变压器零序差动保护的讨论

变压器零序差动保护的讨论

朱声石

（国电自动化研究院，江苏省南京市210003）

摘要归纳了对变压器装设零序差动保护必要性的不同论点后指出，零序差动保护仅在变压器绕组靠近中性点（占整个绕组2％）处发生接地故障，相间差动保护灵敏度不足时方才显示出其灵敏度高的优越性。但是一方面在靠近中性点处电压很低，发生故障的几率很小，被短路的匝数小，故障危害不大；另一方面零序差动保护也不可能没有死区，其死区有多大还未深入研究。因此，作者认为装设零序差动保护的必要性不大。如果愿意装设零序差动保护作为补充，应将安全性放在首位，宜限制其保护范围。为此，提出用比例判据代替比率制动判据的方案。关键词零序电流差动保护接地故障差动保护

变压器零序差动保护在我国没有被广泛

采用，因此此问题一再引起讨论。近来从“变

压器保护运行不良的反思”（1）一文开始，继

而有“变压器绕组短路接地故障的保护”（2），

再有“再谈220kV及以上大型变压器装设零

序差动保护的必要性”（3）陆续发表。通过讨

论，对此问题的讨论已比较深入，可以有一

个较为全面的认识。为此本文对各种论点作

进一步阐述，并再次发表自己的观点。

图1 双侧电源变压器在Y侧A相绕组发生单相接地

论点之一：文献1和3一再强调在单相接地故障时，相间差动保护反应的两侧电流相位会出现外部故障的特征，因而灵敏度下降。图（1）示出这种故障的情况。图1是转录文献2中的图3。文献3中的图（9）也示出这种情况，但忽略了非故障相中的电流。实际只要相间互感不可忽略，非故障相中必然有电流。就现在讨论的问题两文的差异无关紧要。令文献2导出的公式中Ix=Iy=0便得到与文献3相同的结果，

W k I k-(W Y-W k)I A=W△I a

式中Ia的正方向与文献3相反。文献3提出,如果（W Y－W k）I A＞W k I k则I A与I a相位相反，呈现外部故障的特征，相间差动保护的灵敏度下降。因为上式成立，以（W Y- W k）I A）> W k I k为原因，得出I A与I a符号相反的结果是必然的，这与直接提出I A与I a 符号可能相反毫无差别。

严格地讲上式两边并不相等。[W Y- W k）I A+ W△I a]- W k I k等于励磁安匝。当出现W k I k后，为了保持磁通不变，（W Y- W k）I A+ W△I a要增加，而I A和I a的增加使得它们在系统阻抗和变压器漏抗上的压降增加，从而导致变压器主磁通及其感应电势下降。所以外部若有电源必向变压器供给短路电流。只要各侧电源电势相位差不大，各侧电流的相位就不会有明显的差别，不会呈现外部短路的特征。如果是轻微故障，变压器内部感应电势下降甚微，竟然仍高于某一侧外部电源的电势，那么该侧才会有电流流出。因为内外电势不可能有显著的差别，此流出电流一定很小，依靠幅值的差别，比率制动继电器也一定能动作。不要一提流出电流就谈虎色变。

上面分析可见外部电源电势低才可能有电流流出。因而单侧电源内部发生轻微故障应当是最严重的情况。在这种情况下出现的最大流出电流，实际是穿越性的负荷电流。故障时短路电流有2个分量。一是故障分量，一是负荷分量。应用叠加原理分析故障，电流的故障分量是由在故障点施加的与故障前该点电压幅值相等，相位相反的唯一假想电势产生的。内部故障时此假想电势在内部，其所产生的电流必然都由各侧流出。各侧的电流的故障分量相位必基本相同，不会呈现外部短路的特征。电流的负荷分量是穿越性的，两侧负荷分量的相位必呈现外部短路的特征。所以变压器内部故障对于相间差动保护灵敏性最严重的情况是：单侧电源内部轻微故障并继续送出最大负荷电流的情况。作者认为可取总故障分量（即差动电流）Id=0.5In，同时负荷分量为In的情况。作为对变压器差动保护考核

灵敏

240

241

度的标准。如果采用1I &和2I &的比率差动继电器是以22

1I I I res &&+=为制动电流（都以流入变压器为正方向），则当Ires=1.25In,Id=0.5In 时继电器应

能动作。

论点之二。零序差动保护在单相接地故障时比相间差动保护灵敏。这是显而易见的事。零序电流属于故障分量，在区内故障时不会有零序电流流出。穿越性负荷电流中也没有零序分量。这些都是零序差动保护有较高灵敏度的原因，但还不是根本的原因。

相间差动保护测量到的电流是变压器各侧引线上的电流，而零序差动保护测量到的是星形绕组高压引线和中性点侧的零序电流。在绕组单相接地故障时中性点侧的电流就是短路匝中的电流。如果是双绕组变压器短路匝中电流Ik 是高压引线上电流I A 的（W Y －W K ）倍，此时相间差动保护测量到的差动电流为I A ，而零序差动保护则为这就是

A K

Y

K A I W W I I ×=

+。说后者测得的差动电流是前者的W Y ／W K 倍。

当故障点靠近中性点时，例如W K ＝0.02 W Y 时零序差动保护的灵敏度将是相间差动保护的50倍，这才是零序差动保护灵敏度高的根本原因。 论点之三。零序差动保护只能作为相间差动保护的补充。

相间差动保护能反应变压器各侧各种类型的故障，包括相间及接地短路故障和匝间短路故障。而零序差动保护只能反应星形接线侧的接地短路故障。顺便指出只要保护范围以各侧断路器的位置定界，不论何种原理（包括今后可能研发的创新原理）的保护都有避开励磁涌流的问题。在变压器的等值回路图上励磁阻抗是横向接地的，它和内部故障时出现的故障支路具有相同的性质。当励磁阻抗在暂态过程中饱和时就出现了涌流。涌流在变压器等值回路内和故障电流相似，相间差动保护以及可能创新的主保护都有误动的可能，而对策只有依靠波形识别。最近提出的由励磁阻抗或其自感系数不是常数实现闭锁的原理，其本质仍是涌流波形的非正弦。

所以相间差动保护被涌流困惑并非其原理失误所

致。零序差动保护只能作为相间差动保护的补充，它解决不了后者躲涌流的问题。能避开涌流决不是要不要零序差动保护要考虑的问题，相间差动保护对星形绕组单相接地故障的灵敏性如何才是需要讨论的重要问题。绕组单相接地故障对于相间差动保护来说和单相匝间故障性质完全相同。此时引线上的电流（图（1）中的I A ）决定于短路匝W K 归算到一次侧的漏抗X ’k 。短路匝W K 的漏抗

其中A 为漏磁通的截面积，l K 为漏磁通的平均长度。将X K 归算到一次侧为

随着短路匝数W K 的减少，漏磁通平均长度减小，X

′

K 增大。匝数W K 越少，X ′

K 增大越多。实际故障录波和动态模拟试验都表明：在轻微匝间故障W K =(0.01~0.02) W Y 时引线上短路电流约为I A =(0.5~1.0) I n ，其中I n 为变压器的额定电流。虽然收集到的故障记录还不充分，但有鉴于在轻微匝间故障时I A 可能小于满负荷电流，在不同运行方式下I A 的数值变化不会大。上面的估计有着普遍意义。 在轻微匝间故障时变压器可能有穿越性的负荷电流流过。在“论点之一”最后指出此时比率差动继电器的Id=0.5In,Ires=1.25In 。现在微机比率差动继电器的动作特性都是折线。一般在Ires<(1.25~1.5)In 时继电器的启动电流为常数，即等于0.5In 甚至更小。所以相间差动保护对绕组单相接地故障虽然相当灵敏，但仍有约2％的死区。零序差动保护在单相接地故障时比相间比相间差动保护更灵敏，其死区会更小。不过零序差动保护也只有在相间差动保护的死区内发生故障时其灵敏度更高的优点才真正发挥出来。

论点之四。变压器绕组单相接地故障是几率较多的一种故障，但相间差动保护不动作，必须由零序差动保护跳闸的还是很少的。

变压器故障以匝间故障为最多，已是不争的事实。单相接地故障较多也是合理的推断。文献3认为统计资料中接地故障的记录较少是以往统计时未区分“相间”和“接地”故障，把几率较多的接地故障统计为相间故障所致。差动保护正确动作率不高，但拒动几乎没有。1995年全国对主设备保护所作的调查就没有相间差动保护拒动的记录。因此上面“接地”故障被统计为“相间”故障的推断正说

K K K K l A W L X m w

w 2==。K

Y K l A

W X m w 2=￠

242明实际发生的单相接地故障都被相间差动保护切除。零序差动保护虽比相间差动保护灵敏，但也不可能没有死区。I k 不可能随W k 的减少无限制地增大。因为短路处不可能没有过渡电阻，当W k 很小时，很小的过渡电阻就将大大地限制短路电流。所以在相间差动保护的死区内究竟有多少比率能由零序差动保护动作跳闸，还有待研究。零序差动保护的作用不应过分夸大。

论点之五。作为相间差动保护的补充，零序差动保护的保护范围可以缩短以提高其安全性。 国外零序差动保护是在中性点经阻抗Z N 接地的

变压器上开始应用的[4]

。由于Z N 远大于变压器绕组的漏抗，在绕组单相接地故障时流过中性点的电流近似为I K ＝αE ／Z N ，其中α＝W K ／W Y ，表示故障点

与中性点的电气距离。而引线上的电流I A ＝α2

I K ＝α3

E ／Z N ，I A 正比于α的3次方。当α很小时I A 接非常小，相间差动保护的灵敏度极差，于是提出装设零序差动保护，由于它仅反应接地故障，又称为保护范围受到限制的接地保护。在中性点直接接地的变压器上相间差动保护也相当灵敏，国外虽也用零序差动保护，其必要性显然降低了。

原则上零序差动保护两侧的TA 应当是同型号同变比。实际上由于两侧TA 在运行中承受的电压不等也未必同型号。还应注意高压端肯定由三相电流

计算得到零序电流，即H

C B A I I I I 03&&&&=++，而中性点侧可能用一个TA 接于中性点接地线上取得I N 。在

外部相间短路时恒有I N =0，而由于三相TA 的误差3 I 0H ≠0，此时3I H0便成为差动不平衡电流。比率制动

判据若以N

H res I I I &&+=03为制动电流，则差动电流与制动电流相等，是不可能避免误动作的。为此

国外机械型零序差动保护都采用高内阻差动继电器以保证选择性。微机零序差动保护的制动电流应取

为N

C B A res I I I I I &&&&+++=,用比率制动判据才能保证选择性。

如果将零序差动保护的作用定位于消除相间差动保护的死区（α＝2％）就可缩短其保护范围，例如保护范围不大于绕组的50％，以提高零序差动保护的安全性，彻底消除上述零序差动保护在安全性方面遇到的问题。因为在α很小时发生绕组接地的故障，中性点侧的电流I N 比高压端的

C

B A H I I I I &&&++=03大得多，从而在TA 极性接反时也不会误动和拒动。为达到此目的，自耦变压器

的零序差动保护的动作判据为：

差动电流判据M H N I I I 0033&&&++>定值 比例判据 )33(00M

H N I I K I &&+3 式中 I N ，I 0H 及I 0M 分别为中性接地线电流和高、中

压端的零序电流，都以流入变压器为正方向。K 为比例系数。当取K=2时保护范围至少等于公共绕组的50％，外部短路允许的TA 相对误差为50％。 为了简单起见，讨论双绕组变压器，动作判据中没有I 0M ，在外部相间短路时I 0H 为不平衡电流，I N =0，比例判据不满足。在外部接地短路时，若两侧TA 都无误差，则有3I 0H =I N ；若高压侧TA 误差小，中性点侧TA 误差大，则有3I 0H ＞I N ，这两种情况比例判据都不会满足。在外部接地短路时若高压侧TA 误差大，中性点侧TA 误差小，则有3I 0H ＜I N 。只要相对误差小于50％，比例判据也不会满足。在选择TA 时应注意这一点，例如有意识适当增加中性点侧TA 的二次负担以保证选择性。提高比例系数K 可以提高外部接地故障时TA 允许的相对误差，但将缩小内部接地故障的保护范围。例如取K=3允许TA 的相对误差为66.6％，保护范围为33.3%。 现在讨论TA 极性接反造成的后果。外部故障的选择性是由比例判据保证的。而比例判据只反应电流的幅值，对TA 的极性无要求，所以TA 极性接反也不会误动。内部故障比例判据能否成立也与TA 的极性无关，仅保护范围决定于K 值的选择。如果TA 极性接反，差动电流将减小。但在相间差动保护的死区范围内故障时由于α很小，I N 》3I 0H 。此时TA 极性接反，差动电流减小甚微，一般差动电流判据的定值很小，继电器仍能灵敏地动作。

由此可见缩短绕组接地保护的保护范围可极大地提高保护的安全性。其根本原因有二，一是作为零序差动保护中性点侧的电流是短路匝中的电流，故障点越靠近中性点此电流越大。二是把零序差动保护的作用定位于消除相间差动保护在绕组接地故障时的死区，这样才能缩短保护范围，用比例判据代替传统的比率制动判据。

自耦变压器有高、中压两个引出端，在外故障时比例判据更不会满足。在内部故障时保护范围比双绕组变压器小，但至少为公共绕组的50％。消除相间差动保护的死区足足有余。

论点之六。零序差动保护的作用有限，必要性不大。如果装设应采用保护范围受到限制的方案。 即使变压器绕组的绝级是分段的，在α=2%处绝缘强度也是有很大裕度的。在那里发生接地故障的

可能性是很小的。绕组接地故障和匝间短路故障对于相间差动保护性质是相同的，都存在W K／W Y=0.02的死区。如果没有零序差动保护，发生这种故障，相间差动保护不动作（如果瓦斯保护也不动作），只好等待故障发展扩大后相间差动保护才能动作。变压器故障的危害有三方面。一是破坏系统稳定；二是中断对用户的供电；三是变压器的损坏。α＝2％的绕组故障不会威胁系统稳定；由于故障轻微，在变压器被切除前还可继续向用户供电；并且直到故障扩大保护动作时仍属轻微故障，不会损坏铁芯。变压器绕组结构紧凑，压得很紧，虽是轻微故障也难局部修理，仍然要更换绕组。所以轻微故障稍有扩大并未增加损失。增设零序差动保护，对轻微匝间短路故障无能为力。轻微接地故障仅发生在α≤2％的地方，而轻微匝间短路则可以发生在绕组任何部位，后者的概率比前者大得多。零序差动保护只能对概率很小得多的轻微接地故障起作用。虽然零序差动保护在α很小时比相间差动保护灵敏得多，但故障处不可能没有过渡电阻，在α很小时电压很低，短路匝的阻抗很小，过渡电阻的影响会很大，零序差动保护也不可能没有死区。增设零序差动保护死区能减小多少还有待深入研究。已有相间差动保护再增设零序差动保护绝非雪中送炭之举，也只不过是锦上添花而已。如果愿意装设零序差动保护，作者建议用比例判据代替比率制动判据，把安全性放在首位。

参考文献

1 王维俭. 变压器保护运行不良的反思[J].电力自动化设备，2001，

10（10）：1－3

2 朱声石. 变压器绕组短路接地故障的保护[J].电力自动化设备，

2002，8（8）：1－3

3 王维俭. 再谈220kV及以上大型变太器装设零序差动保护的必要

性[J].2003,4(4)

4 Chiff Trickey。 PROTECTIVE RELAYS application Guide. GEC

Measurement 1987 London UK

DISCUSSION ON TRANSFORMER ZERO-SEQUENCE CURRENT DIFFERENTIAL PROTECTION

Zhu Shengshi

(Nanjing Automation Research Institute ,Nanjing, China 210003)

Abstract: The zero-sequence current differential protection is more sensitive to the earth fault than the ordinary current differential protection. But the ordinary differential protection is sensitive to most earth fault if the neutral is solid grounded. Only about 2% windings near the neutral is the dead zone of the ordinary current differential protection. The possibility of the earth fault at the dead zone is small and the damage of such fault is not serious. So it is not very important to apply a zero-sequence current differential protection as a supplementary for the ordinary current differential protection. A new earth fault protection reacted at the ratio of the neutral current to the line current is suggested. It ignores the CT polarity so it is very stable in operation.

Key words: Zero-sequence current differential protection; restricted earth fault protection

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