導語：變壓器保護設計分析論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：介紹了大型高壓、超高壓變壓器保護設計中的若干技術問題，對大型高壓、超高壓變壓器保護設計中一些技術問題的解決方法給出了較詳細的說明和探討。采用零序補償方式校正電流量對變壓器勵磁涌流的識別有利，且可提高其對接地故障的靈敏度；故障分量差動保護提高了其對匝間短路和高阻接地故障等輕微故障的靈敏度；附加穩定特性區方法解決了TA飽和對差動保護的影響問題；采用電流和電壓量的綜合判別來識別TA二次回路斷線和短路故障；采用整定N組定值擬合過激磁曲線方式解決過激磁保護的工程適應問題。

關鍵詞：勵磁涌流；零序電流補償；故障分量；斷線或短路；過激磁

中圖分類號：TM

0引言

電力變壓器是發電廠和變電站的主要電氣設備之一，對電力系統的安全穩定運行至關重要，尤其是大型高壓、超高壓電力變壓器造價昂貴、運行責任重大。一旦發生故障遭到損壞，其檢修難度大、時間長，要造成很大的經濟損失；另外，發生故障后突然切除變壓器也會對電力系統造成或大或小的擾動。因此，它對繼電保護的要求很高。

對大型高壓、超高壓電力變壓器的保護設計，一般要求解決以下一些技術問題。

（1）快速準確的區分出變壓器的勵磁涌流和各種故障情況，區內故障和區外故障；

（2）迅速準確的識別出變壓器過勵磁情況，解決對變壓器保護的影響；

（3）提高變壓器在帶負荷運行情況下發生輕微匝間短路和高阻接地故障時保護的靈敏度；

（4）解決電流互感器TA二次電路斷線或短路時對變壓器差動保護的影響；

（5）消除TA飽和時對變壓器差動保護的影響；

（6）解決和應涌流對變壓器保護的影響；

（7）提高變壓器過激磁保護對各種變壓器過勵磁倍數曲線的適應性等等。

隨著繼電保護技術、電子技術、通信技術等方面的不斷發展，為在變壓器保護設計中解決這些技術問題提供了可能。特別是現在大量采用的微機型變壓器保護裝置，在越來越好的計算機硬件平臺的基礎上，具有了更加強大的數據處理、數據記憶、計算、邏輯判斷等軟件功能，因此，可以很好地處理和解決變壓器保護中的這些技術問題。下面根據在變壓器保護方面進行研究、設計和應用的體會，對其中幾個技術問題的解決方法作簡要的探討。

1提高勵磁涌流和故障情況的識別

變壓器差動保護中一個很重要的技術問題就是防止變壓器勵磁涌流引起差動保護的誤動。同時，當在保護區內發生各種故障時能夠迅速動作切除故障，以保證變壓器可靠、安全運行。

提高勵磁涌流識別的一個很重要的環節就是對輸入保護中電流量匹配方法的處理。在電力變壓器中有電流流過時，通過變壓器各側TA的二次電流不會正好完全平衡。因此，變壓器差動保護系統設計時必須考慮這些因素，只有使得經過各側的電流合理匹配，才能進行比較。

一般情況下，微機型變壓器差動保護裝置可以采用數學表達式來模擬變壓器各側電流的匹配情況。其通常的編程系數矩陣數學表達式[3]為：

[IOUT]=Kn·[A]·[IIN](1)

式中，[IOUT]為匹配后的該側電流Ia、Ib、Ic的矩陣；

Kn為該側變比平衡系數；[A]為該側相位平衡系數的矩陣；[IIN]為該側輸入電流IA、IB、IC的矩陣。

如果采用零序電流補償方式，其通常的編程系數矩陣數學表達式[3]為：

[IOUT]=Kn·[A]·[IIN]+K0·[I0](2)

式中，[I0]為該側中性點零序電流的矩陣；K0為該側零序變比平衡系數。

例如，對于圖1所示的變壓器接線情況，如果設定輸入微機型變壓器差動保護裝置的變壓器主一次和主二次電流的各側電流互感器均為星形接法，且同名端均在變壓器的外側，那么保護裝置中電流互感器聯接組的變比匹配和相位修正方式可以采用如下兩種方式：

IA1IA2

圖1Y0/△-11接線變壓器

方式一，按照式(1)確定的各側編程矩陣方程為：

（3）

(4)

顯然，這種匹配方法消除了變壓器Y0接線側零序電流的影響，這將使該側變壓器的接地故障靈敏度受到了一定的影響；另外，更重要的一點是使得該側不同相電流之間互相有影響，從而破壞了它本身的原始特征，因此，對保留變壓器勵磁涌流的原始特征不利，可能會產生對稱性涌流使得對勵磁涌流的識別不利。

方式二，同樣針對圖1，采用零序電流補償方式匹配變壓器Y0接線側的電流，各側編程矩陣方程按照式(2)和式(1)確定為：

(5)

(6)

可以看出,采用零序電流補償的方式,使得變壓器Y0接線側的零序分量得到了保留，這對該側的接地故障靈敏度更好些；更重要的是，由于對變壓器一次側電流互感器輸入的電流沒有相關合成，所以對變壓器產生的勵磁涌流的原始特征保留情況完整，對識別勵磁涌流有利。因此，采用此種匹配方法可以更好的識別變壓器的勵磁涌流。

采用通常方式的匹配方法，如果涌流判據采用最大相制動，那么故障相將受非故障相電流的影響，因此，在變壓器空投到故障時將延緩保護動作的時間，對變壓器安全不利；如果涌流判據采用故障相制動，那么在變壓器空投時容易誤動。然而，采用零序電流補償方式的匹配方法，當變壓器空投到故障上時，故障相的電流為故障特征，非故障相的電流為涌流特征，勵磁涌流判據采用分相制動方式，可以明確區分勵磁涌流和故障特征，非故障相不會延緩故障相的動作速度，提高了保護對勵磁涌流和故障的識別。

2提高對匝間短路及高阻接地故障的靈敏度

為了更好的保證變壓器的安全運行，能夠可靠、安全地判別出變壓器所發生的輕微匝間短路和高阻接地故障等輕微故障，對提高變壓器安全運行水平有著重要的意義。采用故障分量差動保護是解決這一問題的有效方法。故障分量差動保護采用判別任一相差流是否滿足動作判據而動作的方法。該保護的動作特性曲線見圖2。

圖2故障分量差動保護動作特性

該保護動作判據的計算公式為：

(7)

式中，ΔId87為最小門檻值；K1、K2為比率制動系數；ΔIGD為拐點電流值；ΔIr為制動電流的故障分量；ΔId為差動電流的故障分量。

由于負荷電流在差動電流和制動電流中均被消除了，所以與故障前的負荷情況無關。尤其是在制動電流方面的好處提高了差動保護的靈敏度。根據平衡相似網絡[1]的概念，故障分量差動保護的動作性能理論上與故障電阻無關，或者說可以在較大的故障電阻下動作（靈敏度高）。因此，故障分量差動保護對變壓器發生輕微匝間短路和高阻接地故障時的靈敏度要比通常的保護高得多。

3對電流互感器飽和的識別

目前，一方面對于TA的選型已經考慮或注意到了其暫態飽和的問題，如在高壓系統或大型發電機變壓器組保護普遍設計采用TPY級電流互感器，以及選用帶小氣隙的PR級電流互感器等；另一方面要求保護裝置本身具有一定的抗TA飽和的能力，特別是抗暫態飽和的能力。對保護裝置采用的判別方法主要是利用TA飽和后的電流特征確定。下面介紹一種在變壓器差動保護中所選用的抗TA飽和的附加穩定特性區判別法[3]。

首先，發生在被保護變壓器區內的短路故障所引起的TA飽和是不易用差動電流和制動電流的比值區分的。這是因為差動電流和制動電流的測量值都會受到影響，而且它們的比值立即就會滿足保護動作條件。這時，比率差動保護的動作特性還是有效的，故障特征滿足比率差動保護的動作條件。

其次，對發生在被保護變壓器區外的故障，它產生的較大的穿越性短路電流（特別是其中的非周期分量）引起的TA飽和會產生很大的虛假差動電流，這在各個測量點的TA飽和情況不同時更為嚴重。如果由此產生的量值引發的工作點落在了比率差動保護的動作特性區內，而且不采取任何穩定比率差動保護的措施，比率差動保護將會誤動作。但是，實際情況是TA并不是在故障一開始就發生飽和，而是在故障發生后經過一段時間，其鐵心的磁通達到它的飽和密度后才開始的。這樣，TA從故障起始到開始飽和時總會有一段時間還能夠線性變換電流量，不會立即產生飽和[2]。因此，按照基爾霍夫電流定律計算變壓器各側的電流量得到的差動電流，在開始的短時間內基本平衡，僅會產生較小的不平衡電流，待TA飽和后才會產生較大的差動電流，引起變壓器差動保護誤動。

針對上述情況，變壓器差動保護可以設一個TA飽和時的附加穩定特性區，它能夠區分出這種變壓器區內、外故障情況，其工作特性見圖3。

圖3差動保護動作特性

對發生在被保護變壓器區外的故障引起的TA飽和，利用故障發生的最初的短時間內，可以通過高值的初始制動電流（ITA）檢測出來，此制動電流會將工作點短暫的移至附加穩定特性區內。反之，當變壓器區內故障時，由于差動電流很大，其與制動電流的比值引發的工作點會立即進入比率差動保護的動作特性區內。因此，保護通過測量的電流量值引發的工作點是否在附加穩定特性區內，在短時間內由此判別作出決定。一旦檢查出是由外部故障引起的TA飽和，可以選擇自動閉鎖比率差動保護，并在整定時間TTA內一直有效閉鎖比率差動保護，直到整定的時間到時才解除閉鎖。檢查出變壓器區外故障引起TA飽和的判據公式為：

Iz≥ITA

Id≤KB1/2·Iz（8）

t≤TTA

式中，ITA為檢查TA飽和制動電流門檻值；TTA為TA飽和閉鎖時間。

在外部故障引起TA飽和閉鎖比率差動保護期間，如果在變壓器保護區內也發生了故障，其引發的工作點穩定、連續的2個周期工作在高定值的動作區內，那么TA飽和閉鎖會被立即解除，使被保護變壓器發展中的故障能夠迅速切除。

隨著傳感器技術的發展，將有助于解決電流互感器的飽和問題。目前國外已經刊載過有關光儀用互感器（OCT、OVT）的應用報道[4]。我國對這項傳感器技術也投入了大量的資金、人力進行研究和開發。2001年12月初，由中國電機工程學會繼電保護專業委員會在北京召開的主設備保護學術研討會上，有專家作了《光電流互感器及其在繼電保護（國內外）中的應用》的專題報告，在這一領域已經取得了可喜的進展，可以預計在不遠的將來這一革命性的成果必將得到應用。

4電流互感器二次電路斷線或短路時的對策

歷來，微機型變壓器差動保護對判別其TA二次電路的斷線或短路故障比較困難。原因是單純通過本身的電流量去判斷接線比較復雜的TA二次電路中多種多樣的斷線和短路故障，很難與各種各樣的系統異常或故障情況區分，因此很多微機型變壓器差動保護都只是配有簡單的TA二次電路斷線判別元件。針對這種情況，介紹一種由電流量和電壓量共同判別TA二次電路斷線或短路的判別原理，它特別適合于主后備一體化方式的微機型變壓器保護裝置。變壓器差動保護的差流異常報警和TA二次電路斷線或短路判據有：

（1）差流異常告警。當任何一相差流的有效值大于告警門檻值，而且連續滿足該動作條件的時間超過10s時，保護裝置發出差流異常告警信號，但是不閉鎖比率差動保護。該項功能兼有TA二次電路斷線或短路、采樣通道異常（器件損壞或特性改變等）、外部接線回路不正常等情況的綜合告警作用。

（2）瞬時TA斷線或短路告警。該判據在保護啟動后滿足以下任一條件時開放比率差動保護。a任一側任一相的電壓元件有突變啟動；b任一側負序電壓大于門檻值；c啟動后任一側的任一相電流比啟動前增大；d啟動后最大相電流大于1.2Ie。

如果上述排除系統故障或擾動的判據不滿足，而差動電流的工作點滿足公式（9）時，那么保護判別為TA二次電路斷線或短路故障，而不認為發生了變壓器內部短路故障。

Id≥Idset

Id≥k·Iz（9）

式中，Idset為檢查斷線或短路差動電流門檻值；k為檢查斷線或短路的比率系數。

由于以上判據選擇了電流量和電壓量綜合判別，所以對TA二次電路的各種斷線或短路情況都能夠很好地判別出來。因此，不僅全面增加了電流互感器二次電路故障情況的判別類型范圍，而且對其二次電路的各種各樣的斷線或短路情況判別得更準確、更可靠、更全面。當然，為了滿足不同客戶的要求，該判據可以有不同的選擇策略。

5過激磁保護的設計

大型變壓器的過激磁保護配置在變壓器的高壓側或中壓側，以避免由于電壓升高或系統頻率降低造成變壓器過激磁引起變壓器嚴重過熱損壞而危及設備、系統和保護裝置的安全運行。大型變壓器的過激磁能力變化較大，各國給出的變壓器耐受過激磁能力的過激磁倍數曲線差別較大。為了更好的利用變壓器本身的耐受過激磁的能力，避免過早或過晚切出變壓器，需要開發一種變壓器反時限過激磁保護。

對于變壓器的過激磁情況，比較典型的過激磁倍數曲線是德國標準VDE-0532/8.64、GE公司和西屋公司等采用的幾種曲線。如何采用恰當的函數來模擬選擇的變壓器過激磁倍數曲線是一件不容易的事情。目前廣泛為各國采用的是ABB公司提出的變壓器過激磁反時限保護動作判據。但是該動作判據在實際運行中與被保護變壓器的過激磁能力匹配得不理想。

由此可知，采用確定的函數公式來等價實際變壓器的過激磁能力有匹配不夠理想的缺陷[1]，而且由于不同變壓器的過激磁能力差異較大，因此，采用固定公式的動作判據不能很好滿足實際工程的需要。

針對這種情況，介紹一種曲線擬合式的反時限過激磁保護動作判據，即按照被保護變壓器的實際過激磁能力曲線確定N個點的對應數值，通過這N個點的數值作為保護的整定值輸入保護裝置來線性擬合被保護變壓器的實際過激磁能力曲線。由于過激磁對變壓器造成的危害主要是使變壓器局部過熱，因此采用“發熱累積有效值概念”的方法更符合變壓器過激磁的實際情況。求過激磁倍數n的計算公式為

（10）

式中，n(t)為過激磁倍數測量值隨時間變化的函數；

T為過激磁開始到計算時刻的時間。

該動作判據可適應不同的變壓器，且與實際工作情況匹配的比較理想。

6結束語

通過對變壓器保護設計中幾個技術問題較詳細的分析和探討表明，這些問題對變壓器保護的正確工作影響重大，如果不能夠很好的解決這些問題，就會直接影響變壓器保護的性能，甚至會造成變壓器保護的誤動或拒動。針對這些問題所給出相應的較詳細的解決方法有：采用零序補償方式校正電流量；采用故障分量差動保護提高對輕微故障的靈敏度；附加穩定特性區方法解決了TA飽和對差動保護的影響問題；采用電流量和電壓量的綜合判別來識別TA二次回路斷線和短路故障；采用任意整定N組定值擬合過激磁曲線方式解決過激磁保護的工程適應問題。通過這些解決方法可以保證和提高變壓器保護的可靠工作和安全運行。

參考文獻：

[1]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用.北京：中國電力出版社，1998

[2]王梅義.電網繼電保護應用.北京：中國電力出版社,1998

[3]西門子變壓器保護7UT512/513產品技術說明書

[4]李宏任.實用繼電保護.北京：機械工業出版社,2002

Discussionofsolutionofseveralquestionsofdesigninthepowertransformerprotection

Abstract:Theseveraltechnologyquestionsofthedesignabouthighvoltageandultra-highvoltagelargepowertransformerprotectionisintroduced.Thepaperdescribesthesolutionanddiscussionaboutthemindetail.Adoptzerosequencecurrentcompensationtorevisethecurrentsisavailforidentifyingmagnetizinginrushcurrentandimprovesensitivityoftheearth-fault;Thefaultmemberdifferentialrelayimprovesensitivityoftheinterturnfaultandhighresistanceearth-faultaboutlightfaults;TheproblemofinfluenceofCTsaturationtodifferentialrelayissolvedbyareaofcharacteristicofadditionalstabilization;AdoptintegratedistinguishofcurrentandvoltageidentifythebreakorshortofsecondarycircuitofCT;AdoptsettingNgroupsetstoimitatecurveofoverexcitationsolvetheproblemofadaptforengineering.

Keywords:magnetizinginrushcurrent;zerosequencecurrentcompensation;faultmember;breakorshort;overexcitation