變壓器差動保護中電流互感器TA及其聯接組的若干問題探討

本文闡述了變壓器差動保護中電流互感器(TA)及其聯接組的若干技術問題的重要性。對這些問題給出了 所采用的解決方法：利用數學方法解決TA聯接組的匹配；針對TA飽和的附加穩定區判別法；電流電壓量綜 合判別法識別TA二次電路斷線或短路問題；加強保護的人機接口功能避免TA的相序、極性和接地問題。?
??? 關鍵詞：電流互感器TA；TA聯接組；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
??? 電力變壓器是發電廠和變電站的主要電氣設備之一，對電力系統的安全穩定運行至關重要，尤其是大型高壓、超高壓電力變壓器造價昂貴、運行責任重大。一旦發生故障遭到損壞，其檢修難度大、時間長，要造成很大的經濟損失；另外，發生故障后突然切除變壓器也會對電力系統造成或大或小的擾動。因此，對繼電保護的要求很高。
??? 作為電力變壓器的主保護之一的變壓器差動保護歷來得到廣大保護同行們的重視，對其主要保護原理的研究已經相當有成果。但是對于其電流互感器(TA)及其聯接組的若干問題尚留有進一步探討的余地，如：(1) 變壓器各側TA聯接組的變比匹配 和相位修正；(2) TA飽和時的對策；(3) TA二次電路斷線或短路時的對策；(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的可靠工作，降低保護性能。特別是現在大量采用的微機型變壓器差動保護，由于具有了更加強大的數據處理、計算、邏輯判斷等軟件功能，更應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方面的研究、設計和應用中的體會，對變壓器差動保護中變壓器各側電流互感器 TA及其聯接組的若干問題專門作了探討。

1? 電流互感器TA聯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，通過變壓器各側電流互感器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的電流互感器TA的變比和接線等情況有關。因此，變壓器差動保護系統設計時必須考慮下列各項因素，使得經過合理匹配的各側電流才能進行比較。這些因素主要是：1) 變壓器各側的電壓等級，包括分接頭情況；2) 變壓器各側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接線繞組側的中性點接地情況；5) 變壓器△側有無接地故障零序電流電源。
??? 常規的變壓器差動保護裝置，普遍采用合理的選擇電流互感器TA的應用接線方式修正相位差，并通過裝置內部的器件進行變比匹配或者通過專用的外部輔助電流互感器進行變比匹配，從而解決這些問題，這里不再贅述。目前，微機型變壓器差動保護裝置普遍利用本身方便的計算條件，通過保護軟件單純地以數學方法來實現匹配各種變壓器和其電流互感器TA的變比，以及被保護變壓器接線組別形成的相位差。不需要裝置內部的器件進行變比匹配或專用的外部輔助電流互感器進行變比匹配。
??? 一般情況下，微機型變壓器差動保護裝置可以采用如下的數學表達式模擬變壓器各側電流的匹配情況，不再要求電流互感器TA的接線方式。其通常的編程系數矩陣數學表達式如下：
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式中： [IOUT]為匹配后的該側電流I_a、I_b、I_c的矩陣；K_n為該側變比平衡系數； [A]為該側相位平衡系數的矩陣； [I_IN]為該側輸入裝置的電流I_A、I_B、I_C的矩陣；
??? 如果采用零序電流補償方式，其通常的編程系數矩陣數學表達式如下：
??
式中：[I₀]為該側零序電流的矩陣；K₀為該側零序變比平衡系數。
??? 例如，對于如圖1所示的變壓器接線情況，如果設定輸入微機型變壓器差動保護裝置的變壓器主一次和主二次電流的各側電流互感器 TA均為星形接法，且同名端均在變壓器的外側，那么保護裝置電流互感器TA聯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償的常規方式。按照式(1)確定的各側編程矩陣方程如下：

??? 方式二，有零序補償的方式。它的各側編程矩陣方程按照式(2)和式(1)確定如下：

??? 它們之間的區別主要是：方式一符合常規使用方式，應用經驗豐富；方式二對于變壓器一次側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電流互感器輸入的電流沒有相關合成，因此對于變壓器產生的勵磁涌流的原始特征保留情況可能比方式一好些；方式二的缺點是需要輸入保護裝置接地側的零序電流，應用經驗不夠豐富。
??? 通過以上分析和在實際應用中的體會，采用純數學方法依靠軟件實現電流互感器TA聯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、不受環境影響、經濟性好、修改方便等。但是，在應用中一定要注意選擇的變比平衡系數的限制范圍，避免變比平衡系數本身放大保護的采樣值影響保護工作。

2? 電流互感器TA飽和時的對策
??? 常規電磁耦合方式的電流互感器TA，由于故障電流大和(或)系統時間常數長以及電流互感器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裝置產生極為不利的影響。特別是電流互感器TA的暫態飽和對引用變壓器各側電流量的變壓器差動保護的影響更大，應該采取相應的識別方法區分是否為變壓器差動保護區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發生誤動作。
??? 目前，一方面對于電流互感器TA的選型已經考慮或注意到電流互感器TA的暫態飽和問題，如在高壓系統或大容量電力設備高壓側普遍設計采用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的暫態飽和的能力。對于保護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、時差判別法等。下面介紹一種變壓器差動保護中選用的抗電流互感器飽和的附加穩定特性區判別方法：
??? 首先，對于發生在被保護變壓器區內的短路故障，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分的。這是因為差動電流和制動電流的測量值都會受到影響，而且它們的比值立即就會滿足保護動作條件。這時的比率差動保護的動作特性還是有效的，故障特征滿足比率差動保護的動作條件。
??? 其次，對于發生在被保護變壓器區外的故障，它產生的較大的穿越性短路電流引起的電流互感器飽和，會產生很大的虛假差動電流，這在各個測量點的電流互感器TA飽和情況不同時更為嚴重。如果由此產生的量值引發的工作點落在了比率差動保護的動作特性區內，而且不采取任何穩定比率差動保護的措施，比率差動保護將會誤動作。但是我們知道：電流互感器TA并不是在故障一開始就發生飽和，而是在故障發生后經過一段時間，其鐵芯的磁通達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總會有一段時間(不小于1/4T-1/2T，T為工頻周期的時間)還能夠線性變換電流量，不會立即產生飽和。因此，按照基爾霍夫電流定律計算變壓器各側的電流量得到的差動電流，在開始的短時間內基本平衡，僅會產生較小的不平衡電流，待電流互感器TA飽和后才會產生較大的差動電流，引起變壓器差動保護誤動。
??? 針對上述情況，變壓器差動保護可以設一個電流互感器TA飽和時的附加穩定特性區，它能夠區分出這種變壓器區內、外故障情況，它的工作特性如圖2所示。

??? 對于發生在被保護變壓器區外的故障引起的電流互感器TA飽和，利用故障發生的最初的1/4T- 1/2T時間內，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短暫的移至附加穩定特性區內。反之，當變壓器區內故障時，由于差動電流很大，其與制動電流的比值引發的工作點會立即進入比率差動保護的動作特性區內。因此，保護通過測量的電流量值引發的工作點是否在附加穩定特性區內，在半個周期內由此判別作出決定。一旦檢查出外部故障引起電流互感器TA飽和，可以選擇差動保護自動閉鎖了比率差動保護，并按照整定的時間(T_TA)內一直有效閉鎖比率差動保護，直到整定的時間到時才解除閉鎖。檢查出變壓器區外故障引起電流互感器TA飽和的判據公式如下式(7)。
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??? 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期間，如果發生故障變化在變壓器保護區內也發生了故障，其引發的工作點穩定地連續兩個周期工作在高定值的動作區內，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變壓器發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的對策
??? 歷來，對于微機型變壓器差動保護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異?；蚬收锨闆r區分，因此很多微機型變壓器差動保護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型變壓器保護裝置。
??? 變壓器差動保護的差流異常報警和電流互感器TA二次電路斷線或短路判據如下：
??? 1)差流異常告警
??? 當任何一相差流的有效值大于告警門坎值，而且連續滿足該動作條件的時間超過10秒鐘時，保護裝置發出差流異常告警信號，但是不閉鎖比率差動保護。該項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)瞬時電流互感器TA斷線或短路告警
??? 在保護啟動后滿足以下任一條件時開放比率差動保護：
??? ① 任一側任一相的電壓元件有突變啟動；
??? ② 任一側負序電壓大于門坎值；
??? ③ 啟動后任一側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。
??? 如果上述排除系統故障或擾動的判據不滿足，而差動電流的工作點滿足公式(8)時，那么保護判別為電流互感器TA二次電路斷線或短路故障，而不認為發生了變壓器內部短路故障。

??? 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。
??? 在以上判據的實際應用中，為了滿足不同用戶的需要，該判據元件可以設計為通過配置字選擇僅僅發出告警信號，或者選擇發出告警信號并且閉鎖比率差動保護，或者選擇不投入此判據元件。在選擇了發出告警信號并且閉鎖比率差動保護時，在此選擇下還可以選擇“永久”閉鎖比率差動保護或相電流增大超過1.2I_e時自動解除閉鎖比率差動保護。
??? 由于以上判據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
??? 變壓器差動保護按照有關的規定在保護投運前要嚴格檢查輸入保護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的正確工作。但是工程實踐反映，由于各種各樣的原因，現場確有接錯變壓器各側電流互感器三相電路的接線，導致相序和極性錯誤的情況發生，造成變壓器差動保護不應有的誤動。如果保護裝置本身可以直觀的顯示輸入的變壓器各側電流量的相角、幅值，那么對于變壓器差動保護的各側電流互感器接線的相序和極性檢查會有很大的幫助，對變壓器差動保護的安全穩定運行又多了一份保證?；诖丝紤]，利用微機型保護的較強的人機接口功能，可以直觀顯示變壓器各側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，在變壓器投運后帶有輕負荷的情況下，由現場的保護技術人員通過觀察變壓器差動保護裝置測量顯示的變壓器各側電流量的情況和差流的情況，繪出變壓器各側電流量的相量圖，就可以直接分析驗證變壓器各側電流互感器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接入變壓器差動保護裝置的變壓器各側的相電流電路接線正常，僅僅有顯示的差流不正常，那么有可能是保護裝置本身的數字化平衡變壓器各側電流量的整定值整定有問題，從而也驗證了保護裝置的數字化平衡變壓器各側電流量的整定值是否正確。
??? 變壓器差動保護的二次電流回路接線的另外一個值得注意的問題是：接地點問題。關于儀用互感器的二次回路必須有可靠的接地的要求，在國內外的相應規程中都有明確的規定。例如，在1983年部頒《繼電保護和安全自動裝置技術規程》中，就有如下條文： 電流互感器的二次回路應有一個接地點，并在配電裝置附近經端子排接地。但對于有幾組電流互感器聯接在一起的保護裝置，則應在保護屏上經端子排接地。
??? 工程實踐中反映，確有將接入變壓器差動保護裝置的電流互感器二次回路多點接地的情況發生，造成變壓器差動保護裝置誤動或異常。解決這一問題一方面靠嚴格執行有關的規程進行施工外，另一方面同樣在變壓器投運后帶有負荷的情況下，由現場的保護技術人員通過觀察變壓器差動保護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裝置測量顯示的差流不正常，在排除了TA相序接線錯誤和裝置本身數字化平衡變壓器各側電流量的整定值錯誤的情況下，那么可以檢查電流互感器TA二次回路是否有多點接地的情況存在。
??? 此外，對于變電站內的地網也要按照有關規程的要求安全可靠的構成一個完整的等電位面的地網，無論主控制室內的地網和開關站的地網都要可靠安全的互連，二次設備的接地點也一定要按照有關規程安全可靠的接在地網上。以免開關站內發生接地故障時串入高壓造成二次電纜燒毀和損壞二次的保護控制設備或一些意想不到的事情發生，對保護的正確工作造成影響。

5? 結束語
??? 以上的分析，探討了變壓器差動保護中電 流互感器及其聯接組的若干問題，這些問題往 往對于變壓器差動保護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 保護的性能，甚至造成變壓器差動保護的誤動或拒 動。實際應用中，由此引起的變壓器差動保護的不正常工作情況也時有發生。
??? 本文介紹的方法已經在實際裝置中得到了很好的應用，RTDS數字仿真試驗、動模試驗和實際現場應用都取得了滿意的效果，很好地解決了這些問題。

參考文獻

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