變壓器差動保護(hù)中電流互感器TA及其聯(lián)接組的若干問題探討

變壓器差動保護(hù)中電流互感器TA及其聯(lián)接組的若干問題探討

本文闡述了變壓器差動保護(hù)中電流互感器(TA)及其聯(lián)接組的若干技術(shù)問題的重要性。對這些問題給出了 所采用的解決方法：利用數(shù)學(xué)方法解決TA聯(lián)接組的匹配；針對TA飽和的附加穩(wěn)定區(qū)判別法；電流電壓量綜 合判別法識別TA二次電路斷線或短路問題；加強(qiáng)保護(hù)的人機(jī)接口功能避免TA的相序、極性和接地問題。?
??? 關(guān)鍵詞：電流互感器TA；TA聯(lián)接組；TA飽和

Discussion of several questions of the current transformer (TA) and connection group of its secondary circuit in the transformer differential protection

QUAN Xian-jun

(Yantai Dongfang Electronics Information Industtry Co.,Ltd,Yantai 264000,China)

??? Abstract: This paper proposes the important of several questions of the current transformer (TA) and connect group of it's secondary circuit in the transformer differential relay.The solution about them is introduced:adopt math method to solve the mismatch of TA connect group;the method of add-on stabilization area distinguish TA saturation; the integration method of current and voltage distinguish the break and short of TA secondary circuit; The question of phase sequence and polarity and earth are avoided by stronger HMI.
??? Key words: current transformer(TA);TA connect group;TA saturation;break and short

0? 引言
??? 電力變壓器是發(fā)電廠和變電站的主要電氣設(shè)備之一，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是大型高壓、超高壓電力變壓器造價(jià)昂貴、運(yùn)行責(zé)任重大。一旦發(fā)生故障遭到損壞，其檢修難度大、時(shí)間長，要造成很大的經(jīng)濟(jì)損失；另外，發(fā)生故障后突然切除變壓器也會對電力系統(tǒng)造成或大或小的擾動。因此，對繼電保護(hù)的要求很高。
??? 作為電力變壓器的主保護(hù)之一的變壓器差動保護(hù)歷來得到廣大保護(hù)同行們的重視，對其主要保護(hù)原理的研究已經(jīng)相當(dāng)有成果。但是對于其電流互感器(TA)及其聯(lián)接組的若干問題尚留有進(jìn)一步探討的余地，如：(1) 變壓器各側(cè)TA聯(lián)接組的變比匹配 和相位修正；(2) TA飽和時(shí)的對策；(3) TA二次電路斷線或短路時(shí)的對策；(4) TA的相序、極性和接地問題等。
??? 這些問題處理的不好也會直接影響變壓器差動保護(hù)的可靠工作，降低保護(hù)性能。特別是現(xiàn)在大量采用的微機(jī)型變壓器差動保護(hù)，由于具有了更加強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、邏輯判斷等軟件功能，更應(yīng)該很好處理和解決這些問題。本文針對這些問題并通過長期在變壓器保護(hù)方面的研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的體會，對變壓器差動保護(hù)中變壓器各側(cè)電流互感器 TA及其聯(lián)接組的若干問題專門作了探討。

1? 電流互感器TA聯(lián)接組的變比匹配和相位修正
??? 一般來說，在電力變壓器中有電流流過時(shí)，通過變壓器各側(cè)電流互感器TA的二次電流不會正好完全平衡，這是由于變壓器的變比和接線組別以及變壓器各側(cè)的電流互感器TA的變比和接線等情況有關(guān)。因此，變壓器差動保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮下列各項(xiàng)因素，使得經(jīng)過合理匹配的各側(cè)電流才能進(jìn)行比較。這些因素主要是：1) 變壓器各側(cè)的電壓等級，包括分接頭情況；2) 變壓器各側(cè)的電流互感器情況及其接線方法；3) 變壓器Y-△接線下造成的電流相位角差；4) 變壓器Y接線繞組側(cè)的中性點(diǎn)接地情況；5) 變壓器△側(cè)有無接地故障零序電流電源。
??? 常規(guī)的變壓器差動保護(hù)裝置，普遍采用合理的選擇電流互感器TA的應(yīng)用接線方式修正相位差，并通過裝置內(nèi)部的器件進(jìn)行變比匹配或者通過專用的外部輔助電流互感器進(jìn)行變比匹配，從而解決這些問題，這里不再贅述。目前，微機(jī)型變壓器差動保護(hù)裝置普遍利用本身方便的計(jì)算條件，通過保護(hù)軟件單純地以數(shù)學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)匹配各種變壓器和其電流互感器TA的變比，以及被保護(hù)變壓器接線組別形成的相位差。不需要裝置內(nèi)部的器件進(jìn)行變比匹配或?qū)Ｓ玫耐獠枯o助電流互感器進(jìn)行變比匹配。
??? 一般情況下，微機(jī)型變壓器差動保護(hù)裝置可以采用如下的數(shù)學(xué)表達(dá)式模擬變壓器各側(cè)電流的匹配情況，不再要求電流互感器TA的接線方式。其通常的編程系數(shù)矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
?
式中： [IOUT]為匹配后的該側(cè)電流I_a、I_b、I_c的矩陣；K_n為該側(cè)變比平衡系數(shù)； [A]為該側(cè)相位平衡系數(shù)的矩陣； [I_IN]為該側(cè)輸入裝置的電流I_A、I_B、I_C的矩陣；
??? 如果采用零序電流補(bǔ)償方式，其通常的編程系數(shù)矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
??
式中：[I₀]為該側(cè)零序電流的矩陣；K₀為該側(cè)零序變比平衡系數(shù)。
??? 例如，對于如圖1所示的變壓器接線情況，如果設(shè)定輸入微機(jī)型變壓器差動保護(hù)裝置的變壓器主一次和主二次電流的各側(cè)電流互感器 TA均為星形接法，且同名端均在變壓器的外側(cè)，那么保護(hù)裝置電流互感器TA聯(lián)接組的變比匹配和相位修正方式可以采用如下兩種方式：

??? 方式一，變比匹配和相位修正按照無零序補(bǔ)償?shù)某Ｒ?guī)方式。按照式(1)確定的各側(cè)編程矩陣方程如下：

??? 方式二，有零序補(bǔ)償?shù)姆绞健Ｋ母鱾?cè)編程矩陣方程按照式(2)和式(1)確定如下：

??? 它們之間的區(qū)別主要是：方式一符合常規(guī)使用方式，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富；方式二對于變壓器一次側(cè)的接地故障靈敏度較方式一好；方式二由于對于變壓器一次側(cè)電流互感器輸入的電流沒有相關(guān)合成，因此對于變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流的原始特征保留情況可能比方式一好些；方式二的缺點(diǎn)是需要輸入保護(hù)裝置接地側(cè)的零序電流，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不夠豐富。
??? 通過以上分析和在實(shí)際應(yīng)用中的體會，采用純數(shù)學(xué)方法依靠軟件實(shí)現(xiàn)電流互感器TA聯(lián)接組的變比匹配和相位修正方式帶來的好處是：可靠性高、方式靈活、不受環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)性好、修改方便等。但是，在應(yīng)用中一定要注意選擇的變比平衡系數(shù)的限制范圍，避免變比平衡系數(shù)本身放大保護(hù)的采樣值影響保護(hù)工作。

2? 電流互感器TA飽和時(shí)的對策
??? 常規(guī)電磁耦合方式的電流互感器TA，由于故障電流大和(或)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)長以及電流互感器TA本身的剩磁等因素引起的電流互感器TA飽和情況，會對變壓器差動保護(hù)裝置產(chǎn)生極為不利的影響。特別是電流互感器TA的暫態(tài)飽和對引用變壓器各側(cè)電流量的變壓器差動保護(hù)的影響更大，應(yīng)該采取相應(yīng)的識別方法區(qū)分是否為變壓器差動保護(hù)區(qū)外的故障造成的電流互感器飽和的情況，避免變壓器差動保護(hù)發(fā)生誤動作。
??? 目前，一方面對于電流互感器TA的選型已經(jīng)考慮或注意到電流互感器TA的暫態(tài)飽和問題，如在高壓系統(tǒng)或大容量電力設(shè)備高壓側(cè)普遍設(shè)計(jì)采用TPY級電流互感器，以及選用帶小氣隙的PR級電流互感器等；另一方面要求保護(hù)裝置本身具有一定的抗電流互感器飽和的能力，特別是抗電流互感器TA的暫態(tài)飽和的能力。對于保護(hù)裝置采用的判別方法主要是利用電流互感器飽和后的電流特征識別，如電流波形識別法、諧波含量判別法、時(shí)差判別法等。下面介紹一種變壓器差動保護(hù)中選用的抗電流互感器飽和的附加穩(wěn)定特性區(qū)判別方法：
??? 首先，對于發(fā)生在被保護(hù)變壓器區(qū)內(nèi)的短路故障，它引起的電流互感器TA飽和是不易用差動電流和制動電流的比值區(qū)分的。這是因?yàn)椴顒与娏骱椭苿与娏鞯臏y量值都會受到影響，而且它們的比值立即就會滿足保護(hù)動作條件。這時(shí)的比率差動保護(hù)的動作特性還是有效的，故障特征滿足比率差動保護(hù)的動作條件。
??? 其次，對于發(fā)生在被保護(hù)變壓器區(qū)外的故障，它產(chǎn)生的較大的穿越性短路電流引起的電流互感器飽和，會產(chǎn)生很大的虛假差動電流，這在各個(gè)測量點(diǎn)的電流互感器TA飽和情況不同時(shí)更為嚴(yán)重。如果由此產(chǎn)生的量值引發(fā)的工作點(diǎn)落在了比率差動保護(hù)的動作特性區(qū)內(nèi)，而且不采取任何穩(wěn)定比率差動保護(hù)的措施，比率差動保護(hù)將會誤動作。但是我們知道：電流互感器TA并不是在故障一開始就發(fā)生飽和，而是在故障發(fā)生后經(jīng)過一段時(shí)間，其鐵芯的磁通達(dá)到它的飽和密度后才開始的。這樣，電流互感器TA從故障起始到開始飽和時(shí)總會有一段時(shí)間(不小于1/4T-1/2T，T為工頻周期的時(shí)間)還能夠線性變換電流量，不會立即產(chǎn)生飽和。因此，按照基爾霍夫電流定律計(jì)算變壓器各側(cè)的電流量得到的差動電流，在開始的短時(shí)間內(nèi)基本平衡，僅會產(chǎn)生較小的不平衡電流，待電流互感器TA飽和后才會產(chǎn)生較大的差動電流，引起變壓器差動保護(hù)誤動。
??? 針對上述情況，變壓器差動保護(hù)可以設(shè)一個(gè)電流互感器TA飽和時(shí)的附加穩(wěn)定特性區(qū)，它能夠區(qū)分出這種變壓器區(qū)內(nèi)、外故障情況，它的工作特性如圖2所示。

??? 對于發(fā)生在被保護(hù)變壓器區(qū)外的故障引起的電流互感器TA飽和，利用故障發(fā)生的最初的1/4T- 1/2T時(shí)間內(nèi)，可以通過高值的初始制動電流(I_TA)檢測出來，此制動電流會將工作點(diǎn)短暫的移至附加穩(wěn)定特性區(qū)內(nèi)。反之，當(dāng)變壓器區(qū)內(nèi)故障時(shí)，由于差動電流很大，其與制動電流的比值引發(fā)的工作點(diǎn)會立即進(jìn)入比率差動保護(hù)的動作特性區(qū)內(nèi)。因此，保護(hù)通過測量的電流量值引發(fā)的工作點(diǎn)是否在附加穩(wěn)定特性區(qū)內(nèi)，在半個(gè)周期內(nèi)由此判別作出決定。一旦檢查出外部故障引起電流互感器TA飽和，可以選擇差動保護(hù)自動閉鎖了比率差動保護(hù)，并按照整定的時(shí)間(T_TA)內(nèi)一直有效閉鎖比率差動保護(hù)，直到整定的時(shí)間到時(shí)才解除閉鎖。檢查出變壓器區(qū)外故障引起電流互感器TA飽和的判據(jù)公式如下式(7)。
??
??? 式中：I_TA為 檢查TA飽和制動電流門坎值；T_TA為 TA飽和閉鎖時(shí)間
??? 在外部故障引起的電力互感器TA飽和閉鎖了比率差動保護(hù)期間，如果發(fā)生故障變化在變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)也發(fā)生了故障，其引發(fā)的工作點(diǎn)穩(wěn)定地連續(xù)兩個(gè)周期工作在高定值的動作區(qū)內(nèi)，那么電流互感器TA飽和閉鎖會被立即解除。由此可靠地檢查出被保護(hù)變壓器發(fā)展中的故障而迅速動作。

3? 電流互感器TA二次電路斷線或短路時(shí)的對策
??? 歷來，對于微機(jī)型變壓器差動保護(hù)判別其電流互感器二次電路的斷線或短路故障比較困難，原因是單純通過本身的電流量去判斷接線比較復(fù)雜的電流互感器二次電路的多種多樣的斷線和短路故障，很難與各種各樣的系統(tǒng)異常或故障情況區(qū)分，因此很多微機(jī)型變壓器差動保護(hù)都只是配有簡單的電流互感器二次電路的斷線判別元件。針對這種情況，介紹一種由電流量和電壓量共同判別電流互感器TA二次電路斷線或短路的判別原理，它特別適用于主后備一體化方式的微機(jī)型變壓器保護(hù)裝置。
??? 變壓器差動保護(hù)的差流異常報(bào)警和電流互感器TA二次電路斷線或短路判據(jù)如下：
??? 1)差流異常告警
??? 當(dāng)任何一相差流的有效值大于告警門坎值，而且連續(xù)滿足該動作條件的時(shí)間超過10秒鐘時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)出差流異常告警信號，但是不閉鎖比率差動保護(hù)。該項(xiàng)功能兼有電流互感器TA二次電路斷線或短路、采樣通道異常(器件損壞或特性改變等)、外部接線回路不正常等情況的綜合告警作用。
??? 2)瞬時(shí)電流互感器TA斷線或短路告警
??? 在保護(hù)啟動后滿足以下任一條件時(shí)開放比率差動保護(hù)：
??? ① 任一側(cè)任一相的電壓元件有突變啟動；
??? ② 任一側(cè)負(fù)序電壓大于門坎值；
??? ③ 啟動后任一側(cè)的任一相電流比啟動前增大；
??? ④ 啟動后最大相電流大于1.2I_e。
??? 如果上述排除系統(tǒng)故障或擾動的判據(jù)不滿足，而差動電流的工作點(diǎn)滿足公式(8)時(shí)，那么保護(hù)判別為電流互感器TA二次電路斷線或短路故障，而不認(rèn)為發(fā)生了變壓器內(nèi)部短路故障。

??? 式中：I_dset為檢查斷線或短路差動電流門坎值； k為 檢查斷線或短路的比率系數(shù)。
??? 在以上判據(jù)的實(shí)際應(yīng)用中，為了滿足不同用戶的需要，該判據(jù)元件可以設(shè)計(jì)為通過配置字選擇僅僅發(fā)出告警信號，或者選擇發(fā)出告警信號并且閉鎖比率差動保護(hù)，或者選擇不投入此判據(jù)元件。在選擇了發(fā)出告警信號并且閉鎖比率差動保護(hù)時(shí)，在此選擇下還可以選擇“永久”閉鎖比率差動保護(hù)或相電流增大超過1.2I_e時(shí)自動解除閉鎖比率差動保護(hù)。
??? 由于以上判據(jù)選擇了電流量和電壓量綜合判別，所以對于電流互感器二次電路的各種斷線或短路情況都能夠很好地判別出來。因此，不僅全面增加了電流互感器二次電路故障情況的判別類型范圍，而且對于電流互感器二次電路的各種各樣的斷線或短路情況判別得更準(zhǔn)確、更可靠、更全面。

4? 電流互感器TA接線的相序、極性和接地問題
??? 變壓器差動保護(hù)按照有關(guān)的規(guī)定在保護(hù)投運(yùn)前要嚴(yán)格檢查輸入保護(hù)裝置的電流互感器接線電路的相序和極性，確保變壓器差動保護(hù)的正確工作。但是工程實(shí)踐反映，由于各種各樣的原因，現(xiàn)場確有接錯(cuò)變壓器各側(cè)電流互感器三相電路的接線，導(dǎo)致相序和極性錯(cuò)誤的情況發(fā)生，造成變壓器差動保護(hù)不應(yīng)有的誤動。如果保護(hù)裝置本身可以直觀的顯示輸入的變壓器各側(cè)電流量的相角、幅值，那么對于變壓器差動保護(hù)的各側(cè)電流互感器接線的相序和極性檢查會有很大的幫助，對變壓器差動保護(hù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行又多了一份保證?；诖丝紤]，利用微機(jī)型保護(hù)的較強(qiáng)的人機(jī)接口功能，可以直觀顯示變壓器各側(cè)電流量的相對相位角度和幅值，顯示差流的幅值等，觀察輸入電流量的測量情況。因此，在變壓器投運(yùn)后帶有輕負(fù)荷的情況下，由現(xiàn)場的保護(hù)技術(shù)人員通過觀察變壓器差動保護(hù)裝置測量顯示的變壓器各側(cè)電流量的情況和差流的情況，繪出變壓器各側(cè)電流量的相量圖，就可以直接分析驗(yàn)證變壓器各側(cè)電流互感器TA電路接線是否正確。如果通過觀察分析和得到的相量圖確認(rèn)接入變壓器差動保護(hù)裝置的變壓器各側(cè)的相電流電路接線正常，僅僅有顯示的差流不正常，那么有可能是保護(hù)裝置本身的數(shù)字化平衡變壓器各側(cè)電流量的整定值整定有問題，從而也驗(yàn)證了保護(hù)裝置的數(shù)字化平衡變壓器各側(cè)電流量的整定值是否正確。
??? 變壓器差動保護(hù)的二次電流回路接線的另外一個(gè)值得注意的問題是：接地點(diǎn)問題。關(guān)于儀用互感器的二次回路必須有可靠的接地的要求，在國內(nèi)外的相應(yīng)規(guī)程中都有明確的規(guī)定。例如，在1983年部頒《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》中，就有如下條文： 電流互感器的二次回路應(yīng)有一個(gè)接地點(diǎn)，并在配電裝置附近經(jīng)端子排接地。但對于有幾組電流互感器聯(lián)接在一起的保護(hù)裝置，則應(yīng)在保護(hù)屏上經(jīng)端子排接地。
??? 工程實(shí)踐中反映，確有將接入變壓器差動保護(hù)裝置的電流互感器二次回路多點(diǎn)接地的情況發(fā)生，造成變壓器差動保護(hù)裝置誤動或異常。解決這一問題一方面靠嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)的規(guī)程進(jìn)行施工外，另一方面同樣在變壓器投運(yùn)后帶有負(fù)荷的情況下，由現(xiàn)場的保護(hù)技術(shù)人員通過觀察變壓器差動保護(hù)裝置測量顯示的差流的情況分析解決。如果變壓器差動保護(hù)裝置測量顯示的差流不正常，在排除了TA相序接線錯(cuò)誤和裝置本身數(shù)字化平衡變壓器各側(cè)電流量的整定值錯(cuò)誤的情況下，那么可以檢查電流互感器TA二次回路是否有多點(diǎn)接地的情況存在。
??? 此外，對于變電站內(nèi)的地網(wǎng)也要按照有關(guān)規(guī)程的要求安全可靠的構(gòu)成一個(gè)完整的等電位面的地網(wǎng)，無論主控制室內(nèi)的地網(wǎng)和開關(guān)站的地網(wǎng)都要可靠安全的互連，二次設(shè)備的接地點(diǎn)也一定要按照有關(guān)規(guī)程安全可靠的接在地網(wǎng)上。以免開關(guān)站內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)串入高壓造成二次電纜燒毀和損壞二次的保護(hù)控制設(shè)備或一些意想不到的事情發(fā)生，對保護(hù)的正確工作造成影響。

5? 結(jié)束語
??? 以上的分析，探討了變壓器差動保護(hù)中電 流互感器及其聯(lián)接組的若干問題，這些問題往 往對于變壓器差動保護(hù)的正確工作影響很大。不能 夠很好的解決這些問題，就會直接影響變壓器差動 保護(hù)的性能，甚至造成變壓器差動保護(hù)的誤動或拒 動。實(shí)際應(yīng)用中，由此引起的變壓器差動保護(hù)的不正常工作情況也時(shí)有發(fā)生。
??? 本文介紹的方法已經(jīng)在實(shí)際裝置中得到了很好的應(yīng)用，RTDS數(shù)字仿真試驗(yàn)、動模試驗(yàn)和實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用都取得了滿意的效果，很好地解決了這些問題。

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