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

王海波

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

王海波

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

針對(duì)幅值法校驗(yàn)變壓器穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)保護(hù)系數(shù)計(jì)算量大、易出錯(cuò)、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)，提出一種通過(guò)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(dòng)電流從而精確獲得保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)的方法，該方法具有制動(dòng)電流恒定、計(jì)算量小、易操作、節(jié)省時(shí)間等優(yōu)勢(shì)。以RCS—978G變壓器保護(hù)裝置為試驗(yàn)對(duì)象，分析差動(dòng)保護(hù)的幅值、相位及消零處理方式，總結(jié)幅值法校驗(yàn)步驟，給出所提相位法的原理及校驗(yàn)方法，最后通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析幅值法與相位法的實(shí)際應(yīng)用效果。結(jié)果表明，相位法在測(cè)量精度及校驗(yàn)耗時(shí)方面優(yōu)勢(shì)明顯，具有推廣價(jià)值。

變壓器；差動(dòng)保護(hù)；比率制動(dòng)；斜率；校驗(yàn)

0 引言

差動(dòng)保護(hù)作為電力變壓器電氣主保護(hù)，對(duì)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(dòng)保護(hù)不可靠動(dòng)作[1-2]，引入制動(dòng)電流的概念。目前，同時(shí)考慮差動(dòng)電流與制動(dòng)電流的具有三段式比率制動(dòng)特性的穩(wěn)態(tài)差動(dòng)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(shí)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(dòng)特性的斜率、拐點(diǎn)及轉(zhuǎn)角方式等方面存在差異，導(dǎo)致在校驗(yàn)穩(wěn)態(tài)比率制動(dòng)特性曲線斜率時(shí)，不同廠家設(shè)備的校驗(yàn)方法有所不同。本文以南瑞繼保RCS—978G裝置為對(duì)象進(jìn)行相關(guān)研究[6]。

繼電保護(hù)裝置校驗(yàn)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(dòng)差動(dòng)保護(hù)是變壓器的主保護(hù)，其比率制動(dòng)特性，尤其是三段式特性中第二段的斜率，是校驗(yàn)項(xiàng)目中的必測(cè)項(xiàng)目。在各種繼電保護(hù)比武競(jìng)賽中，值校驗(yàn)是主變保護(hù)必考項(xiàng)目。因此，能夠正確且快速地進(jìn)行值校驗(yàn)是對(duì)所有二次專業(yè)工作人員的基本要求。目前，常規(guī)的校驗(yàn)方法為幅值法，該方法存在計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)、易出錯(cuò)、誤差大等諸多不足，在工程應(yīng)用中給工作人員帶來(lái)許多不便。盡管工程人員不斷改進(jìn)試驗(yàn)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(yàn)比率制動(dòng)斜率的相位法，該方法概念清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單，可以顯著提高校驗(yàn)工作效率。

1 變壓器穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)保護(hù)

變壓器差動(dòng)保護(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 變壓器差動(dòng)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(jì)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(guò)移相計(jì)算差動(dòng)電流表達(dá)式為

1.2 幅值校正

因?yàn)樽儔浩麟妷罕扰c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(shí)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(duì)于220kV電壓等級(jí)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(diǎn)直接接地。若高壓側(cè)發(fā)生區(qū)外接地故障，會(huì)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(méi)有零序電流。因此，在差動(dòng)電流計(jì)算中，為了保障變壓器差動(dòng)保護(hù)不會(huì)因零序電流的存在而發(fā)生誤動(dòng)作，保護(hù)裝置計(jì)算差動(dòng)電流時(shí)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(dòng)保護(hù)

為避免不平衡電流導(dǎo)致單一差動(dòng)保護(hù)的不可靠動(dòng)作，引入制動(dòng)電流的概念。為了提高變壓器空載情況下保護(hù)對(duì)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(dòng)特性，如圖3所示。

圖3 RCS—978G三段式穩(wěn)態(tài)比率制動(dòng)特性

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

結(jié)合圖3，低值比率差動(dòng)動(dòng)作特性方程為

制動(dòng)電流與差動(dòng)電流計(jì)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(dòng)保護(hù)采用按相判別方式，當(dāng)滿足式（5）與式（6）條件時(shí)動(dòng)作。

2 比率差動(dòng)保護(hù)K值幅值校驗(yàn)法

2.1 理論動(dòng)作點(diǎn)計(jì)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(dòng)作點(diǎn)的有名值相量為

式中：dA為點(diǎn)A的差動(dòng)電流；rA為點(diǎn)A的制動(dòng)電流；hA為點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的高壓側(cè)二次電流值；1A為點(diǎn)A對(duì)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(yàn)動(dòng)作點(diǎn)

在實(shí)際加量過(guò)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(dòng)作區(qū)進(jìn)入動(dòng)作區(qū)。因此初始加量時(shí)，高壓側(cè)電流按照理論計(jì)算有名值施加，低壓側(cè)可以按照1.05倍的理論計(jì)算值施加，通過(guò)以一個(gè)較小步長(zhǎng)（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(dòng)臨界動(dòng)作點(diǎn)，保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)記下低壓側(cè)電流的實(shí)測(cè)有名值。

2.3 試驗(yàn)動(dòng)作點(diǎn)標(biāo)幺化

在式（6）中，差動(dòng)電流與制動(dòng)電流均以實(shí)測(cè)的各側(cè)電流標(biāo)幺值代入，因此在測(cè)得保護(hù)裝置的試驗(yàn)動(dòng)作點(diǎn)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(jì)算斜率K

利用與A點(diǎn)相同的計(jì)算與試驗(yàn)方法可以求得B點(diǎn)的保護(hù)裝置動(dòng)作實(shí)測(cè)值。通過(guò)兩點(diǎn)可以求得比率制動(dòng)斜率，即

校驗(yàn)時(shí)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(cè)試儀與保護(hù)裝置接線如圖4所示。

圖4 保護(hù)測(cè)試儀與保護(hù)裝置接線

3 穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)保護(hù)K值相位校驗(yàn)法

通過(guò)幅值校驗(yàn)法分析可以看到，該方法盡管對(duì)于差動(dòng)保護(hù)原理的理解較為清晰，但是存在計(jì)算量非常大、試驗(yàn)過(guò)程繁瑣等缺點(diǎn)，不利于提高檢修工作效率及節(jié)省技能競(jìng)賽耗時(shí)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，最終實(shí)測(cè)的動(dòng)作點(diǎn)其制動(dòng)量已經(jīng)偏離了題目要求的校驗(yàn)點(diǎn)。針對(duì)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(yàn)方法，該方法不需要復(fù)雜的計(jì)算，而且在手動(dòng)試驗(yàn)改變變量過(guò)程中不改變制動(dòng)電流量。實(shí)踐證明，該方法可以極大提高校驗(yàn)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(diǎn)為例。試驗(yàn)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(guò)保護(hù)裝置直接讀取此時(shí)的差動(dòng)電流。在RCS—978G中，保護(hù)裝置面板差動(dòng)電流以有名值形式顯示，計(jì)算時(shí)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(dòng)電流保持固定，得到的動(dòng)作點(diǎn)即為動(dòng)作特性曲線上惟一的點(diǎn)。用同樣的方法可以得到B點(diǎn)的差動(dòng)電流值。在相位法中，高、低壓側(cè)二次額定電流值及差動(dòng)動(dòng)作電流值通過(guò)保護(hù)裝置“保護(hù)狀態(tài)→保護(hù)板狀態(tài)→ CPU計(jì)算定值→縱差計(jì)算定值”菜單可以直接讀取，因此幾乎沒(méi)有需要復(fù)雜計(jì)算的環(huán)節(jié)。

4 試驗(yàn)分析

以RCS—978G保護(hù)裝置為試驗(yàn)對(duì)象，保護(hù)測(cè)試儀采用北京博電PW31E，對(duì)幅值法與相位法兩種校驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。試驗(yàn)中取上述的A、B兩點(diǎn)。相關(guān)保護(hù)裝置定值參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)測(cè)試儀分辨率[15]，兩種測(cè)試方法均按照裝置最小分辨率采用手動(dòng)模式加量，其中幅值法調(diào)整步長(zhǎng)為0.001A，相位法中調(diào)整步長(zhǎng)為0.1°。兩種方法的試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表2與表3。

表1 保護(hù)裝置定值參數(shù)

表2 幅值法試驗(yàn)結(jié)果

表3 相位法試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用幅值法求得的比率制動(dòng)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(guò)程中，測(cè)試點(diǎn)的軌跡變化。幅值法為從A1到A3的變化，即從不動(dòng)作區(qū)進(jìn)入動(dòng)作區(qū)，由于保護(hù)裝置顯示精度、保護(hù)測(cè)試儀輸出精度及誤差等原因，最終的實(shí)際動(dòng)作點(diǎn)往往偏離理論點(diǎn)A。可以看到，在變化過(guò)程中，動(dòng)作點(diǎn)的制動(dòng)量是變動(dòng)的，不滿足校驗(yàn)提出的的固定制動(dòng)量要求。相位法為從A2到A點(diǎn)的變化，即從平衡態(tài)到臨界動(dòng)作，該方法維持制動(dòng)量，僅通過(guò)調(diào)節(jié)相位逐漸增大差動(dòng)量，實(shí)踐表明，該方法精度非常高，由于省去了大量的計(jì)算工作，避免了計(jì)算過(guò)程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，因而提高了校驗(yàn)工作的準(zhǔn)確性，節(jié)省了時(shí)間。

圖6 測(cè)試點(diǎn)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(yàn)法來(lái)校驗(yàn)主變穩(wěn)態(tài)比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)斜率值，該方法通過(guò)改變高低壓任意一側(cè)電流的相位測(cè)得固定制動(dòng)電流情況下的臨界差動(dòng)動(dòng)作電流。該方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中（以RCS—978G為例）只需要極少的計(jì)算環(huán)節(jié)，與幅值法相比，測(cè)試結(jié)果誤差小、校驗(yàn)時(shí)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(jià)值高，特別在時(shí)間就是成績(jī)的繼電保護(hù)比武競(jìng)賽中實(shí)用性極強(qiáng)。

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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(jì)相關(guān)工作。