数字式发电机、变压器差动保护试验方法

[内容摘要]：发电厂、变电站的变压器、发电机等大型主设备价值昂贵，当他们发生故障时，变压器、发电机的主保护纵向电流差动保护应准确及时地将他们从电力系统中切除，确保设备不受损坏。模拟发电机、变压器实际故障时的电流情况来进行差动试验，验证保护动作的正确性至关重要。

[关键词]：数字式 差动保护 试验方法

我们知道，变压器、发电机的电气主保护为纵向电流差动保护，该保护原理成熟，动作成功率高，从常规的继电器保护到晶体管保护再到现在的微机保护，保护原理都没有多大改变，只是实现此保护的硬件平台随着电子技术的发展在不断升级，使我们的日常操作维护更方便、更容易。传统继电器差动保护是通过差动CT的接线方式与变比大小不同来进行角度校正及电流补偿的，而微机保护一般接入保护装置的CT全为星型接法，然后通过软件移相进行角差校正，通过平衡系数来进行电流大小补偿，从而实现在正常运行时差流为零，而变压器内部故障时，差流很大，保护动作。由于变压器正常运行和故障时至少有6个电流（高、低压侧），而我们所用的微机保护测试仪一般只能产生3个电流，因此要模拟主变实际故障时的电流情况来进行差动试验，就要求我们对微机差动保护原理理解清楚，然后正确接线，方可做出试验结果，从而验证保护动作的正确性。

下面我们以国电南京自动化设备总厂电网控制技术有限公司的ND300系列的发变组差动保护为例来具体说明试验方法，其他厂家的应该大同小异。这里我们选择ND300系列数字式变压器保护装置中的NDT302型号作为试验对象。该型号的差动保护定值（已设定）如下：

NDT302变压器保护装置保护定值单

根据上面变压器的参数可以求出差动高压侧CT变比为：Th＝200/5＝40，差动低压侧CT变比为：Tl＝600/5＝120。 主变高压侧一次额定电流为：Ih=5×10/(×35×10)＝82.48A,主高压侧二次额定电流为：Ihe＝82.48/40＝2.05A，则定值中的Ie＝×Ihe=3.56A，这里一定要注意Ie与Ihe的区别，Ie是Ihe移相后的值，因此有个倍，由于厂家不同，对此定义可能会有出入，下面会通过向量图具体分析。低压侧一次额定电流为：Il＝5×10/(×10×10)＝288.68A, 低压侧二次额定电流为：Ile＝288.68/120=2.41A。只要主变参数确定，这些值保护装置会自动计算，并通过菜单定值项中的“内部定值”提供给用户，无需另外计算，使用起来非常方便，这也是该产品的一个特色。

下面我们先来分析一下微机差动保护的算法原理。这里以Y/△-11主变接线为例，传统继电器差动保护是通过把主变高压侧的二次CT接成△，把低压侧的二次CT接成Y型，来平衡主变高压侧与低压侧的30相位差的，然后再通过二次CT变比的不同来平衡电流大小的，接线时要求接入差动继电器的电流要相差180，即是逆极性接入。具体接线如图1：

图1

其中，为高压侧一次电流，为高压侧二次电流。为低压侧一次电流，为低压侧二次电流。KD1、KD2、KD3分别为A、B、C三相差动继电器。

而微机保护要求接入保护装置的各侧CT均为Y型接线，显而易见移相是通过软件来完成的，下面来分析一下微机软件移相原理。

ND300系列变压器差动保护软件移相均是移Y型侧，对于∆侧电流的接线，TA二次电流相位不调整。电流平衡以移相后的Y型侧电流为基准，△侧电流乘以平衡系数来平衡电流大小。若∆侧为△-11接线，软件移相的向量图如图2：

图2

其中，I 、I、I分别为高压侧A、B、C三相电流，I、I、I分别为高压侧移相后的A、B、C三相电流，I、I、I分别为低压侧三相电流。

其校正方法如下：

；；（、、类同上图中的I 、I、I，、、类同上图中的I、I、I）。

式中：、、为Y侧TA二次电流，、、为Y侧校正后的各相二次电流。

只所以这么移，如果接入差动保护装置的CT为逆极性接入，则与Ia（低压侧A相电流），与Ib（低压侧B相电流），与Ic（低压侧C相电流），，正好相差180度，这样角度差就被校正过来了。以A相为例，很明显移相后,= ×，这样低压侧来平衡高压侧时就有＝×Ih＝Bl×Il，则有Bl＝×=× =××，其中Bl为低压侧平衡系数，Ih为高压侧一次电流，Il为低压侧一次电流，S为主变容量，Uh、Ul分别为主变高低压侧一次电压，Th、Tl分别为高低侧CT变比。根据以上公式可以算出此主变保护低压侧平衡系数为：

Bl＝××＝××＝1.485，此值也是由保护装置在“内部定值”中自动算出。

如果∆侧为△-1接线，其校正方法如下：

由此可以看出如果在高压侧加一相电流，则会产生两相差流，对于主变接线为Y/△-11接线的，如果只在高压侧A相加电流，则A、C相会有差流，只在高压侧B相加电流，则A、B相会有差流，只在高压侧C相加电流，则B、C相会有差流。那么如果用只能产生三相电流的继电保护试验仪来做差动保护试验，则所加电流的方法如下：

1、高压侧加A相电流，则低压侧要加A、C相电流(用继电保护试验仪的A相电流作为主变高压侧A相电流，用继电保护试验仪的B、C相电流作为主变低压侧A、C相电流，且继电保护试验仪的A、B、C相电流角度分别为：0、180、0)。我们要做主变A相差动保护试验，如果高压侧只加A相电流，C相必然会产生差流，因此在主变低压侧除了A相要加电流来验证差动方程外，在C相也要加上电流来平衡高压侧A相在C相产生的差流。以下两点类同。

2、高压侧加B相电流，则低压侧要加B、A相电流(用继电保护试验仪的A相电流作为主变高压侧B相电流，用继电保护试验仪的B、C相电流作为主变低压侧B、A相电流，且继电保护试验仪的A、B、C相电流角度分别为：0、180、0)。

3、 高压侧加C相电流，则低压侧要加C、B相电流(用继电保护试验仪的A相电流作为主变高压侧A相电流，用继电保护试验仪的B、C相电流作为主变低压侧C、B相电流，且继电保护试验仪的A、B、C相电流角度分别为：0、180、0)。

4、 下面分析一下差动保护的曲线及动作方程。此差动保护的动作曲线如图3：

图3

比率差动动作方程为：

其中（以三卷变为例）：

式中：I_d为差动电流，I_r为制动电流，I_SD为差动速断定值，I_CD为比率差动门槛值，I_GD为拐点定值，K为制动系数，、、为变压器各侧归算到高压侧后的电流。

由图可以知道，一条水平线段和一条斜率为K的射线把整个一象限分为动作区和制动区两部分。实际上动作方程就是一个分为两段的分段函数，一段为水平线段的常函数，另一段为一斜率为K的直线，因此做试验时也要分为两部分。**部分只要满足：

I_d >(I_CD =0.8Ie=2.85A)

I_r <(I_GD=1Ie=3.56A)

保护就会动作。如果现在在高压侧A相加5A的电流，我们可以算出在低压侧要使保护在水平线段部分动作所要加的电流大小范围，试验的前提是使高低压两侧电流（同相）相位相差180。设低压侧所要加的电流为I，如果A相电流满足以下方程：

|5-1.485I|>2.85 ， I>5.27或者I<1.45

(5+1.485I)/2<3.56， I<1.43

由此看出，如果高压侧所加电流大于5A，则在低压侧加大于5.27A或者小于1.45A电流就可以满足条件，则A相就可以在曲线的水平段动作。很明显由于移相的原因，C相会产生5A的差流，因此为防止C相差动保护作，需要在低压侧C相加5/1.485＝3.37A的电流来平衡。

以上只是举了一个例子，读者也可以先加低压侧电流，再根据不等式方程求出要差动保护动作高压侧所要加的电流理论值范围。下面我们来验证斜率为K的直线部分动作特性（如图3中的A点），此部分的动作方程为：

<K

假设在高压侧加5A电流，要使差动动作，则低压侧所加电流I要满足的方程为：

|5-1.485I|>2.85， I>5.27或者I<1.45

(5+1.485I)/2>3.56， I>1.43

>0.5， I<1.44或者I>6.54

由以上不等式可以看出如果在主变高压侧加5A的电流，则在低压侧A相1.43A<I<1.44A或者大于6.54A的电流，同时在低压侧C相加5/1.485＝3.37A的电流，A相差动就会动作，其他相不会动作。

当然如果使用的继电保护试验议可以产生六个电流，或者试验仪试验项目中有专门用于做差动保护试验的，试验起来会更方便。

由于发电机与变压器结构不同，发电机机端与中性点不存在相位差，因此发电机的差动保护试验就比较简单。发电机的差动保护曲线同图3，这里我们选择ND300系列数字式发电机保护装置中的NDG300A型号作为试验对象。该型号的差动保护定值（已设定）如下：

根据定值中发电机的额定参数可以求出：

差动CT变比 T＝8000/5＝1600

机端和中性点一次额定电流 I＝P/U COSφ

＝

＝6468.3A

(其中P为发电机额定功率、U为一次电压、I为一次电流、COSφ功率因素)

发电机差动二次额定电流 Ie＝I/T＝6468.3/1600=4.04A

差动门槛 Icd＝0.2Ie＝0.81A

拐点电流 Igd＝0.8Ie=3.32A

假设在试验时机端加3A的电流，要使差动保护在曲线的水平段动作，则中性点要加的电流I需满足（两电流相差180）：

I_d >I_CD

I_r <I_GD

把各个值带入上述不等式，则有

|3-I|>0.81, I<2.19或者I>3.81

(3+I)/2<3.23 I<3.46

所以当中性点所加电流I<2.19A时，差动保护在曲线的水平段动作。

下面来做曲线的另一部分，设在机端所加电流为5A，要使差动保护在曲线的直线动作，则中性点要加的电流I需满足（两电流相差180）：

|5-I|>0.81, I<4.19或者I>5.81

(5+I)/2>3.23 I>1.46

>0.5 I<3.65或者I>7.25

所以当中性点所加电流1.46<I<3.65A或者I>7.25A时，差动保护在曲线的直线部分动作。

以上就是变压器和发电机数字式差动保护的试验方法，本文的主要目的就是通过做试验来加深继电保护工作者对差动保护原理的理解，反过来，当我们对其原理理解的透彻了，相信还会有更好的试验方法。