差动保护理论部分

2差动保护变压器、发电机、发变组的差动保护（以下简称“差动保护”）是我们常见的、原理相对又比较复杂的一种保护装置。为了使大家对PW软件差动测试原理有一个比较清晰的认识，我将尽量以一种比较简单地方式为大家讲解变压器保护的保护原理。变压器是一个不出力元件，它不消耗功。因此，尽管高低压侧的额定电流不同，但却是恒定成比例的。这就是一种“平衡状态”。当变压器内部发生短路故障时，这种平衡状态就会被打破，两侧就会产生“差流”。当差流大于我们允许的范围，保护装置就应驱动断路器跳闸避免更大的损失。由于CT的接线形式不同，变压器两侧的电流流向有两种方式：1，两侧指向变压器由于高低压侧电流流向相反。为使其正常情况下两侧的差流为零，则Id=I1+I22，一侧指向变压器由于高低压侧电流流向相同。为使其正常情况下两侧的差流为零，则Id=I1-I2刚才说到各侧的额定电流是不同的，但是却是成比例的。例如：轻载时高压侧二次电流为5A，低压侧二次电流为6A。则当重载时，如果高压侧二次电流为10A，则低压侧二次电流也应为12A，其比值恒为5/6=0.833。这就需要引入平衡系数的概念。也就是说，虽然高低压侧电流不相同，但这不是由于故障引起的，是正常的。我们认为此时的“差流”就是零。为使上面的两个公式成立。我们将在差动公式中代入一个系数。因此完整的差动公式为：其中，Ih为高压侧电流，IL为低压侧电流，Kb.l为低压侧平衡系数。带入上式后，高低压侧电流数值一致，可直接交保护装置CPU进行比较。这个平衡系数是由各侧电压等级、CT变比所决定的。一旦确定了变压器，平衡系数就是一个常数。差动方程反映出高低压侧是否存在差流、以及差流的大小。但不是说有了差流，保护就一定要出口。CT采样误差、系统扰动，这些情况使得轻微的差流不可避免。因此，只要差流在能够保障“系统安全”的范围之内时，我们就认为它是无危害的。但差流一旦大于这个范围，保护就要对它进行操作——或告警、或跳闸出口。很多时候，我们称这个“范围”的边界为“门槛值”或“启动电流”。负载的升高使变压器各侧的电流也随之上升。随着各侧电流的提升，CT饱和的现象就会出现，继而造成高低压侧产生较高的不平衡电流。如果仍然以轻载时的门槛值来衡量此时的差流的话，保护就应该立即动作。但此时，变压器只是在高峰期运行，是一种正常状态。此时跳闸，就是误动作、是不允许的。因此，随着负荷的增加，我们应该相应地提高差动动作值。这时就要引入一个参数来判断系统的运行状态，这个参数就是制动电流。制动电流是一个抽象的概念。就如刚才所说，制动电流反映的是系统的运行状态——变压器是轻载、还是重载？它是通过采样高低压侧电流并通过计算得到的。常见的有。刚才说到，随着负载的增大，制动电流也会增大，保护能够忍受的差动电流也就越高。需要注意的是，制动电流也是通过采样高低压侧电流计算得到的。如果在重载情况下发生了严重的内部故障，两侧电流都常高，这样就会计算出很高的制动电流来制动保护，这样会不会影响保护的灵敏性呢？不用担心，差动的速断保护弥补比率制动的不足。设计师是根据本段线路的最大负荷来计算速断电流的。即：当保护检测到一个很大不平衡的电流，大到即使本线路满负荷运行也不可能产生如此大的差动电流时，差动保护装置将启动差动速断逻辑直接出口。通过上面的阐述，我们可将差动保护原理绘制成一张图：谐波制动是比率差动的一个辅助逻辑。当变压器启动或甩负荷的时候，也会有一个比较大的差动电流产生。为防止误动作需要暂时闭锁差动保护。研究发现，当变压器启动或突然甩负荷时，电流中含有大量的多次谐波分量，其中以二次谐波为主。谐波制动便应运而生。它的原理是检测变压器各侧电流的二次谐波含量，当大于定值（一般定义为15%~20%）时，闭锁比率差动保护。它的测试非常简单，可与差动保护测试一并进行。根据电流输出的路数不同，PW测试软件有：差动保护和差动保护扩展两个测试模块。分别对应三相电流测试仪和六相电流测试仪。前者在做差动保护试验时往往需要考虑加补偿电流。后者可将前三路电流和后三路电流分别加在变压器高低两侧，无需考虑补偿电流的影响。差动保护和差动保护扩展的设置方法大致相同，用户只要理解各菜单项目的含义即可顺利设置。三路电流的测试仪测试CST31AE装置举例（一）保护设置1.相关保护参数定值相关保护参数定值为：①中压侧平衡系数（保护定值代码为“KPM”）为1，低压侧平衡系数（保护定值代码为“KPL”）为0.5；②差动速断电流定值（保护定值代码为“ISD”）为5；③差动电流动作门槛值（保护定值代码为“ICD”）为1；④比率制动特性拐点电流定值（保护定值代码为“IB”为3.00；⑤基波比率制动特性斜率（保护定值代码为“KID”）为0.5；⑥谐波制动系数为0.2。2.差动电流、制动电流取得方式差动电流取法用式制动电流取法用式3.注意事项由于制动电流是取的中、低侧电流的最大值，所以在做高、低侧差动时应取低压侧电流为制动电流，在做高、中侧差动时应取中压侧电流为制动电流。这是CST31保护的特殊之处。4.保护控制字（1）控制字KG1的D8=0，D9=1时，保护对象为三绕组变压器。（2）控制字“KMD”取为0002，对应变压器接线形式为Y，d11，d11接线，采用保护内部算法进行角度校正。2从装置控制字我们知道，被测变压器是Y—△—△型的三卷变，且正常运行时星形侧与三角侧电流相量的夹角钟点数为11点。高低压侧电流要进行比较，首先要要进行相位调整，使其保持一致，再比幅值即可。相位调整方式有两种。1.Y侧内转角：即是将高压侧的星形（12点）向三角形（11点）转换。2.△侧内转角：即是将低压侧的三角形（11点）向星形（12点）转换。那么保护内部是如何转换的呢？如上图所示，将高压侧的IA-IB得到的相量Iab与低压侧的Ia’是平行的。但由于是两个相量的合成，其幅值比Ia’大了倍。依此类推，我们也可以找到与Ib’、Ic’对应的相量，其计算公式为：如果高压侧转换后电流与低压侧转换后电流幅值相同，则差流为零。同理我们也可推算出三角侧内转角时的差动公式。这些公式，在装置的技术说明书上都有，查看一下装置技术说明书的差动章节，我们就能分辨出，这台保护是星侧内转角还是三角侧内转角。下面我们来探讨一个问题。以星侧内转角为例，如果我们在高压A相加一个电流，BC相不加电流，会产生什么样的现象呢？套用第一个公式，得：从上面的公式得到，如果我们仅在高压侧A相上加一路电流，经过保护装置的计算后，此电流被分解成两路电流。要让差流为零，不仅要在低压侧a相加电流“平衡电流”也要在c相加“补偿电流”。PW测试仪三相电流的一般加法是：Ia加高压侧电流，Ib加低压侧平衡电流，Ic加低压侧补偿电流。在分相做B相、C相的时候也要加补偿电流。位置如下表：表中，Ia，Ib，Ic指的是测试仪的电流输出端子。到这里，差动原理也就讲的差不多了。让我们借用上面的例子一起回顾一下以前用手动的方法做差动的过程。做差动的一般方法是首先确定制动电流，改变差动电流，直到差流大于动作边界，保护动作，记录下动作边界值。首先在拐点前，做一个门槛值吧。由于拐点定值为3，则当Ir=2时，差动电流动作边界为Id=1。好，根据方程解之得，当Ir=2，Id=0时，Il=2.Ih=2，Ih与Il相位相反。再根据公式当采用三相电流的测试仪，只在高压侧A相加电流2，相位为0°时，保护装置经过换算，高压侧的等效电流为=2/=1.1550°、=2/=1.155180°，直白点说，就是会分解成幅值为基准值1/倍的两个电流。为便于计算，在我们输入高压侧电流时应人为地乘倍。即，想要高压侧基准电流为2，则我们需要在高压侧加单相电流3.464。那么高压侧的等效电流为=20°、=20°，为使Id=0，则低压侧基准电流应加=20°、=20°，考虑到平衡系数的影响，低压侧电流实际应加=20°/0.5=40°、=20°/0.5=40°。OK，此时Id=0，增加或减小高压侧电流来增加Id，根据计算，高压侧电流应增加到，5.196A时，保护动作。为什么呢？5.196/1.732-2=1.这就是门槛值的测试。接下来测试比率制动线，所谓两点确定一直线。在比例制动曲线上，我们确定两个测试点就可以把斜率算出来。首先确定制动电流为拐点后，Ir=4，则Id=1+（4-3）*0.5=1.5A。根据上面的方法，确定制动电流为4A时，要使Id=0，则Il=4，Ih=4，高低压侧电流的加法如下=4*1.732=6.928°；=8°，=8°，增加直到（4+1.5）*1.732=9.562时动作。同理，Ir=5时，Id=1+（5-3）*0.5=2A，确定制动电流为5A时，要使Id=0，则Il=5，Ih=5，高低压侧电流的加法如下=5*1.732=8.66°；=10°，=10°，增加直到（5+2）*1.732=12.124时动作。最后要计算斜率，公式是：实际测出的动作值/1.732—基准电流。得出A、B两点实际的差动电流，是这两点的纵坐标，再取两点的制动电流为横坐标。用B点的坐标减A点的坐标。得出B点对A点的“相对坐标”，用相对坐标的纵坐标除以横坐标即是这条线的斜率。速断的手动试验方法，是将主保护的比率制动退出，像做过流保护那样做速断即可。比率制动的手动测试方法是在高压侧或低压侧加一个50Hz的差动过流基波，再在该电流上并联一个100Hz的二次谐波，谐波与基波的幅值比应大于定值。此时保护不动作，逐渐减小二次谐波的幅值，直到保护动作，再计算一下，保护动作时，二次谐波与基波的幅值比即可得到二次谐波制动系数的实际值。刚才，我们是通过增加高压侧电流来制造制动电流，这样讲，大家容易理解，在实际测试过程中，很多情况需要我们们减少高压侧电流来制造差动电流。就像这个例子，当我们要做中压侧对低压侧的差动保护时，由于制动方程式是，按照刚才的方法增加高压侧电流，制动电流也会跟着改变，如果，我们采用减少高（中）压侧电流的方法制造差动电流。制动电流就恒为低压侧电流不会改变了。要用手动的方法做差动试验实在不是一件容易的事。光是讲，都让我头大了，但这还仅仅是最简单的单拐点比率制动。所谓差之毫厘，谬之千里。这中间反复的计算过程，稍有疏忽，结论就跑到八宝山去了。不能不说，是科技改变了生活，也改变了我们的工作方式。现在，我们通过测试仪的自动测试软件，轻松地输入各项系统参数后，测试仪就会自动计算差动电流、绘制曲线并生成试验报告。闲话少叙。现在，我们回到刚才的例子，看PW软件应该如何设置。