T60变压器差动保护原理分析及整定

作者：河北国华定洲发电厂 张立港

欢迎访问e展厅 展厅 5 变压器/变电设备展厅 电力变压器, 移动变电站, 变电站, 互感器, 电抗器, ... 摘　要：叙述了变压器差动保护动作原理，与国内外采用其它曲线的差动保护的动作特性进行了比较，并对T60保护中的差动保护主要定值进行了整定。 关键词：变压器；差动保护；整定计算；比例差动 Abstract：The working principle of T60 transformer differential protection is described, and is compared with that of other domestic and foreign differential protections with different curves. The main settings of the differential protection in T60 protection are decided. Keywords：transformer；differential protection；setting calculation；ratio differential T60变压器管理继电器是美国GE公司最新型的UR系列保护装置。该保护装置建立在公共平台上，其通用的用户界面、硬件采用的模块化设计、可组合的输入/输出(I/O)结构和快速的网络能力，适用于电站综合自动化。它综合了SR745差动保护、MIF过流保护和MIV电压保护的先进原理、技术和成熟的运行经验，在硬件结构、保护原理、通讯及辅助功能等方面做了较大改进，保护功能更加完善，具有灵活性，可扩展、升级。 1变压器比率差动保护原理 T60变压器管理继电器最基本的保护由谐波制动的双斜率三拐点比例差动保护和差动速断保护组成。保护原理与国内主流差动保护装置除在特性曲线上存在较大的差别外，还有一些自己的特点：根据各侧TA的容量裕度自动选择基本侧，差动电流取两侧电流的向量和，制动电流取两侧电流的最大值；还采用新的涌流的制动方法，在二次谐波的计算方法及基本侧的选取上有较大的改进；为了防止过激磁时保护误动，设置了五次谐波制动。 1.1比率差动保护的特性曲线 从变压器保护原理可知，由于外部故障时变压器差动保护有较大的不平衡电流，保护装置容易误动；同时流出电流对变压器小匝数匝间短路时的保护灵敏度也有影响。采用比率制动的差动保护，既能在外部短路时有可靠的制动作用，又能在内部短路时有较高的灵敏度，但是它对内部短路时流出电流的适应能力较差，对励磁涌流和过激磁也需采取其他特殊措施。 1.1.1单斜率特性曲线 国内传统保护装置的动作特性通常是单斜率特性曲线，对于变压器差动保护，既要考虑由于各种因素产生的不平衡电流，又要求能反映具有流出电流的小匝数内部故障。在选择斜率时应充分考虑TA的饱和特性，使其在发生区外故障有较大的穿越电流时保护装置不误动。根据这个原则整定的曲线，如果发生区内轻微故障，保护装置的灵敏度很低，不能快速反应，甚至造成保护拒动；只有发展为严重故障后，保护才能动作。 由上述分析可知，当外部短路电流较小时，TA的幅值误差还较小，允许选取较小的制动系数。当变压器发生较小的匝间断路时，制动电流中具有穿越性负荷电流，其值不会很大，为了提高内部短路有流出电流时的灵敏度，采用三折线的比率制动特性。第二斜率选择较大值，以确保外部短路电流很大时，保护不误动。其动作特性更符合TA的饱和特性，这样既可以使发生区内轻微故障时，保护装置有较高的灵敏度，也可以使其在发生区外故障有较大的穿越电流时保护装置不误动。但是，这种动作曲线在拐点附近曲线上部的区域是一个误动区。 1.1.2双斜率两拐点特性的曲线 GE公司的SR745保护及其他国外保护中一般采用双斜率两拐点特性的曲线，其动作特性如图1所示。在拐点上直接由第1斜率跳变为第2斜率，这样在拐点附近就容易造成保护拒动或误动。第1斜率的设定主要是考虑区内故障时动作的灵敏性，第1斜率应大于非周期分量引起的TA误差产生的不平衡电流，拐点需大于变压器最大的（正常）运行电流值，该值介于变压器强冷下的最大额定电流和最大非常情况过负荷电流之间，第2斜率段可以防止严重穿越性故障产生大差动电流使TA饱和时装置误动。在较大的穿越电流时铁心容易饱和，TA穿越电流引起的差流特性如图1饱和曲线3所示。在拐点附近的区域称为动作的模糊区，由于TA的特性是缓慢、连续变化的，所以严格来讲拐点左边的1区域为误动区，拐点右边的2区域为拒动区，并且整定计算时不容易找到一个合适的、准确的拐点值。 1.1.3双斜率三拐点特性的曲线 T60保护装置中采用了双斜率三拐点比例差动元件保护，其动作曲线如图2所示。差动电流为两侧电流的向量和，制动电流取两侧电流的最大值。在差动电流Id对制动电流Ires的坐标图上动作特性为曲线ABCDE。采用这种曲线可以很好地防止外部故障时产生的不平衡电流引起的保护误动。第1段AB与Ires轴平行，其纵坐标Iop为保护的最小动作电流，表示无制动状态下的动作电流；第2段BC为斜线，其延长线经过坐标原点0,这样它的斜率就是制动系数，可以保证在区内故障时有较高的灵敏度；第3段DE为斜线，其延长线也经过坐标原点0,可以防止严重穿越性故障产生大差动电流使TA饱和时装置误动；在第2拐点和第3拐点之间的CD段为变换区域，是不定次方函数曲线，继电器自动计算，使曲线在两拐点之间平滑变换，使保护装置的动作特性更接近TA的饱和特性曲线。这样既可以使发生区内轻微故障时保护装置有较高的灵敏度，也可以使其在发生区外故障有较大的穿越电流时保护装置不误动，并且消除了拐点附近的曲线上部的误动和下部的拒动区。 1.2动态励磁涌流二次谐波制动 T60最基本的保护元件为谐波制动的双斜率双拐点比例差动元件，还采用新的涌流制动方法。其二次谐波的计算方法比SR745有较大的改进。 为了防止在变压器空载合闸时产生的励磁涌流引起保护误动，采用了改进型动态的励磁涌流二次谐波制动的方法。以往保护中二次谐波的制动量只与二次谐波的幅值有关系，在T60中综合考虑了二次谐波和基波的大小和相位。因为二次谐波的旋转速度比基波快2倍，二次谐波和基波分量之间的相位差不断变化，因此其制动特性是动态变化的。二次谐波和基波的变化如图3所示。 合成二次谐波比的计算公式为： 在涌流情况下，如果二次谐波跌到＜20%，合成的二次谐波比的相角接近+90°或90°；如果二次谐波比＞20%,相角在90°内，则相角不起作用。即若二次谐波比＞20%,制动有效；否则制动量和延时取决于相角，制动时间受合成的二次谐波比的控制。 1.3比率差动保护增加了检测TA饱和的元件 当在发电机出口近处发生短路时，往往会在故障电流中产生较大的直流分量，或者给升压变压器充电时励磁涌流会非常大且持续时间很长。为了防止保护装置在这些情况下误动，T60装置中比率差动保护增加了检测TA饱和的元件，当检测到TA饱和后装置继续检测中性点侧和机端侧电流的相位，如果判断为区内故障时，则发跳闸令。TA饱和的检测元件按图4中的流程工作。 图4中，SC的判别公式为： 式中，Ires为制动电流；Id为差动电流；S1为第1斜率；B1为第1拐点。 NORMAL是该流程的起始状态，当NORMAL状态时，饱和控制字SAT=0，然后用保护装置运算饱和条件SC来判断TA是否饱和。若在NORMAL状态时SC=1，则表明发生了外部故障，流程进入到区外故障状态，并将SAT置为1。如果差动电流减小到斜率1以下且持续时间超过200 ms，该程序将返回到NORMAL状态；在区外故障时，如果差动保护动作标志字DIF=1，则流程进入到区外故障且TA饱和状态，在该状态下T60将保持SAT置为1，且闭锁保护装置出口；只有DIF返回100 ms，那么该流程返回区外部故障状态，即可有效防止区外故障或升压变压器充电时保护装置误动。 1.4制动电流 其它厂家保护中制动电流一般为各侧电流绝对值和的一半，该保护中取最大侧电流的绝对值。发生区外故障时，动电流大，保护装置不容易误动。多侧电源的变压器，发生区内故障时制动电流大，降低了保护的灵敏度；单侧电源的变压器发生区内故障时，制动电流与动作电流相等，如果要求灵敏系数Ksen≥2，则斜率必须＜0.5。 2整定计算 变压器差动保护由双斜率比例差动保护和差动速断保护组成，作为变压器内部故障的主保护，主要反映变压器油箱内部、套管和引出线的相间和接地短路故障，以及绕组的匝间短路故障。保护自动选择TA容量较小侧为基本侧，整定计算前首先选择基本侧。 2.1最小动作电流 依据DL/T 684-1999《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》（《导则》）5.1.3.3，最小动作电流应大于变压器额定负载时的不平衡电流，即： 式中Krel——可靠系数，一般取1.3～1.5，此处取1.5； Ker——TA比误差，选用的TA为5P级， 取0.01×2； Δμ——变压器调压引起的误差，取调压范围中偏离额定值的最大值。取2×2.5%=0.05； Δm——TA变比未匹配产生的误差，由于用软件平衡，取0。 在工程实用整定计算中可选取Iop.min=（0.2～0.5）Ie/nTA。一般工程宜采用≥0.3Ie/nTA，因此取最小启动电流为0.3倍变压器额定电流。 2.2斜率1 根据T60说明书，斜率1应大于非周期分量引起的TA误差产生的不平衡电流。 式中Kap——非周期分量系数，两侧同为P级TA取1.5～2.0，取2.0； Kcc——同型系数，Kcc=1.0； Ker——比误差，取0.1。 又依据《导则》，制动电流小于0.8～1.0倍额定电流时，差动保护不必具有制动特性。因此取斜率1为30%时，拐点1为1.0。 2.3拐点2 根据T60说明书5.5.4，拐点2应小于由于直流分量和剩磁引起TA饱和的电流值。为使变压器绕组内部故障获得较高的灵敏度，希望当制动电流小于2.5～3倍变压器额定电流时，制动量不要增加太快；另外由于拟合曲线起始部分变化较慢，接近第1斜率，因此取最小值2.5倍变压器额定电流为拐点2的电流。 2.4拐点3 根据T60说明书，拐点3是第2斜率的起点，应小于仅由交流分量引起TA饱和的电流值。因保护用TA为5P20，20倍额定电流时误差不超过5%，为使绕组内部短路获得较高的灵敏度，区外故障有足够的制动电流，因此取5倍变压器额定电流为拐点3对应的电流值。 2.5斜率2 根据T60说明书，斜率2应大于最严重外部故障（即一侧TA饱和，另一侧未饱和）情况下产生的斜率，此值可高达95%～98%。 考虑电厂实际情况，如最大外部短路电流未达到低压侧TA额定电流饱和区，可依据《导则》5.1.3.3的第2种整定方法： 考虑与斜率1配合，斜率2取60%。 2.6比例差动元件灵敏度校验 纵差保护的灵敏系数按最小运行方式下变压器负荷侧区内两相金属性短路考虑，这时只有系统提供的短路电流I1。差动电流Id为两侧电流的向量和的绝对值，制动电流Ires取最大侧电流的绝对值。 根据制动电流Ires，利用保护装置的调试软件在自动生成的动作特性曲线上查得对应的动作电流 3总结 美国GE公司UR系列保护装置原理较完善，考虑周到，其动作特性曲线可更好地与TA饱和特性相匹配，能同时满足保护装置的可靠性和灵敏性，采用了动态励磁涌流二次谐波制动方法，增加了检测TA饱和的元件。与国产保护相比，不足之处是未考虑TA回路断线闭锁差动保护功能；因制动电流采用了最大侧电流，内部故障时灵敏度降低。 参考文献 ［1］王维俭，侯炳蕴.大机组继电保护理论基础［M］.北京：水利电力出版社，1989. ［2］王维俭.电气主设备继电保护原理及应用（第2版）［M］.北京：中国电力出版社，2002. ［3］DL/T 6841999,大型发电机变压器继电保护整定计算导则［S］.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/19/2005)