变压器接线组别对差动保护的影响及补偿措施

1变压器接线组别对差动保护的影响及补偿措施一、变压器差动保护的基本原理变压器的差动保护是利用比较变压器各侧电流的差值构成的一种保护，其单线原理图如图1.1所示。变压器装设有电流互感器TA1和TA2，其二次绕组按环流原则串联，差动继电器KD并接在差回路中。变压器在正常运行或外部故障时，电流由电源侧Ⅰ流向负荷侧Ⅱ，在图1.1(a)所示的接线中，TA1、TA2的二次电流1I、2I会以反方向流过继电器KD的线圈，KD中的电流等于二次电流1I和2I之差，故该回路称为差回路，整个保护装置称为差动保护。若电流互感器TA1和TA2变比选得理想且在忽略励磁电流的情况下，则1I=2I，继电器KD中电流I=0，亦即在正常运行或外部短路时，两侧的二次电流大小相等、方向相反，在继电器中电流等于零，因此差动保护不动作。如果故障发生在TA1和TA2之间的任一部分(如k1点)，且母线Ⅰ和Ⅱ均接有电源，则流过TA1和TA2一、二次侧电流方向如图1.1(b)所示，于是1I和2I按同一方向流过继电器KD线圈，即I=1I+2I使KD动作，瞬时跳开QF1和QF2。如果只有母线Ⅰ有电源，当保护范围内部有故障(如k1点)时，2I=0，如图1.1(c)，此时继电器KD仍能可靠动作。图1.1变压器差动保护原理接线图（a）正常运行及外部故障；（b）内部故障（双侧电源）；（c）内部故障（单侧电源）二、变压器接线组别的影响及其补偿措施(1)变压器接线组别对差动保护的影响对于Y，y0接线的变压器，由于一、二次绕组对应相的电压同相位，故一、二次两侧对2应相电流的相位几乎完全相同。而常用的Y，d11接线的变压器，由于三角形侧的线电压与星形侧相应相的线电压在相位上相差30°，故其相应相的电流相位关系也相差30°，即三角形侧的电流比星形侧的同一相电流，在相位上超前30°，因此即使变压器两侧电流互感器二次电流的数值相等，在差动保护回路中也会出现不平衡电流，如图2所示。(2)变压器接线组别影响的常规补偿措施为了消除由于变压器Y，d11接线引起的不平衡电流的影响，可采用相位补偿法，即将变压器星形侧的电流互感器二次侧接成三角形，而将变压器三角形侧的电流互感器二次侧接成星形，从而把电流互感器二次电流的相位校正过来，这就是所谓的相位补偿，如图3(a)所示。(a)相位补偿的接线图(b)相位补偿的相量图图3Y，d11变压器差动保护接线图和相量图图中AYI、BYI、CYI分别表示变压器星形侧三相电流，对应的电流互感器二次电流为aYI、bYI、cYI。由于电流互感器二次绕组为三角形接线，故流入差动臂(两侧电流互感器同名相的连线)的三相电流为aYI=aYI-bYI、bYI=bYI-cYI、cYI=cYI-aYI分别超前同名相一次侧电流为AYI、BYI、CYI30°。图中AI、BI、CI分别为变压器二次绕组中的三相电流，而变压器三角形侧输出的三相电流分别为AI=BAII、BI=CBII、图2Y，d11变压器两侧电流互感器的二次电流（a）变压器接线示意图；（b）电流相量图3CI=ACII分别超前于AI、BI、CI为30°，由于变压器三角形侧电流互感器二次侧为星形连接，故流入差动臂的电流分别aI、bI、cI与AI、BI、CI同相，所以变压器两侧互感器二次电流流入差动臂中的电流分别aI、bI、cI与aYI、bYI、cYI同相，这样便可补偿Y，d11型变压器两侧电流30°的相位差，使变压器在正常运行情况和外部短路时，同名相两侧流入差动臂中的二次电流保持同相位，从而减小了由于变压器接线组别相位差形成的不平衡电流。相位补偿后，为了使每相两差动臂的电流数值近似相等，在选择电流互感器的变比nTA时，应考虑电流互感器的接线系数Kc，即差动臂的电流为TACnIK1。其中，I1为一次电流，电流互感器按三角形接线时Kc=3，按星形接线时则Kc=1。如电流互感器的二次电流为5A时，则两侧电流互感器的变比按以下两式选择。变压器星形侧的电流互感器变比为:nＴＡ（Ｙ）=53)(YnI（8-1）nTA(△)=5)(nI（8-2）In(Y)——变压器绕组接成星形侧的额定电流；In(△)——变压器绕组接成三角形侧的额定电流。实际上选择电流互感器时，是根据电流互感器定型产品变比确定一个接近并稍大于计算值的标准变比。三、影响主变差动保护的几个因素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。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（CT4二次侧）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200/5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（比如工程中常见的许继LCD-4差动继电器或上继的LCD-5A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，许继厂有FY－1型自耦变流器：变流器的次级额定电流为5安时初级额定电流为8.13-3.07安；FY－1A型自耦变流器：变流器的次级额定电流为5安，初级额定电流为10-2.5安。上海厂有FL－3型自耦变流器：变流器的次级额定电流为5安时初级额定5电流为8.13-3.07安）或者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。但对于采用自耦变流器装设于变压器那一侧应根据计算确定（原则是防止变流器处于升流状态，以免因升流而增加了差动继电器的负载），如某110KV变电站的31500KVA变压器的差动保护定值单如下表所示，不过这两种方法，精度都不高。被保护设备主变压器（31500KVA）差动继电器型式LCD－5A各侧电压110KV侧38.5KV侧10.5KV侧备注CT接线方式△△YCT变比300/51000/52000/5CT二次额定电流（A）110331500÷300/5×3=4.773A5.38331500÷1000/5×3=4.091A＝5.10331500÷2000/5=4.330A应选择变流器变比4.773/4.091=1.16714.330/4.091=1.058中间变流器变比5.82/55.25/5流入继电器电流（A）4.101A4.091A4.124A初级变流器抽头1－91－7FY－1A次级变流器抽头1－51－6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Ia△Ib△Ic△IbYIaYIcYIaY-IbY图4变压器差动保护相位补偿的相量图(a)Y/△-11相位补偿的相量图Ia△Ib△Ic△IbYIaYIcYIaY-IcY(a)Y/△-1相位补偿的相量图6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。如图4所示，由于传统保护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，即Y接线的变压器，CT接线的方式为△，但因这种接线方式比较复杂，在现场使用过程中经常发生接线或极性错误的现象，同时由于△形接线方式，CT断线类型较多，有的难以与故障区分开，判断复杂，给CT断线的检测带来困难。故目前的微机差动保护，相角归算都由装置内部完成，只不过实现的方法不同而已，CT都是采取Y接线。四、变压器接线组别影响在各种差动保护中的补偿措施4.1变压器接线组别影响在LFP－971／972变压器差动保护中的补偿措施变压器接线组别影响在LFP－971／972变压器差动保护中的补偿措施在本装置内，变压器各侧电流存在的相位差由软件自动进行校正。变压器各侧的电流互感器均采用星形接线，各侧电流方向均指向变压器。因为变压器Y侧的TA也选用星形接法。无接线系数可言。因此TA变比的选择可以比常规三角形的TA变比的选择减小3倍，但要特别注意，必须按电流互感器的10%误差曲线校核二次负担是否超过允许值。另外，在用软件进行变压器Y侧二次电流相位的校正时，软件的实现方法，仍然是以星形变三角形最为方便，对于Y，d11变压器这个变换不仅使变压器星形的二次电流，在软件变换后，向前相移了30°，而且使幅值也放大了3倍。这将会引起幅值的不平衡，这个不平衡和CT变比的选择误差均可用VFC板上的平衡调整电路来调整。变压器接线组别对差动保护特性的影响由于变压器各侧电流经Y／△或△／Y软件调整，所以变压器内部任何一相发生故障都会引起两相比率差动动作。因此，本装置可选择两相及以上比率差动动作下才允许比