變壓器差動保護不平衡電流相關問題研究

摘要：變壓器差動保護裝置是電力系統(tǒng)中一個極其重要的組成部分。但是由于不平衡電流的存在，嚴重影響了差動保護裝置的可靠運行，本文主要分析了差動保護裝置不平衡電流產(chǎn)生的原因及消除方法。

關鍵詞：變壓器 差動保護 不平衡電流 相位補償 平衡系數(shù) 勵磁涌流

1 變壓器差動保護原理分析

變壓器的差動保護是利用比較變壓器各側電流的差值構成的一種保護，以兩卷變壓器為例其單線原理圖如圖1所示。

變壓器裝設有電流互感器CT1和CT2，其二次繞組按環(huán)流原則串聯(lián)，差動繼電器KD 并接在差回路中。具體參數(shù)如下：

I1’為流過變壓器高壓側的一次電流。

I1”為流過變壓器低壓側的一次電流。

I2’為流過變壓器高壓側所裝設電流互感器即CT1的二次電流。

I2”為流過變壓器低壓側所裝設電流互感器即CT1的二次電流。

變壓器在正常運行或外部故障時，電流由電源側Ⅰ流向負荷側Ⅱ，在圖1所示的接線中，CT1和CT2的二次電流I2’、I2”會以反方向流過繼電器KD的線圈，KD中的電流等于二次電流I2’、I2”之差，故該回路稱為差回路，整個保護裝置稱為差動保護。若電流互感器CT1和CT2變比選得理想且在忽略勵磁電流的情況下，則I2’=I2”，繼電器KD中電流I=0，亦即在正常運行或外部短路時，兩側的二次電流大小相等、方向相反，在繼電器中電流等于零，因此差動保護不動作。

如果故障發(fā)生在CT1和CT2之間的任一部分(如變壓器內部故障)，且母線Ⅰ和Ⅱ均接有電源，則流過CT1和CT2一二次側電流方向如圖1(b)所示，于是I2’、I2”按同一方向流過繼電器KD線圈，即I’=I2’+I2”，使KD動作，瞬時跳開變壓器兩側開關。如果只有母線Ⅰ有電源，當保護范圍內部有故障時，I2”=0，此時繼電器KD仍能可靠動作。

2 不平衡電流產(chǎn)生原因

2.1 穩(wěn)態(tài)不平衡電流產(chǎn)生的原因：①變壓器高低壓側繞組接線方式不同；②變壓器各側電流互感器的型號和變比不相同；③帶負荷調分接頭引起變壓器變比的改變。

2.2 暫態(tài)不平衡電流主要是由于變壓器空載投入電源或外部故障切除，電壓恢復時產(chǎn)生的勵磁涌流。

3 不平衡電流的消除方法

3.1 高低壓側接線方式不同產(chǎn)生的不平衡電流

對于變壓器高低壓側繞組接線方式不同而產(chǎn)生的勵磁涌流我們采用移相法進行相位補償，從而消除不平衡電流，具體做法以南瑞繼RCS978裝置保與南自PST1200裝置為例描述如下。如圖2所示為Y，d11兩卷變壓器兩側繞組及電流互感器接線方式及其中通過的一次、二次電流流向（各電流均為向量值）。

變壓器各側電流互感器采用星形接線，二次電流直接接入本裝置。電流互感器各側的極性都以母線側為極性端。RCS978變壓器保護采用Δ→Y相位變換，變換后相量圖如圖3所示。

變壓器各側TA 二次電流相位由軟件調整，裝置采用Δ→Y變化調整差流平衡，這樣可明確區(qū)分涌流和故障的特征，大大加快保護的動作速度。對于Yd/Δ-11的接線，其校正方法如下：由于RCS978變壓器保護采用標幺值計算，變換過程不受變壓器變比的影響。

Y0側：I’a=Ia-I0

I’b=Ib-I0

I’c=Ic-I0

Δ側：I’a=■（Ia-Ic）

I’b=■（Ib-Ia）

I’c=■（Ic-Ib）

其中：Ia、Ib、Ic為Δ側TA的二次電流，I’a、I’b、I’c為Δ側TA校正后的二次電流。

IaY、IbY、IcY 為Y側TA的二次電流。

對于PST1200保護裝置則采用Y→Δ變化調整差流平衡。對于Yd/Δ-11的接線，其校正方法如下：

Y0側：I’a=（Ia-Ic）/■

I’b=（Ib-Ic）/■

I’c=（Ic-Ia）/■

Δ側：Ia△=I’a

Ib△=I’b

IC△=I’C

其中：Ia、Ib、Ic為Y側TA的二次電流，I’a、I’b、I’c為Y側TA校正后的二次電流，Ia△、Ib△、Ic△為Δ形側的二次電流。

3.2 電流互感器的型號和變比不相同產(chǎn)生的不平衡電流

在正常運行和外部故障時變壓器兩側差動CT的二次電流幅值不完全相同，即使經(jīng)過相位校正，從兩側流入各相差動原件的電流幅值也不相同，在正常運行與外部故障時無法滿足∑I=0關系。

在微機型變壓器保護裝置中采用軟件進行幅值調整。引入了一個將兩個大小不等的電流折算成作用完全相同的電流的折算系數(shù)，將該系數(shù)稱作平衡系數(shù)。將一側電流作為基準，將另一側電流乘以該側的平衡系數(shù)，使正常運行或外部故障時經(jīng)過相位校正額幅值校正后的兩側電流幅值相等，滿足∑I=0。

根據(jù)變壓器的容量、接線組別、各側電壓及各側差動TA的變比，可以計算出差動兩側之間的平衡系數(shù)。

設變壓器的容量為Se，接線組別為YN，d11，兩側的電壓（指線電壓）分別為UY及U△，兩側差動CT的變比分別為ny及n△，以變壓器的d側為基準側，計算變壓器Y側的平衡系數(shù)K。

①差動CT的接線為△/Y(變壓器Y側的差動CT為進行移相)。

變壓器繞組Y接線和d接線兩側流入差動元件的二次電流IY及I△分別為：

IY＝■Se /■UYny＝Se /UYny

I△＝Se /■U△n△

如果以變壓器d側的電流I△為基準，要使KIY＝I△，則變壓器Y側的平衡系數(shù)K：

K＝I△/IY＝UYny/■U△n△

②差動CT接線為Y/Y，由軟件在變壓器高壓側（Y側）移相。

變壓器兩側流入差動元件的二次電流分別為：

IY＝Se /■UYny I△＝Se /■U△n△

每相差動元件兩側的計算電流分別為：

高壓側：經(jīng)軟件移相，得到的是兩側電流之差I′Y=Se/UYny

低壓側：I′△＝Se /■U△n△

如果變壓器d側的電流I′△為基準，要使KI′Y=I′△，則變壓器的平衡系數(shù)K為：

K＝I′Y/I′△＝UYny /■U△n△

由上所述，對于YN，d接線的變壓器，用改變變壓器Y側TA的接線方式移相或用軟件在高壓側移相差動元件兩側之間的平衡系數(shù)完全相同。該平衡系數(shù)只與變壓器兩側的電壓（或變比）及差動CT的變比有關，而與變壓器的容量無關。

③差動CT接線為Y/Y、由軟件在變壓器低壓側d側移相。計算變壓器d側的移相系數(shù)。

變壓器兩側流入差動元件的二次電流分別為：

IY＝■Se /■UYny＝Se /UYny

I△＝Se /■U△n△

每相差動元件兩側的計算電流分別為：

高壓側：IY’=IY=Se /■UYny

低壓側：經(jīng)軟件移相，得到I△’=Se /■U△n△

如果以變壓器Y側的電流IY’為基準，要使KI△’= IY’，則變壓器d側的平衡系數(shù)K為：

K=IY’/I△’=U△n△/UYny

3.3 由變壓器帶負荷調整分接頭而產(chǎn)生的不平衡電流

帶負荷調整變壓器的分接頭，是電力系統(tǒng)中采用帶負荷調壓的變壓器來調整電壓的方法，實際上改變分接頭就是改變變壓器的變比nB。如果差動保護已按照某一變比調整好，則當分接頭改換時，就會產(chǎn)生一個新的不平衡電流流入差動回路。對由此而產(chǎn)生的不平衡電流，應在總差動保護的整定值中予以考慮。

3.4 勵磁涌流

3.4.1 什么是勵磁涌流

變壓器是根據(jù)電磁感應原理制成的一種靜止電器，用于高低電壓間的變換，是交流電輸配系統(tǒng)中的重要電氣設備。變壓器勵磁涌流是：變壓器全電壓充電時在其繞組中產(chǎn)生的暫態(tài)電流。變壓器投入前鐵芯中的剩余磁通與變壓器投入時工作電壓產(chǎn)生的磁通方向相同時，其總磁通量遠遠超過鐵芯的飽和磁通量，因此產(chǎn)生極大的涌流，其中最大峰值可達到變壓器額定電流的6-8倍，甚至更大。勵磁涌流隨變壓器投入時系統(tǒng)電壓的相角，變壓器鐵芯的剩余磁通和電源系統(tǒng)地阻抗等因素而變化，最大涌流出現(xiàn)在變壓器投入時電壓經(jīng)過零點瞬間。變壓器涌流中含有直流分量和高次諧波分量，隨時間衰減，其衰減時間取決于回路電阻和電抗，一般大容量變壓器約為5-10秒，小容量變壓器約為0.2秒左右。

3.4.2 勵磁涌流的計算

我們主要分析三相變壓器的勵磁涌流，但必須在熟悉單相變壓器涌流波形的基礎上進行，因此我們還是簡單討論一下單相變壓器涌流的分析。為考慮空載合閘的最嚴重條件，同時有利于簡化分析工作，假設電源內阻抗為零，而且不計合閘回路電阻(涌流波形不衰減)。設合閘方電源電壓為u=Umsin(ωt+α)當二次側開路的空載變壓器突然合到電壓為u的無窮大系統(tǒng)上，忽略變壓器漏抗壓降，并令變壓器一次繞組匝數(shù)N=1。

當二次側開路而一次側接入網(wǎng)絡時，一次電路的方程為：

U1=Umcos(ωt+α)=I1R1+N1dφ/dt

U1：一次電壓

Um：一次電壓的峰值

α：合閘瞬間的電壓初相角

R1：變壓器一次繞組的電阻

N1：變壓器一次繞組的匝數(shù)

φ：變壓器一次側磁通

由于I1R1相對比較小，在分析瞬態(tài)過程初始階段可以忽略不計

所以Umcos(wt+α)=N1dφ/dt dφ=(Um/N1)cos(wt+α)dt

積分，得φ=(Um/N1)sin(wt+α)+c φ=φmsin(wt+α)+cφm為主磁通峰值，c為積分常數(shù)。

設鐵芯無剩磁當t=0時，φ=0所以c=-φmsinα

所以空載合閘磁通為：φ=φmsin(wt+α)-φmsinα

由式可得空載合閘磁通的大小與電壓的初相角α有關，考慮最不利的情況：當α=90時，電壓過零，φ=φmsin(wt+900)-φm=φmcoswt-φm，此時產(chǎn)生的勵磁涌流最大。

3.4.3 勵磁涌流特點

①涌流含有數(shù)值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，主要是偶次諧波，因此，勵磁涌流的變化曲線為尖頂波。

②勵磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，經(jīng)0.5～1s后其值不超過(0.25～0.5)In。

③一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時間越長，但總的趨勢是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。

④勵磁涌流的數(shù)值很大，最大可達額定電流的8～10倍。

3.4.4 躲避勵磁涌流的方法

為防止變壓器差動保護誤動，下面以RCS978為例說明勵磁涌流的鑒別方法。

①利用二次與三次諧波制動。RCS-978 系列變壓器成套保護裝置采用三相差動電流中二次諧波、三次諧波的含量來識別勵磁涌流。

當某相差動電流中的二次諧波和三次諧波大于整定確定的基波的一定比例時，該相被判別為勵磁涌流，只閉鎖該相比率差動元件。

當三相中的某一相倍判別為勵磁涌流，只閉鎖該相的比率差動元件。

②利用波形畸變識別勵磁涌流。故障時，差流基本上是工頻正弦波。而勵磁涌流時，有大量的諧波分量存在，波形發(fā)生畸變、間斷、不對稱。利用積分算法識別出這種畸變，即可識別出勵磁涌流。下式中S為差動電流的全周積分值，S+是“差動電流瞬時值+差動電流半周前的瞬時值”的全周積分值，Kb是一常數(shù)，St是門檻值，St的表達式為：

St=a*Id+0.1Ie

當三相中的某一相不滿足以上方程，該相被判別為勵磁涌流，只閉鎖該相比率差動元件。

S=Kb*S+

S=St

裝置設有‘涌流閉鎖方式控制字’供用戶選擇差動保護涌流閉鎖原理。當‘涌流閉鎖方式控制字’為‘0’時，裝置利用諧波原理識別涌流；當‘涌流閉鎖方式控制字’為‘1’時，裝置利用波形判別原理識別涌流。

4 結語

綜上所述，為了保證差動保護動作的選擇性，差動繼電器的動作電流應盡量避開最大不平衡電流。不平衡電流越小，保護裝置的靈敏度越高，從而保證變壓器的安全穩(wěn)定運行。變壓器的差動保護應建立在安全可靠的基礎之上。