自耦变压器零序差动保护问题0引言在超高压电力系统中，自耦变压器因体积小、效率高、用材省等优点而得到了广泛应用。

在为自耦变压器配置保护时，其相间差动保护、匝间保护、瓦斯保护及相间后备保护与普通变压器基本相同，一般不需作特殊考虑，但其零序保护及过负荷保护却有着不同于普通变压器保护的特点。

对于过负荷保护，曾有许多专家及工程技术人员进行过大量的论述［1］，本文将主要讨论自耦变压器的零序差动保护。

众所周知，自耦变压器与普通变压器的功率传递方式不尽相同，在普通变压器中，高、中压线圈之间没有电的联系，全部是由电磁感应的作用进行功率传递的，而在自耦变压器中，高、中压线圈之间有电的联系，其功率传递除一部分是靠电磁感应的作用外，另一部分则是靠电的直接传导传递的；并且由自耦变压器的原理、结构所定，其高、中压侧的中性点必须连在一起，且同时接地。

这是自耦变压器与普通变压器的主要差异［2］。

在超高压系统中，大多数大容量的自耦变压器都是分相式。

显而易见，对于分相式的自耦变压器而言，其内部发生接地故障的概率远大于相间故障，因此，对于自耦变压器的接地故障必须有高可靠系数的零序保护。

1自耦变压器单相接地故障时的电流分析为了更清楚地说明自耦变压器的特殊性，首先可以利用图1中500 kV/220 kV自耦变压器作为原型，对其中压侧、高压侧发生区外接地故障时的零序电流分布进行分析。

图1 自耦压器主接线图Fig.1 Connection diagram of autotransformera.当自耦变压器的中压侧发生区外接地故障时，对折合到中压侧的零序等效电路(如图2)进行分析，可以得到式(1)、式(2)。

图2自耦变压器中压侧区外单相短路电流分析Fig.2Current analysis of autotransformerwhen single phase ground fault occurs outsideof the protected zone at medium voltage side(1)(2) 其中nGZ=U G/U Z，为自耦变压器高、中压变比；Z0为中压侧(短路点)的零序电流；ZX为中性点提供的零序电流；GG0为自耦变压器公共绕组中的零序电流；G0为自耦变压器高压侧零序电流；G0′为折合到中压侧的高压侧零序电流；XG0，XD0分别为自耦变压器高、低压侧的零序电抗；XSM0为自耦变压器高压侧的系统零序阻抗。

由上述推导可以看出，因为nGZ>1，所以在自耦变压器中压侧发生区外单相接地故障时，自耦变压器的各侧(包括中性点)均有零序电流存在。

中压侧零序电流Z0肯定大于高压侧零序电流G0，且自耦变压器中性点的零序电流ZX、公共绕组的零序电流GG0恒与短路点电流Z0同向，即I*ZX，I*GG0的方向与自耦变压器本身的阻抗以及系统阻抗无关。

b.当自耦变压器的高压侧发生区外接地故障时，对折合到中压侧的零序等效电路(见图3)进行分析，可以得到式(3)、式(4)。

图3自耦变压器高压侧区外单相短路电流分析Fig.3Current analysis of autotransformerwhen single phase ground fault occurs outsideof the protected zone at high voltage side(3)(4)式中XZ0为自耦变压器中压侧的零序电抗；XSN0为中压侧的系统零序阻抗。

由上述推导可以看出：如果XSN0 XZ0>(nGZ-1)XD0，则当自耦变压器高压侧发生区外单相接地故障时，中性点电流ZX、公共绕组的零序电流GG0与图中所标的方向相同；而当XSN0 XZ0<(nGZ-1)XD0时，自耦变压器中性点电流ZX和公共绕组中的零序电流GG0均与图中所标的方向相反。

即：当自耦变压器高压侧发生接地短路时，中性点的零序电流ZX和公共绕组中的零序电流GG0不可能恒与短路点电流G0同向，而是随着中压侧系统阻抗XSN0的不同，自耦变压器中性点电流ZX的大小及方向也是不同的。

尤其值得注意的是：当XSN0 XZ0=(nGZ-1)XD0时，ZX=0。

由此可以得到这样一个结论：在自耦变压器的高压侧发生区外故障时，其中性点的零序电流与中压侧的系统阻抗有相当大的关系，不能明确地反映故障的方向和故障的严重程度。

因此，自耦变压器不宜像普通变压器那样选用由中性点的电流互感器(TA)构成的零序电流方向保护，否则很难保证其选择性［1，3］。

自耦变压器的零序电流方向保护很难保证选择性，而相间差动保护由于其特有的接线形式使其对于接地故障的灵敏度降低。

在这种情况下，不言而喻，快速的、有较高灵敏度的零序差动保护对于自耦变压器是十分必要的。

2较简单的自耦变压器零序差动保护最初提出的自耦变压器零序差动保护的方案如图4所示。

它利用高、中压侧和公共绕组的电流互感器分别形成各自的零序电流滤波器，然后差接起来，构成自耦变压器的零序差动保护。

当变压器内部发生接地故障时，流入差动继电器的电流为故障点零序电流的总和，与中性点的零序电流方向无关，差动继电器将反应3侧的零序电流相量和而动作。

这种零序差动保护的最大特点是接线简单，但必须按下列条件取最大值来整定［1］。

图4简单的自耦变压器零序差动保护Fig.4Simple zero-sequence currentdifferential protection of autotransformera.躲过外部接地短路的最大不平衡电流：Idz=K k KapK i I kφmax(5) 式中K k为可靠系数，一般取1.3；Kap为非周期分量系数，一般取1.5～2.0；K i为电流互感器允许的最大误差，一般取0.1；I kφmax为最大外部单相短路电流。

b.躲过外部三相短路时的最大不平衡电流：Idz=K k KapK i I k3φmax(6)式中I k3φmax为最大外部三相短路电流。

c.躲过变压器空载合闸时零序差动保护的不平衡电流：I dz取(0.3～0.4)I e(7)d.躲过电流互感器二次回路断线所产生的差电流：I dz=K k I e(8)显而易见，变压器外部发生三相短路时各侧零序不平衡电流以相量和的形式出现在差回路中，而在最不利的情况下，零序不平衡电流的和值所产生的差电流可能大于各侧的零序不平衡电流。

为躲过此不平衡电流，零序差动保护的整定值将大于额定电流值，可能达到1.3I e～1.5I e，甚至更大。

无疑将大大降低零序差动保护对变压器接地故障的灵敏度和可靠性。

尤其是对于大型自耦变压器，将失去装设零序差动保护的意义。

3改进后的自耦变压器零序差动保护为克服上述不足之处，自耦变压器零序差动保护可采用图5接线形式。

应选用带比率制动特性的变压器保护，将高压侧相电流A，B，C及中压侧相电流,b,c分别组合成A c,B a,C b后，取最大值乘以系数K Z(一般在0.5 a左右)作为制动量，高、中压侧各相电流与公共绕组各相电流差接后得到的零序电流作为动作量。

图5改进后的自耦变压器零序差动保护原理图Fig.5Improved zero-sequence currentdifferential protection of autotransformer下面对改进后的自耦变压器零序差动保护在区内、外故障时的动作行为进行分析［3］。

3.1外部三相短路时制动回路：由于是三相对称性故障，三相制动电流分别为：A c,B a,C b，它们在制动侧产生的制动电压基本是均衡的。

差动回路：进入差动回路的是三相短路时的不平衡电流，(9) 很明显，制动量远大于动作量，保护不会误动作。

3.2外部AB两相短路时制动回路：由于是AB两相故障，三相制动电流中以*B a最大，起主要的制动作用。

差动回路：进入差动回路的是两相短路的不平衡电流。

由于两相短路故障时，发生故障的两相电流大小相等，方向相反，所以(10)同样，制动量远大于动作量，保护不会误动作。

3.3外部A相短路时制动回路：由于是A相故障，三相制动电流中以B a,A c(实际上是A和a)中的较大者起主要的制动作用。

差动回路：进入差回路的是外部单相短路时的不平衡电流，(11)其中取A或a两者中较大者。

同样，制动量远大于动作量，保护不会误动作。

3.4内部发生A相接地故障时制动回路：由于是A相故障，三相制动电流中以B a，A c(实际上是A和a)中的较大者起主要的制动作用。

差动回路：应该是故障相高、中压侧和公共绕组故障电流的向量和，=A a GaCD(12) 因CD K Z A(或a)，保护能够可靠动作。

改进后的自耦变压器零序差动保护由于增加了比率制动部分，使得差动保护的动作定值大大降低，因而提高了自耦变压器内部发生接地故障时保护的灵敏度。

但是，由于国内各厂家均没有专门用于自耦变压器的零序差动保护产品，因此，在实际工程中通常借用普通变压器的相间差动保护来构成自耦变压器的零序差动保护。

在此情况下，改进后的自耦变压器零序差动保护的电流差回路只能接在保护盘外(即在TA端子箱内，将各电流回路按上述要求接成差动回路)，这样就带来两个问题：a.由于带比率制动特性的普通变压器差动保护的差动回路已经在保护装置内部接好，当采用这种保护构成改进后的自耦变压器零序差动保护时，必须对保护装置的内部回路进行适当的改进，否则保护有可能在区外故障时误动。

b.变压器投入运行并带上一定负荷后，按规程规定必须进行相量检查，但对公共绕组上的TA进行相量检查较为困难，稍有不慎，则可能造成保护误动。

从理论上讲，改进后的自耦变压器零序差动保护应具有比率制动特性，因此在TA断线时不应误动作。

但应当注意，普通的比率制动式变压器差动保护的制动量是在回路中的电流达到一定值后才起作用的(如集成电路型的差动保护，当电流大于0.7倍额定电流时，制动量才起作用；而晶体管型的差动保护，则当电流大于额定电流时，制动量才起作用)，因此，改进后的自耦变压器零序差动保护在TA断线时不误动，并不是绝对的。

4自耦变压器的高、中压分相差动保护除采用上述的保护方案外，还可采用将自耦变压器各相的高压出线TA、中压出线TA及公共绕组的TA分别接成差回路，构成自耦变压器的高、中压分相差动保护，如图6所示。

图6自耦变压器高、中压分相差动保护原理图Fig.6Diagram of separate phase differentialprotection of autotransformer at highand medium voltage side在正常运行及自耦变压器高、中压线圈外部故障(包括接成三角形的第三线圈的故障)时，如不考虑TA等因素引起的误差的影响，该差回路的电流恒等于零。

而在自耦变压器的高、中压线圈内部发生故障时，差回路中的差电流将使得差动继电器动作，跳开变压器主开关。