變壓器差動保護相量測量的新方法及分析

王世佳 王立璞 王忠濤 李泉

【摘要】電力變壓器是電力系統重要的變電設備，對確保供電可靠性和系統正常運行具有重要作用。大容量的變壓器都安裝有性能良好、工作可靠的差動保護裝置作為變壓器的主保護。變壓器差動保護投入運行之前，我們必須帶負荷測量變壓器各側電流的相位和數值大小，以校核電流回路接線是否正確。從而可以發現并解決變壓器差動保護在設計、安裝、整定過程中可能出現的各種問題。為了保證電流大小及相位測量正確，克服電流互感器誤差等影響差動回路電流的因素，通常要求變壓器在帶20%-30%負荷下進行相位測量。文中詳細的論述在差動保護向量測試中，我們需要檢驗測哪些量，測得的數據如何進行分析、判斷等。同時，我們就新站所投入前出線負荷太小或低壓側出線還沒有負荷，導致向量測試無法實施時，我們經常采用空載的兩臺變壓器并列運行，在低壓側合環，調整兩臺主變壓器電壓抽頭，使其產生電壓差，從而在兩臺變壓器中可以測量到無功環流，這樣仍舊可以對變壓器差動保護電流二次回路相位進行測量。

【關鍵詞】差動保護;向量;帶負荷測試;環流法;數據分析

1.帶負荷測變壓器差動向量

差動保護原理簡單、使用電氣量單純、保護范圍明確、動作不需延時，一直用于變壓器做主保護，其運行情況直接關系到變壓器的安危。怎樣才知道差動保護的運行情況呢？怎樣才知道差動保護的整定、接線正確呢？最快捷、準確的方法是用負荷電流檢驗。但檢驗時要測哪些量？測得的數據又怎樣分析、判斷呢？下面就針對這些問題做些討論。

1.1 變壓器差動保護帶負荷測試內容

要排除設計、安裝、整定過程中的疏漏（如線接錯、極性弄錯、平衡系數算錯等等），就要收集充足、完備的測試數據。實際運行中由于條件限制，測量數據前至少應保證CT二次電流不小于0.3A。

1.1.1 差流

變壓器差動保護是靠各側CT二次電流和差流工作的，所以，差流是差動保護帶負荷測試的重要內容，對于微機型保護裝置應進入相應的界面，讀取差流數值。測試前應斷開差動保護跳閘壓板。

1.1.2 各側電流的幅值和相位

只憑借裝置讀取差流來判斷差動保護正確性是不充分的，在負荷電流較小時，一些接線或變比的小錯誤，往往不會產生明顯的差流，且差流隨負荷電流變化，負荷小，差流跟著變小，所以，除測試差流外，還要測出變壓器各側電流的幅值和相位并記錄。同時與微機保護裝置測量的電流幅值和相位進行核對。通過以高壓側電壓為基準測出主變各側電流的大小及相角，按比例繪制而成，形成一個等邊六角圖。測試各側電流的幅值和相位一般采用三相智能數字相位表，只須將三相電壓、三相電流按板性端接入相位表，即可在表上直觀顯示各式各參量的大小、角度以及相序相位。

1.1.3 變壓器潮流

通過控制屏上的電流、有功、無功功率表，或者監控顯示器上的電流、有功、無功功率數據，記錄變壓器各側電流大小，有功、無功功率大小和流向，為CT變比、極性分析奠定基礎。

1.2 變壓器差動保護負荷測試數據分析

數據收集完后，便是對數據的分析、判斷。數據分析是帶負荷測試最關鍵的一步，如對變壓器差動保護向量分析錯誤，將直接威脅變壓器安全運行。那么對于測得的數據我們應從哪些方面著手呢？

1.2.1 看電流相序

正確接線下，各側電流都是正序：A相超前B相，B相超前C相，C相超前A相。若與此不符，則有可能：a.在端子箱的二次電流回路相別和一次電流相別不對應，這種情況在一次設備倒換相別時最容易發生。b.從端子箱到保護屏的電纜芯接反，這種情況一般由安裝人員的馬虎造成。

1.2.2 看電流的對稱性

每側A相、B相、C相電流幅值基本相等;相位互差120?，若一相幅值偏差大于10%或相位偏差大于10%，則有可能：a.變壓器負荷三相不對稱，一相電流偏大或偏小。b.變壓器負荷三相對稱，但波動較大，造成測量中出現波動。c.某一相CT變比接錯，該相CT二次繞組抽頭接錯。d.某一相電流存在寄生回路，造成回路電流減小和相位偏移。e.變壓器負荷功率因數波動較大，造成測量時相位波動大。

1.2.3 看各側電流幅值，核實CT變比

用變壓器各側一次電流除以二次電流，得到計算CT變比，該變比應與實際變比一致。

1.2.4 看兩（或三）側同名相電流相位，檢查差動保護電流回路極性組合的正確性

這里要將兩種接線分別對待，一種是將變壓器Y型側CT二次繞組接成Δ，另一種是變壓器各側CT二次繞組都接成Y型。對于前一種接線，其兩側二次電流相位應相差180?，對于后一種接線，其兩側二次電流相位相差角度與變壓器接線方式有關。比如變壓器為Y/Δ-11接線，其高壓側二次電流應超前低壓側150?。若兩側同名相電流相位差不滿足要求（偏差大于10?），則有可能：a.將CT二次繞組組合成Δ時，極性弄錯或相別弄錯，比如Y/Δ-11變壓器在組合Y型側CT二次繞組時，組合后的A相電流應在A相CT極性端和B相CT非極性端的連接點上引出。b.一側CT二次繞組極性接反。

圖1

1.2.5 看差流大小，檢查整定值的正確性

對勵磁電流和改變分接頭引起的差流，變壓器差動保護一般不進行補償，而采用帶動作門檻和制動特性來克服，所以，測得的差流不會等于零。那么什么標準來衡量差流合格呢？通常差流值應小于0.3Icd（Icd為差動低定值），該臺變壓器差動回路正確;否則，有可能是：a.變壓器實際分接頭位置和計算分接頭位置不一致。b.變壓器Y型側額定二次電流算錯。由于微機變壓器差動保護在“計算Y型側額定二次電流乘不乘”問題上沒有統一，所以，整定人員容易將Y型側額定二次電流算錯，從而，造成平衡系數整定錯。

2.環流法測變壓器差動向量

實際工作中，許多新變電站投運時，往往低壓側出線還沒有負荷，導致向量測試無法實施。這時我們常采用環流法進行差動向量測量。

2.1 環流法測試原理

空載的兩臺變壓器并列運行，在低壓側合環，調整兩臺主變壓器電壓抽頭，使其產生電壓差，從而在兩臺變壓器中可以測量到無功環流。這樣就可以通過環流進行變壓器差動向量測量，通稱為“環流法”。為了方便原理分析，取兩臺變比不同的單相變壓器并聯運行來分析。如圖1所示，兩臺單相變壓器a和b的原邊同接至一母線，副邊也同接至另一母線。設變比ka>kb，即變壓器a的副邊電壓比變壓器b的高，其電壓之差為兩副邊的開路電壓之差，由于兩變壓器空載，其副邊回路產生的電流只能在兩個副繞組中流通，稱之為環流，當兩臺變壓器變比確定后，其變比短路阻抗是一定的，并列運行的環流大小主要取決于副邊的空載電壓，而此電壓是由主變壓器調壓抽頭調節。另外由于變壓器的漏阻抗比較小，即使變比相差不大，也能引起較大的環流。由于環流的存在，將在2臺變壓器一次繞組中分別產生Ila和Ilβ，通過測量變比不等的2臺變壓器空載并列運行時一、二次循環電流相位，達到校核差動保護電流回路接線是否正確的目的。綜上所述，通過調節并列運行主變壓器的電壓抽頭，造成變比差，可以在變壓器內部產生適當的環流，從而達到測量變壓器差動向量的目的。

2.2 環流法測試的應用

2014年7月，遷鋼電廠六總降110kV變電站送電時現場還沒有負荷，而現場需要試車及調試電源，差動向量無法按正常帶負荷完成向量測試，差動保護無法投運。于是，采用了“環流法”進行向量測試，通過調節主變壓器調壓分頭，在變壓器組中形成環流完成向量測試。以該廠六總降1#、2#變向量測量為例，固定1號變分頭在3檔，2號變分頭在1檔位，產生一次環流，電流互感器二次也感應出相應的二次電流。環流計算如下：1號主變壓器調壓分接頭置于“3”位，一次電壓為115500V;2號主變壓器調壓分接頭置于“1”位，一次電壓為110000V。

1號變壓器阻抗電壓為：

U%×UN2=10.23%×10000=1023V

2號變壓器阻抗電壓為：

U%×UN2=10.32%×10000=1032V

高壓側電壓差為：

AU1=115500-110000=5500V

低壓側電壓差為：

AU2=5500/（110/10）=500V

50MVA變壓器低壓側額定電流為：

12=50000/（1.732×10）=2886A

折算至低壓側1號變壓器短路阻抗為：

Z2K=1023/2886=0.354Ω

折算至低壓側2號變壓器短路阻抗為：

Z2K=1032/2886=0.357Ω

可得環流為：

12h=500/（0.354+0.357）=705A

折算至高壓側電流為：705/（110/10）=64A

高壓側TA二次側電流為：64/（400/5）二0.8A

該電流完全達到相位測量所要求的精確值。

圖2

圖2所示的主接線，相量測試1次即可完成，運行方式：斷路器111合，斷路器145、102、502，512、501，101合，112分，固定1號變分頭在3檔，調節2號變分頭到1檔。

由于兩個變壓器內部電壓不同，將產生環流。此時環流在聯絡斷路器145-102-2#變壓器-斷路器502-512-501-1#變壓器-斷路器101-145中流動，111斷路器沒有電流流過。

在這種方式下，能完成1#變壓器主進斷路器101對501的相量測試，及2#變壓器主進斷路器102對502的相量測試。

1#主變測試數據如表1所示：

表1 1#主變測試數據

系統運行狀況 項目CT變比

位置 CT變比 一次電流 一次電流

高壓側 400/5 66A 66A

低壓側 3000/5 700A 700A

各回路

二次電流 項目

位置 二次電流

IA IB IC IN

高壓側差動411 0.82A 0.82A 0.82A

高壓側后備421 0.82A 0.82A 0.81A

高壓側計量431 0.82A 0.81A 0.81A

低壓側計量481 1.16A 1.17A 1.16A

低壓側后備491 1.16A 1.17A 1.17A

低壓側差動501 1.17A 1.18A 1.16A

110KVUa為基準，電流超前 項目

位置 U V W

411 345° 224° 102°

421 346° 224° 102°

431 346° 223° 102°

501 196° 78° 315°

10KVUa為基準，電流超前 491 165° 43° 285°

481 346° 224° 105°

差動繼電器相位檢查 高壓側

低壓側 U411 V411 W411

U501 149° 28° 266°

V501 267° 146° 24°

W501 30° 269° 147°

差流測量 U V W

0 0 0

通過以上數據可見，1#主變二次電流為0.82A，與理論計算基本吻合，變比正確;其一次A、B、C三相電流大小相等，相位差接近120度，順相序;其二次A、B、C三相電流大小相等，相位差接近120度，順相序;差流正常，可以判斷1號主變差動保護電流回路接線正確，相量測試正常，符合投運條件。

3.結論

帶負荷測試對變壓器差動保護的安全運行起著至關重要的作用，對于我們繼電保護人員要有足夠的重視。帶負荷測試前，要深入了解變壓器差動保護原理、實現方式和定值意義，熟悉現場接線;帶負荷測試中，要按照帶負荷測試內容，認真、仔細、全面收集數據;帶負荷測試后，要對照上述分析方法，逐一檢查，逐一判斷。只要切實做到了這三點，變壓器差動保護就萬無一失了。

參考文獻

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作者簡介：王世佳（1994—），男，華北電力大學電氣與電子工程學院大三學生，華電校史、黨史研究會會長，多次利用假期及課余時間到首鋼的遷鋼、京唐以及唐鋼等相關廠礦實習、調研。