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北极星电力网技术频道 作者:刘峥 2003/7/14 0:00:00
摘 要：文章通过对电磁式、晶体管式、集成电路式和数字式变压器差动保护CT接线方式问题的讨论，分析了各种型式的变压器差动保护不同的测量原理及其对单相接地故障灵敏度的差异。
关键词：CT接线；变压器差动保护；讨论
近年来，计算机和数字处理技术在电力系统继电保护领域取得了非常成功的应用，基于微处理器的数字式保护装置已经成为各个保护制造厂家的主导产品。微机型装置所带来的绝不只是在元件品质和工艺水平上的进步，而且还使得许多新颖和完善的保护原理应用于实践成为可能。这一点可以从如下对各种型式变压器差动保护CT接线方式的讨论中得到印证。
1一次变压器差动保护误动原因的分析
某电厂启动备用变压器采用全星形接线（Y0/Y/Y）方式，220 kV侧中性点直接接地，低压侧双绕组中性点经高阻接地，系统接线如图1所示。该变压器配置集成电路差动保护装置，由于变压器各侧电流同相位，无需相位补偿，所以变压器三侧的差动保护CT二次接线均为星形。
该变压器在投运初期，曾发生高压侧区外单相接地故障时差动保护误动事故。经过对录波数据和事故过程的分析，误动原因是：变压器高压侧中性点直接接地，在电网发生任何接地故障时，将成为零序故障分量的通路，在变压器零序励磁电抗中产生汲出电流［1］。这一电流在系统发生单相接地短路时，最大可以达到0.46倍变压器额定电流。因为该启备变低压侧是不接地系统，无零序电流通路，所以此零序故障电流仅能在高压侧存在。当变压器三侧差动保护的CT二次电流回路都接成星形时，高压侧的零序电流便全部成为差动保护的不平衡电流，其数值达到差动保护的动作值就会造成误动。
2电磁式保护的测量原理及其对CT接线要求
电磁式变压器差动继电器，无论是带制动绕组的BCH-1型还是带短路线圈的BCH-2型，都是根据中间变流器铁芯“磁通平衡”原理测量变压器各侧电流差值的，并且采用中间速饱和变流器来防止变压器励磁涌流导致的差动保护误动［1］。该类型继电器利用励磁涌流中较大的具有衰减特性的非周期分量，使中间速饱和变流器的铁芯迅速饱和，磁感应强度变化量很小，二次感应电压也很低，从而防止变压器空载合闸励磁涌流造成的保护误动。但是变压器三相涌流往往有一相无直流分量，会导致中间速饱和变流器不起作用，所以此类差动保护必须以牺牲灵敏度为代价，提高保护动作值（通常是1.3～1.5倍的额定电流），以躲开励磁涌流对差动保护的影响。
电磁式变压器差动继电器的CT回路接线，首先必须通过对CT接线形式的选择进行外部的“相位补偿”，消除变压器接线组别不同造成的高、低压侧电流相位差和差动保护回路不平衡电流。例如对于Y/d11接线的变压器，由于三角形侧电流的相位比星形侧同一相电流超前30°，必须将变压器星形侧的CT二次侧接成三角形，而三角形侧的CT接成星形，从而将流入差动继电器的CT二次电流相位校正过来。
而对于Y0/Y全星形接线的变压器，由于高、低压侧对应相的电流相位相同，无须进行“相位补偿”。但这类差动继电器的灵敏度较低，即使变压器各侧CT均采用星形接线，高压侧区外接地故障所产生的零序电流不平衡量也不致造成差动保护的误动。由于定值设定太高的原因，电磁式差动继电器对于包括单相接地短路在内的所有类型故障的反应灵敏度都较低，不适于用作大型变压器的主保护。
3晶体管和集成电路式保护的测量原理及其对CT接线要求
晶体管和集成电路式差动保护的测量原理是采用中间变换器，得到折算后变压器各侧电流对应的较小的电压量信号，并通过对各电压量的综合比较计算电流差值的［1］。它利用变压器励磁涌流中包含的特性分量来避开涌流影响。其差动元件动作定值的整定不用考虑躲开变压器励磁涌流的影响，一般是0.3～0.5倍的额定电流，灵敏度较高。
这类保护同电磁式一样，必须采用外部的“相位补偿”消除变压器接线组别对差动保护的影响。而对于Y0/Y全星形变压器，如果其CT二次接线也采用全星形连接，当高压侧区外接地故障产生的零序电流进入差回路时，容易达到差动保护定值而造成误动。所以对于Y0/Y接线变压器，需要将差动保护的CT二次接成三角形，使接地故障的零序分量在CT二次线圈内形成环流，不会流入差动保护造成误动。
相对于星形CT接线，采用三角形接线使用于差动保护的线电流无零序电流分量，降低了变压器内部单相接地故障时差动保护的灵敏度。
尽管静态保护装置的定值较低，相对于电磁式继电器灵敏度提高很多，但仍不能满足现代大型变压器运行可靠性的要求。为弥补这一不足，通常需要再装设零序方向过流或零差保护，以提高内部单相接地故障的灵敏度。这样就必须使用另外一组星形连接CT来测量变压器直接接地侧的零序电流。
采用三角形CT接线，由于用于差动保护的CT二次电流和变压器各侧的一次电流的相位不一致，无法反应实际负荷和短路电流情况，因此不方便用于变压器负荷监测或故障录波。
4数字式保护的测量原理及其对CT接线要求
数字式保护装置目前在电力系统中得到日益广泛的应用，和传统类型的差动保护相比，数字式差动保护装置集成了差动（包括零差）保护、过流（过负荷）保护、故障录波和网络通讯等多项功能，为实现变电站综合自动化创造了条件。
数字式差动保护通过辅助变换器进行交流变换得到适当的电压量信号，再经滤波、采样和模数转换成为可以由微处理器直接运算的数字信号，所有数据处理、变量运算和保护逻辑功能都可以由软件来实现。
4.1相位补偿的运算
数字式变压器差动保护的CT回路，对任意接线组别的变压器都可以采用全星形连接，其相位补偿可以由保护内部的软件来实现，而无须象传统的差动保护那样依靠CT接线方式的选择进行外部的“相位补偿”。这种软件的补偿是利用对称分量法进行“矩阵变换”计算得到的，各种补偿矩阵见表1。
图2为Y0/d11接线变压器进行相位补偿的矩阵方程。变压器三角形侧三相电流经过矩阵变换后，相位顺时针旋转了30°，与星形侧的三相电流同相一致，以用于相电流差的计算。实际上，采用这种矩阵变换的方法，通过使用不同计算方程可以将变压器某侧的三相电流按任意n×30°（n为整数）旋转，满足各种接线组别变压器相位补偿的需要。
对于变压器星形侧的三相电流，则通过矩阵变换旋转了360°。经过这样的补偿，虽然各相电流相位没有发生变化，却消除了电流中的零序分量。
4.2对CT接线的要求
如上所述，数字式差动保护对任意接线组别的变压器CT接线均可以采用全星形连接，因为通过软件的矩阵变换可进行相位补偿并消除零序电流分量，所以不会在区外接地故障时造成差动保护误动。
采用全星形的CT接线，保护装置测量到的二次电流相位和实际的变压器一次电流一致，使一台装置集多项保护、录波和测量功能于一体成为可能。
4.3单相接地故障的灵敏度及措施
采用软件相位补偿的数字式变压器差动保护，消除了零序电流分量的影响，同样会降低其对内部接地故障的反应灵敏度。作为提高直接接地系统发生单相短路时保护灵敏度的措施，数字式差动保护提供了利用中性点零序电流补偿的方式，相位补偿矩阵如图3所示。
当区外故障时，IA为相电流IL1与1/3中性点零序电流I0的矢量之和，由于此时IL1的零序分量幅值为I0的1/3，并且方向与I0相反，两者相互抵消，也就消除了零序电流的影响。当区内故障时，相电流的零序分量幅值取决于系统提供的故障电流值，并且方向与I0一致，零序电流不会被抵消，从而不会降低保护的灵敏度。采用零序电流补偿时应特别注意变压器中性点零序电流互感器的接线极性。
5结论
传统的差动保护依靠CT二次接线方式的选择，进行不同接线组别变压器各侧电流的相位补偿，即使是对Y0/Y型变压器，为防止区外接地故障时的误动，也必须将差动保护的CT回路接成三角形。数字式差动保护对变压器接线组别的相位补偿由软件实现，采用对称分量法的矩阵变换消除了零序电流分量的影响，简化了外部的CT回路接线，提高了运行可靠性。
参考文献
［1］贺家李, 宋从矩. 电力系统继电保护原理［M］.北京: 水利水电出版社, 1985.
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