變壓器差動保護誤動作原因分析

劉杰,殷寶田,朱新恒,李海公,葛華,孫斌

（山東省山鋼集團萊蕪分公司型鋼廠，山東濟南，271126）

1 概 述

我廠35kv及6kv的高配室中，采用的保護是以分立式繼電器構成的。其最大的特點是二次回路構成簡單、直觀明了、經濟、可靠。一旦電力系統發生故障，電壓突降、電流突增就會相繼出現，同時還可能會發生電流與電壓間相位差角變化，基于這些基本特點，產生了各種不同原理的繼電保護裝置。作為變壓器主保護的縱聯差動(簡稱差動)保護，正確動作率始終在50%-60%徘徊，這對變壓器的安全和系統的穩定運行很不利。造成“原因不明”的變壓器不正確動作是多方面的，設計研究、制造、安裝調試和運行維護部門都有或多或少的責任，雖然實際工作中各個相關的制造廠家都在不斷的改進技術提高動作的可靠性，但是變壓器差動誤動事例仍然為數不少。本文的目的在于總結自己的經驗并與同行交流討論，共同為提高變壓器差動保護裝置運行水平而努力。

2 差動保護誤動的原因分析

2.1 勵磁涌流引起變壓器差動保護誤動

在正常運行情況下，變壓器勵磁涌流的值很小，一般情況下不能超過變壓器的額定電流的3%-5%，如圖1為變壓器工作在磁通的線性段OS。鐵芯未飽和，其相對應的導磁率μ就很大，使得變壓器繞組的勵磁電感也很大。一旦外部短路發生，電壓就會下降，使得勵磁電流更小，所以在這些情況下對勵磁電流的影響一般可以不考慮。

圖1 Φ= f(I)和u=f(I)的關系曲線

當通過切除故障或空投變壓器使電壓恢復時，變壓器鐵心中的磁通快速增大會使鐵心瞬間飽和，并且變壓器繞組電感降低，相對導磁率接近1，同時會出現數值很大的勵磁涌流，其中包含很多的高次諧波分量和非周期分量，并且會以二次諧波為主，導致出現尖頂形狀的勵磁涌流，其數值可以高達額定電流的6～8倍。如圖2，起始的瞬間，勵磁涌流衰減非常快，一般的中小型變壓器，經過0.5～1s，其數值不會超過額定電流的0.25～0.5倍，相反的大型變壓器勵磁涌流的衰減速度相對較慢，衰減到額定電流的0.25～0.5倍需要2～3s。既變壓器的容量越大其衰減越慢，同時勵磁涌流波形會出現間斷，產生間斷角，這樣的電流如果流入差動繼電器，可能會引起保護裝置的誤動。

和變壓器的激磁涌流一樣，浪涌電流也只流過變壓器一側，在切除外部短路的電壓恢復或變壓器空投合閘的過程中，全部的激磁涌流都將流入到差動回路中，肯定會引起變壓器差動保護的誤動作。而且如果一臺變壓器產生激磁涌流，其它與其并聯運行的變壓器中就會產生浪涌電流，這些浪涌電流也會全部流入到差動回路中，從而造成變壓器差動保護的誤動作。

圖2 勵磁涌流波形圖

圖3 勵磁涌流波形圖的間斷角

可以通過以下措施來判別勵磁涌流：

①采用具有速飽和鐵芯的差動繼電器

②鑒別短路電流和勵磁涌流的波形

③利用二次諧波制動，制動比一般為15%～20%

④采用基于波形對稱原理的差動繼電器。

其中①主要適用于常規的電磁繼電器式差動保護；②和④主要用于微機變壓器保護，通過鑒別波形特征能夠實現，這是最根本的解決勵磁涌流問題的辦法，但是其對硬件的要求比較高。另外，在選擇主變式差動保護所用的電流互感器時，不但要選帶有氣隙的D級鐵芯互感器，而且要適當地增大電流互感器的變比，從而降低短路電流的倍數，達到減少差動回路中產生的不平衡電流，有效削弱勵磁涌流，提高差動保護的靈敏度的目的。這對避免保護區外故障，特別對是最嚴重的三相金屬性短路引起的主變式差動保護誤動作很有效。

2.2 CT二次回路斷線引起變壓器差動保護誤動

傳統的電磁式變壓器差動繼電器的CT回路接線，必須通過對CT接線形式的選擇進行外部的“相位補償”，消除變壓器接線組別不同造成的高、低壓側電流相位差和差動保護回路不平衡電流。微機變壓器差動保護根據Y，d變換產生的相位移進行內部“相位補償”計算，這種軟件的補償是利用對稱分量法進行“矩陣變換”計算得到的。

變壓器差動保護的動作電流的整定，一般要考慮以下幾個方面的因素及影響：

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，整定公式Idz=Kk Ie，Kk可靠系數取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，整定公式Idz=Kk Ibp，Kk可靠系數取1.3，Ibp為不平衡電流；

3)應躲變壓器差動保護二次回路線時在差動回路中引起的差動電流的影響，整定公式Idz= Kk Ie。Kk可靠系數取1.3，Ie額定電流。

以上三種最大值作為變壓器的差動動作電流。電磁型變壓器差動保護的動作電流整定考慮了第三條，差動回路CT二次回路斷線不會誤動，晶體管變壓器差動保護和微機變壓器差動保護的動作電流一般按變壓器額定電流的25%-50%考慮，其保護功能用邏輯來實現，比電磁型變壓器差動保護快速、靈敏，且動作電流整定得較小。因此在差動回路的CT二次回斷線時，如不采取措施，變壓器差動保護會誤動作。

電流下降是CT斷線最明顯的特征。在微機保護中，只要有合理的判斷，就可以解決電流互感器二次回路斷線時變壓器發生差動保護誤動的問題。若某側電流同時滿足下列條件則認為是CT斷線：只有一相或兩相電流為零，其它兩相或一相電流與起動電流相等，故障相電流的下降超過所給的定值。判別出CT斷線后，可以在正常負載時閉鎖差動，從而防止變壓器差動保護誤動作。

2.3 區外故障引起的差動保護誤動

區外故障產生差流的原因：

①變壓器正常運行時各側的額定電流不一致；

②當變壓器一側帶有分節頭調節時，電壓發生變化產生不平衡電流；

③電流互感器(TA)本身存在誤差；

④TA不同型號引起的誤差；

⑤不同類型的負載致使各側電流相位發生偏差；

⑥諧波和非周期分量對不同型號TA的影響；

基于上述原因，要排除這些不平衡分量在整定變壓器的差動定值時產生的影響，一般其動作電流為額定電流0.3～0.5倍。一旦變壓器發生嚴重的區外故障，兩側就會產生更大的差流，同時在以下情況可能會超過差動門檻值：

①如果存在容性或感性負載等特殊性負載，會使各側短路電流發生相位偏移，從而產生更大的差流；

②切除故障瞬間，因為剩磁的存在，在電壓恢復時會產生大小不等的恢復性涌流；

③短路電流中含有較大的諧波分量和非周期分量；

④當短路電流比較大，而且各側的互感器型號不一致時，尤其是短路電流小的一側使用TPY級互感器，而短路電流大的一側使用P級互感器時；

實驗表明，當變壓器發生區外故障時，在這個時間段里，如圖4所示C點(圖中Id為差動電流，Ir為制動電流；K1， K2，K3為比例系數)，一般差動保護是不會發生誤動的，反而會在故障的瞬差動保護被切除的一瞬間發生誤動，分析事故錄波發現，保護動作點都落在了差動比例制動曲線無制動特性的水平線上第一拐點之內，也就是差流大于門檻值，同時制動電流小于第一拐點電流，

圖4 兩段折線式比例制動

在這種情況下，必然需要存在保護動作。發生故障，短路電流較大，其中含有諧波分量和非周期分量，在故障期間產生的不平衡分量比較大，但制動電流較大，動作點在非動作區，如圖4所示B點。在故障切除的一瞬間，兩側的TA暫態分量衰減程度是不一樣的，此時差流依舊比較大，而制動電流減小，動作點移動到如圖4所示C點，差動保護發生誤動，按照此原理設置的比例制動曲線保護就不能發生制動。

可以通過以下幾個方面來防止區外故障差動保護發生誤動：

①提高硬件的采樣精度和計算準確度；

②設置先進的新原理保護;

③在對繼電保護定值進行計算時，注意保護定值不應過低，一般整定不低于0.4In；

④兩側盡量選用同一型號的TA，可以同為TPY級或P級互感器，建議使用TPY級互感器。

隨著計算機水平的發展，保護裝置硬件水平不斷的提高，多種原理的綜合運用，采樣精度和計算準確度也在提高。除此之外，也可以從編制的軟件著手，來防止區外故障切除時對保護造成的誤動。

3 結束語

隨著微機保護裝置廣泛應用，鑒于變壓器主保護誤動原因的多方面性，本文僅就幾個方面提出變壓器差動保護誤動原因，為工作中的技術人員提供一些工作思路。在日常工作中嚴格按照檢驗條例和有關規程操作，將安裝調試工作每一環節做細，遇到問題積極采取相應措施，提高變壓器差動保護可靠性。