張明清

（江蘇省電力公司海安供電公司，江蘇海安226600）

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備，它在發(fā)電、輸電及配電等各個(gè)環(huán)節(jié)中被廣泛使用，因而其運(yùn)行的安全性直接影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。大容量電力變壓器十分貴重；因此，必須根據(jù)變壓器的容量和重要程度（考慮可能發(fā)生的各種類型的故障和不正常工作的情況），裝設(shè)性能良好、工作可靠的繼電保護(hù)裝置。

現(xiàn)場運(yùn)行的變壓器大都采用縱聯(lián)差動保護(hù)作為主保護(hù)，然而在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)差動保護(hù)誤動的情況，如不平衡電流、勵(lì)磁涌流及差動電流互感器飽和等。本文分析了引起差動保護(hù)誤動的原因，并提出了防止誤動的措施。

1 差動保護(hù)基本工作原理

差動保護(hù)原理于1904年由C.H.Meiz和B.Price在英國提出，盡管其實(shí)現(xiàn)方式（特別是制動量的構(gòu)成）存在一些差別，但基本原理沿用至今。雙繞組變壓器實(shí)現(xiàn)差動保護(hù)的單相原理接線如圖1所示。

圖1 雙繞組變壓器差動保護(hù)的單相原理接線圖

差動保護(hù)的工作原理是[1－3]：

（1）正常運(yùn)行或者外部故障時(shí)，流入繼電器中的電流為

式中，I2′，I2′′為經(jīng)過差動電流互感器變換之后的二次側(cè)電流；Ibp為不平衡電流。

（2）內(nèi)部故障時(shí)，流入繼電器中的電流為

為保證動作的選擇性，差動繼電器的動作電流Idzj應(yīng)按躲開外部短路時(shí)出現(xiàn)的最大平衡電流來整定，即

式中，Idzj為差動繼電器的動作電流；Kk為可靠系數(shù)，其值大于1；Ibpmax為外部短路時(shí)出現(xiàn)的最大平衡電流。

因此，只要選擇好定值，就可以保證差動保護(hù)不誤動。變壓器差動保護(hù)的范圍是構(gòu)成變壓器差動保護(hù)的電流互感器之間的電氣設(shè)備以及連接這些設(shè)備的導(dǎo)線。差動保護(hù)不需要與保護(hù)區(qū)外相鄰元件保護(hù)在動作值和動作時(shí)限上相互配合[4]。

2 差動保護(hù)誤動分析及改進(jìn)

2.1 不平衡電流

從式（3）還可看出：不平衡電流Ibp越大，繼電器動作電流就越大。若Ibp太大，就將降低內(nèi)部短路時(shí)保護(hù)的靈敏度，因此減小不平衡電流及其對保護(hù)的影響是變壓器差動保護(hù)的主要問題。

2.1.1 不平衡電流產(chǎn)生的主要原因

在實(shí)際運(yùn)行中，電流互感器總存在勵(lì)磁電流，且各個(gè)互感器的勵(lì)磁特性不一定完全相同，由此導(dǎo)致Ibp不可能等于零，這個(gè)電流即為不平衡電流。其產(chǎn)生原因主要有以下幾種[5－8]：

（1）計(jì)算變比與實(shí)際變比不一致而產(chǎn)生不平衡電流，即由電流互感器變比規(guī)格化產(chǎn)生的不平衡電流。

（2）由變壓器帶負(fù)荷調(diào)節(jié)分接頭產(chǎn)生的不平衡電流。

（3）兩側(cè)差動電流互感器型號、變比及二次負(fù)載不同，電流互感器傳變誤差引起的不平衡電流。

（4）變壓器勵(lì)磁電流產(chǎn)生的不平衡電流，其中，由勵(lì)磁電流造成的影響是最大的。

（5）大電流系統(tǒng)側(cè)接地故障時(shí)變壓器的零序電流。當(dāng)變壓器高壓側(cè)（大電流系統(tǒng)側(cè)）發(fā)生接地故障時(shí)，流入變壓器的零序電流因低壓側(cè)為小電流系統(tǒng)而流不出變壓器；因此，對變壓器縱差保護(hù)而言，零序電流為一很大的不平衡電流。

2.1.2 減小不平衡電流的方法

（1）采用自耦變流器進(jìn)行補(bǔ)償，一般是在電流互感器一側(cè)（對三繞組變壓器應(yīng)在兩側(cè)）裝設(shè)自耦變流器。

（2）利用中間變流器的平衡繞組進(jìn)行補(bǔ)償。

為減小暫態(tài)不平衡電流，根據(jù)電流互感器暫態(tài)不平衡電流中可能含有大量的非周期性分量使電流完全偏離時(shí)間軸一側(cè)的特點(diǎn)，常在差動回路中接入具有速飽和特性的中間變流器（BHL），其作用是使暫態(tài)不平衡電流不反映到繼電器回路中去，以避免誤動作。

（3）對變壓器差動保護(hù)進(jìn)行相位補(bǔ)償方式及接地故障時(shí)的零序電流的過濾。

變壓器會對其兩側(cè)電流產(chǎn)生相位偏移，變壓器必須對其兩側(cè)電流進(jìn)行相位校正，以滿足在正常運(yùn)行及區(qū)外故障時(shí)差流為零而使變壓器差動保護(hù)不致誤動。另外，接地故障時(shí)零序電流也是另一種不平衡電流。

以我國用得最廣泛的Y0，d11連接變壓器為例進(jìn)行簡單分析。對于原先采用差動電流互感器接成Dy的電磁型差動保護(hù)及用軟件在高壓側(cè)移相的變壓器縱差保護(hù)，由于從高壓側(cè)通入各相差動元件的電流分別為兩相電流之差，已將零序電流濾去。對于用軟件在低壓側(cè)進(jìn)行移相的變壓器縱差保護(hù)，在高壓側(cè)流入各相差動元件的電流應(yīng)將零序電流濾去。見下式引入電流互感器接線系數(shù)：

星形側(cè)

三角形側(cè)

式中，IA，IB，IC為變星形側(cè)進(jìn)入保護(hù)裝置的電流；Ia，Ib，Ic為經(jīng)過相位補(bǔ)償后進(jìn)入差動回路的電流。

圖2 Y側(cè)電流向△側(cè)電流逆時(shí)針轉(zhuǎn)30°

南京南瑞繼電保護(hù)有限公司的RCS－978系列采用的是△—Y電流相位補(bǔ)償方式[9]，其相量圖如圖3所示，其算法如下。

圖3 △側(cè)電流向Y側(cè)電流順時(shí)針轉(zhuǎn)30°相位圖

星形側(cè)

三角形側(cè)

式中，I0＝（IA＋I(xiàn)B＋I(xiàn)C）／3為零序電流。

國電南京自動化股份有限公司的PST－1200系列采用的是Y—△電流相位補(bǔ)償方式，RCS－978系列采用的是△—Y電流相位補(bǔ)償方式，分別采用了上述原理[10]。

2.2 勵(lì)磁涌流引起差動保護(hù)誤動及改進(jìn)

變壓器的勵(lì)磁電流只流入變壓器接通電源一側(cè)的繞組。對差動回路而言，勵(lì)磁電流的存在就相當(dāng)于變壓器內(nèi)部故障時(shí)的短路電流；因此，它必然給差動保護(hù)的正確工作帶來影響。

正常運(yùn)行情況下，變壓器勵(lì)磁電流很小，一般不超過變壓器額定電流的3%～6%，變壓器工作在磁通的線性段OS，如圖4所示，鐵芯未飽和，其相對導(dǎo)磁率μ很大，變壓器繞組的勵(lì)磁電感也很大。當(dāng)發(fā)生外部短路時(shí)，由于電壓下降，勵(lì)磁電流更小，對勵(lì)磁電流的影響一般可以不考慮。

圖4 ψ＝f（I）和μ＝f－（I）的關(guān)系曲線

當(dāng)變壓器空投或故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，由于變壓器鐵芯中的磁通急劇增強(qiáng)，使鐵芯瞬間飽和，相對導(dǎo)磁率μ接近1，變壓器繞組電感降低，伴隨出現(xiàn)數(shù)值很大的勵(lì)磁涌流，此時(shí)，勵(lì)磁涌流中包含有很大成分的非周期分量和高次諧波分量，并以二次諧波為主（二次諧波分量約為基波分量的17%），其數(shù)值可以達(dá)到額定電流的6～8倍，甚至更高，出現(xiàn)尖頂形狀的勵(lì)磁涌流[4，10]。如圖5所示。

在起始瞬間勵(lì)磁涌流衰減很快，對于一般中小型變壓器，經(jīng)0.5～1 s后，其值不超過額定電流的0.25～0.5倍；大型變壓器勵(lì)磁涌流的衰減速度較慢，衰減到上述值要2～3 s，即變壓器的容量越大衰減越慢，同時(shí)勵(lì)磁涌流波形出現(xiàn)間斷，產(chǎn)生間斷角（現(xiàn)代大型單相變壓器勵(lì)磁涌流的最小間斷角一般小于120°）。此電流流入差動繼電器，就有可能引起保護(hù)裝置誤動作[2－3]。

圖5 勵(lì)磁涌流波形圖

在實(shí)際運(yùn)行中，基于涌流中二次諧波含量大且有間斷角的特征，主要采用二次諧波制動、判別波形間斷角及波形對稱的變壓器差動保護(hù)。下面對這3種措施進(jìn)行闡述。

（1）二次諧波制動的變壓器差動保護(hù)。由于在變壓器勵(lì)磁涌流中含有大量的二次諧波分量，一般占基波分量的17%以上；因此，利用差電流中二次諧波所占的比率作為制動系數(shù)，可以鑒別變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流，從而防止變壓器空載合閘時(shí)保護(hù)的誤動。

目前，南京南瑞繼電保護(hù)有限公司的RCS－978系列、國電南京自動化股份有限公司的PST－1200系列等保護(hù)都采用了該原理。

（2）判別波形間斷角原理的差動保護(hù)。由前面對涌流的分析可以知道，涌流波形有較大的間斷角θ，而內(nèi)部短路時(shí)，流入差動回路的短路電流基本上是正弦波；因此，根據(jù)以上2種波形的差別，可以采用判別間斷角大小的方法躲開勵(lì)磁涌流。經(jīng)過試驗(yàn)研究，單相變壓器涌流間斷角大約小于120°，三相變壓器涌流間斷角可能有一相小于60°，所以，利用勵(lì)磁涌流一次波形的間斷角特征來閉鎖差動保護(hù)。

（3）波形對稱判別元件。保護(hù)裝置濾去電流中的直流分量，比較每個(gè)周期內(nèi)差電流的前半波與后半波的測量值。判據(jù)方程為

式中，Ij為差流波形上前半周某一點(diǎn)的值；Ij＋180°為差流波形上與Ij點(diǎn)相差180°點(diǎn)的值；κ為不對稱系數(shù)，通常等于1／2。

變壓器內(nèi)部故障時(shí)，Ij值與Ij＋180°值大小基本相等、相位基本相反，此時(shí)，κ≈0。差動保護(hù)動作。

勵(lì)磁涌流的波形具有很大的間斷角，Ij值與Ij＋180°值相差很大、相位也不會相反，此時(shí)，κ＞1／2。差動保護(hù)被閉鎖。

國電南京自動化股份有限公司的PST－1200系列就采用了此原理，并申請了專利。

2.3 由差動電流互感器原因所引起差動保護(hù)誤動及改進(jìn)

2.3.1 差動電流互感器飽和引起差動保護(hù)誤動及改進(jìn)

現(xiàn)場運(yùn)行中的很多差動保護(hù)是比率制動式的，從差動電流互感器的暫態(tài)傳變特性知[10]，在外部故障、空載合閘或故障切除電壓恢復(fù)的暫態(tài)過程中，伴隨工頻交流的非周期分量和諧波分量電流將使變壓器差動保護(hù)兩側(cè)不同型的差動電流互感器因嚴(yán)重的非線性飽和特性而不一致，縱然一次電流各側(cè)之和∑I＝0，但二次電流各側(cè)之和∑Ij≠0，造成差動電流增大，與此同時(shí)反映∑｜Ij｜的制動電流卻因嚴(yán)重飽和而減小，即差動電流互感器飽和導(dǎo)致差動保護(hù)誤動的原因。

為保證選擇性并從提高差動保護(hù)的整體性能出發(fā)，可采取以下措施來防止差動電流互感器飽和：

（1）選擇適當(dāng)?shù)牟顒与娏骰ジ衅骱蜏p小二次負(fù)載阻抗；

（2）選擇合理的差動保護(hù)制動特性，如比率制動判據(jù)可按制動電流的大小分別采用不同的制動系數(shù)，即多段折線型比率制動特性；

（3）注意差動電流互感器飽和的鑒別。可利用差動電流出現(xiàn)時(shí)刻和故障發(fā)生時(shí)刻的不同來區(qū)分是區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障，從而有效地防止外部短路時(shí)由于飽和而引起的暫態(tài)不平衡電流造成的差動保護(hù)誤動。

2.3.2 差動電流互感器二次回路斷線引起差動保護(hù)誤動及改進(jìn)

電流互感器二次回路斷線最明顯的特征就是電流下降，在常用的微機(jī)保護(hù)中，只要有合理的判斷，就不難解決電流互感器二次回路斷線時(shí)變壓器差動保護(hù)的誤動問題。一般對差動保護(hù)動作電流的整定可從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行：

（1）應(yīng)躲過當(dāng)變壓器空投及外部故障后電壓恢復(fù)時(shí)的變壓器勵(lì)磁涌流的影響，一般?。?.3～1.5）Ie額定電流；

（2）應(yīng)躲過變壓器外部故障時(shí)在變壓器保護(hù)中所引起的最大不平衡電流，一般取1.3Ibp不平衡電流；

（3）應(yīng)躲過變壓器差動保護(hù)二次回路在差動回路中引起的差動電流的影響，一般取1.3Ie額定電流。

3 結(jié) 語

筆者結(jié)合對本工作單位已運(yùn)行的主變保護(hù)裝置的功能特點(diǎn)做的一些總結(jié)，提出了變壓器差動保護(hù)誤動的原因及一些改進(jìn)措施。只有結(jié)合實(shí)際深入了解，掌握變壓器縱差保護(hù)產(chǎn)生誤動的原因及防止誤動的保護(hù)原理，才能根本杜絕變壓器差動保護(hù)誤動作，從而保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 張 清，馮譽(yù)坤，賀 黠，等.試論變壓器的差動保護(hù)[J].科技資訊，2010（10）：251.

[2] 石文芳.淺談變電站繼電保護(hù)技術(shù)[J].科技信息 ，2010（13）：283.

[3] 潘 毅，鄭永濤，李志猛.變壓器差動動作原因分析[J].電工技術(shù)，2010（7）：20.

[4] 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].2版.北京：中國電力出版社，2002.

[5] 王 強(qiáng).變壓器差動保護(hù)需考慮的特殊問題[J].煤，2010（7）：97－98，103.

[6] 倪 明.變壓器差動保護(hù)誤動及防范對策[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（13）：131.

[7] 閆運(yùn)紅.關(guān)于變壓器勵(lì)磁涌流的分析及對策[J].電工技術(shù)，2010（5）：19.

[8] 韋 恒.變壓器差動保護(hù)勵(lì)磁涌流誤動分析及解決方案[J].廣西電力，2010（3）：27－28.

[9] 江蘇省電力公司.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2006：53－65.

[10] 江蘇省電力公司生產(chǎn)技能培訓(xùn)中心.PST1200系列數(shù)字式變壓器保護(hù)裝置說明書、RCS－978系列變壓器成套保護(hù)裝置說明書[M].蘇州：繼電保護(hù)組編，2004：8－23.