三相變四相變壓器的差動保護原理
1 引言
四相輸電是一種*易于實現(xiàn)的多相輸電方式[1]。與三相輸電比較，四相輸電線路能夠顯著提高輸送功率密度，節(jié)省架線走廊，降低輸送單位容量的投資成本[2]。實現(xiàn)四相輸電的重大關(guān)鍵設(shè)備是三相變四相電力變壓器。文獻[3]提出了一種新型的三相變四相電力變壓器，這種變壓器不僅為四相輸電提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，還可用于電氣化鐵路AT供電系統(tǒng)作為牽引供電變壓器，填補了國內(nèi)外研究三相變四相牽引變壓器的空白[3]。由于電力變壓器在電力系統(tǒng)中的作用十分重要，尤其是大容量大型電力變壓器是非常貴重的電力設(shè)備，因此，研究三相變四相變壓器的新型繼電保護方案，就成為必須解決的重要技術(shù)問題。
大容量電力變壓器一般要配置差動保護，普通三相變壓器差動保護的基本原理原則上也可以推廣到三相變四相變壓器差動保護的設(shè)計之中。由于三相變四相變壓器是以不等相變換來實現(xiàn)的，不同接線原理的變壓器對應(yīng)于特定的電流變換矩陣，因此三相變兩相平衡變壓器差動保護接線方式的分析必須以具體的變壓器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)[4]。 根據(jù)文獻[3]提出的三相變四相變壓器的原理，本文構(gòu)成了兩種適合于該變壓器的差動保護接線方式。文中采用了四相系統(tǒng)對稱分量法的分析方法，使得分析過程概念清晰，且具有一般性，可以很好地推廣到可能出現(xiàn)的各類三相變四相變壓器的差動保護方式的研究之中，同時也對平衡變壓器的差動保護分析具有現(xiàn)實的指導(dǎo)作用。
2 三相變四相變壓器電流變換關(guān)系的分析
三相變四相電力變壓器的接線原理如圖1所示[3]。
變壓器原副邊電流的變換關(guān)系為[3]
式中 Ia、Ib、Ic、Id為四相側(cè)的各相電流；IA、IB、IC為三相側(cè)的各相電流；k為三相側(cè)的相電壓UA與四相側(cè)的相電壓Ua之比，即k = UA /Ua。
根據(jù)文獻[3]的研究，在變壓器三相側(cè)與四相側(cè)電流的對稱分量中，只有2側(cè)的正序分量與負序分量分別具有一一對應(yīng)的關(guān)系，即變壓器四相側(cè)的零序電流與半零序電流[5]不能變換到三相側(cè)。同樣地，三相側(cè)的零序電流也不能變換到四相側(cè)。
為便于討論一般情況，假定變壓器兩側(cè)的中性點均接地。為了要確保差動保護在變壓器外部接地短路故障時不會誤動作，必須考慮使變壓器兩側(cè)引出線的電流互感器二次側(cè)繞組的連接方式具有濾去零序電流與半零序電流的能力。故可以考慮變壓器三相側(cè)的測量電流與四相側(cè)的測量電流分別為
顯然，將三相側(cè)的零序電流代入**個電流矩陣使各測量電流分量為零，即
所以，將四相側(cè)的零序電流或半零序電流分別代入上面的**個電流矩陣，也能得到2個測量電流分量為零。
根據(jù)方程組的基本性質(zhì)，式(2)可以改寫成如下形式
對式(3)的變換矩陣求廣義逆，可以得到
將式(4)左邊展開，則與式(1)展開后的**方程與第三方程合并及**方程與第四方程合并后的形式相同，表明式(4)的電流變換關(guān)系是正確的。注意式(4)不能直接由式(1)簡單變換來確定。
通過分析變壓器的電流變換關(guān)系式(3)與式(4)，可以設(shè)想如果將四相側(cè)的電流通過中間變流器變換到三相側(cè)，即可與三相側(cè)的電流構(gòu)成差動保護接線方案。也可以將三相側(cè)的電流通過中間變流器變換到四相側(cè)構(gòu)成差動保護接線方案。
3 差動保護的接線原理
3.1 兩繼電器方案
如前所述，根據(jù)式(4)，將三相側(cè)的電流變換到四相側(cè)，即可以構(gòu)成差動保護的兩繼電器方案。式(4)的變換矩陣中有5個非零元素，原則上也需要5個中間變流器進行電流變換，但是矩陣的**行中有兩個元素相等，故可以節(jié)省一個中間變流器。兩繼電器差動保護接線方案如圖2所示。
三相側(cè)與四相側(cè)電流互感器分別為1AT和2AT，對應(yīng)的變比分別為n1AT和n2AT。三相側(cè)電流互感器的二次側(cè)有4個中間變流器分別為1LB、2LB、3LB和4LB，對應(yīng)的變比分別為n1LB、n2LB、
需要指出的是，在正常運行時，本方案四相側(cè)的4個電流互感器二次側(cè)繞組的對角相反相并聯(lián)之后，輸出電流之和并不為零，即IΣ= Ia - Ic+ Ib
表明四相側(cè)電流互感器二次側(cè)繞組的公共接地點有電流流過。而三相側(cè)的中間變流器本質(zhì)上則是將三相對稱電流變換為相位互差90o的兩相電流，以便與四相側(cè)的電流互感器二次側(cè)電流比較，所以三相側(cè)中間變流器的接地點也有電流流過。因此，四相側(cè)電流互感器二次側(cè)繞組的接地點與三相側(cè)的中間變流器接地點之間必須構(gòu)成可靠的通路。
3.2 三繼電器方案
根據(jù)式(3)，如果將四相側(cè)的電流變換到三相側(cè)，即可以構(gòu)成差動保護的三繼電器方案。式(3)的變換矩陣中有5個非零元素，但是其**列中有兩個元素互為負數(shù)，故可以節(jié)省一個中間變流器。同時，**列中有兩個元素之和為另一個元素的負數(shù)，還可以節(jié)省一個中間變流器。三繼電器差動保護接線方案如圖3所示。
<BR> 三相側(cè)與四相側(cè)電流互感器分別為1AT和2AT，對應(yīng)的變比分別為n1AT和n2AT。四相側(cè)電流互感器的二次側(cè)有3個中間變流器分別為1LB、2LB和3LB，對應(yīng)的變比分別為n1LB、n2LB和n3LB。電流互感器變比的選擇原則為：n2AT/n1AT = k。中間變流器變比的選擇原則為：n1LB=n2LB=
3.3 電流互感器連接方式的討論
下面進一步討論變壓器中性點運行方式變化對電流互感器連接方式的影響。當三相變四相變壓器在四相側(cè)發(fā)生外部短路接地或短路不接地故障時，由于半零序電流的通路與中性點是否接地無關(guān)[5]，所以變壓器四相側(cè)中性點即使在不接地運行方式下，甚至四相側(cè)繞組四邊形連接時，輸入變壓器的半零序電流仍有通路。為了濾去半零序電流，避免差動保護在變壓器外部接地短路故障時誤動，則四相側(cè)電流互感器的連接方式是**的，即如本文所述，電流互感器二次側(cè)繞組對角相必須反相并聯(lián)。
如果變壓器三相側(cè)的中性點不接地時，三相側(cè)外部接地短路故障無零序電流通路。或者如果采用上述的兩繼電器方案，由于三相側(cè)電流通過中間變流器變換后也可以濾去三相零序電流。在這兩種情況下，三相側(cè)電流互感器的二次側(cè)繞組也可以采用星形連接，只是電流變換矩陣的元素則與本文討論的情況不同，在此不再贅述。
4 結(jié)論
（1）提出了三相變四相電力變壓器的兩種差動保護接線方案，這兩種方案均適用于該變壓器兩側(cè)的中性點接地或不接地運行方式。
（2）所述差動保護方案也可用微機保護裝置實現(xiàn)，此時中間變流器的作用則由計算機軟件實現(xiàn)。差動保護接線方案中的差動繼電器的整定計算和靈敏度校驗方案與普通電力變壓器差動保護相同。
（3）文中采用了對稱分量法及電流變換矩陣的分析方法討論所述的差動保護原理，為不等相變換的平衡變壓器差動保護研究提供了一般性的分析方法。根據(jù)這種分析原理，還可以很方便地構(gòu)成任意接線的其它三相變兩相平衡變壓器或三相變四相電力變壓器的差動保護接線方案。