南瑞继保变压器保护设计及原理介绍.ppt
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南瑞继保电气有限公司,变压器保护需要解决的问题,如何减少TA二次回路在各种情况下断线及短路对差动保护的影响电磁兼容问题：
即消除各种外部干扰对保护装置的影响以及保护装置对外部其它电子设备的影响如何增强保护装置的事故追忆功能及事故后的故障分析功能保护装置的使用、维护与调试方便等问题,装置的总体方案与关键技术,并行实时计算保护主体方案差动保护二次电流调整与涌流闭锁判据变压器工频变化量差动保护稳态比率差动保护适用于变压器的TA饱和判据TA二次回路断线与短路判别方案零序比率差动保护,硬件框图,高速数字信号处理器DSP大规模逻辑门阵列FPGA和可编程逻辑门阵列CPLD14位并行A/D32位微处理器CPU单独的CPU处理显示、键盘等人机对话大屏幕汉字液晶显示,实时高速并行运算,特点：
在较高的采样率的前提下，装置保证在故障全过程对所有保护继电器（主保护与后备保护）的并行实时计算，这样具有很高的可靠性及安全性（装置的采样率设计为每个周波24点，主要继电器采用全周傅氏算法）,保护主体方案,真正实现一台装置完成所有的主保护、后备保护功能的思想。
对每台变压器采用独立的两套装置实现双主、双后备保护的配置原则。
这种主后一体的设计思想完全符合国家电力公司最新的防止电力生产重大事故的二十五项重点要求中有关继电保护的反事故技术措施的论述。
优点变压器保护的双重化配置并没有增加额外的二次回路投资，相反是减少了保护设备的投资，使得保护二次回路清析、独立，简化了二次电缆数量与接线。
由于采用上述保护设计思想，则变压器的主保护功能得到增强，考虑到变压器主保护不像线路保护那样存在通道问题，其后备保护配置就可以大大简化。
保护主体方案,优点可以减少由于保护设备自身原因所造成的被保护变压器失去短路故障保护与异常保护，从而引起一次设备不必要停电现象；同时也可避免由于保护设备的年度检修与校验所必需的停运一次设备的现象，减轻停电所造成的经济损失。
优点由于变压器的全部电量信息量已能够被装置所知，那么在被保护变压器和系统出现故障或其它异常状况时，装置就能记录同一时刻下变压器各侧的电流电压量，由于有了这些模拟量，就能对事故的原因等进行详尽的故障分析，这对于快速而准确地找到故障原因具有重要意义。
励磁涌流判别原理1,利用谐波识别励磁涌流RCS-978系列变压器成套保护装置采用三相差动电流中二次谐波、三次谐波的含量来识别励磁涌流，判别方程如下：
当三相中某一相被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。
装置的二次谐波制动系数固定取为0.15。
励磁涌流判别原理2,利用波形畸变识别励磁涌流故障时，差流基本上是工频正弦波。
而励磁涌流时，有大量的谐波分量存在，波形发生畸变，间断，不对称。
利用算法识别出这种畸变，即可识别出励磁涌流。
故障时，有如下表达式成立：
其中S是差动电流的全周积分值，是“差动电流的瞬时值+差动电流半周前的瞬时值”的全周积分值，是某一固定常数，是门槛定值。
的表达式如下：
式中是差电流的全周积分值，是某一比例常数。
当三相中的某一相不满足以上方程，被判别为励磁涌流，只闭锁该相比率差动元件。
TA饱和的识别方法,为防止在变压器区外故障等状态下TA的暂态与稳态饱和所引起的稳态比率差动保护误动作，装置利用二次电流中的二次和三次谐波含量来判别TA是否饱和，所用的表达式如下：
当与某相差动电流有关的电流满足以上表达式即认为此相差流为TA饱和引起，闭锁稳态比率差动保护。
此判据在变压器处于运行状态才投入。
变压器工频变化量差动保护,匝间短路故障是电力变压器主要的内部故障形式之一，根据近十年来的全国统计表明，匝间故障约占变压器内部故障的70%左右。
因此采用灵敏度高且安全性高的保护来检测出变压器的匝间故障，对提高变压器的安全运行水平具有重要意义。
为此，我们利用变压器各侧电流中的工频变化量与差电流的工频变化量，实现变压器工频变化量比率差动保护。
该保护由下述两个判据构成：
工频变化量比率差动动作特性,工频变化量比率差动保护的动作方程如下：
变压器工频变化量差动保护,I：
为各支路工频变化量电流的向量和|I|：
为各支路工频变化量电流的标量和理论上，工频变化量比率差动制动系数可取较高的数值，这样有利于防止区外故障TA饱和等因素所造成的差动保护误动，又不会受故障前负荷的大小的影响而降低区内故障时的灵敏度。
变压器工频变化量差动保护,
（2）工频变化量差动过流继电器：
动作方程：
Id1.25Idt+IdthIdt为浮动门坎，随着变化量输出增大而逐步自动提高。
取1.25倍可保证门槛电压始终略高于不平衡输出，保证在系统振荡和频率偏移情况下，保护不动作。
Idth为固定门坎。
工频变化量差流起动元件不受负荷电流影响，灵敏度很高。
工频变化量的差动继电器与稳态量的差动继电器相比有这样一些优点,不受负荷电流的影响。
与所有工频变化量继电器一样，由于它是反应短路附加状态中的电气量的保护，所以负荷电流对继电器的工作没有影响，在求变化量的过程中已把负荷分量减掉了。
所以对稳态量的差动继电器来说，负荷电流是一个制动电流而对工频变化量的差动继电器来说，负荷电流并不形成制动电流。
保护过渡电阻的能力提高了;在一侧没有电源的降压变压器上使用时，在变压器内部短路时由于负荷侧的电流的变化量也是工频变化量差动继电器的动作电流，而对稳态量的差动继电器来说变压器内部短路时负荷侧电流为零不是动作电流。
因此工频变化量差动继电器比稳态量差动继电器灵敏;由于继电器不反应负荷电流分量，所以比率制动特性中的起动电流不需要躲负荷电流下的不平衡电流，其值较低。
比率制动特性曲线中斜线的斜率取得比较大，抗区外故障时变压器各侧TA暂态和稳态饱和特性不一致的能力强。
工频变化量比率差动继电器,由于将浮动门槛技术与工频变化量等概念引入到变压器差动保护中，因此在区内故障，即使是在重负荷运行状态下发生小匝间短路等故障时，或是在等值电势角摆开而又经过渡电阻短路时也有足够的灵敏度。
而在区外各种故障、功率倒方向、区外故障中出现TA饱和与TA暂态特性不一致等状态下也不会误动作。
使得保护的安全性与灵敏度同时兼顾。
特点：
涌流闭锁与过激磁闭锁元件,工频变化量差动保护的励磁涌流闭锁判据采用差电流二次谐波闭锁或波形判别闭锁采用差电流五次谐波进行过激磁闭锁,变压器发生轻微匝间故障（C相1.5%匝间故障）,工频变化量差动,常规差动,RCS-978工频变化量比率差动的逻辑框图,稳态比率差动保护,因此，装置采用初始带制动的比率制动特性，稳态比率差动元件由低值比率差动（灵敏）和高值比率差动（不灵敏）两个元件构成。
稳态比率差动元件的动作方程如下：
稳态比率差动保护,动作方程：
Kbl比率差动制动系数固定取为0.5。
稳态高值比率差动保护,稳态比率差动保护,动作特性,过激磁的判别,由于在变压器过激磁时，变压器励磁电流将激增，可能引起差动保护误动作。
因此应该判断出这种情况，闭锁差动保护。
装置中采用差电流中五次谐波的含量作为对过激磁的判断。
其判据如下：
其中、分别为每相差动电流中的基波和五次谐波，为五次谐波制动系数。
当过激磁倍数大于1.4倍时，不再闭锁差动保护。
过激磁闭锁差动功能可整定选择。
差回路的异常情况判别1,装置将差回路的异常情况分为两种：
未引起差动保护起动和引起差动保护起动。
未引起差动保护起动的差回路异常报警:
方法一：
当任一相差流大于差流报警定值（Ibjset）的时间超过10秒时发出差流异常报警信号，不闭锁差动保护。
差流报警定值应避开有载调压变压器分接头不在中间时产生的最大差流，或其他原因运行时可能产生的最大差流（注：
差流报警定值整定时应比差动起动定值小，一般介于有载调压变压器分接头不在中间时产生的最大差流和最小差动起动定值之间；其值越小越灵敏）。
差回路的异常情况判别2,引起差动保护起动的差回路异常报警:
差动保护起动后满足以下任一条件认为是故障情况，开放差动保护，否则认为是差回路TA异常造成的差动保护起动。
i）任一侧任一相间工频变化量电压元件起动；ii）任一侧负序相电压大于6V；iii）起动后任一侧任一相电流比起动前增加；iv）起动后最大相电流大于1.1Ie。
注意：
TA断线情况下自动闭锁零序比率差动工频保护量差动和稳态低值比率差动保护，开放稳态高值比率差动保护。
装置固定设为TA断线或短路且差流小于1.2Ie时闭锁差动保护，大于1.2Ie时不闭锁差动保护。
工频保护量差动始终受TA断线闭锁,差回路异常报警后注意,不论是异常报警是否引起差动保护起动，均说明差动回路存在问题，或定值存在问题，应该受到同等重视。
例如：
当差回路断线时，在轻负荷情况下不会引起差动起动，但会引起差流报警,如果此时及时处理，就可以避免负荷增加后或者区外故障引起的差动保护动作（在不闭锁情况下）。
变压器零序电流差动保护,变压器的零序电流差动保护主要应用于自耦变压器中。
只要变压器Y侧中性点直接接地，就可以构成零序电流差动保护。
零序电流差动保护是根据接点电流定理构成的。
由于流过绕组各侧TA的电流是同一串联电路中的电流，这几个电流之间没有电磁感应关系，因此变压器的励磁电流不会产生不平衡电流。
所以这种差动保护不必经励磁涌流判据的闭锁，也不必经过励磁判据的闭锁。
也正因为构成差动保护所用的绕组各侧电流间没有电磁感应关系，所以它不能保护匝间短路。
零序电流差动保护可保护变压器Y侧两个（三个）TA间的各种接地短路。
由于不存在变压器有载调压产生的不平衡电流，此外也没有由于TA变比不匹配产生的不平衡电流，因此它的定值比前面讲的差动保护的定值低，所以这种差动保护保护Y侧的接地短路灵敏度要高一些。
零序比率差动原理,零序比率差动保护主要应用于自耦变压器，其动作方程如下：
其中、分别为I侧、II侧和公共绕组侧零序电流，为零序比率差动起动定值，为零序差动电流，为零序差动制动电流，为零序差动比率制动系数整定值，为TA二次额定电流。
推荐整定为0.5。
当满足以上条件时，零序比率差动动作。
零差各侧零序电流通过装置自产得到，这样可避免各侧零序TA极性校验问题。
零序比率差动原理,当满足以上条件时，零序比率差动动作。
零差各侧零序电流通过装置自产得到，这样可避免各侧零序TA极性校验问题。
若零序比率差动起动定值，则其拐点电流自动设定为，即动作方程如下：
零序比率差动保护的动作特性,避免TA暂态特性不同导致的零序比率差动误动,为避免由于TA暂态特性差异和TA饱和造成的区外三相短路故障时的错误的差动回路零序电流对零序比率差动的影响，装置采用正序电流制动的闭锁判据和TA饱和判据来避免。
正序电流制动的原理是，零差各侧的零序电流大于其正序电流的倍时，认为零序电流由故障造成。
其表达式如下：
其中为某侧的零序电流，为对应侧的正序电流，是某一比例常数。
RCS-978零序比率差动的逻辑框图,复合电压闭锁过流,过流保护主要作为变压器相间故障的后备保护。
I、II侧各设一段过流保护。
III侧过流保护固定采用主变低压侧三角形环内的TA，且TA引出必须相电流接线方式，装置内部低压侧过流所用电流固定为减去零序电流（因为整定计算是按开关CT考虑的）。
相过电流保护固定不经过复压闭锁。
零序方向过流保护,零序过流保护，主要作为变压器中性点接地运行时接地故障后备保护。
通过整定控制字可控制零序过流是否经方向闭锁，是否投入，跳哪几侧开关。
I、II侧设有一段一个时限的零序过流保护和一个反时限零序过流保护，反时限零序过流保护所用电流固定为本侧外接零序TA的电流。
方向元件所采用的零序电流：
零序方向过流保护固定采用自产零序电流进行方向和大小的判断，TV断线之后方向元件自动满足条件，零序方向过流指向固定指向变压器。
零序方向元件动作特性,方向指向变压器,注意：
方向元件所用零序电压固定为自产零序电压。
以上所指的方向均是指零序电流外接套管TA或自产零序电流TA的正极性端在母线侧（变压器中性点的零序电流TA的正极性端在变压器侧），否则以上说明将与实际情况不符。
本侧电压退出对零序电压闭锁零序方向过流的影响：
当本侧TV检修或旁路代路未切换TV时，为保证本侧零序电压闭锁零序方向过流的正确动作，需投入本侧电压退出压板或整定控制字，此时它对零序电压闭锁零序方向过流有如下影响：
i）方向元件输出为正方向。
过激磁保护,众所周知铁芯线圈的电压（V）与频率（Hz）、磁密B（T）、铁芯截面（）、线圈匝数之间有如下关系：
。
所以。
当变压器在运行中电压升高、频率下降时会引起铁芯中的磁密增高。
目前大型变压器在正常运行时的工作磁密设计得已比较高了，接近饱和磁密。
所以在运行中当电压升高、频率下降时会引起铁芯饱和。
如果在在铁芯饱和状态下长时间运行，变压器温度会升高到不允许的程度引起变压器的损伤、绝缘老化，危及变压器的安全。
所以高压侧为330kV及以上电压等级的变压器都要装设过励磁保护。
过激磁保护,过激磁保护主要防止过电压和低频率对变压器造成的损坏。
过激磁程度可用下式来衡量：
通过计算n可以得知变压器所处的状态，额定运行时n=1，其中、分别为电压与频率的标么值。
装置设有一段定时限过激磁报警元件和反时限过激磁跳闸。
过激磁保护,由于变压器在不同的过励磁情况下允许运行相应的时间，因此装置还设有反时限过激磁元件。
反时限动作特性曲线由输入的十组定值确定，因此能够适应不同的变压器过励磁要求考虑到过激磁对变压器造成的危害主要表现为变压器局部过热，因此利用“有效值的概念”来计算过激磁倍数n，即：
其中：
T为过激磁开始到计算时刻的时间；n（t）为过激磁测量倍数，它为随时间变化的函数。
这样过激磁测量倍数中既含有当前时刻的过激磁信息，同时也含有过激磁开始后各时间段的累积过激磁信息。
相间阻抗继电器保护,装置I侧、II侧后备保护设有相间及接地阻抗I段和II段。
相间阻抗保护、接地阻抗保护方向、零序方向过流指向固定指向变压器。
阻抗保护I段、接地阻抗保护I段固定经过振荡闭锁；阻抗保护II段、接地阻抗保护II段固定不经过振荡闭锁。
阻抗元件的动作特性如图所示。
阻抗元件灵敏角75。
阻抗元件的比相方程为：
RCS-978G5公共绕组后备保护,公共绕组设有一段零序过流保护和一段零序反时限过流保护。
注意：
反时限零序过流保护所用电流固定为本侧中性点外接零序TA的电流。
本侧电压退出对阻抗保护的影响：
当本侧TV检修或旁路代路未切换TV时，需投入本侧电压退出压板，这样可不再报异常。
本侧阻抗保护固定退出！
RCS-978零序过压保护,由于220kV500kV变压器低压侧常为不接地系统，装置设有零序过压作为变压器低压侧接地报警。
跳闸矩阵,整定方法：
在保护元件投入位和其所跳开关位填1，其它位填0，则可得到该元件的跳闸方式。
例如：
若I侧后备保护阻抗I段整定为跳I侧母联开关，则在其控制字的第0位和第4位填1，其它位填0。
这样得到该元件的一个十六进制跳闸控制字为：
0011H。
注意：
用户在使用跳闸控制字时一定要结合具体工程图纸中的跳闸输出定义。
RCS-978的功能压板,投差动保护投零序差动保护投高压侧相间后备保护投高压侧接地零序保护投公共绕组后备保护投过激磁保护退高压侧电压,RCS-978的功能压板,投中压侧相间后备保护投中压侧接地零序保退中压侧电压,RCS-978的功能压板,投低压侧后备保护退低压侧电压,装置中的平衡系数的计算,1计算变压器各侧一次额定电流：
式中Sn为变压器最大额定容量，U1n为变压器计算侧额定电压。
2计算变压器各侧二次额定电流：
式中I1n为变压器计算侧一次额定电流，nLH为变压器计算侧TA变比。
3计算变压器各侧平衡系数：
其中式中I2n为变压器计算侧二次额定电流，I2n_min为变压器各侧二次额定电流值中最小值，I2n_max为变压器各侧二次额定电流值中最大值。
平衡系数的计算方法即以变压器各侧中二次额定电流为最小的一侧为基准，其它侧依次放大。
若最大二次额定电流与最小二次额定电流的比值大于4，则取放大倍数最大的一侧倍数为4，其它侧依次减小；若最大二次额定电流与最小二次额定电流的比值小于4，则取放大倍数最小的一侧倍数为1，其它侧依次放大。
装置为了保证精度，所能接受的最小系数Kph为0.25，因此差动保护各侧电流平衡系数调整范围最大可达16倍。
差动各侧电流相位差的补偿,变压器各侧电流互感器采用星形接线，二次电流直接接入本装置。
电流互感器各侧的极性参见前图，都以母线侧为极性端。
变压器各侧TA二次电流相位由软件调整，装置采用-Y变化调整差流平衡，这样可明确区分涌流和故障的特征，大大加快保护的动作速度。
对于Y0/-11的接线，其校正方法如下：
Y0侧：
侧：
RCS-978G5TV异常判别原理,TV异常判别判据如下：
（1）、正序电压小于30V，且任一相电流大于0.04In或开关在合位状态；
（2）、负序电压大于8V。
满足上述任一条件，同时保护起动元件未起动，延时10秒报该侧母线TV异常，并发出报警信号，在电压恢复正常后延时10秒恢复。
在异常期间，根据整定控制字选择是退出经方向或电压闭锁的各段过流保护还是暂时取消方向和电压闭锁，以上各节均有详细说明。
注意：
当某侧电压退出时，该侧TV异常判别功能自动解除。
装置设有TA异常判别判据为：
当负序电流大于0.06In后延时10秒报该侧TA异常，同时发出报警信号，在电流恢复正常后延时10秒恢复。
其它异常判别装置低压侧后备保护设有零序过压报警，过负荷报警，起动风冷，过载闭锁调压，各侧复压动作并联起动输出接点等异常保护。
上述异常保护可分别通过控制字来控制其投退。
起动风冷输出两付常开接点，过载闭锁调压动作后输出一付常开接点、一付常闭接点。
RCS-978注意：
在装置运行过程中若出现装置闭锁现象或装置报警现象时，请及时查明情况（可打印当时装置的自检报告、开入变位报告并结合保护装置的面板显示信息）进行事故分析，并可及时通告厂家处理，不要轻易按保护装置面板上的红色复归按钮键RST键和保护大屏上的复归按钮。
打印及显示信息说明,RCS-978装置正常运行状态,信号灯说明如下：
“运行”灯为绿色，装置正常运行时点亮，熄灭表明装置不处于工作状态；“报警”灯为黄色，装置有报警信号时点亮；“跳闸”灯为红色，当保护动作并出口时点亮；当“报警”由于TA断线造成点亮，必须待外部恢复正常，复位装置后才会熄灭，由于其它异常情况点亮时，待异常情况消失后会自动熄灭“跳闸”信号灯只在按下“信号复归”或远方信号复归后才熄灭。
RCS-978运行工况及说明,保护出口的投、退可以通过跳、合闸出口压板实现；,保护功能可以通过屏上压板或内部压板、控制字单独投退；,装置始终对硬件回路和运行状态进行自检，自检出错信息见打印及显示信息说明，当出现严重故障时，装置闭锁所有保护功能，并灭“运行”灯，否则只退出部分保护功能，发告警信号。
RCS-978装置闭锁与报警,
（1）当CPU检测到装置本身硬件故障时，发装置闭锁信号，闭锁整套保护。
硬件故障包括：
RAM异常、程序存储器出错、EEPROM出错、定值无效、光电隔离失电报警、DSP出错和跳闸出口异常等。
此时装置不能够继续工作。
（2）当CPU检测到装置长期起动、不对应起动、装置内部通信出错、TA断线或异常、TV异常时，发出装置报警信号。
此时装置还可以继续工作。
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