变压器零序差动原理及整定

变压器零序差动原理及整定

徐铭

西门子电力自动化有限公司  南京  211100

摘要：变压器零序差动保护是变压器保护中的一种重要的保护方式，主要是针对变压器的零序故障进行保护。当变压器出现故障时，会产生零序电流，这些电流会通过变压器的中性点流回到变压器的两端，形成一个环路。利用差动保护装置可以检测这个环路中的电流，如果电流超过了设定值，就会触发保护动作，切断故障电路，保护变压器。本文将介绍变压器的测量原理,并以西门子7UT变压器保护装置为例分析零序差动保护动作特性，最后对零差保护的整定方法进行总结。

关键词：变压器；零序：差动保护；原理；整定

引言

继电保护装置可以有效地识别和控制变压器的故障，从而大大降低故障发生的概率，缩小故障范围，并且有效地保障设施的安全运行。具体地说，它既能够保证发电机变压器安全运行，又能优化装置，使变压器的运行效率最大化，不但能保障变压器始终可以正常运行，而且轻易不会发生安全事故。

一、变压器零差保护测量原理

变压器零序差动保护测量的原理是利用变压器的三相电流之和为零的特点，通过比较变压器两侧的零序电流的差值来判断变压器是否发生了零序故障。当变压器两侧的电流差超过一定的阈值时，就会触发零差保护动作，以保护变压器不受损坏。在正常运行期间，中性点侧没有任何电流Isp流经地线，同时出口侧相电流和3I0=IL1+IL2+IL3也约为零。

当区内接地故障时，零序电流Isp会从中性点地线上流过；根据电力系统的接地状态，可能在出口侧相电流互感器中也流过零序电流（图1-1中虚线箭头表示）。该电流与中性点零序电流基本上同相。所有流入被保护范围的零序电流定义为正方向。

           图1 变压器区内单相接地时电流分布示意图

当区外接地故障时（如图2），零序电流Isp从中性点地线上流过；此时出口侧的电流互感器也会有相同幅值的零序电流3I0流过。由于所有流入被保护范围的零序电流定义为正方向，因此该零序电流与中性点零序电流Isp相位相反。

         图2 变压器区外单相接地时电流分布示意图

我们注意到，在区域外非接地故障的情况下产生的穿越性大电流可能导致各相电流变压器出现不同程度的饱和度，以此感应产生自产零序电流，这个零序电流看似区内接地故障电流。 因此，必须采取措施防止这种电流导致保护误跳。零序差动保护采用了与传统纵联差动保护截然不同的制动方式，它不仅测量两侧零序电流的幅值，同时还评估这两个零序电流的相位差。

二、变压器零差保护评估的测量值

零序差动保护比较流入中性点的基波电流，在以下用3I0’标明；比较相电

流之和，在以下用3I0"标明。因而，提到如下公式：

3I0' = ISP                         (1-1)

3I0" = IL1 + IL2 + IL3               (1-2)

     仅用3I0'作为跳闸判断量，在保护区内故障，此电流总是存在

           跳闸电流：Id =|3I0’|                         (1-3)

           制动电流：Ires=(|3I0' – 3I0"| – |3I0' + 3I0"|)    (1-4)

                           =(|3I0'– 3I0"eˉjφ| – |3I0' +3I0"eˉjφ|)

=3I0'*(|1-3I0"/3I0' *eˉjφ| –|1+3I0"/3I0' *eˉjφ|)                        

    假定3I0’=3I0"时，Irest=3I0'*（|1-1*eˉjφ|-|1+1*eˉjφ|）

φ—3I0'与3I0"之间相角差，

(1-5)

差动制动量Ires和零序电流差动动作量Id，假定││≤ 900，变压器区内接地短路故障（假定3I0’>3I0“时），由式（2-5）计算知，当=900时，I´res=0；当=00时，I´res=-2（3I0’’）；当=900~00时，I´res=0~ -2（3I0’’）变化,即││≤ 900时，计算值I´res为负值时，装置内部自动设置Ires为0，制动电流Ires=0，保护无制动动作。││>900，变压器区外接地短路故障时（假定3I0’≥3I0“），││>900时，计算值I´res为正值，则制动电流Ires=I´res。变压器区外接地短路故障当=1800时，Ires=2（3I0“）；当=900~1800时，Ires=0~2（3I0“）变化，保护具有强制动作用。为简化式（1-4），假定在900~1100变化时，零序电流差动保护制动电流Ires近似计算式为                       

  Ires≈-2×(3I0“)×cosφ  (1-6)

三、变压器制动式零序电流差动的保护动作判据

遵循的原则有：

（1）φ=0~900时，计算制动电流I´res≤0（I´res为负值时装置自动取Ires=0），此时动作值等于最小动作电流。

（2）φ=900~1800，制动式零序电流差动保护动作边界条件为

=由此可得动作方程为

== （1-7）

由（1-7）经计算：                             

=           (1-8)

式中Kres─制动系数，内部设置Kres=4

四、变压器制动式零序电流差动的保护动作特性

（1）制动式零序电流差动保护的电流制动特性通常包括两个方面：制动电流大小和制动时间。制动电流大小是指保护装置检测到接地故障时发出信号的电流大小，一般应该大于接地故障电流的一定倍数，以确保保护装置的检测灵敏度。制动时间是指保护装置检测到接地故障后发出信号的时间，一般应该尽可能短，以确保保护装置的动作速度。如图3所示，图中纵坐标为制动式零序电流差动保护动作电流Id.op与最小动作电流Id.op.min之比，即纵坐标为I*d.op=Id.op/ Id.op.min, 当φ≤900和φ=1800，横坐标为比值在第I象限φ≤900比值=计算，为正实数；第II象限φ=1800比值=为负实数。

              图3  电流制动特性图

（2）保护动作特性，具有区外接地路故障时，保护被制动而可靠不动作；变压器中性点一次侧仅有很小的零序不平衡电流，从而仅有很小的二次不平衡电流3I0.unb.n ，它可用最小动作电流Id.op.min躲过区外相间短路故障时变压器中性侧的零序不平电流3I0.unb.n，此时制动式零序电流差动保护不动作。

（3）相角制动特性。其作用是提高保护的可靠性和速度，通过比较系统中各相的相角差异来判断是否存在短路故障。当短路故障发生时，各相的相角差异会显著减小，从而触发保护动作。如图4所示，图中纵坐标为制动式零序电流差动保护动作电流Id.op与最小动作电流Id.op.min之比，即纵坐标为I*d.op=Id.op/Id.op.min, 横坐标为零序电流之相角差,由图4知，当<900时，保护特性将会失效；当在900~1800之间时，制动式零序电流差动保护在制动特性区工作，实际上当>1000时，保护特性会完全制动，并且保护不动作；

                       图4 相角制动特性图

根据图4中的保护相角制动特性曲线分析知：

1）当变压器区外接地短路故障时>1000, 制动式零序电流差动保护制动而可靠不动作。

2）当变压器区内接地短路故障时≤ 900,制动式零序电流差动保护无制动而非常灵敏的动作。

3）变压器区外相间短路故障由于三相TA暂态误差不一致而产生随机的3I0.unb.t，虽然随机不确定，但此时变压器中性点一次侧仅有很小的零序不平衡电流，从而仅有很小的二次不平衡电流3I0.unb.n ，它可用最小动作电流整定值Id.op.min.set躲过区外相间短路故障时变压器中性侧的零序不平电流3I0.unb.n。制动式零序电流差动的保护将不动作。

4）比率制动动作特性。指在保护装置中设置一个比率，当测量到的零序电流超过该比率时，保护装置会触发动作。比率制动的优点是可以根据系统的实际情况进行调整，以适应不同的系统。如图5，

图5 比率制动特性图

图中，纵坐标为I*d.op.min =Id.op.min/Id.op.min.set，横坐标为流入变压器的各电流有效值之和

                  （1-9）                                 

制动式零序电流差动保护的比率制动动作方程是

         （1-10）              

  IΣ─各电流有效值之和；Id.op.min.set─最小动作电流整定值；Id.op.min─最小动作电流计算值； S─比率制动特性制动系数斜率；It.n─变压器额定二次电流；

其他符号含义同前。

五、变压器制动式零序电流差动的保护整定计算

1.最小动作电流整定值（1311）Id.op.min.set计算

按躲过正常运行和变压器区外相间短路故障时变压器中性侧的最大零序不平电流3I0.unb.n计算，由于此值主要决定于变压器一次三相最大零序不平电流，和TA0误差无关，这是至目前为止不受TA暂态误差影响的最为理想的差动保护，由于一般区外相间短路时变压器一次三相最大零序不平电流不超过10% IT.N,所以可取最小动作电流整定值

Id.op.min.set=(0.15~0.3)IT.N/nTA0                               （1-11）                        

一般可取Id.op.min.set=(0.15~0.2)IT.N/nTA0         

式中IT.N

─变压器高压侧一次额定电流；

    nTA0─变压器高压侧中性点TA0变比。

2.比率制动系数斜率的整定值计算方式

   取比率制动系数斜率整定值S=I*d.op.min.set/3             （1-12）

3.动作时间整定值top计算

  取动作时间的整定值top=0.0s

六、结语

总之，变压器零序差动保护的整定需要综合考虑变压器的特性和运行情况，以确保保护装置能够在变压器发生零序故障时及时动作，保护变压器不受损坏。为了保护变压器不受零序差动的影响，需要采取相应的保护措施，常见的保护方法有差动保护和零序电流保护。在整定差动保护和零序电流保护时，需要考虑差动电流定值、动作时间定值、零序电流定值和动作时间定值等因素，以确保保护装置能够在变压器发生零序故障时及时动作，保护变压器不受损坏。

参考文献

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[2]朱声石.变压器零序差动保护的讨论[J].电力自动化设备，2003，23（10）：5-7.

    [3]高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].北京：中国电力出版社，2010.