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7UT613差动保护装置应用

王秋霞，朱有志

中石化齐鲁分公司胜利炼油厂山东省淄博市   255534

摘要：分析介绍西门子7UT613保护装置的差动保护工作原理，并对具体应用设置进行总结。

关键词：7UT613  差动  谐波 闭锁  饱和  制动  CT  DIGSI

引言

我厂110kV变电站改造主变差动保护选用了西门子7UT613，该保护装置主要应用于各电压等级主变压器、大型发电机、电动机和母线等的差动保护，能快速和选择性地切除短路故障，通过改造和应用，对该装置保护实现的理论和实现方法有了比较深的理解。

1、主要功能

7UT613的主要功能是差动保护，具有带两次谐波制动的比率差动和差动电流速断保护，还具有外部故障情况下的附加稳定特性。通常情况下，电流互感器的二次接线为星形接法，装置对不同的变压器接线组别和不同的CT变比，有内部向量匹配和比例匹配的功能。另外装置还具有过流、零序过流等其它保护功能、测量功能、故障录波功能和通讯功能等。

2、工作原理

差动保护基于电流的比较，由于变压器各侧的绕组接线方式和CT变比不同, 变压器各侧二次电流的相位和大小也不相同, 7UT613保护装置能根据输入装置的变压器接线组别、额定容量、额定电压等基本参数和CT变比,根据固定公式进行电流的匹配。

我厂变压器基本参数：110kV/35kV/6kV，50000kVA，YN/yn0/d11，高压侧中性点直接接地，中压侧中性点经消弧线圈接地。

三侧CT变比:400/5、10000/5、6000/5，三侧CT中性点：均指向变压器。

保护装置自动进行各侧电流的折算：

I_N＝S_N/(U_N )      In＝I_N/n  

式中：I_N为变压器各侧额定一次电流，In为变压器各侧额定二次电流，S_N为变压器额定容量，U_N为变压器各侧的额定电压，n为变压器各侧CT变比。

标幺值I*=I/I_N，即变压器负荷电流占额定电流的百分数，式中：I为负荷电流。

取指向变压器方向为正，在正常情况下，各侧流入变压器的电流标幺值的和为零，在故障情况下为故障电流。以下差动保护中电流换算都是指电流相量标幺值。

只要输入变压器三侧接线组别，保护装置就通过编程的系数矩阵进行电流换算。

6kV d11侧的差动相量矩阵公式:

其中I_A、I_B、I_C为保护装置匹配后电流，即实际参与差动电流与制动电流计算的各相电流，而IL₁、IL₂、IL₃为输入装置的二次电流。这样保护装置就将d11侧电流转化为与YNyn0侧电流相位大小一致。

因Y侧中性点接地或经消弧线圈接地，当Y侧区外接地故障时，Y侧差动CT将感受到零序电流，而d侧差动CT不会感受到零序电流。由零序电流形成的差动电流可能使保护装置误动，常规继电器组成的差动保护中，变压器Ｙ侧的电流互感器是采用三角形接线的，因而零序电流不会反应到差动电流中去。对于微机型保护而言，各侧差动电流互感器均以Ｙ形接入，必须消除零序电流的影响。7UT613的零序电流处理也是在保护内部自动计算完成的，是利用了一个相量矩阵将零序电流和相量平衡结合在一起同时完成。

110/35kV YNyn0侧相量矩阵公式:

这种方法仅用矩阵来消除零序电流，这样消除后，可防止区外接地故障时误动，但区内接地故障时差动保护灵敏度会降低，本站差动保护设置这种方式。

高压侧中性点装有零序CT，也可以采用将附加的中性点零序CT上的中性点电流引入矩阵的措施来处理零序电流,矩阵相量公式为:

其中Isp为高压侧中性点的实测零序电流向量，输入保护装置辅助CT IX1。该方法既可在区外接地故障时消除零序电流，又可保证在区内接地故障时差动保护灵敏度不降低，但是要保证零序CT的极性接线正确。

电流进行标幺值折算和相位转换后，差动电流和制动电流计算方法为：

差动电流IDiff＝|I1+I2+I3|    制动电流IRest=|I1|+|I2|+|I3|

I1、I2、I3为同相三侧电流标幺值，正常情况或外部故障时，三侧负荷电流与额定电流的百分数的值的和为0，即标幺值和为0，差动电流IDiff＝0，制动电流IRest相当三侧电流绝对值的和；当内部故障时，差动电流和制动电流大小都等于总故障电流，因此内部故障特性是斜率为1的直线，即差动电流总是大于制动电流与一系数的乘积，7UT613的差动保护动作特性曲线和故障特性曲线见下图。

曲线a为差动保护一段定值IDiff>，即最小动作电流，该值整定越小差动保护的灵敏度越高，就能越有效地保护变压器轻微的匝间故障，变压器匝间短路时流入差动回路的电流很小，尽管短路处有很大的短路电流，要求保护有较高的灵敏度，但变压器带有调压抽头，各侧CT的型号、变比、特性不同，可能出现较大的不平衡电流，最小动作电流要躲过正常情况和外部故障时的不平衡电流，保证在正常运行最大的误差情况下差动保护不会误动，整定值一般在0.2～0.3倍额定电流左右。

    曲线b是以斜率1（K1）为斜率，以基点1（Base Point1）为基点的一条线段，基点是曲线延长与横轴的交点。此段是比率制动的开始,动作值开始提高，此段也要躲过正常情况和外部故障时的不平衡电流。变压器各侧CT的误差和有载调压造成的不平衡电流而产生的差流乘以一个可靠性系数，由此得到的差动电流与制动电流的比值即为斜率K1，K1的值通常在0.2～0.5之间。由于发生区内故障时，ＩDiff≈ＩRest，此时K≈1,可见工作点是在曲线之上，即在动作区内，因而装置能可靠正确地动作；反之，当发生区外故障时，由于ＩDiff≈0, 而IRest很大，因此K值很小，因而工作点在曲线下面,即在制动区内，保护不会误动，可靠性很高。

曲线c是以斜率2(K2)为斜率，以基点2(Base Point2)为基点的一条线段，就是在大穿越性短路电流可能使CT饱和时，产生更多的制动。曲线b与c的交点是CT饱和时增加稳定性的起始点，对应的短路电流及相应的制动电流，取决于CT的饱和电流倍数，当最大穿越性短路电流不可能使CT误差超过10％时，可取K2＝K1，两条线重合。

曲线d是差动保护二段定值IDiff>>，即差动速断电流，要躲过最大励磁涌流和外部短路瞬态的最大不平衡电流，保护不带谐波制动，只要达到定值就动作，不考虑任何制动因素。

饱和附加制动区是7UT613采取的一个区外故障时抗CT饱和的附加制动措施。它的左边界可整定为额定电流的倍数，上边界为曲线b的延长线。外部大故障电流引起CT饱和，尤其是各侧CT饱和程度不同时，容易造成保护误动。7UT613装置则提供饱和检测器，可检测这样的现象并开始附加制动测量。正常运行时，差动电流很小，制动电流也不大，差动特性点位于A点；假如系统发生区外故障，根据CT的特性，在系统发生故障电流突然增大刚开始时，CT尚能正确反映二次电流，由于是区外故障，差流很小，制动电流却很大，此时差动特性点应位于B点；而当这以后，由于系统发生短路过程时的瞬态过程中，波形发生了严重的畸变，CT就会发生饱和，若主变各侧CT的饱和特性不一样，会造成输入到保护装置的各侧电流严重的不平衡，从而造成较大的误差电流，使得差动特性点有可能从B点跑到C点，这样保护装置就有可能发生误动。保护装置如检测到差动特性点位于饱和附加制动区，就闭锁差动保护几个周波，从而阻止外部故障时瞬态过程中由于CT饱和而造成的差动保护误动。当然在外部故障瞬态过程结束时，差动保护就要开放，闭锁差动保护的时间，不能太长，也不能太短，既要保证瞬态过程的衰减至消失，也要保证区外故障时又发生区内故障的情况下可靠及时的动作，通常整定为几个周波时间。

在变压器空载投入或外部故障切除后的电压恢复过程中，由于其铁心饱和，在其电源侧绕组内将会产生很大的励磁涌流，此涌流产生的差动电流类似于故障电流，容易造成差动保护误动，它同时具有幅值大、衰减慢、有很大的二次谐波分量等特征，差动保护要能根据励磁涌流特征闭锁差动保护，7UT613采用二次谐波制动的方法，当二次谐波分量大于整定值时，闭锁差动保护。另外二次谐波制动分为相制动和相间制动，相间制动就是交叉闭锁功能，即只要其中一相电流的二次谐波值达到整定值时，就闭锁三相的差动保护，还可以设定交叉闭锁的时间，既不要太长，也不要太短，太长的情况下变压器空载合闸于故障上就不会立即动作，存在一定的延时，太短，有可能各相二次谐波及基波衰减不同的情况下，会造成误动，通常设定为3-5周波。如果保护应用于220kV以上电压等级的变压器,可以设定为5次谐波制动。

7UT613还具有在设备启动时增加差动保护启动值的特性，此特性适用于电动机。

3、7UT613应用设置

保护装置的设置除了保护软压板投退、保护定值的修改、默认画面的选择等少部分功能可以从面板上整定外，其它大部分功能整定必须通过DIGSI调试软件进行，运行程序后，建立与保护装置相同型号和版本的DIGSI文件，离线打开进行设置，DIGSI 4.6为典型窗口操作方式，设置十分简单。

根据具体保护要求进行功能配置，选择要使用的功能，只有配置了功能，具体的参数设置才会显示在相应菜单中，才能进行参数设置，不使用的功能选择不使用（Disabled ），相应参数设置就不会在菜单中显示，也不会起作用，定值组转换功能选择不使用， 定值组就只显示定值组A，如果选择使用，就会显示四组定值。

保护对象Protection Object选择三相变压器3 phase Transformer

差动保护87 Differential Protection选择使用 Enabled

零序保护50G/51G选择定时限Definite Time only

测量值监视Measured Values Supervision选择使用Enabled

其它不使用功能选择Disabled

根据主变原理接线和保护要求进行输入输出配置，是用矩阵式表格来实现的，里面有保护装置的所有信息，其中有各种测量值、保护动作及闭锁信息等，可以根据需要自定义信息，输入输出矩阵将所有信息列出供用户关联配置，可以设定一个二进制输入信号或保护动作信号关联到哪一个二进制输出、哪一个面板指示灯、用于逻辑编程或传输到系统接口，也可以设定一个测量值、自定义的限值、由逻辑获得的信息点，用于逻辑编程等，通过行与列的对应关系来实现关联，这样就建立了什么信号去控制什么目标，或是从什么源中获得的对应关系，输入输出配置相当于保护装置的联系中心。

电力系统数据1和定值组A整定清单见附表1、附表2。

4、结束语

通过对7UT613在主变差动保护中应用的分析，可以看出7UT613与常规保护相比优势明显，将应用进行总结，可以使我们尽快掌握新设备的功能，并使这些功能充分利用，更好地搞好运行维护工作。

附表1 电力系统数据1整定清单：

附表2 定值组A整定清单：