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 autotransformer

　　a.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.2　Current analysis of autotransformer
when single phase ground fault occurs outside
of 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.3　Current analysis of autotransformer
when single phase ground fault occurs outside
of 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.4　Simple zero-sequence current
differential protection of autotransformer

　　a.躲过外部接地短路的最大不平衡电流：

Idz=K_kKapK_iI_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_kKapK_iI_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_kI_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_a,_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。

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