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电工技术基础 变压器的轻微匝间故障保护分析
变电器的轻度堵转常见故障维护剖析
引言 最先对一次110 kV/10 kV，31 500 kV.A变电器的轻度堵转常见故障开展了剖析，进而导出来对变电器轻度堵转短路故障的好用计算方式。最终依据轻度常见故障的特性明确提出对变电器比例差动保护汽车继电器通用性特点选取的提议，供同事参照。
Transformer ProtecTIon for Low Percentage Interturn Faults
Zhu Shengshi
(Nanjing AutomaTIon Research InsTItute，210003，Nanjing，China)
Abstract The analysis of an interturn fault about one percentage turns is introduced and a calculaTIng formula for estimating the interturn fault current of the transformer is derived.According to the calculation result and features of low percentage interturn fault,the general characteristic selection for percentage differential relay of transformer is suggested.
Keywords Transformer,Interturn faults,differential protection
1 变电器的轻度堵转断路常见故障案例及剖析
1997年5月6日开封市河滨变一台110 kV/10 kV，31 500 kV*A变电器产生安全事故，变电器差动保护恰当姿势跳电，煤层气维护未姿势。
安全事故后对电力变压器开展各种各样外界实验都无法发觉常见故障。內部查验为髙压侧A相匝间短路故障，被短路故障的线圈匝数约占所有绕阻的1%。此次安全事故是非常典型的轻度堵转常见故障，对于此事有详细分析科学研究的必需。
图1是该安全事故的常见故障录波图，其表明髙压侧三相电压和低电压侧电流量也没有显著的转变。打印出汇报表明常见故障前髙压侧负载电流量二次数值2.04 A，CT变比为300/5，因此约为0.74In。常见故障后三相电流的基波值各自为IA=5.27 A,IB=2.27 A和IC=3.83 A，变电器高电压侧中性线未接地装置，故3I0=0。
图1 开封市河滨变1997年5月6日
髙压A相匝间短路故障录波图
安全事故前功率因素较高，假定cos?φ=0.9,从录波图上量出?φ=28°,表明假定有效。因为髙压侧中性线未接地装置，A相匝间短路故障造成的常见故障份量电流量ΔIA只有由B，C相流到，因而有
。假定ΔIA落伍UA 80°，可做出三相电流的相量图(如图2)。从图2可获得IA=ILA ΔIA=5.27∠-60°A;IB=ILB ΔIB=2.27∠-198°A；IC=ILC ΔIC=3.83∠-263°A。此結果与打印出汇报中交流电的峰峰值和从录波图上量出的相位角十分贴近，故假定IA落伍UA 80°是合理的①。从图2可测定出ΔIA=4∠-80°A，等于变电器的额定电压1.45In。 电流量的常见故障份量即汽车继电器的差动保护电流量， 但为了更好地校准Y/Δ变电器两边电流量相位差， 差动保护汽车继电器精确测量的差动保护电流量该是髙压侧两相常见故障份量电流量之差， ΔIAB=ΔIA-ΔIB=2.17In∠-80°， ΔIBC=0， ΔICA=-2.17In∠-80°。两相电压差的额定电流为
In,因此这时差动保护汽车继电器测得的差动保护电流量等同于额定电流的
125%。安全事故时变电器差动保护汽车继电器的运行电流量的整时间常数为0.5In，因此能灵巧地姿势。
图2 依据录波图做出的三相电流的相量图
此次安全事故最少引发出下列三个难题，非常值得大家思索。
(1) 差动保护可以维护轻度堵转常见故障。一直以来在中国广泛运用由速饱和状态变流器供电系统的设备型差动保护汽车继电器。其有两个缺陷：最少运行电流量必不可少超过1.5In才可以确保绕开励磁涌流，因此对轻度堵转短路故障失灵；当短路容量中有直流电份量时速度减缓，越发提升速饱和状态变流器的功能产生的延迟越长。若常见故障靠它摘除变电器烧蚀得十分比较严重。若有非常好的浪涌电压锁闭元器件，差动保护汽车继电器就可以灵巧地、迅速地姿势，把变电器常见故障烧蚀的水平限定到最少，开封市河滨变的安全事故已证实了这些概率。
(2) 轻度堵转短路故障时维护能精确测量到的最少差动保护电流量有多大?轻度堵转短路故障时精确测量到的差动保护电流量毫无疑问比在变电器底压侧导线上短路故障时小得多。不正确用后面一种做为校检差动保护敏感度的规范也是导致差动保护不可以在堵转常见故障时起防护功能的因素之一。开封市河滨变安全事故时的常见故障电流量水准有没有普适性?轻度堵转短路故障时的最少差动保护电流量如何确定?这种难题需科学研究处理。
(3) 如何选择制动系统特点。轻度堵转短路故障时，一方面常见故障电流量小维护的差动保护电流量就小；另一方面三相电压一切正常，可再次送出超负荷电流量。负载电流量是穿越重生性的，将造成制动系统功效，因此很当然要问在这里制动系统功效下，汽车继电器能不能姿势?大家应该挑选什么样子的制动系统特点?
下列对差动保护汽车继电器能不能在轻度堵转短路故障时起防护功能的情况开展进一步剖析。
2 变电器堵转常见故障的测算
变电器线圈的常见故障都归属于堵转断路常见故障。以Y/△布线的双线圈变电器在髙压星型绕阻产生堵转短路故障为例子，把短路故障绕阻和髙压绕阻分离出来起来(完善相对应的一部分也这般)，因此常见故障后的变电器变成一个Y/Y/△布线的三绕阻变电器(自然髙压线圈的线圈匝数降低了)，常见故障出现在短路故障绕阻一侧的导线上。不难看出堵转短路故障有多组分与单相电之分。最普遍的尤其是轻度堵转短路故障全是单相电的。为了更好地节约篇数仅探讨单相电堵转短路故障。
图3示出测算用系统图及在变电器髙压绕阻产生单相电堵转短路故障的复合型序网图，变电器被看作是三绕阻变电器，其等价控制回路是由三个漏抗ZH，ZL，ZK按星型联接的控制回路。H，L，K各自表明髙压侧、低电压侧及短路故障绕阻侧。Z1LD和Z2LD为低电压侧的正、负序负载特性阻抗。髙压侧中性点接地时闸刀开关S合闭，不然S断掉。测算的难题取决于确认变电器等价控制回路中的三个漏抗ZH，ZL，和ZK。
图3 单相电堵转短路电流计算用
系统图及复合型序网图
变电器线圈的漏抗决策于漏磁通所经途径的磁电式，而漏磁通的途径十分复杂(下列的测算论文参考文献［2］)。可是在常见故障前的漏抗是给定的，只需剖析出短路故障后各绕阻与原线圈的联系就可类似地获得常见故障后建立的三绕阻电力变压器的各漏出来抗。
大家都知道，针对三绕阻变电器根据检验或测算只有先后求取2个绕阻中间漏抗，如ZHK，ZHL和ZLK。把他们归算到同一侧如髙压侧，那麼图3中星型等价控制回路中的各特性阻抗为
式中 ZΣ=ZHK ZHL ZLK。
从河滨变常见故障录波剖析了解ΔIA落伍UA 80°，表明漏抗中合理电阻器的成份不大，下列测算上都忽视电阻器以走电抗替代漏特性阻抗。
为了更好地简易，假定绕阻是圆柱形的。圆柱形绕阻的漏磁通的途径合理长短决策于绕阻的高h和合理薄厚d。一般在预估时把薄厚折算为高宽比获得等效电路的合理高宽比或合理长短h′=kh,在其中k是折算指数，一般k=1.1。显而易见k与比率
相关。短路故障绕阻的高宽比等伴随着短路故障线圈匝数而转变 ，其折算指数也需要随着转变 。为了更好地简单化，下边取具体高宽比ht与合理薄厚d=0.1ht之和做为等效电路的合理长短h′，ht为原先全部绕阻的真实高宽比。因此假如短路故障绕阻线圈匝数占原髙压绕阻总线圈匝数之之比α(1＞α＞0)，则短路故障绕阻的真实高宽比为αht。短路故障绕阻的漏磁通的相对路径的合理长短与原合理长短之之比
。设变电器原来的漏抗为Xσ。下列先后测算三对绕阻相互间的漏抗。
(1) 髙压绕阻和短路故障绕阻相互间的漏抗X?HK。绕阻的漏抗与线圈匝数的平方米正相关，与等效电路的合理长短反比。髙压绕阻除去短路故障绕阻后的线圈匝数，与短路故障绕阻线圈匝数占原先总线圈匝数之比各自为1-α和α。这两一部分圆桶的半经同样，是折起来的，他们相互之间的漏磁通不越过变压器铁芯，所有在空气中产生环城路，合理高宽比要增加一倍。短路故障绕阻漏抗将是
，其归算到髙压侧之数值
。同样髙压线圈的漏抗为
。因此可获得
。
(2) 高压低压绕阻相互间的漏抗XHL。绕阻的漏抗与漏磁通途径的横截面正相关。在绕阻直徑一定时横截面与绕阻等效电路薄厚(
)正相关。γ为两绕阻中间磁密的宽，γ1和γ2各自为两绕阻的薄厚，漏磁通的一部分仅与髙压绕阻相接，另一部分仅与低电压绕阻相接，他们各自决策每一绕阻的漏抗。规定每一绕阻的漏抗，务必明确这两一部分漏磁通在区域的交界线，这也是艰难的。实验也不能明确每一绕阻的漏抗。测算时一般觉得两绕阻的漏抗(归算到同一侧的值)是相同的。
已经知道的Xσ是原先2个绕阻漏抗的和，与Xσ相对性应的漏磁通占有了全部横截面。在上面测算XHK时由于每一绕阻的漏磁通都占有了全部横截面就立即以Xσ为标准开展测算。如今测算XHL就务必注意到漏磁通途径横截面在2个绕阻间的分派。
现髙压线圈的线圈匝数和极度都减小了，全部绕阻都面临着低电压绕阻，它的漏磁通途径的剖面应降低一半，测算时选用的标准电感也应降低一半。因此髙压线圈的漏抗为
。低电压绕阻完好如初，线圈匝数和高宽比也没有转变 ，但一部分(1-α)WL应对髙压绕阻，其他αWL则否。前一部分造成的漏磁通的相对路径的剖面应降低一半，后一部分则否。因而低电压绕阻的漏抗(归算到髙压侧的值)应是
。因此可获得
(3) 低电压绕阻与短路故障绕阻相互间的漏抗XLK(归算到髙压侧的值)。短路故障绕阻都应对低电压绕阻，因此测算的标准电感要降低一半。其归算到髙压侧的数值
。低电压绕阻的一部分αWL应对短路故障绕阻，一部分则否。它归算到髙压侧的数值
，因此低电压绕阻与短路故障绕阻相互间的漏抗(归算到髙压侧的值)为
算出XHK，XHL，XLK后就能求工程图3中等价控制回路中的XH，XL，XL。
表1示出针对好多个不一样α值测算获得的漏抗(相对性于Xσ)之值。
表1 变电器堵转短路故障不一样α值下的等价控制回路主要参数
2.17
1.67
1.11
0.67
0.42
0.25
-1.18
-0.69
-0.16
-0.22
0.35
0.17
7.05
5.81
4.35
2.77
1.4
0.25
由表1由此可见在α＜0.2时都是有(XH XK)/Xα＞1。在这种堵转短路故障时的短路容量都将低于在底压侧导线上短路故障时的电流量。差动保护肯定不能用后面一种校检维护的敏感度。 表2 不一样Xσ值下差电流量的标么值
从表1还能够看得出α越小XHK=XH XK越大。
因为测算根据的基本参数——常见故障变电器的漏抗和负载特性阻抗全是类似，因此并没有需要作严谨的测算。由图3由此可见系统软件供电系统到P1点后分成2个环路。一是经低电压漏出来抗向负荷Z?1LD供电系统，另一是经短路故障绕阻漏抗向零序、负序网供电系统。这两个环路的阻抗角相距非常大，串联测算好烦。粗略地剖析觉得他们各自独自一人存有，即分別测算负载情况和满载时的常见故障情况。前一种情况下获得穿越重生性的负载电流量，后一种情况下0，1，2三个序网串连，串连的总特性阻抗约为3(ZH ZK)。差动保护精确测量的是两相电压之差，不反映I0，无论变电器中性线是不是接地装置都是有I1=I2，不考虑到I0有IA=2I1,IB=IC=-I1。从而得I?AB=I?CA=3I1,IBC=0。因为一切正常时两相电压差是相电压的倍。按标么值测算
。针对不一样Xσ值，变电器轻度堵转短路故障时维护测出的差动保护电流量的标么值示于表2。
河滨变高压电线组共约30层，一层大约3/10匝短路故障。测算时觉得短路故障绕阻的高宽比减少为原线圈的α倍，薄厚不会改变，自然有偏差。河滨变在系统故障时Id*=1.25In，表2测算为Id*=0.78In,由此可见数值有偏差。
依据之上估计在校检变电器对轻度堵转短路故障的敏感度时可用穿越重生性电流量为In，差电流量为0.5In，并觉得二者相位差同样。
3 比例差动保护汽车继电器姿势特点的挑选
比例差动保护汽车继电器的姿势特点Id=f(Ires)一般是曲线，如图4所显示。曲线由与Ires轴水平的平行线和切线斜率为m的平行线两部份构成。曲线转折点部位有二种起法。第一种起法所得的曲线如图4(a)中的ABC，第二种起法所得的曲线如图4(b)中的ADE。直线与Id轴的相交点A的纵轴I0为汽车继电器的最低姿势电流量。图4(a)中斜杠BC历经座标起点，转折点B由I0和m决策。图4(b)中转折点D的横座标一般取Ires=In如图所示中斜线所显示，其起点是以为在穿越重生性电流量Ires低于负载电流量In时差动保护的偏差不大，不用制动系统功效，汽车继电器便是简易的差动保护电流继电器。
图4 二种折线形比例差动保护汽车继电器的姿势特点
制动系统电流量Ires的起法许多 ，但相同之处是都以为在外界短路故障时Ires相当于或正比例于(一般为2倍)穿越重生性电流量。具体不一样起法并无重特大差别。针对双线圈变电器，运用较广范的是取Id=｜I1 I2｜和Ires=｜(I1-I2)/2｜。I1和I2是变电器两边的电流量，以注入变电器为正方位。
在探讨挑选和整订制动特点以前，创作者想要严格执行在参考文献［1］中提到的两个见解。一是在外界短路故障时偏差不但造成不平衡的差动保护电流量，并且也使制动系统电流量降低，不会再相当于穿越重生性电流量。后面一种通常被忽略。比如当选用图4(a)的制动系统特点Id≥mIres时一般都觉得m=k?res就表明外界短路故障时可以的偏差，其实不是。将Id和Ires用I1和I2表明，在外界短路故障时I1和I2相距180°，故有Id=I1-I2和Ires=0.5(I1 I2),带入式Id=mIres后便可求取δ=(I1-I2)/I1=2m/(m 2)。表3列举不一样m值时的δ值。由表3由此可见偏差使制动系统电流量降低的危害不容忽视。二是在挑选制动系统特点时至今的作法是使制动系统特点最大限度地挨近外界短路故障时不平衡差动保护电流量的地区，进而在內部短路故障时可得到较大的敏感度。创作者提议以己度人，按确保在內部短路故障时可以姿势的情况挑选很大的制动系统指数，进而在外界短路故障时得到 较大的可选择性。创作者指出在內部短路故障时如果沒有穿越重生性电流量穿过就不可能有制动系统功效，Id/Ires的极小值是非常容易明确的。尤其是数显式汽车继电器只需Id和Ires是由同一数据收集系统软件收集到的，那麼比例制动系统评判标准就一定能达到。那样做的益处是能够免除测算外界短路故障时不平衡电流量的不便，进而获得通用性特点。详尽见参考文献［1］。
表3 制动系统特点为Id＞mIres时δ和m的对比
0.18
0.26
0.33
0.40
0.50
如今依据轻度堵转短路故障的规定选择图4中的姿势特点。最先因为轻度堵转短路故障的最少常见故障电流量很有可能为0.5In，因而挑选I0=0.3In是适宜的。假如选用波动门坎技术性则可进一步提高敏感度。再考虑到在轻度堵转短路故障时很有可能送出超负荷电流量，即I1=1.5In，I2=In，则有Ires=1.25In,因此应以轻度堵转短路故障时的作业点P(1.25In，0.5In)落在姿势区。假如选用图4(a)的特点应选m≤0.4，由表3得知容许的偏差δ≤0.33。假如采用图4(b)的特点转折点D，最好是在Ires=1.25In的地区，那样在轻度堵转短路故障时沒有制动系统功效，获得最高的敏感度。 表4 通用性比例制动系统特点在外界短路故障时可以的偏差
依照参考文献1的见解，图4(b)中平行线DE的切线斜率m=1。如今转折点D的横坐标轴Ires=1.25In,DE的直线方程为Id-Ires 0.95In≥0。剖析外界短路故障时可以的偏差只需将Id=I1-I2和Ires=0.5(I1 I2)带入，可获得I1-3I2 1.9In≥0。因此可求取在不一样I1值下可以的I2的极小值，从而求出最高的容许偏差δ=(I1-I2)/I1，示于表4。
显而易见图4(b)的特点比图4(a)优异。比例差动保护汽车继电器选用如此的特点和整时间常数能够 适用一切系统软件中的一切变电器，因此称之为通用性特点。
基因突变量差动汽车继电器维护轻度堵转短路故障有显著性的优势。在基因突变量差动汽车继电器中差动保护电流量和制动系统电流量全是基因突变量，即ΔId和ΔIres。轻度堵转短路故障时穿过的穿越重生性负载电流量份量不容易体现到ΔIres中去，因此增强了敏感度。其比例制动系统评判标准可采用图4(a)的特点。在常规时Id=0，差动保护电流量自身便是常见故障份量，但姿势电流量依然要用基因突变量ΔId,不然在外界短路故障并未被摘除前ΔIres已消退而差动保护不平衡电流量Id却依然存有，将丧失可选择性。在外界常见故障产生时ΔIres应在ΔId以后消退。相关难题在参考文献［1］中已论述，这儿已不过多阐释。
顺带强调，按文中提到的规定，标积制动系统基本原理并无优势可谈。
4 相关敏感度的好多个难题
(1) 比例差动保护汽车继电器选用通用性特点，最少运行电流量I0=0.3In,对变电器低电压导线上的常见故障毫无疑问充足灵巧。对內部轻度堵转短路故障用哪种规范校检呢?文中对堵转短路故障的计算和开封市河滨变的安全事故足够说明在α=0.01的轻度堵转常见故障时系统软件工作电压始终保持不会改变，可再次带负载，并且变电器毁坏比较轻，便于修补。因此更轻度的常见故障维护若不可以立刻姿势也不会有严重危害。变电器安全事故导致的损害包含系统对产生的经济损失和变电器自身损害。常见故障一开始维护没动，等候常见故障发展趋势到α=0.01时再姿势，给体系产生的损害是同样的，变电器的损害也相差无异。常见故障是进步了，安全事故基本上仍未扩张。维护的太过灵巧必定要减少安全系数和可选择性。因此笔者觉得选用文中介绍的通用性特点在一般状况下已充足灵巧。假如还需要进一步提高敏感度，则以选用基因突变量差动汽车继电器为宜。
(2) 图1的录波表明电流一切正常，负载不会改变，表明轻度堵转常见故障时短路故障匝电流量的去磁功效能够 忽视，在变电器重合闸于堵转短路故障时很可能与此同时发生浪涌电压。浪涌电压辨别元器件会短时间锁闭维护，但提高的延迟不容易长，因为常见故障轻度，并不大的延迟理应是能够忍受的。
(3) 为了更好地在一相有常见故障，另一相有浪涌电压时要迅速摘除常见故障，选用浪涌电压辨别元器件按相锁闭差动保护汽车继电器。但在没有问题重合闸时很有可能因一相浪涌电压特点不显著而无法完成锁闭。因此可采用两陆续家用电器姿势才出入口。分析表明单相电堵转短路故障与底压侧两相短路故障一样将有两陆续家用电器姿势。在微机保护中三相汽车继电器都用同一CPU所实施的流程进行，因此当两陆续家用电器都应姿势时不可能发生一相动另一相拒动的状况。在轻度堵转常见故障汽车继电器很有可能处在姿势界限时，很有可能仅有一相姿势，但因为常见故障轻度危害不大，等常见故障发展趋势后再摘除也是容许的。
①创作者在参考文献［1］中觉得：因为常见故障处的电孤电阻器限定了短路容量造成 ΔIA和UA基本上同相是有误的。
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