500 kV變壓器繼電保護若干問題研究

韋舉仁

（南方電網超高壓輸電公司百色局，廣西百色533000）

0 引言

500 kV變壓器的主保護為差動保護，對變壓器內部發生的任何故障，差動保護的動作邏輯和閉鎖邏輯沒有任何區別。當變壓器的內部發生輕微故障時，差動保護的靈敏度較低。因此，為解決差動保護靈敏性的問題，通常為變壓器配置不同原理的差動保護。本文分析了不同的差動保護相位補償原理對靈敏度的影響，提出了幾種變壓器差動保護配置方案，以兼顧繼電保護的“四性”。

1 變壓器差動保護的靈敏性問題

差動保護的靈敏度是變壓器安全運行的重要前提，而不同的差動保護相位補償對靈敏度的影響有所不同。

1.1 變壓器差動保護相位補償方式

以最常見的Y，d11變壓器為例，對于差動保護接線，變壓器高壓側電流與低壓側電流之間的相位相差30°。通過軟件計算對電流進行相位補償，可消除相位差所造成的不平衡電流。根據相量圖，若要滿足同相位要求，需將變壓器高壓側的電流按照逆時針的方向旋轉30°，或者是將變壓器低壓側的電流按照順時針方向旋轉30°，即可使變壓器兩側電流處于同相位。即對應兩種相位補償方式：星形側向三角形側補償方式（即Y→△）和三角形側向星形側補償方式（即△→Y）。根據差動保護相位補償的不同方式，保護的靈敏度會在變壓器發生內部短路時有所不同。對于微機保護，差動保護配置CT的接線方式一般為星形接線。而對于星形接線，通過軟件計算可對電流的相位和幅值進行補償。

1.2 Y→△相位補償方式

采用全星形接線時，設星形側電流互感器各相電流采樣的值為I˙A、I˙B、I˙C，軟件按下式算出轉換后用于差動計算的三相電流I˙A′、I˙B′、I˙C′。

上式對應的向量圖如圖1所示。

1.3 △→Y相位補償方式

對于變壓器低壓側，軟件采用的相位補償計算方式如下式所示：

上式對應的向量圖如圖2所示。

圖1 Y→△相位補償向量圖

圖2 △→Y相位補償向量圖

由圖2可知，經微機算法進行補償后，變壓器高、低壓兩側的電流相位和幅值得到了校正并處于同一相位。但該補償計算方法沒有將Y側零序電流的變化考慮進來，只適用于變壓器各相電流完全對稱的情況。若變壓器Y側發生單相接地故障，電流回路中將出現由于零序電流導致的不平衡電流，可能引起差動保護誤動。因此，需要采取措施將零序電流的影響考慮進來。

在差動保護的保護范圍內，當變壓器高壓側發生單相接地故障時，變壓器高壓側的零序電流與變壓器中性點零序電流的方向相同；而在差動保護的保護范圍外發生單相接地故障時，變壓器高壓側零序電流與變壓器中性點零序電流的方向相反。因此，可以在變壓器高壓側通過如下算法計入變壓器中性點的零序電流I˙0，對二次電流進行匹配：

對于上述算法中將變壓器中性點的零序電流引入計算之中的分析如下：

在差動保護的保護范圍外，當變壓器發生單相接地短路故障時，變壓器高壓側A相的短路電流=，其中為正序短路電流，為負序短路電流，為零序短路電流。而變壓器中性點的電流為，該電流的方向與流過A相的零序電流相差180°。在式（3）中，通過算法減去零序電流之后，補償后的電流則為。如此，補償后的高壓側電流不受零序電流的影響，而變壓器的低壓側本身沒有零序電流。因此在變壓器差動保護范圍外發生單相接地故障時，差動電流計算中就沒有不平衡電流，不會發生保護誤動。

在差動保護的保護范圍內，當發生單相接地故障時，此時在式（3）中加上了零序電流，流過A相繼電器的電流為′=+。可見，在差動保護區內發生單相接地短路故障時，流過差動繼電器的電流量增加了零序電流I˙0，靈敏度更高。

2 不同補償方式的對比

在變壓器高壓側發生單相接地故障時，對于不同的相位補償方式，差動保護的靈敏度會受到不同的影響。對于采用Y→△相位校正方式的差動保護，當變壓器高壓側發生單相接地故障時，用于差動計算的三相電流′并沒有考慮零序電流分量，差動保護動作量變小，差動保護靈敏度會降低。而對于采用△→Y相位校正方式的差動保護，當變壓器高壓側發生單相接地故障時，由于考慮了零序電流I˙0，使得差動保護的動作量變大，差動保護的靈敏度得到提高。

對于500 kV變壓器，當其高壓側發生相間短路故障時，低壓側不會流過或者只會流過很小的故障電流。因此變壓器差動保護的差動電流的大小主要受高壓側影響。以變壓器高壓側AB相間短路故障為例，變壓器Y側A相電流經相位補償后有下式：

由上式可知，經過Y→△相位補償后，Y形側電流I˙A′為高壓側電流I˙A、I˙B的向量差。當發生區內相間短路故障時，差動保護的動作量提高了15%，即提高了差動保護的靈敏度。而對于△→Y相位補償方式，高壓側電流沒有經過向量差，靈敏度沒有得到提高。

可見，當差動保護范圍內發生單相接地故障時，采用△→Y相位校正方式的差動保護具有更高的靈敏度；而發生相間短路故障時，采用Y→△相位校正方式的差動保護具有更高的靈敏度。

3 提高差動保護靈敏度的方法

通過改進算法提高差動保護靈敏度。如上文所述，對于△→Y相位補償方式的差動保護，在高壓側電流中計入變壓器中性點零序電流后，對于區域外單相接地故障，制動電流會變大；當發生區內單相接地故障時，又能夠提高保護的靈敏度。

針對500 kV變壓器，采用Y→△相位補償方式的差動保護需配置零序差動保護。當前微機保護裝置一般都具備零序差動保護的功能，針對實際情況可通過定值整定自行決定是否投入零序差動保護。一般情況下，考慮到正常的負荷電流中很少有零序分量，零序差動保護動作的正確率相對較低。所以，對于220 kV及以下電壓等級的變壓器保護，零序差動保護很少投入。但500 kV變壓器一般為單相式自耦變壓器，變壓器發生內部短路故障大多都是單相接地故障，所以應當配置零序差動保護。另外，對于500 kV的自耦變壓器，在中性點處都配置了電流互感器，各相電流的相位也容易測量。

最后，差動保護的靈敏性還受到差動保護制動電流的影響。對于比率差動保護，其制動電流一般使用相電流進行計算。但是當變壓器處于重載的狀態下，若其內部發生輕微的匝間故障，差動保護靈敏度不夠，可能不會動作。針對變壓器內部的輕微匝間故障，為提高差動保護的靈敏度，需配置變化量差動保護。變化量差動的制動電流計算原理與比率差動保護的計算方法有所區別，變化量差動保護的制動電流更小，保護靈敏度更高。因此，增配變化量差動保護，以提高差動保護對輕微匝間故障的靈敏度。

4 總結及建議

在兼顧主保護靈敏性、速動性、可靠性等多方面因素的前提下，對變壓器差動保護配置給出如下建議：對于采用Y→△相位補償的比率差動保護，需配置零序差動保護和變化量差動保護。Y→△相位補償方式對相間短路故障靈敏度較高，同時通過增加零序差動保護提高了對單相接地短路故障的靈敏度；增加變化量差動保護可以提高對變壓器內部輕微匝間短路故障的靈敏性。而對于△→Y相位補償的差動保護，需配合變化量差動保護。該方案在高壓側進行相位補償的計算過程中，將變壓器中性點的零序電流分量引入計算之中，具有對單相接地短路故障靈敏度高的優點；同時，也通過配置變化量差動保護，以提高反應變壓器內部輕微匝間短路的靈敏性。