变压器差动保护比率制动特性

变压器差动保护比率制动特性

一、比率制动差动元件基本原理

经过相位校正和幅值校正处理后差动保护的动作原理可以按相比较，可以用无转角、变比等于1的变压器来理解。以图6-10 说明比率制动的微机差动保护的原理。

比率制动的差动保护是分相设置的，所以双绕组变压器可取单相来说明其原理。如果以流入变压器的电流方向为正方向，则差动电流为I_d=|Ì₁+Ì₂|。

为了使区外故障时制动作用最大，区内故障时制动作用最小或能等于零，用最简单的方法构成制动电流，就可采用Ires=|Ì₁+Ì₂|/2。

假设Ì₁、Ì₂已经过软件的相位变换和电流补偿，则区外故障时Ì₂=-Ì₁这时，I_res达到最大，I_d为最小。

但是，由于电流互感器特性不同（或电流互感器饱和）及有载调压使变压器的变比发生变化等会产生不平衡电流I_unb另外内部的电流算法补偿也存在一定误差，在正常运行时仍然有小量的不平衡电流。所以正常运行时I_d的值等于这两者之和。区内故障时，I_d达到最大，I_res为最小，I_res一般不为零，也就是说区内故障时仍然带有制动量，即使这样，保护的灵敏度仍然很高。不过实际的微机差动保护装置制动量的选取有不同的做法，关键是应在灵敏度和可靠性之间做一个最合适的选择。

以I_d为纵轴，I_res为横轴，比率制动的差动保护的特性曲线如图6-11所示，图中的纵轴表示差动电流，横轴表示制动电流，a、b线段表示差动保护的动作整定值，这就是说a、b线段的上方为动作区，a、b线段的下方为非动作区。另外a、b线段的交点通常称为拐点。c线段表示区内短路时的差动电流I_d。d线段表示区外短路时的差动电流I_d。 比率制动的微机差动保护的动作原理为∶由于正常运行时I仍然有小量的不平衡电流I_unb.n，所以差动保护的动作电流必须大于这个不平衡电流。

I_op.min＞I_unb.n

这个值用特性曲线的a段表示;当外部发生短路故障时，I_d和I_res随着短路电流的增大而增大，如特性曲线的d线段所示，为了防止差动保护误动作，差动保护的动作电流I_op必须随着短路电流的增大而增大，并且必须大于外部短路时的I_d，特性曲线的斜线b线段表示的就是这个作用的动作电流变化值。当内部发生短路故障时，差动电流I_d的变化如c线段所示。一般来说，微机差动保护的比率制动特性曲线都是可整定的，I_op.min按正常运行时的最大不平衡电流确定，b线段的斜率和与横轴的交点根据所需的灵敏度进行设定。

二、两折线比率制动特性

1.差动元件的动作方程

微机型变压器差动保护中，差动元件的动作特性最基本的是采用具有两段折线形的动作特性曲线，如图6-12所示。

在图6-12 中，I_op.min为差动元件起始动作电流幅值，也称为最小动作电流；I_res.min为最小制动电流，又称为拐点电流（一般取0.5～1.0I_2N，I_2N为变压器计算侧电流互感器二次额定计算电流）；K=tanα为制动段的斜率。微机型变压器差动保护的差动元件采用分相差动，其比率制动特性可表示为

I_d ≥I_po.min （I_res.min≤I_res.min）

I_d ≥I_po.min＋K(IsIsnina)(Irs>Iesnin

式中∶I_d为差动电流的幅值；I_res为制动电流幅值。

也可用制动系数K，来表示制动特性。令K_res=I_d/I_res则可得到K_res与斜率K的关系式为

可以看出，K_res随I_res的大小不同有所变化，而斜率K是不变的。通常用最大制动电流I_res.max对应的最大制动系数K_res.max。

2.差动电流的取得

变压器差动保护的差动电流，取各侧差动电流互感器（TA）二次电流相量和的绝对值。对于双绕组变压器有(6-14)

I_d=|Ì_h+Ì₁|

对于三绕组变压器或引入三侧电流的变压器有

I_d=|Ì_h+Ì_m+Ì₁|

式中∶Ì_h、Ì_m、Ì₁分别为变压器高、中、低压侧TA的二次电流。

3.制动电流的取得

在微机继电保护中，变压器制动电流的取得方法比较灵活。对于双绕组变压器，国内微机继电保护有以下几种取得方式。

（1）制动电流为高、低压侧TA二次电流相量差的1/2，即

I_res=|Ì_h—Ì₁|/2

（2）制动电流为高、低压侧TA二次电流幅值和的1/2，即

I_res=(|Ì_h|+|Ì₁|)/2

（3）制动电流为高、低压侧TA二次电流幅值的最大值，即

I_res= max{ |Ì_h|,|Ì1|}

（4）制动电流为动作电流幅值与高、低压侧TA二次电流幅值之差的1/2，即

I_res=(|Ì_d-|Ì_h|-|Ì1|)/2

（5）制动电流为低压侧 TA二次电流的幅值，即

I_res=|Ì_1|

对于三绕组变压器，国内微机继电保护有以下取得方式。（1）制动电流为高、中、低压侧TA二次电流幅值和的1/2，即

I_res=（|Ì_h|+|Ì_m|+丨Ì₁丨）/2

（2）制动电流为高、中、低压侧TA二次电流幅值的最大值，即

I_res= max{|Ì_h|,|Ì_m|,|Ì1|}

（3）制动电流为动作电流幅值与高、中、低压侧TA二次电流幅值之差的1/2，即

I_res=(|Ì_op|-|Ì_hl-|Ì_m|-|Ì₁|)/2

（4）制动电流为中、低压侧TA二次电流的幅值的最大值，即

I_res= max{|Ì_m|,|Ì₁|}

注意，无论是双绕组变压器还是三绕组变压器，电流都要折算到同一侧进行计算和比较。

三、三折线比率制动特性

如图6-13所示为三折线比率制动差动保护特性曲线，有两个拐点电流Ir_es1和I_res2，通常I_res1，固定为0.5I_2N。比率制动特性为三个直线段组成，制动特性可表示为

I_d >I_op.min       (Ires≤I_res1)

I_d >I_op.mn十K₁（I_res-I_res1）   (I_res1＜I_res≤I_res2) 

I_d>I_op.min+K₁(I_res2-I_res1)+K₂(I_res-I_res2)

式中∶K₁ 、K₂分别是两个制动段的斜率。

此种制动特性通常应用于降压变压器纵差动保护中，此时I_res1固定为0.5I_2N或（0.3～0.75）I_2N可调，I_res2固定为3I_2N公或（0.5～3）I_2N可调，K₂固定为1。这种比率制动特性容易满足灵敏度的要求，也适用于升压变压器纵差动保护中。

四、工频变化量比率制动特性

由于负载电流总是穿越性质的，因此变压器内部短路故障时负载电流总起制动作用。为提高灵敏度，特别是匝间短路故障时的灵敏度，应将负载电流扣除，从而纵差动保护可采用故障分量比率制动特性，即工频变化量比率制动特性，如图6-14所示为相应的动作特性曲线。其中△I_op.min固定为0.2I_2N，特性段斜率K₁固定为0.6，特性斜率K₂固定为0.75，于是制动特性可表示为

△I_d>1.25△I_d.T+0.2I_n 

△I_d>0.6△I_{res          (△Ires}≤2I_n)

△I_d>-0.3I_n+0.75△I_{res    (△Ires}>2I_n)

其中

△I_d=|△Ì₁+△Ì₂+△Ì₃十△Ì₄|

△I_res= max{|△Ì_φ1|+|△Ì_φ2|+|△Ì_φ3|十|△Ì_φ1|}

式中∶△Ì₁、△Ì₂、△Ì₃、△Ì₄为变压器各侧流入的故障分量电流;△Ì_φ1、△Ì_φ2、△Ì_φ3、△Ì_φ4为相电流。

式（6-26e）中的max只是取三相（φ）中电流最大值，故障分量电流（突变量电流）的计算见第二章第二节；△_d.T是差动电流的浮动门槛。由于引入了浮动门槛，系统振荡和频率偏差情况下，保护不会发生误动作。

工频变化量比率差动保护按相判别，实行最大相的△I_res制动，动作后需经励磁涌流判据闭锁和 5次谐波过励磁判据闭锁才能出口。

两折线、三折线比率制动特性的斜率一经设定就不再发生变化。因此，有些变压器比率制动特性采用变斜率制动特性。变斜率制动特性的斜率是不固定的，随I_res发生变化。由于变斜率制动特性能较好地与不平衡电流特性配合，因此躲外部故障的不平衡电流能力较强，同时使内部短路故障时有高的灵敏度。变斜率制动特性可应用在发电机、发电机变压器组、变压器的纵差动保护中，可参见相关文献。

五、差动速断保护

一般情况下，比率制动的微机差动保护作为变压器的主保护已足够了，但是在严重内部短路故障时，短路电流很大的情况下，电流互感器将会严重饱和而使交流暂态传变严重恶化，电流互感器的二次侧在电流互感器严重饱和时基波为零，高次谐波分量增大，比率制动的微机差动保护将无法反映区内短路故障，从而影响了比率制动的微机差动保护正确动作。

因此，微机差动保护都配有差动速断保护。差动速断保护是差动电流过电流瞬时速断保护。也就是说，差动速断保护没有制动量，它的动作一般在半个周期内实现，而决定动作的测量过程在1/4周期内完成，这时电流互感器还未严重饱和，能实现快速正确地切除故障。差动速断的整定值以躲过最大不平衡电流和励磁涌流来整定，这样在正常操作和稳态运行时差动速断保护可靠不动作。根据有关文献的计算和工程经验，差动速断的整定值一般不小于变压器额定电流的6倍，如果灵敏度够的话，整定值取不小于变压器额定电流的7～9倍较好。

另外需要说明，目前，微机型变压器差动保护装置常常还设启动元件。保护启动方式主要有以下三种∶

（1）不采用专用启动元件。

（2）采用相电流突变量启动。

（3）采用差流越限或零序电流越限。

六、变压器比率制动差动保护的整定计算

1.区外短路故障时差动回路中的最大不平衡电流

区外短路故障时差动回路中的不平衡电流与通过变压器的故障电流有关，由三部分组成。

虽然纵差动保护中采用了电流平衡调整措施，但因数字运算调整不是连续的，故存在不平衡电流。当然这部分不平衡电流是很小的，通常仍可取△m=5%。

调压变压器调压抽头改变时，也会引起不平衡电流。不平衡电流等于偏离额定电压最大调压百分数，如调压抽头为±8×1.25%时，则ΔU=10%。

电流互感器的相角误差和变比误差，同样会形成不平衡电流。电流互感器的综合（或复合）误差用K_er表示。区外短路故障时差动回路中的最大不平衡电流I_unb.max。可表示为

I_unb.max=(K_ccK_apK_er+ΔU+Δm)I_K.max/n_TA

式中∶△m为由于微机继电保护电流平衡调整不连续引起的不平衡电流系数，实际△m很小，可忽略不计，为保证可靠性，仍沿用常规取值△mz=0.05;ΔU为偏离额定电压最大的调压百分值;K_ap为非周期分量系数，可取1.5～2.0;K_cc为电流互感器的同型系数，型号相同时取0.5，不同时取1;K_er为电流互感器综合误差，取10%。

2.两折线比率制动特性参数整定

及比率制动特性如图6-12中的折线所示，需确定的参数是I_op.min、I_res.min、K，但通常整定的参数是I_op.min、K_res注意K_res随I_res变化而变化。对于I_res.min值，大多装置内部固定，但可以进行调整。

（1）确定最小动作电流。I_op.min应躲过外部短路故障切除时差动回路的不平衡电流，即

I_op.min=K_re1I_unb.loa

式中∶K_re1为可靠系数，取1.2～1.5，对双绕组变压器取1.2～1.3，对三绕组变压器取1.4~1.5，对谐波较为严重的场合还应适当增大。

（2）确定拐点电流。可取I_res.min=0.8I_n。

（3）确定比率制动斜率K。按躲过区外短路故障时差动回路最大不平衡电流整定，得到

式中∶K_re1为可靠系数，取1.3～1.5;I_unb.max为最大不平衡电流;I_res.min为最大制动电流;其他参数同前。

也可以用最大制动系数K_res.max表示制动特性，则

K_res.max=K_re1(K_ccK_apK_er+ΔU+Δ_m)

注意，K_res.max通常不等于斜率K，从而可确定I_op.max= K_res.max*I_K.max/n_TA

3.内部故障灵敏度校验

在最小运行方式下计算保护区内（指变压器引出线上）两相金属性短路故障时折算到基本侧的最小短路电流I_K.min（等于I₁+I₂）和相对应的制动电流I_res，一般I_res等于（I₁—I₂）/2。根据制动电流的大小在相应制动特性曲线上求得相应的动作电流 I_op。于是灵敏系数K_sen为

Ksen=I_K.min/I_op

要求Ksen≥2.0。

应当指出，对于单侧电源变压器，内部短路故障时式（6-18）的制动电流是式（6-17）制动电流的两倍，因此在这种情况下式（6-18）制动电流方式有较高的灵敏度。

4.谐波制动比整定

差动回路中二次谐波电流与基波电流的比值一般整定为15%～20%，见第四节。

5.差动电流速断保护定值

差动电流速断保护定值应躲过变压器初始励磁涌流和外部短路故障时的最大不平衡电流，表示式为

I_op>K_μI_n

I_op>K_re1I_unb.max 

式中∶K_re1为可靠系数，取1.3～1.5;K_μ为励磁涌流的整定倍数，视变压器容量和系统电抗大小而定，一般变压器容量在6.3MVA 及以下，K_μ=7～12;6.3～31.5MVA，K_μ=4.5～7;40~120MVA，K_μ=3～6;120MVA 及以上，K_μ=2～5。当变压器容量越大、系统电抗越大时，K_μ值应取低值。动作电流取两式中大者。

对于差动电流速断保护，正常运行方式下变压器区内两相短路故障时，要求K_sen≥1.2。