變壓器差動保護(hù)中電流互感器TA及其聯(lián)接組的若干問題探討

1、醫(yī)院創(chuàng)建文明單位工作匯報加強(qiáng)醫(yī)院精神文明建設(shè)促進(jìn)醫(yī)院全面發(fā)：本文闡述了變 壓器差動保護(hù)中電流互感器ta及其聯(lián)接組的若干技術(shù)問題 的重要性。對這些問題給出了所采用的解決方法：利用數(shù)學(xué) 方法解決t a聯(lián)接組的匹配；針對t a飽和的附加穩(wěn)定區(qū)判別 法；電流電壓量綜合判別法識別t a二次電路斷線或短路問題 加強(qiáng)保護(hù)的人機(jī)接口功能避免ta的相序、極性和接地問題。關(guān)鍵詞：電流互感器ta; ta聯(lián)接組；ta飽和；斷線或短路1 引言電力變壓器是發(fā)電廠和變電站的主要電氣設(shè)備之一，對 電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，尤其是大型高壓、超高 壓電力變壓器造價昂貴、運行責(zé)任重大。一旦發(fā)生故障遭到 損壞，其檢修難度大、時

2、間長，要造成很大的經(jīng)濟(jì)損失；另 外，發(fā)生故障后突然切除變壓器也會對電力系統(tǒng)造成或大或 小的擾動。因此，對繼電保護(hù)的要求很高。作為電力變壓器的主保護(hù)之一的變壓器差動保護(hù)歷來 得到廣大保護(hù)同行們的重視，對其主要保護(hù)原理的研究已經(jīng) 相當(dāng)有成果。但是對于其電流互感器ta及其聯(lián)接組的若干問 題尚留有進(jìn)一步探討的余地，如：1) .變壓器各側(cè)電流互感器ta聯(lián)接組的變比匹配和相位修正2) .電流互感器ta飽和時的對策3) .電流互感器t a二次電路斷線或短路時的對策4) .電流互感器ta的相序、極性和接地問題等這些問題處理的不好也會直接影響變壓器差動保護(hù)的 可靠工作，降低保護(hù)性能。特別是現(xiàn)在大量采用的微機(jī)型變

3、 壓器差動保護(hù)，由于具有了更加強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、計算、邏 輯判斷等軟件功能，更應(yīng)該很好處理和解決這些問題。本文 針對這些問題并通過長期在變壓器保護(hù)方面的研究、設(shè)計和 應(yīng)用中的體會，對變壓器差動保護(hù)中變壓器各側(cè)電流互感器 ta及其聯(lián)接組的若干問題專門作了探討。電流互感器ta聯(lián)接組的變比匹配和相位修正一般來說，在電力變壓器中有電流流過時，通過變壓器 各側(cè)電流互感器ta的二次電流不會正好完全平衡，這是由 于變壓器的變比和接線組別以及變壓器各側(cè)的電流互感器 ta的變比和接線等情況有關(guān)。因此，變壓器差動保護(hù)系統(tǒng)設(shè) 計時必須考慮下列各項因素，使得經(jīng)過合理匹配的各側(cè)電流 才能進(jìn)行比較。這些因素主要是：1) .

4、變壓器各側(cè)的電壓等級，包括分接頭情況2) .變壓器各側(cè)的電流互感器情況及其接線方法3) .變壓器y-接線下造成的電流相位角差4) .變壓器y接線繞組側(cè)的中性點接地情況5) .變壓器側(cè)有無接地故障零序電流電源常規(guī)的變壓器差動保護(hù)裝置，普遍采用合理的選擇電流 互感器ta的應(yīng)用接線方式修正相位差，并通過裝置內(nèi)部的 器件進(jìn)行變比匹配或者通過專用的外部輔助電流互感器進(jìn) 行變比匹配，從而解決這些問題，這里不再贅述。目前，微機(jī)型變壓器差動保護(hù)裝置普遍利用本身方便的 計算條件，通過保護(hù)軟件單純地以數(shù)學(xué)方法來實現(xiàn)匹配各種 變壓器和其電流互感器ta的變比，以及被保護(hù)變壓器接線 組別形成的相位差。不需要裝置內(nèi)部的器

5、件進(jìn)行變比匹配或 專用的外部輔助電流互感器進(jìn)行變比匹配。一般情況下，微機(jī)型變壓器差動保護(hù)裝置可以采用如下 的數(shù)學(xué)表達(dá)式模擬變壓器各側(cè)電流的匹配情況，不再要求電 流互感器ta的接線方式。其通常的編程系數(shù)矩陣數(shù)學(xué)表達(dá) 式如下：iout=kn a iin (2-1)式中：iout匹配后的該側(cè)電流la、ib、ic的矩陣kn 一該側(cè)變比平衡系數(shù)a 該側(cè)相位平衡系數(shù)的矩陣iin 該側(cè)輸入裝置的電流ia、ib、1c的矩陣如果采用零序電流補償方式，其通常的編程系數(shù)矩陣數(shù) 學(xué)表達(dá)式如下：iout=kn a iin+ko io (2-2)式中：10 該側(cè)零序電流的矩陣ko_該側(cè)零序變比平衡系數(shù)例如，對于如圖1所示

6、的變壓器接線情況，如果設(shè)定輸 入微機(jī)型變壓器差動保護(hù)裝置的變壓器主一次和主二次電 流的各側(cè)電流互感器ta均為星形接法，且同名端均在變壓 器的外側(cè)，那么保護(hù)裝置電流互感器ta聯(lián)接組的變比匹配和 相位修正方式可以采用如下兩種方式：ia1 ia21yo/a-11接線變壓器 方式一，變比匹配和相位修正按照無零序補償?shù)某Ｒ?guī)方 式。按照式(2-1)確定的各側(cè)編程矩陣方程如下：(2-3)(2-4)方式二，有零序補償?shù)姆绞健Ｋ母鱾?cè)編程矩陣方程按 照式(2-2)和式(2-1)確定如下：(2-5)(2-6)它們之間的區(qū)別主要是：方式一符合常規(guī)使用方式，應(yīng) 用經(jīng)驗豐富；方式二對于變壓器一次側(cè)的接地故障靈敏度較 方

7、式一好；方式二由于對于變壓器一次側(cè)電流互感器輸入的 電流沒有相關(guān)合成，因此對于變壓器產(chǎn)生的勵磁涌流的原始特征保留情況可能比方式一好些；方式二的缺點是需要輸入 保護(hù)裝置接地側(cè)的零序電流，應(yīng)用經(jīng)驗不夠豐富。通過以上分析和在實際應(yīng)用中的體會，采用純數(shù)學(xué)方法 依靠軟件實現(xiàn)電流互感器ta聯(lián)接組的變比匹配和相位修正 方式帶來的好處是：可靠性高、方式靈活、不受環(huán)境影響、 經(jīng)濟(jì)性好、修改方便等。但是，在應(yīng)用中一定要注意選擇的 變比平衡系數(shù)的限制范圍，避免變比平衡系數(shù)本身放大保護(hù)的采樣值影響保護(hù)工作。3電流互感器ta飽和時的對策當(dāng)前和今后一段時間內(nèi)仍然大量采用的常規(guī)電磁耦合 方式的電流互感器ta,由于故障電流大

8、和系統(tǒng)時間常數(shù)長以 及電流互感器ta本身的剩磁等因素引起的電流互感器ta飽 和情況，會對變壓器差動保護(hù)裝置產(chǎn)生極為不利的影響。特 別是電流互感器ta的暫態(tài)飽和對引用變壓器各側(cè)電流量的 變壓器差動保護(hù)的影響更大，應(yīng)該采取相應(yīng)的識別方法區(qū)分 是否為變壓器差動保護(hù)區(qū)外的故障造成的電流互感器ta飽 和的情況，避免變壓器差動保護(hù)發(fā)生誤動作。目前，一方面對于電流互感器ta的選型已經(jīng)考慮或注 意到電流互感器ta的暫態(tài)飽和問題，如在高壓系統(tǒng)或大容 量電力設(shè)備高壓側(cè)普遍設(shè)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(hù)裝置 本身具有一定的抗電流互感器ta飽和的能力，特別是抗電

9、流互感器ta的暫態(tài)飽和的能力。對于保護(hù)裝置采用的判別 方法主要是利用電流互感器ta飽和后的電流特征識別，如 電流波形識別法、諧波含量判別法、時差判別法等。下面介 紹一種變壓器差動保護(hù)中選用的抗電流互感器ta飽和的附 加穩(wěn)定特性區(qū)判別方法：首先，對于發(fā)生在被保護(hù)變壓器區(qū)內(nèi)的短路故障，它引 起的電流互感器ta飽和是不易用差動電流和制動電流的比 值區(qū)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(hù)動作條件。這時的 比率差動保護(hù)的動作特性還是有效的，故障特征滿足比率差 動保護(hù)的動作條件。其次，對于發(fā)生在被保護(hù)變壓器區(qū)外的故障，它產(chǎn)生的 較大的穿越性短路電流引起的電

10、流互感器ta飽和，會產(chǎn)生 很大的虛假差動電流，這在各個測量點的電流互感器ta飽 和情況不同時更為嚴(yán)重。如果由此產(chǎn)生的量值引發(fā)的工作點 落在了比率差動保護(hù)的動作特性區(qū)內(nèi)，而且不采取任何穩(wěn)定 比率差動保護(hù)的措施，比率差動保護(hù)將會誤動作。但是我們 知道：電流互感器ta并不是在故障一開始就發(fā)生飽和，而 是在故障發(fā)生后經(jīng)過一段時間，其鐵芯的磁通迗到它的飽和 密度后才開始的。這樣，電流互感器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(chǎn) 生飽和。因此，按照基爾霍夫電流定律計算變壓器各側(cè)的電 流量得到的差動電流，在開始的短時間內(nèi)基本平衡，僅會產(chǎn)生較小的不平衡電流，待電流互感器ta

11、飽和后才會產(chǎn)生較 大的差動電流，引起變壓器差動保護(hù)誤動。針對上述情況，變壓器差動保護(hù)可以設(shè)一個電流互感器 ta飽和時的附加穩(wěn)定特性區(qū)，它能夠區(qū)分出這種變壓器區(qū)內(nèi)、 外故障情況，它的工作特性如圖2所示。2差動保護(hù)動作特性對于發(fā)生在被保護(hù)變壓器區(qū)外的故障引起的電流互感 器ta飽和，利用故障發(fā)生的最初的1/4t1/2t時間內(nèi)，可 以通過高值的初始制動電流檢測出來，此制動電流會將工作 點短暫的移至附加穩(wěn)定特性區(qū)內(nèi)。反之，當(dāng)變壓器區(qū)內(nèi)故障 時，由于差動電流很大，其與制動電流的比值引發(fā)的工作點 會立即進(jìn)入比率差動保護(hù)的動作特性區(qū)內(nèi)。因此，保護(hù)通過 測量的電流量值引發(fā)的工作點是否在附加穩(wěn)定特性區(qū)內(nèi)，在 半個

12、周期內(nèi)由此判別作出決定。一旦檢查出外部故障引起電 流互感器ta飽和，可以選擇差動保護(hù)自動閉鎖了比率差動 保護(hù)，并按照整定的時間內(nèi)一直有效閉鎖比率差動保護(hù)，直 到整定的時間到時才解除閉鎖。檢查出變壓器區(qū)外故障引起 電流互感器ta飽和的判據(jù)公式如下式。izitaidobl/2 izttta式中：i ta檢查ta飽和制動電流門坎值ttata飽和閉鎖時間在外部故障引起的電力互感器ta飽和閉鎖了比率差動 保護(hù)期間，如果發(fā)生故障變化在變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)也發(fā)生了故 障，其引發(fā)的工作點穩(wěn)定地連續(xù)兩個周期工作在高定值的動 作區(qū)內(nèi)，那么電流互感器ta飽和閉鎖會被立即解除。由此 可靠地檢查出被保護(hù)變壓器發(fā)展中的故障而迅

13、速動作。當(dāng)然，傳感器技術(shù)的發(fā)展一定能夠解決電流互感器的飽 和問題。如目前國外已經(jīng)有光儀用互感器的應(yīng)用報道，能夠 解決這一問題。我國對這項傳感器技術(shù)的革命也投入了大量的資金、人 力進(jìn)行研究和開發(fā)。2001年12月初，在北京召開的中國電 機(jī)工程學(xué)會繼電保護(hù)專業(yè)委員會主設(shè)備保護(hù)學(xué)術(shù)研討會上， 有專家作了光電流互感器及其在繼電保護(hù)中的應(yīng)用的專 題報告，在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展，可以預(yù)計在不 遠(yuǎn)的將來會將這一革命性的成果得到應(yīng)用。4電流互感器ta 二次電路斷線或短路時的對策歷來，對于微機(jī)型變壓器差動保護(hù)判別其電流互感器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

14、較復(fù)雜的電流互感器ta二次電路的 多種多樣的斷線和短路故障，很難與各種各樣的系統(tǒng)異?；?故障情況區(qū)分，因此很多微機(jī)型變壓器差動保護(hù)都只是配有 簡單的電流互感器ta二次電路的斷線判別元件。針對這種 情況，介紹一種由電流量和電壓量共同判別電流互感器ta 二次電路斷線或短路的判別原理，它特別適用于主后備一體 化方式的微機(jī)型變壓器保護(hù)裝置。變壓器差動保護(hù)的差流異常報警和電流互感器ta二次 電路斷線或短路判據(jù)如下：(1) 差流異常告警當(dāng)任何一相差流的有效值大于告警門坎值，而且連續(xù)滿 足該動作條件的時間超過10秒鐘時，保護(hù)裝置發(fā)出差流異 常告警信號，但是不閉鎖比率差動保護(hù)。該項功能兼有電流 互感器ta二次

15、電路斷線或短路、采樣通道異常、外部接線 回路不正常等情況的綜合告警作用。(2) 瞬時電流互感器t a斷線或短路告警瞬時電流互感器ta斷線或短路告警判據(jù)，在保護(hù)啟動 后滿足以下任一條件時開放比率差動保護(hù)：a ).任一側(cè)任一相的電壓元件有突變啟動b) .任一側(cè)負(fù)序電壓大于門坎值c) .啟動后任一側(cè)的任一相電流比啟動前增大d) .啟動后最大相電流大于如果上述排除系統(tǒng)故障或擾動的判據(jù)不滿足，而差動電 流的工作點滿足公式時，那么保護(hù)判別為電流互感器ta二 次電路斷線或短路故障，而不認(rèn)為發(fā)生了變壓器內(nèi)部短路故障。ididsetidk iz 式中：idset檢查斷線或短路差動電流門坎值 k _檢查斷線或短路

16、的比率系數(shù) 在以上判據(jù)的實際應(yīng)用中，為了滿足不同用戶的需要， 該判據(jù)元件可以設(shè)計為通過配置字選擇僅僅發(fā)出告警信號， 或者選擇發(fā)出告警信號并且閉鎖比率差動保護(hù)，或者選擇不 投入此判據(jù)元件。在選擇了發(fā)出告警信號并且閉鎖比率差動 保護(hù)時，在此選擇下還可以選擇“永久”閉鎖比率差動保護(hù) 或相電流增大超過時自動解除閉鎖比率差動保護(hù)。由于以上判據(jù)選擇了電流量和電壓量綜合判別，所以對 于電流互感器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ta二次 電路故障情況的判別類型范圍，而且對于電流互感器ta二 次電路的各種各樣的斷線或短路情況判別得更準(zhǔn)確、更可 靠、更全面。電

17、流互感器ta接線的相序、極性和接地問題變壓器差動保護(hù)按照有關(guān)的規(guī)定在保護(hù)投運前要嚴(yán)格 檢查輸入保護(hù)裝置的電流互感器ta接線電路的相序和極性， 確保變壓器差動保護(hù)的正確工作。但是工程實踐反映，由于 各種各樣的原因，現(xiàn)場確有接錯變壓器各側(cè)電流互感器三相 電路的接線，導(dǎo)致相序和極性錯誤的情況發(fā)生，造成變壓器 差動保護(hù)不應(yīng)有的誤動。如果保護(hù)裝置本身可以直觀的顯示 輸入的變壓器各側(cè)電流量的相角、幅值，那么對于變壓器差 動保護(hù)的各側(cè)電流互感器ta接線的相序和極性檢查會有很 大的幫助，對變壓器差動保護(hù)的安全穩(wěn)定運行又多了一份保 證?；诖丝紤]，利用微機(jī)型保護(hù)的較強(qiáng)的人機(jī)接口功能， 可以直觀顯示變壓器各側(cè)電流

18、量的相對相位角度和幅值，顯 示差流的幅值等，觀察輸入電流量的測量情況。因此，在變 壓器投運后帶有輕負(fù)荷的情況下，由現(xiàn)場的保護(hù)技術(shù)人員通 過觀察變壓器差動保護(hù)裝置測量顯示的變壓器各側(cè)電流量 的情況和差流的情況，繪出變壓器各側(cè)電流量的相量圖，就 可以直接分析驗證變壓器各側(cè)電流互感器ta電路接線是否 正確。如果通過觀察分析和得到的相量圖確認(rèn)接入變壓器差 動保護(hù)裝置的變壓器各側(cè)的相電流電路接線正常，僅僅有顯 示的差流不正常，那么有可能是保護(hù)裝置本身的數(shù)字化平衡 變壓器各側(cè)電流量的整定值整定有問題，從而也驗證了保護(hù) 裝置的數(shù)字化平衡變壓器各側(cè)電流量的整定值是否正確。變壓器差動保護(hù)的二次電流回路接線的另外

19、一個值得 注意的問題是：接地點問題。關(guān)于儀用互感器的二次回路必 須有可靠的接地的要求，在國內(nèi)外的相應(yīng)規(guī)程中都有明確的 規(guī)定。例如，在1983年部頒繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程中，就有如下條文:第條電流互感器的二次回路應(yīng)有一個接地點，并在配電 裝置附近經(jīng)端子排接地。但對于有幾組電流互感器聯(lián)接在一 起的保護(hù)裝置，則應(yīng)在保護(hù)屏上經(jīng)端子排接地。本來對這一問題不應(yīng)該再提了，但是工程實踐中反映， 確有將接入變壓器差動保護(hù)裝置的電流互感器二次回路多 點接地的情況發(fā)生，造成變壓器差動保護(hù)裝置誤動或異常。 解決這一問題一方面靠嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)的規(guī)程進(jìn)行施工外，另 一方面同樣在變壓器投運后帶有負(fù)荷的情況下，由現(xiàn)場的

20、保 護(hù)技術(shù)人員通過觀察變壓器差動保護(hù)裝置測量顯示的差流 的情況分析解決。如果變壓器差動保護(hù)裝置測量顯示的差流 不正常，在排除了 ta相序接線錯誤和裝置本身數(shù)字化平衡 變壓器各側(cè)電流量的整定值錯誤的情況下，那么可以檢查電 流互感器ta二次回路是否有多點接地的情況存在。此外，對于變電站內(nèi)的地網(wǎng)也要按照有關(guān)規(guī)程的要求安 全可靠的構(gòu)成一個完整的等電位面的地網(wǎng)，無論主控制室內(nèi) 的地網(wǎng)和開關(guān)站的地網(wǎng)都要可靠安全的互連，二次設(shè)備的接 地點也一定要按照有關(guān)規(guī)程安全可靠的接在地網(wǎng)上。以免開 關(guān)站內(nèi)發(fā)生接地故障時串入高壓造成二次電纜燒毀和損壞 二次的保護(hù)控制設(shè)備或一些意想不到的事情發(fā)生，對保護(hù)的正確工作造成影響。

21、 6 結(jié)束語本文以上的分析，探討了變壓器差動保護(hù)中電流互感器 ta及其聯(lián)接組的若干問題，這些問題往往對于變壓器差動保 護(hù)的正確工作影響很大。不能夠很好的解決這些問題，就會 直接影響變壓器差動保護(hù)的性能，甚至造成變壓器差動保護(hù) 的誤動或拒動。實際應(yīng)用中，由此引起的變壓器差動保護(hù)的不正常 工作情況也時有發(fā)生。本文介紹的方法已經(jīng)在實際裝置中得到了很好的應(yīng)用， r t d s數(shù)字仿真試驗、動模試驗和實際現(xiàn)場應(yīng)用都取得了滿意 的效果，很好地解決了這些問題。參考文獻(xiàn)：1王維儉電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用北京：中國 電力出版社，19982 王梅義電網(wǎng)繼電保護(hù)應(yīng)用北京：中國電力出版社19983 西門子變壓器保護(hù)7ut512/513產(chǎn)品技術(shù)