变压器差动保护动作原因分析

厂用备用变压器
差动保护动作原因分析及防范措施
二O一0年二月
变压器差动保护动作原因分析及防范措施
[摘要]通过对厂用备自投系统定期试验时，引起#0厂高变差动保护、#3机分支电抗器差动保护动作原因分析，找出备自投系统定期试验方法中存在的问题并加以防范，利于以后的安全生产。

[关键词] 变压器差动保护动作原因防范措施
某厂电气运行人员进行厂用备自投系统定期试验，在工作电源运行正常的情况下，模拟工作电源跳闸联动备用电源，将热备中的#0厂高变110KV侧8100开关和6kV侧620开关联动合闸，合闸时刻发生#0厂高变差动保护、#3机分支电抗器差动保护在保护区内无故障的情况下动作出口，引起#3机分支跳闸，6kV母线失压。

现将动作过程进行认真的分析，找出发生故障的原因并加以防范，利于以后的安全生产。

一、试验方案及试验现象：
做试验时发电机运行方式如下图（只列出相关回路设备）：#1机分支带6kVⅠ段母线
运行；#3机通过631、632开关带6kVⅡ段运行；同时由602开关带6KVⅢ、Ⅳ、Ⅴ
A 、Ⅴ
B
段母线运行（即#3机分支带6KVⅡ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ
A 、Ⅴ
B
段母线运行）。

以试验按钮模拟602开关断开，即模拟6kVIII、IV段失压，#0变选在110kV侧，即联动8100开关。

当模拟602开关断开后，8100开关、610、620、630、640开关均合闸成功，但是，紧接着#0变差动保护、#3机分支差动保护动作并出口，跳开8100、610、620、630、640开关，跳开631、632开关，此时，造成6kVII段、III段、IV段的真失压，#3炉灭火事件，#0厂高变再次被联动， 8100、620、630、640开关合闸成功。

二、动作原因分析
1、差动保护范围及原理
差动保护是作为变压器内部以及套管、引出线相间短路的主保护以及中性点直接接地系统侧的单相接地短路保护，同时对变压器内部绕组的匝间短路也能反应。

变压器差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作，是按照循环电流的原理构成的,该厂#0厂高变微机保护为WBZ-500型，装置通过内部软件实现差动回路的内转角转换。

原理接线如下图所示。

110
当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则同一时刻一次中流入变压器的电流和流出电流相等。

三绕组变压器的三侧装设了电流互感器，正常运行情况下或外部故障时，三侧的电流互感器产生的二次电流，流入差动继电器的电流大小相等，方向相
反（折算后的电流只有极小的不平衡电流），若不考虑不平衡电流的影响，流入三相差动继电器的电流可以近似等于零均为0。

差动继电器不动作。

当变压器内部故障时，三侧向故障点提供短路电流，差动保护感受到的二次电流向量和正比于故障点电流，当电流大于保护装置的门槛定值时，保护装置即接通跳闸回路，无时限跳开三侧断路器切除故障。

2、差动保护动作数据分析：
先看联动时刻#0厂高变差动保护动作纪录，保护装置内故障记录如下：
图中：Iah、Ibh、Ich为#0厂高变高压侧（110KV）电流；Iam、Ibm、Icm为#0厂高变中压侧（35KV）电流；Ial、Ibl、Icl为#0厂高变低压侧（6KV）电流。

由上图可以看出#0厂高变差动保护跳闸时，A相最大差流为1.73A，在 #0厂高变高压侧8100开关合闸时， 0厂高变低压侧（6kV）线圈中存在电流远大于折算到110KV侧的电流，且二次谐波分量所占比例最大为19.7％。

#0厂高变差动保护差流门槛定值为0.5A，
二次谐波制动比定值为20％，差流1.73A和二次谐波制动比已大于门槛定值。

因此，差动保护动作跳闸判断正确。

再看联动时刻#3机分支差动保护动作纪录，保护装置内故障记录如下：
图中：IA、IB、IC为#3机分支电抗器高压（发电机侧）侧电流；ia、ib、ic为#3机分支电抗器低压（6KV厂用母线段）侧电流。

由上图可以看出#3机分支差动保护跳闸时，最大差流为3.46A，保护动作时，在低压侧（6kV）线圈中存在电流也是远大于发电机侧的电流。

#3机分支电抗器差动保护门槛定值为2.4A，差流3.46A已大于门槛定值。

因此，差动保护动作跳闸判断正确。

由上述两张录波数据可以分析得出，两组差动保护都是由于低压侧线圈中所产生的大于保护定值的差动电流而正确出口跳闸的。

在微机电流差动保护中具有比率制动、二次谐波及高次谐波制动，如果是正常的不平衡电流和区外故障，保护装置都会很好的躲过。

既然能够肯定保护区内没有故障，那么，差流就是回路中的不平衡电流超过了其正常允许范围所产生。

3、变压器差动电流产生的原因
下面从变压器不平衡电流产生原理来分析差动保护动作原因：
变压器差动保护回路不平衡电流的产生有稳态和暂态二方面。

稳态不平衡电流产生的原因:（1）变压器高低压侧绕组接线方式不同;（2）变压器各侧电流互感器的型号和变比不相同;（3）带负荷调分接头引起变压器变比的改变。

暂态不平衡电流主要是由于变压器空载投入电源或外部故障切除，电压恢复时产生的励磁涌流。

在变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复过程中，由于变压器铁芯中的磁通急剧增大，使铁芯瞬间饱和，这时将出现数值很大的冲击励磁电流，通常称为励磁涌流。

励磁涌流的特点是1)涌流含有大量的高次谐波分量(主要是以二次为主)，因此，励磁涌流的变化曲线为尖顶波。

2)励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关，饱和越深，电抗越小，衰减越快。

因此，在开始瞬间衰减很快，以后逐渐减慢，经0.5～1s 后其值衰减到(0.25～0.5)In。

3)一般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。

4)包含很大成分的非周期分量，使涌流波形偏于时间轴的一侧。

5)励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的8～10 倍，励磁涌流的大小和衰减速度，与合闸瞬间外加电压的相位，铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量、变压器的容量及铁芯材料等因素有关。

变压器的高、低压侧是通过电磁联系的，故仅在电源的一侧存在励磁电流，它通过电流互感器构成差回路中不平衡电流的一部分。

在正常运行情况下，其值很小，一般不超过变压器额定电流的3％～5％。

当外部短路故障时，由于电源侧母线电压降低，励磁电流更小，因此这些情况下的不平衡电流对差动保护的影响一般可以不必考虑。

在变压器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复过程中，由于变压器铁芯中的磁通急剧增大，使铁芯瞬间饱和，这时出现数值很大的冲击励磁电流（可达5～10倍的额定电流）。

对于单相的双绕阻变压器，在其它条件相同的情况下，当电压瞬时值为零时合闸，励磁电流最大；如果在电压瞬时值最大时合闸，则不会出现励磁涌流，而只有正常的励磁电流。

对于三相变压器，无论任何瞬间合闸，至少有两相会出现不同程度的励磁涌流。

根据试验和理论分析结果得知，励磁涌流中含有大量的高次谐波分量，其中二次谐波分量所占比例最大，约为60％以上。

四次以上谐波分量很小。

针对励磁涌流的上述特点，各个厂家生产的保护装置中都配置具有比率制动、二次谐波及高次谐波制动，如果是正常的不平衡电流和区外故障，差动保护装置都会很好的躲过。

从该厂WBZ-500H微机变压器保护动作纪录图上可以看出，保护回路出现的差流完全符合上述励磁涌流的特点。

引起这个结果的原因有两点:
其一，根据现场实测参数，#0变110kV侧8100断路器的固有合闸时间为430ms，6kV侧系统断路器的固有合闸时间为70ms。

在两台断路器同时接到备自投系统发出的合闸脉冲命令时，6kV侧系统断路器将先于8100断路器350 ms合闸。

那么，这个过程中，相当于#3发电机作为电源，通过分支母线，通过6kV侧系统断路器向#0厂高变反充电。

这时在变压器6kV侧线圈中产生很大的励磁涌流，110kV侧线圈中没有这部分电流。

其二， #0厂高变为Y，d11接线的三圈变压器，由于三角形侧的线电压与星侧相比，在相位上相差30°，故其相应相的电流相位关系也相差30°，即三角形侧电流比星形侧的同一相电流，在相位上超前30°。

由于110kV侧与6KV 系统存在相位差的缘故，在合
闸时8100断路器两触头间将产生一个电压差△U，再由于6kV侧系统阻抗比110kV侧系统的阻抗大得多，在8100断路器合闸的瞬间，电压差△U将主要降落在#0厂高变线圈上，在这个电压△U的作用下#0变6kV侧线圈中将流过相当大的电流，这部分电流是由于#0变110kV侧电压突然增高而产生的，这部分电流就相当于励磁涌流，它只流过#0变压器的6kV 侧线圈，在#0厂高变110kV侧线圈中并没有这部分电流流过。

在上述两项励磁涌流的作用下，#0变压器的6kV侧线圈中流过非正常的不平衡电流，反映到二次侧后远大于保护正常能躲过的不平衡电流，引起#0变压器差动保护出口跳闸。

电抗器相当于一个电感线圈，分支出线安装电抗器是为了在故障情况下增大短路阻抗，限制短路电流。

同时在发生短路时，也起到维持母线电压水平的作用，使母线上的电压波动较小，保证非故障线路电气设备运行的稳定性。

由于#3发电机作为电源，通过分支向#0厂高变反充电。

#0变6kV侧线圈中流过的励磁涌流也同样影响到分支差动保护回路。

电抗器线圈中由于电感电流不能突变，在母线侧存在的电流也远大于发电机侧的电流。

因此引起分支电抗器差动保护达到动作值出口跳闸。

下面再看#0厂高变投于110kV侧时，在工作电源失去后联动备用电源时微机保护装置中保存的录波数据：。