Scott變壓器差動保護研究

　　摘要：在微機保護條件下，根據Scott牽引變壓器的電流變換關系，衍生出了多種差動平衡公式。本文針對目前主流差動方案的不足，提出了一套完整的差動保護方案。

        引言
　　
　　Scott接線平衡變壓器（又稱T形接法變壓器）是zui早出現的三相-兩相平衡變壓器，內部由兩臺單相變壓器構成）。在電力工業發展初期，三相輸電方式剛剛確立時，人們就利用Scott接線變壓器實現三相系統與兩相系統（或兩個單相系統）之間的互聯。現在，平衡變壓器主要用于大容量單相負荷接入三相電力系統的場合，如電氣化鐵道、工頻感應爐等，用以減少單相負荷對三相電網造成的負序影響。同其它接線形式的平衡變壓器相比，Scott變壓器具有接線簡單、便于分接調壓、二次側兩相電氣獨立等優點，目前應用廣泛。
　　
　　但是由于該變壓器的特殊性，其差動保護的電流互感器接線平衡公式與傳統的Y/d-11接線方式的電力變壓器不同，在早期的晶體管繼電保護中，差動保護采用兩繼電器方式。在微機保護條件下，根據Scott牽引變壓器的電流變換關系，衍生出了多種差動平衡公式。本文針對目前主流差動方案的不足，提出了一套完整的差動保護方案。
　　
　　1、Scott變壓器差動保護
　　
　　Scott變壓器差動保護接線方式如圖1所示。
　　
　　1.1差動方案
　　
　　該方案為現場Scott變壓器微機差動保護實際應用中zui普遍的一種。
　　
　　1.1.1差流平衡公式　　
　　1.1.2差流計算公式
　　
　　A相差動電流：　　
　　A相制動電流：　　　　
　　B相、C相差動電流、制動電流計算方法類似。式中：Kph=1/KXn2/n1為平衡系數;n1為變壓器高壓側CT變比;n2為變壓器低壓側CT變比;K=W1/W2為變壓器高低側繞組匝數比。
　　
　　1.1.3涌流制動邏輯
　　
　　涌流制動采用2次諧波“或”邏輯制動。
　　
　　1.2差動方案2
　　
　　1.2.1差流平衡公式　　
　　1.2.2差流計算公式
　　
　　A相差動電流：　　
　　A相制動電流：　　
　　B相差動電流、制動電流計算方法類似。
　　
　　1.3涌流制動邏輯
　　
　　涌流制動邏輯采用改進型的2次諧波制動方案，該方案結合直流助增原理，在變壓器空充時，根據差動電流中的直流含量自適應調節2次諧波制動系數。并在文獻的基礎上進行了簡化：
　　
　　K0=Ido/Idi（7）
　　
　　當K0>10%時，Kxb2=Kset2-0.02;
　　
　　當K0>20%時，Kxb2=Kset2-0.04;
　　
　　當K0>30%時，Kxb2=Kset2-0.06;
　　
　　當Kxb2<Kset2/2.0時，Kxb2=Kset2/2.0.
　　
　　式中：K0為直流分量與基波分量的比值;Kset2為2次諧波制動系數整定值;
　　
　　Kxb2為2次諧波實時制動系數。
　　
　　采用分段方式，主要是從實際應用角度出發，減少計算過程中由于波形不規則導致二次諧波制動系數的頻繁變化。
　　
　　1.4比率差動保護動作特性
　　
　　比率差動保護動作特性如圖2所示。　　　　
　　2、兩種方案分析與仿真
　　
　　2.1理論分析
　　
　　1）方案1為3相繼電器差動，方案2為將差動繼電器減化為2相，因此在實現方式上要簡單;且方案1中的C相差動，與方案2中的A相差動相同。
　　
　　2）方案2物理意義明顯，實際上可以理解為特殊的兩個單相變壓器差動保護，可以分開整定保護定值，增加了保護的靈活性。
　　
　　3）方案2涌流制動原理采用2次諧波分相制動方式，且2次諧波系數采用直流分量助增的分段取值法，使差動保護在空充故障變壓器時能快速動作，同時又保證了空充正常變壓器時可靠不誤動。
　　
　　4）在正常運行過程中，傳統的交直電力機車會產生較大的3、5、7次諧波，而交直交型的動車組，17~21、41~51次區域諧波明顯，但此時流過變壓器的電流為穿越性電流，對兩個差動保護方案影響都不大。
　　
　　5）在電力機車啟動與過分區空載投入時，可能產生較大的和應涌流，含有較大的二次諧波分量，如果此時牽引變壓器發生內部輕微故障，會造成差動保護延時動作。此時分兩種情況：如果機車運行相與故障相相同，方案;1與方案2的動作速度相同;如果機車運行相與故障相不相同，則方案2的動作速度要快于方案1。
　　
　　6）當M座線圈發生匝間短路或者高壓側A、C相區內接地時，方案1的C相差動與方案2的A相差動都可反應此故障，兩個方案的靈敏度相同。
　　
　　7）當T座線圈發生匝間短路或者高壓側B相區內接地時，方案1的A、B相和方案2的B相差動都可以反應此故障，但由于方案2采取了線電流方式，定值整定一般為方案1中相電流方式的根號下3倍。而對于相同大小的故障電流，定值低的靈敏度要高。
　　
　　根據以上分析，方案2的靈敏度在整體上要優于方案1
　　
　　2.2REDS仿真模型
　　
　　Scott變壓器實際上可以理解為特殊的兩個單相變壓器，因此該模型直接通過兩個自耦變壓器模型組合實現，如圖3。　　　　
　　變壓器高壓側額定容量75MVA，電壓等級11-KV/27.5KV;短路阻抗：Xac=1.452Ω，Xb=26.136Ω;繞組電阻RA=1.452Ω，RB=RC=0.968歐姆，Ra=Rb=0.242Ω;牽引網為直供模式。
　　
　　2.3REDS仿真
　　
　　模擬在調整變壓器分接頭時，帶負荷情況下發
　　
　　生低壓側區外AB相經過渡電阻短路，故障波形如圖4。
　　
　　表1根據該波形，列出了故障前后兩個方案差動電流與制動電流的比較數據。
　　
　　正常情況下，如果發生區外故障，制動電流會變大，但是從波形數據分析可得：
　　　　
　　方案1，在發生區外故障時，B相差動電流變大為0.47，但是制動電流反而由1.06A變小為0.72A。此時保護的動作情況，取決于差動保護的門檻定值和*個拐點電流定值，如果差動門檻較高，拐點電流較小，則保護不容易誤動。但是當差動門檻定值整定較低（0.40A）、*個拐點電流較大（0.70A）的時候，差動保護僅靠差動門檻來進行制動，差動保護會誤動。如果要躲避該故障時誤動的可能性，需提高差動保護的動作門檻，此方法將影響差動保護的靈敏度。
　　
　　而方案2，在發生該故障時，B相差動電流變化不大，都很小，而制動電流明顯增大，與正常預期相符，肯定不會出現誤動。
　　
　　此外還對變壓區內、外故障，空充變壓器、及空充于故障等各種情況進行了模擬試驗，差動方案2的整體表現良好，且優于方案1。典型的仿真結果見表2
　　
　　2.4適用范圍
　　
　　牽引網無論是直接供電（DF）方式、帶回流線的直接供電（DN）方式、自耦變壓器供電（AT）方式，對于牽引變壓器而言都可以理解為負載，不會影響變壓器差流平衡公式，故此差動保護方案2對于負載為AT方式的牽引網也同樣適用。
　　　　
　　3、結論
　　
　　1）方案2采用兩相差動方式，結合自適應調整二次諧波制動系數的分相制動原理，大大提高了差動保護的整體性能。
　　
　　2）從理論分析和RTDS數字仿真的結果看，方案2*Scott變壓器差動保護的要求，且
　　
　　在靈敏度和可靠性方面都要優于方案1。