变压器差动保护的三种比率制动方式及其系数整定的研究

金瑞;鲍斌;时伯年

【摘 要】变压器差动保护的比率制动方式不同,其灵敏度和安全性也不同.不同厂家的保护装置同时作为变压器的主保护时,因为采用不同的比率制动方式,即使按照推荐定值整定比率制动系数,保护的动作性能也有差异.比较了国内外广泛应用的三种比率制动方式:MAX方式、AVE方式和PHA方式.在具体算例中,比较了三种比率制动方式的灵敏度和安全性.发现即使取厂家推荐的比率制动系数,在区外某处发生故障导致CT一定程度饱和时,采用某些制动方式的差动保护也不能避免误动,需要适当调整比率制动系数的定值,或采用额外的故障类型判据闭锁出口. 【期刊名称】《电力系统保护与控制》 【年(卷),期】2018(046)019 【总页数】7页(P81-87)

【关键词】变压器保护;差动保护;比率制动系数;整定;灵敏度;安全性 【作 者】金瑞;鲍斌;时伯年

【作者单位】北京四方继保自动化股份有限公司系统分析与控制研发部,北京 100085;东北电力分中心,辽宁 沈阳 110180;北京四方继保自动化股份有限公司系统分析与控制研发部,北京 100085 【正文语种】中 文

目前，差动保护作为变压器的主保护得以广泛应用。基于安匝平衡定律的比率制动差动保护，因不需要躲负荷电流，不易受系统运行方式变化的影响，不需躲区外故

障，相比(带方向的)过流保护和距离保护，有更高的灵敏度。但需要防止区外故障CT饱和引起的误动[1-2]，保证差动保护的安全性。

当保护区内的差动电流和制动电流的比值在特性曲线的动作区时，差动保护才能动作。不同比率制动方式的差动电流计算公式相同，即流入保护区内各支路电流的相量和，而制动电流的计算公式各不相同。不同制动方式即使取厂家推荐的比率制动系数，灵敏度和安全性也有差异。文献[3]比较了应用其中两种制动方式的保护在某一种接线方式下的灵敏度和安全性。

本文首先列举了不同接线方式下三种制动方式的制动电流(Ir，下同)及差动电流和制动电流的比值(Id/Ir，下同)的计算公式，并分析了影响Ir和Id/Ir的各个因素。随后给出了三种制动方式比率制动系数的最大值和最小值的整定建议。在最后的具体算例中，根据不同故障点的计算结果分析了各制动方式的灵敏度和安全性。对于其他接线方式，可以参考本算例做类似分析。

目前常见的制动电流选取方法主要有三种：如ABB公司的RET670系列保护采用的MAXIMUM (MAX)计算方式，AREVA公司的MICOM PX系列保护和SIEMENS公司的7UT613/63x系列保护则采用AVERAGE(AVE)计算方式，而国内的保护厂家多数采用PHASOR(PHA)计算方式。这三种方式的制动电流计算分别如式(1)—式(3)。

式中：I1、In、Ii、Ip分别为经过相位补偿后各支路换算到基准侧的相电流，Ip为所有支路中最大的相电流；n为不同变压器接线方式对应的n个支路；k是AVE方式的换算系数。

正常运行时，对于n≤3的接线方式，MAX方式、k=0.5的AVE方式和PHA方式的Ir相同，都等于流入支路(或流出支路)的总电流Ie，如表1所示。

对于n>3的接线方式，正常运行时，MAX方式和AVE方式的Ir如表2和表3所示。

对于n>3的接线方式，正常运行时PHA方式的Ir为。

对于不考虑CT饱和的区外故障，只需将表1和表3的Ie用穿越电流If取代即可。为避免变压器不同接线组别的星角变换对计算结果产生影响[4]，本文中的故障特指三相故障。

区内故障时，MAX方式得到的Id/Ir和Ir如表4所示。

可以看出，MAX方式的Ir只和最大电流支路相关。当最大支路电流一定时，增加电源数量，或改变其他支路电流，Ir不变。Id/Ir随支路数量、各支路电流大小变化。

区内故障时，AVE方式得到的Id/Ir和Ir如表5所示。

可以看出，AVE方式的Ir和支路数量、所有支路电流大小相关。Id/Ir不随支路数量和各支路电流大小而变化，比值恒为1/k。

区内故障时，PHA方式得到的Id/Ir和Ir如表6所示。

可以看出，PHA方式的Ir和支路数量、所有支路电流大小相关。Id/Ir随支路数量、各支路电流大小而变化。

1.3.1不同k值AVE方式的灵敏度和安全性

可以通过坐标变换的方式比较相同比率制动系数(如s=0.25)、不同k值的AVE方式的灵敏度，如图1所示。

以s=0.25、k=0.5的特性曲线为基准曲线1，以为坐标的曲线1的方程为，以s=0.25、k=1的特性曲线为对比曲线2，其特性方程为Id=sIr。两坐标系有如下关系：

因此曲线2转换到坐标系的方程为。

同理，s=0.25、k=0.33的对比曲线3转换到坐标系的方程为。

可以看出，曲线2和曲线3转换到曲线1的坐标系后，分别是曲线1斜率的2倍和0.67倍，即相当于50%和16.8%的斜率，如图1所示。由此可知，不同接线

方式发生区内故障时，对于不同k值的AVE方式，k值越小灵敏度越高。 1.3.2 PHA方式和AVE方式的灵敏度和安全性

根据表5和表6可知，不同接线方式发生区内故障时，PHA方式的Ir将出现相量相减的情况，因此比k=0.5的AVE方式的灵敏度更高。 1.3.3 AVE方式和MAX方式的灵敏度和安全性

发生区内故障时，对于两个分支的变压器，MAX方式的Ir总是大于等于k=0.5的AVE方式，因此k=0.5的AVE方式的灵敏度比MAX方式更高，如图2所示。 同理可分析对于三个分支的变压器，k=0.33的AVE方式比MAX方式的灵敏度更高。

整定差动保护时，将正常运行时Id /Ir的最大值作为比率制动系数的最小值，将区内故障Id/Ir的最小值作为比率制动系数的最大值，并兼顾区内故障时保护的灵敏度和区外故障CT饱和时保护的安全性[5]。

正常运行情况下，变压器差动保护有一定的不平衡电流，主要由三部分组成。 1) 固有差动电流，即和变压器流入电流(或流出电流)大小无关的差动电流；主要是变压器的励磁电流，通常占变压器额定电流的1%~4%。

2) 比例差动电流，即和变压器流入电流(或流出电流)成比例的差动电流；主要由变压器调压导致平衡系数的误差、CT的稳态误差和保护装置的测量误差引起。 3) CT暂态误差导致的差动电流，只有通过时域仿真才能确定数值。

比率制动系数的最小值可以参考以下因素导致的Id/Ir误差：励磁电流引起的误差δ1，通常是1%~4%；CT稳态误差δ2，通常不超过3%；保护测量误差的最大值δ3，通常是5%；变压器调压导致平衡系数的误差δ4，无载调压的范围通常在±5%以内[6]，有载调压的调整范围可达30%[6]。 稳态差动电流相对于实际运行电流的误差为

式中：δ1和实际运行电流没有比例关系，考虑到变压器在正常情况下的运行电流

和额定电流相近，在此把δ1也当成比例差动电流处理；2δ2考虑了所有流入支路的CT误差和所有流出支路的CT误差分别取正值和负值的情况。

如果只考虑固有差动电流和比例差动电流部分，对于n=2的接线方式，MAX、AVE和PHA方式的比率制动系数最小值(即稳态差动电流相对于不同方式的制动电流)分别由式(6)和式(7)[3]及式(8)求得。

对于n≥3的接线方式，MAX、AVE和PHA方式的比率制动系数最小值分别由式(9)—式(11)求得。

式中：sMAX、sAVE、sPHA是只考虑稳态各项误差的比率制动系数；δ是稳态差动电流相对于实际运行电流的误差；k为AVE方式的换算系数；Ip*是最大支路电流归算到基准侧的标幺值。

式(6)—式(11)中，假设各误差都是负值，因此减少了流入或流出支路的电流值，公式得到最大值。

式(9)中，假设误差δ发生在最大电流支路p上，公式得到最大值。

需要根据系统的实际情况，根据表4—表6的公式计算出区内故障时Id/Ir的最小值。各特性曲线的比率制动系数应低于此值。

以图3所示的系统为例，分析区外故障导致CT一定程度饱和时，比率制动系数的取值。

CT饱和程度和一次时间常数、二次时间常数及二次负载等参数有关[7]。除非进行时域暂态仿真分析，否则难以确定CT的饱和程度[8-10]。此处假设只有最大电流支路的CT发生了饱和，且传变了0.5倍的电流(即CT传变率μ[11]=0.5)。计算短路电流时，取全系统的基准容量等于变压器额定容量，取各级基准电压等于变压器各侧额定电压，因此各级基准电流即为变压器各侧额定电流。

表7的最小值根据式(9)—式(11)计算得来，(假设图3的变压器采用有载调压方式，调整范围为±10%)，MAX和PHA方式的最大值在单电源供电发生区内故障时得

到。

比较表8的数据可知，发生区外故障CT饱和时，MAX方式的安全性在不同故障点差异较大：在双断路器侧，相比于k=0.5的AVE方式和PHA方式，Ir是没有流经变压器的支路电流，数值最大，Id/Ir最小，安全性最高。而在单断路器侧，Id/Ir却达到80%。而根据表7得知，MAX方式的比率制动系数需要设置在100%以下。甚者，如果S1和S2的系统阻抗相同，则向区外故障点F3提供等值电流，这时Id/Ir可达100%。在这种情况下，MAX方式不能保证安全性，需要通过特有的负序电流相关的判据闭锁出口；特定k值的AVE方式在不同区外故障点的安全性相同；相比k=0.5的AVE方式和MAX方式，PHA方式在各故障点的Ir最小，Id/Ir最大，因此安全性最低，需要适当调整比率制动系数的定值，或通过其他判据闭锁出口。近几年相关的判据研究可参考文献[12-14]。其中，文献[12]提出了基于Hilbert变换的抗CT饱和的变压器故障识别的新方法；文献[13]通过识别故障电流一周波内满足比率制动特性与间断点的总采样点数识别故障类型；文献[14]提出了基于差电流半周积分特征的CT饱和识别办法，用于区分内部故障和CT饱和。

此算例中的MAX方式、k=0.5及k=1的AVE方式的数据和文献[3]的算例数据相符。

为了兼顾保护的灵敏度和安全性，三折线是目前保护厂家普遍采用的比率制动特性。对于k=0.5的AVE方式，厂家推荐的动作电流门槛值为0.2Ie，制动电流拐点为Ie，二段的比率制动系数为30%，三段的比率制动系数为80%，如图4和图5所示。

对于区外故障F3，变压器的阻抗了短路电流，因此F3的Ir比F1和F2的Ir小很多。可以看出，对于AVE方式，按照厂家推荐定值刚好能避免F3故障且最大电流支路CT50%饱和时的误动，如图5。

对于其他k值的AVE方式，可以调整比率制动系数和分界点的制动电流定值，使保护达到同样的灵敏度和安全性。例如，可以把k=0.5的AVE方式的比率制动系数的0.5倍、制动电流拐点的2倍作为k=1的AVE方式的定值，达到和k=0.5的AVE方式相同的灵敏度和安全性。

对于PHA方式，厂家推荐的动作门槛值为0.6Ie，一段的比率制动系数为20%，二段的比率制动系数为50%，三段的比率制动系数为70%，两个制动电流拐点分别为0.6Ie和5Ie，如图6。

由图6可以看出，对于PHA方式，二段斜率50%不能避免F3故障且最大电流支路CT50%饱和时的误动。需要调整二段的斜率至137%以上，或采用额外的故障判据闭锁出口。

对于MAX方式，厂家推荐的动作电流门槛值为0.25Ie，制动电流拐点为1.25Ie，二段的比率制动系数整定为40%，三段的比率制动系数整定为80%，如图7所示。 由图7可以看出，对于MAX方式，三段的斜率80%不能避免F3故障且最大电流支路CT50%饱和的误动，需要调整三段的斜率至94%以上，或采用额外的故障判据闭锁出口。

首先列举了不同变压器接线方式下，正常运行、不考虑CT饱和的区外故障以及区内故障时，MAX方式、AVE方式和PHA方式的Ir和Id/Ir的计算公式，并分析了影响Ir和Id/Ir的各个因素。比较了不同接线方式发生区内故障时，不同k值的AVE方式的灵敏度、k=0.5的AVE方式和PHA方式的灵敏度，以及特殊接线方式下，MAX方式和相应k值的AVE方式的灵敏度。随后给出了各制动方式比率制动系数最大值和最小值的整定建议。

在具体算例中，考虑了一定程度的CT饱和，根据各方式对应的公式计算出不同区外故障点的Ir和Id/Ir，并调整了曲线的定值。

本算例中，发生区外故障时，MAX方式的安全性在不同故障点差异较大：在双断

路器侧，相比于k=0.5的AVE方式和PHA方式，能提供较大的制动电流，安全性较高。而在单断路器侧却难以区分区内故障和区外故障；特定k值的AVE方式在不同故障点的安全性相同；相比k=0.5的AVE方式和MAX方式，PHA方式在各点的制动电流最小，因此安全性最低。

比率制动系数取值小可以及时发现变压器匝间短路[15-16]，防止事故蔓延造成更大损失。比率制动系数取值大可以避免外部故障CT一定程度饱和引起的保护误动。因此，需要根据系统实际情况和不同制动方式的特点，选择比率制动系数的最佳值。

This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900500) and National High-tech R & D Program of China (863 Program) (No. 2013AA050104).

金 瑞(1984—)，女，通信作者，本科，工程师，研究方向为继电保护；E-mail: ******************

鲍 斌(1966—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为继电保护；E-mail: 139****************

时伯年(1976—)，男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统稳定及广域保护。E-mail:********************* 【相关文献】

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