如何保护变压器？——变压器保护装置优化

2.6.2.1 PST 1200U系列数字式变压器保护装置（智能站）

PST 1200U-I型数字式变压器保护装置是新一代全面支持智能变电站的保护装置。装置支持电子式互感器IEC 61850-9-2和常规互感器接入方式，支持GOOSE跳闸方式，装置满足电力行业通信标准DL/T 667—1999（IEC 60870-5-103）和新一代变电站通信标准IEC 61850。

1）保护适用范围

PST 1200U系列数字式变压器保护装置是以差动保护和后备保护为基本配置的成套变压器保护装置，适用于1 000 kV，750 kV、500 kV、330 kV、220 kV电压等级大型电力变压器。

装置适用于220 kV～500 kV电压等级智能变电站的变压器保护。

PST 1200U-IG适用于传统模拟量采样及数字化GOOSE跳闸；

PST 1200U-IS适用于数字化采样及数字化GOOSE跳闸；

PST 1200U-IR适用于保护双CPU及保护测控一体装置，数字化采样及数字化GOOSE跳闸。

2）保护功能配置

PST 1200U系列数字式变压器保护装置可实现全套变压器电气量的保护，各保护功能是由软件实现的。装置包括多种原理的差动保护，并含有全套后备保护功能模块库，可根据需要灵活配置，功能调整方便。

PST 1200U系列数字式变压器保护装置主要保护功能配置如下：

（1）纵联差动保护

差动速断保护；

稳态比率差动保护；

故障量差动保护。

（2）分相纵联差动保护

分相差动速断保护；

分相稳态比率差动保护；

分相故障量差动保护。

（3）低压侧小区差动保护

低压侧小区稳态比率差动保护。

（4）分侧差动保护

分侧稳态比率差动保护。

（5）后备保护

相间阻抗保护；

接地阻抗保护；

复压闭锁（方向）过流保护；

零序（方向）过流保护；

零序反时限过流保护；

过激磁保护；

间隙保护；

差流越限告警；

过负荷告警；

零序过压告警；

CT、PT断线告警。

3）保护原理说明

PST 1200U系列数字式变压器保护装置在运行状态下，保护装置主程序按固定运算周期进行电流、电压量、开关量采样值采集并进行计算。根据电流、电压、开关量是否满足启动条件决定程序是进入故障计算流程，还是进入正常运行流程，并在故障计算中进行差动及后备保护的判别。

（1）保护启动

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的保护程序采用检测扰动的方式决定是进入故障处理流程还是进行正常的运行、自检等工作流程。只有当装置启动后，相应的保护元件才会开放。各启动元件的工作原理如下：

①差流启动元件

PST 1200U系列数字式变压器保护装置差电流启动元件的判据为：

式中：id——差动电流；

IQD——差流启动门槛。

当任一相差动电流大于启动门槛值时，保护启动。

适用的保护功能：纵差保护，分侧差动。

②差流突变量启动元件

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的差流突变量启动元件判据为：

式中：id（k）——当前差动瞬时值；

id（k-2n）——当前采样点前推两周波对应的差动采样瞬时值；

IQD——差动电流突变量启动门槛；

n——每周波采样点数。

连续三个采样点满足条件时，保护启动。

适用保护功能：纵差保护，分侧差动。

③相电流突变增量启动

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的相电流突变量启动元件是利用在系统扰动时，相电流会发生突变的变化特征使保护进入故障处理程序的。

启动量：所有电流量。

启动条件：相应侧的电流突变增量

式中：i（k）——当前采样点的电流瞬时值；

n——每周波采样点数；

i（k-2n）——当前采样点前推两周波对应的电流采样瞬时值；

IQD——相电流突变量启动门槛。

连续三个采样点满足条件时，保护启动。

适用保护功能：阻抗保护、复压（方向）过流保护、过流保护、零序（方向）过流保护、公共绕组零序过流等。

④自产零序电流启动

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的自产零序电流启动元件是针对变压器接地故障，也为了防止转换性故障，多条线路相继故障及小匝间短路故障等情况下，相电流突变量启动可能失去重新启动能力而设置。

启动量：接地系统三相电流量。

启动条件：零序电流大于相应侧的零序电流启动值。

适用保护功能：阻抗保护、复压（方向）过流保护、过流保护、零序（方向）过流保护、公共绕组零序过流等。

⑤过激磁启动

启动量：大型变压器高压侧电压通道。

启动条件：三相过激磁倍数的最大值大于过激磁启动值。

适用保护功能：过激磁保护。

（2）差动保护

①纵差保护

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的纵差保护是指由变压器各侧外附CT构成的差动保护，该保护能够反映变压器各侧的各种类型故障。

变压器纵差保护应当注意空载合闸时励磁涌流可能导致的变压器差动保护误动，以及过励磁工况下变压器差动保护动作的行为。

以下以Y0/Y/△-11变压器为例来说明PST 1200U系列数字式变压器保护装置纵差差流的计算方法。

变压器各侧二次额定电流按照下式计算：

高压侧额定电流：

中压侧额定电流：

低压侧额定电流：

式中：S——变压器高中压侧容量；

CT——全Y形接线；

Uh、Um、Ul——变压器高、中、低压侧的铭牌电压；

na.h、na.m、na.l——变压器高、中、低压侧CT的变比。

由于各侧电压等级和CT变比的不同，计算差流时，需要对各侧电流进行折算，本装置各侧电流均折算至高压侧。

变压器纵差各侧平衡系数，与变压器各侧的电压等级及CT变比都有关，如下所示：

高压侧平衡系数：

中压侧平衡系数：

低压侧平衡系数：

PST 1200U系列数字式变压器保护装置所接变压器各侧电流互感器采用星形接线，二次侧电流直接接入保护装置。电流互感器各侧的极性都以母线侧为极性端。由于Y侧和△侧线电流的相位不同，计算纵差差流时，变压器各侧CT二次电流相位由软件进行调整，PST 1200U系列数字式变压器保护装置采用由Y→△的转换方式计算纵差差流。

对于Y侧：

对于△-11侧：

式中——测量到的各侧电流的二次矢量值；

——经折算和转角后的各侧线电流矢量值；

ki——变压器高、中、低压侧的平衡系数（kh，km，kl）。

差动电流：

制动电流：

注意：当变压器各侧均为星形接线时，PST 1200U系列数字式变压器保护装置默认按照△-11点钟接线方式转角滤零。

②稳态量比率差动

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的稳态比例差动保护采用经傅氏变换后得到的电流有效值进行差流计算，用来区分差流是由于内部故障还是外部故障引起的。

比例制动曲线为3段折线，如图2.64所示，采用了如下动作方程：

式中：Id——差动电流；

Ir——制动电流；

Iop.min——最小动作电流；

Is1——制动电流拐点1（取Ie）；

Is2——制动电流拐点2（取3Ie）；

k1——斜率1（取0.5）；

k2——斜率2（取0.7）；

Ie——基准侧额定电流（即高压侧）。

图2.64　稳态比率差动制动曲线

③故障分量比率差动保护

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的故障分量电流是由从故障后电流中减去负荷分量而得到的电流值进行处理的，用Δ表示故障增量，即ΔIi=Ii-IiL；下标L表示正常负荷分量，取一段时间前（两个周波）的计算值。

在故障分量差动中，ΔId为故障分量差动电流，ΔIr为故障分量制动电流，即

差动电流：

制动电流：

故障分量比率制动曲线为过原点的2段折线曲线，如图2.65所示，差动条件（动作方程）：

图2.65　故障量差动制动曲线(www.xing528.com)

式中：ΔIr.0——差动动作拐点；

ΔIop.min——故障分量差动最小

动作电流。

与传统比率差动相比，忽略变压器各侧负荷电流之后，故障分量原理与传统原理的差动电流是相同的，主要不同表现在制动量上，发生内部轻微故障（如单相高阻抗接地或小匝间短路）时，此时，制动电流主要由负荷电流IiL决定，从而使传统差动保护的制动量大，并降低了灵敏度。发生外部故障时，制动电流主要取决于ΔIr，因此，故障分量与传统原理的制动电流相当，不会引起误动。

④分相差动保护

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的分相差动保护是指由变压器高、中压侧外附的CT和低压侧三角内部套管（绕组）CT构成的差动保护，该保护能反映变压器内部的各种故障。

同变压器纵差保护一样，分相差动保护应当注意空载合闸时励磁涌流可能导致变压器差动保护的误动，以及过励磁工况下的变压器差动保护的动作行为。

以下以Y0/Y/△-11变压器为例来说明分相差流的计算方法。

变压器各侧二次额定电流按照下式计算：

高压侧额定电流：

中压侧额定电流：

低压侧额定电流：

式中：S——变压器高中压侧容量；

CT——全Y形接线；

Uh、Um、Ul——变压器高、中、低压侧的铭牌电压；

na.h、na.m、na.l——变压器高、中、低压侧CT的变比。

需要注意的是分相差动保护的低压侧额定电流Ie.l的计算与纵差保护中的Ie.l计算方法是不同的。

变压器分相差动各侧平衡系数与变压器各侧的电压等级及CT变比都有关。计算差流时，各侧电流均折算至高压侧。平衡系数按照下式计算：

高压侧平衡系数：

中压侧平衡系数：

低压侧平衡系数：

变压器的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都以母线侧为极性端。

分相差动的电流采用相电流计算，不需要作移相处理。

式中——测量到的各侧电流的二次矢量值；

——经折算后的各侧线电流的矢量值；

ki——变压器高、中、低压侧的平衡系数（kh，km，kl）。

差动电流：

制动电流：

分相差动的差动速断保护，稳态量比率差动和故障量比率差动的动作条件、闭锁条件和参数选择均与纵差保护相同。

（3）后备保护

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的后备保护包括相间阻抗保护、接地阻抗保护、复合电压闭锁过流保护、零序方向过流保护和反时限零序过流保护等。

①相间阻抗保护

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的相间阻抗保护是带偏移特性的阻抗保护。指向变压器的阻抗不伸出对侧母线，作为变压器部分绕组故障的后备保护，指向母线的阻抗作为本侧母线故障的后备保护。

PT断线时，相间阻抗保护被闭锁，PT断线后若电压恢复正常，相间阻抗保护也随之恢复正常。并可通过振荡闭锁控制字的投退来控制振荡闭锁功能是否投入。

图2.66　PST 1200U变压器保护装置相间阻抗元件动作特性

接入装置的电流、电压均取自本侧，CT正极性在母线侧。

相间阻抗算法为（以AB相为例）：

PST 1200U系列数字式变压器保护装置相间阻抗保护的阻抗元件动作特性如图2.66所示，ZP为指向变压器相间阻抗定值，Zn为指向母线相间阻抗定值，φ为阻抗角。

相间阻抗动作条件为：

a.后备保护启动；

b.相间阻抗ZAB、ZBC、ZCA中任一阻抗值落在阻抗圆中；

c.故障相PT未断线；

d.压板控制字投入；

e.振荡闭锁开放。

②接地阻抗保护

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的接地阻抗保护通常用于大型变压器高中压侧，作为变压器内部及引线、母线、相邻线路接地故障的后备保护。阻抗特性为具有偏移特性的阻抗圆，并经零序电流闭锁。PT断线时，接地阻抗保护被闭锁；PT断线后，若电压恢复正常，接地阻抗保护也随之恢复正常。

接入装置的电流、电压均取自本侧，CT正极性在母线侧。

方向指向变压器的接地阻抗算法为（以A相为例）：

方向指向母线的接地阻抗算法为（以A相为例）：

其中：KZ=（Z0-Z1）/3Z1，Z0和Z1为线路零序阻抗和正序阻抗。KZ为接地阻抗零序补偿系数。

图2.67　PST 1200U变压器保护装置接地阻抗元件动作特性

接地阻抗元件动作特性如图2.67所示，ZP为阻抗元件指向变压器接地阻抗定值，Zn为指向母线接地阻抗定值，φ为阻抗角。

接地阻抗动作条件为：

a.后备保护启动；

b.接地阻抗ZA、ZB、ZC中任一阻抗值落在阻抗圆中；

c.故障相PT未断线；

d.压板控制字投入；

e.振荡闭锁开放。

③复合电压闭锁过流保护

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的复合电压闭锁过流保护作为外部相间短路和变压器内部相间短路的后备保护。采用复合电压闭锁防止误动。延时跳开变压器的各侧断路器。

A.过流元件

PST 1200U系列数字式变压器保护装置原理较为简单，其过流元件的电流取自本侧CT，动作判据为：

式中：IA、IB、IC——三相电流；

IL.set——过流定值。

B.复合电压元件

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的复合电压是指相间低电压或负序电压。

其动作判据为：

式中：UAB、UBC、UCA——线电压；

ULL.set——低电压定值；

U2——负序电压；

U2.set——负序电压定值。

④零序方向过流保护

PST 1200U系列数字式变压器保护装置零序方向过流保护的方向元件所采用的零序电流、零序电压为变压器各侧自产的零序电流、零序电压。

A.零序过流元件

零序过流元件可根据实际需求，确定选择自产零序或专有零序电流，其动作判据为：3I0＞I0L.set。

其中为三相电流，I0L.set为零序过流定值。

B.方向元件

当方向指向变压器时，灵敏角-90°；指向母线（系统）时，灵敏角90°。其动作特性见图2.68。

图2.68　PST 1200U保护装置零序方向元件动作特性

⑤反时限零序过流保护

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的反时限零序过流保护元件是动作时限与被保护元件中电流大小自然配合的保护元件，当电流大时，保护动作时限短，而当电流小时，动作时限长，可同时满足速动性和选择性的要求。

PST 1200U系列数字式变压器保护装置的反时限零序过流保护元件采用的反时限曲线公式如下：

式中：Tp——零序反时限时间常数；

Ip——反时限零序电流基准电流；

C——零序反时限特性常数，固定为普通反时限0.02；

I——故障电流；

t——跳闸时间。

说明：零序反时限保护启动计时门槛为零序电流大于1.1倍基准值，当3I0大于反时限零序电流启动值，且累计时间大于90s时，只是告警而不跳闸，并闭锁保护该项功能。

4）保护动作逻辑

（1）差动速断保护动作逻辑

图2.69　PST 1200U变压器保护装置差动速断保护逻辑框图

（2）稳态量比率差动保护动作逻辑

图2.70　PST 1200U变压器保护装置比率差动保护逻辑框图

（3）故障分量比率差动保护动作逻辑

图2.71　PST 1200U变压器保护装置故障量差动保护逻辑框图

（4）相间阻抗保护动作逻辑

图2.72　PST 1200U变压器保护装置相间阻抗保护逻辑框图

（5）接地阻抗保护动作逻辑

图2.73　PST 1200U变压器保护装置接地阻抗保护逻辑框图

（6）复合电压闭锁过流保护动作逻辑

图2.74　PST 1200U变压器保护装置一侧复压保护逻辑框图

图2.75　PST 1200U变压器保护装置高、中、低压侧复压保护逻辑框图

图2.76　PST 1200U保护装置复合电压过流保护（以A相过流为例）逻辑框图

（7）零序方向过流保护动作逻辑

图2.77　PST 1200U变压器保护装置零序方向过流保护逻辑框图

图2.78　PST 1200U变压器保护装置零序过流保护逻辑框图

2.6.2.2 SG T756数字式变压器保护装置（智能站）

SG T756系列数字式变压器保护装置是以差动保护和后备保护为基本配置的成套变压器保护装置，适用于1 000 kV、750 kV、500 kV、330 kV、220 kV电压等级大型电力变压器。装置支持电子式互感器IEC 61850-9-2和常规互感器接入方式，支持GOOSE跳闸方式，装置满足电力行业通信标准DL/T 667—1999（IEC 60870-5-103）和新一代变电站通信标准IEC 61850。

SG T756系列数字式变压器保护装置与PST 1200U系列数字式变压器保护装置在保护原理上是一致的，在此不再赘述。