变压器差动保护调试差动平衡及差动计算原理

变压器差动保护调试差动平衡及差动计算原理殷 雄

云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南省,曲靖市，655000

摘要：变压器因接线组别导致各侧间电势相位产生一个角度差；变压器各侧电压、电流互感器变比不同，各侧电流幅值也不同。所以变压器差动保护装置在对电流采样进行差动计算前，需对各侧采样电流进行方向折算和幅值折算。变压器差动保护装置厂家较多，装置原理、动作特性平面坐标定义各不一致，对初学者来说有点混杂。现场调试可以单相加量或三相加量，本文对比各装置折算类型，总结对应的现场调试接线和加量方法。调试结果计算时，只需按装置折算过程，得出差动计算因数，根据装置说明书将因数代入对应制动电流、动作特性平面横坐标定义公式，即得出动作特性平面坐标点，实现装置校验的目的。

关键词：方向折算、幅值折算、单相加量、三相加量、差动计算因数

1 引言

变压器差动保护作为变压器内部故障时的主保护，能快速、有选择地动作，具有高灵敏度、可靠性。现场差动保护调试对发现、解决问题具有一定意义。差动平衡加量是差动保护调试的重要环节：若因装置本身问题导致装置正确加量后不能平衡，其差动计算将失去意义，这种计算下可能导致断路器误动或拒动，差动保护也失去了运行的意义。本文介绍差动保护调试重要环节——差动平衡加量，以变压器常用接线组别Yd11、电流互感器星形接线为例，将两种主流折算原理对应的加量方法进行对比、总结，再阐述由动作边界采样值计算动作边界线斜率的方法，对初学者有一定启发作用。

2 Yd11接线方式

变压器接线组别是以“时钟表示”来命名的，即变压器高压侧线电势指向“12点”，低压侧根据高、低压侧线电势之间的相位关系来指向不同的钟点。所以变压器Yd11方式下，低压侧线电势超前高压侧线电势30°。差动保护根据电流变化判断故障，高、低压侧线电流相位关系如图2.1所示。

图2.1 Yd11接线变压器高低压侧线电流相位图

3 差动平衡三相加量方法

变压器差动保护装置采样反应设备一次实际值，反之，变压器正常运行时，一次侧无故障电流，二次差流必定为0。所以，以变压器额定运行状态下对应二次额定电流为例，加入差动保护装置，此时差动平衡。变压器二次额定电流计算如式3.1，加量接线如图3.1。

（其中，IeH为高压侧二次额定线电流，IeL为低压侧二次额定线电流，SN为变压器容量，UNH为高压侧额定线电压，UNL为低压侧额定线电压，nH为高压侧CT变比，nL为低压侧CT变比。）

图3.1 差动平衡三相加量接线图

Yd11接线变压器因接线组别导致高、低压侧电流产生30°角差，因此差动保护装置对其采样会自动进行30°角修正，即方向折算：将低压侧采样电流相位减去30°折算到高压侧，或将高压侧电流相位加上30°折算到低压侧。

继保测试仪1输出电流如式3.2，假如装置逻辑是将低压侧电流方向折算到高压侧，要想差动平衡，低压侧折算电流需与式3.2反向，则继保测试仪2输出电流如式3.3。同理，假如装置逻辑是将高压侧电流方向折算到低压侧，继保测试仪1按式3.2输出、继保测试仪2按式3.3输出，装置差动依然平衡。将式3.2、式3.3同时乘于对应常数再输出至装置，可以得到现场调试想要装置采样为任何数的平衡态。

三相加量方法需要两组三相输出量，需要能同时输出两组三相电流的继保测试仪；当继保测试仪只能输出一组三相电流时，需用两台继保测试仪，此时两台继保测试仪间输出、停止等操作需考虑时间上的配合。所以，三相加量方法有一定短板，可考虑其他更简便的方法。

4差动平衡单相加量方法

差动保护装置差动判据是分相进行的，由于三相加量方法的制约性，可使用单相加量方法（继保测试仪有一组三相输出即可）。Yd11接线变压器因接线组别导致高、低压侧电流产生30°角差；变压器高、低压侧电压等级、CT变比不同，由式3.1可知，变压器高、低压侧电流大小自然不同。由于这两方面原因，变压器正常运行或外部故障时，若将差动保护装置采样电流直接用于差动计算，结果必定是差动不平衡，内部故障时这样的“直接计算”也没有意义。所以，装置采样电流进行差动计算前，需进行方向折算和幅值折算。

方向折算，即将高、低压侧电流相位折算到同一方向上。可将高压侧电流相位向低压侧折算（Y Δ折算），也可将低压侧电流相位向高压侧折算（ΔY折算 ）。

幅值折算，即将高、低压侧电流幅值折算到同一电压等级、同一CT变比基准下。可采用标幺值或平衡系数两种方式，折算后差动计算中二者关系就是行业定义中标幺值与有名值的关系。标幺值是一种相对表示方法（如式4.1），差动计算过程更简便；平衡系数对应差动计算中采用有名值计算，过程更直观。假设将幅值折算到高压侧（以高压侧电压等级、CT变比为折算基准），此时高压侧平衡系数KpH=1，低压侧平衡系数计算如式4.2。

4.1 Y Δ折算下的单相加量方法

由图2.1可知，高压侧电流做相差，可以实现高压侧电流方向向低压侧电流方向转变，结果如图4.1.1，I

A'、IB'、IC'为高压侧三相电流折算到与低压侧三相电流同向的方向折算后电流。由图知这种折算会使折算后三相电流幅值扩大倍，需将幅值大小进行还原。综上得式4.1.1，其物理意义就是将高压侧三相电流向低压侧同相电流方向旋转30°。

图4.1.1 Y Δ折算电流相位图

单相法加量时，若继保测试仪给高压侧A相输出电流IeH，高压侧B、C相电流为0，由式4.1.1知高压侧A相电流经装置方向折算后，得IA'=IeH、IC'=-IeH。要使A、C相差动平衡，继保测试仪需给低压侧a、c相加与IA'、IC'分别方向相反、大小相等的电流。综上得继保测试仪与装置试验接线如图4.1.2所示，继保测试仪输出如式4.1.2，此时差动平衡。将式4.1.2乘于对应常数再输出至装置，可以得到现场调试想要装置采样为任何数的平衡态。

图4.1.2 Y Δ折算试验接线图

4.2 Δ Y 折算下的单相加量方法

由图2.1可知，低压侧电流做相差，可以实现低压侧电流方向向高压侧电流方向转变，结果如图4.2.1，ia'、ib'、ic'为低压侧三相电流折算到与高压侧三相电流同向的方向折算后电流。由图知这种折算会使折算后三相电流幅值扩大倍，需将幅值大小进行还原。综上得式4.2.1，其物理意义就是将低压侧三相电流向高压侧同相电流方向旋转30°。

图4.2.1 Δ Y折算电流相位图

单相法加量时，若继保测试仪给低压侧a相输出电流IeL，低压侧b、c相电流为0，由式4.2.1知低压侧a相电流经装置方向折算后，得Ia'=IeL、Ib'=-IeL。要使A、B相差动平衡，继保测试仪需给高压侧A、B相加与Ia'、Ib'分别方向相反、大小相等的电流。综上得继保测试仪与装置试验接线如图4.2.2所示，继保测试仪输出如式4.2.2，此时差动平衡。将式4.2.2乘于对应常数再输出至装置，可以得到现场调试想要装置采样为任何数的平衡态。

图4.2.2 Δ Y折算试验接线图

Δ Y 折算下当变压器高压侧Y中性点接地时，若高压侧外部发生不平衡故障，此时高压侧因Y中性点接地而产生零序电流通道，高压侧装置采样电流中存在零序电流分量，而低压侧Δ接线零序电流会在Δ绕组中自环，不会流出Δ绕组到装置采样。所以若装置不消去高压侧采样零序电流分量，就会因高、低压侧零序电流分量差动不平衡而误动，高压侧消零序电流折算如式4.2.3。

Y Δ折算下，即使变压器高压侧Y中性点接地，因为高压侧采样电流要完成式4.1.1的折算，该过程已经进行了零序电流滤除，这种折算下不用额外考虑区外故障零序电流分量差动不平衡导致误动的问题。所以， Y Δ折算比Δ Y 折算具有一定便利性，各厂家变压器差动保护装置逻辑也以Y Δ折算居多。

式4.1.1与式4.2.1物理意义是将折算侧电流方向向另外一侧旋转30°，这与三相加量式3.2、式3.3是对应吻合的。单相加量时，另外两相为0，单向量与零向量做差，结果为单向量本身或单向量的反向向量，未实现30°旋转，所以单相加量时不考虑30°角补偿，但经过式4.1.1或式4.2.1的计算，需要在单相加量幅值上进行倍数补偿，如式4.1.2、式4.2.2。

5 幅值折算在调试计算中的应用

由4中内容可知，差动保护装置采样电流在进行差动计算前，需要进行方向折算和幅值折算。现场差动保护装置调试中，方向折算决定“怎么加量和接线”，而幅值折算在调试数据计算中（由加量数据计算比率制动系数）体现更多。根据装置动作边界时继保测试仪输出计算比率制动系数的过程如图5.1。下面以差动平衡为例说明标幺值与平衡系数在调试计算应用中的区别。（以图4.1.2接线、式4.1.2加量为例）

图5.1 比率制动系数计算过程

5.1标幺值

这种计算方式以南瑞继保的变压器差动保护装置为典型。继保测试仪给高压侧A相输出电流，低压侧a相输出，低压侧c相输出，代入式4.1、式4.1.1得此时采样电流经装置方向折算和幅值折算后结果如式5.1.1，此时A、C相差流为0，则差动平衡。

即装置差动电流、制动电流计算因数是采样值经方向折算和幅值折算后的标幺值。差动保护比率制动系数校验过程中，按4.1中内容得平衡态后，改变高压侧或低压侧输出量，差动保护刚好动作时的输出量为动作边界值，此时输出量作为采样值，将采样值按上述逻辑折算后得出标幺值。高、低压侧标幺值作为计算因数，按各装置说明书对制动电流、动作特性平面横、纵坐标的定义，进行相应的代入计算，可得出动作边界线上一个点。重复上述过程，得另外一个点，两点确定的直线就为动作边界线，其斜率为比率制动系数。

5.2平衡系数

南瑞继保以外其他厂家装置采用这种计算方式。继保测试仪给高压侧A相输出电流，低压侧a相输出，低压侧c相输出，代入式4.2、式4.1.1得此时采样电流经装置方向折算和幅值折算后结果如式5.2.1，此时A、C相差流为0，则差动平衡。

即装置差动电流、制动电流计算因数是采样值经方向折算后乘于本侧平衡系数而得到的有名值。差动保护比率制动系数校验过程中，按4.1中内容得平衡态后，改变高压侧或低压侧输出量，差动保护刚好动作时的输出量为动作边界值，此时输出量作为采样值，采样值按上述逻辑折算后，将高、低压侧折算电流按各装置说明书对制动电流、动作特性平面横、纵坐标的定义，进行相应的代入计算，可得出动作边界线上一个点。重复上述过程，得另外一个点，两点确定的直线就为动作边界线，其斜率为比率制动系数。

6 结语

本文介绍侧重单相加量法，加量相别不同，继保测试仪接线形式也就不同，所加量方向、大小都不固定，只需满足本文逻辑即可，不局限于文中所举接线、加量的个例，包括变压器接线组别改变，也能按文中逻辑进行推导。单相加量相别选择相差计算侧的任一相，根据加量方向、大小，结合折算过程自然得出另外一侧需要加量相别、电流幅值和方向。因为各家装置对制动电流、动作特性平面横坐标等相关概念的定义不一样，所以本文未给比率制动系数计算的例子，但阐述了整体逻辑，根据本文得出差动计算因数，现场调试根据装置不同定义（参考装置说明书），将计算因数代入对应制动电流、动作特性平面横坐标定义公式，得出动作特性平面坐标点，即可算出比率制动系数。

参考文献：

1 国家电网公司继电保护培训教材（下册） 中国电力出版社2009.04，ISBN 9787508383897

2 PCS978变压器保护装置技术和使用说明书 南京南瑞继保电气有限公司

3 PST 1200系列数字式变压器保护装置说明书 国电南京自动化股份有限公司