RCS-985型微机变压器差动保护的可靠性探讨

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宁夏大坝发电有限责任公司     尤天冬 李亚军  潘建珍（751607）

【摘  要】根据RCS-985型微机变压器差动保护的基本原理，分析了保护原理中存在的问题，以及解决的方法。并对RCS-985型微机变压器差动保护的可靠性进行了探讨。

【关键词】微机变压器保护  可靠性

1引  言
变压器是电力系统的主要设备之一，因此对其保护的可靠性要求是非常严格的。不解决好微机变压器差动保护的可靠性问题，微机变压器差动保护就很难在电力系统中应用。微机变压器差动保护是变压器内部故障的主保护，但是，在原理构成上也存在有许多特点和困难，因此有必要对它作进一步的分析和讨论。
变压器具有两个或更多个电压等级，构成差动保护所用的电流互感器的额定参数各不相同，由于变压器每相原副边电流之差（正常运行时的励磁电流）将作为变压器差动保护不平衡电流的一种来源。由此产生的差动保护不平衡电流也比较大，特别是当电流互感器饱和时情况更为严重，当变压器过励磁运行时，励磁电流可达到变压器额定电流的水平，势必引起差动保护误动作。更有甚者，在空载变压器突然合闸时，或者变压器外部短路被切除而变压器电压突然恢复时，励磁涌流的大小可与短路电流相比拟，在这样大的不平衡电流下，要求差动保护不误动是一个相当复杂困难的技术问题。
微机变压器差动保护的可靠性包括两个方面：即不误动和不拒动。这两者涉及的因素很多，如保护原理、保护配置、保护软件、保护调试、抗干扰、元器件质量等。在保护的构成时保护原理是最关键的，微机变压器差动保护原理包括两个方面：即涌流判别原理和比率差动原理。在解决好保护原理的同时，还要解决好电流互感器饱和对差动保护的影响问题，以及变压器过励磁状态下差动保护的误动问题。
不同原理的保护能够保护性质不同的故障，但也存在着不同的缺陷，如何解决好这些问题，是保证保护可靠性的关键。

2励磁涌流判别原理
在变压器差动保护中励磁涌流判别是一个关键问题，用于区分励磁涌流与内部故障的原理，主要有二次谐波判别原理和波形判别原理。

2． 1二次谐波判别原理

RCS-985型微机变压器差动保护装置采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据，动作方程如下：
                           I2> K2xb×I1                                 （1）     
式中：I2―为每相差动电流中的二次谐波电流；
I1―为对应的差动电流中的基波电流；
K2xb－为二次谐波制动系数的整定值，推荐K2xb 整定为0.15。
二次谐波判别原理主要是应用励磁涌流中含有较大的二次谐波含量来构成的。该原理有如下缺陷：
(1)由于采用或门制动，即三相电流中有一相制动即对三相全部制动，因此，故障相除了受本相中谐波的影响，还要受到健全相涌流的制动。具体表现在空投内部故障或外部故障切除后电压恢复时变压器内部故障，差动保护动作速度不稳定，特别是内部单相匝间短路时，保护动作时间可能大于300ms。
（2）随着电网电压等级的提高和系统规模的扩大以及变压器单机容量的扩大，大型变压器内部严重故障时，由于谐波使短路电流中的二次谐波含量增大，有可能使二次谐波制动，引起差动保护延时动作。
（3）变压器端部接长线或静补电容串联电抗后接入系统，变压器内部故障时暂态自励电流的频率可能接近二次谐波，同样有可能使二次谐波制动，引起差动保护延时动作。

2. 2波形判别原理

    RCS-985型微机变压器差动保护装置，是利用三相差动电流中波形判别作为励磁涌流识别判据。在内部故障时，故障电流经各侧电流互感器变换后，差流基本是工频正弦波。而励磁涌流中有大量的谐波分量存在，波形是间断不对称的。有如下表达式成立：






  S>St





S>Kb×S                                                       （2）  
式中：S －为差动电流的全周积分值；
S －为（差动电流的瞬时值 差动电流半周前的瞬时值）的全周积分值；
Kb－为某一固定常数；
St －为门槛定值。
St的表达式如下
                    St=α×Id 0.1Ie                                       （3）
式中：Id－为差动电流；
Ie－为额定电流；
α－为某一比例常数。
而励磁涌流时，以上波形判别关系式肯定不成立，比率差动保护元件不会误动。
波形判别原理主要是根据励磁涌流波形出现间断来区分故障和励磁涌流的。经过分析得出：偏向一侧的间断的波形一定含有二次谐波；对称的间断的波形不一定含有二次谐波；含有二次谐波的波形不一定间断。这就是二次谐波判别原理为何采用或门制动且在某些情况下差动保护延时动作的原因。但波形判别原理也有其弱点：
（1） 当电流互感器饱和时，间断角中将产生反向电流，饱和愈严重，间断角中的反向电流愈大，使得间断角消失。
（2）小电流情况下电流中的谐波含量以及频率的变化对间断角的测量影响很大。
为了弥补以上分析中二次谐波判别原理和波形判别原理中的缺陷，RCS-985型微机变压器差动保护在两套装置中分别都设置了二次谐波判别原理和波形判别原理进行判别的差动保护，一般情况下，一套装置中差动保护投二次谐波原理，另一套装置中差动保护投波形判别原理。这样就弥补了彼此的缺陷，确保了保护动作得可靠性。

3比率差动原理
RCS-985型微机变压器差动保护装置中采用的比率差动保护的动作方程如下：
       （4）
                         （5）
式中：Id －为差动电流；
Ir －为制动电流；
Icdqd  －为差动电流起动定值；
Ie －为额定电流。
、 、 －分别为变压器高压侧、中压侧、低压侧电流
比率制动系数定义：
KbL－为比率差动制动系数；
KbLr －为比率差动制动系数增量；
KbL1－为起始比率差动斜率，定值范围为0.05"0.15，一般取0.10
KbL2－为最大比率差动斜率，定值范围为0.50"0.80，一般取0.70
n－为最大斜率时的制动电流倍数，固定取6。
由这种比率差动原理构成的差动保护在电流互感器不饱和时，如发生区外故障，制动电流Ir很大，显然有利于制动；如发生区内故障，制动电流Ir很小，一定利于差动。但当电流互感器饱和时如发生区外故障，制动电流Ir不一定很大，显然不一定利于制动，有发生误动的可能；如发生区内故障，制动电流Ir不一定很小，显然不一定利于差动，有延时动作的可能。

4电流互感器饱和时的闭锁原理

    在故障情况下，当电流互感器饱和时，暂态不平衡电流十分大，这样大的不平衡电流是不可能通过单纯提高制动系数来达到防止差动保护误动作的目的，何况为了保证内部故障的灵敏度，差动保护的制动系数不能任意提高。由于电流互感器饱和引起的暂态不平衡电流中具有一定的综合谐波分量。因此，综合谐波制动原理是可以用来加强差动保护在区外故障时的制动作用的。RCS-985型微机变压器差动保护就是利用这一原理提高了区外故障时的制动能力，提高了保护的可靠性。
    为了防止在区外故障时，电流互感器暂态饱和可能引起的稳态比率差动保护误动作，RCS-985型微机变压器差动保护装置采用各相差电流的综合谐波作为电流互感器饱和的判据。其表达式为：     
In>Knxb×I1                          （6）
式中：In －为某相差电流中的综合谐波；
I1－为对应相差电流的基波
Knxb －为某一比例常数。
在故障发生时，RCS-985型微机变压器差动保护装置利用差电流工频变化量和制动电流工频变化量是否同步出现，先判出是区外故障还是区内故障，如区外故障，投入电流互感器饱和闭锁判据，可靠的防止电流互感器饱和引起的比率差动保护误动。

5高值比率差动原理

在故障情况下，当电流互感器饱和时，短路电流的二次波形将发生畸变，完全可能出现间断角和高次谐波。波形判别原理和谐波制动原理的差动保护均可能延时动作。在这种情况下，RCS-985型微机变压器差动保护是采用高定值的差动原理来防止误动的。其定值要大于空载合闸时的涌流最大值。有效的防止了保护的误动，确保了保护的可靠动作。
为避免区内严重故障时，因电流互感器饱和等因素引起的比率差动延时动作，RCS-985型微机变压器差动保护装置设有一高比例和高启动值的比率差动保护，只经过差电流二次谐波或波形判别涌流闭锁，利用其比率制动特性，抗区外故障时电流互感器的暂态和稳态饱和，而在区内故障电流互感器饱和时也能可靠正确快速动作。稳态高值比率差动的动作方程如下：






Id>1.2×Ie
Id>0.70×Ir                    （7）  
式中 ： Id－为差动电流
Ir－为制动电流
Ie－为额定电流

6差动保护在过励磁状态下的闭锁判据
变压器过电压或过励磁时，励磁电流急剧增大，波形严重畸变。当电压达到额定电压的120%"140%时，励磁电流可增至额定电流的10%"43%，这个电流将作为不平衡电流流入差动回路，引起保护误动作。
防止RCS-985型微机变压器差动保护在过励磁状态下误动作的措施是，增设五次谐波制动回路，当过电压为115%"120%时，有最大的五次谐波分量I5，约为基波电流的50%。过电压超过120％时，五次谐波分量将减小。如果过电压达到140%，将严重威胁变压器的安全，此时差动保护动作也是合理的。
由于在变压器过励磁时，变压器励磁电流将激增，可能引起变压器差动保护误动作。因此在RCS-985型微机变压器差动保护装置中采取差电流的五次谐波与基波的比值，作为差动保护的过励磁闭锁判剧。其判剧如下：
I5> K5xb ×I1                （8）
式中I1 、I5分别为每相差动电流中的基波电流和五次谐波电流，K5xb 为五次谐波制动系数，RCS-985型微机变压器差动保护装置中取0.25。

7结论
影响微机型变压器差动保护可靠性的因素是多方面的，提高微机型变压器差动保护的可靠性应从各方面入手。特别是应首先确保变压器差动保护原理的可靠性。RCS-985型微机变压器差动保护充分利用两套装置分别投入的办法，让二次谐波判别原理和波形判别原理互补，解决了励磁涌流判别的问题；用电流互感器饱和时的闭锁原理解决了区外故障时，电流互感器的暂态与稳态饱和可能引起的比率差动保护的误动作的问题；用高值比率差动原理解决了区内严重故障时，因电流互感器饱和等因素引起的比率差动的延时动作的问题。以及利用差电流的五次谐波电流与基波电流的比值作为过励磁闭锁判剧，避免了差动保护在变压器过励磁状态下的误动作。确保了RCS-985型微机变压器差动保护原理和实际动作的可靠性。

【参考文献】 王维俭：电气设备继电保护原理与应用.北京：中国电力出版社 1996
尤天冬  男 32 大学本科  大坝发电有限责任公司  继电保护（岗位）
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