主变高阻抗差动保护区内故障动作电压分析

浅析主变高阻抗差动保护不平衡电压的特点

周徐达

摘 要：高阻抗差动保护结构简单、性能可靠，但为了在流变变比误差较大的情况下应用，必须提高定值，但大幅提高定值会否对区内故障灵敏度产生影响一直是个问题，本文就高阻抗差动稳态比差较大情况下区内区外故障的动作电压做了简要定性分析，并提出了装置的改进设想。

关键词：高阻抗差动、流变饱和、变比误差、动作电压

1． 引言

500KV 主变使用的RADHA 高阻抗差动保护结构简单、性能可靠，但该保护对流变一致性要求高，为了在流变变比误差较大的情况下应用，必须提高定值，由于ABB 公司未对RADHA 保护区内故障的整定方法提出具体要求，其他文献对此也较少提及，因此如何提高定值一直是个问题，为了验证大幅提高定值会否对区内故障灵敏度产生影响，本文将就高阻抗差动变比误差较大情况下区内区外故障动作电压特点做一简单的探讨。

2． 现有高阻抗差动保护整定方法及其隐含的问题

（1） 现有高阻抗差动保护整定方法

现有高阻抗差动保护整定方法是：对于区外故障，考虑最不利情况，某个流变完全饱和，继电器感受到的电压U S 是故障电流I K 乘以饱和流变线圈电阻R CT 与回路电阻R L 之和。即：

U S ≥ I K (RCT +RL )

对于区内故障，考虑到此时所有流变电流均流向继电器，继电器两端产生很高的电压，由于回路与线圈电阻远小于励磁阻抗和继电器内阻，因此只考虑励磁阻抗Z U 与继电器阻抗Z C ，动作电压由下式确定：

ZcZu U S

Zu

图1高阻抗差动继电器等效电路

（2） 现有整定方法隐含的问题

现有整定方法表面上看很正确，但仔细看可以发现一些问题，第一，没有考虑到流变一致性。差动保护为抗饱和，流变多选用TPY 型开气隙流变，流变一旦开气隙一致性就会变差，尤其是变比误差，文献【1】证明了流变哪怕只有1％的累计误差就会在区外故障时产生很大的不平衡电压，而现有TPY 级流变变比精度仅为1％。第二，对于区内故障，上述整定公式是有问题的，区内故障所有电流流向继电器，继电器阻抗很大，按照二次电流50A 计算，动作电压有几十千伏，此时流变深度饱和，根本不可能产生这么大的电流，所以上述公式没有实际意义。事实上，由于区内故障流变饱和严重，采用线性等值电路计算非常困难，大部分文献对此问题都未给出定量计算方法，只是说区内故障电压“很高”，以致在整定时让人忽略定值的上限。

3． 高阻抗差动保护区外、区内故障动作电压分析

（1） 理论分析

我们知道，高阻抗差动保护只有在流变励磁特性、二次回路阻抗、流变变比误差相差很小的情况下才能较好的应用，如果误差较大就可能误动，文献【1】已经证明，引起区外故障误动最主要的原因是变比误差，即在变比误差较大情况下，区内、区外故障都会产生较大的不平衡电压导致保护难以判别，因此研究这两种不平衡电压的异同点就显得十分必要，下面将通过分析流变饱和情况来分析两种不平衡电压的区别，由于高阻抗差动抗流变暂态饱和性能很好，分析时暂不考虑暂态特性，所指的饱和均为稳态饱和。

1) 区外故障

区外故障时，各侧流变二次电流相位相反，如不考虑变比误差，则各流变二次相当于同名端串联，二次负载是电缆阻抗，在这种情况下，二次阻抗非常小，即使一次电流达到20倍额定电流，TPY 级流变也基本不饱和，因为流变的稳态饱和程度主要受两方面影响：一次电流与二次负载，如二次负载很小则一次电流很大也不会饱和，相反如二次开路即使一次电流很小也会饱和，此外，由于TPY 级流变剩磁很小，暂态特性很好，因此不考虑变比误差情况下，高阻抗差动的流变区外故障一般不会出现深度稳态饱和。

考虑变比误差情况，等效电路如图2所示，多了一个由变比误差产生的差流Id ，Id 的二次负载由继电器阻抗Zc 与励磁阻抗Zu 并联而成，由于阻抗很大，虽然Id 很小也会产生较大不平衡电压，但是也应该看到，此不平衡电压仅100～200V ，这个电压加在流变两侧并不会使流变深度饱和；从另一方面说，假设某

个流变严重饱和，则该流变等效为电阻，另两个流变的电流完全流入饱和流变，从而因变比误差而产生的不平衡电压就不会产生，事实上2次高阻抗差动误动事故都是变比误差过大引起的，可见这个假设是错误的，可以说变比误差引起的误动恰恰是因为流变没有饱和导致的。因此认为：考虑变比误差情况下，流变区外故障同样不会出现深度稳态饱和。

认为区外故障流变不会深度饱和的原因，主要是因为区外故障二次负载是很小的电缆电阻，在这个二次负载下即使一次电流到达极限也不会严重饱和，而变比误差产生的不平衡电压由于幅值不大也很难使流变严重饱和，由于流变没有深度饱和，因此认为区外故障继电器两端的电压基本是正弦波，不会有很多谐波，电压有效值可通过线性等效电路计算；如果流变完全线性，根据基耳霍夫定律，继电器两端电压由变比误差确定，变比误差为零，则不平衡电压也为零。

2）区内故障

区内故障时，各侧流变二次电流相位相同，各流变二次相当于同名端并联，此时二次负载由继电器阻抗Zc 与励磁阻抗Zu 并联而成，由于二次阻抗很大，即使一次电流不大，也会有一个流变会进入深度饱和。

忽略暂态分量，从故障电流从零开始增加，各流变二次电流也开始从零上升，一开始由于电流还很小，电压达不到饱和点，此时各流变还是线性的，随着电流的上升，由于二次阻抗很大，二次电压很快升高并超过某个流变的饱和电压，这时该流变迅速转入饱和，励磁阻抗急剧减小，二次线圈等效于电阻，其他流变的电流均流向该流变因而不再继续饱和，但继电器两端的电压却大幅下降，因为此时已是“低阻抗差动”。因此推断：区内故障时应该有一个流变深度饱和，继电器两端的电压从过零点开始先大幅上升，并大幅超过饱和流变的饱和电压（由流变的电感特性决定），然后在很短时间内急剧下降，下降到二次阻抗是电缆电阻所对应的不平衡电压，维持半个周波后再重复，如图3所示，从中我们可以看出，这个电压波形畸变严重，波形呈尖峰脉冲状，有效值并不很高，传统文献中关于区内故障“电压很高”的说法是有问题的。

根据基耳霍夫定律不难得出，区内故障流变深度饱和以后产生的电压还是比不计变比误差时区外故障产生的电压高很多，因此流变一致性较好时，高阻抗差动可以很满意的应用，但如果变比误差很大，则很难保证区内故障的电压有效值一定比区外故障大，因为深度饱和后产生的电压由电缆阻抗确定，不会很大；饱和前产生的电压幅值很高但时间太短。

（2） 实验分析

下面将通过模拟实验来进一步分析变比误差较大情况下，区内区外故障不平衡电压的异同点。实验采用高精度仪用小流变，用电流发生器通入一次电流，研究二次电压的特点。实验电路如图4所示，通过细导线分流来模拟2％的变比误差，实测的小流变伏安特性如图5所示。

使用的元件参数如下：

小流变： 高精度仪用（耀华电子生产），型号为TA12-200，环形穿心式；铁心为矽钢片卷绕，无气隙；额定变比误差：0.2％；额定变比：5A / 2.5mA；额定最大二次负载：250Ω；分流产生的变比误差约为2％。

电阻： R1～R4：100Ω（模拟电缆阻抗）；R5：0～100K Ω（模拟继电器阻抗）。 表计： 电流表为钳表，所有表计为真有效值表。

在不同继电器阻抗、不同故障电流、不同故障类型下测得的电压（有效值）

且继电器阻抗较大时才开始饱和，可见区外故障流变饱和很小；区内故障时，除非继电器阻抗很小，流变几乎一直在深度饱和状态。我们还能看到区内故障产生

的电压并不必区外高很多，要想U 内/U外值大，必须减小继电器阻抗，但阻抗太

小就失去了高阻抗差动的本意。

继电器（R5）两端电压波形如图5～图8所示（区外故障Y 轴波幅拉宽、R5为50K Ω），与理论分析得到的波形基本相同。

图5 区内故障（电流5A ） 图6 区内故障（电流50A ）

图7 区外故障（电流50A ） 图8 区外故障（电流5A ）

实验结果证实了上述理论分析的正确性，总的来说得到了如下3点结论：

（1）高阻抗差动流变区外故障不会出现深度稳态饱和，区内故障即使电流不大

也会有一个流变进入深度稳态饱和。

（2）由变比误差导致的区外故障误动恰恰是因为流变没有进入稳态饱和引起的。

（3）区外故障产生的不平衡电压谐波含量较小，区内故障的不平衡电压呈尖峰

脉冲状，有效值并不比区外故障大很多。

4． 高阻抗差动保护定值设定的探讨

鉴于现有TPY 级流变的变比误差较大，为保证区外故障不误动，必须提高定值，现有RADHA 保护有电压和电流两个定值，对这两个值的设定提出两点想法供探讨：

对于电压整定，由于区内故障不平衡电压有效值并不比区外故障大很多，故障电流再大也仅几百伏，因此电压定值不宜提高太多，通常200V 左右即可。

对于电流整定，需要兼顾电压，注意继电器阻抗的变化，电压不变加大电流既是减小阻抗，继电器阻抗减小后区内故障流变线性时间将延长，因此阻抗减小不平衡电压反而会增加；而区外故障由变比误差产生的不平衡电压将减小，因此提高电压的同时应同时提高电流，并使电流提高的倍数超过电压。需要注意的是，

阻抗减的太小就不再是高阻抗差动，抵御流变暂态饱和的能力会大幅下降，如果大幅调高电流减小阻抗，保护因变比误差误动概率是降低了，但因流变暂态饱和而误动的概率却增加了。考虑到中阻抗母差二次阻抗达30～90Ω仍需要比率制动，因此认为高阻抗差动电流定值也不宜增加太多。

文献【1】提出将定值由100V 、55mA 提高到200～250V 、200mA ，应该说是比较科学的，兼顾了保护在各种情况下的可靠性与灵敏性，但如果流变一致性很差，在此整定下还要误动，则不宜再继续提高定值，应采取其他办法，或更换流变或停用高阻抗差动。

5． 高阻抗差动保护的改进设想

高阻抗差动结构简单、性能可靠，排除流变因素，可以说是一款非常优秀的经典电磁型保护，仅因为流变问题被迫淘汰非常可惜，因此有必要在不改变保护原理的基础上研究一些改进措施，使之能适应现有流变。

从上文的分析结果可知，高阻抗差动区外故障产生的不平衡电压谐波含量较小，即使有变比误差也基本为正弦波；区内故障即使故障电流不大，不平衡电压也呈脉冲状，有效值不比区外故障大很多，但峰值电压却很高，如果让差动继电器根据峰值电压动作而非根据有效值动作，则可在不调低继电器阻抗的情况下大幅提高区内故障的灵敏度，同时防变比误差误动的能力也大幅加强。

据此原理提出一种新设想供探讨，如图9所示，继电器整流回路前串入了非线性元件，该元件伏安特性和避雷器一样，可由氧化锌或BOD 元件构成，击穿电压设定在250～500V ，动作继电器使用高灵敏型电压继电器，动作电压24~48V，电流10mA 以下，平波电容可取5～100uF 以展宽电压脉冲。当区外故障时，变比误差将在差动元件两端形成较高电压，但此电压波形畸变较少，有效值很大但峰值不高，无法通过非线性元件；区内故障时，由于必有一个流变严重饱和，差动元件两端将产生有效值虽小但峰值很高的脉冲状电压，此电压将击穿非线性元件使继电器迅速动作。

这个方法的主要缺点是没有解决流变开路误动的问题，另外这个方法只是初步的设想，能否在实际中应用有待相关领导和厂方的进一步研究。

6． 结论

（1）高阻抗差动流变区外故障仅会出现暂态饱和，不会出现深度稳态饱和，区

内故障即使电流不大也会有一个流变进入深度稳态饱和。由变比误差导致的区外故障误动恰恰是因为流变没有进入稳态饱和引起的。

（2）在变比误差不很大的情况下，区外故障产生的不平衡电压谐波含量依旧较

小，接近正弦波，而区内故障的不平衡电压呈尖峰脉冲状，有效值并不比区外故障大很多。

（3）在变比误差较小的情况下，可通过提高定值来防止误动，但定值提高不宜

太多，电压提高太多会导致拒动，电流提高太多会增加流变暂态饱和误动的可能性。

（4）提出了一种使用非线性元件改进高阻抗差动保护的设想，从理论上说既提

高了灵敏度又提高了选择性，但能否在实际中应用有待相关领导和厂方的进一步研究。

需要说明的是，本文的分析建立在初步的实验基础上，错误之处一定不少，得出的结论也仅供探讨，恳请各位领导批评指正。

谢辞

在本文的撰写过程中，陆远骥等同志给予了巨大帮助，特此感谢！

参考文献

1. 熊超英．黄渡站事故中保护动作行为及主变高阻抗差动保护误动分析．上海超高压输变电公司2006年科技论文集，2006：308～313

2. 杜振宇． 记“6.11”黄渡站事故. 上海超高压输变电公司2006年科技论文集，2006：337～341

3. 袁季修等． 保护用电流互感器应用指南．北京：中国电力出版社，2003

4. 国家电力调度通信中心． 电力系统继电保护实用技术问答．北京：中国电力出版社，1999