差動保護原理及檢驗方法淺析

閆建文

（山西京能呂臨發電有限公司，山西 呂梁 033299）

差動保護是大容量變壓器、發電機、電動機、線路及母線的主保護，一般采用的是比率制動的原理，所以在發生區內故障的時候，它能快速而靈敏地切除內部所發生的故障，而當發生區外故障時，依靠比率制動的特點使其可靠閉鎖，不引起誤動，提高了保護的可靠性，使其在電力系統內得到了廣泛的運用。當電氣設備內部發生短路故障時，由于設備本身流過巨大的短路電流而對其本體的絕緣和性能造成了不可挽回的損壞，同時伴隨著內部發生匝間短路故障的情況也時有發生，所以要求差動保護在這種狀態下也能夠可靠動作而不被拒動，這就對差動保護裝置提出了更高的要求，同時，也要求調試工作人員對保護裝置和差動回路足夠熟悉。

1 差動保護基本原理

差動保護是利用基爾霍夫電流定理簡稱KCL的工作原理，把被保護的電氣設備看成一個廣義的結點，在正常時流入被保護的電氣設備電流和流出的電流之和相等，差動電流為零。當電氣設備內部出現故障時，流入被保護的電氣設備的電流和流出的電流之和不相等，差動電流大于零。當差動電流大于微機保護裝置中設置的整定值時，保護正確動作，將被保護的電氣設備的各側斷路器跳開，使其故障設備快速切斷，以免當前故障的進一步擴大。以發電機保護為例，當發電機正常工作或區外故障時，將其看作理想發電機，則發電機機端側的電流和中性端的電流之和相等，差動保護裝置不動作。當發電機內部故障時，則兩側向故障點提供短路電流，差動保護感受到的二次電流之和大于正常時的差流，差動保護裝置可靠動作。

差動保護基本原理簡單，使用電氣量簡單明確，保護范圍全面，發生故障時，具有極高的可靠性、選擇性、靈敏性及速動性，所以一直作為一次電氣設備的主保護，以保證被保護的電氣設備不受進一步的損壞。差動保護是利用比較被保護電氣設備兩端或多端電流的幅值的大小和相位的原理構成的。從理論上講，正常運行和外部故障時，各支路電流之和為零。實際上，由于被保護的電氣設備兩側或多側電流互感器的飽和特性不可能完全一致等原因，差動回路中仍有不平衡電流流過，此時，流過保護裝置的差流不為零，這時要求消除不平衡電流應盡量小，以保證保護裝置不會誤動。

事實上，電氣設備外部發生短路故障時，因為外部短路電流大，暫態過程中含有非周期分量電流，使電流互感器的勵磁電流急劇增大，而呈飽和狀態，使得被保護的電氣設備兩側互感器的特性很難達到一致，而出現較大的不平衡電流，造成保護裝置的誤動作。因此，采用帶比率制動特性的原理，外部短路電流越大，制動電流也越大，保護裝置能夠可靠制動，不會產生誤動的可能性。

2 保證差動回路正確性的必要工作

由于差動保護是利用比較被保護電氣設備兩側或多側電流的幅值的大小和相位的原理構成的，所以被保護電氣設備兩側或多側的電流互感器受諸多因素影響，其在正常運行和外部故障時，差動保護回路中就會產生不平衡電流，使差動保護存在誤動的可能性。為保證差動保護的正確靈敏有選擇的動作，所以我們在調試工作中必須對差動保護裝置、一二次回路、電流互感器等做認真的檢查和試驗工作。

2.1 保護裝置動作可靠

差動保護具有高靈敏度和快速性，輕微匝間短路也能快速動作。在對保護裝置校驗時，要求保護裝置在設定的定值下，二次電流滿足動作條件時能夠可靠動作。如果在設的定值下不動作或誤動，會損壞被保護設備，給系統的穩定運行造成一定程度的影響。

在我們對同煤王坪電廠廠用電系統調試過程中，干式變壓器用的是差動保護裝置，是金智科技WDZ-2421廠用變壓器保護測控裝置。開始由于對保護裝置不熟悉，差動保護裝置試驗不夠理想，后來在廠家的指導下順利地完成了差動保護裝置的調試任務。這就說明調試人員必須對試驗方法充分掌握，對試驗儀器和被試設備足夠了解。

2.2 一次設備參數合格

無論變壓器、電動機、電流互感器、電纜或高壓開關，首先，絕緣電阻必須滿足電氣試驗規程和出廠試驗要求。其次變壓器的變比、極性、直流電阻，電動機的極性、直流電阻也合格；一次電纜要求完善，絕緣良好，能夠承受足夠的電壓、電流；高壓開關能可靠分合閘等。這里注意，一次回路中的所有設備配置合理，尤其被保護設備兩側電流互感器容量、變比滿足設計要求，電流互感的變比、極性以及伏安特性等都符合規程要求。只有一次設備配置和檢驗合格了才能保證正常運行或外部故障時，差動保護不動作，設備內部故障時，差動保護能可靠動作。

2.3 二次回路完整正確

在二次回路中，要求電流互感器二次側電流線的內外部接線正確，電流互感器二次回路中性點應統一在保護柜內可靠一點接地，電流回路接線沒有開路的情況。在電流互感器本體上有明顯的提示語“只要一次回路有電流通過時，二次回路嚴禁開路”。這是因為運行中的電流互感器，其二次側所接的負載阻抗較小，基本上處于短路狀態。這樣由于二次側電流產生的磁通和一次側電流產生的磁通相互去磁的結果，使鐵心中的磁通密度處于較低水平，此時，電流互感器的二次側電壓很低。當電流互感器二次側負載開路以后，一次側電流不會發生值的改變，而二次側電流為零，這樣一次側電流全部變成勵磁電流，致使鐵心中磁通密度達到1.5G以上。由于二次線圈的匝數比一次線圈多很多倍，于是，二次側線圈兩端將感應出高電壓。這種高電壓對電氣設備產生損壞，對人身產生觸電傷亡事故的發生。同時，隨著二次回路的開路，將使鐵心嚴重飽和，造成過熱現象的發生，而將其燒毀。所以在電氣設備運行中，我們絕不允許電流互感器二次側回路開路。二次回路開路會對人身設備造成傷害。如果用于差動保護的電流互感器有一側二次線（非公共線）接地或二次回路開路，此時，二次電流為0A，差動保護就會動作。

3 差動回路傳動試驗及檢查

差動回路主要保證其二次電流回路的正確性，體現在被保護電氣設備兩側或多側電流的相位、極性、勵磁特性曲線等方面進行，所以二次電流回路檢查通常要從以下方面著手。

首先，要檢查二次側電流互感器到保護裝置側的電流接線及相位是否正確完好，再用較小容量的蓄電池和毫安級的電流表檢查二次側電流互感器的極性是否與保護裝置所用的極性一致，最后，針對整個二次電流回路通流試驗。

在保證對整個二次電流回路進行直流電阻及絕緣合格的前提下，我們介紹幾種常用的通流試驗方法。更切近實際，一次電氣設備運行狀況的通流試驗方法為：將電流直接作用在一次電氣設備上，然后從保護裝置上直接查看各相電流的相位及其角度、差動電流、制動電流是否正確。只要確保各相電流顯示正確，就可以說明整個二次電流回路完全正確。

以常用電動機差動保護回路通流試驗方法為例，通常電動機用A、B、C相電流作為保護裝置之用，在試驗時我們最好使用短連線繞過電機繞組，使所加電流直接從開關柜電流互感器上口經過電纜流向中性點電流互感器，避免電動機阻抗使回路電流過小。所加電流經過調壓器、行燈變后足夠大，將在電流互感器二次側產生足以測量到并能準確顯示的電流，從而可以很好地從保護裝置上觀察各相電流以及差動電流、制動電流的大小。在試驗過程中，保護裝置顯示的差動電流應該小于差動電流起動值（理論上為0），如果不符合，說明回路有問題。需要我們對保護裝置、電流互感器、二次接線再做仔細檢查。這種試驗方法可以檢查一次、二次整個差動回路的正確性。

進行電動機差動保護回路通流試驗還有以下方法：直接在電動機的開關A、B相上加單相220V電源，電源容量應足夠大，此時，由于電動機只有兩相有電流而且電壓很小，電動機不會轉動將處于堵轉狀態，電動機的電流為額定電流的1/6～1/7，此時，可以從保護裝置中讀取電動兩側各相電流，應該A、B相電源側和中性點處有電流，C相電源側和中性點處沒有電流且各相差動電流為零。用同樣的方法分別在B、C和A、C相加單相220V電源在保護裝置上檢查各相電源側和中性點和差動電流值，其結果與A、B相上加單相220V電源類似，如出現異常情況，應查明原因，直至試驗結果每相都正確。

廠用低壓干式變壓器差動保護回路傳動的方法有兩種：第一種，在試驗時我們使用短連線將高壓繞組的和低壓繞組A與a短接、B與b短接、C和c的短接，然后將低壓側母線過低壓側電流互感器后短接，將保護裝置的變壓器變比設置為1∶1，接法設置為12點。使所加電流直接從高壓開關柜A、B兩相電流互感器上口經過電纜流向低壓側電流互感器，避免變壓器短路阻抗使回路電流過小。所加電流經過調壓器、行燈變后足夠大，將在電流互感器二次側產生足以測量到并能準確顯示的電流，從而可以很好地從保護裝置上觀察各相電流以及差動電流、制動電流的大小。在試驗過程中，保護裝置顯示的差動電流應該小于差動電流起動值（理論上為0），如果不符合，說明回路有問題。需要我們對保護裝置、電流互感器、二次接線再做仔細檢查。這種試驗方法可以檢查一次、二次整個差動回路的正確性。第二種是將所檢查的變壓器低壓側三相經過電流互感器后短接（短接的導體容量要足夠大），然后在高壓開關柜A、B、C三相電流互感器上口上直接加三相380V電源（所選的電源和臨時開關及電纜容量應足夠大），此時，回路阻抗主要是變壓器的短路阻抗，將在變壓器高低壓側產生較大的電流，可以達到變壓器額定電流的1/3～1/2左右，足以檢查差動保護一、二次回路的正確性，在保護裝置上檢查變壓器各相的制動電流和差動電流情況來檢查一、二次回路的正確性，如出現異常情況，應查明原因，直至試驗結果為每相都正確。第二種方法比第一種方法更直觀，還同時檢查了變壓器的變比和極性，更接近實際運行時的情況，只是低壓側的短路電流較大，必須選擇載流量合適的短路線。

如果有差動保護動作，我們可以通過查看保護裝置的動作顯示電流，分析動作原因，檢查一二次設備從而處理問題。

4 結語

差動保護在廠用電系統中用于重要設備的保護上，作用極其重要。筆者結合實際工作經驗，淺談了差動保護的原理和回路檢驗方法。供讀者參考借鑒，不妥之處望批評指正。