变压器差动保护

一、差动保护原理

变压器差动保护的动作原理与线路纵差动保护相同，通过比较变压器两侧电流的大小和相位决定保护是否动作，单相原理接线图如图4-4所示。三绕组变压器的差动保护，其原理与图4-4相类似，只是将三侧的“和电流”接人差动继电器KD，这里不再赘述。

电力系统中，变压器通常采用Y，dll接线方式，两侧线电流的相位相差300。如果将变压器两侧同名相的线电流经过电流互感器变换后，直接接入保护的差动回路，即使两个

，流入差动继电器的电流也电流互感器的变比选择合适，使其二次电流数值相等，即I1I2不等于零，因此在电流互感器二次采用相位补偿接线和幅值调整。具体为变压器星形侧的三个电流互感器二次绕组采用三角形接线(自然消除了零序电流的影响)，变压器三角侧的三个电流互感器二次绕组采用星形接线，将引入差动继电器的电流校正为同相位；同时，二次绕组采用三角形接线的电流互感器变比调整为原来的3倍。微型机变压器差动保护，可以通过软件计算实现相位校正。

1．变压器正常运行或外部故障

根据图4-4(a)所示电流分布，此时流入差动继电器KD的电流是变压器两侧电流的二次值相量之差，适当选择电流互感器1TA和2TA的变比，再经过相位补偿接线和幅值调整，实际流人差动继电器的电流为不平衡电流，继电器不会动作，差动保护不动作。此时流人差动继电器的电流为

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IKDI2I1••I1I2Iunbn1TAn2TA•• (4—1)

式中 n1TA——电流互感器1TA、2TA的变比；

Iunb——流人差动继电器的不平衡电流。

2．变压器内部故障

根据图4-4(b)所示电流分布，此时流人差动继电器KD的电流是变压器两侧电流的二次值相量之和，使继电器动作，差动保护动作。此时流人差动继电器的电流为

IKDI1I2I2nnI11TA2TA•••• (4—2)

如果变压器只有一侧电源，则只有该侧的电流互感器二次电流流人差动继电器；如果变压器两侧有电源，则两侧的电流互感器二次电流都流入差动继电器，且数值相加。

变压器差动保护从原理上能够保证选择性，即实现内部故障时动作、外部故障时不动作，所以动作时间整定为0s。

二、变压器励磁涌流及识别措施

变压器正常运行时励磁电流数值很小，一般仅为变压器额定电流的3%～5%；外部短路时，由于电压降低，励磁电流减小；当变压器空载投入或外部短路故障切除电压恢复时，

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励磁电流可达到额定电流的6-8倍，称为励磁涌流。

变压器励磁电流仅存在于变压器的电源侧，全部流人保护差动回路。在变压器正常运行和外部短路时，励磁电流数值很小，不会引起差动保护误动作；当出现励磁涌流时，如果不采取措施，将造成差动保护误动作。

变压器励磁涌流产生的根本原因，是变压器铁芯中磁通不能突变。励磁涌流与合闸时电源电压相角、电源容量大小、变压器接线方式、铁芯结构、铁芯剩磁及饱和程度等有关。在三相变压器中，至少两相存在励磁涌流。分析表明，变压器励磁涌流具有以下特点：

1)励磁涌流数值很大，随时间衰减，衰减速度与变压器容量有关，变压器容量大则衰减慢；

2)励磁涌流中含有明显的非周期分量，波形偏向时间轴的一侧；

3)励磁涌流中含有明显的高次谐波分量，其中二次谐波分量比例最大；

4)励磁涌流波形呈非正弦特性，波形不连续，出现间断角。

根据变压器励磁涌流的特点，能够鉴别出是故障电流还是励磁涌流。如果是励磁涌流，则制动(闭锁)保护，即不开放保护；如果不是励磁涌流，则开放保护。通常采用防止励磁涌流引起变压器差动保护误动的措施有：

1)采用带有速饱和变流器的差动继电器构成变压器差动保护。

利用励磁涌流中含有明显的非周期分量的特征，用非周期分量电流破坏周期分量电流变换。

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2)采用二次谐波制动原理构成变压器差动保护。利用励磁涌流中含有明显二次谐波分量而短路电流中不含有二次谐波分量的特征，应用二次谐波制动原理，使出现励磁涌流时制动保护，出现短路电流时不制动(开放)保护。

3)采用鉴别波形间断原理构成变压器差动保护。利用励磁 涌流波形间断而短路电流波形连续的特征，当保护差动回路电流波形间断角超过整定值时闭锁保护，间断角小于整定值时开放保护。

目前，已经有了一些识别励磁涌流的新技术，例如较为实用的有半波叠加制动、检测波形对称识别励磁涌流、检测波形前后半周波形的相似程度识别励磁涌流等。

三、变压器差动保护的不平衡电流

当变压器通过穿越电流(正常运行或外部故障)时，流人差动继电器的电流是不平衡电流，此时差动保护不应动作。因此，需要克服或减小差动回路不平衡电流对保护的影响。造成变压器差动保护不平衡电流的因素可以归纳为以下几个方面。

1．电流互感器变比标准化

以上讨论假设I1I2，即假设变压器两侧电流互感器的变比选择是理想的，满足关系

I1I2I1nI2n1TA2TA•••• (4-3)

实际电流互感器是定型产品，变比是标准化的。变压器两侧电流互感器变比的计算希望值通常与标准变比不同，因此实际选择的电流互感器标准变比无法满足式(4-3)，在变压

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器保护差动回路产生不平衡电流。

针对这部分不平衡电流，可以通过电流变换器对电流互感器二次电流数值进一步变换，使最终引入差动继电器的两个电流数值尽量接近，并在整定计算时给予考虑。

在微机保护中采用的措施是电流平衡调整。

2．两侧电流互感器二次阻抗不完全匹配

变压器两侧电压等级不同，额定电流数值不同，因而实际选用的电流互感器型号不同，他们的饱和特性、励磁电流、剩磁不同，两侧电流互感器二次阻抗不完全匹配，使电流变换出现相对误差。因此在外部短路故障时，并计及非周期分量电流后，差动回路有较大的不平衡电流。

针对这部分不平衡电流，在整定计算时引入电流互感器同型系数、电流互感器变比误差系数、非周期分量系数加以考虑。

3．变压器分接头调整

变压器分接头调整是维持系统电压的一种有效方法。当变压器分接头调整时，改变了变压器的变比，造成变压器两侧电流关系改变，因此破坏了电流互感器二次电流的平衡关系，在差动回路产生不平衡电流。

针对这部分不平衡电流，在整定计算加以考虑。

综合以上分析，变压器纵差动保护的不平衡电流包括以上三部分，而且在变压器流过

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最大外部短路电流时，出现最大不平衡电流。为保证外部短路故障时差动保护不动作，动作电流应按照躲过最大不平衡电流整定；而为保证内部短路故障时差动保护的灵敏度，动作特性应采用比率制动特性。保护灵敏度校验按照保护范围内最小短路电流校验，规程要求Ksen≥2。

实际中减小差动回路不平衡电流的主要措施是，两侧电流互感器要匹配，减小电流互感器二次负载阻抗等。

四、保护逻辑框图

采用二次谐波制动原理构成变压器差动保护由差动元件、二次谐波制动、差动速断元件、TA断线检测等部分构成，逻辑框图如图4-5所示。

1．差动元件

通常采用比率制动特性，引入外部短路电流作为制动量(制动电流)，使差动保护的动作电流随外部短路电流增大而增大，如图4-6所示，图中Ibrk为制动电流。在外部短路时，

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虽然不平衡电流随短路电流增大，但制动量也增大，动作电流增大，差动保护不动作；内部短路时制动量很小，保护灵敏动作。图4-5中采用分相差动，其中任一差动元件动作，即可通过或门Hl去跳闸。

2．二次谐波制动

二次谐波制动是识别励磁涌流最为常用的一种方法。检测保护差动回路电流的二次谐波电流判别励磁涌流，判别式为

IKD2> K2IKD (4-4)

式中 IKD2——差动电流中的二次谐波电流；

K2——二次谐波制动系数；

IKD——差动电流。

满足式(4-4)时，判别为励磁涌流，闭锁差动保护；不满足式(4-4)时，开放差动保护。

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制动方式有最大相制动和分相制动，图4-5为最大相制动方式。当任一相差动回路电流的二次谐波分量满足制动判据时，经过或门H2闭锁与门Y1，即使有差动元件动作保护也不会出口；如果是发生短路，无二次谐波制动，允许保护由差动元件决定保护的动作。

3．差动速断元件

当变压器内部发生严重故障时，短路电流很大，应该快速切出故障。但是，当短路电流很大时，由于电流互感器饱和影响，造成二次电流波形畸变，将出现二次谐波电流，影响保护的正确动作。因此，当短路电流数值达到差动速断动作值时，通过差动电流速断元件直接出口切除变压器，不再经过任何其他条件的判断。通常差动速断元件的动作电流大于变压器励磁涌流数值。

4．TA断线检测

在电流互感器二次断线时发出信号。

变压器差动保护的保护范围为保护用电流互感器之间的一次系统，包括变压器绕组和变压器绕组的引出线，反应各种短路故障，但不能反应变压器发生少数匝数的匝间短路、铁芯过热烧伤、油面降低等。变压器气体保护的保护范围为变压器油箱内部，反应变压器油箱内部的任何短路故障，以及铁芯过热烧伤、油面降低等，但不能反应变压器绕组引出线的故障。可见不论是差动保护还是气体保护，都不能同时反应以上各种故障，所以不能互相取代，变压器需要同时装设差动保护和瓦斯保护共同作为变压器的主保护。

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