差动保护在电力变压器中的应用

1 差动保护在电力变压器中的应用 摘 要：本文主要对变压器差动保护的原理、变压器励磁涌流产生的机理以及防范措施、在实际生产运行中应注意的问题进行阐述和深入的探讨。 关键词：变压器、差动保护、励磁涌流、极性、误动 一、 概述 电力变压器是电力系统中的一个重要设备，它在电网中起着升压、降压和联络隔离的作用，因此必须给变压器配臵快速灵敏的主保护，目前我国电网中变压器均配臵比率制动差动保护，它和瓦斯保护一起构成了变压器的主保护。 二、 变压器差动保护的原理 变压器差动保护主要反应变压器绕组的相间短路，同时也能反应绕组的匝间短路和星形侧绕组的接地短路。 1、 变压器纵差保护的构成原理（以双绕组变压器为例） 现在变压器均采用微机型具有比率特性的差动保护，各侧电流分布引入至保护装臵，由装臵进行幅值和相位的补偿，计算出差动电流和制动电流，实现保护功能。变压器正常运行或区外短路时，变压器两侧的电流在理论上大小相等相位相反，差动电流为0（理论上），制动电流为穿越性电流，保护不动；变压器内部短路时，两侧短路电流均流入变压器，相位相同，差动电流为短路电流，而制动电流较小,保护将灵敏动作。比率特性的差动保护 2

具有动作电流随着制动电流的增大而相应的抬高，防止了区外短路时由于短路电流的增大使流入差动元件的不平衡电流增大造成的保护误动，同时差动电流的门槛值只躲过正常运行时的不平衡电流，此电流较小，从而提高了区内短路时的灵敏度。

动作方程： IDZ ≥ IZD0 IZD ≤ IZD0 IDZ ≥ KZ1(IZD-IZD0)+ IDZ0 IZD0 ≤ IZD ≤ IZD1 IDZ ≥ IDZ0+ KZ1(IZD-IZD0)+ KZ2(IZD-IZD1 IZD ＞ IZD1 IDZ —差动电流，IDZ=I1+I2, IZD —制动电流，IZD=1/2(I1-I2) IDZ0—差动电流门槛值。 KZ1 —第1段折线的斜率，KZ2 —第2段折线的斜率， ISD —差动速断定值。 2、单相变压器励磁涌流产生的机理 变压器差动保护要考虑防励磁涌流部分，那么励磁涌流是怎么 3

产生的呢？首先要认识到变压器的励磁阻抗是可变的阻抗，在正常运行，对于大型变压器，Ie<1%Itn(Itn为变压器额定电流)，励磁阻抗相对于一二次绕组漏抗来说很大，当外部系统短路时，电压下降，Ie更微不足道。当变压器空载合闸或外部短路切除时，变压器铁芯磁通密度B大大增加，铁芯严重饱和，励磁电抗极度减小，励磁电流剧增，励磁电流最大可达到额定电流的数倍到10倍以上，可以和短路电流相比拟，该电流作为差动电流送到差动继电器里去，差动保护必然会误动。 励磁涌流的产生是由变压器铁芯饱和引起的。变压器空载合闸时，假设此时电源电压相角为0，将产生一稳态磁通（此磁通滞后电压90°）幅值为-Φm,由于磁通不能突变，此时必将产生一暂态磁通幅值为Φm，（暂态磁通呈不衰减的直流性质），考虑到变压器还有剩磁（大小为0.7Φm），这三部分磁通之和为2.7Φm，这时变压器铁芯严重饱和，必将使励磁电流大大增加。励磁电流的特点：（1）含有大量的非周期分量，波形不对称且偏于时间轴一侧。（2）含有大量的高次谐波，以二次谐波为主（3）波形出现间断。 三、 三相变压器的励磁涌流及差动保护的防范措施 影响三相变压器励磁涌流波形的因素大致有：电源电压大小和合闸初相角，系统等值阻抗大小和相角，变压器三相绕组的接线方式和中性点接地方式，三相铁芯结构和材质，合闸前铁芯剩磁大小和方向。以下是差动保护几种防止励磁涌流误动的方法。 4

1、采用具有速饱和变流器的差动继电器 我国初期搞变压器差动保护时，往往都采用具有速饱和变流器的差动继电器，它的原理就是利用空载合闸时的励磁涌流中直流分量流入速饱和变流器，使其快速饱和以至于交流分量不会从速饱和变流器的二次侧流出，防止接在二次侧的电流继电器误动。这种情况用在单相变压器能够正确反映，但实际生产中往往都是三相变压器，后来经试验测试到，三相变压器在空载合闸时，往往有一相励磁电流中的直流分量很小甚至为零，此时必然会造成差动保护误动。另外，当变压器内部短路时，短路电流中也含有相当比例的直流分量，也会造成差动保护的延缓动作甚至拒动，有人说我们在试验时通入试验电流时，动作时间不是很快吗，二十几毫秒，不要忘记了我们只是通入的纯工频电流，没有直流分量。后来，为克服以上缺点，就把动作电流提高到额定电流以上，但保护的灵敏性没有了。所以采用具有速饱和变流器的差动继电器作为变压器差动保护现在已不再采用。 2、采用二次谐波制动 这是目前我国保护厂家在变压器差动保护中普遍采用的一种制动方式。它是利用励磁涌流中含有二次谐波与基波的比值大于15%-20%时将差动保护闭锁。但是变压器空载合闸时往往三相励磁涌流中有一相的二次谐波比例小于15%，差动保护又都是分相动作，保护要误动。因此差动保护都采用三相或的闭锁方式，即只要有一相励磁涌流满足制动条件，都将三相差动全闭锁。这又带 5

来一个新的问题，假设变压器经过检修后投入空载充电试验，某相有匝间短路我们不知道，差动保护将被闭锁，只有等待励磁涌流衰减后差动保护才延缓动作。因此二次谐波制动的差动保护也不是十全十美，也有它的不足。目前，南瑞保护在构成保护相位补偿时，采用由角侧向星形侧转变，同时采用工频变化量差动保护，可以解这一问题，二次谐波也可采用分相制动。 3、间断角原理制动 变压器内部短路产生的短路电流无间断或者说间断角很小，而变压器空载合闸时，励磁涌流的波形是间断的，间断角一般大于60，按照差电流波形是否有间断及间断角的大小来区分故障电流与励磁涌流。 4、波形对称原理 现在微机型变压器纵差保护采用波形对称算法，首先将流入差动元件的差流进行微分，滤去电流中的直流分量，使电流波形不偏移横坐标轴的一侧，然后比较每个周期内差电流的前半波与后半波的量值。若波形是对称的，表明是短路电流，则开放保护；若波形不对称，表明是励磁涌流，则闭锁保护。 四、变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同 1、变压器各侧额定电压和额定电流各不相等，因此各侧电流互感器的型号一定不相同，而且各侧三相接线方式不尽相同，所以各侧相电流的相位也可能不一致，这些都会导致外部短路时的不平衡电流增大，所以变压器差动保护的最大制动系数比发电机大， 6

灵敏度相对较低。 2、变压器高压绕组常带有调压分接头，有时还要求带负荷调节，使变压器纵差保护已调整好平衡的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相应加大。 3、对于定子绕组的匝间短路，发电机差动保护完全不起作用。变压器各侧绕组的匝间短路，通过变压器铁心磁路的耦合，改变了各侧电流的大小和相位，使变压器差动保护对匝间短路有作用（匝间短路可看成为变压器又增加了一个新的绕组）。 4、变压器差动保护范围除包括各侧绕组外，还包含变压器的铁心，即变压器差动保护区内不仅有电路还有磁路。这就违反了纵差保护的理论基础—基尔霍夫电流定律。 5、无论是发电机差动保护还是变压器差动保护对绕组开焊故障都不反映，发电机差动保护还好理解，而变压器差动保护就不好理解，从定性方面来说，绕组开焊必然会产生正序、负序和零序分量，正序和负序是一个穿越性电流，穿越性电流对于变压器差动保护是要制动的，零序分量在变压器三角侧绕组内形成环流，在该侧引线上无零序分量，变压器星形侧虽然有零序分量，但由于该侧的TA二次接成三角形，零序分量也流不进差动继电器里去，故差动保护不会动作。从定量方面来说，可以通过下面接线图进行分析。 7

五、变压器差动保护在运行中应注意的问题 变压器在运行中常常误动和拒动，分析原因有运行维护和管理上的问题，也有安装和设计上的问题。这里主要是从运行工作方面谈谈应注意的问题。 1、 电流互感器二次端子极性接反或二次回路接线错误。历年来差动保护误动的原因之一总有互感器二次端子极性接反的事故教训，说明继电保护的工作人员缺少基本功的培训，基础素质较差，没有严格按图施工，也不认真执行调试规定。在新安装、定期试验或二次回路有改动时，变压器在正式投运前，必须进行带负荷试验，测量差动回路的不平衡电流和电压，且符合规程的规定， 8

还应测量各侧二次电流的大小和相位，作出六角图，对于微机保护应查看各相的差流为零或接近于零，说明接线完全正确，然后才能投入变压器差动保护。 2、空载合闸试验 为保证变压器空载合闸或切除外部短路时，在励磁涌流作用下差动保护不误动，在第一次投入差动保护时，必须进行5-7次的冲击合闸试验，确认变压器差动（包括差动电流速断保护）避越励磁涌流的能力。 3、差动保护电流互感器二次回路断线 互感器二次回路断线，纵差保护动作，年年均有发生。为此二次电流回路尽量减少接头、插销、螺丝等；当保护屏处有振动的地方时，应加装抗振措施，电流接线端子加装弹簧垫圈。 4、纵差保护二次电流回路的接地 差动保护二次电流回路应有一个可靠接地点，且只允许有一个接地点，接地点宜在控制室。千万不要在差动保护的每组互感器的二次回路都设接地点，以防止在系统接地故障或附近电弧作业时引发差动保护的误动。 5、运行中操作不当 当主变压器的断路器要用旁路替代时，差动保护的电流互感器、保护装臵的连接片和大电流端子应进行相应的操作，由这些操作的错而酿成差动保护误动的教训屡见不鲜，应引以为戒。 6、变压器差动保护的整定计算工作