WXRedian | CES电气 | 国电南自电网自动化公司王哲、郭晓等：适用于海外电网的变压器保护配置研究

南京国电南自电网自动化有限公司的王哲、郭晓、行武在2024年第8期《电气技术》上撰文对海外市场变压器保护配置方案进行研究，给出包括主保护、后备保护及非电量保护的完整配置方案；对海外电网变压器继电保护相关的差动曲线整定、零序反时限保护、中性点接地、非电量保护电流闭锁、IEC 61850 ed2.0等进行研究并给出具体的解决方案。

随着中国智能制造能力的提高和与国际经济交流的增多，越来越多的国产电力二次设备、技术和标准走出国门。二次设备在国外多应用于工程总承包项目（engineering procurement construction, EPC）中，其继电保护设计方案不仅要满足我国相关的规程规范，还要适应当地电网用户的要求及习惯。

由于国外继电保护及自动化系统的规范要求与国内存在较大差异，国内电网业已成熟的继电保护配置方案难以适用于海外市场，而目前业界对海外市场变电站继电保护配置的研究存在不足。有文献总结了微机继电保护及其自动化系统在国内外电网中的差异，但只针对自动化系统通信配置方面，对继电保护配置方面的研究不足。

有文献对印度尼西亚某水电站的继电保护配置进行研究，给出了具体的配置方案，但大体上仍采用国内成熟的继电保护产品，标准上仍然使用我国国家标准和行业标准，对国际通用标准如IEC、IEEE、ANSI等的研究和使用不足。

有文献基于对国外某城市电网结构及电力设备特点的分析，提出了满足该电网安全运行要求的保护配置方案和保护装置选型方案，但整定原则仍然依据国内的继电保护和安全自动装置技术规程，且整定计算局限于传统的线路距离保护整定方法及主变差动保护，对电流互感器饱和及励磁涌流情况下的主变定值整定研究不足。有文献以换流变压器实际工程配置的保护装置为研究对象，定量分析不同位置短路故障下不同差动保护方案的动作特性。

有文献以△→Y处理方式下的保护装置为例，研究不同接线差动电流相位校正和幅值校正原理，以及常规接线调试方法下，模拟单相故障时的纵差保护动作情况。为准确模拟单相故障情况下，保护装置对故障相的准确判定，对接线方式进行优化处理。有文献提出一种有别于常规幅值法的相位校验法来校验主变稳态比率制动差动保护斜率。有文献在分析变压器保护误动原因的基础上，提出继电保护设备生产制造和运行维护中应注意的事项及应采取的措施，为运维人员的保护装置检查与处理工作提供参考，但所提方案仅从管理角度出发，未能提出有效的技术手段防止装置误动。

针对以上研究的不足，本文对海外国家电网变压器一次系统进行分析，总结出一套能适应不同海外地区的变压器保护配置方案，以适应海外电网的特殊要求；针对励磁涌流和电流互感器（current transformer, CT）饱和等变压器保护特殊问题进行分析，提出基于小区无差流加二、三次谐波的CT饱和新判据。借鉴IEC、ANSI相关标准配置反时限保护，并给出反时限保护具体方程。

为更好地指导工程应用，对海外电网变压器保护屏柜和操作回路与国内电网的差异进行分析，详细介绍保持继电器回路。随后，对站控层网络及IEC 61850 ed2.0相关要求进行研究，给出基于冗余网络并行冗余协议（parallel redundancy protocol, PRP）的站控层网络拓扑方案和相应的IEC 61850 ed2.0修改点。

总体配置方案

国外电网变压器保护配置较为灵活，有主保护和后备保护一体化配置，此种配置装置集成度非常高，一台普通的变压器保护装置集成了差动保护、过电流保护、过电压保护、距离保护、频率保护、失灵保护、三相不一致保护、零序保护、高阻抗保护、测控等十余种功能，装置配置复杂，对硬件要求高且无冗余性，单一装置损坏将失去全部的保护功能。

工程应用中推荐主保护和后备保护分体配置方案，本文对分体配置方案进行研究，对重要保护功能进行精简，并对保护功能的主保护装置和后备保护装置分配进行合理划分，主保护装置包含差动保护（87T）、过电压保护（59G）和测控功能，后备保护装置包括过电流保护（51P、51S）和零序保护（51PN、51SN）功能，并且变压器各侧单独配置一套后备保护。

此外，还单独配置单套的非电量保护用于识别变压器内部故障。适用海外电网的变压器保护整体配置方案如图1所示。

TA1、TA4分别为变压器高、低压侧CT，输入变压器主保护装置进入差动保护计算。TA7为低压侧中性点零序电流小电流比CT，输入变压器主保护装置作为零序过电压保护辅助判别。TA2为高压侧开关内侧电流CT，输入高压侧后备保护装置进行过电流保护计算。TA5为高压侧中性点零序电流CT，输入高压侧后备保护装置进入零序过电流保护计算。TA3为低压侧开关内侧电流CT，输入低压侧后备保护装置作为过电流保护计算。TA6为低压侧中性点零序电流CT，输入低压侧后备保护装置进入零序过电流保护计算。

图1 适用海外电网的变压器保护整体配置方案

1.1 主保护装置保护配置

1）差动保护

变压器差动保护在满足差动曲线后，经励磁涌流判别和CT饱和判别再动作。下文对装置的励磁涌流判别和CT饱和判别做简要分析。

（1）励磁涌流判别

目前，针对变压器励磁涌流判据的研究已有较多文献，例如：文献通过分析励磁涌流与主变区内正常故障差流波形对称度差异，提出一种基于差流偏度系数的励磁涌流识别方法；文献分析了变压器励磁涌流产生的机理与抑制方法；文献提出一种全零点滤波器，能够较为精确地提取励磁涌流基波和二次谐波分量。

国外用户励磁涌流判据的使用习惯与国内差异较大，国内标准化变压器保护装置不设定励磁涌流判别控制字，往往采用综合判据进行励磁涌流判别，难以实现准确的定量测试。海外用户习惯对励磁涌流判别原理进行规定，特别是二次谐波闭锁原理，要求保护装置能提供明确的闭锁原理，并且能精确测试。一般至少提供三种二次谐波闭锁原理，方便用户根据需求选择，控制字分别为分相闭锁、交叉闭锁及最大比最大闭锁，即0—分相闭锁，1—交叉闭锁，2—最大比最大闭锁。

（2）CT饱和判别

CT饱和也是变压器保护在国外电网应用中争议较大的一个方面。国内变压器CT饱和判据较多采用时差法。时差法利用差动保护动作时间和故障启动时间之间存在时间差的原理，但在工程实践中的具体判据较为复杂，时间差的计算方式和阈值的选取尚无定论。由于知识产权等因素，国内变压器保护制造厂家在自身原理阐述上也较为模糊，在海外市场进行入网测试时，CT饱和判据往往引起较大争议，给用户带来困扰。

式1-3

（3）差动曲线

式4-6

表1 三种制动方式对比

从以上分析可以看出，变压器不同制动方式下的灵敏性和抗饱和特性存在一定矛盾，应结合工程实际需求合理选取。

2）零序过电压保护

式7

表2 反时限曲线参数

图2 接地系统判别

式8

1.2 非电量保护装置配置

国外非电量保护功能模块由开入为主导，还引入电量判据，所以适用于海外市场的非电量保护宜支持电流采样接入判据。装置宜支持接入四种非电量96P/D/B/T故障开入类型（分三相，对应重气体、压力释放、轻气体等）。

引入电量主要是增加大电流闭锁功能，因为在主变区外故障时，虽然没有差流，但是会有较大的穿越性电流流过变压器，穿越性电流产生的短路电动力使变压器绕组紧缩、膨胀并影响内部油流，导致油流涌动同时冲击气体继电器造成重气体保护跳闸误动。将大电流闭锁逻辑加入非电量保护（主要是重气体保护）中，可有效防止非电量保护在主变区外故障存在较大穿越性电流时误动。

非电量保护整体功能模块如图3所示。非电量保护一共有96P/D/B/T四个功能模块，共12个开入。

1.3 屏柜配置与操作回路

图4为海外电网典型的变压器保护屏柜示意图，从图4可以看出，屏柜配置与国内差异较大，变压器保护装置共配置4台，主保护装置1台，高、低后备保护装置各1台，非电量保护装置1台，另外还配置有电压切换装置。

海外电网断路器回路不使用操作箱，而是使用保持继电器（86T），这是国内电网保护与国外电网保护在二次回路上差异较大的地方。在断路器的跳闸回路中并联86T继电器的常开触点。变压器保护动作后，启动继电器，常开触点闭合，保持断路器跳闸线圈带电，直到手动对继电器进行复归，跳闸保持才取消。同时，继电器的常闭触点断开，即对断路器的合闸回路进行闭锁。此时，必须对继电器进行复归，才能对断路器进行合闸操作。图5为操作回路示意图，变压器屏柜装置见表3。

图3 非电量保护整体功能模块

图4 海外电网典型变压器保护屏柜示意图

图5 操作回路示意图

表3 变压器屏柜装置

1.4 通信配置

国外电网变压器保护站控层网络宜支持PRP，当网络出现单链路连接问题时，可自行切换到另一条链路。PRP与上层IEC 61850协议独立。

图6描述了全套变压器保护装置的PRP网络，其中局域网A和局域网B为并行网络，每台保护作为DANP（doubly attached node implementing PRP）节点，都具有两个光以太网口，分别接收从局域网A、B发来的制造报文规范（manufacturing message specification, MMS）及面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）数据帧，装置将先接收到的数据帧传给上层IEC 61850协议，丢弃重复帧，实现冗余管理和双网无缝切换。

图6 变压器保护装置的PRP网络

1.5 IEC 61850 ed2.0相关应用

随着IEC 61850 ed2.0的推广，海外市场继电保护装置IEC 61850 ed2.0的使用越来越广泛，目前许多国家已明确要求入网产品需具有IEC 61850 ed2.0的第三方一致性测试报告，下面着重对IEC 61850 ed2.0 GOOSE Simulation机制相关的修改进行说明。

GOOSE ED2支持从虚拟设备中订阅GOOSE报文，如图7所示，区别于原来的TEST标志位，GOOSE报文中增加了Simulation标志位，Simulation置位“1”表示该报文非实际装置发出，是由虚拟系统产生。此外，保护装置在逻辑节点LPHD（logical node physical device）中也有一个数据对象Sim，用于规定该设备是否接收原始GOOSE报文或仿真报文。

如果数据对象Sim置数“1”，则保护装置认为自身处于测试模式，此时装置仅接收Simulation置位“1”的GOOSE报文，如果 GOOSE 报文中置位“0”，则丢弃报文。为了适应数据对象Sim置数的需求，结合国内继电保护装置软压板的设置习惯，所开发的系列变压器保护装置设置Simulation软压板，当软压板合上时，装置逻辑节点LPHD的Sim数据对象置位“1”。

图7 GOOSE仿真报文

结论

本文从海外电网变压器的特性和运行方式出发，对其保护的配置方案做了重点分析，提出了完整的保护配置方案。对励磁涌流判别和CT饱和判别、差动曲线整定方案、零序反时限保护、中性点接地、非电量保护经电流闭锁等国内外电网存在差异的方面进行了分析。

对于差动曲线，分析了国内厂家与国外主流继电保护设备供应厂家的制动电流设置方法，提供了三种主流的制动电流选取方法。对于零序过电压保护，提出采用中性点零序电流来判别变压器是否为接地系统，防止零序过电压保护误动，并提出应采用方均根算法计算中性点电流的真有效值。对于非电量保护，将大电流闭锁逻辑加入非电量重气体保护中，可有效防止非电量保护在主变区外故障存在较大穿越性电流时误动。对海外电网变压器保护屏柜配置和操作回路与国内的差异进行了分析。对IEC 61850 ed2.0的应用，提出采用Simulation软压板置位装置数据对象Sim标志位的方案。

目前，按照本文所提保护方案配置的变压器保护装置已经在若干海外电网成功投运。本文研究可为其他海外市场继电保护配置方案的研究提供参考。

本工作成果发表在2024年第8期《电气技术》，论文标题为“适用于海外电网的变压器保护配置研究”，作者为王哲、郭晓、行武。

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国电南自电网自动化公司王哲、郭晓 等：适用于海外电网的变压器保护配置研究

本工作成果发表在2024年第8期《电气技术》，论文标题为“适用于海外电网的变压器保护配置研究”，作者为王哲、郭晓、行武。

国电南自电网自动化公司王哲、郭晓等：适用于海外电网的变压器保护配置研究