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1、 南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:杨建伟学 号： 541110120406学院(系):自动化学院专 业:电气工程及其自动化专业题 目:ODFSZ.100000/500kV变压器继电保护的设计副教授都洪基指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2014 年 06 月 毕业设计说明书（论文）中文摘要研究并解决5O0kV变压器保护在实际工程中存在的问题,具有重要的理论和现实意义。本文首先指出了500kV变压器保护配置存在的问题,提出了基于不同动作逻辑而非闭锁逻辑的双重化主保护配置方案,通过改变主保护配置方案提高保护灵敏性和速动性的方法。计算了
2、500kV变压器热稳定极限时间,探讨后备保护与变压器热稳定性能间的配合问题。结合工程实践,提出一种有效的试验方案,能够对变 压器二次电流回路正确性进行全面的检验。分析了自耦变压器公共绕组过负荷的原因,提出解决方法。最后,对变压器保护与母线保护的各种接口配合方案做对比研究,提出最优的解决方案。关键词 变压器差动保护 保护配置 热稳定 电流回路 过负荷毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Design of Transformer ODFSZ.100000/500kV Protection AbstractIt is important necessary and practical sign
3、ificant to research and resolve 500kv transformer protection in practical engineering problems.The paper first points out the problems of the 500kv transformer protection configuration.It makes a program of double main protection configuration,which is based on operation logic rather than on the loc
4、k logic,a method for promoting the sensitivity and the speed by changing the main protaction configuration.It calculated the time limit of the 500kv transformer thermal stability the transforme.With the eombination of engineering Praetiee.An effeetive Pilot Program which is used for comprehernsively
5、 testing the current secondary circuit of transformer is suggested in the paper.It analyses the reason for the autotransformer public winding overload and make a solution.Finally,the paper compares to study the programs for interface of transformer protection and busbar protection,and select the opt
6、imal solution.Keywords Transformer Differential Protection Protection Configuration Heat.stable Current.loop Overload 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页 目录1 绪论11.1课题背景及意义11.2本课题研究的现状12 50OkV系统联络变压器保护的配置问题72.1目前5OOkV联络变压器保护的配置情况72.2目前的保护配置方案存在的问题82.3 5OOkV变压器保护配置原则的探讨83 变压器保护配置方案的研究93.1 差动保护的灵敏性问题93.2 差动保护的速动性问题1
7、43.3提高保护躲过励磁涌流的能力153.4 主保护配置方案183.5 后备保护配制方案183.6小结194 继电保护与变压器的热稳定204.1 变压器热稳定指标214.2 5O0kV变压器热稳定时间的计算214.3 变压器热稳定与继电保护的关系245 自耦变压器公共绕组过负荷问题255.1自耦变压器各侧电量关系255.2自耦变压器电流流向及过负荷分析265.3 小结306 变压器CT二次回路检验方案的研究306.1对检验方案的基本要求316.2变压器模拟短路试验317 变压器保护与母线保护的接口问题367.1断路器失灵保护动作行为分析367.2双母接线母线故障变压器断路器失灵连跳各侧的实现方
8、案367.3 3/2接线的母线保护与变压器保护的接口问题387.4 小结38结 论39致 谢40参考文献41 本科毕业设计说明书（论文） 第 105 页 共 41 页 1 绪论1.1课题背景及意义电力变压器是电力系统中十分重要的供电组件。作为电力系统的转换枢纽,变压器的安全运行直接关系着整个电力系统的稳定,它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重影响。同时,大容量的电力变压器也是十分贵重的组件,因此,必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好且工作可靠的继电保护装置。随着电力工业整体的快速发展,继电保护的原理和制造工艺也在日益改进和完善,基于新原理的继电保护装置不断出现。由于在系统安
9、全稳定方面的重要性,变压器保护的研究始终受到高度重视。在科研、生产、设计、维护等各方面的共同努力下,目前国内主变保护的基本配置已经相对比较成形和固定,这一点对于保证变压器的安全稳定运行起到了至关重要的作用。变压器保护的原理和技术性能一直在不断地得到提高和完善。文献l对我国22OkV系统继电保护统计显示,1997至2006的十年间,我国继电保护正确动作率虽然呈逐年上升的趋势,但变压器保护的正确动作率仍然偏低。1997年变压器保护正确动作率(62.91%)与线路保护(97.26%)相比有很大差距,虽然近几年变压器保护的正确动作率也有了大幅度提高,从1997年的62.91%提高到2006年的93.4
10、6%,提高了超过30个百分点,但是与线路保护正确动作率相比仍然低6.46个百分点。可见提高变压器继电保护正确动作率仍将是各级继电保护工作者今后工作的重点。造成变压器保护正确动作率偏低的原因是多方面的,其中一直令人们比较关注的是变压器保护所面临的一些尚未很好解决的技术难题,比如:纵差保护鉴别励磁涌流的问题,保护相位补偿后的灵敏度问题等。正是由于这些让人感到棘手的技术难题吸引了大多数的目光,很多其它关于变压器保护的问题被逐渐边缘化。实际上,从目前现场的情况看,很多保护不正确动作的事故并不是由于装置本身的原理问题造成的,而是由于现场的管理不善或一些技术问题被忽视所引起的。因此,变压器保护在实际工程中
11、面临的具体问题同样应当引起各级继电保护专业人士的关注和重视,比如优化变压器保护配置、变压器CT回路正确性检验、后备保护与变压器热稳定性能的配合、变压器保护与母线保护的接口问题等都是关系到变压器保护正确动作和变压器稳定运行的重要因素,并且是值得继电保护人员深入研究和解决的实际问题。1.2本课题研究的现状变压器发生短路故障时,会产生很大的短路电流,使变压器严重过热甚至烧坏变压器绕组或铁心。特别是变压器油箱内的短路故障,伴随很大的短路电流可能引起变压器着火。另外,变压器内外部的故障短路电流会产生电动力,也可能造成变压器本体和绕组变形而损坏。异常运行也会危及变压器的安全,如果不能及时发现处理,也会造成
12、变压器故障及损坏。因此,为确保变压器的安全经济运行,应对变压器配备完整的主保护和后备保护,在变压器发生故障或处于异常运行状态时,及时切除故障或发出报警信号。1.2.1 变压器主保护的现状变压器短路故障的主保护主要有瓦斯保护(本文不作研究)和差动保护,作用于瞬时切除保护范围内的各种短路故障23,。差动保护一般包括纵联差动保护、分侧差动保护和零序差动保护。1.2.1.1 纵联差动保护无论是传统的模拟式保护,还是目前普遍采用的微机式保护,比率制动纵联差动保护(以下简称纵差保护)一直是电力变压器内部故障的主保护。纵差保护是指由变压器各侧外附CT构成的差动保护,该保护能反映变压器各侧的各类故障。差动保护
13、的理论基础是基尔霍夫电流定律(KCL)4。变压器正常运行或外部故障时,若忽略励磁电流损耗及其它损耗,则流入变压器的电流等于流出变压器的电流。此时,差动保护不应动作。当变压器内部故障时,若忽略负荷电流不计,则只有流进变压器的电流而没有流出变压器的电流,差流增大,其纵差保护动作,切除变压器56。差动保护因其原理简单,保护范围明确,动作速度快,目前得到了广泛应用。在线路、发电机和母线的应用比较成功,但是当应用于变压器时,却遇到了许多问题:(1)变压器各侧电流的大小和相位不同；变压器与线路、发电机、母线等设备存在明显的不同,各侧除了有电的联系外还有磁的联系。变压器各侧的电压不同,电流也不相同。超高压、
14、大容量变压器均采用YNd接线,因此流入和流出变压器的电流的相位不可能相同。(2)高压侧高阻接地,保护灵敏度低；(3)少数绕组匝间短路,保护灵敏度低；(4)稳态不平衡电流大；由于变压器励磁电流只流过电源侧,在构成差动保护后将产生不平衡电流。为满足系统对电压的要求,变压器在运行中要不断改变调压分接头,这相当于变压器的变比发生了变化,将使各侧间电流的差值也随之发生变化,从而增大纵差保护的不平衡电流。差动保护各侧CT型号及变比不一致,变比存在误差,也将使差动保护的不平衡电流增大。(5)暂态不平衡电流大；构成变压器差动保护的各侧CT变比和型号不同,其暂态特性就不同。在系统发生故障的暂态过程中,各侧CT二
15、次电流中的自由分量相差很大,因此会在差动保护中产生很大的不平衡电流。变压器过励磁时,其励磁电流大大增加,使差动保护不平衡电流增大。大电流系统侧接地故障时,流入变压器的零序电流因低压侧为小电流系统而不流出变压器。因此,也会产生不平衡电流。(6)励磁涌流实际上,励磁涌流也是变压器差动保护暂态不平衡电流之一,但由于励磁涌流在变压器差动保护中的特殊地位,因此,将其单独列出。前面五点关于变压器差动保护面临的问题,都已通过改善保护的性能得到有效地解决。但励磁涌流却始终是困扰继电保护工作者的一大难题,并且直到现在也没能得到理想的解决办法。继电保护工作者在鉴别励磁涌流方面进行了大量的研究和探索,也取得显著的成
16、绩。目前,已应用于工程实践的识别励磁涌流的方法主要都是利用励磁涌流的波形特征,包括二次谐波原理,间断角原理,波形对称原理,波形比较原理等等。为确保变压器差动保护不误动,人为地增加了诸如二次和五次谐波制动等闭锁措施。多种闭锁原理迫使非常简单的变压器差动保护复杂化,影响了其原有的选择性好、动作迅速等优点。究其原因是变压器在实际运行中,各侧电流不满足式(1.1)。构成差动保护的前提是所保护的设备为纯线性电路,而变压器不仅包含线性电路,还包含非线性的铁芯磁路。实际上,变压器差动保护从理论上就违反了其应遵循的理论基础一一基尔霍夫电流定律。1.2.1.2 分侧差动保护分侧差动保护是指将变压器的各侧绕组分别
17、作为被保护对象,由各侧绕组的首末端CT按相构成的差动保护,如图1.1所示。该保护不能反映变压器各侧绕组的全部故障。图1.1双绕组变压器分侧差动保护原理接线图这种保护的优点是:(l)原理简单,装置可靠,调试方便;(2)电流互感器二次侧三相可接成星型,不存在因相位补偿而造成的滤除零序电流问题,因此单相接地故障灵敏度高；(3)不受分接头调压的影响;(4)不受励磁涌流、过励磁电流的影响。分侧差动保护的缺点是:(1)不能保护常见的绕组匝间短路;(2)只能用于每个绕组有两个引出端子的单相变压器组。1.2.1.3 零序差动保护零序差动保护是指将变压器星形绕组作为被保护对象,由各星形绕组零序CT构成差动保护,
18、如图1.2所示。图1.2 零序差动保护接线图零序差动保护的优点是:(l)对星形侧绕组单相接地故障有较高的灵敏度;(2)不受分接头调压的影响;(3)不受励磁涌流、过励磁电流的影响。零序差动保护的缺点是:(1)不反应相间故障,更不能保护低压侧故障;(2)在常规保护中,二次接线比较繁琐,CT接线正确性难于保证.1.2.1.4 分相差动保护分相差动保护是指将变压器的各相绕组分别作为被保护对象,由每相绕组的各侧CT构成的差动保护,该保护能反映变压器某一相各侧全部故障。分相差动保护可以看作是纵差保护的一种,也受励磁涌流的影响。由于低压侧只能取套管CT,该侧套管与母线之间的引出线就没有了快速保护。因此,就要
19、另外增加保护低压侧引出线的快速主保护。1.2.1.5 其它主保护每种差动保护都有自身的优点和难以避免的缺陷。鉴于差动保护应用于变压器所暴露出的问题,基于新原理的变压器主保护不断涌现,主要有:磁通特性原理序阻抗原理、回路方程原理、电感倒数等效电路原理等。但这些新原理基本还仅仅停留在理论研究阶段,尚未应用于工程实践中。1.2.2 变压器后备保护的现状500kV系统主变压器后备保护一般主要配置低阻抗保护和零序方向电流保护。主要作为变压器、母线及引出线的后备保护,作用于延时切除保护范围内的各种短路故障.低阻抗保护作为主变压器及相邻组件的相间故障后备保护,大多采用O接线。装设在变压器电源侧的后备阻抗保护
20、,对于变压器内部绕组的短路故障往往灵敏度不高,但可以作为对侧母线和馈线故障的后备保护。接地故障采用零序电流保护。设两段零序电流保护,第一段零序方向电流保护,方向指向本侧母线,切本侧断路器;第二段零序电流保护无方向,动作后跳各侧断路器。1.2.3 继电保护与变压器的热稳定问题电力变压器的故障分为内部和外部两种故障。内部故障指变压器油箱里面发生的各种故障,主要靠瓦斯和差动保护动作切除变压器;外部故障指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障,一般情况下由差动保护动作切除变压器。速动保护(瓦斯和差动)无延时动作切除故障变压器,设备是否损坏主要取决于变压器的动稳定性。而在变压器各侧母线及其相连间隔的
21、引出设备故障时,若故障设备未配保护(如低压侧母线保护)或保护拒动时,则只能靠变压器后备保护动作跳开相应开关使变压器脱离故障。因后备保护带延时动作,所以变压器必然要承受一定时间段内的区外故障造成的过电流,在此时间段内变压器是否损坏主要取决于变压器的热稳定性。因此,变压器后备保护的定值整定与变压器自身 的热稳定要求之间存在着必然的联系。目前,在没有特殊要求的情况下,变压器的热稳定时间按2s计算。1.2.4 变压器电流回路正确性的检验对于500kV主变压器,电流回路特别多,往往由于没有一种准确、有效的方法,使得在送电时带负荷测相位才能发现电流回路存在错误,经常要停电修改或带电冒险作业。目前,在现场尚
22、无有效的检验变压器二次电流回路正确性的方法。在以往的工程实践中,大多采用分段校验的方法,通过查线来检验其正确性。这种方法非常繁琐,准确性也无法保证。1.2.5 自耦变压器公共绕组过负荷问题三绕组自耦变压器以其节省材料、损耗较低等优点在电力系统中广泛应用,但在运行中,存在普通变压器所没有的特殊问题一一公共绕组过载问题。即这种变压器在某些运行方式下,高压侧和中压侧的负载都没有超过额定容量,低压绕组也没有超过其额定容量,但公共绕组的视在功率却有可能超过它的额定容量。1.2.6 变压器保护与母线保护的接口问题 “22OkV及以上电压等级变压器的断路器失灵时,除应跳开失灵断路器相邻的全部断路器外,还应跳
23、开本变压器连接其它侧电源的断路器。”由于对该要求的理解不同,目前,各地电网在变压器保护与母线保护之间的接口方案上存在很大差异。2 50OkV系统联络变压器保护的配置问题目前,系统中普遍使用的500kV联络变压器微机保护的配置基本上是沿用了电磁型或晶体管硬件水平上的保护配置方案。随着微机继电保护技术的发展和成熟,为500kV系统联络变压器保护提出新的保护配置方案提供了基础和可能。变压器继电保护的基本功能是保护变压器的安全,应根据变压器可能的故障形式及故障时可能动作的保护来选择和配置保护。变压器保护的配置应体现“加强主保护,简化后备保护”的原则,并且提高保护配置的针对性。保护配置方案应根据变压器的
24、实际型式来决定,而不应一味追求标准化。2.1目前5OOkV联络变压器保护的配置情况根据有关规程、规范的要求,微机型变压器保护一般配置两套独立保护装置。每套保护装置均包括完善的主、后备保护。主保护除变压器本体保护(本文不讨论)外,一般配置比率制动特性相电流差动保护及差动速断保护。后备保护配置为：(1) 相间故障采用阻抗保护。方向指向变压器,作为变压器高(中)压侧绕组及对侧母线后备保护,并对中(高)压侧母线故障有足够的灵敏度,且不装设振荡闭锁回路,其动作时间不小于1.5s,其反方向偏移阻抗部分作为本侧母线故障的后备保护。设一段两时限,第一时限跳对侧断路器,第二时限跳各侧断路器。(2) 接地故障采用
25、零序方向电流保护。设两段零序电流保护,第一段零序方向电流保护,方向指向本侧母线,切本侧断路器;第二段零序电流保护无方向,动作后跳各侧断路器。2.2目前的保护配置方案存在的问题(1)500kV系统联络变压器大多为单相式自耦变压器,变压器内部绕组对铁芯(地)的绝缘损坏,即单相接地故障应是变压器内部故障的主要形式。反映相电流的纵联差动保护本都采用的相位补偿方式,至少在保护原理上就滤掉了零序电流分量,在变压器内部发生单相接地故障时灵敏度没有反映零序电流的差动保护灵敏度高。(2)目前500kV系统联络变压器电气量保护采用双重化配置。不同原理的差动保护体现在它的闭锁逻辑不同,即一台装置采用二次谐波制动原理
26、来识别励磁涌流,另一台装置采用波形识别的原理来识别励磁涌流,两台装置的动作逻辑一样。目前常用的变压器励涌流识别方法都存在不同程度的缺陷,将这些励磁涌流鉴别判据简单地配置在不同的保护装置中,将增加保护误动的几率7。(3)相间短路后备保护灵敏度低,整定计算复杂。理论分析表明高、中压侧后备阻抗保护对变压器绕组的各种内部短路的灵敏度往往很低,达不到绕组短路近后备的作用,更谈不上作为低压侧相间故障的后备保护。按照目前的保护配置原则,相间距离保护要与对侧出线距离保护配合,由于变压器阻抗较大,当对侧出线较短时,整定配合困难,只能靠提高动作时间来满足选择性要求。零序电流保护随着线路保护中零序电流保护逐渐被接地
27、距离保护所取代,与线路保护中仅保留的用来保护经大接地电阻故障时最末一段零序电流配合时间又太长,只能与线路中接地距离保护进行简单配合。至于无方向段零序电流保护由于自耦变压器将高压侧与中压侧零序电流回路连通,要同高、中压侧零序电流保护均配合,配合起来相当复杂,也只能靠提高动作时间来满足选择性要求。(4)后备保护动作时间长。由于变压器后备保护动作时间太长,难以满足系统稳定的要求。2.3 5OOkV变压器保护配置原则的探讨主保护应对保护范围内任何故障均有保护能力,且保护灵敏度应尽可能高,以便在变压器轻微故障时保护能正确反映,最大限度地降低故障对变压器本身及电网的影响。双重化的主保护应以不同动作原理而不
28、是不同的闭锁条件来区分,在灵敏性、速动性和可信赖性方面实现优势互补,在提高安全性方面实现统一,从而达到降低拒动概率,同时也不提高误动概率的目的8。变压器的后备保护与线路后备保护不同,当变压器内部发生故障时,端口三相电流可能不大,三相电压可能不低,相应的测量阻抗就可能较大。所以变压器后备保护实际上起不到变压器内部故障的后备保护作用。另外,变压器保护也不需要为线路做后备保护。22OkV及以上线路均装有双套纵联保护,多段相间、接地距离、零序电流保护及断路器失灵保护,根本不需要变压器来提供后备保护。所以变压器后备保护应作为本侧母线及套管引出线的后备保护。3 变压器保护配置方案的研究研究差动保护就是研究
29、它的选择性、速动性、可靠性、灵敏性的辩证统一关系。不管变压器内部发生何种类型故障,差动保护的动作逻辑和闭锁逻辑完全一样,就导致差动保护在变压器内部发生轻微故障时灵敏度不够,发生严重故障时动作速度不快,配置不同原理的差动保护主要就是要解决差动保护的速动性和灵敏性的问题。鉴别励磁涌流一直是变压器纵联差动保护难于解决的问题,在尚无一种理想的鉴别励磁涌流方法的情况下,改进变压器主保护配置方案,也不失为一种解决励磁涌流问题的好方法。3.1 差动保护的灵敏性问题3.1.1 相位补偿对差动保护灵敏度的影响变压器主保护的灵敏度直接影响着变压器的安全。应用范围最广的Y,dn电力变压器在构成纵联差动保护接线时,由
30、于变压器高压侧与低压侧相位相差30度。为了消除相位不同产生的不平衡电流,要对其进行相位补偿。相位补偿的方法不同,在变压器内部短路时差动保护的灵敏度也不同9。Y,dll电力变压器高、低压侧二次电流相量图如图3.1所示。图3.1 变压器高、低压侧电流向量关系由相量图可知,变压器低压侧电流超前高压侧电流30度。若仅从满足相位要求出发,可以将高压侧电流逆时针移相30度。也可以将低压侧电流顺时针移相30度。都能达到补偿相位差的目的。传统由电磁型构成的差动保护,是将变压器的高压侧电流互感器二次侧接成三角形,低压侧电流互感器二次侧接成星形,以此来满足相位补偿关系。其主要原因是若变压器高压侧中性点直接接地,当
31、外部发生单相接地短路时,变压器高压侧有零序分量电流,而变压器低压侧电流互感器不反应零序分量电流,这样在Y侧将电流移相后,差动回路中不会引起不平衡电流,从而保证差动保护不误动作。所以传统的由电磁型构成的变压器差动保护无一例外地采用了这种相位补偿方式。目前的微机型变压器保护装置,多数对差动保护用的电流互感器接线的要求是:可以采用全星形接线,也可以采用常规接线;差动用的电流互感器采用全星形接线时,由软件补偿相位和幅值。若电流互感器采用三角形接线,无法判断三角形接线内的断线,只能判断引出线断线。显然,差动保护用的电流互感器采用全星形接线较采用常规接线有其优越性,已被广泛采用。微机变压器差动保护电流互感
32、器采用全星形接线时,如星形侧电流互感器三相电流采样值为IA、IB、和IC,一般软件按下式可求得用作差动计算的三相电流;IAB、IBC和IAC10。 （3.1）其相量图如图3.2所示。 图3.2 Y,d11变压器的Y_转换向量图由软件在变压器高压侧实现相位补偿的目的与由常规电磁型构成的差动保护的作用相同。变压器低压侧采用的相位补偿方程为： （3.2）若不计零序电流分量，相位补偿图如图3.3所示： 图3.3 相位补偿图由图3.3可知,经软件计算后,变压器在不计零序分量电流的情况下(即变压器在对称的情况下)高、低压两侧电流相位得到了补偿。但是,这种补偿方法由于Y侧电流未变化,零序电流未经处理地保留在
33、差动计算中,当Y侧外部发生接地故障时,差动保护中将出现差流而误动。因此必须采取补救措施。图3.4 单相接地时零序电流分量流向图如图3.4所示,分别比较两种短路情况下差动回路高压侧电流互感器的零序分量电流与变压器中性点零序电流互感器的零序电流分量的方向。可以发现变压器高压侧发生单相接地短路时,两个零序分量电流的方向相同,保护区外发生单相接地短路时,两个零序分量电流的方向相反。因此,差动保护在变压器高压侧采用下式方法进行二次电流的匹配: (3.3)差动保护电流互感器采用全星形接线,由于继电器采用内部算法实现相位补偿,差动保护仅感受到星形侧绕组的零序电流,而感受不到三角形侧的零序电流(事实上三角形侧
34、变压器引出线也不存在零序分量电流)。从分析可知,相位补偿采用方式不同,将影响在变压器高压侧发生单相接地短路时差动保护的灵敏度。采用星型到三角型相位补偿方式的差动保护,在变压器Y侧发生单相接地短路时,Y侧流入差动继电器的电流中就不包含零序分量的电流,使得差动保护的动作量减小了1/3,差动保护的灵敏度将降低。采用三角型到星型相位补偿方式的差动保护,在变压器内部发生单相接地短路时,使得差动保护的高压侧动作量增大了1/3,从而提高了差动保护的灵敏度。5O0kV超高压系统联络变压器,一般三角形侧无电源或只有小电源。因此,Y形侧相间短路时,三角形侧绕组外没有或只有很小的故障电流。此时,差动保护的差流大小主
35、要由Y侧决定,也就和Y侧的相位补偿方式有关。以A、B相故障为例,Y侧经相位补偿,有下式: (3.4)显然,由于采用星型到三角型相位补偿的差动保护将Y形侧电流做向量差,保护区内相间故障时,差动保护的动作量被放大15%,灵敏度提高了。而采用三角型到星型相位补偿方式的差动保护则不具备这个优点。综上所述,接地短路时,采用三角型到星型相位补偿方式的差动保护灵敏度较高;相间短路时,采用星型到三角型相位补偿方式的差动保护灵敏度较高。3.1.2 提高差动保护的灵敏度三角型到星型相位补偿方式加入变压器中性点零序电流分量补偿后,在变压器外部发生单相接地短路故障时不会产生不平衡电流,而在变压器内部发生单相接地短路时
36、又可以提高变压器差动保护的灵敏度。目前,新型的国产500kV变压器微机保护大多配置了零序差动保护,现场可以根据实际情况自行决定是否启用。但由于负荷电流中没有零序分量,常规零序差动保护电流接线回路的正确性难以检验,以往零序差动保护的正确动作率不高。因此,在实际工程中,零序差动保护大多未使用。500kV系统联络变压器大多为单相式自耦变压器,单相接地故障是变压器内部故障的主要形式。因此,对于采用相位补偿方式的差动保护,为提高单相接地故障的灵敏度,增加反映零序电流的差动保护十分必要。50OkV单相式自耦变压器中性点均安装有分相CT,也不存在电流相位不易测量的问题。差动保护的灵敏性不仅取决于动作电流的选
37、取,还取决于制动电流的选取,纵向比率差动保护的制动电流采用相电流,在重载的情况下发生轻微匝间故障,差动保护的动作区在拐点附近,如图3一5的阴影部分所示,灵敏度较低。图3.5 轻微故障时差动保护动作区为了解决轻微匝间故障的灵敏度,应配置变化量差动保护,变化量差动和纵向比率差动保护的差动电流大小基本一致,但是制动电流却完全不同。变化量差动保护的制动电流小,所以具有更高的灵敏度。通过配置变化量差动保护解决轻微匝间故障的灵敏度。图3.5中:Icd为动作电流,Icd.0为整定的最小动作电流,Izd为差动保护的制动电流,Izd.O为整定的最小制动电流,Izd.l为第二个拐点的制动电流,Imax为区外故障时
38、差动保护最大的制动电流,k为整定的比率制动系数,kl为固定的高比率制动系数。3.2 差动保护的速动性问题比率差动保护需要考虑励磁涌流和区外故障CT饱和的影响,也就是说比率差动保护要经过励磁涌流和CT饱和的闭锁,研究比率差动保护的速动性关键在于研究如何解除该保护的励磁涌流和CT饱和闭锁的问题。以双端系统为例分析变压器发生各种故障时差动保护中动作电流与制动电流的比值关系。 图3.6 双端系统示意图按图3.6所示的方向,在变压器发生故障时,差动保护动作电流与制动电流的比值为: (3.5)变压器内部发生严重故障时A1,空投变压器、空投故障变压器和单侧电源故障时A=1,区外故障和区外故障cT饱和时A1的
39、差动保护速动段,由于A1就可以不考虑励磁涌流和区外故障CT饱和的影响,其动作速度由故障电流和采用的算法决定,采用快速算法，取其典型的动作时间为10m。Icd为动作电流,Icd.0为整定的最小制动电流,Izd为差动保护的制动电流,Icd.h为速动段的最小动作电流,Izd为差动保护的制动电流,Izd.o为整定的最小制动电流,Izd.1为第二个拐点的制动电流,Imax为区外故障时差动保护最大的制动电流,k为整定的比率制动系数,kl为固定的高比率制动系数,Al为过原点的比率差动保护的速动段的制动系数,并且A11。3.3提高保护躲过励磁涌流的能力目前的纵联差动保护躲励磁涌流效果不佳。以往的主变纵联差动保
40、护多数是利用励磁涌流的各种特征量(含有直流分量、波形间断或不对称、含有二次谐波分量)作为制动量或进行制动,来躲过励磁涌流。但由于励磁涌流的特征与很多因素有关,而且有很强的不确定性。因此,以往的纵联差动保护躲励磁涌流的效果都不理想,几乎每一种保护都有在励磁涌流影响下的误动记录。3.3.1改进双重化保护的励磁涌流鉴别方法随着计算机技术的发展,微机型变压器保护越来越多,性能越来越好,使提高变压器保护的运行水平成为可能,对主变压器保护的双重化是其中一个方面。220kV以上主变压器的微机保护必须双重化。目前不同原理的差动保护体现在它的闭锁逻辑不同,即一台装置采用二次谐波制动原理来识别励磁涌流,另一台装置
41、采用波形识别的原理来识别励磁涌流,两台装置的动作逻辑一样。变压器保护采用双重化的目的是防止保护装置由于元器件的损坏造成保护拒动,但如果一台装置由于原理不完善造成保护误动就达不到双重化配置的目的。两种识别励磁涌流的原理都是基于对变压器涌流波形的分析后提出的,从某种程度上说它们都是对励磁涌流的波形的认识,空投变压器时差动保护是否动作完全取决于对励磁涌流的判别。以励磁涌流波形特征为依据的防止变压器空投时差动保护误动措施均不能保证变压器差动保护在空投变压器时100%不误动,将两种励磁涌流鉴别判据简单地配置到不同的装置中,将增加保护误动的几率。如果将励磁涌流识别判据有机地结合起来,构成“励磁涌流综合判别
42、”方式,即利用二次谐波原理、间断角原理、波形对称等原理组成类似“三取一”闭锁方式,保证空投变压器时差动保护可靠不误动。同时利用波形识别原理判断一次电流过零点附近的数据或电压变化的特征来区分是故障还是涌流,保证空投故障变压器时快速开放差动保护。我们应当尽快走出以闭锁逻辑来区别不同原理差动保护的误区,两台装置都应该采用相同的励磁涌流识别判据,没有必要为了采用不同识别励磁涌流原理的差动保护而增加空投变压器时差动保护的误动概率。不同原理的识别励磁涌流判据也增加了差动保护在区外故障切除、线路故障切除再重合闸以及非同期合闸的过程中差动保护误动概率。3.3.2 改进差动保护动作时间目前变压器纵差保护动作时间
43、一味的强调动作的速度,却忽略了变压器纵联差动保护的特殊性,即变压器纵联差动保护的构成原理具有较大的近似性,而部分保护参数具有不确定性。如变压器空载合闸角、变压器铁芯剩磁及工作磁通与饱和磁通的关系等。文献规定,用于计算承受短路耐热能力的电流I持续时间为2s。根据以上变压器制造和设计规范,变压器在内部故障时0.55内能切除,在外部故障时ls内能切除,一般可以保证变压器的安全性。在上述基础上,在将切除一般故障的时间标准缩短一半,所以其动作时间可在现有动作时间的基础上适当延长,整组动作时间延长至15Oms是可行的,这将会大大降低区外故障切除和空载合闸时误动的几率。同时,当区内故障电流较大时,差动速断保
44、护可以迅速跳闸(差流速断整组动作时间30ms)。这样即可快速跳闸切除具有较大差流和破坏性的区内故障,又可以在很大程度上降低区外故障误动的几率。3.3.3改进主保护配置分侧差动保护不受励磁涌流的影响。考虑在现有保护的基础上增加分侧差动保护。但是,由于分侧差动不能保护匝间短路,因此无法完全取代纵联差动保护。如果二者同时投入,又使主保护复杂化。所以,可以设定一个用于纵差保护的“躲避励磁涌流状态”,在变压器空载投入和区外故障切除时,进入该状态,将纵联差动保护增加延时(如200ms),将故障分量差动保护退出,并短时投入分侧差动保护。对于微机保护,实现上述功能只需对软件稍做修改即可,回路基本不需要变动。(
45、l)空载投入的判据大型变压器一般只在高压侧充电。变压器空载投入的状态比较容易判断,可以根据高压侧断路器跳闸位置开入量的变化来判断。如果高压侧三相断路器处于分位,差动保护即进入“躲避励磁涌流状态”。（2）区外故障切除的判据电力系统从故障发生到故障切除需要一定的时间,这个时间主要包括继电保护的整组动作时间和断路器的动作时间,这两个时间之和一般不会小于30ms。为了留有一定的裕度,可以将这个时间取为20ms。为了提高判别区外故障的灵敏度,在差动保护中设置一个差流低值I*。如果高压侧电流突变量启动组件启动(故障发生)后,20ms内差流未达到低值,就可以认为发生了区外故障,即可进入“躲避励磁涌流状态”,直到保护整组复归。（3）分侧差动保护电流的构成对于50OkV普通变压器组,将高、中压绕组的两侧CT分别构成差动保护,中性点端套管CT,绕组高压端取用外附CT。对于500kV自耦式变压器组,由于高中压绕组间有电气联系,因此将高、中压侧外附CT和公共绕组套管CT构成差动保护。这样可以最大限度的扩大分侧差动保护的保护范围。对于低压侧分侧差动保护,如果用