山西西山熱電有限責(zé)任公司 韓 廣

1 變壓器差動保護(hù)的基本原理和常見的二次接線方式

1.1 變壓器差動保護(hù)原理

變壓器差動保護(hù)是電力系統(tǒng)中常用的一種保護(hù)方式，其基本原理是通過比較變壓器高、低壓側(cè)的電流，判斷變壓器內(nèi)部是否存在故障[1]。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，故障電流會使變壓器兩側(cè)的電流不相等，從而觸發(fā)保護(hù)動作，防止進(jìn)一步的損壞或事故的發(fā)生。

變壓器差動保護(hù)的原理：

式中，I{H}和I{L}分別為變壓器高、低壓側(cè)的電流；Iqykkkes為差動電流。若Isy0e00q的值超過一定閾值，則說明變壓器內(nèi)部存在故障，保護(hù)動作會觸發(fā)。

變壓器差動保護(hù)在實際應(yīng)用中常常采用二次接線的方式實現(xiàn)。在二次接線中，不同的接線方式會影響差動保護(hù)的精度和穩(wěn)定性，因此需要對其進(jìn)行研究和優(yōu)化。

1.2 常見的差動保護(hù)接線方式

常見的變壓器差動保護(hù)接線方式包括單相接線和三相接線等，主要區(qū)別在于所采用的互感器數(shù)量和相數(shù)不同。

1.2.1 單相接線

單相接線是一種簡單的差動保護(hù)接線方式，僅采用一組高壓側(cè)和低壓側(cè)的互感器進(jìn)行差動保護(hù)。其原理是將高、低壓側(cè)的電流分別經(jīng)過互感器降壓后，再通過差動繼電器進(jìn)行比較。由于單相接線只采用一組互感器，成本和精度均較低，對接地故障的響應(yīng)能力也較弱[2]。

1.2.2 三相接線

三相接線是一種常用的差動保護(hù)接線方式，采用三組高壓側(cè)和低壓側(cè)的互感器進(jìn)行差動保護(hù)。其原理是將三組互感器輸出的電流通過差動繼電器進(jìn)行比較，判斷是否存在差動電流。相比單相接線，三相接線具有更高的精度和響應(yīng)能力，能夠有效檢測接地故障。

2 現(xiàn)有差動保護(hù)接線方案存在的問題

2.1 對稱性問題

對稱性問題的解決方法是通過對互感器進(jìn)行相序標(biāo)定和校準(zhǔn)，使其輸出的電流相位一致，達(dá)到保護(hù)精度和穩(wěn)定性的要求。

相序標(biāo)定法：可以采用標(biāo)準(zhǔn)電流源，將標(biāo)準(zhǔn)電流依次注入到互感器的各相中，測量輸出的電流幅值和相位，然后進(jìn)行校正，使其輸出電流相位一致。

相間校準(zhǔn)法：可以通過在互感器的高壓側(cè)和低壓側(cè)之間接入標(biāo)準(zhǔn)電阻，測量不同相的電流和電壓，然后計算出不同相的阻抗值，再進(jìn)行校正，使其輸出電流相位一致。

2.2 延遲問題

延遲問題是指在差動保護(hù)系統(tǒng)中，由于信號傳輸、處理等因素，可能會導(dǎo)致差動保護(hù)的響應(yīng)時間存在一定的延遲，從而影響保護(hù)的效果。常見的延遲問題有以下幾種。

一是信號傳輸延遲：在信號傳輸過程中，由于電纜線路、繼電器等因素的影響，可能會導(dǎo)致信號傳輸存在一定的延遲，為了減小信號傳輸延遲，可以采用較短的電纜線路、高速傳輸?shù)耐ㄐ欧绞降却胧?/p>

二是算法處理延遲：在差動保護(hù)算法中，由于算法復(fù)雜度、處理器性能等因素的影響，可能會導(dǎo)致保護(hù)算法的響應(yīng)存在一定的延遲，為了減小算法處理延遲，可以采用高效的差動保護(hù)算法，優(yōu)化處理器的性能等措施。

三是調(diào)整時間延遲：差動保護(hù)繼電器在接收到異常信號后，需要進(jìn)行判斷和調(diào)整的時間，為了減小調(diào)整時間延遲，可以采用更快的繼電器和控制電路等措施。

2.3 穩(wěn)定性問題

穩(wěn)定性問題是指差動保護(hù)系統(tǒng)在正常運行過程中，可能會出現(xiàn)誤動或誤抑等問題，從而影響保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[3]。

一是高阻負(fù)載問題：在差動保護(hù)系統(tǒng)中，當(dāng)變壓器的負(fù)載發(fā)生變化時，會影響差動保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。特別是在低電流狀態(tài)下，由于電流測量的誤差較大，可能會導(dǎo)致差動保護(hù)系統(tǒng)誤動。

二是短路電流誤判問題：在差動保護(hù)系統(tǒng)中，由于短路電流的幅值較大，可能會導(dǎo)致差動保護(hù)系統(tǒng)誤判、誤動或誤抑。

三是震蕩問題：在差動保護(hù)系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)多次誤動或誤抑時，可能會出現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的震蕩問題，導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)不能正常工作。

3 改進(jìn)方案

3.1 增加零序電流互感器

為了解決差動保護(hù)系統(tǒng)中的穩(wěn)定性問題，可以采用增加零序電流互感器提高保護(hù)系統(tǒng)的性能和可靠性。

在差動保護(hù)系統(tǒng)中，由于零序電流通常很小，因此可以通過增加零序電流互感器提高保護(hù)系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性。即通過測量系統(tǒng)中的零序電流，可以檢測到系統(tǒng)中的任何不對稱電流，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的差動保護(hù)[4]。

增加零序電流互感器可以解決系統(tǒng)中的一些常見問題，例如高阻負(fù)載問題、延遲問題和穩(wěn)定性問題等。通過增加零序電流互感器，可以在保護(hù)系統(tǒng)中增加一些特殊的測量和保護(hù)功能，從而提高系統(tǒng)的性能和可靠性。

3.2 引入延時補償

為了解決差動保護(hù)系統(tǒng)中的延遲問題，可以引入延時補償措施提高保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。

在保護(hù)系統(tǒng)中，可以設(shè)置一個預(yù)定的時間延遲，使差動保護(hù)在檢測到故障時能夠在一定時間內(nèi)完成操作，從而提高保護(hù)系統(tǒng)的性能和可靠性。

引入延時補償可以解決保護(hù)系統(tǒng)中的延遲問題，可以使保護(hù)系統(tǒng)更加快速和準(zhǔn)確地響應(yīng)故障信號，提高保護(hù)系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。但延時補償?shù)脑O(shè)置應(yīng)該根據(jù)實際情況進(jìn)行合理設(shè)計和優(yōu)化，避免誤操作和延遲過長等問題。

3.3 優(yōu)化比率誤差校正

比率誤差校正是差動保護(hù)系統(tǒng)中一種常用的技術(shù)，可以用來校正電流互感器的比率誤差，從而提高保護(hù)系統(tǒng)的測量精度和可靠性。

優(yōu)化比率誤差校正可以在校正過程中引入一些特殊的技術(shù)和算法，例如多點校正、矩陣式校正和自適應(yīng)校正等。這些技術(shù)和算法可以幫助保護(hù)系統(tǒng)更加準(zhǔn)確地校正電流互感器的比率誤差，并在實際運行中進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高保護(hù)系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性[5]。

4 改進(jìn)方案的原理和設(shè)計方法

4.1 原理分析

在差動保護(hù)系統(tǒng)中，增加零序電流互感器可以有效解決零序電流的問題。零序電流互感器的原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，其輸出電壓與通過的電流成正比。

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在進(jìn)行差動保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計時，需要對零序電流互感器的變比系數(shù)進(jìn)行合理的選取和校準(zhǔn)，見表1。

表1 零序電流互感器變比系數(shù)的選取范圍

在進(jìn)行差動保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計時，需要考慮零序電流互感器的飽和問題和過載問題，對于不同類型和規(guī)格的零序電流互感器，其飽和和過載性能會有所不同，需要進(jìn)行相應(yīng)的測試和驗證。

零序電流互感器的變比系數(shù)計算:

式中，U0為零序電流互感器二次側(cè)輸出電壓；I0為一次側(cè)電流。

當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時，差動電流增大，如果電流較大，差動保護(hù)可能會誤動作。此時，可以通過增加零序電流互感器的數(shù)量增加保護(hù)的靈敏度，提高保護(hù)的可靠性。

為了解決差動保護(hù)存在的延時問題，可以采取引入延時補償?shù)姆椒?，在保護(hù)裝置中設(shè)置延時時間，當(dāng)差動電流超過設(shè)定值一定時間后才進(jìn)行動作。

4.2 設(shè)計方法

在設(shè)計變壓器差動保護(hù)的二次接線時，可以采用以下設(shè)計方法：一是根據(jù)實際工程要求確定差動保護(hù)的一次電流和二次電壓等級；二是選擇合適的差動保護(hù)裝置，根據(jù)其參數(shù)計算出合理的插入電阻和CT/VT 比率；三是根據(jù)實際情況確定需要增加的零序電流互感器的數(shù)量，并根據(jù)差動保護(hù)裝置的參數(shù)計算出合理的零序電流互感器比率；四是設(shè)計延時補償?shù)臅r間，根據(jù)實際情況確定延時時間；五是選擇合適的比率變送器，進(jìn)行比率誤差校正；六是對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證和檢查，確保差動保護(hù)的二次接線設(shè)計滿足實際要求，保證保護(hù)裝置的可靠性和穩(wěn)定性。

在實際應(yīng)用中，需要考慮差動保護(hù)的抗干擾能力和動作性能等因素，并針對實際情況進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化設(shè)計。

4.3 仿真驗證

在仿真驗證過程中，可以得到一系列數(shù)據(jù)指標(biāo)評估差動保護(hù)二次接線的性能和穩(wěn)定性。以下是一些可能涉及的數(shù)據(jù)指標(biāo)：

動作時間：保護(hù)裝置從故障發(fā)生到動作的時間，通常以ms 為單位。

誤動率（Misoperation rate）：保護(hù)裝置錯誤動作的頻率，通常以千分之一為單位。

抗干擾能力：保護(hù)裝置對負(fù)載變化和干擾信號的響應(yīng)能力。

穩(wěn)定性：保護(hù)裝置的工作穩(wěn)定性和可靠性。

在進(jìn)行仿真驗證時，需要根據(jù)具體的差動保護(hù)二次接線方案和仿真模型，設(shè)置不同的參數(shù)和變量，見表2。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

在仿真結(jié)束后，可以得到一系列仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，見表3。

表3 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

根據(jù)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，可以對差動保護(hù)二次接線方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，以提高其性能和可靠性。

5 結(jié)語

本文通過分析變壓器差動保護(hù)接線方式中存在的對稱性、延遲和穩(wěn)定性等問題，提出了增加零序電流互感器、引入延時補償和優(yōu)化比率誤差校正等改進(jìn)方案，通過對該算法進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果表明該算法能夠有效提高差動保護(hù)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的故障檢測和定位。因此，本文提出的改進(jìn)方案具有一定的實際應(yīng)用價值。