主變壓器差動(dòng)保護(hù)研究

區(qū)思君 文連洋 張華 朱時(shí)勝

摘 要：主變壓器差動(dòng)保護(hù)作為主變壓器線圈、引出線相間短路、引出線接地短路以及線圈匝間短路的主保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作于全停方式。本文主要分析了造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的因素、造成差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)作的因素、勵(lì)磁涌流及其制動(dòng)措施以及防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作、差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)作、防止變壓器過勵(lì)磁時(shí)誤動(dòng)的措施。

1 引言

1.1 變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍

變壓器差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍，是變壓器各側(cè)的電流互感器之間的一次連接部

分，主要反應(yīng)以下故障：

（1）變壓器引出線及內(nèi)部繞組線圈的相間短路。（2）變壓器繞組嚴(yán)重的匝間短路故障。（3）大電流接地系統(tǒng)中，線圈及引出線的接地故障。（4）變壓器CT故障。

1.2 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘原因

（1）主變壓器及其套管引出線發(fā)生短路故障。（2）保護(hù)二次線發(fā)生故障。（3）電流互感器短路或開路。（4）主變壓器內(nèi)部故障。（5）保護(hù)裝置誤動(dòng)

由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式，電量特征均有其特點(diǎn)，產(chǎn)生了一系列特有的技術(shù)問題，其差動(dòng)保護(hù)接線圖在構(gòu)成上見圖1。

2 可能造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的因素

變壓器差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)電流互感器的電壓等級(jí)、變比、容量以及鐵芯和特性不一致，使差動(dòng)回路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)不平衡電流都可能比較大。

正常運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流將作為變壓器差動(dòng)保護(hù)不平衡電流的一種來源，特別是當(dāng)變壓器過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流可達(dá)變壓器額定電流的水平。

空載變壓器突然合閘時(shí)，或者變壓器外部短路切除而變壓器端電壓突然恢復(fù)時(shí)，暫態(tài)勵(lì)磁電流的大小可達(dá)額定電流的6～8倍，可與短路電流相比擬。

在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，其中一臺(tái)中性點(diǎn)接地變壓器空載合閘時(shí)出現(xiàn)勵(lì)磁涌流，與此同時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行的其它中性點(diǎn)接地變壓器中也將出現(xiàn)浪涌電流，這個(gè)電流被稱之為“和應(yīng)涌流”，和應(yīng)涌流通過變壓器的接地中性點(diǎn)構(gòu)成回路，這個(gè)電流只在變壓器的一側(cè)流通。大容量變壓器空載合閘的暫態(tài)過程持續(xù)期長，和應(yīng)涌流緩慢增長，其它運(yùn)行變壓器的差動(dòng)保護(hù)有可能在其合閘較長時(shí)間之后，由于和應(yīng)涌流造成誤動(dòng)作。正常運(yùn)行中的變壓器，根據(jù)運(yùn)行要求，需要調(diào)節(jié)分接頭，這又將增大變壓器差動(dòng)保護(hù)的不平衡電流。

3 可能造成差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)作的因素

變壓器差動(dòng)保護(hù)應(yīng)能反應(yīng)高、低壓繞組的匝間短路，而匝間短路時(shí)雖然短路環(huán)中電流很大，但流入差動(dòng)保護(hù)的電流可能不大。變壓器差動(dòng)保護(hù)還應(yīng)能反應(yīng)高壓側(cè)（中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)）經(jīng)高阻接地的單相短路，此時(shí)故障電流也較小。

綜上所述，差動(dòng)保護(hù)用于變壓器，一方面由于各種因素產(chǎn)生較大或很大的不平衡電流，另一方面又要求能反應(yīng)具有流出電流的輕微內(nèi)部短路，可見變壓器差動(dòng)保護(hù)要比發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)復(fù)雜得多。

4 勵(lì)磁涌流及其制動(dòng)措施

當(dāng)合上斷路器給變壓器充電時(shí)，有時(shí)可以看到變壓器電流表的指針擺得很大，然后很快返回到正常的空載電流值，這個(gè)沖擊電流通常稱之為勵(lì)磁涌流。變壓器差動(dòng)保護(hù)需要解決的突出問題就是既能可靠地躲過勵(lì)磁涌流，又能正確反應(yīng)內(nèi)部故障。在勵(lì)磁涌流中，除基波和非周期電流外，高次諧波電流以二次諧波為最大，波形出現(xiàn)間斷角，這個(gè)二次諧波電流是變壓器勵(lì)磁涌流的最明顯的特性，因?yàn)樵谄渌r下很少有偶次諧波發(fā)生，在變壓器內(nèi)、外部故障的短路電流中也會(huì)出現(xiàn)二次諧波分量，但二次諧波分量所占比例較小，一般不會(huì)出現(xiàn)波形間斷。其它分量，如三次諧波、直流分量等均非勵(lì)磁涌流所獨(dú)有，在其它工況下均可能出現(xiàn)，所以都不適于用來做為制動(dòng)。

利用勵(lì)磁涌流的波形間斷角可以構(gòu)成以鑒別波形間斷角原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)，利用勵(lì)磁涌流的二次諧波分量可以構(gòu)成二次諧波制動(dòng)的變壓器差動(dòng)保護(hù)，使之有效地躲過勵(lì)磁涌流的影響，通常對(duì)各相差流分別求取二次諧波對(duì)基波的比值，即二次諧波比來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

5 防止差動(dòng)保護(hù)區(qū)外故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的措施

和發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)一樣，為避開區(qū)外短路不平衡電流的影響，較理想的辦法就是采用比率制動(dòng)。當(dāng)差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)短路，在電流互感器不飽和或飽和不太嚴(yán)重時(shí)，比率制動(dòng)差動(dòng)繼電器將靈敏快速動(dòng)作。

6 防止差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)的措施

如果區(qū)內(nèi)短路電流非常大，電流互感器嚴(yán)重飽和，短路電流的二次波形將發(fā)生畸變，可能出現(xiàn)間斷角和包括二次諧波的各種高次諧波。

對(duì)于長線或附近裝有靜止補(bǔ)償電容器的場(chǎng)合，在變壓器發(fā)生內(nèi)部嚴(yán)重故障時(shí)由于諧振也會(huì)短時(shí)出現(xiàn)較大的衰減二次諧波電流。

對(duì)于上述兩路情況，間斷角原理和諧波制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)均可能拒絕動(dòng)作，對(duì)于這種情況，國內(nèi)外多采用高定值的差動(dòng)電流速斷保護(hù)，這時(shí)不需再進(jìn)行是否是勵(lì)磁涌流的判斷和制動(dòng)，改由差流元件直接出口。其定值要大于空載合閘的涌流最大值。

7 防止變壓器過勵(lì)磁時(shí)誤動(dòng)的措施

過電壓在120%～140%時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流可達(dá)額定電流的10%～50%，差動(dòng)保護(hù)完全可能誤動(dòng)作。

變壓器過電壓時(shí)勵(lì)磁電流中三次諧波和五次諧波電流十分顯著。以五次諧波電流I5為例，當(dāng)電壓達(dá)115%～120%時(shí)，五次諧波成分達(dá)到最大值（約為基波電流的I1的50%），但當(dāng)過電壓更大時(shí)，五次諧波成分又明顯減小，當(dāng)過電壓為140%時(shí)，五次諧波成分約為35%，如果差動(dòng)保護(hù)選擇I5/I1≥35%為閉鎖判據(jù)，則可使在過電壓小于140%時(shí)差動(dòng)保護(hù)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，而當(dāng)電壓很大（超過140%）時(shí)差動(dòng)保護(hù)解除五次諧波閉鎖，使差動(dòng)保護(hù)起到一部分過勵(lì)磁保護(hù)的后備作用。

作為差動(dòng)保護(hù)的過勵(lì)磁誤動(dòng)閉鎖判據(jù)，采用五次諧波而不用三次諧波，其原因是三次諧經(jīng)常大量地出在其它場(chǎng)合，如內(nèi)部短路時(shí)就可能出現(xiàn)較大的三次諧波成分。

8 結(jié)論

綜上所述，變壓器差動(dòng)保護(hù)一般由二次諧波比率制動(dòng)部分和差動(dòng)速斷兩部分構(gòu)成。二次諧波比率制動(dòng)部分又包括比率制動(dòng)部分和諧波制動(dòng)部分。諧波制動(dòng)部分包括二次諧波制動(dòng)和過激磁五次諧波制動(dòng)，主要是二次諧波制動(dòng)。二次諧波制動(dòng)用以防止變壓器的勵(lì)磁涌流導(dǎo)致比率差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，當(dāng)某相的二次諧波超過整體水平時(shí)，閉鎖該相的比例差動(dòng)元件。過激磁五次諧波制動(dòng)用以防止變壓器發(fā)生過勵(lì)磁時(shí)的勵(lì)磁電流導(dǎo)致比例差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，當(dāng)某相的五次諧波超過整體水平時(shí)，閉鎖該相的比例差動(dòng)元件。設(shè)置獨(dú)立的差動(dòng)速斷部分，是為了防止內(nèi)部嚴(yán)重故障，比率制動(dòng)元件可能發(fā)生拒動(dòng)，這樣就解決了內(nèi)部故障大電流的問題。

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