王海波

一種新型變壓器穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù)系數(shù)校驗方法

王海波

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

針對幅值法校驗變壓器穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù)系數(shù)計算量大、易出錯、耗時長等缺點，提出一種通過在初始平衡態(tài)下改變變壓器任一側(cè)電流的相位產(chǎn)生差動電流從而精確獲得保護(hù)動作點的方法，該方法具有制動電流恒定、計算量小、易操作、節(jié)省時間等優(yōu)勢。以RCS—978G變壓器保護(hù)裝置為試驗對象，分析差動保護(hù)的幅值、相位及消零處理方式，總結(jié)幅值法校驗步驟，給出所提相位法的原理及校驗方法，最后通過試驗對比分析幅值法與相位法的實際應(yīng)用效果。結(jié)果表明，相位法在測量精度及校驗耗時方面優(yōu)勢明顯，具有推廣價值。

變壓器；差動保護(hù)；比率制動；斜率；校驗

0 引言

差動保護(hù)作為電力變壓器電氣主保護(hù)，對區(qū)分區(qū)內(nèi)區(qū)外故障、快速靈敏可靠地切除區(qū)內(nèi)故障從而保證變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。為了避免因不平衡電流導(dǎo)致的單一差動保護(hù)不可靠動作[1-2]，引入制動電流的概念。目前，同時考慮差動電流與制動電流的具有三段式比率制動特性的穩(wěn)態(tài)差動保護(hù)被各大繼電保護(hù)設(shè)備廠商廣泛采用[3-5]。但因涉及知識產(chǎn)權(quán)及技術(shù)路線等因素，不同廠家的設(shè)備在比率制動特性的斜率、拐點及轉(zhuǎn)角方式等方面存在差異，導(dǎo)致在校驗穩(wěn)態(tài)比率制動特性曲線斜率時，不同廠家設(shè)備的校驗方法有所不同。本文以南瑞繼保RCS—978G裝置為對象進(jìn)行相關(guān)研究[6]。

繼電保護(hù)裝置校驗是保證其安全可靠運(yùn)行的必要手段[7]。穩(wěn)態(tài)比率制動差動保護(hù)是變壓器的主保護(hù)，其比率制動特性，尤其是三段式特性中第二段的斜率，是校驗項目中的必測項目。在各種繼電保護(hù)比武競賽中，值校驗是主變保護(hù)必考項目。因此，能夠正確且快速地進(jìn)行值校驗是對所有二次專業(yè)工作人員的基本要求。目前，常規(guī)的校驗方法為幅值法，該方法存在計算量大、耗時長、易出錯、誤差大等諸多不足，在工程應(yīng)用中給工作人員帶來許多不便。盡管工程人員不斷改進(jìn)試驗方法，但仍未脫離采用幅值法的范疇[8-11]。

鑒于此，本文在分析幅值法基本流程的基礎(chǔ)上，提出一種校驗比率制動斜率的相位法，該方法概念清晰、計算簡單，可以顯著提高校驗工作效率。

1 變壓器穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù)

變壓器差動保護(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 變壓器差動保護(hù)示意圖

1.1 相位校正

高低壓側(cè)的YNd11聯(lián)結(jié)方式導(dǎo)致CT二次電流并不同相，不可以直接進(jìn)行數(shù)值計算。以高壓側(cè)為基準(zhǔn)的相位校正示意圖如圖2所示。

圖2 以高壓側(cè)為基準(zhǔn)的相位校正示意圖

通過移相計算差動電流表達(dá)式為

1.2 幅值校正

因為變壓器電壓比與各側(cè)使用的電流互感器電流比、飽和特性不一致，等量的二次電流其作用并不等效，為此引入“平衡系數(shù)”的概念，實現(xiàn)高低壓側(cè)電流的“作用等效”。

高壓側(cè)平衡系數(shù)為

低壓側(cè)平衡系數(shù)為

1.3 消除零序電流

對于220kV電壓等級及以上系統(tǒng)中YNd11聯(lián)結(jié)方式的變壓器，一般高壓側(cè)中性點直接接地。若高壓側(cè)發(fā)生區(qū)外接地故障，會產(chǎn)生零序電流。低壓側(cè)由于三角形聯(lián)結(jié)，在其繞組接線外部并沒有零序電流。因此，在差動電流計算中，為了保障變壓器差動保護(hù)不會因零序電流的存在而發(fā)生誤動作，保護(hù)裝置計算差動電流時應(yīng)有消除零序電流的措施。

消除零序電流的措施為

1.4 穩(wěn)態(tài)比率制動保護(hù)

為避免不平衡電流導(dǎo)致單一差動保護(hù)的不可靠動作，引入制動電流的概念。為了提高變壓器空載情況下保護(hù)對匝間及高阻接地故障的靈敏性，南瑞繼保采用初始段帶斜率（固定為0.2）的三段式穩(wěn)態(tài)比率制動特性，如圖3所示。

圖3 RCS—978G三段式穩(wěn)態(tài)比率制動特性

圖3中，橫坐標(biāo)r代表制動電流，縱坐標(biāo)d代表差動電流，r0為制動電流拐點，d0為差動電流啟動值，為比率制動系數(shù)，e為各側(cè)的額定電流。由圖3可以看出，r0、d0、三個參數(shù)決定了曲線的形狀，即這三個參數(shù)決定了比率制動的動作靈敏性及躲避區(qū)外故障的能力[13-14]。r0及d0不變時，越大則動作區(qū)越小，靈敏性越差；r0及不變時，d0越大則動作區(qū)越小，靈敏性越差；及d0不變時，r0越大則動作區(qū)越大，靈敏性越高。

結(jié)合圖3，低值比率差動動作特性方程為

制動電流與差動電流計算方法為

式中：I為變壓器各側(cè)電流標(biāo)幺值；為變壓器繞組數(shù)。穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù)采用按相判別方式，當(dāng)滿足式（5）與式（6）條件時動作。

2 比率差動保護(hù)K值幅值校驗法

2.1 理論動作點計算

結(jié)合式（6）可以求得

根據(jù)標(biāo)幺值求得各側(cè)理論動作點的有名值相量為

式中：dA為點A的差動電流；rA為點A的制動電流；hA為點A對應(yīng)的高壓側(cè)二次電流值；1A為點A對應(yīng)的低壓側(cè)的二次電流值；he為高壓側(cè)二次額定電流；1e為低壓側(cè)二次額定電流。

2.2 獲得試驗動作點

在實際加量過程中，可以固定高壓側(cè)電流，調(diào)整低壓側(cè)電流，使保護(hù)裝置從不動作區(qū)進(jìn)入動作區(qū)。因此初始加量時，高壓側(cè)電流按照理論計算有名值施加，低壓側(cè)可以按照1.05倍的理論計算值施加，通過以一個較小步長（如0.01A）逐漸減小低壓側(cè)電流，使差流變大，達(dá)到比率差動臨界動作點，保護(hù)動作，此時記下低壓側(cè)電流的實測有名值。

2.3 試驗動作點標(biāo)幺化

在式（6）中，差動電流與制動電流均以實測的各側(cè)電流標(biāo)幺值代入，因此在測得保護(hù)裝置的試驗動作點有名值后還需要將其轉(zhuǎn)換為以各側(cè)額定電流為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值。

2.4 計算斜率K

利用與A點相同的計算與試驗方法可以求得B點的保護(hù)裝置動作實測值。通過兩點可以求得比率制動斜率，即

校驗時以A相為例，根據(jù)相位校正理論，為了補(bǔ)償?shù)蛪簜?cè)轉(zhuǎn)角導(dǎo)致的B相有流，在高壓側(cè)B相中也通以電流。保護(hù)測試儀與保護(hù)裝置接線如圖4所示。

圖4 保護(hù)測試儀與保護(hù)裝置接線

3 穩(wěn)態(tài)比率差動保護(hù)K值相位校驗法

通過幅值校驗法分析可以看到，該方法盡管對于差動保護(hù)原理的理解較為清晰，但是存在計算量非常大、試驗過程繁瑣等缺點，不利于提高檢修工作效率及節(jié)省技能競賽耗時。嚴(yán)格來說，最終實測的動作點其制動量已經(jīng)偏離了題目要求的校驗點。針對上述不足，本文提出一種改變高低壓側(cè)電流相位差的試驗方法，該方法不需要復(fù)雜的計算，而且在手動試驗改變變量過程中不改變制動電流量。實踐證明，該方法可以極大提高校驗效率，且精度高于幅值法。相位法示意圖如圖5所示。

同樣以A點為例。試驗接線與幅值法相同。首先按照平衡態(tài)施加高低壓側(cè)電流為

工程中也可以通過保護(hù)裝置直接讀取此時的差動電流。在RCS—978G中，保護(hù)裝置面板差動電流以有名值形式顯示，計算時需要轉(zhuǎn)換成標(biāo)幺值。

由于高低壓側(cè)電流幅值固定，因此制動電流保持固定，得到的動作點即為動作特性曲線上惟一的點。用同樣的方法可以得到B點的差動電流值。在相位法中，高、低壓側(cè)二次額定電流值及差動動作電流值通過保護(hù)裝置“保護(hù)狀態(tài)→保護(hù)板狀態(tài)→ CPU計算定值→縱差計算定值”菜單可以直接讀取，因此幾乎沒有需要復(fù)雜計算的環(huán)節(jié)。

4 試驗分析

以RCS—978G保護(hù)裝置為試驗對象，保護(hù)測試儀采用北京博電PW31E，對幅值法與相位法兩種校驗方法進(jìn)行試驗對比。試驗中取上述的A、B兩點。相關(guān)保護(hù)裝置定值參數(shù)見表1。根據(jù)測試儀分辨率[15]，兩種測試方法均按照裝置最小分辨率采用手動模式加量，其中幅值法調(diào)整步長為0.001A，相位法中調(diào)整步長為0.1°。兩種方法的試驗結(jié)果分別見表2與表3。

表1 保護(hù)裝置定值參數(shù)

表2 幅值法試驗結(jié)果

表3 相位法試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可以看出，采用幅值法求得的比率制動斜率為0.519，與理論值（0.5）相比誤差高達(dá)3.8%，采用相位法得到的斜率為0.505，誤差為1.0%，表明相位法結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖6給出了幅值法與相位法在加量過程中，測試點的軌跡變化。幅值法為從A1到A3的變化，即從不動作區(qū)進(jìn)入動作區(qū)，由于保護(hù)裝置顯示精度、保護(hù)測試儀輸出精度及誤差等原因，最終的實際動作點往往偏離理論點A?？梢钥吹?，在變化過程中，動作點的制動量是變動的，不滿足校驗提出的的固定制動量要求。相位法為從A2到A點的變化，即從平衡態(tài)到臨界動作，該方法維持制動量，僅通過調(diào)節(jié)相位逐漸增大差動量，實踐表明，該方法精度非常高，由于省去了大量的計算工作，避免了計算過程中可能出現(xiàn)的錯誤，因而提高了校驗工作的準(zhǔn)確性，節(jié)省了時間。

圖6 測試點軌跡變化

5 結(jié)論

1）提出了一種有別于常規(guī)幅值法的相位校驗法來校驗主變穩(wěn)態(tài)比率制動差動保護(hù)斜率值，該方法通過改變高低壓任意一側(cè)電流的相位測得固定制動電流情況下的臨界差動動作電流。該方法在實際應(yīng)用過程中（以RCS—978G為例）只需要極少的計算環(huán)節(jié)，與幅值法相比，測試結(jié)果誤差小、校驗時間短，在變電站二次檢修工作日益繁重的現(xiàn)狀下應(yīng)用價值高，特別在時間就是成績的繼電保護(hù)比武競賽中實用性極強(qiáng)。

[1] 李杰. 一起線路故障引起主變差動保護(hù)誤動的分析[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(12): 112-115, 118.

[2] 羅婉琴. 一起主變差動保護(hù)誤動案例的分析與對策[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(9): 112-115.

[3] 鄒柒華. 差動保護(hù)比率制動三折線特性曲線的現(xiàn)場測試方法[J]. 電力學(xué)報, 2006, 21(2): 208-209.

[4] 廖曉明, 林峰. 微機(jī)型變壓器差動保護(hù)比率制動特性校驗方法分析與應(yīng)用[J]. 廣西電力, 2006, 29(5): 91-95.

[5] 郭權(quán)利, 許鑒, 徐春明. 微機(jī)型比率制動式變壓器差動保護(hù)原理及測試方法[J]. 東北電力技術(shù), 2006, 27(5): 49-52.

[6] RCS—978變壓器保護(hù)裝置培訓(xùn)教材[Z]. 南京南瑞繼保電氣有限公司, 2009.

[7] 繼電保護(hù)和電網(wǎng)安全自動裝置檢驗規(guī)程: DL/T 995—2016[S]. 北京: 中國電力出版社, 2017.

[8] 盧睿. 一種改進(jìn)的變壓器比率差動校驗方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(9): 141-146.

[9] 丁泠允, 胡晶晶. 變壓器比率差動保護(hù)原理及校驗方法[J]. 繼電器, 2007, 35(12) : 67-70.

[10] 曹保江, 劉承志, 王英. 用三相電流源測試阻抗匹配平衡變壓器差動保護(hù)比率特性曲線的方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009, 37(1): 61-64.

[11] 易敏. 變壓器微機(jī)差動保護(hù)檢查及校驗方法[J]. 電氣技術(shù), 2011, 12(10): 96-98.

[12] 王濤, 林桂華. 變壓器保護(hù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2013.

[13] 代家鵬. 對變壓器比率制動差動保護(hù)幾個參數(shù)的再認(rèn)識[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2008, 36(21) : 73-76.

[14] 陸于平, 李玉海, 李鵬, 等. 差動保護(hù)靈敏度與啟動電流、制動系數(shù)和原理之間的關(guān)系[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2002, 26(8): 51-55.

[15] PW系列繼電保護(hù)測試儀用戶使用手冊[Z]. 北京博電新力電氣股份有限公司, 2009.

A novel calibration method of steady-state ratio differential protection coefficient for transformer

WANG Haibo

(State Grid Jiaxing Power Supply Company, Jiaxing, Zhejiang 314000)

In view of the conventional calibration method of the power transformer steady-state ratio differential protection coefficient has the shortcomings of large computation, error-proneness and time-consuming, a novel calibration method by changing the current phase on either side of the main transformer to gain the differential current which can search the precise action point is proposed. The method has the advantages of small computation, easy operation and saving time. Taking the RCS-978G transformer as the test object, the magnitude adjustment, phase adjustment and zero elimination the of differential protection are analyzed. The test steps of the amplitude method are summarized. The principle and test method of the proposed phase method are given. Finally, the practical applications of the amplitude method and phase method are compared and analyzed. The results show that the phase method takes the obvious advantages in measuring accuracy and test time-consuming, and has the highly promotional value.

transformer; differential protection; ratio restraint; slope; calibration

2022-05-05

2022-07-02

王海波（1987—），男，江蘇省徐州市人，碩士，工程師，主要從事繼電保護(hù)裝置檢修維護(hù)、繼電保護(hù)二次回路設(shè)計相關(guān)工作。