安防之家讯：摘 要 根据自耦变压器的特性，分析了自耦变压器发生区内、区外接地故障时的故障电流，讨论了3种形式的自耦变压器零序差动保护的优、缺点，并提出改进建议，对促进变压器零序差动保护的推广应用和巨型自耦变压器零序差动保护灵敏度的提高有实际意义。
关键词 自耦变压器 接地故障 差动保护
分类号 TM 772
DISCUSSION about ZERO-SEQUENCE CURRENT DIFFERENTIAL
PROTECTIONS OF AUTOTRANSFORMER
Sun Jiwei(North China Power Dispatching Bureau, 100053, Beijing, China)
Abstract According to the characteristics of autotransformer, the fault current of autotransformer is analyzed when the ground fault happens in and outside of the protected zone. The advantages and disadvantages of three kinds of zero-sequence current differential protections of autotransformer are discussed and some suggestions are given. This paper has something important to improve the application and sensitivity of zero-sequence current differential protection of autotransformer.
Keywords autotransformer ground fault differential protection
0 引言
在超高压电力系统中，自耦变压器因体积小、效率高、用材省等优点而得到了广泛应用。在为自耦变压器配置保护时，其相间差动保护、匝间保护、瓦斯保护及相间后备保护与普通变压器基本相同，一般不需作特殊考虑，但其零序保护及过负荷保护却有着不同于普通变压器保护的特点。对于过负荷保护，曾有许多专家及工程技术人员进行过大量的论述［1］，本文将主要讨论自耦变压器的零序差动保护。
众所周知，自耦变压器与普通变压器的功率传递方式不尽相同，在普通变压器中，高、中压线圈之间没有电的联系，全部是由电磁感应的作用进行功率传递的，而在自耦变压器中，高、中压线圈之间有电的联系，其功率传递除一部分是靠电磁感应的作用外，另一部分则是靠电的直接传导传递的；并且由自耦变压器的原理、结构所定，其高、中压侧的中性点必须连在一起，且同时接地。这是自耦变压器与普通变压器的主要差异［2］。在超高压系统中，大多数大容量的自耦变压器都是分相式。显而易见，对于分相式的自耦变压器而言，其内部发生接地故障的概率远大于相间故障，因此，对于自耦变压器的接地故障必须有高可靠系数的零序保护。
1 自耦变压器单相接地故障时的电流分析
为了更清楚地说明自耦变压器的特殊性，首先可以利用图1中500 kV/220 kV自耦变压器作为原型，对其中压侧、高压侧发生区外接地故障时的零序电流分布进行分析。
图1 自耦压器主接线图
Fig.1 Connection diagram of autotransformer
a.当自耦变压器的中压侧发生区外接地故障时，对折合到中压侧的零序等效电路(如图2)进行分析，可以得到式(1)、式(2)。
图2 自耦变压器中压侧区外单相短路电流分析
Fig.2 Current analysis of autotransformer
when single phase ground fault occurs outside
of the protected zone at medium voltage side
(1)
(2)
其中 nGZ=UG/UZ，为自耦变压器高、中压变比；Z0为中压侧(短路点)的零序电流；ZX为中性点提供的零序电流；GG0为自耦变压器公共绕组中的零序电流；G0为自耦变压器高压侧零序电流；G0′为折合到中压侧的高压侧零序电流；XG0，XD0分别为自耦变压器高、低压侧的零序电抗；XSM0为自耦变压器高压侧的系统零序阻抗。
由上述推导可以看出，因为nGZ>1，所以在自耦变压器中压侧发生区外单相接地故障时，自耦变压器的各侧(包括中性点)均有零序电流存在。中压侧零序电流Z0肯定大于高压侧零序电流G0，且自耦变压器中性点的零序电流ZX、公共绕组的零序电流GG0恒与短路点电流Z0同向，即I*ZX，I*GG0的方向与自耦变压器本身的阻抗以及系统阻抗无关。
b.当自耦变压器的高压侧发生区外接地故障时，对折合到中压侧的零序等效电路(见图3)进行分析，可以得到式(3)、式(4)。
图3 自耦变压器高压侧区外单相短路电流分析
Fig.3 Current analysis of autotransformer
when single phase ground fault occurs outside
of the protected zone at high voltage side
(3)
(4)
式中 XZ0为自耦变压器中压侧的零序电抗；XSN0为中压侧的系统零序阻抗。
由上述推导可以看出：如果XSN0+XZ0>(nGZ-1)XD0，则当自耦变压器高压侧发生区外单相接地故障时，中性点电流ZX、公共绕组的零序电流GG0与图中所标的方向相同；而当XSN0+XZ0<(nGZ-1)XD0时，自耦变压器中性点电流ZX和公共绕组中的零序电流GG0均与图中所标的方向相反。即：当自耦变压器高压侧发生接地短路时，中性点的零序电流ZX和公共绕组中的零序电流GG0不可能恒与短路点电流G0同向，而是随着中压侧系统阻抗XSN0的不同，自耦变压器中性点电流ZX的大小及方向也是不同的。尤其值得注意的是：当XSN0+XZ0=(nGZ-1)XD0时，ZX=0。
由此可以得到这样一个结论：在自耦变压器的高压侧发生区外故障时，其中性点的零序电流与中压侧的系统阻抗有相当大的关系，不能明确地反映故障的方向和故障的严重程度。因此，自耦变压器不宜像普通变压器那样选用由中性点的电流互感器(TA)构成的零序电流方向保护，否则很难保证其选择性［1，3］。
自耦变压器的零序电流方向保护很难保证选择性，而相间差动保护由于其特有的接线形式使其对于接地故障的灵敏度降低。在这种情况下，不言而喻，快速的、有较高灵敏度的零序差动保护对于自耦变压器是十分必要的。
2 较简单的自耦变压器零序差动保护
最初提出的自耦变压器零序差动保护的方案如图4所示。它利用高、中压侧和公共绕组的电流互感器分别形成各自的零序电流滤波器，然后差接起来，构成自耦变压器的零序差动保护。当变压器内部发生接地故障时，流入差动继电器的电流为故障点零序电流的总和，与中性点的零序电流方向无关，差动继电器将反应3侧的零序电流相量和而动作。这种零序差动保护的最大特点是接线简单，但必须按下列条件取最大值来整定［1］。
图4 简单的自耦变压器零序差动保护
Fig.4 Simple zero-sequence current
differential protection of autotransformer
a.躲过外部接地短路的最大不平衡电流：
Idz=KkKapKiIkφmax
(5)
式中 Kk为可靠系数，一般取1.3；Kap为非周期分量系数，一般取1.5～2.0；Ki为电流互感器允许的最大误差，一般取0.1；Ikφmax为最大外部单相短路电流。
b.躲过外部三相短路时的最大不平衡电流：
Idz=KkKapKiIk3φmax
(6)
式中 Ik3φmax为最大外部三相短路电流。
c.躲过变压器空载合闸时零序差动保护的不平衡电流：
Idz取(0.3～0.4)Ie
(7)
d.躲过电流互感器二次回路断线所产生的差电流：
Idz=KkIe
(8)
显而易见，变压器外部发生三相短路时各侧零序不平衡电流以相量和的形式出现在差回路中，而在最不利的情况下，零序不平衡电流的和值所产生的差电流可能大于各侧的零序不平衡电流。为躲过此不平衡电流，零序差动保护的整定值将大于额定电流值，可能达到1.3Ie～1.5Ie，甚至更大。无疑将大大降低零序差动保护对变压器接地故障的灵敏度和可靠性。尤其是对于大型自耦变压器，将失去装设零序差动保护的意义。
3 改进后的自耦变压器零序差动保护
为克服上述不足之处，自耦变压器零序差动保护可采用图5接线形式。应选用带比率制动特性的变压器保护，将高压侧相电流A，B，C及中压侧相电流a,b,c分别组合成A+c,B+a,C+b后，取最大值乘以系数KZ(一般在0.5左右)作为制动量，高、中压侧各相电流与公共绕组各相电流差接后得到的零序电流作为动作量。
图5 改进后的自耦变压器零序差动保护原理图
Fig.5 Improved zero-sequence current
differential protection of autotransformer
下面对改进后的自耦变压器零序差动保护在区内、外故障时的动作行为进行分析［3］。
3.1 外部三相短路时
制动回路：由于是三相对称性故障，三相制动电流分别为：A+c,B+a,C+b，它们在制动侧产生的制动电压基本是均衡的。
差动回路：进入差动回路的是三相短路时的不平衡电流，
(9)
很明显，制动量远大于动作量，保护不会误动作。
3.2 外部AB两相短路时
制动回路：由于是AB两相故障，三相制动电流中以*B+a最大，起主要的制动作用。
差动回路：进入差动回路的是两相短路的不平衡电流。由于两相短路故障时，发生故障的两相电流大小相等，方向相反，所以
(10)
同样，制动量远大于动作量，保护不会误动作。
3.3 外部A相短路时
制动回路：由于是A相故障，三相制动电流中以B+a,A+c(实际上是A和a)中的较大者起主要的制动作用。
差动回路：进入差回路的是外部单相短路时的不平衡电流，
(11)
其中 取A或a两者中较大者。
同样，制动量远大于动作量，保护不会误动作。
3.4 内部发生A相接地故障时
制动回路：由于是A相故障，三相制动电流中以B+a，A+c(实际上是A和a)中的较大者起主要的制动作用。
差动回路：应该是故障相高、中压侧和公共绕组故障电流的向量和，
CD=A+a+Ga
(12)
因CDKZA(或a)，保护能够可靠动作。
改进后的自耦变压器零序差动保护由于增加了比率制动部分，使得差动保护的动作定值大大降低，因而提高了自耦变压器内部发生接地故障时保护的灵敏度。
但是，由于国内各厂家均没有专门用于自耦变压器的零序差动保护产品，因此，在实际工程中通常借用普通变压器的相间差动保护来构成自耦变压器的零序差动保护。在此情况下，改进后的自耦变压器零序差动保护的电流差回路只能接在保护盘外(即在TA端子箱内，将各电流回路按上述要求接成差动回路)，这样就带来两个问题：
a.由于带比率制动特性的普通变压器差动保护的差动回路已经在保护装置内部接好，当采用这种保护构成改进后的自耦变压器零序差动保护时，必须对保护装置的内部回路进行适当的改进，否则保护有可能在区外故障时误动。
b.变压器投入运行并带上一定负荷后，按规程规定必须进行相量检查，但对公共绕组上的TA进行相量检查较为困难，稍有不慎，则可能造成保护误动。
从理论上讲，改进后的自耦变压器零序差动保护应具有比率制动特性，因此在TA断线时不应误动作。但应当注意，普通的比率制动式变压器差动保护的制动量是在回路中的电流达到一定值后才起作用的(如集成电路型的差动保护，当电流大于0.7倍额定电流时，制动量才起作用；而晶体管型的差动保护，则当电流大于额定电流时，制动量才起作用)，因此，改进后的自耦变压器零序差动保护在TA断线时不误动，并不是绝对的。
4 自耦变压器的高、中压分相差动保护
除采用上述的保护方案外，还可采用将自耦变压器各相的高压出线TA、中压出线TA及公共绕组的TA分别接成差回路，构成自耦变压器的高、中压分相差动保护，如图6所示。
图6 自耦变压器高、中压分相差动保护原理图
Fig.6 Diagram of separate phase differential
protection of autotransformer at high
and medium voltage side
在正常运行及自耦变压器高、中压线圈外部故障(包括接成三角形的第三线圈的故障)时，如不考虑TA等因素引起的误差的影响，该差回路的电流恒等于零。而在自耦变压器的高、中压线圈内部发生故障时，差回路中的差电流将使得差动继电器动作，跳开变压器主开关。利用此种方式构成的保护有以下特点：
a.受变压器空载合闸时励磁涌流的影响较小。由于自耦变压器高、中压线圈间存在电联系，使得自耦变压器在空载合闸时，无论合闸涌流有多大，从理论上讲，对于高、中压分相差动保护均是穿越性电流，进入差回路的电流基本为零。当然，考虑到各TA的误差及TA、保护装置内电流变换器励磁涌流的差异，差回路中存在不平衡电流。但是，这种不平衡电流应较普通的变压器纵差保护在空载合闸时励磁涌流所造成的不平衡电流要小得多。
b.不受变压器变比及调压分接头调整的影响。根据基尔霍夫第一定律，在自耦变压器内部无故障时，高、中压线圈及公共绕组之间的电流关系为：
Z=G+GG
(13)
因为
Z=nGZG
且
GG=Z-G=nGZG-G
式中 Z为中压侧电流；G为高压侧电流；GG为公共绕组侧电流；nGZ为自耦变压器的实际变比。
所以无论变比nGZ如何变化(包括无论调压分接头如何调整)，差电流Z-(G+GG)=0均成立。
c.保护的灵敏度及可靠性受短路电流水平的影响，与故障类型无关。由于高、中压分相差动保护是将自耦变压器高、中压侧所有进线按相差接，故在正常运行及任何类型的穿越性故障时，理论上的差电流恒等于零；而在自耦变压器的串联绕组和公共绕组及引线上无论发生何种类型的故障，故障相差回路的平衡关系均将被破坏，保护动作是否灵敏仅决定于故障电流的大小。为保证该保护能正确反应自耦变压器的接地故障，TA的二次回路应接成星形。自耦变压器的高、中压分相差动保护原则上可选取与变压器相间纵差保护相同的比率制动式差动保护。但由于前面提及到此种保护受励磁涌流影响较小的缘故，无论是采用间断角原理，还是采用2次谐波制动原理，当用作自耦变压器的高、中压分相差动保护时，防励磁涌流的制动作用均不宜过大，以保证在变压器内部发生故障时有足够的灵敏度。
当选用比率制动型变压器差动保护装置作为高、中压分相差动保护时，应特别注意制动量的选取问题。近年来，国内各厂家推出的静态型变压器保护装置的比率制动部分大多采用多侧制动的办法，即以各侧电流中的最大一侧的电流作为制动量，从而保证在穿越性故障时保护装置不误动。此种比率制动的方法在变压器的相间差动保护中效果较好，但用作自耦变压器的高、中压分相差动保护时，则有些不妥。
举一个比较特殊的例子，如图7所示：K点位于TA与变压器高压侧出线端之间，如果在变压器由中压侧充电(高压侧开关未合)时，该点发生接地故障，若采用各侧电流中的最大一侧的电流作为制动量的方法，制动电流为kIZ，其中k为小于1的实数。而进入保护的差动电流为：I*Z+I*GG，不考虑两电流相位的影响时，绝对值应为中压侧电流与公共绕组的电流之差，即IZ-IGG。如k值选取较大，则此时变压器保护有可能拒动。
图7 自耦变压器高压侧出口单相接地短路
Fig.7 Circuit of autotransformer when single phase
ground fault occurs on the output of high voltage side
为解决此问题，可采用将公共绕组的电流与高压侧电流相加后接入制动回路的方法，并且在制动电流中取消中压侧电流。这样，无论自耦变压器高、中压差动保护范围内部何处发生何种类型的故障，保护的制动电流总是小于差动电流；而在穿越型故障时，制动电流与原回路相同，可保证不误动。
以上简单讨论了3种自耦变压器的零序差动保护，但未涉及变压器各侧TA的变比问题。这是由于自耦变压器的零序差动保护所用的TA将变压器高、中压侧的所有出线都差接起来，将自耦变压器视为一个大节点，因此为减小穿越性故障时由于TA误差而产生的不平衡电流的影响，在条件允许的情况下，宜选用变比相同的同型号TA。
自耦变压器的零序差动保护还可有其它形式，但总的要求是相同的。它应该对接地故障有较高的灵敏度，同时应保证在正常运行及穿越性故障时可靠不动作。自耦变压器的零序差动保护与自耦变压器的相间差动保护同属主保护，相互进行弥补。对于变压器三角形接法的第三线圈发生的故障只能由后者动作后切除。
作者简介:孙集伟，男，继电保护处主任工程师，高级工程师，长期从事继电保护专业工作。
作者单位:
参 考 文 献
［1］王维俭.电气主设备保护原理与应用.北京：中国电力出版社，1996
［2］崔家佩，孟庆炎，陈永芳，等.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.北京：水利电力出版社，1993
［3］章名涛.电机学.北京：科学出版社，1964
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