一种三相变压器内置绕组互感器电流差动保护方法

摘要

本发明提供一种三相变压器内置绕组互感器的电流差动保护方法，电流互感器安装于双绕组、三绕组或者其他多绕组变压器内部的每相绕组两端，构成以每个绕组两个端头测量电流为依据的电流差动保护；将各电流互感器采集得到的数据进行处理，以每个绕组两个端头的测量电流之差构成差动电流，取0.05～0.2倍该侧变压器的额定电流作为该差动电流动作门槛值；通过差动电流与差动保护动作电流整定值进行比较；差动电流大于整定值时，绕组差动保护按整定的动作时间动作，同时跳开变压器各侧的断路器，切除绕组故障。本发明不受励磁涌流的影响，能有效提高变压器内部故障保护动作灵敏度和快速性，无延时切除变压器绕组的各种短路故障，显著提高变压器保护正确动作率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三相变压器内置绕组互感器电流差动保护方法。属于电力主设备保护技术领域。

技术背景

电力变压器作为电力系统中大量使用的电气主设备，它的安全运行是电力系统可靠工作的必要条件。现有技术中，三相变压器普遍采用纵差保护和瓦斯保护双重配置作为主保护。其中，传统纵差保护的电流互感器装设在变压器到断路器之间的引出线上，能够反映变压器绕组和引出线的相间短路故障，以及中性点直接接地系统电网侧绕组和引出线的接地短路及绕组匝间短路故障。流过差动继电器的电流在变压器正常运行或外部故障时为不平衡电流，在内部故障时为总的故障电流。为了满足选择性，差动继电器的动作电流必须大于最大不平衡电流。

当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，可能出现数值很大的励磁电流，即励磁涌流，其数值可达额定电流的6～8倍。励磁涌流只出现在变压器的受电一侧，此时流过传统差动保护继电器的电流即励磁涌流引起的不平衡电流，它远远大于了整定的动作电流，引起保护误动。为了避免励磁涌流的影响，常常利用励磁涌流的特点，采取制动措施，如采用二次谐波制动、比较波形间断角来鉴别内部故障还是励磁涌流等。此外还有波形对称原理、虚拟三次谐波制动原理、利用小波理论、数学形态学理论等其他方法来鉴别励磁涌流。除了二次谐波制动、比较波形间断角、波形对称原理外，其他方法都十分复杂，对于数学算法和软件要求很高，工程利用较少。成功用于工程实际的鉴别励磁涌流的方法，归根结底是要躲过励磁涌流，即发生励磁涌流时将保护闭锁，这时若发生故障，必然导致保护闭锁区间内承受故障带来的破坏，直到保护开放，使继电器动作于断路器跳闸为止。这个过程可能对变压器造成严重损害。

因此，设计一种不受励磁涌流影响的新型绕组保护十分必要，本方法就是能够解决这一问题的内置互感器绕组差动保护。

发明内容

针对现有差动保护方法的不足，特别是采用变压器导管电流互感器或采用变压器各侧断路器电流互感器的变压器差动保护装置易受励磁涌流影响的问题，本发明的目的是提供一种采用内置绕组互感器的三相变压器电流差动保护方法，它不受变压器合闸时的励磁涌流的影响，能提高变压器内部故障保护动作灵敏度和快速性，从而显著提高变压器保护正确动作率。

实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三相变压器内置绕组互感器的电流差动保护方法，包括如下步骤：

(1)将电流互感器安装于双绕组、三绕组或者其他多绕组变压器内部的每相绕组两端，构成以每个绕组两个端头测量电流为依据的电流差动保护；

(2)将各电流互感器采集得到的数据进行处理，以每个绕组两个端头的测量电流之差构成差动电流，取0.05～0.2倍该侧变压器的额定电流作为该差动电流动作门槛值；

(3)通过差动电流与差动保护动作电流整定值进行比较，当启动元件启动、差动电流大于整定值时，绕组差动保护按整定的动作时间动作，同时跳开变压器各侧的断路器，切除绕组故障。

进一步，所述电流互感器采用电磁式、光电式或者电子式电流互感器；电磁式电流互感器采集电流，经过电缆传到微机变压器保护装置实现差动保护；或者采用光电式、电子式电流互感器，经过光纤传到合并器及数字式变压器保护装置实现差动保护。

进一步，所述各侧绕组两端头的电流互感器选择同型号、同变比的互感器；

电流互感器的计算变比为：

$K_{\mathrm{TA}.\mathrm{cal}}=\frac{I_N·K_{\mathrm{con}}}{I_N^{\prime }}---\left(1\right)$

式中K_TA.cal——电流互感器计算变比；

I_N——变压器一次额定电流；

K_con——接线系数，对变压器Y侧K_con＝1，对变压器Δ侧

I′_N——电流互感器二次侧额定电流，取为5A或者1A；

将电流互感器采集到的电流，按照(2)式分别构成各相的差动动作电流

$I_{\mathrm{dzij}}=|{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{ij}1}+{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{ij}2}|---\left(2\right)$

式中——电流互感器CT i j 1的二次电流值；

——电流互感器CT i j 2的二次电流值；

I_dzij——变压器i侧j相绕组的差动电流；

采用本差动保护后，不需考虑励磁涌流和电流非周期分量对不平衡电流的影响，因此整定较小的差动保护动作门槛值，可以取

I_zdi＝kI_iN            (3)

式中I_zdi——变压器i侧各相绕组的动作电流整定值；

I_iN——变压器i侧的额定电流值；

k——可靠系数，k＝k_erk_stk_calk_m；k_er为电流互感器误差(10％误差)；k_st为电流互感器同型系数，相同时取0.5，不同时取1；k_cal计算误差；k_m裕度；

时间上需要满足速动性，动作时间T_zd整定为5～10ms；

根据电流差动保护的动作方程

I_dzij＞I_zdi    (4)

T_dz＞T_zd       (5)

式中T_dz——动作时间；

T_zd——动作时间整定值，取5～10ms；

进行判断，当启动元件启动，差动电流大于整定值时，保护启动，同时跳开变压器各侧的断路器；同时，根据显示的事件记录，提醒运行检修人员去排除故障。

与现有技术相比，采用本发明的内置互感器保护方法具有如下有益效果：

1)采用本发明方法不需要和其他元件配合，不受励磁涌流的影响，电流差动保护动作判据中不需要加入谐波闭锁等励磁涌流识别信息作为动作的闭锁或开放条件；能有效提高变压器内部故障保护动作灵敏度和快速性，无延时切除变压器绕组的各种短路故障，从而显著提高变压器保护正确动作率。

2)每一绕组首尾两端装设的电流互感器的变比、型号参数完全相同，降低在变压器内部故障处于暂态过程时因电流互感器暂态误差导致的不平衡电流，可识别变压器内部轻微故障，提高保护动作的灵敏度。

3)不受变压器饱和及电流互感器饱和影响，动作速度快。

附图说明

图1为三相变压器Y/Δ接线时电流互感器安装位置图，图中黑色粗实线表示引出线。

图2为三相变压器Y/y接线时电流互感器安装位置图。

图3为三相变压器Y/Y/Δ接线时电流互感器安装位置图。

图4为三相变压器绕组差动保护逻辑图。

图5为采用电磁式电流互感器时，微机变压器保护硬件部分连接图。其中CT为电流互感器，ALF为模拟低通滤波器，S/H为采样保持电路，MUX为模拟切换开关，A/D为模/数转换电路，CPU为保护功能模块。

图6为采用光电式/电子式电流互感器的数字式变压器保护的分层分布连接图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种用于三相变压器的内置绕组互感器电流差动保护方法，包括以下内容：

1、内置绕组互感器电流差动保护方法：

用于三相变压器的内置绕组互感器电流差动保护方法是：基于基尔霍夫电流定律，将电磁式或者电子式、光电式电流互感器安装于双绕组或三绕组以及其他多绕组变压器内部的每相绕组两端，构成以每个绕组两个端头测量电流为依据的差动保护，反应于每个绕组的流入电流和流出电流之差而动作。它不但能正确区分绕组内部故障，而且不需要和其他元件配合，不受励磁涌流的影响，可以无延时切除变压器绕组的各种短路故障。

2、电流互感器安装位置：

如附图1所示，电流互感器表示的符号说明：

CT i j k

其中：CT表示电流互感器；

i＝H、M、L；H表示高压侧，M表示中压侧，L表示低压侧，对于多绕组变压器的其他侧可依此类推；

j＝a、b、c三相；

k＝1、2；1表示安装于变压器某绕组首端，2表示安装于该绕组末端；

对于Y/Δ接线的变压器，按照附图1将电流互感器安装到对应的位置；Y/y接线的变压器，按照附图2将电流互感器安装到对应的位置，对于Y/Y/Δ接线的变压器，按照附图3将电流互感器安装到对应的位置。

以附图1的Y/Δ接线变压器为例说明如下：将电流互感器CTHa1与CTHa2安装在变压器内高压侧a相绕组首末两端，将电流互感器CTHb1与CTHb2安装在变压器内高压侧b相绕组首末两端，将电流互感器CTHc1与CTHc2安装在变压器内高压侧c相绕组首末两端；将电流互感器CTLa1与CTLa2安装在变压器内低压侧a相绕组首末两端，将电流互感器CTLb1与CTLb2安装在变压器内低压侧b相绕组首末两端，将电流互感器CTLc1与CTLc2安装在变压器内低压侧c相绕组首末两端。对于其他三绕组或者铁路系统用多绕组变压器，采用类似方法将电流互感器安装到每个绕组首末两端。

3、电流互感器选择：

内置绕组电流互感器可选择下述互感器种类中的一种：

1)选择电磁型电流互感器。采用电磁式电流互感器对绕组电流进行传感，经过电缆传到微机变压器保护装置实现差动保护。

2)选择电子式电流互感器。采用电子式电流互感器对绕组电流进行传感，经过光纤传到合并器及数字式变压器保护装置实现差动保护。

3)选择光电式电流互感器。采用光电式电流互感器对绕组电流进行传感，经过光纤传到合并器及数字式变压器保护装置实现差动保护。

为了进一步减小由互感器误差带来的不平衡电流，各绕组两端头的电流互感器选择同型号、同变比的互感器。

电流互感器的计算变比为：

$K_{\mathrm{TA}.\mathrm{cal}}=\frac{I_N·K_{\mathrm{con}}}{I_N^{\prime }}---\left(6\right)$

式中K_TA.cal——电流互感器计算变比；

I_N——变压器一次额定电流；

K_con——接线系数，对变压器Y侧K_con＝1，对变压器Δ侧

I′_N——电流互感器二次侧额定电流，一般取为5A或者1A；

4、差动保护动作判据：

将电流互感器采集到的电流，按照以下方式分别构成各相的差动动作电流：

$I_{\mathrm{dzij}}=|{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{ij}1}+{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{ij}2}|---\left(7\right)$

式中——电流互感器CT i j 1的二次电流值；

——电流互感器CT i j 2的二次电流值；

I_dzij——变压器i侧j相绕组的差动电流；

采用本差动保护后，不需考虑励磁涌流和电流非周期分量对不平衡电流的影响，因此可以整定较小的差动保护动作门槛值，可以取

I_zdi＝kI_iN        (8)

式中I_zdi——变压器i侧各相绕组的动作电流整定值；

I_iN——变压器i侧的额定电流值；

k——可靠系数，k＝k_erk_stk_calk_m；k_er为电流互感器误差(10％误差)；k_st为电流互感器同型系数，相同时取0.5，不同时取1；k_cal计算误差；k_m裕度；综合考虑，建议取值0.05～0.2；

时间上需要满足速动性，动作时间T_zd建议整定为5～10ms。

各个绕组的电流差动保护的动作方程为：

I_dzij＞I_zdi      (9)

T_dz＞T_zd         (10)

式中T_dz——动作时间；

T_zd——动作时间整定值，建议取5～10ms；

附图4为变压器绕组差动保护逻辑图，其中各个绕组的动作输出采用逻辑“或”的关系，即只要一个差动电流大于整定值，就判定为变压器绕组故障，启动元件、差动元件构成逻辑“与”的关系，当启动元件启动，差动电流大于整定值时，保护启动输出跳闸命令，同时跳开变压器各侧的断路器。并且，根据显示的事件记录，提醒运行检修人员去排除故障。

下面以Y/Δ接线的三相双绕组变压器为例，介绍如何使用本方法来具体实施绕组差动保护。

(1)选择电流互感器

可以采用电磁式电流互感器采集电流，经过电缆传到微机变压器保护装置实现绕组的电流差动保护。亦可采用光电式、电子式电流互感器，经过光纤传到合并器和数字式变压器保护装置实现差动保护。

为了进一步减小由互感器误差带来的不平衡电流，各侧绕组首末两端的电流互感器选择同型号、同变比的互感器，这样可以整定较小的差动保护动作门槛值，提高保护的灵敏性。

电流互感器的计算变比为：

$K_{\mathrm{TA}.\mathrm{cal}}=\frac{I_N·K_{\mathrm{con}}}{I_N^{\prime }}---\left(11\right)$

式中K_TA.cal——电流互感器计算变比；

I_N——变压器一次额定电流；

K_con——接线系数，对变压器Y侧K_con＝1，对变压器Δ侧

I′_N——电流互感器二次侧额定电流，一般取为5A或者1A；

按照电流互感器的计算变比，预留30％左右的裕度，选择规格的电流互感器。

(2)安装电流互感器

对于Y/Δ接线的变压器，按照附图1将电流互感器安装到对应的位置。即将电流互感器CTHa1与CTHa2安装在变压器内高压侧a相绕组首末两端，将电流互感器CTHb1与CTHb2安装在变压器内高压侧b相绕组首末两端，将电流互感器CTHc1与CTHc2安装在变压器内高压侧c相绕组首末两端；将电流互感器CTLa1与CTLa2安装在变压器内低压侧a相绕组首末两端，将电流互感器CTLb1与CTLb2安装在变压器内低压侧b相绕组首末两端，将电流互感器CTLc1与CTLc2安装在变压器内低压侧c相绕组首末两端。对于其他三绕组或者铁路系统用多绕组变压器，采用类似方法将电流互感器安装到每个绕组首末两端。

(3)电流数据采集与处理

采用电磁式电流互感器时，如附图5所示，电磁式电流互感器实时采集的电流数据通过电缆传输到保护室，经过模拟低通滤波器(ALF)滤波、采样保持(S/H)、模/数转换(A/D)后得到实时的数字信号。

采用光电式、电子式电流互感器时，如附图6所示，光电式、电子式电流互感器实时采集的电流数据通过光纤传输到过程层的合并器，经合并器分组打包后由过程总线传到保护装置。

采集得到的数据为：

——电流互感器CT i j 1的二次电流值；

——电流互感器CT i j 2的二次电流值。

(4)构成差动电流

将电流互感器采集到的电流，按照以下方式分别构成各相的差动动作电流：

$I_{\mathrm{dzij}}=|{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{ij}1}+{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{ij}2}|---\left(12\right)$

式中I_dzij——变压器i侧j相绕组的差动电流；

(5)差动电流门槛值整定

采用本差动保护后，不需考虑励磁涌流和非周期分量对不平衡电流的影响，因此可以整定较小的差动保护动作门槛值，可以取

I_zdi＝kI_iN        (13)

式中I_zdi——变压器i侧各相绕组的动作电流整定值；

I_iN——变压器i侧的额定电流值；

k——可靠系数，k＝k_erk_stk_calk_m；k_er为电流互感器误差(10％误差)；k_st为电流互感器同型系数，相同时取0.5，不同时取1；k_cal计算误差；k_m裕度；综合考虑，建议取值0.05～0.2。

时间上需要满足速动性，动作时间T_zd建议整定为5～10ms。

(6)逻辑比较与输出执行

按照各个绕组的电流差动保护的动作方程

I_dzij＞I_zdi    (14)

T_dz＞T_zd       (15)

式中T_dz——动作时间；

T_zd——动作时间整定值，建议取5～10ms；

进行判断，差动电流大于整定值时，保护启动输出跳闸命令，跳开变压器各侧的断路器。同时给出故障绕组信息，便于对变压器进行故障定位并修复。