變壓器差動保護誤跳閘故障原因及排查措施分析

秦 凱

（寧夏寶立集團鯤鵬清潔能源有限公司，寧夏 銀川 750004）

0 引言

差動保護作為變壓器的主保護，可以有效處理雙繞組、三繞組變壓器繞組內部故障，以及引出線上所發生的其他相間短路故障，同時也可以用來保護變壓器單相匝間短路故障。但受到不同因素的影響，可能存在一定的識別故障，使差動保護出現誤跳閘情況，影響實際變壓器運行狀態。為保障整體電路的穩定運行，應合理排除誤跳閘故障影響因素，提高設備運行效果。

1 變壓器的差動保護原理

差動保護是變壓器的主保護。其按照電流循環原理構建，對變壓器進行保護。在變壓器正常運行和出現故障時，不同側面的電流出現變化，通過主變差動保護設備，能夠在跳閘瞬間，將故障區域與變壓器分離，從而實現故障切除，提高對變壓器的保護。

變壓器差動保護原理如圖1所示，以兩圈差動保護裝置為例進行分析，在變壓器兩側安裝流變，并對其進行控制，使其構建為串聯結構，并規定變壓器兩端中極性端子靠近母線一側，KA為電流繼電器，將其并聯到該回路中。在理想狀態下，流進KA的電流為變壓器高低電流折算差，在不受故障影響的情況下，保護范圍內出現短路時，其會造成電流差非零裝狀態，識別后自動進行斷聯處理，從而保障設備的有效運行。

變壓器在空載的情況下，由于其內部鐵芯的作用，使得磁通方向與電壓一致，在二者磁通方向疊加過程中，會使繞組中產生較大的暫態電流，該電流能夠達到額定電流的8倍左右，對變壓器產生較大的危害。在該過程中，使用差動保護系統能夠對電流產生的諧波和電流波特點進行合理的識別分析，在識別到危險隱患時控制系統斷開連接，起到保護變壓器的作用[1]。

以二次諧波制動原理進行分析，變壓器繞組中的暫態電流與短路故障電流的形成原理不同，因此其內部成分存在差異。在暫態電流中存在周期性和非周期性的分量，其中非周期分量中含有大量的二次諧波。而短路時電流中非周期分量較少。因此波形較為規律，不會產生畸變現象。在二次諧波分量過分多時，系統將其判定為勵磁涌流，按照其標準設計相應的系統保護標準。在實際的判斷過程中，可以使用如下公式：

其中：I1為基波振幅；I2為二次諧波振幅；K為制動系數，一般情況下，將系數范圍控制在0.15～0.2，以提高對變壓器的差動保護效果。

2 變壓器差動保護擾動因素分析

變壓器差動保護系統運行過程中，產生穩態不平衡電流，該電流能夠在一定程度上優化差動保護系統的運行效果，降低誤動保護發生概率[2]。但在實際運行中，存在移動的擾動因素，影響電流的穩態運行質量，進而引發電動保護，使變電器出現較大的誤差和損失。造成保護擾動的根本因素主要為暫態不平衡電流的產生，使變壓器兩端電流無法正常躲過設置標準，出現誤跳閘情況。

造成暫態不平衡電流擾動因素主要包括空載合閘、區外故障切除、相鄰變壓器合閘、變壓器過勵磁、電流互感器飽和等。在以上情況下產生不平衡電路，容易造成勵磁涌流現象，進而對電壓差動保護產生干擾，不利于保護變壓器運行狀態。

3 變壓器差動保護故障分析

3.1 故障案例

以某110 kV變電站為例進行分析，其額定容量為63 MVA，連接組標號為DY11，抗阻為7%，額定電壓為110 kV/35 kV。在35 kV一側突然發現跳閘現象，動作時間為12 ms，查看變壓器為W相，通過分析和調查，根據繼電保護器的相關記錄判斷，該跳閘斷電行為處于差動保護。造成該故障的原因可能為電壓空載或電流短路等。

3.2 故障分析

在電力中，保護裝置的實際電流變化情況見表1。在高壓側的電流相位中，其變化較為明顯，制動電流同樣存在一定的差異，與標準要求存在不符合的情況，同時W相的差異較大，由此判斷在W相中存在一定的電流故障情況，影響整體電路運行效果。

表1 保護裝置電流變化表

通過分析故障實際情況，初步分析造成故障的具體原因：其一，變壓器內部故障，導致兩端電流異常，造成差動保護跳閘。其二，W相處存在短路故障。其三，繼電器自身識別或計算失誤，出現跳閘保護現象。為識別故障情況，需要對故障問題進行詳細分析和探究，排除干擾因素。將變壓器進行隔離，并在其外部進行電流和電阻檢查，分析是否存在異常。對W相一側進行回路檢查。在實驗過程中發現回路出現短接現象，因此判斷為單相接地情況，產生較大的故障電流，超過繼電保護標準。公式如下：

其中：IU、IV、IW分別為高壓側U相、V相、W相電流；iU、iV、iW分別為低壓側的U相、V相、W相電流；n為額定電流比值。通過對三相電流比值進行計算，能夠發現W相的差動電流差異較大，因此判斷該處存在故障情況。

對繼電器和開關柜等區域進行詳細檢查，發現該區域不存在問題，說明該區域不存在故障因素。

結合實際情況進行深度原因探究，由于在高壓側存在接地故障，使得其產生的電流接近保護器的標準限度值。在該過程中，受到變壓器內部勵磁涌流和二次諧波等因素的影響，電流變大，使變壓器中的電流不穩定現象加劇，從而造成跳閘故障。

在變壓器空載時，其內部出現短路，使線路中的斷路器無法有效識別，進而難以產生跳閘保護現象，在該過程中，出現內部不平衡電流，在開關柜的識別下，出現差動故障跳閘現象。

3.3 故障模擬

通過構建相應的電路系統，模擬故障的設計產生情況，以更好地識別故障產生情況，幫助有效排查和處理故障[3]。已知W相處存在故障，在模擬時，對低壓側電流進行調整，使其達到額定電流的7.015倍，并對其二次回路狀態進行分析，觀察變壓器保護裝置的具體變化情況。通過調整電流的方式進行實驗和觀察，發現實驗結果與故障情況存在一致性，因此證明W相存在電流泄漏故障。

3.4 排查處理

為了解故障的具體位置，可以使用加壓排查的方式，觀察故障時U相、V相、W相接線方式，使用實驗儀器進行分析，對W相電路進行故障點排查。實際作業過程中，需要斷開高壓側變壓器二次回路，并利用專門的機械設備在不同端子處進行測量，在不同壓力的情況下分別測量，計算其中的阻抗和電流情況，從而明確故障位置。

為降低故障影響，避免出現變壓器差動誤跳閘情況，避免再次出現類似故障，應做到以下幾點：其一，應加強對差流數值變化的重視，部分未達到限定標準時，同樣存在一定的突發性，因此需要加強巡視管理，及時發現危險狀態。其二，應合理優化接線盒，避免內部電路過于緊繃或出現交叉等情況。其三，加強對變電器二次繞組接線的檢查，避免出現短路現象，保障整體線路的正常運行。

4 常見變壓器差動保護防范措施

4.1 不平衡電流故障及防范

在理想狀態下，變壓器差動保護過程中不同側的電流與變電器兩端電流相同，不存在誤差，因此不會產生誤跳閘等不良情況。但實際上，變電器運行過程中存在二次諧波和勵磁電流等情況，同時不同變電器兩側的電流受到其規格型號的影響，容易產生一定的差異，給電力保護裝置的檢測和計算分析等過程帶來較大的難度，進而使變壓器在差動保護過程中存在一定的不平衡電流，容易引發誤跳閘等故障，不利于保障電路的正常運行。

為加大對不平衡電流引發故障的防范和控制，應詳細探究造成不平衡電流的影響因素。以變壓器CT型號差異為例進行分析，在變壓器回路中連接電流互感器及電壓保護裝置，保護裝置受到軟件控制，在故障時能夠自動控制跳閘。通過電流互感器識別電流的合計變化情況，觀察是否達成平衡狀態。一般情況下，在電流向量的合計為0時，表示電路處于平衡狀態，但受到各種因素的影響，難以完全消除差流情況，使不平衡電路現象較為常見。為降低其不平衡影響，提高防誤跳閘的效果，可在實際的計算過程中增加一定的額定一次電力，利用該電流平衡二次電流，生成保護邏輯程序。利用電流變化情況得到平衡系數，在計算式增加對平衡系數的應用，使差動保護裝置的運行準確性得到提升，降低誤跳概率。

4.2 變壓器保護帶負荷故障防范

在測量帶負荷電流回路向量時，為保障電流的準確性，需接入變壓器保護裝置，以保障二次回路的準確性，避免出現故障影響。為提高實際的故障防范效果，應在變壓器差動保護安裝后進行詳細驗證，分析其不同功能下的實際變化情況。相關人員可以使用專業設備測量電壓和電流的變化情況，并分析裝置的繞組接線方式及其效果，進一步保障整體裝置的精準性。

在調整變壓器接線繞組時，需要結合實際的電壓情況進行測試，分析差動保護帶負荷向量變化情況，縮小向量變化幅度，從而提高電流平衡效果。以110/59 kV電壓為例進行分析，在其中輸入鉗形相位表，并對繞組進行調整，測量其幅值和相位變化情況，了解不同繞組情況下的實際變化情況（見表2）。

表2 不同繞組下幅值和相位的變化情況

通過表2分析可知，在電力繞組變化后，其產生的幅值和相位出現變化，通過調整相位差等影響因素，有效降低不平衡電力影響，提高差動保護裝置的精準度，從而保障變壓器的穩定運行。

4.3 系數形態梯度奇異熵保護方案

在變壓器差動保護裝置受到擾動電力的影響時，其中的電流波形出現變化，與正常狀態下的波形存在一定的差異。例如，在電流互感器不飽和的情況下，其中存在的擾動差動電流和故障差動電流之間存在一定的梯度變化。在電流互感器飽和狀態下，差動電流中的奇異熵處于較高水平，并且會引發故障電流出現增熵情況，在出現熵增幅度過大時，會對電流互感器的識別精準性產生影響，使故障識別效率下降。因此，在對變壓器差動保護的過程中，應基于稀疏形態的梯度奇異熵進行識別和調整，提高識別靈敏度，優化保護效果。

在保護方案設定時，應明確變壓器差動保護裝置的參數和限值，在對熵值達到標準后進行識別和分析，以提高判斷的精準性。參數設置完畢后，需要在奇異熵計算的基礎上，對方案的性能進行測試和分析，確保該分析和識別方法具有相應的精準性。鋼構件典型案例中，要檢測擾動和故障情況下的運行數據，并在系數形態梯度奇異熵基礎上進行實驗和分析，得到相應的電流變化情況，判斷電流的屬性，從而提高識別效果。

5 結語

在變壓器差動保護裝置運行過程中，受到擾動因素的影響，可能出現誤跳閘的情況，給變壓器的正常運行帶來較大的不良影響。為確保變電站的穩定運行，應加強對其中擾動因素的分析和控制，提高對不平衡電流的調整和控制效果，降低其帶來的不良影響，同時合理控制線路連接效果，避免對保護裝置產生影響，并合理排查故障區域，提高優化效率。