含义，对中压侧、低压侧物理意义是相同的。差动保护在每一侧采集到的电流除以该侧的Ie电流值，得到各侧电流相对于本侧额定电流的比例值（标幺值）。采用各侧的Ie标幺值直接参与差流计算，而不是采用电流有名值，相应的定值及报告都是显示的是多少Ie。比如说高压侧二次电流为4.133A，程序会把这个值除以高压侧（4.133A），得到标幺值1Ie；中压侧电流为-1.42A，得到标幺值-0.3Ie；低压侧电流为-2.89A，得到标幺值-0.7Ie。程序计算差流时会把这三侧Ie相加求得到差流Id=0Ie。注意：上例中提及的主变高压侧及中压侧的Ie，与装置中Ieh及Iem不是同一个量，后者是前者的√3倍。求Ie具体值的公式里包含了变压器容量、电压变比、每侧CT变比这几个参数。基于能量守衡的原理（忽略主变本身损耗），计算时容量都采用同一个最大容量（应注意对于35KV侧，额定参数是20MVA，但计算时还是要用31.5MVA）。得到的每侧额定值作为本侧的基准，实际电流除以该基准，就得到可以直接用以统一运算的标幺值。整个计算的过程，就消除了由主变电压变比和CT变比因素所造成的影响。其它公司以一侧为基准，其它侧往基准侧归算。我们的差动分别以各侧额定为基准，各侧实际电流都往本侧归算；思路都是一致的，但是我个人感觉还是Ie的概念更好一些，更符合物理意义。举个通俗的例子，把高压侧电流比做黄金、低压侧电流比做白银，两者没法直接通过比较重量来比较价值。我们都把其折合成美元，就可以统一比较了。Ie在差动归算中，就起了一个美元的作用。Ie是一个标幺值，是一个可以统一计算的中间度量单位（转换单位）。3、以RCS9671/9679差动保护为例，从调试角度出发理解的差动归算思路我们在本文一开头就提到了主变电压变比、CT变比还有接线组别的影响。采用Ie的概念和计算方法后，可以消除掉电压变比和CT变比对幅值的影响。对接线组别（相位）的影响，以RCS9671/9679程序里是这样做的。若系统设置菜单里，接线组别设置为△/△求一次额定电流求2次额定电流S:主变容量,三侧都按最大容量来U:本侧额定线电压（CT都是Y/Y接线，也即由装置内部完成归算），程序对电流采样数据不做相角上的任何归算处理，根据系统参数整定内容，计算出各侧Ie具体值，实际采样值同本侧Ie相除，得出本侧以Ie标幺值所表示的电流值参与差流计算。当接线组别设置为Y/△-11，程序对Y侧电流采样数据首先进行相角调整，即参与差流计算的Iah*=Ia-Ib（矢量减），Ibh*=Ib-Ic，Ich*=Ic-Ia.这样一减，得到的矢量电流相位前移了30度，完成相位的归算。但幅值同时也增大了√3倍（线电流和相电流的关系，这很好理解）。程序里对矢量相减得到的值会同时固定除以√3，以保证只调整相位，不改变大小。对Y/△-1，处理过程一样，只是矢量相减的相别发生一下变化：Iah*=Ia-Ic（矢量减），Ibh*=Ib-Ia，Ich*=Ic-Ib.也要固定的对幅值除以√3。要特别说明的是对接线组别Y/Y的变压器，程序对两侧均作了Y→△变换，目的主要是消除高压侧CT中可能流过的零序电流对差流的影响，确保高压侧发生区外接地故障时差动保护不误动。看到这里，细心的同事可能会发现，在本文中Ie的计算公式同RCS9671/9679调试大纲里写的不大一样。在《调试大纲》里，主变△侧Ie的计算公式同Y侧Ie的计算公式不同，Y侧Ie的计算公式：Ie=S/U/CT变比（没有除以√3）。而本文中Ie的计算公式△侧和Y侧是一致的。《调试大纲》里Y侧的公式并不是没有除以√3，而实际上是按Ie=（S/√3U/CT变比）×√3，对Y侧Ie扩大了√3倍，从公式字面上看好似是没有除这个√3。《调试大纲》这样写实际上已经考虑了Y侧√3的接线系数。不过我个人认为，从物理概念上讲，Ie的计算公式对Y或△侧都是一样的，应按3相功率来考虑。（RCS系列主变保护程序是根据输入的主变参数自动计算Ie的，因此Ie与平衡系数密切相关。特别要注意的是装置中的差动起动电流值及差动速动定值都与Ie有关，装置中涉及到的Ie均为经过接线系数调整以后的各侧额定电流值。在定值整定过程中，若装置报“平衡系数错”，可通过改变系统参数中的变压器容量来消除，但此时应注意将装置中的差动起动电流值及差动速动定值作相应变动。我们还是以上文所提到的主变参数来举例说明具体处理思路（该主变参数同《RCS9671/79调试大纲》里举例的主变参数相同）。设主接线为Y/△-11，CT为Y/Y接线。我们计算出高压侧（Y侧）Ie=4.133A（按本文公式）,《调试大纲》是乘以√3的，Ie=4.133A×1.732=7.158A。当在保护装置高压侧输入三相对称电流IA=4.133A（角差120度，同正常运行情况），程序按照整定的接线组别，首先进行相角归算（矢量相减），因为ABC三相都有电流，且角差120，得到Iah*=Ia-Ib=1.732×Ia×∠30°;Ibh*=Ib-Ic=1.732×Ib×∠30°；Ich*=Ic-Ia=1.732×Ic×∠30°。幅值增大了√3，相角逆时针旋转了30°。相位归算后的向量，程序会再除以√3,以消除因为矢量相减而导致的幅值增大√3倍。再除以本侧Ie值4.133A，把有名值换算成标幺值(注:实际上程序是乘以平衡系数,内部计算按相对于5A的标幺值来的。这样解释是为了便于理解Ie物理概念,以下相同)。因为△侧无电流输入，差流为零，故装置显示ABC相差流分别为1Ie。在保护装置高压侧输入单相电流IA=4.133A，装置显示A、C两相都有差流，差流Iacd=0.577Ie;Iccd=0.577Ie。程序同样首先进行相角归算，即