變壓器差動保護誤動原因分析及改進措施

張明清

（江蘇省電力公司海安供電公司，江蘇海安226600）

電力變壓器是電力系統中的重要電氣設備，它在發電、輸電及配電等各個環節中被廣泛使用，因而其運行的安全性直接影響到整個電力系統的穩定。大容量電力變壓器十分貴重；因此，必須根據變壓器的容量和重要程度（考慮可能發生的各種類型的故障和不正常工作的情況），裝設性能良好、工作可靠的繼電保護裝置。

現場運行的變壓器大都采用縱聯差動保護作為主保護，然而在運行中經常出現差動保護誤動的情況，如不平衡電流、勵磁涌流及差動電流互感器飽和等。本文分析了引起差動保護誤動的原因，并提出了防止誤動的措施。

1 差動保護基本工作原理

差動保護原理于1904年由C.H.Meiz和B.Price在英國提出，盡管其實現方式（特別是制動量的構成）存在一些差別，但基本原理沿用至今。雙繞組變壓器實現差動保護的單相原理接線如圖1所示。

圖1 雙繞組變壓器差動保護的單相原理接線圖

差動保護的工作原理是[1－3]：

（1）正常運行或者外部故障時，流入繼電器中的電流為

式中，I2′，I2′′為經過差動電流互感器變換之后的二次側電流；Ibp為不平衡電流。

（2）內部故障時，流入繼電器中的電流為

為保證動作的選擇性，差動繼電器的動作電流Idzj應按躲開外部短路時出現的最大平衡電流來整定，即

式中，Idzj為差動繼電器的動作電流；Kk為可靠系數，其值大于1；Ibpmax為外部短路時出現的最大平衡電流。

因此，只要選擇好定值，就可以保證差動保護不誤動。變壓器差動保護的范圍是構成變壓器差動保護的電流互感器之間的電氣設備以及連接這些設備的導線。差動保護不需要與保護區外相鄰元件保護在動作值和動作時限上相互配合[4]。

2 差動保護誤動分析及改進

2.1 不平衡電流

從式（3）還可看出：不平衡電流Ibp越大，繼電器動作電流就越大。若Ibp太大，就將降低內部短路時保護的靈敏度，因此減小不平衡電流及其對保護的影響是變壓器差動保護的主要問題。

2.1.1 不平衡電流產生的主要原因

在實際運行中，電流互感器總存在勵磁電流，且各個互感器的勵磁特性不一定完全相同，由此導致Ibp不可能等于零，這個電流即為不平衡電流。其產生原因主要有以下幾種[5－8]：

（1）計算變比與實際變比不一致而產生不平衡電流，即由電流互感器變比規格化產生的不平衡電流。

（2）由變壓器帶負荷調節分接頭產生的不平衡電流。

（3）兩側差動電流互感器型號、變比及二次負載不同，電流互感器傳變誤差引起的不平衡電流。

（4）變壓器勵磁電流產生的不平衡電流，其中，由勵磁電流造成的影響是最大的。

（5）大電流系統側接地故障時變壓器的零序電流。當變壓器高壓側（大電流系統側）發生接地故障時，流入變壓器的零序電流因低壓側為小電流系統而流不出變壓器；因此，對變壓器縱差保護而言，零序電流為一很大的不平衡電流。

2.1.2 減小不平衡電流的方法

（1）采用自耦變流器進行補償，一般是在電流互感器一側（對三繞組變壓器應在兩側）裝設自耦變流器。

（2）利用中間變流器的平衡繞組進行補償。

為減小暫態不平衡電流，根據電流互感器暫態不平衡電流中可能含有大量的非周期性分量使電流完全偏離時間軸一側的特點，常在差動回路中接入具有速飽和特性的中間變流器（BHL），其作用是使暫態不平衡電流不反映到繼電器回路中去，以避免誤動作。

（3）對變壓器差動保護進行相位補償方式及接地故障時的零序電流的過濾。

變壓器會對其兩側電流產生相位偏移，變壓器必須對其兩側電流進行相位校正，以滿足在正常運行及區外故障時差流為零而使變壓器差動保護不致誤動。另外，接地故障時零序電流也是另一種不平衡電流。

以我國用得最廣泛的Y0，d11連接變壓器為例進行簡單分析。對于原先采用差動電流互感器接成Dy的電磁型差動保護及用軟件在高壓側移相的變壓器縱差保護，由于從高壓側通入各相差動元件的電流分別為兩相電流之差，已將零序電流濾去。對于用軟件在低壓側進行移相的變壓器縱差保護，在高壓側流入各相差動元件的電流應將零序電流濾去。見下式引入電流互感器接線系數：

星形側

三角形側

式中，IA，IB，IC為變星形側進入保護裝置的電流；Ia，Ib，Ic為經過相位補償后進入差動回路的電流。

圖2 Y側電流向△側電流逆時針轉30°

南京南瑞繼電保護有限公司的RCS－978系列采用的是△—Y電流相位補償方式[9]，其相量圖如圖3所示，其算法如下。

圖3 △側電流向Y側電流順時針轉30°相位圖

星形側

三角形側

式中，I0＝（IA＋IB＋IC）／3為零序電流。

國電南京自動化股份有限公司的PST－1200系列采用的是Y—△電流相位補償方式，RCS－978系列采用的是△—Y電流相位補償方式，分別采用了上述原理[10]。

2.2 勵磁涌流引起差動保護誤動及改進

變壓器的勵磁電流只流入變壓器接通電源一側的繞組。對差動回路而言，勵磁電流的存在就相當于變壓器內部故障時的短路電流；因此，它必然給差動保護的正確工作帶來影響。

正常運行情況下，變壓器勵磁電流很小，一般不超過變壓器額定電流的3%～6%，變壓器工作在磁通的線性段OS，如圖4所示，鐵芯未飽和，其相對導磁率μ很大，變壓器繞組的勵磁電感也很大。當發生外部短路時，由于電壓下降，勵磁電流更小，對勵磁電流的影響一般可以不考慮。

圖4 ψ＝f（I）和μ＝f－（I）的關系曲線

當變壓器空投或故障切除后電壓恢復時，由于變壓器鐵芯中的磁通急劇增強，使鐵芯瞬間飽和，相對導磁率μ接近1，變壓器繞組電感降低，伴隨出現數值很大的勵磁涌流，此時，勵磁涌流中包含有很大成分的非周期分量和高次諧波分量，并以二次諧波為主（二次諧波分量約為基波分量的17%），其數值可以達到額定電流的6～8倍，甚至更高，出現尖頂形狀的勵磁涌流[4，10]。如圖5所示。

在起始瞬間勵磁涌流衰減很快，對于一般中小型變壓器，經0.5～1 s后，其值不超過額定電流的0.25～0.5倍；大型變壓器勵磁涌流的衰減速度較慢，衰減到上述值要2～3 s，即變壓器的容量越大衰減越慢，同時勵磁涌流波形出現間斷，產生間斷角（現代大型單相變壓器勵磁涌流的最小間斷角一般小于120°）。此電流流入差動繼電器，就有可能引起保護裝置誤動作[2－3]。

圖5 勵磁涌流波形圖

在實際運行中，基于涌流中二次諧波含量大且有間斷角的特征，主要采用二次諧波制動、判別波形間斷角及波形對稱的變壓器差動保護。下面對這3種措施進行闡述。

（1）二次諧波制動的變壓器差動保護。由于在變壓器勵磁涌流中含有大量的二次諧波分量，一般占基波分量的17%以上；因此，利用差電流中二次諧波所占的比率作為制動系數，可以鑒別變壓器空載合閘時的勵磁涌流，從而防止變壓器空載合閘時保護的誤動。

目前，南京南瑞繼電保護有限公司的RCS－978系列、國電南京自動化股份有限公司的PST－1200系列等保護都采用了該原理。

（2）判別波形間斷角原理的差動保護。由前面對涌流的分析可以知道，涌流波形有較大的間斷角θ，而內部短路時，流入差動回路的短路電流基本上是正弦波；因此，根據以上2種波形的差別，可以采用判別間斷角大小的方法躲開勵磁涌流。經過試驗研究，單相變壓器涌流間斷角大約小于120°，三相變壓器涌流間斷角可能有一相小于60°，所以，利用勵磁涌流一次波形的間斷角特征來閉鎖差動保護。

（3）波形對稱判別元件。保護裝置濾去電流中的直流分量，比較每個周期內差電流的前半波與后半波的測量值。判據方程為

式中，Ij為差流波形上前半周某一點的值；Ij＋180°為差流波形上與Ij點相差180°點的值；κ為不對稱系數，通常等于1／2。

變壓器內部故障時，Ij值與Ij＋180°值大小基本相等、相位基本相反，此時，κ≈0。差動保護動作。

勵磁涌流的波形具有很大的間斷角，Ij值與Ij＋180°值相差很大、相位也不會相反，此時，κ＞1／2。差動保護被閉鎖。

國電南京自動化股份有限公司的PST－1200系列就采用了此原理，并申請了專利。

2.3 由差動電流互感器原因所引起差動保護誤動及改進

2.3.1 差動電流互感器飽和引起差動保護誤動及改進

現場運行中的很多差動保護是比率制動式的，從差動電流互感器的暫態傳變特性知[10]，在外部故障、空載合閘或故障切除電壓恢復的暫態過程中，伴隨工頻交流的非周期分量和諧波分量電流將使變壓器差動保護兩側不同型的差動電流互感器因嚴重的非線性飽和特性而不一致，縱然一次電流各側之和∑I＝0，但二次電流各側之和∑Ij≠0，造成差動電流增大，與此同時反映∑｜Ij｜的制動電流卻因嚴重飽和而減小，即差動電流互感器飽和導致差動保護誤動的原因。

為保證選擇性并從提高差動保護的整體性能出發，可采取以下措施來防止差動電流互感器飽和：

（1）選擇適當的差動電流互感器和減小二次負載阻抗；

（2）選擇合理的差動保護制動特性，如比率制動判據可按制動電流的大小分別采用不同的制動系數，即多段折線型比率制動特性；

（3）注意差動電流互感器飽和的鑒別。可利用差動電流出現時刻和故障發生時刻的不同來區分是區內故障還是區外故障，從而有效地防止外部短路時由于飽和而引起的暫態不平衡電流造成的差動保護誤動。

2.3.2 差動電流互感器二次回路斷線引起差動保護誤動及改進

電流互感器二次回路斷線最明顯的特征就是電流下降，在常用的微機保護中，只要有合理的判斷，就不難解決電流互感器二次回路斷線時變壓器差動保護的誤動問題。一般對差動保護動作電流的整定可從以下幾個方面來進行：

（1）應躲過當變壓器空投及外部故障后電壓恢復時的變壓器勵磁涌流的影響，一般取（1.3～1.5）Ie額定電流；

（2）應躲過變壓器外部故障時在變壓器保護中所引起的最大不平衡電流，一般取1.3Ibp不平衡電流；

（3）應躲過變壓器差動保護二次回路在差動回路中引起的差動電流的影響，一般取1.3Ie額定電流。

3 結 語

筆者結合對本工作單位已運行的主變保護裝置的功能特點做的一些總結，提出了變壓器差動保護誤動的原因及一些改進措施。只有結合實際深入了解，掌握變壓器縱差保護產生誤動的原因及防止誤動的保護原理，才能根本杜絕變壓器差動保護誤動作，從而保證電力系統安全穩定運行。

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